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Mischen Verfahrenstechnik Das Mischen ist eine Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik Als Mischer werden in d

Mischen (Verfahrenstechnik)

Das Mischen ist eine Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik.

Als Mischer werden in der Verfahrenstechnik in der Regel Maschinen bezeichnet, bei denen Mischungskomponenten, die als feste Phase vorliegen, dominieren.

Als Rührer werden in der Verfahrenstechnik in der Regel Maschinen bezeichnet, bei der die Hauptmischungskomponenten als flüssige Phase vorliegen.

Im Gegensatz zu Prozessen, die als Rühren bezeichnet werden können, ist das Ziel eines Mischprozesses in der Regel über die Mischgüte statistisch klar definiert.

Begriffsbestimmung Bearbeiten

Bei mischtechnischen Vorgängen werden die Bestandteile von mindestens zwei getrennt vorliegenden Mischungskomponenten durch Relativbewegung so umpositioniert, dass ein neues Anordnungsschema entsteht. Dabei entsteht ein Gemisch (Gemenge) und unter bestimmten Bedingungen ein neuer Stoff. Die sog. Hauptphase liegt dabei als kontinuierliche Phase vor während die sog. Zusatzphase anfangs diskontinuierlich vorliegt.

Besondere Bezeichnungen für Mischprozesse
diskontinuierliche Phase
gasförmig flüssig fest
kontinuierliche Phase gasförmig Homogenisieren Zerstäuben Zerstäuben, Verwirbeln
flüssig Begasen (lösliche Komponenten) Homogenisieren,
(unlöslich) Dispergieren, Emulgieren		 Suspendieren, Aufwirbeln
fest Fluidisieren Befeuchten, Coaten Feststoffmischen, Pudern

Treiber Bearbeiten

Die folgenden drei Treiber für Mischvorgänge sind Unterklassen des konvektiven Mischens: Beim distributiven Mischen werden zwei ineinander lösliche Stoffe bei geringen Scherkräften gemischt. Da Mikroorganismen nur geringe Scherkräfte aushalten ist das distributive Mischen in Bioreaktoren von großer Bedeutung.
Wenn Verbände der zu mischenden Stoffe zerkleinert werden, sich gegenseitig benetzen und schlussendlich in Schwebe gehalten werden spricht man vom dispersiven Mischen. Dieses verlangt höhere Scherkräfte als das distributive Mischen. Beispiele sind das Suspendieren (Hauptphase flüssig/ Zusatzphase fest), Emulgieren (flüssig/flüssig) und das Begasen (flüssig/gasförmig).
Beim turbulenten Mischen erzeugt ein mit hohen Reynolds-Zahlen einströmender Stoffstrom eine starke Längsvermischung in Stromrichtung. Senkrecht dazu sorgen Turbulenzen für eine Quervermischung.
Die letzte Klassifizierung von Mischungstreibern ist das diffusive Mischen, bei dem keine äußere Kraft das Mischen antreibt. Das diffusive Mischen ist daher der langsamste aller genannten Treiber.

Mischgüte Bearbeiten

Primärziel ist das Erreichen einer gleichmäßigen Verteilung der zu mischenden Komponenten. Diese kann über die Mischgüte quantifiziert werden. Sie betrachtet die Verteilung der beobachteten Kenngröße: Sei die Varianz über ein Kontrollvolumen KV und die höchste lokal anzutreffende Varianz, so gilt:

und

wobei für ein Kontrollvolumen, für die mittlere Konzentration und für die höchste lokal anzutreffende Konzentration steht.

Nach Danckwert wird die Entmischungsintensität nun definiert als

Bothe transformiert diese zur Mischungsintensität

bzw. beschreibt eine vollständig inhomogene Mischung. bzw. beschreibt eine vollständig homogene Mischung.

