Mischvorgänge in mikrostrukturierten Bauteilen - verdeutlicht durch CFD

Das Mischen von Stoffen ist Bestandteil fast jeden Prozesses in der Verfahrenstechnik und daher von sehr großer Bedeutung. Ziel eines Mischvorgangs ist eine Vergleichmäßigung der Komponenten zum Erhöhen der Produktqualität und des Stoffumsatzes (biologisch und/oder chemisch) sowie der Beschleunigung des Stoff- und Wärmeübergangs. Der Mischprozess kann dabei durch reine Molekularbewegung (Diffusion) und freier bzw. erzwungener Konvektion (z.B. Rühren) erfolgen.

Um für eine bestimmte Mischaufgabe den idealen Mischer zu bestimmen, ist die CFD ein sehr wichtiges Werkzeug. Durch die Simulation von Mischvorgängen erhält man detaillierte Information über den Strömungs- und Temperaturverlauf sowie der Speziesverteilung im Mischer. Dieses Wissen kann sowohl bei der Auswahl des Mischertyps hilfreich sein, als auch zu Design- und Optimierungszwecken herangezogen werden. Mit Hilfe der CFD können auch optimale Betriebsparameter für Mischer bestimmt werden. Aufwendige experimentelle Mi-schertest und Parameterstudien werden somit auf ein Minimum reduziert.

Abbildung 7: Entwicklung der verdrallten Strömung in einem Zyklon-Mischer in Abhängigkeit der Eintrittsgeschwindigkeit.

Dass CFD auch grundlegendes Verständnis für die physikalischen und chemischen Vorgänge in Apparaten vermitteln kann, verdeutlich Abbildung 7.  Man erkennt, dass sich mit zunehmender Eintrittsgeschwindigkeit die Strömungsform im Zyklon-Mischer von einer laminaren Schichtenströmung, bei der nahezu keine Vermischung auftritt, hin zu einer laminaren Drallströmung, mit sehr guter Durchmischung, entwickelt. Durch die Simulation kann zum einen die Einströmgeschwindigkeit, bei der die Verdrallung der Strömung einsetzt, bestimmt werden und zum anderen sowohl die komplexe Strömungsform im Mischer visualisiert als auch die Mischgüte beim Verlassen des Mischer bestimmt werden.

Den instationären Prozess der Vermischung von Ethanol und Wasser in einem V-Mischers zeigen die folgenden Videos [Video1, Video2]. In den Videos wird die Strömung und die Speziesverteilung in zwei Ebenen des Mischers dargestellt. Ethanol und Wasser Strömen v-förmig unter einem Winkel von 45° (90° zueinander) in einen senkrecht stehenden quaderförmigen Mischzylinder. Zu Beginn des Einströmvorgangs waren die Kanäle und der Zylinder mit einem Gemisch aus 50% Wasser und 50% Methanol (Massenanteil) gefüllt. Da die Einströmgeschwindigkeit recht gering ist, ist der Einfluss der Schwerkraft deutlich zu erkennen. Das leichtere Ethanol wird beim Einströmen beschleunigt, das schwerere Wasser sammelt sich im Eintrittsbereich. Eine weitere Erkenntnis der Simulation war, dass die Strömung im V-Mischer ein periodisches Verhalten annimmt.