Numerische Strömungssimulation Rührsysteme lassen sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) optimieren

Um Systeme möglichst effizient auszulegen, ist eine ganzheitliche Betrachtung aller Komponenten nötig. Die numerische Strömungssimulation ist deshalb bei der Auslegung von Rührsystemen ein wertvolles Instrument.

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Die Forderungen der Industrie nach höherer Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz verlangt maßgeschneiderte Rührsysteme mit ganzheitlichem Ansatz. Dies bedeutet, dass das Zusammenspiel aller am Prozess beteiligten Komponenten berücksichtigt werden muss. Neben einem für die Grundrühraufgabe speziell entwickelten Rührorgan betrifft dies alle Kesseleinbauten, z.B. Stromstörer, Wärmetauscherelemente oder Einspeisevorrichtungen sowie die Form des Rührkessels. Erfahrungswerte, wenn vorhanden, reichen für eine punktgenaue und sichere Auslegung maßgeschneiderter Rührsysteme alleine nicht mehr aus, und die Durchführung zahlreicher Versuche im Labor ist zeitaufwändig, kostspielig und im Originalmaßstab häufig unmöglich. Die numerische Strömungssimulation (engl.: Computational Fluid Dynamics – CFD) kann diese Nachteile abfangen, sodass sie im Entwicklungsprozess die Messung ideal ergänzt.

Was ist CFD?

Die Kontinuumsmechanik beschreibt Strömungsvorgänge durch ein System partieller Differenzialgleichungen, der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impulse und Energie. Da die Lösung dieses Systems nur in den einfachsten Fällen in geschlossener Form gelingt, lässt sich die kontinuierliche Änderung der Strömungsgrößen durch Differenzen zwischen einzelnen Stützstellen approximieren. Dies wird als Diskretisierung (Gewinnung einer diskreten Teilmenge aus einer kontinuierlichen Daten- oder Informationsmenge) bezeichnet und kann in unterschiedlicher Form erfolgen. Zur Berechnung von Rührkesselströmungen wird üblicherweise das Finite-Volumen-Verfahren verwendet. Der freie Raum im Rührkessel, der beim Betrieb mit dem entsprechenden Produkt gefüllt ist, wird dabei vernetzt, sodass ein Rechengitter aus einzelnen Volumenzellen entsteht. Diese „räumliche Diskretisierung“ wird auch als Gittergenerierung bezeichnet. Über die Volumenelemente werden die entsprechenden Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Drehimpuls und Energie in integraler Form erfüllt.

Während laminare Strömungen Newtonscher Flüssigkeiten exakt gelöst werden können, sind zur Berechnung turbulenter Strömung für industrielle Anwendungen meist statistische Turbulenzmodelle nötig, die so genannten Reynolds-Averaged Navier-Stokes-Gleichungen (RANS). Prinzipiell können die zeitlichen und räumlichen Strukturen turbulenter Strömung auch vollständig und ohne Modelle mit direkter numerischer Simulation (DNS) aufgelöst werden. Doch ein heute handelsüblicher Computer bräuchte zur Berechnung einer turbulenten Kanalströmung mit einer Reynoldszahl von Re = 10⁶ etwa 2000 Jahre, sodass DNS bislang nur auf Superrechnern sinnvoll ist.

Da numerische Berechnungen kostspielig und ihrer industriellen Anwendung nach wie vor Grenzen gesetzt sind, ist CFD kein Standardtool für jede Auslegung. Vielmehr sollte es dort eingesetzt werden, wo ein größtmöglicher Nutzen zu erwarten ist. Dies ist im Bereich der Rühr- und Mischtechnik in der Regel bei der Neuentwicklung von Rührorganen sowie der Entwicklung neuer Prozesse der Fall, bei denen verlässliche Erfahrungswerte fehlen. Ebenfalls sinnvoll ist CFD in bereits bestehenden Rühranlagen, wenn unerwünschte strömungstechnische Effekte auftreten wie Ablagerungen, ein unerwartet hoher Leistungsbedarf oder eine unzureichende Homogenität im Rührgut, deren Entstehung unklar ist.

Beispiel Leitrohrapparat

Bei kontinuierlichen Prozessen, beispielsweise der Kristallisation, kommen häufig Leitrohrapparate zum Einsatz, weil sie eine effektive Umsetzung der Rührleistung in Suspendierleistung und dadurch höchste Produktqualität ermöglichen. Die Auslegung eines solchen Leitrohrapparates sollte im Wesentlichen folgende Anforderungen erfüllen:

• gute Homogenisierung und Vermeidung von Totzonen,

• Minimierung der Druckverluste,

• effektive Umsetzung der Rührleistung in Suspendierleistung.

Mit folgendem Vorgehen lassen sich diese Ziele erreichen:

• Analyse der bestehenden geometrischen Ausführung mittels CFD,

• Ideenfindung und eindimensionale Abschätzung der erreichbaren Reduktion der Druckverluste,

• Festlegen der aussichtsreichsten Varianten,

• Vorgehen gemäß Schema (s. nächste Seite).

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