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Makro- und Mikromischvorgängen

 

Dipl.-Ing. M. Faes

Das Homogenisieren mischbarer Flüssigkeiten kann in Makro- und Mikromischen unterteilt werden. Als Makromischen wird der konvektive Transport der eingebrachten Komponente bezeichnet. Im Zuge des Makromischens nimmt der charakteristische Längenmaßstab der Segregation, z.B. die Dicke einer Lamelle, ab. Das Mikromischen in der molekularen Größenordnung erfolgt durch Diffusion. Für den Ablauf chemischer Reaktionen ist es wichtig, die Reaktanden schnell molekular miteinander zu vermischen, um unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden.
In einem Behälter mit mechanisch bewegtem Rührorgan ist das Strömungsfeld sehr komplex. Die kennzeichnenden molekularen Stoffströme der Mikrovermischung variieren aufgrund der örtlich veränderlichen Energiedissipation. Der Zusammenhang zwischen Mikrovermischung und makroskopischen Strömungsfeld wird sowohl im Rührbehälter als auch für ein einfach berandetes Strömungsfeld mit einstellbarer Energiedissipation untersucht. Dazu werden zeitlich und örtlich hoch auflösende optische Messverfahren eingesetzt. Mit Hilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) werden die lokalen Geschwindigkeiten des Strömungsfeldes gemessen, aus denen die lokalen Quellterme der Energiedissipation berechnet werden. Der Ablauf chemischer Reaktionen setzt die Mikrovermischung voraus und wird als Funktion der im Strömungsfeld dissipierten Energie visualisiert. Dazu wird die Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) eingesetzt, die für die simultane Messung von zwei Farben erweitert ist.

Bild: Optischer Aufbau für LIF/PIV-Messungen im Rührbehälter

Zur Beschreibung des Stofftransports auf molekularen Ortsskalen wird ein Modell weiter entwickelt, welches den Einfluss des Strömungsfeldes auf die Deformation einzelner Volumenelemente und den Ablauf einer chemischen Reaktion durch separate Transportgleichungen berücksichtigt. Die berechneten Konzentrationsfelder werden mit den experimentellen Ergebnissen der LIF-Messungen verglichen.