EP2844380A1 - Verfahren zum anpassen der geometrie einer dispergierdüse - Google Patents

Verfahren zum anpassen der geometrie einer dispergierdüse

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EP2844380A1
EP2844380A1 EP13723451.4A EP13723451A EP2844380A1 EP 2844380 A1 EP2844380 A1 EP 2844380A1 EP 13723451 A EP13723451 A EP 13723451A EP 2844380 A1 EP2844380 A1 EP 2844380A1
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EP
European Patent Office
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dispersing
phase
geometry
nozzle
maximum stable
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Withdrawn
Application number
EP13723451.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Hartmann
Sonja Wolfrum
Robert Fleck
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Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
    • B01F25/452—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces
    • B01F25/4521—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through orifices in elements, e.g. flat plates or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube
    • B01F25/45212—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through orifices in elements, e.g. flat plates or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube the elements comprising means for adjusting the orifices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/46—Homogenising or emulsifying nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/41—Emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/41—Emulsifying
    • B01F23/4105—Methods of emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0409—Relationships between different variables defining features or parameters of the apparatus or process

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the geometry of a dispersing nozzle with regard to a required size distribution of a phase dispersed in a dispersing phase by means of the dispersing nozzle.
  • the dispersion of non or only partially soluble substances e.g. Gas in liquids or the production of oil-water emulsions, the fumigation of bio and chemical reactors and the like is an integral part of many industrial processes.
  • such processes are required for the production of multiphase mixtures in the food, chemical, pharmaceutical, petrochemical and mining (in flotation processes) as key processes. This requires the generation of small and smallest bubbles or droplets, in some cases very large volume and mass flows, whereby considerable amounts of energy are expended.
  • dispersing nozzles of different types are used for dispersion, in which intensive mixing of the phases to be dispersed takes place.
  • the dispersion is achieved by a combination of high shear rate ranges alternating with areas of intense turbulence for phase mixing.
  • a shear stress rate S is understood to be the profile of the shear stress via a drop or a bubble of the dispersed phase.
  • S corresponds to the quotient of the difference in velocity of the flowing medium over the extension of the drop and the diameter of the drop.
  • a distribution of the local maximum stable radii over a cross-sectional area of the dispersing nozzle is then determined - this too is based on the above-stated relationship and the initially determined flow conditions in the nozzle.
  • a nozzle geometry is obtained in a simple and accurate manner, which is suitable in the operation of such a dispersing nozzle to set the desired dispersion properties.
  • Such methods also known as computational fluid dynamics (CFD) models, allow a sufficiently detailed picture of the flow parameters in the dispersing nozzle to be obtained with a reasonable amount of computation.
  • CFD computational fluid dynamics
  • the dispersing nozzle can be optimized particularly reliably if, after changing the geometry of the dispersing nozzle in step d), steps a) to d) are carried out iteratively until the predetermined maximum stable radius is not exceeded in any region of the cross-sectional area.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a dispersing nozzle
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the flow relationships around a drop of a dispersed medium in a dispersing nozzle
  • FIG. 3 shows a diagram of the dependence between flow velocity and maximum stable radius of a dispersed droplet for different local shear stress rates and different models
  • 5 shows a representation of the distribution of the shear stress rate over a cross section of a dispersing nozzle
  • 6 shows a representation of the distribution of the flow velocity over a cross section of a dispersion nozzle
  • FIG. 7 shows a representation of the distribution of the maximum stable radius over a cross section of a dispersion nozzle
  • a liquid stream 12 is mixed with a gas stream 14.
  • a velocity gradient in the liquid stream 12 and the presence of turbulent zones 16 the gas flow into bubbles 18 is broken.
  • a speed gradient between a maximum speed v max , a mean relative speed v 0 and a minimum speed v m i n acts on each bladder 18.
  • the properties of the bladder 18 are further determined by its surface tension ⁇ , the initial bubble radius R b , the density pi of the liquid and the density p g of the gas, the latter usually being negligible.
  • F b C s Pi S v 0 R b _min 3 v 0 ⁇ (6).
  • Rb_ m in indicates the short semiaxis when the bubble 18 is deformed by the flow.
  • the bladder 18 In transition situations in which the bladder 18 is temporarily deformed by the pressure, the bladder 18 initially assumes an oblate shape. As a result of the excitation of form oscillations, the bubble 18 can become unstable and break up into a smaller bubble, provided that the attack surface for the flow is the critical area
  • Acrit - Rb crit ⁇ (7) exceeds.
