DE102020127989A1

DE102020127989A1 - gassing turbine

Info

Publication number: DE102020127989A1
Application number: DE102020127989.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg-Peter Lindner
Original assignee: Uutechnic Oy
Current assignee: Uutechnic Oy
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Rührelement nach Bauart einer um eine Drehachse rotierbaren Konkavturbine mit mehreren konkav geformten Rührblättern, die sich aus einem Oberblatt und einem Unterblatt zusammensetzen, die entlang einer den hinteren Scheitel der Rührblätter bildenden Biegekontur miteinander verbunden sind, wobei das Oberblatt breiter als das Unterblatt ist, und wobei die Krümmung der Biegekontur mit zunehmendem Abstand von der Drehachse zunimmt.The present invention comprises a stirring element of the type of a concave turbine rotatable about an axis of rotation with a plurality of concave stirring blades, which are composed of an upper blade and a lower blade, which are connected to one another along a bending contour forming the rear apex of the stirring blades, the upper blade being wider than the Bottom sheet is, and wherein the curvature of the bending contour increases with increasing distance from the axis of rotation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührelement, das sich insbesondere zum Begasen von Flüssigkeiten, also zum Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten eignet.The invention relates to a stirring element which is particularly suitable for gassing liquids, ie for dispersing gases in liquids.

Gattungsgemäße Rührelemente werden auch als Begasungsturbinen bezeichnet. Es handelt sich generell um drehbar gelagerte Vorrichtungen mit einer Mehrzahl an radial ausgerichteten Rührblättern. Im Stand der Technik zunächst die sogenannten Rushton-Turbinen der 1950er-Jahre bekannt geworden, deren Rührblätter senkrecht zur Rotationsrichtung stehen. In den 1980er-Jahren kamen mit den Smith-Turbinen die ersten sogenannten Konkavturbinen auf den Markt, deren Rührblätter halbkreisförmig gekrümmt waren, sodass die Anströmflächen konkav eingeformt und die Abströmflächen konvex ausgeformt waren. Das Grunddesign der Konkavturbinen ist in der Folge fortlaufend weiterentwickelt worden, wie unter anderem die Patente US 4,779,990 oder US 5,198,156 belegen. Das in der US 5,791,780 offenbarte Bakker-Design mit einer bezüglich der Rotationsachse asymmetrischen Gestaltung der konkaven Rührblätter, bei welchen das Oberblatt länger als das Unterblatt ist, stellt das unter dem Gesichtspunkt der Effektivität bei der Gasdispersion beste derzeit bekannte Design der Konkavturbinen dar.Generic stirring elements are also referred to as gassing turbines. These are generally rotatably mounted devices with a plurality of radially aligned stirring blades. The so-called Rushton turbines of the 1950s first became known in the prior art, the stirring blades of which are perpendicular to the direction of rotation. In the 1980s, the Smith turbines were the first so-called concave turbines to come onto the market, whose agitator blades were curved in a semicircular shape so that the inflow surfaces were concave and the outflow surfaces were convex. The basic design of the concave turbines has since been further developed, including the patents U.S. 4,779,990 or U.S. 5,198,156 occupy. That in the U.S. 5,791,780 The Bakker design disclosed, with an asymmetrical configuration of the concave agitator blades with respect to the axis of rotation, in which the upper blade is longer than the lower blade, represents the best currently known design of concave turbines from the point of view of effectiveness in gas dispersion.

