CS274218B1

CS274218B1 - Glandless stirring device

Info

Publication number: CS274218B1
Application number: CS638288A
Authority: CS
Inventors: Pavel Prof Ing Drsc Ditl; Petr Ing Votruba; Petr Ing Cuda
Original assignee: Ditl Pavel; Petr Ing Votruba; Cuda Petr
Priority date: 1988-09-27
Filing date: 1988-09-27
Publication date: 1991-04-11
Also published as: CS638288A1

Abstract

The mixing device consists of a rotor, consisting of a shaft (4) made of stainless material, set with one end in an upper radial sleeve bearing (5) in an upper bearing bracket (15) and with its second end in a lower radial sleeve bearing (6) in a lower bearing bracket (11), where the second end terminates an axial sleeve bearing (10). The rotor is equipped with a short circuit armature (3) with reduced inner outer diameter, equipped with an anti-corrosion coating. The short circuit armature (3) is firmly mounted of the shaft (4). The stator consists of a stator winding (2), close connected with the frame (1). Between the armature (3) and the stator winding (2) there is a non-magnetic anti-corrosion cylindrical wall (19), with thickness equalling the reduction of the outer diameter of the armature (3). The wall (19) is sealed to the lower and the upper bearing bracket (11, 15), which are firmly connected with the frame (1), and in which there are outputs, or, respectively input sanitation necks (17), or respectively (7). Above the upper radial sleeve bearing (5) there is a tightly attached simple mechanical packing (14). The device can be used for chemical reactors, bioreactors, fermenters, and similar.<IMAGE>

Description

Vynález se týká bezucpávkového míchacího zařízení, zejména pro chemické reaktory a bioreaktory, které vykazuje vzhledem ke své velikosti vysoký přenos výkonu.The invention relates to a glandless agitator, in particular for chemical reactors and bioreactors, which has a high power transfer due to its size.

