Zur vollstandigen Dispergierung von Gasen in Flussigkeiten mittels eines konischen Turbinenruhrers

Michal Dylag und Jerzy Kamienski*

Der Mechanismus des Dispergierens durch konische Turbinenruhrer und konventionelle Turbinenruhrer stimmt weitgehend uberein und wurde schon im Schrifttum [l, 21 beschrieben. Der Zusammenhang zwischen dem zugefuhrten Gasstrom und der Ruhrerdrehzahl ent- scheidet uber die Struktur des Zweiphasengemisches in unrnittelba- rer Nahe des Riihrorgans und letztlich uber die Zirkulation der Flui- de im RiihrgefaB. Vom Standpunkt des Stoffaustausches ist es von groBer Bedeutung, daR das Gas gleichmaBig im gesamten Flussig- keitsvolumen verteilt wird, ohne Zirkulationsanderungen zu induzie- ren. Das Ziel dieser Arbeit war die fluiddynamische Untersuchung am konischen Turbinenruhrer. Dabei war insbesondere die Beschrei- bung des Dispergiervorganges bei variierten Stoffdaten der Fliissig- keit von Interesse und die Ermittlung der Ruhrerbedingung, die den Zustand der vollstandigen Dispergierung des Gases irn gesamten RuhrgefaB wiedergibt. Bei konstantem Volumenstrom des Gases andert sich mit steigender Ruhrerdrehzahl die Gasumstromung der Ruhrerblatter entschei- dend. Damit erfolgt eine Zirkulationsanderung des Gases im Ruhrge- faR. Die auftretenden charakteristischen Zustande des GaslFlussig- keits-Gemisches sind in Abb. 1 dargestellt. 1st die Ruhrerdrehzahl zu klein, dann wird das Gas nicht dispergiert und verlaSt die Flussigkeit entlang der Ruhrerwelle (Abb. la). Mit gro6er werdender Riihrer- drehzahl wird das Gas im oberen Teil des Ruhrbehalters weniger gut

a b

n G r > nGr

[5y169711

Abb. 1. sches im RiihrgefaB; Naheres s. Text.

Charakteristische Zustande eines Gas/Flussigkeits-Gemi-

* Prof. Dr.-Ing. habil. M . Dylagund Dr.-1ng.J. Kurnieriski, Institut fur chemischen Apparatebau und Energietechnik der Politechnika Krakowska, ul.. Warszawska 24, PL 31-155 Krak6w.

verteilt. Die Gasblasen werden in Richtung der GefaBwand abgelenkt und erreichen diese in um so geringerer Hohe, je groaer die Ruhrer- drehzahl ist (Abb. Ib). Bei einer Grenzrhhrerdrehzahl erreichen die Gasblasen die GefaBwand auf der Hohe der Ruhrerebene (Abb. lc). Die uberwiegende Zahl von Gasblasen wird mit der zirkulierenden Flussigkeit in den Bereich oberhalb der Ruhrerebene transportiert. Es treten nur einige Gasblasen irn unteren Teil des GefaRes auf. Bei Rdhrerdrehzahlen, die groBer als die Grenzruhrerdrehzahl sind, wird der Zustand des vollstandigen Dispergierens erreicht: d. h. die Gas- blasen zirkulieren in beiden GefaRteilen (Abb. Id). Die Grenzruhrerdrehzahl wurde fur die vorliegende Arbeit parallel mit zwei Mehethoden ermittelt: durch Leistungsbedarfsmessung und durch eine radiometrische MeSmethode. Fur den untersuchten konischen Turbinenruhrer wurde das von Nienow, Wisdom und Middleton [3] vorgeschlagene Kriterium bestatigt. Es konnte bewie- sen werden, dai3 die Abhangigkeit der Newton-Zahl Ne von der Riih- rerdrehzahl n bei einem bestimmten Wert ein ausgepragtes Minimum aufweist (Abb. 2). Das Minimum entspricht der Grenzrdhrerdreh- zahl. Abb. 2 zeigt Untersuchungsergebnisse fur einen konischen Ruh rer bei konstantem Gasvolumenstrom. Um den Grenzwert der Ruhrerdrehzahl zu ermitteln, wurde auch die y-StrahlabsorptionsmeBmethode verwendet. Sie erlaubt, dte Werte der lokalen Gasvolumen in der Flussigkeit, auch hinter den Blattern, zu messen. Das RuhrgefaB wurde mit einem kollimierten Bdndel von y-Strahlen auf einer Ebene, die niedriger als die Ruhrerscheibe liegt, durchstrahlt. Die ermittelte Abhangigkeit der gezahlten Photonen in vorgegebener Zeit von der Ruhrerdrehzahl, die proportional dem Gasinhalt in der Flussigkeit ist, gibt Abb. 2 wieder.

