<EMI ID=1.1>
<EMI ID=2.1>
mengen van gassen met vloeistoffen, waarbij een minimaal kraohtverbruik nodig is en dat daarenboven onafhankelijk is van het onder de turbineroorder toegevoerde gaedebiet. De uitvinding kan toegepast worden bij allerlei mengtanks zoals fermentatietanks, mechanisch geroerde bellenreactoren, beluchtingstanke in afvalwaterzuivering en zo meer.
De klassieke turbineroerder (zie Figuur 1), zoals bijvoorbeeld beschreven is in de USA, bestaat uit een horizontale grote schijf
(1) die in zijn middelpunt om een verticale as (2) draait en die op zijn sohijfrand voorzien is van meerdere, bijvoorbeeld zes of vier, verticale vlakke roerderbladen (3) met vierkant of rechthoekig op-
<EMI ID=3.1>
zijn verticale as (2) die samenvalt met de middellijn van een oylindrische mengtank (4) (zie Figuur 2) en veroorzaakt in de mengtank (4) een sterk radiale stroming van de vloeistof, hetgeen hoge vloeistofrondpompsnelheden en hoge turbulenties met zich meebrengt. Ken verkrijgt aldus een intense menging. Bij toevoer met behulp van
<EMI ID=4.1>
eveneens hoge gasretentieti jden en grote gas-vloeistof interfaseoppervlakken.
De bekende klassieke turbineroerder vertoont evenwel grote nadelen nl.
<EMI ID=5.1>
voorspelbare wijze in functie van het gasdebiet, dat onderaan de roterende roerder wordt toegevoerd.
De oorzaken van deze nadelen van de klassieke roerder kunnen
<EMI ID=6.1>
Recente publicaties tonen aan dat het kraohtverbruik van een turbinercerder in een gas-vlooiatofmengtank nauw verbonden is met
<EMI ID=7.1>
toerentallen en hogere gasdebieten;
c. de "adherende caviteit" (olinging cavity) welke een intermediaire vorm is tussen de twee vorige vormen.
<EMI ID=8.1>
beschreven worden met behulp van veranderingen in de hydrodynamische vorm van de gascaviteiten die ontstaan aohter de roerderbladen.
Eén van de voornaamste factoren die een invloed hebben op de hydrodynamisohe vorm van de gascaviteiten is de gastoevoersnelheid vanuit de gasverdeler onder de roerder omdat het meeste van dit gas direct in de caviteiten achter de bladen wordt gezogen. Het is ech-
<EMI ID=9.1>
ook in zekere mate bijdragen tot de caviteitenvorming. Deze verschijnselen van "roerder coalescentie" en "recirculatie" zijn op een vrij complexe en tot hiertoe niet voorspelbare manier afhanke-
<EMI ID=10.1>
bellengrootte. Dit en nog andere factoren maken het ganse verschijnsel van gasverdeling in een vloeistof en de daaruitvolgende krachtverbruikdaling van de klassieke roerder zodanig gecompliceerd dat de tot hiertoe ontwikkelde correlatieformules zeer beperkt van toepassing zi jn wat betreft mengtankvolumes en hoogst onbetrouwbaar
<EMI ID=11.1>
grootschalige, doch geometrische similaire mengtanks.
<EMI ID=12.1>
ten achter de bladen identiek zouden zijn bij de verschillende volumes. Dit impliceert dat, op welke schaal men ook werkt, de hydro-
<EMI ID=13.1>
identiek zouden moeten zijn. In het voorgaande is beklemtoond dat het effect van alle factoren die bijdragen tot de opbouw van een
<EMI ID=14.1>
beschreven worden wegens het grote aantal factoren en vooral wegens hun onderlinge interferentie.
Tevens blijkt dat, eenmaal er in de krachtverbruikourve een minimum waarde wordt bereikt - wat min of meer overeenkomt met de aanwezigheid van een "grote caviteit" achter elk roerderblad- het krachtverbruik niet verder meer daalt met toenemende gasdebieten maar bij een bepaald gasdebiet opnieuw begint te stijgen. Het is
<EMI ID=15.1>
een "grote gascaviteit" achter elk roerderblad, het krachtverbruik van de roerder over een eng gebied onafhankelijk is van het toegevoerde gaadebiet.