U dosavadních míchacích zařízení se většinou využívalo horního pohonu míchadla. Spodního pohonu míchadla se používá především u štíhlých nádob, kde v případě použití horního pohonu míchadla by hřídel byla příliš dlouhá se sklonem ke kmitání. Spodní pohon míchadla však s sebou přináší komplikace v podobě účinného těsnění hřídele procházející dnem reaktoru. Užívané ucpávky vykazují nemalé pořizovací náklady, vyznačující se netěsnostní, nespolehlivostí a nutností stálé údržby. Dalším řešením spodního pohonu míchadla je bezucpávkový pohon pomocí permanentních magnetů s pólovými nástavci, který spočívá v sestrojení dvou rotorů, hnacího, vně nádoby a hnaného, uvnitř nádoby. Hnací rotor je poháněn přes mechanický převod elektromotorem a vnitřní rotor je připojen na hřídel míchadla. Přenos kroutícího momentu je uskutečněn pomocí magnetického toku permanentních magnetů přes stěnu reaktoru z nemagnetického materiálu. Tento způsob má nevýhodu v podobě existence dvou magnetických obvodů, elektromotoru a magnetické spojky. Magnetická spojka vykazuje poměrně malý přenos kroutícího momentu při své relativní mohutnosti i velké pracnosti při výrobě.In the prior art mixers, the upper stirrer drive was mostly used. The bottom stirrer drive is mainly used in slender vessels where the upper stirrer drive would be too long with a tendency to oscillate. However, the bottom drive of the agitator entails complications in the form of an effective shaft seal passing through the bottom of the reactor. Seals used have considerable acquisition costs, characterized by leakage, unreliability and the need for constant maintenance. Another solution of the bottom stirrer drive is a seal-less permanent magnet drive with pole extensions, which consists in constructing two rotors, a drive, outside the container and driven, inside the container. The drive rotor is driven by a mechanical transmission by an electric motor and the internal rotor is connected to the agitator shaft. Torque transfer is effected by the magnetic flux of permanent magnets through the reactor wall of non-magnetic material. This method has the disadvantage of having two magnetic circuits, an electric motor and a magnetic clutch. The magnetic coupling has a relatively low torque transmission at its relative power and high manufacturing effort.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje bezucpávkové míchací zařízení podle vynálezu. Jeho podstatou je, že sestává z rotoru, tvořeného hřídelí z nekorodujícího materiálu a kotvou nakrátko se zmenšeným vnějším průměrem opatřeným antikorozním povlakem, která je pevně nasazena na hřídeli. Hřídel je jedním koncem uložena v horním radiálním kluzném ložisku, upevněném v horním ložiskovém štítu a druhým koncem v dolním radiálním kluzném ložisku, upevněném v dolním ložiskovém štítu. Tento druhý konec hřídele je ukončen axiálním kluzným ložiskem, upevněným také v dolním ložiskovém štítu. Dále je součástí míchacího zařízení stator, tvořený statorovým vinutím pevně připojeným ke kostře. Mezi kotvou nakrátko a statorovým vinutím je souose umístěna válcová stěna z nemagnetického antikorozního ma teriálu, jejíž tloušíka je rovna velikosti zmenšeného vnějšího průměru kotvy nakrátko. Tato válcová stěna je na obou koncích utěsněna pomocí těsnění k dolnímu a hornímu ložiskovému štítu, které jsou spojeny pevně s kostrou statoru. K hornímu ložiskovému štítu je nad horním radiálním kluzným ložiskem těsně upevněna jednoduchá mechanická ucpávka. V tomto horním ložiskovém štítu je zároveň vytvořeno vstupní sanitační hrdlo a v dolním ložiskovém štítu je vytvořeno výstupní sanitační hrdlo.The above-mentioned drawbacks are overcome by the seal-less agitator according to the invention. Its essence is that it consists of a rotor consisting of a shaft of non-corrosive material and a short-circuited anchor with a reduced outer diameter, provided with an anti-corrosion coating, which is fixedly mounted on the shaft. The shaft is seated at one end in an upper radial plain bearing mounted in an upper bearing shield and the other end in a lower radial plain bearing mounted in a lower bearing shield. This second end of the shaft is terminated by an axial plain bearing, also mounted in the lower end shield. Furthermore, the mixing device comprises a stator formed by a stator winding firmly connected to the frame. A cylindrical wall of non-magnetic anticorrosive material, the thickness of which is equal to the size of the reduced external diameter of the anchor, is coaxially positioned between the short-circuit anchor and the stator winding. This cylindrical wall is sealed at both ends by gaskets to the lower and upper bearing shields, which are rigidly connected to the stator frame. A simple mechanical seal is tightly attached to the upper bearing shield above the upper radial slide bearing. At the same time, an inlet sanitary connection is provided in the upper bearing shield and an outlet sanitary connection is formed in the lower bearing shield.

Výhodou bezucpávkového míchacího zařízení podle vynálezu je, že vykazuje větší přenášený výkon vzhledem k rozměrům. Zařízení vypouští jeden magnetický obvod, mechanický převod a celý problém redukuje na samotnou spojku, čímž dochází k úspoře mnoha součástí, zejména potom rotačních. Při řešení lze využít některých běžně vyráběných součástí pro třífázové asynchronní motory s kotvou nakrátko. Další výhodou je, že v případě havárie ucpávky nic nebrání úspěšnému dokončení pracovního cyklu, protože tato ucpávka zabraňuje vniknutí kapalného média do prostoru motoru, který je svou charakteristikou prostředí stejný s prostředím fermentoru.The advantage of the seal-less agitator according to the invention is that it exhibits a greater transmitted power in terms of dimensions. The device releases a single magnetic circuit, a mechanical transmission and reduces the problem to the coupling itself, saving many components, especially rotating components. Some commonly manufactured components for three-phase short-circuit asynchronous motors can be used. A further advantage is that in the event of a seal failure, nothing prevents the successful completion of the duty cycle, since this seal prevents liquid medium from entering the engine compartment, which is identical in nature to the fermenter environment.

