Die Leistungsfähigkeit eines Rührbehälters folgt weit mehr aus dem Strömungsbild als aus der Rührerdrehzahl. Zwei verschiedene Rührorgane bei gleicher Leistung können völlig unterschiedliche Mischzeiten liefern.
Die Rührerbauart bestimmt das Bild
Radialförderndes Rührorgan. Es wirft die Strömung nach außen zur Wand und teilt den Behälter in eine obere und eine untere Zirkulationsschleife. Es erzeugt hohe Scherung — gut zum Dispergieren und zur Gasverteilung. Der Austausch zwischen den beiden Schleifen ist jedoch schwach, und die Mischzeit kann sich verlängern.
Axialförderndes Rührorgan. Es erzeugt eine einzige große Zirkulation; der Transport durch den Behälter ist stark. Bevorzugt zum Suspendieren von Feststoffen und zur Homogenisierung.
Die Wahl hängt davon ab, was gewünscht wird: Scherung oder Zirkulation.
Totzonen
Was die Mischzeit meist bestimmt, ist nicht die Hauptzirkulation, sondern der sich am langsamsten erneuernde Bereich: die Bodenecken, dicht unter der Oberfläche, am Mantel entlang, hinter einem Stromstörer.
Diese Bereiche verlängern die Mischzeit; läuft eine Reaktion, driftet dort die örtliche Konzentration, und in einem beheizten Behälter entsteht örtliche Überhitzung. Ob eine Totzone vorliegt, zeigt nicht die mittlere Geschwindigkeit, sondern die Verweilzeitverteilung.
Stromstörer einzubauen ist die klassische Abhilfe: In einem Behälter ohne Stromstörer dreht sich die Flüssigkeit mit dem Rührer mit (es bildet sich eine Trombe), und die eigentliche Vermischung kommt fast zum Erliegen — Leistung wird verbraucht und keine Arbeit geleistet.
Mit nicht-newtonschen Fluiden schlimmer
In einem scherverdünnenden Fluid ist die Viskosität nahe dem Rührer niedrig und weiter weg hoch. Das Ergebnis kann eine rotierende Kaverne um den Rührer sein, außerhalb derer der Bereich nahezu stillsteht. Siehe die Notiz zu nicht-newtonschen Fluiden.
Modellierung
Der Rührerbereich wird als rotierende Zone gelöst. Die Mischzeit wird gemessen, indem ein Markierungsstoff eingegeben und die Vergleichmäßigung der Konzentration verfolgt wird — eine Größe, die sich sowohl im Feld messen als auch im Modell berechnen lässt, was sie für die Validierung praktisch macht.
Zählt die Trombe an der freien Oberfläche, wird das Problem mehrphasig.
Referenzen
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.