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Stoffübergang in Drehzylinderapparaten 

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 1. Strömung in Drehzylinderapparaten

Wer die Strömung in Drehzylinderapparaten das erste Mal beobachtet , ist fasziniert .In dem Spalt zwischen dem drehbaren inneren Zylinder und der äußeren  zylindrischen Wand kann man ein gleichmäßiges Wirbelmuster sehen , das über einen relativ weiten Drehzahlbereich stabil zu sein scheint . Dieses Wirbelmuster lässt sich verhältnismäßig leicht sichtbar machen und ist seit etwa 100 Jahren immer wieder Gegenstand zahlreicher Experimente und theoretischer Untersuchungen gewesen. Taylor hat als erster versucht, das Zustandekommen der nach ihm benannten Wirbel  zu deuten (1). Weitere Autoren haben, aufbauend auf den  Untersuchungen von Taylor versucht , im Drehzylindersystem das Geheimnis der Turbulenz zu lüften. In den letzten 20 Jahren  hat die Verfahrenstechnik  sich diesem interessanten Apparat immer wieder beschäftigt.  

Bild 1

Das typische  Wirbelmuster - die Taylerwirbel - zeigen sich dem Betrachter als Fischgrätenmuster (Bild 1), das durch die Überlagerung der Wirbelbewegung mit der Rotationsströmung ergibt. Die Wirbel sind ringförmig und paarweise gegenläufig angeordnet. Die Höhe der Wirbel entspricht nach Taylor der Spaltweite zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder. Untersuchungen des Autors ergaben, dass besonders bei zähen Flüssigkeiten die Wirbelhöhe das Doppelte der Spaltweite überschreiten kann und das Wirbel verschiedener Höhe nebeneinander existieren können. Unter Verwendung der Spaltweite und der Drehzahl des inneren Zylinders lässt sich eine Reynoldszahl definieren, die meistens Taylorzahl genannt wird. Der Versuch, den Einfluss des Durchmessers des Innenzylinders bzw. des Durchmesserverhältnisses zu berücksichtigenhat zur Definition von  mindestens 9 verschiedenen Taylorzahlen geführt. Eine Taylorzahl, die alle Erscheinungen der Wirbelströmung ausreichend gut erfasst, ist bisher noch nicht gefunden worden. 

In Drehzylinderapparaten lassen sich wie bei der Rohrströmung die verschiedenen Strömungsarten - laminare  Wirbelströmung  und Turbulenz - in Abhängigkeit von der Drehzahl erzeugen und bestimmten, charakteristischen Bereichen der Taylorzahlen zuordnen. Die laminare Strömung lässt sich nur sehr schwer beobachten und hat bisher sehr wenig Beachtung gefunden. Das größte Interesse haben die Taylowirbeln gefunden, die sich im Übergangsgebiet zwischen der laminaren und der turbulenten Strömung ausbilden .Sie sind leicht zu beobachten und gut reproduzierbar zu erzeugen. Die Strömung innerhalb der Taylorwirbeln ist laminar. Bei Steigerung der Drehzahl werden sie instabil. Diese Instabilität zeigt sich in einer Welligkeit der Wirbelgrenzen, die die Existenz einer zusätzlichen Wirbelbewegung innerhalb des Taylorwirbels anzeigt   (Bild 2). Bei einer weiteren Steigerung der Drehzahl werden die Wirbelgrenzen immer unschärfer; der Übergang zur Turbulenz vollzieht sich für den Beobachter langsam.




          




Bild2  Übergang von laminaren Wirbeln zur Turbulenz



2. Dispersionsverhalten

Die Geschwindigkeitsverteilung im Spalt eines Drehzylinderapparates zeigt   Bild 3.