Příklad konkrétního uspořádání bezucpávkového míchacího zařízení podle vynálezu je uveden na připojeném výkrese.An example of a particular arrangement of a seal-less mixing device according to the invention is given in the attached drawing.

Zařízení sestává z kotvy 1. statoru, ve kterém je v drážkách uloženo měděné statorové vinutí 2_. Na obvodu statoru je svorkovnice 9_ pro připojení napájecího napětí. Dále je zařízení tvořeno hliníkovou kotvou 2 nakrátko, která má zmenšený vnější průměr, a to v tomto případě o 2 mm. Celá tato kotva 3_ nakrátko je pokryta ochranným antikorozním povlakem stříkaného teflonu. Kotva 2 nakrátko je pevně nasazena na hřídeli 4. z nekorodující oceli, umožňující připojení s míchadly. Oba konce hřídele 4. jsou přizpůsobeny ložiskům, ve kterých jsou uloženy. Jeden konec je uložen v horním radiálním kluzném ložisku 2 ^a druhý konec v dolním radiálním kluzném ložisku £. Tento druhý konec je zakončen axiálním kluzným ložiskem JO· Tato všechna ložiska jsou samovazná, skládají se z ložiskového pouzdra válcového tvaru a výstelky vyrobené z metaplastu a jsou částečně chlazena a přimazávána zkonden zovanou parou po sterilizaci. Horní radiální kluzné ložisko 2 je upevněno v horním ložisCS 274 218 Bl kovém štítu 15 a dolní radiální kluzné ložisko χ a axiální kluzné ložisko 10 jsou upevněna v dolním ložiskovém štítu 11. Oba dva ložiskové štíty 15 a 11 jsou pevně spojeny s kostrou χ statoru. Mezi kotvou χ nakrátko a statorovým vinutím 2_ je umístěna válcová stěna 19, která je utěsněna k hornímu a dolnímu ložiskovému štítu 15 a 11 těsněním 16, například tvořeným 0 kroužky. Válcová stěna 19 je z nekorodující oceli z důvodu korozivního prostředí a je z nemagnetického materiálu, aby nenarušovala magnetické pole tvořené statorovým vinutím χ. Válcová stěna 19 odděluje prostor pro fermentaci od okolního prostoru. Je nasazená těsně ke statorovému vinutí 2 a s kotvou 3_ nakrátko má v tomto případě minimální vůli 0,2 mm. Ve vzduchové mezeře 18 je tlouštka válcové stěny rovna velikosti, o kterou je zmenšen vnější průměr kotvy 3_ nakrátko. V tomto provedení je tlouštka válcové stěny 19 na obou koncích zvětšena, což je výhodné z hlediska většího namáhání na koncích této válcové stěny 19. Hřídel s kotvou 3_ nakrátko a kostra X statoru se statorovým vinutím χ se nasazuje z protilehlé strany. V horním ložiskovém štítu 15 je vytvořeno vstupní sanitační hrdlo 2 a v dolním ložiskovém štítu 11 výstupní sanitační hrdlo 17 pro vstup, respektive výstup proplachovaného média při sanitaci, popřípadě při sterilizaci. Dolní ložiskový štít 11 je odlitek z nekorodující oceli a v jeho středu je umístěno kluzné axiální i dolní radiální ložisko 10 a £. Střed dolního radiálního kluzného ložiska X vůči kostře χ statoru je dán přesně lícovanými stykovými plochami na obvodu dolního ložiskového štítu 11 a kostry χ. Tím je souosost dolního radiálního kluzného ložiska χ dána přesností výroby dolního ložiskového štítu χχ. Celý dolní ložiskový štít 11-je připevněn po obvodu šrouby ke kostře χ statoru. Horní ložiskový štít 15 je odlitek ze stejného materiálu jako dolní ložiskový štít χχ. V jeho středu je horní radiální kluzné ložisko 5. zachy cující radiální síly od elektromotoru i od hřídele s míchadly. Proto má větší únosnost než dolní radiální kluzné ložisko 2 a snese větší dynamické i statické zatížení. Nad tímto hor ním radiálním kluzným ložiskem 2 je umístěna jednoduchá mechanická ucpávka 14 pro zabránění úniku kapalného média z prostoru fermentoru do prostoru 2 motoru. Celé zařízeni je připevněno k reaktoru pomocí šroubů a matic a je těsněno 0 kroužky 13.The device consists of a stator anchor 1 