Hydromechanical stress in aerated stirred tanks

Daub, Andreas; Büchs, Jochen (Thesis advisor); Herwig, Christian (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2016)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die Turbulenzintensität bzw. die hydromechanische Belastung ist in vielen industriell relevanten Prozessen, die in begasten Rührreaktoren betrieben werden, ein bestimmender Parameter. Diese Prozesse sind häufig charakterisiert durch intensive Begasung und Rührung. Dies gilt insbesondere für großtechnische Fermentationsprozesse. Die Messung der hydromechanischen Belastung unter Bedingungen hoher Begasungs- und Rührintensität ist überaus schwierig. Auf Grund fehlender Messmethoden gibt es nur wenige Untersuchungen zur Turbulenzcharakteristik unter diesen Bedingungen. Daher konzentrierte sich die vorliegende Arbeit auf die folgenden drei Themenschwerpunkte: (1) die Entwicklung einer Messmethode zur Charakterisierung der hydromechanischen Belastung in begasten Rührreaktoren, (2) die Untersuchung des Einflusses der Begasung auf die hydromechanische Belastung und (3) die Charakterisierung des Einflusses der Geometrie und des Maßstabs auf die hydromechanische Belastung in begasten Rührreaktoren.Eine neue Messmethode wurde etabliert, die auf der bekannten Korrelation des maximalen stabilen Tropfendurchmessers einer koaleszenzgehemmten Dispersion mit der hydromechanischen Belastung beruht. Die spezifischen Eigenschaften der kontinuierlichen und der dispersen Phase wurden so gewählt, dass es zum ersten Mal möglich wurde, dieses Prinzip auf begaste Rührreaktoren anzuwenden. Dies wurde hauptsächlich erreicht durch die geringe Konzentration der dispersen Phase, einer geringen Ionenstärke der kontinuierlichen Phase und der Wahl einer dispersen Phase – Paraffinöl – mit negativem Spreitungskoeffizienten. Der negative Spreitungskoeffizient führt zur Vermeidung von Koaleszenz auf Grund von Tropfen-Blasen-Interaktionen bei begasten Betriebsbedingungen.Diese neue Methode wurde eingesetzt um den Einfluss der Begasung auf die hydromechanische Belastung in einem breiten Bereich von begasten und unbegasten Betriebsbedingungen in einem 3 m3 Reaktor zu untersuchen. Es wurden Ergebnisse von Dispergierexperimenten mit zwei unterschiedlichen Konfigurationen 6-blättriger Scheibenrührer mit Durchmessern d = 0.41 m (d/DR = 0.34, Konfiguration B-1) und d = 0.51 m (d/DR = 0.43, Konfiguration B-3) gezeigt. Die Ergebnisse von Experimenten ohne Begasung waren in guter Übereinstimmung mit Daten aus der Literatur. Die Ergebnisse von Experimenten mit Begasung zeigten eine ausgeprägte Dämpfung der Turbulenzintensität in Rührreaktoren durch die Gegenwart von Gasblasen. Das Verhältnis zwischen maximaler und durchschnittlicher Energiedissipationsrate, φ, wurde durch die Begasung bei gleichem spezifischen Leistungseintrag im Vergleich zu unbegasten Bedingungen für die Rührerkonfiguration mit d/DR = 0.34 (B-1) um 64% verringert und für die Rührerkonfiguration mit d/DR = 0.43 (B-3) um 52%. Im Bereich der untersuchten Begasungsraten (0.1 vvm bis 1 vvm) hatte der Wert der Begasungsrate keinen Einfluss auf das Ergebnis.Die Methode wurde weiterhin in einem breiten Bereich von Reaktormaßstäben (50 L, 3 m3 und 40 m3 Nennvolumen), Rührergeometrien (Scheibenrührer und eine Ekato Phasejet/Combijet Kombination) und Betriebsbedingungen eingesetzt um den Einfluss der Geometrie und des Maßstabs auf die hydromechanische Belastung zu untersuchen. Der Vergleich von Daten aus unterschiedlichen Maßstäben zeigte einen Maßstabseffekt, der zu höheren Werten für φ mit steigender Reaktorgröße führt. Dieses Verhalten wird durch die klassische Theorie des turbulenten Tropfenaufbruchs nicht beschrieben, ist aber in guter Übereinstimmung mit dem Phänomen der intermittierenden Turbulenz. Die Daten für alle Rührerkonfigurationen und Begasungsraten für die drei untersuchten Maßstäbe korrelierten sehr gut, wenn für die Berechnung der maximalen lokalen Energiedissipation aus den gemessenen Werten für dmax abgeleitete Werte für φ verwendet wurden. Bei Verwendung dieser Werte für φ fiel der größte Teil der Daten auf einen Bereich von 20% um die theoretische Vorhersage aus der klassischen Theorie des turbulenten Tropfenaufbruchs. Eine Korrelation der Daten für alle Maßstäbe und Rührerkonfigurationen in der Form φ = 2.3∙(φ unbegast)0.34∙(DR)0.543 wurde vorgeschlagen, die den Einfluss des Maßstabs und der Rührergeometrie auf φ für begaste Betriebsbedingungen mit guter Genauigkeit beschreibt. Die Ergebnisse für eine Ekato Phasejet/Kombijet Rührerkonfiguration zeigen, dass diese Korrelation auch eingesetzt werden kann, um die hydromechanische Belastung für andere Rührergeometrien als für Scheibenrührer abzuschätzen.

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