Bild 3

                                                                                                                                  

Abgesehen von den großen Geschwindigkeitsgradienten in den Grenzschichten des inneren und des äußeren Zylinders ist der Geschwindigkeitsgradient im Spalt relativ gering. Das müsste gute Voraussetzungen für die Dispergierung  von Flüssigkeiten und Gasen schaffen. Miteinander nicht mischbare Flüssigkeiten lassen sich im Drehzylinderapparat sehr einfach dispergieren (Bild 4). Die erreichbare Tropfengröße ist von der Apparategeometrie und der Drehzahl abhängig. Aus diesem Grunde wurde der Apparat zur Flüssig- Flüssigextraktion patentiert (2). 









Bild 4  Dispersion von Dieselöl in Wasser

 



                                                      






Bild 5  Dispersion und Koaleszenz von Gasblasen                                                      

           


Die Dispersion von Gasen ist schwieriger. Gase sind kompressibel  und deshalb elastisch. Die Gasblasen  bewegen sich infolge der Zentrifugalwirkung am rotierenden, inneren Zylinder. Eine merkliche Zerkleinerung der Blasen aber unterbleibt, obwohl der Geschwindigkeitsgradient am rotierenden Zylinder am größten ist. Die Blasen werden infolge der Flüssigkeitsströmung  in Bewegungsrichtung verformt ( Bild 5). Auffällig ist, dass die Blasen sich an den Grenzen der Taylorwirbel sammeln und dabei koaleszieren. Diese Koaleszenzneigung nimmt besonders bei höheren Gasgehalten mit steigender Drehzahl zu, wie Messungen des dispergierten Gasanteils (hold up) andeuten ( Bild 6 ).










                   


Bild 6 dispergierter Gasanteil in Luft in Wasser 












3. Untersuchungen zum Stoffübergang

Für die Messung des volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten ( k l a-Wert) wurde ein Laborapparat ( Durchmesser  80 mm, Höhe 500 mm , Innenzylinder variabel ) verwendet. In diesem Apparat wurde sauerstoffarmes Wasser im kontinuierlichen Betrieb im Gegenstrom mit Luft begast. Aus der Zunahme des Sauerstoffgehaltes und dem Wasserdurchsatz wurde der k l a-Wert errechnet. Die Darstellung der Abhängigkeit des kla-Wertes vom spezifischen Energieeintrag ( Bild 7) im logarithmischen Maßstab ergibt Kurven, die im Bereich der laminaren Wirbel bis P/V=20 W / m³ einen Anstieg von etwa 0,2 -0,25 aufweisen. Der Übergang  zur Turbulenz ist bei P/V= 40 W /m³ abgeschlossen und der Anstieg der Kurve beträgt 0,4 -0,5, wie es für Rührer häufig beobachtet wird.
















Bild 7  Stoffübergang Wasser/Luft





Auch Messungen des Stoffübergangs in Abhängigkeit von der Gasleerrohrgeschwindigkeit ergeben für Rührreaktoren typische Werte. Bei Drehzylinderreaktoren ergibt sich noch ein zusätzlicher Einfluss durch die Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeit. Für das Stoffsystem Wasser / Luft wurde als empirische Abhängigkeit ermittelt:

            kla = 0,05 * (P/V) x * U GO y *U wo z

            x = 0,2- 0,25 laminare Wirbel

            x= 0,55 turbulente Strömung mit Wirbelstruktur ( enger Zylinderspalt )

            x = 0,4 -0,5 turbulente Strömung ohne Wirbelstruktur ( weiter Zylinderspalt )

            y = 0,4 -0,6 in Abhängigkeit von der Koaleszenz

            z = 0,5

4. Anwendung von Drehzylinderapparaten

Das interessante Wirbelmuster in Drehzylinderapparaten hat zu einer Reihe von Versuchen seiner technischen Anwendung geführt:

 ·  Flüssig- Flüssigextraktion 

  -Destillation 

 -  dynamische Mikrofiltration       

  -Bioreaktor      

  -Gaswascher                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          Für den Reaktionstechniker sind besonders die Taylorwirbel von Interesse. Jeder Taylorwirbel kann als eine Rührkesselstufe aufgefasst werden.