  • the critical radius may increase where R b _o indicates the initial bubble radius. This results in a critical cross-sectional area of A crit * 1,44 R b _ 0 n (9).
  • Rb [(2 ⁇ ) / (C s pi S v 0 )] 1/2 (11).
  • FIG. 4 covers. It can also be observed experimentally that at a gas content of 5-15% at the nozzle outlet, significantly smaller bubbles form. This can be explained by the locally very different shear stress rates and flow velocities across the nozzle cross-section. A numerical calculation of these quantities and their local distribution via the nozzle is shown in FIG. 5 and FIG. It can be seen that shear stress rates S of up to 3000 s -1 and speeds v 0 of up to 25 m / s are achieved, in particular in the region near the wall and at the nozzle exit.
  • Dispergierdüse 10 and for the given operating parameters, such as mass flows, flow rates or the like. , calculated in the manner described by means of numerical Fluiddynamiksimu- tion the distribution of the local shear stress rates S, the relative velocities v 0 of the phases, as well as the local degree of mixing. From gig. From this, the distribution of the local maximum radii can be determined. After weighting with the local proportion of dispersant, the distribution of the bubble or droplet sizes over cross-sectional areas of the flow-through dispersing nozzle 10 can then be determined.
  • the geometric parameters of the dispersing nozzle are modified in such a way that, if the droplet or bubble radii calculated are too high, substantially higher shear stress rates and / or higher relative speeds are achieved in substantial parts of the dispersing nozzle 10 become.
  • this process can be repeated iteratively until a nozzle geometry is obtained which produces the desired distribution of droplet or bubble radii.
  • dispersing nozzles 10 can be iteratively optimized in a fast and reliable manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Geometrie einer Dispergierdüse (10) in Hinblick auf eine geforderte Größenverteilung einer mittels der Dispergierdüse (10) in einer dispergierenden Phase dispergierten Phase, mit den Schritten: a) ausgehend von einer vorgegebenen Geometrie der Dispergierdüse (10): Berechnen einer Scherspannungsrate S und einer Relativgeschwindigkeit v0 zwischen den Phasen; b) aus den in Schritt a) berechneten Größen: Bestimmen zumindest eines lokalen maximalen stabilen Radius für die dispergierte Phase gemäß der Beziehung Rb=(2sigma/CsrhoLSv0)1/2 wobei sigma die Oberflächenspannung der dispergierten Phase, Cs den Reibungskoeffizienten der dispergierten Phase in der dispergierenden Phase und rhoL die Dichte der dispergierenden Phase angibt; c) Bestimmen der Verteilung der lokalen maximalen stabilen Radien über eine Querschnittsfläche (20, 22, 24) der Dispergierdüse (10); d) bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen stabilen Radius in zumindest einem Bereich der Querschnittsfläche (20, 22, 24): Ändern der Geometrie der Dispergierdüse (10), so dass zumindest bereichsweise eine höhere Scherspannungsrate S und/oder eine höhere Relativgeschwindigkeit v0 der Phasen erreicht wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Anpassen der Geometrie einer Dispergierdüse Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Geometrie einer Dispergierdüse in Hinblick auf eine geforderte Größenverteilung einer mittels der Dispergierdüse in einer dispergierenden Phase dispergierten Phase. Die Dispergierung von nicht oder nur teilweise ineinander löslichen Stoffen wie z.B. Gas in Flüssigkeiten oder die Herstellung von Öl-Wasser-Emulsionen, die Begasung von Bio- und chemischen Reaktoren und dergleichen ist ein wesentlicher Bestandteil vieler industrieller Prozesse. Insbesondere werden solche Prozesse zur Herstellung von Mehrphasengemischen in der Lebensmittelindustrie, der Chemie, der pharmazeutischen Industrie, der Petrochemie und im Bergbau (bei Flotationsprozessen) als Schlüsselprozesse benötigt. Dies erfordert die Erzeugung von kleinen und kleinsten Blasen bzw. Tröpfchen bei teilweise sehr großen Volumen- und Massenströmen, wodurch erhebliche Energiemengen aufgewendet werden.