Bei allen genannten Begasungsturbinen fällt der Leistungsbeiwert ab einer gewissen Begasungsrate durch die Ausbildung von Gaspolstern hinter dem Rührblatt mehr oder weniger stark ab. Dieser Effekt ist generell unerwünscht. Beispielsweise kann es in Fermenter-Rührwerken dadurch zu Problemen in der Prozesssteuerung kommen, da derartige Rührwerke an Frequenzumformern bei konstantem Gegenmoment betrieben werden. Beim Herunterregeln auf niedrigere Begasungsraten steigt beim Einsatz bekannter Turbinen der Leistungsbeiwert spürbar an, sodass im Ergebnis keine konstante spezifische Leistung zur Erzielung des gewünschten Stoffübergangs eingetragen wird.In all of the aeration turbines mentioned, the power coefficient falls more or less sharply from a certain aeration rate due to the formation of gas cushions behind the agitator blade. This effect is generally undesirable. For example, this can lead to problems in process control in fermenter agitators, since such agitators are operated on frequency converters at a constant counter-torque. When regulating down to lower gassing rates, the power coefficient increases noticeably when using known turbines, so that as a result no constant specific power is introduced to achieve the desired mass transfer.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Rührelement der beschriebenen Gattung bereitzustellen, wobei unter anderem die Gasdispersionswirkung gesteigert und der Leistungsbeiwert mit steigender Begasungsrate weniger stark abfallen soll.The object of the invention is to provide an improved stirring element of the type described, in which case, among other things, the gas dispersion effect is to be increased and the power coefficient is to drop less sharply with increasing gassing rate.

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Rührelement nach Bauart einer um eine Drehachse rotierbaren Konkavturbine mit mehreren konkav geformten Rührblättern, die sich aus einem Oberblatt und einem Unterblatt zusammensetzen, die entlang einer den hinteren Scheitel der Rührblätter bildenden Biegekontur miteinander verbunden sind, wobei das Oberblatt breiter als das Unterblatt ist, und wobei die Krümmung der Biegekontur mit zunehmendem Abstand von der Drehachse zunimmt.Against this background, the invention relates to a stirring element of the type of a concave turbine rotatable about an axis of rotation with several concave stirring blades, which are composed of an upper blade and a lower blade, which are connected to one another along a bending contour forming the rear apex of the stirring blades, the upper blade being wider than the bottom sheet, and the curvature of the bend contour increases with increasing distance from the axis of rotation.

Die bestimmungsgemäße Drehrichtung des Rührelements ist so, dass die konkav eingeformten Flächen der Rührblätter die Anströmflächen darstellen, sodass in der konkaven Einformung zwischen Oberblatt und Unterblatt ein Strömungskanal gebildet wird, in dem das gerührte Medium radial nach außen strömt. Das Rührelement fördert also vorrangig radial. Die erfindungsgemäß nach außen hin stärker werdende Krümmung der Biegekontur bewirkt, dass sich der Strömungskanal nach außen hin verjüngt.The intended direction of rotation of the stirring element is such that the concave surfaces of the stirring blades represent the inflow surfaces, so that a flow channel is formed in the concave molding between the upper blade and lower blade, in which the stirred medium flows radially outwards. The stirring element therefore promotes primarily radially. The outwardly increasing curvature of the bending contour according to the invention causes the flow channel to taper outwards.

Für derartige Rührelemente wurde ein im Vergleich zu Rührelementen aus dem Stand der Technik ein geringerer Leistungsabfall bei steigender Begasungsrate beobachtet. Es wird vermutet, dass der nach außen hin immer enger werdende Strömungskanal im Betrieb wie eine Venturi-Düse wirkt und die Gasdispersionswirkung dadurch gegenüber bekannten Designs noch verbessert.For stirring elements of this type, compared to stirring elements from the prior art, a smaller drop in performance was observed with increasing gassing rate. It is assumed that the flow channel, which becomes narrower towards the outside, acts like a Venturi nozzle during operation and thereby improves the gas dispersion effect compared to known designs.

Die Rührblätter sind mit Bezug auf die Drehachse radial ausgerichtet. Neben einer im geometrischen Sinne streng radialen Ausrichtung sind von dieser Definition im Sinne der Erfindung auch leichte Neigungen von beispielsweise kleiner 20° oder kleiner 10° in oder gegen die Drehrichtung vorgesehen sein. Maßgeblich für die Definition der Ausrichtung der Rührblätter ist die Ausrichtung des Scheitels der Biegekante, der am Umkehrpunkt des konvexen Rührblattes liegt und die Abströmkante bildet.The stirring blades are aligned radially with respect to the axis of rotation. In addition to a strictly radial orientation in the geometric sense, this definition also provides for slight inclinations of, for example, less than 20° or less than 10° in or against the direction of rotation. The orientation of the apex of the bending edge, which lies at the reversal point of the convex stirring blade and forms the trailing edge, is decisive for the definition of the alignment of the stirring blades.