Doel van de uitvinding is een oplossing te bie den voor de grote nadelen van de klassieke turbineroerder. Dit probleem wordt opgelost door gebruik te maken van de vaststelling dat het krachtverbruik van de klassieke turbineroerder onafhankelijk is van het toegevoerd gasdebiet, doch dit enkel over een eng gebied, namelijk wanneer een toestand van een "grote caviteit" gecreëerd is aohter elk roerderblad.
De uitvinding bestaat erin dat bij de turbineroerder achter elk roerderblad een kunstmatige caviteit wordt aangebracht met een vorm die zo dicht mogelijk de ideale stroomlijnvorm benadert.
Een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt hierna beschreven met verwijzing naar de figuren, waarbij <EMI ID=16.1> der; Figuur 2 een stromingsbeeld geeft in een cylindrisohe mengtank met de klassieke turbineroerder; Figuur 3 een perspectiefzicht is van een uitvoeringsvorm van <EMI ID=17.1> Figuur 4 een bovenaanzicht is van de turbineroerder volgens de uitvinding.
De figuren 3 en 4 tonen een turbineroerder volgens de uitvinding bestaande uit een grote horizontale schijf (1) die in zijn middelpunt om een vertikale as (2) draait en die op zijn sohijfrand voorzien is van meerdere - bijvoorbeeld vier of zes - verticale vlakke roerderbladen met vierkantig of rechthoekig oppervlak. Aan de achterzijde van elk roerderblad (3) is een kunstmatige caviteit
(6) aangebracht met een vorm die gelijk is aan de vorm van de natuurlijke "grote caviteit" zoals hiervoor gedefinieerd. Dit is de ideale gestroomlijnde vorm.
Afhankelijk van de vorm van het rechtstandig turbineblad en de eigenschappen van de vloeistof is de vorm van de ideaal gestroomlijnde kunstmatige caviteit verschillend. Zo bestaat bijvoorbeeld, voor het geval het oppervlak van het turbineblad een vierkant is,
<EMI ID=18.1>
Voor iedere andere vorm van het turbineblad dient de ideale stroomlijnvora dus proefondervindelijk bepaald te worden.
Enkele roerderbladen, maar niet alle, kunnen geen kunstmatige
<EMI ID=19.1>
zij het minder gecompliceerde afhankelijkheid vertonen van het gasdebie t.
De kunstmatige caviteiten (6) kunnen met de roerderbladen (3) één constructief geheel vormen zodanig dat beide elementen ofwel vast verbonden zijn, ofwel verwijderbaar aan elkaar bevestigd en dit op allerlei bekende wijzen. Het constructief geheel kan hol of vol uitgevoerd worden. De kunstmatige oaviteiten kunnen vervaardigd zijn uit metaal, uit kunststof, uit hout of een combinatie van deze materialen.
Verder kunnen de kunstmatige caviteiten (6) doorboord zijn of van groeven of andere bijkomonde elementen voorzien zijn, dit teneinde de stroomlijning of het dispergerend vermogen nog te vergroten. Ook kan de grote horizontale schijf (1) van doorboringen voorzien zijn en kunnen sommige of alle roerderbladen (3) licht sohuin geplaatst zijn en/of doorboord en/of afgerond zijn. De horizontale schijf (1) kan ook volledig weggelaten zijn zodanig dat de roerderbladen direct verbonden zi jn met de aandrijf stang (2). In dit geval kunnen de roerderbladen ook bepaalde modificaties ondergaan, echter zijn steeds kunstmatige caviteiten aanwezig achter sommige of alle roerderbladen.
<EMI ID=20.1>
bleek dat voor elke roerder een kunstmatige oaviteitenvorm kan gevonden worden zodat het krachtverbruik van de roerder in gas-vloei-
<EMI ID=21.1>
toegevoerde gasdebiet onder de roerder.