Empirisch ist das Ziel der Mischaufgabenstellung erreicht, wenn eine statistisch abgesicherte Anzahl Proben eine Zusammensetzung widerspiegelt, die einer geforderten Mischgüte mit Bezug auf die Grundgesamtheit entspricht.

Die Mischgüte ist eine Qualitätsmerkzahl, d. h., sie trifft eine Aussage über die Verteilung einer Größe, nicht über die Größe selber.

Ob eine gewünschte Mischgüte erreicht werden kann, ist grundsätzlich abhängig von dem gewählten Mischverfahren bzw. der gewählten Mischtechnik und den Parametern mit denen dieses Verfahren (z. B. Drehzahlen, Anzahl, Form, Anordnung von Mischwerkzeugen usw.) betrieben wird.

Berechnung von Mischprozessen Bearbeiten

Die mathematische Modellierung von Mischprozessen ist ausreichend. Simulationen sind dennoch sehr rechenaufwändig, können aber im Rahmen der numerischen Simulation mit experimentellen Ergebnissen validiert werden.

Bei der Beschreibung von Mischvorgängen mittels dimensionsloser Kennzahlen sind neben den hydrodynamischen Kennzahlen wie z. B. der Reynolds-Zahl die Fourier-Zahl

wobei für den Mischungs- oder Dissipationskoeffizienten und für die Mischerlänge steht, und die Bodenstein-Zahl

von für die Dynamik des Stofftransports von Bedeutung.

Verfahren und Geräte Bearbeiten

Kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb
Im kontinuierlichen Betrieb befindet sich der Mischer in einem stationären Zustand. Die Ausgangsstoffe werden stetig zugeführt und das Gemisch stetig abgeführt. Ein Beispiel ist das Mischen in einem Förderrohr. Im diskontinuierlichen Betrieb wird der Zyklus Einfüllen der Ausgangsstoffe; Mischen; Abführen des Gemisches wiederholt. Ein Beispiel ist ein Chargenkessel.

Aktiver oder passiver Mischer
In aktiven Mischern wird die Energie, die für die relative Verschiebung von Teilchen der Ausgangsstoffe benötigt wird, nicht von den Ausgangsstoffen selber bezogen. Beispiele sind Ultraschallwellen, Vibrationen durch aufsteigende Blasen und pulsierender Einstrom. In passiven Mischern wird die benötigte Energie den einströmenden Ausgangsstoffen entzogen. Ein Beispiel ist der Super-Focus-Mixer. Mischer, die keine beweglichen Teile enthalten, werden auch als statische Mischer bezeichnet. Beispiele sind Rohrmischer mit lenkenden Einbauten oder Mischsilos.

Bauform

  • Geometrie des Mischraums (Trommel, Zylinder, Kubus, Konus, Tetraeder)
  • Fassungsvermögen (Versuchsmaßstab (bspw. 2 l), Technikummaßstab (20 l), Massenproduktion (200 l) oder Mischer in der Mikroreaktionstechnik)

Bei Mischern, deren Behälter und/oder Mischwerkzeuge auf Wellen gelagert sind, kann zudem nach der Anzahl der Wellen (Einwellenmischer, Mehrwellenmischer) eingeteilt werden.

Mittel des Krafteintrags

  • Mischer mit beweglichen Mischwerkzeugen (langsamlaufend: Schneckenmischer, schnelllaufend: Schaufelmischer), Kaskade vs. Katarakt
  • Mischer mit bewegtem Behälter (Trommelmischer, Konusmischer)
  • pneumatischer Mischer (Wirbelschichtmischer, Gasstrahlmischer)

Bei Mischern, deren Behälter und/oder Mischwerkzeuge auf Wellen gelagert sind, kann zudem nach der relativen Beschleunigung des Gemischs eingeteilt werden:

  • Freifall- und Schubmischer (Froude-Zahl , unterkritische Kaskade)
  • Wurfmischer (, überkritischer Katarakt)
  • Schleudermischer ()