Der Scheitel verläuft vorzugsweise parallel zur der Rotationsebene, was bedeutet, dass die Rührblätter im Schnitt weder nach oben noch nach unten aus der Rotationsebene geneigt sind.The crest is preferably parallel to the plane of rotation, which means that the blades in section are inclined neither up nor down from the plane of rotation.

Die Krümmung der Rührblätter ist im Bereich der Biegekontur generell stärker als im Bereich der Ober- und Unterblätter. Vorzugsweise ist das Oberblatt und/oder das Unterblatt als Flachblatt ausgeführt, hat also keine oder allenfalls eine schwache Krümmung. Das Flachblattdesign bringt insbesondere fertigungstechnische Vorteile mit sich, da gekrümmte Abschnitte der Blätter häufig aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt werden müssen, und kann zudem auch strömungstechnisch vorteilhaft sein.The curvature of the stirring blades is generally greater in the area of the bending contour than in the area of the upper and lower blades. The top sheet and/or the bottom sheet is preferably designed as a flat sheet, ie has no curvature or at most a slight curvature. The flat blade design brings with it manufacturing advantages in particular, since curved sections of the blades often have to be assembled from many individual parts, and it can also be advantageous in terms of flow technology.

In einer Ausführungsform nimmt die Krümmung der Biegekontur mit zunehmendem Abstand von der Drehachse kontinuierlich zu. Beispielsweise kann der Krümmungsradius der Biegekontur mit zunehmendem mit Abstand von der Drehachse linear abnehmen.In one embodiment, the curvature of the bending contour increases continuously with increasing distance from the axis of rotation. For example, the radius of curvature of the bending contour can linearly decrease as the distance from the axis of rotation increases.

In einer Ausführungsform beträgt der maximale Krümmungsradius der Biegekontur an der Innenseite der Rührblätter zwischen 4% und 6% des Außendurchmessers des Rührelements. Der minimale Krümmungsradius der Biegekontur an der Außenseite der Rührblätter kann zwischen 2% und 3% des Außendurchmessers des Rührelements betragen. Unter dem Außendurchmesser des Rührelements wird der Durchmesser des Kreises verstanden, den die äußersten Punkte des Rührelements bei Rotation um die Drehachse ziehen.In one embodiment, the maximum radius of curvature of the bending contour on the inside of the stirring blades is between 4% and 6% of the outside diameter of the stirring element. The minimum radius of curvature of the bending contour on the outside of the stirring blades can be between 2% and 3% of the outside diameter of the stirring element. The outside diameter of the stirring element is understood to mean the diameter of the circle drawn by the outermost points of the stirring element when rotating about the axis of rotation.

Unter der Breite der Ober- und Unterblätter wird deren auf die Rotationsebene projizierte Erstreckung in Rotationsrichtung, d.h. tangentiale Richtung verstanden. Konkret bemisst sich die Breite durch den auf die Rotationsebene projizierten Abstand zwischen den Anströmkanten der Blätter und den Verläufen der Übergänge zur Biegekontur.The width of the upper and lower blades is understood to mean their extension in the direction of rotation, i.e. tangential direction, projected onto the plane of rotation. Specifically, the width is measured by the distance projected onto the plane of rotation between the leading edges of the blades and the course of the transitions to the bending contour.

In einer Ausführungsform ist das Oberblatt um mehr als 25% breiter und/oder um weniger als 50% breiter als das Unterblatt, wobei sich die Prozentangaben auf die Gesamtbreite des Unterblatts beziehen.In one embodiment, the topsheet is greater than 25% wider and/or less than 50% wider than the bottomsheet, the percentages being based on the total width of the bottomsheet.