De voordelen van de turbineroerder volgens de uitvinding zijn de volgende :
1[deg.] De exaote berekening van de absolute grootte van het krachtverbruik en de extrapolatie naar grotere volumes zijn veel eenvoudiger geworden. Door de onafhankelijkheid van het gasdebiet en het wegvallen van complexe en moeilijk voorspelbare interferenties zoals bellenrecirculatie en roerdercoalescentie op het kracht-
<EMI ID=22.1>
bineroerder draaiende in het turbulente regime, volgens de formule:
<EMI ID=23.1>
Deze formule is, voor geometrisch similaire systemen, zeer
<EMI ID=24.1>
vanging van de klassieke roerder door de roerder volgens de uitvinding aanzienlijke energiebesparingen mogeli jk. Immers daalt in het beste geval bij gastoevoeging, wanneer de roerder draait op een hoogte boven de bodem gelijk aan 1/3 van de diameter van de tank, het krachtverbruik van een klassieke turbineroerder nooit beneden
<EMI ID=25.1>
Verder moet nog de nadruk gelegd worden op een paar andere belangrijke eigenschappen van de roerder volgens de uitvinding
- Het hoofdzakelijk radiale stromingspatroon, typerend voor turbi- <EMI ID=26.1>
zo intens. De turbulentie is eveneens voldoende hoog om, zelfs bij geringe rotatiesnelheden, grote hoeveelheden vaste stof in suspensie te houden. Sedimentatieproblemen in vast-vloeistof en gas-vastvloeistof systemen zijn dus uitgesloten.
- Door de gestroomlijnde vorm van de kunstmatige oaviteit aan de achterzijde van de turbinebladen treden veel geringere vloeistof- <EMI ID=27.1>
roerder in gas-vloeistof systemen minder schuimvorming voor gevolg heeft en een veel geringere afsterving van - bijvoorbeeld in fer-
<EMI ID=28.1>
- De krachtverbruikkarakteristieken van de nieuwe roerder zijn gunstig en laten aanzienlijke Reynolds-getal schommelingen toe voor <EMI ID=29.1> - Het interfaseoppervlak gas-vloeistof dat door de nieuwe roerder <EMI ID=30.1>
drukt als kilogram opgeloste zuurstof per kilowattuur - veel hoger
<EMI ID=31.1>
toerental van de nieuwe roerder te verhogen tot zijn krachtverbruik gelijk wordt aan het krachtverbruik van de klassieke turbineroerder. Weliswaar bekomt men dan geen energiebesparing maar blijft het voordeel dat het krachtverbruik exact kan berekend worden onafhankelijk van het gasdebiet wat zeer gunstig is bij schaalvergroting
(scale-up).
<EMI ID=32.1> opdrijven door het gasdebiet te verhogen. De supplementaire oompressorkosten die dit met zich meebrengt zijn, mits een doelmatig ontwerp van de gas-vloeistof mengtank, te verwaarlozen t. o. v. de grote energiebesparing bekomen op het krachtverbruik van de nieuwe roerder zelf.
Het is duidelijk dat overal waar industriële gas-vloeistof en
<EMI ID=33.1>
bineroerder vereisen, deze met groot voordeel door de roerder volgens de uitvinding vervangen kan worden. De uitvinding kan aldus toegepast worden in de chemische nijverheid waar ontelbare gasvloeistof mengprocessen worden uitgevoerd zoals bijvoorbeeld hydrogenaties, chloreringen, organische synthesen, enz. en bij industri-
<EMI ID=34.1>
ring.
<EMI ID=35.1>
biet.
De turbineroerder bestaat uit een horizontale schijf (1) die in zijn middelpunt om een verticale as (2) draait en die op zijn schijfrand voorzien is van meerdere verticale vlakke roerderbladen (3) met rechthoekig of vierkantig oppervlak,
met het kenmerk
dat aan de achterzijde van elk roerderblad d. i. aan de zijde tegengesteld aan zijn draairichting, een kunstmatige caviteit
wordt aangebracht met een vorm die gelijk is aan de ideale stroomlijnvorm d.i. de vorm van do natuurlijke "grote oaviteit" bij afwezigheid van een kunstmatige oaviteit.
2. Turbineroerder volgens conclusie 1
met het kenmerk
dat bij minstens één van de roerderbladen ofwel een grote ideaal gestroomlijnde caviteit ofwel een intermediaire vorm aanwezig is.
<EMI ID=36.1>
met het kenmerk
dat de kunstmatige caviteiten (6) met de roerderbladen (3) één constructief geheel vormen zodanig dat beide elementen ofwel
vast verbonden zijn, aan elkaar bevestigd zijn, ofwel verwijderbaar en dit op allerlei opzich bekende wijzen.
<EMI ID = 1.1>
<EMI ID = 2.1>
mixing gases with liquids, whereby a minimum power consumption is required and which is moreover independent of the flow rate supplied under the turbine rotor. The invention can be applied to all kinds of mixing tanks such as fermentation tanks, mechanically stirred bubble reactors, aeration tank in wastewater treatment and so on.