4

.R i! 3

E

1 2 c

5

9 0

7 2 3 L 5 6 7 8 9 1 0 20 31

Ruhrerdrehzahl n [ I/S/ Isy1691zI

Abb. 2. ten Photonen von der Ruhrerdrehzahl; Stoffsystem WasserILuft.

Abhangigkeit der Newton-Zahl und der Anzahl der gezahl-

814 Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) Nr. 10, S. 814-815 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1987 0009-286X187/1010-0814 $02.50/0

Untersucht wurden sechsblattrige konische Turbinenriihrer. Die Blatter in Form von Dreiecken mit dem Winkel 90" waren unter der Ruhrerscheibe befestigt. Der Riihrerdurchmesser war stets gleich d =

D/3, die Riihrerhohe betrug bei dem einen Riihrer b = 0,5 d und bei dem anderen b = 1,0 d. Die Fliissigkeitshohe war H = 1,5 D. Die Bo- denabstande betrugen in der oben aufgefiihrten Reihenfolge fur den ersten Riihrer h = d und fur den zweiten Riihrer h = 0,5 d. Die Ergebnisse sind in Form von dimensionslosen Korrelationsglei- chungen (l), (2) fur die Beschreibung des vollstandigen und nicht voll- standigen Dispergierens dargestellt. Fur den konischen Turbinenriih- rer mit der Hohe b = 0,5 d erhalt man:

und fur den konischen Turbinenriihrer mit der Hohe b = 1,0 d

Diese Gleichungen ermoglichen es, die Ruhrerbedingungen so zu wahlen, dalj das Gas im gesamten Fliissigkeitsvolumen dispergiert wird. Das ist fur einen vorgegebenen Gasvolumenstrom und eine an- genommene Riihrerdrehzahl nur fur Fr > Fr,, zu erreichen. Der Giiltigkeitsbereich der Gln. (1) und (2) betragt Q = 0,Ol bis 0,17 und W6 = 2,96 . lo4 bis 4,91 . lo-'. Der mittlere Approximationfehler der errechneten Grenzwerte der Froude-Zahl betrug 6,5 bzw. 9,3 %. Aus Literaturangaben ist zu erkennen, daR die konischen Turbinen- ruhrer im Vergleich zu den klassischen es erlauben, bei gleicher Riih- rerdrehzahl groljere Gasstrome vollstandig zu dispergieren, d. h. auch, daR die konischen Riihrer eine kleinere Drehzahl benotigen, um den gleichen Gasvolumenstrom vollstandig zu dispergieren. Der Vorteil der konischen Turbinenriihrer wird urn so groBer, je grol3er der zu dispergierende Gasvolumenstrom ist.

Eingegangen am 5. Februar 1987

Formelzeichen

b Riihrerhohe D GefaRdurchmesser d Riihrerdurchmesser g Erdbeschleunigung H Flussigkeitshohe

Bodenabstand Riihrerdrehzahl Riihrleistung Gasdurchsatz Hohe Viskositat der Fliissigkeit Dichte der Flussigkeit Oberflachenspannung

n2 d Fr =- Froude-Zahl

P p n 3 ds

Ne G- Newton-Zahl

4 nd3

Q = - Gasdurchsatz-Zahl

g1/3 174/3 W6=- modifizierte Weber-Zahl

p'l3 Q

Literatur

[l] Kamieriski, J.; Dylag, M.: Verfahrenstechnik (Mainz) 25 (1981)

[2] Brauer, H.; Schmidt-Truub, H.: Chem.-1ng.-Tech. 44 (1972) Nr.

[3] Nienow, A. W.; Wisdom, D. J.; Middleton, J. C.: Proc. 2nd Europ.

[4] Chapman, C. M.; Nienow, A. W.; Cooke, M.; Middleton, J . C.:

[5] Roustan, M.; Bruxelmane, M.: 7th Int. Congress of Chem. Eng.,

Nr. 2, S. 112.

23, S . 1329.

Conf. on Mixing, Cambridge 1977, F. 1, S. 1.

Chem. Eng. Res. Des. 62 (1983) S. 82.

CHISA, Prag 1981, B. 3.3, S. 1.

Schliisselworte: Dispergieren, Fliissigkeitsbegasung, radiometrische Methode, Ruhren.

Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) Nr. 10, S. 814-815 815