Die Breite der Ober- und Unterblätter ist in einer Ausführungsform vom Abstand von der Drehachse unabhängig und konstant. In Folge der nach außen hin stärker werdenden Krümmung der Biegekontur führt dies dazu, dass die Gesamtbreite der Rührblätter, also der auf die Rotationsebene projizierte Abstand zwischen den Anströmkanten der Blätter und dem Scheitel der Biegekontur mit steigendem Abstand von der Drehachse leicht abnimmt, sodass die Anströmkanten der Blätter und der Scheitel der Biegekontur in einem spitzen Winkel zusammenlaufen.In one embodiment, the width of the top and bottom blades is independent of the distance from the axis of rotation and is constant. As a result of the outwardly increasing curvature of the bending contour, this means that the total width of the agitator blades, i.e. the distance between the leading edges of the blades and the apex of the bending contour projected onto the plane of rotation, decreases slightly with increasing distance from the axis of rotation, so that the leading edges of the leaves and the apex of the bending contour converge at an acute angle.

In absoluter Hinsicht kann die Breite des Oberblatts in einer Ausführungsform mehr als 20% und/oder weniger als 30% des Außendurchmessers des Rührelements betragen, und die Breite des Unterblatts mehr als 10% und/oder weniger als 17,5% des Außendurchmessers des Rührelements. Die Länge der Rührblätter kann mehr als 20% und/oder weniger als 40% des Außendurchmessers des Rührelements betragen.In absolute terms, in one embodiment, the width of the top blade may be more than 20% and/or less than 30% of the outside diameter of the stirring element, and the width of the bottom blade more than 10% and/or less than 17.5% of the outside diameter of the stirring element . The length of the stirring blades can be more than 20% and/or less than 40% of the outside diameter of the stirring element.

Der durchschnittliche Öffnungswinkel zwischen Ober- und Unterblättern liegt in einer Ausführungsform zwischen 25° und 45°, vorzugsweise zwischen 30° und 40°. Die Ober- und Unterblätter stehen vorzugsweise mit gleichem Winkel von der Rotationsebene ab, sodass die durchschnittlichen Anstellwinkel der Ober- und Unterblätter in einer Ausführungsform zwischen 12,5° und 22,5°, bevorzugt zwischen 15° und 20° liegen können.In one embodiment, the average opening angle between the upper and lower leaves is between 25° and 45°, preferably between 30° and 40°. The upper and lower blades preferably protrude from the plane of rotation at the same angle, so that the average angle of attack of the upper and lower blades can be between 12.5° and 22.5°, preferably between 15° and 20°, in one embodiment.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Öffnungswinkel zwischen den Ober- und Unterblättern sich mit zunehmendem Abstand von der Drehachse nicht ändert, sondern konstant bleibt. Die nach außen hin stärker werdende Krümmung der Biegekonturen bewirkt in dieser Ausführungsform lediglich, dass der Vertikalabstand zwischen den Ober- und Unterblättern an den Übergängen zur Biegekontur mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Rührelements geringer wird.It is preferably provided that the opening angle between the upper and lower blades does not change with increasing distance from the axis of rotation, but remains constant. In this embodiment, the outwardly increasing curvature of the bending contours merely causes the vertical distance between the upper and lower blades at the transitions to the bending contour to decrease as the distance from the axis of rotation of the stirring element increases.

Die Wandstärke der Rührblätter ist vorzugsweise insgesamt konstant, ist also im Bereich der Oberblätter, der Unterblätter und der Biegekontur vorzugsweise identisch.The wall thickness of the stirring blades is preferably constant overall, ie it is preferably identical in the area of the upper blades, the lower blades and the bending contour.