Zu mischende Stoffe

  • ein- oder zweiphasig

siehe Begriffsbestimmung

  • mehrphasig
    • Chemische Reaktionstechnik: Katalysator mit Gas in Flüssigkeit
    • Biologische Reaktionstechnik: Mikroorganismus mit Gas in Flüssigkeit

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Heinrich Schubert: Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik. Weinheim 2003.
  • M. Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 1. Springer, Berlin 1995/ 2008, ISBN 978-3-540-32551-2.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ Matthias Kraume: Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik. Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-25148-1, S. 592–598.
  2. P. V. Danckwerts: The definition and measurement of some characteristics of mixtures. In: Applied Scientific Research, Section A. Vol. 3, Nr. 4. Springer Netherlands, 1952, S. 279–296.
  3. Dieter Bothe: Evaluating the Quality of a Mixture: Degree of Homogeneity and Scale of Segregation. In: Micro and Macro Mixing. Springer, Berlin/ Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-04548-6, S. 17–35.
  4. Matthias Bohnet (Hrsg.): Mechanische Verfahrenstechnik. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-31099-1, S. 213–229.
  5. Matthias Bohnet (Hrsg.): Mechanische Verfahrenstechnik. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-31099-1, S. 213–229.
  6. V. Hessel u. a.: Chemical Micro Process Engineering, processing and plants. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-30998-5, S. 4.
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Veröffentlichungsdatum:
Das Mischen ist eine Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik Als Mischer werden in der Verfahrenstechnik in der Regel Maschinen bezeichnet bei denen Mischungskomponenten die als feste Phase vorliegen dominieren Als Ruhrer werden in der Verfahrenstechnik in der Regel Maschinen bezeichnet bei der die Hauptmischungskomponenten als flussige Phase vorliegen Im Gegensatz zu Prozessen die als Ruhren bezeichnet werden konnen ist das Ziel eines Mischprozesses in der Regel uber die Mischgute statistisch klar definiert Inhaltsverzeichnis 1 Begriffsbestimmung 1 1 Treiber 2 Mischgute 3 Berechnung von Mischprozessen 4 Verfahren und Gerate 5 Siehe auch 6 Literatur 7 EinzelnachweiseBegriffsbestimmung BearbeitenBei mischtechnischen Vorgangen werden die Bestandteile von mindestens zwei getrennt vorliegenden Mischungskomponenten durch Relativbewegung so umpositioniert dass ein neues Anordnungsschema entsteht Dabei entsteht ein Gemisch Gemenge und unter bestimmten Bedingungen ein neuer Stoff Die sog Hauptphase liegt dabei als kontinuierliche Phase vor wahrend die sog Zusatzphase anfangs diskontinuierlich vorliegt Besondere Bezeichnungen fur Mischprozesse 1 diskontinuierliche Phasegasformig flussig festkontinuierliche Phase gasformig Homogenisieren Zerstauben Zerstauben Verwirbelnflussig Begasen losliche Komponenten Homogenisieren unloslich Dispergieren Emulgieren Suspendieren Aufwirbelnfest Fluidisieren Befeuchten Coaten Feststoffmischen PudernTreiber Bearbeiten Die folgenden drei Treiber fur Mischvorgange sind Unterklassen des konvektiven Mischens Beim distributiven Mischen werden zwei ineinander losliche Stoffe bei geringen Scherkraften gemischt Da Mikroorganismen nur geringe Scherkrafte aushalten ist das distributive Mischen in Bioreaktoren von grosser Bedeutung Wenn Verbande der zu