Scale-Up

20. - 21. Februar 2019
Frankfurt am Main
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Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Prozesse

Verfahrenstechnische Prozesse leiten sich aus den gewünschten technischen Funktionen und meist standardisierten Grundoperationen ab. Dennoch sind viele Apparate und Maschinen Unikate, die spezifisch dimensioniert und in der Regel im Maßstab vergrößert werden müssen.

Die Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Prozesse ist wegen der umgekehrt proportionalen Abhängigkeit der spezifischen Oberflächen von der Apparategröße bzw. dem Durchmesser nicht trivial. Maßstabsvergrößerung ist nach wie vor mehr eine Kunst, als ein Handwerk.

Wegen der Komplexität des Wärme- und Stofftransports ist eine Maßstabsvergrößerung in der industriellen Praxis häufig nicht auf Basis rigoroser physiko-chemischer Modelle und den daraus abgeleiteten Bilanzgleichungen realisierbar.

Hier kann die Ähnlichkeitstheorie bzw. Dimensionsanalyse einen wichtigen Beitrag leisten. Die aus der Dimensionsanalyse abgeleiteten Kennzahlen und die daraus abgeleiteten Funktionen sind von der Geometrie, den Prozessparametern und von den Stoffwerten unabhängig. An Modellapparaten und mit Hilfe von Modellsubstanzen ermittelte Beziehungen sind im Rahmen der experimentellen Gültigkeitsbereiche beliebig skalierbar.

Die wertvollste Information, die für die Maßstabsvergrößerung aus der Dimensionsanalyse ableitbar ist, ist jedoch die Kenntnis, der die dimensionslosen Kenngrößen verbindenden Proportionalitäten. Liegt das Vertrauensintervall einer ähnlichkeitstheoretischen Funktion typischerweise in einem weiten Bereich von ca. 15 - 25 %, sind die Proportionalitäten der in diesen Funktionen verbundenen Kennzahlen durch eine große Anzahl experimenteller Befunde gesichert und sehr verlässlich. Ein Beispiel ist die Proportionalität Nu ~ Re0,67 für den Wärmeübergang in Rührwerksbehältern. Auf Basis dieser gesicherten Proportionalitäten können die aus Messungen an Miniplants, Pilotanlagen und Anlagen anderer Kapazitäten gewonnenen Parameter mit großer Genauigkeit umgerechnet bzw. skaliert werden.

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Bildquelle: Stitt, E.H. Chem.Eng. J. 90 (2002) 47

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