Das erfindungsgemäße Rührelement umfasst vorzugsweise zwischen vier und acht und weiter vorzugsweise zwischen fünf und sieben Rührblätter. In einer Ausführungsform umfasst es genau sechs Rührblätter. Die Rührblätter sind vorzugsweise zueinander identisch und typischerweise gleichmäßig über den Umfang des Rührelements verteilt.The stirring element according to the invention preferably comprises between four and eight and more preferably between five and seven stirring blades. In one embodiment, it comprises exactly six stirring blades. The stirring blades are preferably identical to one another and are typically evenly spaced around the circumference of the stirring element.

Im Zentrum des Rührelements befindet sich vorzugsweise eine Nabe, anhand der das Rührelement drehfest an einer Welle eines Rührsystems befestigt werden kann.A hub is preferably located in the center of the stirring element, by means of which the stirring element can be fastened in a rotationally fixed manner to a shaft of a stirring system.

In einer Ausführungsform umfasst das Rührelement eine in der Rotationsebene liegende Scheibe, an deren äußeren Umfangsbereich die Rührblätter befestigt sind. Die Nabe kann im Zentrum der Scheibe angeordnet sein. Der Außendurchmesser der Scheibe kann in einer Ausführungsform zwischen 50% und 75% des Außendurchmessers des Rührelements betragen.In one embodiment, the stirring element comprises a disk lying in the plane of rotation, on the outer peripheral area of which the stirring blades are fastened. The hub can be located in the center of the disc. In one embodiment, the outer diameter of the disk can be between 50% and 75% of the outer diameter of the stirring element.

Vor dem eingangs genannten Hintergrund betrifft die Erfindung ferner ein Rührsystem mit einer Welle, einem Motor zum Antrieb der Welle und einem an der Welle angeordneten erfindungsgemäßen Rührelement.Against the background mentioned at the outset, the invention also relates to a stirring system with a shaft, a motor for driving the shaft and a stirring element according to the invention arranged on the shaft.

Das Rührsystem umfasst vorzugsweise ferner einen Behälter, in dem eine Flüssigkeit begast werden kann. Das Rührelement kann allein oder in Kombination mit weiteren erfindungsgemäßen oder anderen Rührelementen in ein- oder mehrstufigen Rührsystemen eingesetzt werden. Mehrere oder alle Rührelemente können an einer gemeinsamen Welle angeordnet sein.The stirring system preferably also includes a container in which a liquid can be gassed. The stirring element can be used alone or in combination with further stirring elements according to the invention or other stirring elements in single-stage or multi-stage stirring systems. Several or all stirring elements can be arranged on a common shaft.

Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rührsystems zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere in der Chemie oder Biotechnologie.Furthermore, the invention relates to the use of a stirring system according to the invention for gassing liquids, in particular in chemistry or biotechnology.

Anwendungsbereiche erfindungsgemäßer Rührsysteme umfassen insbesondere Bio-Fermenter, wobei das erfindungsgemäße Rührelement als Primärdisperser am Behälterboden über einer Begasungseinrichtung, beispielsweise einer Lanze oder einem Begasungsring eingesetzt werden kann. Das Rührelement kann dabei mit weiter oben angeordneten Axialflussturbinen kombiniert werden.Areas of application of stirring systems according to the invention include, in particular, bio-fermenters, in which case the stirring element according to the invention can be used as a primary disperser on the container floor above a gassing device, for example a lance or a gassing ring. The stirring element can be combined with axial flow turbines arranged further up.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Einsatz im Rahmen chemischer Prozesse wie beispielsweise der Hydrierung, der Carboxylierung oder der Ethoxylierung, wobei das erfindungsgemäße Rührelement als Einzelturbine zur Primärbegasung oder in Kombination mit darüber angeordneten Rührern zur Sekundärbegasung durch Gaseinzug aus der Gasphase eingesetzt werden kann.Another area of application is in chemical processes such as hydrogenation, carboxylation or ethoxylation, where the stirring element according to the invention can be used as a single turbine for primary gassing or in combination with stirrers arranged above it for secondary gassing by drawing in gas from the gas phase.