mischenden Stoffe zerkleinert werden sich gegenseitig benetzen und schlussendlich in Schwebe gehalten werden spricht man vom dispersiven Mischen Dieses verlangt hohere Scherkrafte als das distributive Mischen Beispiele sind das Suspendieren Hauptphase flussig Zusatzphase fest Emulgieren flussig flussig und das Begasen flussig gasformig Beim turbulenten Mischen erzeugt ein mit hohen Reynolds Zahlen einstromender Stoffstrom eine starke Langsvermischung in Stromrichtung Senkrecht dazu sorgen Turbulenzen fur eine Quervermischung Die letzte Klassifizierung von Mischungstreibern ist das diffusive Mischen bei dem keine aussere Kraft das Mischen antreibt Das diffusive Mischen ist daher der langsamste aller genannten Treiber 1 Mischgute BearbeitenPrimarziel ist das Erreichen einer gleichmassigen Verteilung der zu mischenden Komponenten Diese kann uber die Mischgute quantifiziert werden Sie betrachtet die Verteilung der beobachteten Kenngrosse Sei s displaystyle sigma nbsp die Varianz uber ein Kontrollvolumen KV und s m a x displaystyle sigma mathrm max nbsp die hochste lokal anzutreffende Varianz so gilt s 2 1 V V K V c c 2 d V displaystyle sigma 2 frac 1 left V right int limits V KV left c bar c right 2 text d V nbsp und s m a x 2 c c c displaystyle sigma mathrm max 2 bar c left c bar c right text nbsp wobei V K V displaystyle V KV nbsp fur ein Kontrollvolumen c displaystyle bar c nbsp fur die mittlere Konzentration und c m a x displaystyle c mathrm max nbsp fur die hochste lokal anzutreffende Konzentration steht Nach Danckwert wird die Entmischungsintensitat I displaystyle I nbsp nun definiert als 2 I s 2 s m a x 2 displaystyle I frac sigma 2 sigma mathrm max 2 text nbsp Bothe transformiert diese zur Mischungsintensitat 3 M displaystyle M nbsp M 1 I 1 s s m a x displaystyle M 1 sqrt I 1 frac sigma sigma mathrm max nbsp M 0 displaystyle M 0 nbsp bzw I 1 displaystyle I 1 nbsp beschreibt eine vollstandig inhomogene Mischung M 1 displaystyle M 1 nbsp bzw I 0 displaystyle I 0 nbsp beschreibt eine vollstandig homogene Mischung Empirisch ist das Ziel der Mischaufgabenstellung erreicht wenn eine statistisch abgesicherte Anzahl Proben eine Zusammensetzung widerspiegelt die einer geforderten Mischgute mit Bezug auf die Grundgesamtheit entspricht Die Mischgute ist eine Qualitatsmerkzahl d h sie trifft eine Aussage uber die Verteilung einer Grosse nicht uber die Grosse selber 4 Ob eine gewunschte Mischgute erreicht werden kann ist grundsatzlich abhangig von dem gewahlten Mischverfahren bzw der gewahlten Mischtechnik und den Parametern mit denen dieses Verfahren z B Drehzahlen Anzahl Form Anordnung von Mischwerkzeugen usw betrieben wird Berechnung von Mischprozessen BearbeitenDie mathematische Modellierung von Mischprozessen ist ausreichend Simulationen sind dennoch sehr rechenaufwandig konnen aber im Rahmen der numerischen Simulation mit experimentellen Ergebnissen validiert werden Bei der Beschreibung von Mischvorgangen mittels dimensionsloser Kennzahlen sind neben den hydrodynamischen Kennzahlen wie z B der Reynolds Zahl die Fourier Zahl F o M t L 2 displaystyle mathit Fo frac M cdot t L 2 nbsp wobei M displaystyle M nbsp fur den Mischungs oder Dissipationskoeffizienten und L displaystyle L nbsp fur die Mischerlange steht und die Bodenstein Zahl B o u L M displaystyle mathit Bo frac u cdot L M nbsp von fur die Dynamik des Stofftransports von Bedeutung 5 Verfahren und Gerate BearbeitenKontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb Im kontinuierlichen Betrieb befindet sich der Mischer in einem stationaren Zustand Die Ausgangsstoffe werden stetig zugefuhrt und das Gemisch stetig abgefuhrt Ein Beispiel ist das Mischen in einem Forderrohr Im diskontinuierlichen Betrieb wird der Zyklus Einfullen der Ausgangsstoffe Mischen Abfuhren des Gemisches wiederholt Ein Beispiel ist ein Chargenkessel Aktiver oder passiver Mischer In aktiven Mischern wird die Energie die fur die relative Verschiebung von Teilchen der Ausgangsstoffe benotigt wird nicht von den Ausgangsstoffen selber bezogen Beispiele sind Ultraschallwellen Vibrationen durch aufsteigende Blasen und pulsierender Einstrom In passiven Mischern wird die benotigte Energie den einstromenden Ausgangsstoffen entzogen Ein Beispiel ist der Super Focus Mixer 6 Mischer die keine beweglichen Teile enthalten werden auch als statische Mischer bezeichnet Beispiele sind Rohrmischer mit lenkenden Einbauten oder Mischsilos Bauform Geometrie des Mischraums Trommel Zylinder Kubus Konus Tetraeder Fassungsvermogen Versuchsmassstab bspw 2 l Technikummassstab 20 l Massenproduktion 200 l oder Mischer in der Mikroreaktionstechnik Bei Mischern deren Behalter und oder Mischwerkzeuge auf Wellen gelagert sind kann zudem nach der Anzahl der Wellen Einwellenmischer Mehrwellenmischer eingeteilt werden Mittel des Krafteintrags Mischer mit beweglichen Mischwerkzeugen langsamlaufend Schneckenmischer schnelllaufend Schaufelmischer Kaskade vs Katarakt Mischer mit bewegtem Behalter Trommelmischer Konusmischer pneumatischer Mischer Wirbelschichtmischer Gasstrahlmischer Bei Mischern deren Behalter und oder Mischwerkzeuge auf Wellen gelagert sind kann zudem nach der relativen Beschleunigung des Gemischs eingeteilt werden Freifall und Schubmischer Froude Zahl F r lt 1 displaystyle mathit Fr lt 1 nbsp unterkritische Kaskade Wurfmischer F r gt 1 displaystyle mathit Fr gt 1 nbsp uberkritischer Katarakt Schleudermischer F r 1 displaystyle mathit Fr gg 1 nbsp Zu mischende Stoffe ein oder zweiphasigsiehe Begriffsbestimmung mehrphasig Chemische Reaktionstechnik Katalysator mit Gas in Flussigkeit Biologische Reaktionstechnik Mikroorganismus mit Gas in FlussigkeitSiehe auch BearbeitenDampf Wasser MischerLiteratur BearbeitenHeinrich Schubert Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik Weinheim 2003 M Stiess Mechanische Verfahrenstechnik 1 Springer Berlin 1995 2008 ISBN 978 3 540 32551 2 Einzelnachweise Bearbeiten a b Matthias Kraume Transportvorgange in der Verfahrenstechnik Springer Verlag Berlin Heidelberg 2012 ISBN 978 3 642 25148 1 S 592 598 P V Danckwerts The definition and measurement of some characteristics of mixtures In Applied Scientific Research Section A Vol 3 Nr 4 Springer Netherlands 1952 S 279 296 Dieter Bothe Evaluating the Quality of a Mixture Degree of Homogeneity and Scale of Segregation In Micro and Macro Mixing Springer Berlin Heidelberg 2010 ISBN 978 3 642 04548 6 S 17 35 Matthias Bohnet Hrsg Mechanische Verfahrenstechnik Wiley VCH Weinheim 2004 ISBN 3 527 31099 1 S 213 229 Matthias Bohnet Hrsg Mechanische Verfahrenstechnik Wiley VCH Weinheim 2004 ISBN 3 527 31099 1 S 213 229 V Hessel u a Chemical Micro Process Engineering processing and plants Wiley VCH Weinheim 2006 ISBN 3 527 30998 5 S 4 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Mischen Verfahrenstechnik amp oldid 234782990