Rohrströmung

Rohrströmung und Kesselströmung sind zwei grundlegende Konzepte des kontinuierlichen Pulvermischens. Beide Strömungsformen unterscheiden sich deutlich in ihrem verfahrenstechnischen Verhalten. Welche Lösung die bessere ist, hängt stets vom konkreten Anwendungsfall ab.

Bei der Rohrströmung wird das Schüttgut kontinuierlich durch einen im Wesentlichen rohrförmigen Mischraum transportiert. Die Durchmischung erfolgt während des axialen Durchströmens. Idealerweise nähert sich die Strömung einer Pfropfenströmung an. Die axiale Rückvermischung ist gering. Die Partikel bewegen sich mit ähnlicher Aufenthaltszeit durch den Mischer.

Eine zentrale Kenngröße ist die mittlere Verweilzeit. Sie beschreibt die durchschnittliche Aufenthaltsdauer eines Partikels im System.

t_m = V/V˙

• t ist die mittlere Verweilzeit
• V ist das wirksame Mischvolumen
• V˙ist der volumetrische Durchsatz

Bei der Rohrströmung ist nicht nur der Mittelwert der Verweilzeit relevant, sondern vor allem deren Verteilung. Die Verweilzeitverteilung ist vergleichsweise eng. Dies begünstigt eine gleichmäßige Produktqualität. Temperatur- oder Feuchteprofile lassen sich gut kontrollieren. Die Rohrströmung eignet sich daher besonders für empfindliche Rezepturen und eng spezifizierte Produkte.

Das Gegenstück zur Rohrströmung ist die kontinuierlich durchströmte Kesselmischung. Hier befindet sich das Pulver in einem Mischbehälter mit gleichzeitigem Zu- und Abstrom. Der Kessel wird idealisiert als vollständig durchmischtes System betrachtet. Zu jedem Zeitpunkt ist die Zusammensetzung im gesamten Kessel homogen.

Auch bei der Kesselmischung ergibt sich die mittlere Verweilzeit aus dem Verhältnis von Volumen und Durchsatz. Der entscheidende Unterschied liegt in der Verweilzeitverteilung. Für den ideal durchmischten Kessel ergibt sich eine exponentielle Verteilung.

E(t) = 1/t_m ⋅ exp (−t/t_m)

• E(t) ist die Verweilzeitdichtefunktion
• t ist die individuelle Aufenthaltszeit eines Partikels
• t_m ist die mittlere Verweilzeit

Diese Verteilung bedeutet, dass es keine feste Mindestverweilzeit gibt. Ein Teil der Partikel verlässt den Kessel sehr früh. Andere Partikel verbleiben deutlich länger im System. Die Streuung der Verweilzeiten ist groß. Die Varianz der Verweilzeit ergibt sich zu

(σ_t)² = (t_m)²

(σ_t)² ist die Varianz der Aufenthaltszeiten. Diese starke Rückvermischung hat verfahrenstechnische Konsequenzen. Die Kesselmischung wirkt puffernd. Schwankungen im Zulauf werden ausgeglichen. Die Prozessführung ist robust. Dies ist vorteilhaft bei schwierigen Stoffeigenschaften oder instabilen Randbedingungen.

Zur quantitativen Beschreibung der Rückvermischung wird häufig die Peclet-Zahl verwendet. Sie erlaubt eine Einordnung zwischen Rohr- und Kesselströmung.

Pe = u⋅L/D_ax

• Pe ist die Peclet-Zahl
• u ist die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit
• L ist die charakteristische Länge des Mischraums
• D_ax ist der axiale Dispersionskoeffizient

Hohe Peclet-Zahlen kennzeichnen eine rohrströmungsähnliche Führung mit geringer Rückvermischung. Niedrige Peclet-Zahlen deuten auf eine starke Rückvermischung und kesselähnliches Verhalten hin. 

Rohrströmung und kontinuierliche Kesselmischung sind daher keine konkurrierenden Verfahren im Sinne von besser oder schlechter. Sie stellen unterschiedliche verfahrenstechnische Werkzeuge dar. Die Rohrströmung bietet enge Verweilzeitverteilungen und hohe Prozessdynamik. Die Kesselmischung bietet Stabilität und Pufferwirkung. Die Auswahl der geeigneten Strömungsform beeinflusst Mischgüte, Produktkonstanz, Regelbarkeit und Wirtschaftlichkeit maßgeblich. Sie ist ein zentraler Schritt bei der Auslegung kontinuierlicher Pulvermischprozesse.