Insbesondere wird bei allen Anwendungen eine Herstellung der dispergierten Phase in kontrollierter Größe gefordert, um die gewünschten Eigenschaften der Dispersion / Emulsion zu erhalten .
Nach dem heutigen Stand der Technik werden zur Dispergierung Dispergierdüsen unterschiedlicher Bauart eingesetzt, in wel- chen eine intensive Durchmischung der zu dispergierenden Phasen stattfindet. In diesen Düsen wird die Dispergierung durch eine Kombination von Bereichen hoher Scherraten im Wechsel mit Bereichen intensiver Turbulenz zur Durchmischung der Phasen erreicht .
Die Ausgestaltung der Düsen erfolgt dabei gemäß empirischen Gesetzmäßigkeiten, da bisher keine geschlossene Theorie der Blasen- bzw. Tröpfchenbildung in solchen Anordnungen exis- tiert. Empirische und semi -empirische Methoden wie z.B. die Berechnung maximal stabiler Blasengrößen über die kritische Weberzahl von Gasblasen in Flüssigkeiten sind nur sehr begrenzt und in engen Parameterbereichen nutzbar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine besonders zuverlässige Anpassung von Dispergierdüsen erlaubt, so dass eine gewünschte Blasen- bzw. Tröpfchengröße der mittels der Dispergierdüse erzeugten Dispersion besonders sicher eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Anpassen der Geometrie einer Dispergierdüse in Hinblick auf eine geforderte Größenverteilung einer mittels der Dispergierdüse in einer dispergieren- den Phase dispergierten Phase, wird zunächst ausgehend von einer vorgegebenen Geometrie der Dispergierdüse eine Scher- spannungsrate S und eine Relativgeschwindigkeit v0 zwischen den Phasen berechnet. Unter der Scherspannungsrate wird dabei der Verlauf der Scherspannung über einen Tropfen bzw. eine Blase der dispergierten Phase verstanden. Für ein mit einem linearen Geschwindigkeitsgradienten strömendes Medium entspricht S dabei dem Quotienten aus dem Geschwindigkeitsunterschied des strömenden Mediums über die Erstreckung des Tropfens und dem Durchmesser des Tropfens. Auf Grundlage der so charakterisierten Strömungsverhältnisse in der Dispergierdüse wird dann zumindest ein lokaler maximal stabiler Radius für die dispergierte Phase gemäß der Beziehung Rb= (2ö/CspLSv0)1/2 bestimmt, wobei σ die Oberflächenspannung der dispergierten Phase, Cs den Reibungskoeffizienten der dispergierten Phase in der dispergierenden Phase und pL die Dichte der dispergie- renden Phase angibt .
Es hat sich herausgestellt, dass im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten Weber-Zahl der derart ermittelte maximale Radius eine deutlich verbesserte Abschätzung der Dispersionsverhältnisse erlaubt. Hierdurch können die Eigenschaften der Dispergierdüse deutlich genauer eingestellt werden .
Um die Dispersionseigenschaften über die gesamte Dispergierdüse zu analysieren wird dann eine Verteilung der lokalen maximalen stabilen Radien über eine Querschnittsfläche der Dispergierdüse ermittelt - auch dies beruht auf der oben an- gegebenen Beziehung und den anfangs ermittelten Strömungsverhältnissen in der Düse.
Bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen stabilen Radius in zumindest einem Bereich der Querschnittsfläche wird schließlich die Geometrie der Düse so geändert, dass zumindest bereichsweise eine höhere Scherspannungsrate S und/oder eine höhere Relativgeschwindigkeit v0 der Phasen erreicht wird . Hierdurch wird auf einfache und genaue Weise eine Düsengeometrie erhalten, die im Betrieb einer solchen Dispergierdüse geeignet ist, die gewünschten Dispersionseigenschaften einzustellen . Es ist dabei zweckmäßig, die Berechnung der StrömungsVerhältnisse in Schritt a) auf Grundlage eines numerischen Strömungsmodells durchzuführen. Derartige, auch als computatio- nal-fluid-dynamics-Modelle (CFD) bekannte Verfahren erlauben es, mit angemessenem Rechenaufwand ein hinreichend detail - liertes Bild der Strömungsparameter in der Dispergierdüse zu erhalten. Für eine besonders genaue Bestimmung der Strömungs - Verhältnisse ist es dabei zweckmäßig, auch den lokalen Durchmischungsgrad der Phasen in die Berechnung einzubeziehen . Eine weiter verbesserte Genauigkeit kann ferner durch Gewichtung der Verteilung der lokalen maximalen Radien mit dem lokalen Anteil der dispergierten Phase erreicht werden.