Auch ein Einsatz im Rahmen einer atmosphärischen Laugung oder Drucklaugung kann vorgesehen sein, wobei die Toleranz des erfindungsgemäßen Rührelements gegenüber hohen Luft- oder Sauerstoffbegasungsraten speziell in hydrometallurgischen Anwendungen von großem Vorteil sein können.Use in the context of atmospheric leaching or pressure leaching can also be provided, in which case the tolerance of the stirring element according to the invention to high air or oxygen gassing rates can be of great advantage, especially in hydrometallurgical applications.

Ein weiteres Einsatzgebiet sind Anlagen zur Herstellung von Düngemitteln, beispielsweise zur Reaktionsunterstützung in Ammonisierungsreaktoren. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Rührelements können dabei die Verteilung und Reaktion des Ammoniaks in Phosphorsäure optimiert werden.Another area of application is plants for the production of fertilizers, for example to support reactions in ammonium reactors. By using the stirring element according to the invention, the distribution and reaction of the ammonia in phosphoric acid can be optimized.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:

1: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rührelements;
2: eine Draufsicht auf das Rührelement aus axialer Perspektive von unten;
3: eine Draufsicht auf das Rührelement aus radialer Perspektive;
4: eine Schnittansicht des Rührelements entlang der Schnittlinie A-A der 2; und
5: ein Diagramm zur Veranschaulichung experimentell bestimmter Leistungsbeiwerte für ein erfindungsgemäßes Rührelement und bekannte Rührelemente in Abhängigkeit der Begasungsrate.

Further details and advantages of the invention result from the exemplary embodiment described below with reference to the figures. In the figures show:

1 : a perspective representation of a stirring element according to the invention;
2 1: a plan view of the stirring element from an axial perspective from below;
3 : a plan view of the stirring element from a radial perspective;
4 : a sectional view of the stirring element along the section line AA of FIG 2 ; and
5 : a diagram to illustrate experimentally determined power coefficients for a stirring element according to the invention and known stirring elements as a function of the gassing rate.

Das in 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Rührelement 100 hat eine abgeflachte, radförmige Gestalt und umfasst eine in der Rotationsebene liegende Scheibe 110, in deren Zentrum sich eine Nabe 120 zur Anbindung des Rührelements 110 an eine nicht dargestellte Welle eines Rührsystems befindet. Die Rotationsachse verläuft durch den Mittelpunkt der Nabe 120 und steht senkrecht auf die Scheibe 110. Die bestimmungsgemäße Rotationsrichtung des Rührelements 100 ist, mit Bezug auf 1, im Uhrzeigersinn.This in 1 until 4 The stirring element 100 according to the invention shown has a flattened, wheel-like shape and comprises a disk 110 lying in the plane of rotation, in the center of which there is a hub 120 for connecting the stirring element 110 to a shaft of a stirring system (not shown). The axis of rotation passes through the center of the hub 120 and is perpendicular to the disc 110. The intended direction of rotation of the stirring element 100 is, with reference to FIG 1 , clockwise.

Das Rührelement 110 umfasst sechs Rührblätter 130, die in gleichmäßigen Abständen am Außenumfang der Scheibe 110 befestigt sind. Wie in Konkavturbinen allgemein üblich ist, sind die Rührblätter nicht flach, sondern so gegen die Rotationsrichtung ausgewölbt, dass deren Anströmflächen konkav eingewölbt und deren Abströmflächen konvex ausgewölbt sind.The stirring member 110 includes six stirring blades 130 fixed to the outer periphery of the disk 110 at equal intervals. As is generally the case in concave turbines, the agitator blades are not flat, but are curved against the direction of rotation in such a way that their inflow surfaces are concave and their outflow surfaces are convex.