The classic turbine stirrer (see Figure 1), as described in the USA for example, consists of a horizontal large disc
(1) which rotates in its center about a vertical axis (2) and which is provided on its bottom edge with several, for example six or four, vertical flat stirrer blades (3) with square or rectangular up-
<EMI ID = 3.1>
its vertical axis (2) which coincides with the centerline of a cylindrical mixing tank (4) (see Figure 2) and causes a strong radial flow of the liquid in the mixing tank (4), which entails high liquid rounding rates and high turbulence. Ken thus obtains an intense mixing. When supplied using
<EMI ID = 4.1>
also high gas retention times and large gas-liquid interphase areas.
However, the known classic turbine stirrer has major drawbacks, viz.
<EMI ID = 5.1>
predictable manner in function of the gas flow rate supplied at the bottom of the rotary stirrer.
The causes of these disadvantages of the classic stirrer can be
<EMI ID = 6.1>
Recent publications show that the power consumption of a turbine generator in a gas-flea or mixing tank is closely related to
<EMI ID = 7.1>
speeds and higher gas flows;
c. the "olinging cavity" which is an intermediate shape between the two previous shapes.
<EMI ID = 8.1>
described using changes in the hydrodynamic shape of the gas cavities created behind the stirrer blades.
One of the main factors influencing the hydrodynamic shape of the gas cavities is the gas feed velocity from the gas distributor below the stirrer because most of this gas is drawn directly into the cavities behind the blades. It's really-
<EMI ID = 9.1>
also contribute to some extent to the cavity formation. These phenomena of "stirrer coalescence" and "recirculation" depend in a rather complex and as yet unpredictable manner.
<EMI ID = 10.1>
bubble size. This and other factors complicate the whole phenomenon of gas distribution in a liquid and the subsequent power consumption drop of the classical stirrer to such an extent that the correlation formulas developed so far have very limited application in terms of mixing tank volumes and highly unreliable
<EMI ID = 11.1>
large-scale, yet geometrically similar mixing tanks.
<EMI ID = 12.1>
behind the blades would be identical at different volumes. This implies that whatever scale one works on, the hydro-
<EMI ID = 13.1>
should be identical. In the foregoing it has been emphasized that the effect of all factors that contribute to the construction of a
<EMI ID = 14.1>
described because of the large number of factors and especially because of their mutual interference.
It also appears that, once a minimum value is reached in the power consumption flow - which more or less corresponds to the presence of a "large cavity" behind each stirrer blade - the power consumption no longer decreases with increasing gas flow rates, but starts again at a certain gas flow rate. rise. It is
<EMI ID = 15.1>
a "large gas cavity" behind each stirrer blade, the power consumption of the stirrer over a narrow range is independent of the feed rate.
The object of the invention is to provide a solution to the major drawbacks of the classic turbine stirrer. This problem is solved by using the finding that the power consumption of the classical turbine stirrer is independent of the supplied gas flow rate, but only over a narrow range, namely when a "large cavity" state has been created on each stirrer blade.
The invention consists in that at the turbine stirrer an artificial cavity is provided behind each stirrer blade, with a shape that approximates as closely as possible to the ideal streamline shape.
A specific embodiment of the invention is described below with reference to the figures, where <EMI ID = 16.1> der; Figure 2 shows a flow pattern in a cylindrical mixing tank with the classic turbine stirrer; Figure 3 is a perspective view of an embodiment of <EMI ID = 17.1> Figure 4 is a top view of the turbine agitator according to the invention.
Figures 3 and 4 show a turbine stirrer according to the invention consisting of a large horizontal disc (1) which rotates in its center about a vertical axis (2) and which is provided on its bottom edge with several - for example four or six - vertical flat stirrer blades. with square or rectangular surface. There is an artificial cavity at the rear of each stirrer blade (3)
(6) applied with a shape similar to the shape of the natural "large cavity" as defined above. This is the ideal streamlined shape.
Depending on the shape of the upright turbine blade and the properties of the fluid, the shape of the ideally streamlined artificial cavity is different. For example, in case the surface of the turbine blade is a square,
<EMI ID = 18.1>
For every other shape of the turbine blade, the ideal aerodynamic shape must therefore be determined experimentally.
Some stirrer blades, but not all, cannot be artificial
<EMI ID = 19.1>
albeit showing less complicated dependence on the gas decay.