Besonders zuverlässig kann die Dispergierdüse optimiert werden, wenn nach Ändern der Geometrie der Dispergierdüse in Schritt d) die Schritte a) bis d) solange iterativ durchgeführt werden, bis der vorgegebene maximale stabile Radius in keinem Bereich der Querschnittsfläche überschritten wird.
Durch eine derartige iterative Anpassung wird auf einfachste Weise sichergestellt, dass die Dispergierdüse eine Geometrie aufweist, die den gestellten Anforderungen genügt. Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1: Eine schematische Schnittdarstellung einer Disper- gierdüse ;
FIG 2 eine schematische Darstellung der StrömungsVerhältnisse um einen Tropfen eines dispergierten Mediums in einer Dispergierdüse;
FIG 3 ein Diagramm der Abhängigkeit zwischen Strömungsgeschwindigkeit und maximalem stabilem Radius eines dispergierten Tropfens für unterschiedliche lokale Scherspannungsraten und unterschiedliche Modelle;
FIG 4 ein Diagramm der Abhängigkeit zwischen Strömungsgeschwindigkeit und maximalem stabilem Radius eines dispergierten Tropfens für unterschiedliche lokale Scherspannungsraten bei gleichzeitiger Veranschaulichung der Arbeitspunkte verschiedener realer Dispergierdüsen;
FIG 5 eine Darstellung der Verteilung der Scherspannungs- rate über einen Querschnitt einer Dispergierdüse; FIG 6 : eine Darstellung der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über einen Querschnitt einer Disper- gierdüse ;
FIG 7 : eine Darstellung der Verteilung des maximalen stabilen Radius über einen Querschnitt einer Disper- gierdüse, und
FIG 8: ein Diagramm der Verteilung des maximalen stabilen
Radius über verschiedene radiale Schnittebenen in der Dispergierdüse gem. FIG 7.
In einer Dispergierdüse 10, wie sie in FIG 1 schematisch gezeigt ist, wird ein Flüssigkeitsstrom 12 mit einem Gasstrom 14 gemischt. Durch die Kombination eines Geschwindigkeitsgradienten im Flüssigkeitsstrom 12 und dem Vorliegen turbulenter Zonen 16 wird der Gasstrom in Blasen 18 aufgebrochen.
Wie FIG 2 zeigt, wirkt dabei auf jede Blase 18 ein Geschwin- digkeitsgradient zwischen einer Maximalgeschwindigkeit vmax, einer mittleren Relativgeschwindigkeit v0 und einer Minimalgeschwindigkeit vmin ein. Die Eigenschaften der Blase 18 werden ferner durch deren Oberflächenspannung σ , den anfänglichen Blasenradius Rb, die Dichte pi der Flüssigkeit und die Dichte pg des Gases bestimmt, wobei letztere in der Regel vernachlässigbar ist.
Aus diesen Größen kann bestimmt werden, ob eine Blase 18 mit gegebenem Radius stabil ist, oder aufgrund der Scherkräfte in kleinere Blasen zerteilt wird.
Für eine Blase in einem linearen Geschwindigkeitsgradienten ergibt sich eine Scherspannungsrate S zu S = (vmax-v0) /Rb = (v0-vmin) /Rb = Av/Rb (1) .
Im quasistationären Gleichgewichtszustand resultiert eine
Druckdifferenz über die Blase 18 von wobei Rmin und Rmax die kurze bzw. lange Hauptachse einer el- lipsoid geformten Blase 18 beschreiben. Unter der Annahme der Inkompressibilität der Blase 18 ergibt sich auf der Seite der Blase 18, auf die eine Strömung mit der Geschwindigkeit vmax einwirkt, ein maximal wirksamer Druck pmax von Pmax = l/8-piC3- (RbS+2v0)2 (3) wobei Cs den Reibungskoeffizienten einer Kugel mit Radius Rb angibt. Analog kann der minimal wirksamen Druck bestimmt werden, so dass die Druckdifferenz Δρ über die Blase 18 von
Δρ = Cs pi S Rb v0 (4) resultiert, woraus wiederum eine resultierende Kraft Fb = Cs pi S Rb v0 A (5) erhalten werden kann. Unter Annahme einer initial sphärischen Blase ist die Fläche A die wirksame Querschnittsfläche, so dass die Kraft
Fb = Cs Pi S v0 Rb_min3 v0 Π (6) resultiert. Rb_min gibt dabei die kurze Halbachse bei Deformation der Blase 18 durch die Strömung an.