in which the copper stator winding 2 is housed in the grooves. On the stator circuit there is a terminal block 9 for connection of the supply voltage. Furthermore, the device consists of an aluminum short-circuit armature 2 having a reduced outer diameter, in this case by 2 mm. The entire anchor 3 is briefly covered with a protective anticorrosive coating of sprayed teflon. The short armature 2 is fixedly mounted on a stainless steel shaft 4, allowing connection with stirrers. Both ends of the shaft 4 are adapted to the bearings in which they are mounted. One end is housed in the upper radial plain bearing 2 ^{and the} other end in the lower radial plain bearing 6. This other end is terminated by an axial plain bearing JO · All bearings are self-locking, consisting of a cylindrical bearing housing and a metaplastic liner and partially cooled and lubricated by condensed steam after sterilization. The upper radial plain bearing 2 is mounted in the upper bearing CS 274 218 B1 of the shield 15 and the lower radial plain bearing χ and the thrust bearing 10 are mounted in the lower bearing shield 11. The two bearing shields 15 and 11 are rigidly connected to the stator frame χ. A cylindrical wall 19 is disposed between the short-circuit armature 4 and the stator winding 2, which is sealed to the upper and lower bearing shields 15 and 11 by a seal 16, for example formed by O-rings. The cylindrical wall 19 is of stainless steel due to the corrosive environment and is of non-magnetic material so as not to interfere with the magnetic field formed by the stator winding χ. The cylindrical wall 19 separates the fermentation space from the surrounding space. It is fitted tightly to the stator winding 2 and has a short anchor 3 in this case of a minimum clearance of 0.2 mm. In the air gap 18, the thickness of the cylindrical wall is equal to the size by which the outside diameter of the armature 3 is shortened. In this embodiment, the thickness of the cylindrical wall 19 is increased at both ends, which is advantageous in view of greater stress at the ends of the cylindrical wall 19. The short-arm shaft 3 and the stator coil X with the stator winding χ are mounted from the opposite side. In the upper bearing shield 15, an inlet sanitation socket 2 is provided and in the lower bearing shield 11 an outlet sanitation socket 17 is provided for the inlet or outlet of the purged medium during sanitation or sterilization. The lower bearing shield 11 is a stainless steel casting and has a sliding axial and lower radial bearings 10 and 6 in its center. The center of the lower radial plain bearing X relative to the stator frame χ is given by the precisely aligned contact surfaces at the periphery of the lower bearing shield 11 and the frame χ. Thus, the alignment of the lower radial plain bearing χ is determined by the manufacturing accuracy of the lower bearing shield χχ. The entire lower bearing shield 11-is mounted circumferentially by screws to the stator frame χ. The upper bearing shield 15 is a casting of the same material as the lower bearing shield χχ. In its center there is an upper radial sliding bearing 5 which receives radial forces from the electric motor and from the agitator shaft. Therefore, it has a higher load capacity than the lower radial plain bearing 2 and can withstand a greater dynamic and static load. A simple mechanical seal 14 is provided above this upper radial slide bearing 2 to prevent leakage of liquid medium from the fermenter compartment to the motor compartment 2. The whole device is fixed to the reactor by means of screws and nuts and is sealed with 0 rings 13.