Eigenschaften der Taylorwirbel :                                                                                   

  • Höhe = Spaltweite                                                                                                                                                                          h= s = r a -r i    ( Taylor 1923 )                                                                                                                                                     h > r a - r i          zähe Medien          
  • Laminare Taylorwirbel sind quasi eine   Rührkesselstufe. 
  • Laminare Taylorwirbel sind aber nicht ideal  durchmischt  .

Krause (3) hat das Verweilzeitverhalten von Drehzylinderapparaten im Ein- und Zweiphasenbetrieb  ( Gas - und Flüssigphase ) untersucht: Im Einphasenbetrieb entspricht die  gemessene Rührstufenzahl etwa der Anzahl der Taylorwirbel, solange diese eine laminare Struktur haben. Die Verweilzeitverteilung bleibt auch noch günstig, wenn die Laminarität der Wirbel verlorengeht (Bild 8).








Bild 8  Verweilzeitverteilung
















Im Gas - Flüssigbetrieb ist die Verweilzeitverteilung nur in einem  engen Drehzahlbereich günstig. Der Zerfall der Taylorwirbel wird zu höheren Drehzahlen verschoben. Im Bereich der turbulenten Strömung werden nur wenige Rührstufen pro Meter Reaktorhöhe erreicht.In Drehzylinderapparaten  von technisch relevanter Größe werden die kritischen Reynoldszahlen (Taylorzahlen ) für den Zerfall der Taylorwirbel und für die Ausbildung der Turbulenz schon bei geringen Drehzahlen überschritten.

Die günstige Verweilzeitverteilung der Wirbelströmung lässt sich damit nur in Apparaten im kleintechnischen Maßstab nutzen. Aus diesem Grunde wird der Drehzylinderapparat wahrscheinlich immer nur ein interessanter Laborreaktor mit Optionen auf die kleintonnagige Produktion bleiben.

5. Horizontale Bauweise

Drehzylinderapparate müssen nicht zwingend senkrecht gebaut werden. Die waagerechte Bauweise kann Vorteile haben. Im Zwei-Phasen-Betrieb erfolgt eine ständige Dispersion und Entmischung beider Phasen solange die  Dispersion unvollständig ist. Das kann bei Prozessen, bei denen beide Phasen  im Gegenstrom geführt werden, von großem Vorteil sein. Außerdem benötigt die leichtere Phase benötigt keinen Überdruck, um in den Apparat eingebracht zu werden.Ihre Verweilzeit ist frei wählbar, weil sie nicht von der Aufstiegsgeschwindigkeit der Tropfen/Blasen bestimmt wird.  














 Bild 9  Dispersion von Luft, horizontaler Zylinder  






                                                        

Solange keine vollständige Dispersion des Gases erfolgt,  können beide Phasen im Gegenstrom geführt werden. Der horizontale Apparat ist für die Gasphase selbstansaugend.                                                                                              

Für Flüssig-Flüssig-Prozesse ist der Apparat sehr interessant, weil Mixer und Settler ohne Einbauten übereinander liegen. Zahlreiche Variationsmöglchkeiten hat man durch die Höhe des Flüssgkeitsstandes und die Anordnung der Welle des Zylinders.

Der Siebzylinder hat ähnliche Vorteile wie der glatte. Er ermöglicht durch die Wahl der Maschenweite und des Siebmaterials im Gas/Flüssigbetrieb einen höheren Gaseintrag (Bild 10).

                                                                                              

Die horizontale Bauweise ist noch wenig erforscht. Sie hat noch ein hohes Entwicklungspotential.


Literatur

( 1 ) Taylor G. I. , Phil.Trans. R. Soc. 1923 A 223 ,289-343

( 2 ) Maycock , US - Patent 1945

( 3 ) Krause, B. ; Dissertation 1988