The artificial cavities (6) can form one structural whole with the stirrer blades (3) such that both elements are either fixedly connected or removably attached to each other, in all kinds of known ways. The constructional whole can be made hollow or full. The artificial oavities can be made of metal, plastic, wood or a combination of these materials.
Furthermore, the artificial cavities (6) can be pierced or provided with grooves or other additional elements, in order to further increase the streamlining or the dispersing capacity. Also, the large horizontal disc (1) may be perforated and some or all of the stirrer blades (3) may be slightly spaced and / or pierced and / or rounded. The horizontal disc (1) can also be completely omitted such that the stirrer blades are directly connected to the drive rod (2). In this case, the stirrer blades may also undergo certain modifications, however, artificial cavities are always present behind some or all of the stirrer blades.
<EMI ID = 20.1>
it was found that an artificial form of oavity can be found for each stirrer so that the power consumption of the stirrer in gas flow
<EMI ID = 21.1>
gas flow rate supplied under the stirrer.
The advantages of the turbine stirrer according to the invention are the following:
1 [deg.] The exaote calculation of the absolute magnitude of the force consumption and the extrapolation to larger volumes have become much simpler. Due to the independence of the gas flow and the elimination of complex and difficult to predict interferences such as bubble recirculation and stirrer coalescence on the power
<EMI ID = 22.1>
biner stirrer rotating in the turbulent regime, according to the formula:
<EMI ID = 23.1>
This formula is, for geometrically similar systems, very
<EMI ID = 24.1>
Interception of the classical stirrer by the stirrer according to the invention allows considerable energy savings. After all, in the best case with gas addition, when the stirrer rotates at a height above the bottom equal to 1/3 of the diameter of the tank, the power consumption of a classic turbine stirrer never drops below
<EMI ID = 25.1>
Furthermore, a few other important features of the stirrer according to the invention should be emphasized
- The predominantly radial flow pattern, typical of turbi- <EMI ID = 26.1>
so intense. The turbulence is also high enough to keep large amounts of solids in suspension even at low rotational speeds. Sedimentation problems in solid-liquid and gas-solid liquid systems are thus excluded.
- Due to the streamlined shape of the artificial oavity at the rear of the turbine blades, much less liquid will enter <EMI ID = 27.1>
stirrer in gas-liquid systems results in less foaming and much less die-off of - for example in fer-
<EMI ID = 28.1>
- The power consumption characteristics of the new stirrer are favorable and allow significant Reynolds number fluctuations for <EMI ID = 29.1> - The gas-liquid interphase surface area generated by the new stirrer <EMI ID = 30.1>
pressures as a kilogram of dissolved oxygen per kilowatt hour - much higher
<EMI ID = 31.1>
increase the speed of the new stirrer until its power consumption equals the power consumption of the classic turbine stirrer. It is true that no energy savings are obtained, but the advantage remains that the power consumption can be calculated exactly independently of the gas flow rate, which is very favorable when scaling up
(scale-up).
Increase <EMI ID = 32.1> by increasing the gas flow. The additional compressor costs this entails, provided that the gas-liquid mixing tank is designed efficiently, is negligible. o. v. the large energy savings obtained on the power consumption of the new stirrer itself.
Obviously, wherever industrial gas and liquid
<EMI ID = 33.1>
bine stirrer, it can be replaced with great advantage by the stirrer according to the invention. The invention can thus be applied in the chemical industry where innumerable gas-liquid mixing processes are carried out such as, for example, hydrogenations, chlorinations, organic syntheses, etc. and in industrial applications.
<EMI ID = 34.1>
ring.
<EMI ID = 35.1>
beet.
The turbine agitator consists of a horizontal disc (1) which rotates in its center about a vertical axis (2) and which is provided on its disc edge with several vertical flat agitator blades (3) with a rectangular or square surface,
with the characteristic
that on the back of each stirrer blade d. i. on the side opposite to its direction of rotation, an artificial cavity
is applied in a shape that is equal to the ideal fairing shape, i.e. the shape of the natural "great oavity" in the absence of an artificial oavity.
Turbine agitator according to claim 1
with the characteristic
that at least one of the stirrer blades has either a large ideally streamlined cavity or an intermediate shape.
<EMI ID = 36.1>
with the characteristic
that the artificial cavities (6) with the stirrer blades (3) form one structural whole such that both elements are either
be permanently connected, attached to each other, or removable and this in all kinds of known ways.