Před započetím pracovního procesu je nutné nejprve celý vnitřní prostor bioreaktoru sterilizovat. To se ve většině případů provádí horkou parou. V tomto případě se sterilizace provádí včetně bezucpávkového měřicího zařízení. K tomuto účelu je zařízení vybaveno vstupním, respektive výstupním sanitačním hrdlem 17, respektive T_. Vstupní a výstupní sanitační hrdla 17 a T_, umístěná na horním, respektive dolním ložiskovém štítu 15, respektive 11 umožňují dostatečné vyčistění a sterilizaci celého míchacího zařízení včetně horního radiálního, dolního radiálního a axiálního kluzného ložiska 5, χ, 10. Pára, která zkondenzuje v prostoru 2 zařízení slouží během provozu k částečnému mazání a chlazení těchto ložisek 2, 2, 10.The entire inner space of the bioreactor must be sterilized before starting the working process. This is done in most cases by hot steam. In this case, the sterilization is carried out including a glandless measuring device. For this purpose, the device is equipped with an inlet and outlet sanitary orifices 17 and T, respectively. The inlet and outlet sanitary sockets 17 and T, located on the upper and lower bearing shields 15 and 11, respectively, allow sufficient cleaning and sterilization of the entire agitator including the upper radial, lower radial and axial sliding bearings 5, χ, 10. During operation, the device 2 serves to partially lubricate and cool these bearings 2, 2, 10.

V provozu je statorové vinutí 2, které je pevně připevněno na kostře χ, napájeno stři davým třífázovým napětím 3x380/220 V přes svorkovnici £. Toto statorové vinutí 2_ vytváří točivé magnetické pole, které působí pres nemagnetickou válcovou stěnu 19 a vzduchovou mezeru 18 na kotvu ~i_. Tato kotva, která je pevně nasazena na hřídeli χ se otáčí spolu s hřídelí £ požadovanými otáčkami i směrem. Hřídel χ je těsněna jednoduchou mechanickou ucpávkou χχ, je uložena v kluzných samomazných ložiskách 2, X> 10 a pomocí hřídelové spojky přenáší kroutící moment na hřídel opatřenou míchadly. V případě poškození hřídele s míchadlem, lze vyměnit jen poškozenou část, přičemž motor není nutné demontovat.In operation, the stator winding 2, which is fixed to the frame χ, is supplied with an alternating three-phase 3x380 / 220 V voltage via the terminal block 6. This stator winding 2 generates a rotating magnetic field which acts over the non-magnetic cylindrical wall 19 and the air gap 18 on the armature. This anchor, which is fixedly mounted on the shaft χ, rotates with the shaft 6 at the desired speed and direction. The shaft χ is sealed by a simple mechanical seal χχ, it is mounted in self-lubricating plain bearings 2, X> 10 and transmits torque to a shaft equipped with agitators by means of a shaft coupling. In case of damage to the agitator shaft, only the damaged part can be replaced and the motor need not be removed.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Seal-free agitators, especially for chemical reactors and bioreactors, characterized in that it consists of a rotor consisting of a shaft (4) of non-corrosive material, supported at one end in an upper radial sliding bearing (5), mounted in an upper bearing shield (15). ) and the other end in a lower radial plain bearing (6) mounted in the lower

3 CS 274 218 B1 of a bearing shield (11), the other end of the shaft (4) being terminated by an axial plain bearing (10) also mounted in a lower bearing outer diameter provided with a corrosion-resistant stator consisting of a stator winding (2) firmly (3) the short and stator windings (2) are coaxial anticorrosive material, the thickness of which is anchor (3) for short and the cylindrical wall (19) is (16) to the lower and upper bearing shield (11 (1), the upper bearing shield ( 15) The inlet sanitary connection (7) and the outlet sanitary connection (17) are formed tightly fastened by a simple mechanical seal (15).

the shield (11) and the anchor (3) for a short time with the shroud fixedly mounted on the shaft (4) and connected to the frame (1), where a cylindrical wall (19) of non-magnetic size

15), which are rigidly connected to the frame above the upper radial plain bearing (14) and in this upper bearing shield in the lower bearing shield (11) a drawing is created.