In Übergangssituationen, bei denen die Blase 18 temporär durch den Druck deformiert wird, nimmt die Blase 18 zunächst oblate Form an. Durch die Anregung von Formoszillationen kann die Blase 18 dabei instabil werden und in kleinere Blase auf- brechen, sofern die Angriffsfläche für die Strömung die kritische Fläche
Acrit - R b crit Π (7) überschreitet. Der kritische Radius kann dabei zu geschätzt werden, wobei Rb_o den initialen Blasenradius angibt. Es ergibt sich also eine kritische Querschnittsfläche von Acrit * 1,44 Rb_0 n (9) .
Bei einer maximal großen stabilen Blase 18 herrscht dabei folgendes Kräftegleichgewicht Fb = Cs pi S Rb v0 Rb 3 v0 n = FBt = 2 π σ Rb (10) zwischen der von der Strömung ausgeübten Kraft Fb und der Oberflächenkraft Fst . Für den maximalen stabilen Radius Rb einer Blase 18 folgt somit
Rb = [ ( 2 σ) / (Cs pi S v0) ] 1/2 (11) .
Lösungen von Gig. 11 für unterschiedliche lokale Scherspan- nungsraten sind in FIG 3 in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit zwischen den Phasen aufgetragen. Die mit offenen Kreisen markierte Funktion gibt dagegen die Abhängigkeit an, wie sie auf Grundlage des aus dem Stand der Technik bekannten semi-empirischen Ansatzes für eine kritische Weber- Zahl von 4,7 erhalten wird (Hinze et al . , A.I.Ch.E Journal Vol. 1, Nr. 3, S. 289-295).
Es ist dabei deutlich zu erkennen, dass der oben beschriebene nichtempirische Ansatz deutlich verschiedene Werte für den maximalen stabilen Radius einer Blase 18 liefert. Insbesonde- re für hohe Strömungsgeschwindigkeit sagt der semi -empirische Ansatz dabei unrealistisch kleine Blasenradien voraus, die experimentell nicht bestätigt werden konnten. Solche Geschwindigkeiten von mehreren m/s bis mehreren zehn m/s sind jedoch von besonderer Bedeutung für industrielle Dispergier- düsen .
Die typischen Betriebsparameter für eine Dispergierdüse in Laborskala und eine Dispergierdüse einer im Bergbau verwendeten industriellen Flotationszelle sind in FIG 4 dem bereits in FIG 3 gezeigten Diagramm überlagert. Es ist deutlich zu erkennen, dass diese Betriebspunkte in einem Bereich liegen, in dem der semi -empirische Ansatz bereits keinerlei makrosko- pische Blasen mehr voraussagt.
Die tatsächlich beobachteten Blasenradien in diesen Disper- gierdüsen liegen bei den genannten Arbeitspunkten bei 0,6-1 mm, was sich hervorragend mit den berechneten Werten gem. FIG 4 deckt. Experimentell kann ferner beobachtet werden, dass sich bei einem Gasgehalt von 5-15% am Düsenaustritt zusätzlich deutlich kleinere Blasen bilden. Dies kann durch die lokal stark unterschiedlichen Scherspannungsraten und Strömungsgeschwindigkeiten über den Düsenquerschnitt erklärt wer- den. Eine numerische Berechnung dieser Größen und ihrer lokalen Verteilung über die Düse ist in FIG 5 und FIG 6 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass insbesondere im wandnahen Bereich und am Düsenaustritt Scherspannungsraten S von bis zu 3000 s"1 und Geschwindigkeiten v0 von bis zu 25 m/s erreicht werden.
Aus den so berechneten Scherspannungsraten und Geschwindigkeiten können, wie in FIG 7 gezeigt, für die einzelnen Bereiche der Dispergierdüse 10 auf Grundlage von Gig. 11 die je- weils gültigen maximalen stabilen Radien für Blasen 18 berechnet werden. Für drei Schnittebenen 20, 22, 24 durch die Dispergierdüse 10 ist in FIG 8 zudem in den Kurven 26, 28, 30 der jeweilige radiale Verlauf der lokalen maximalen stabilen Blasenradien aufgetragen.
Die lokalen Maxima dieser Kurven liegen wiederum in gutem Einklang mit den experimentell ermittelten Werten von 0,6-1 mm . Auf Grundlage der geschilderten numerischen Simulation der Strömungsverhältnisse in einer Dispergierdüse und der Berechnung der lokalen maximalen stabilen Radien nach Gig. 11 ist es möglich, die Geometrie von Dispergierdüsen zu optimieren.
Hierzu wird zunächst für eine vorgegebene Geometrie der
Dispergierdüse 10 und für die vorgegebenen Arbeitsparameter, wie beispielsweise Massenströme, Volumenströme oder dgl . , auf die beschriebene Weise mittels numerischer Fluiddynamiksimu- lation die Verteilung der lokalen Scherspannungsraten S, der relativen Geschwindigkeiten v0 der Phasen, sowie des lokalen Durchmischungsgrades berechnet. Aus Gig. 11 kann daraus die Verteilung der lokalen maximalen Radien bestimmt werden. Nach Gewichtung mit dem lokalen Dispergierstoffanteil kann dann die Verteilung der Blasen- bzw. Tröpfchengrößen über Querschnittsflächen der durchströmten Dispergierdüse 10 ermittelt werden . Weicht diese Verteilung von einer geforderten Verteilung der Blasen- bzw. Tröpfchengrößen ab, so werden die geometrischen Parameter der Dispergierdüse dergestalt abgeändert, dass bei zu großen berechneten Tröpfchen- oder Blasenradien in wesentlichen Teilen der Dispergierdüse 10 höhere Scherspannugnsra- ten und/oder höhere Relativgeschwindigkeiten erreicht werden.
Auf Grundlage der neu vorgegebenen Düsengeometrie kann dieser Vorgang so lange iterativ wiederholt werden, bis eine Düsengeometrie erhalten wird, die die gewünschte Verteilung der Tröpfchen- oder Blasenradien produziert.
Hierdurch können Dispergierdüsen 10 auf schnelle und zuverlässige Weise iterativ optimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anpassen der Geometrie einer Dispergierdüse (10) in Hinblick auf eine geforderte Größenverteilung einer mittels der Dispergierdüse (10) in einer dispergierenden Phase dispergierten Phase, mit den Schritten:
a) ausgehend von einer vorgegebenen Geometrie der Dispergierdüse (10) : Berechnen einer Scherspannungsrate S und einer Relativgeschwindigkeit v0 zwischen den Phasen;
b) aus den in Schritt a) berechneten Größen: Bestimmen zumindest eines lokalen maximalen stabilen Radius für die disper- gierte Phase gemäß der Beziehung
Rb= (2G/CSPLSV0)1/2
wobei σ die Oberflächenspannung der dispergierten Phase, Cs den Reibungskoeffizienten der dispergierten Phase in der dispergierenden Phase und pL die Dichte der dispergierenden Phase angibt;
c) Bestimmen der Verteilung der lokalen maximalen stabilen Radien über eine Querschnittsfläche (20, 22, 24) der Disper- gierdüse (10) ;
d) bei Überschreiten eines vorgegebenen maximalen stabilen Radius in zumindest einem Bereich der Querschnittsfläche (20, 22, 24) :
Ändern der Geometrie der Dispergierdüse (10) , so dass zumin- dest bereichsweise eine höhere Scherspannungsrate S und/oder eine höhere Relativgeschwindigkeit v0 der Phasen erreicht wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung in Schritt a) auf Grundlage eines numerischen Strömungsmodells erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ferner ein lokaler Durchmischungsgrad der Phasen berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Verteilung auf Grundlage des lokalen Anteil der dispergierten Phase gewichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach Ändern der Geometrie der Dispergierdüse (10) in Schritt d) die Schritte a) bis d) solange iterativ durchgeführt werden, bis der vorgegebene maximale stabile Radius Rb in keinem Bereich der Querschnittsfläche (20, 22, 24) überschritten wird .
EP13723451.4A 2012-06-04 2013-05-07 Verfahren zum anpassen der geometrie einer dispergierdüse Withdrawn EP2844380A1 (de)

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