Die Krümmung der Rührblätter 130 ist anders als bei klassischen Smith-Turbinen nicht konstant, sondern die Rührblätter lassen sich gedanklich in ein oberhalb der Ebene der Scheibe 110 liegendes Oberblatt 131 und ein unterhalb der Ebene der Scheibe 110 liegendes Unterblatt 132 teilen, die miteinander über die Biegekontur 133 verbunden sind. Die mit Bezug auf die Drehrichtung ganz hinten an der Biegekontur 133 liegende Scheitel- bzw. Umkehrlinie bildet die Abströmkante der Rührblätter 130. Die Anströmkanten werden durch die Vorderkanten der Ober- und Unterblätter 131 bzw. 132 gebildet.Unlike in classic Smith turbines, the curvature of the stirring blades 130 is not constant, but the stirring blades can be divided into an upper blade 131 lying above the plane of the disk 110 and a lower blade 132 lying below the plane of the disk 110, which are connected to one another via the Bending contour 133 are connected. The apex or reversal line lying at the very rear on the bending contour 133 with respect to the direction of rotation forms the trailing edge of the agitator blades 130. The leading edges are formed by the front edges of the upper and lower blades 131 and 132, respectively.

Die Rührblätter 130 sind im Bereich der Biegekontur 133 und konkret auf Höhe der Scheitellinie mit der Scheibe 110 verbunden, wobei die Scheibe 110 sich noch in einen inneren Abschnitt der konkaven Strömungskanäle zwischen Ober- und Unterblättern 131 bzw. 132 hinein erstreckt, während die äußeren Abschnitte der Rührblätter 130 bzw. der Strömungskanäle radial über die Scheibe 110 hinausstehen. Diese äußeren Abschnitte nehmen im gezeigten Beispiel etwa die Hälfte der Gesamtlänge der Rührblätter 130 ein, wobei generell Anteile von zwischen etwa 30% bis 70% an der Gesamtlänge der Rührblätter 130 bevorzugt sein können. Der Außendurchmesser der Scheibe 110 beträgt in der Regel zwischen 50% und 75% des Gesamtaußendurchmessers des Rührelements 100.The stirring blades 130 are connected to the disc 110 in the area of the bending contour 133 and specifically at the height of the crest line, the disc 110 still extending into an inner section of the concave flow channels between the upper and lower blades 131 and 132, respectively, while the outer sections of the stirring blades 130 or the flow channels protrude radially beyond the disc 110. In the example shown, these outer sections take up approximately half of the total length of the stirring blades 130, with proportions of between approximately 30% and 70% of the total length of the stirring blades 130 generally being preferred. The outside diameter of disk 110 is typically between 50% and 75% of the overall outside diameter of stirring element 100.

Ein maßgebliches Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Rührelements 100 gegenüber klassischen Smith-Turbinen ist die größere auf die Rotationsebene projizierte Breite der Oberblätter 131 im Verhältnis zu den Unterblättern 132. Die Oberblätter 131 können beispielsweise zwischen etwa 25% und etwa 50% breiter als die Unterblätter 132 sein. Die Anströmkanten der Oberblätter 131 stehen in Drehrichtung des Rührelements 100 also über die Anströmkanten der Unterblätter 132 hinaus.A key distinguishing feature of the stirring element 100 according to the invention compared to classic Smith turbines is the greater width of the upper blades 131 projected onto the plane of rotation in relation to the lower blades 132. The upper blades 131 can, for example, be between about 25% and about 50% wider than the lower blades 132. The leading edges of the upper blades 131 therefore protrude beyond the leading edges of the lower blades 132 in the direction of rotation of the stirring element 100 .

Ein weiteres maßgebliches Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Rührelements 100 gegenüber klassischen Smith-Turbinen ist die Ausführung der Ober- und Unterblätter 131 bzw. 132 als Flachblätter. Die Ober- und Unterblätter 131 bzw. 132 sind also nicht gekrümmt, sondern komplett flach. Die Rührblätter 130 sind ausschließlich im Bereich der Biegekontur 133 gekrümmt.Another significant distinguishing feature of the stirring element 100 according to the invention compared to classic Smith turbines is the execution of the top and bottom sheets 131 and 132 as flat sheets. The top and bottom sheets 131 and 132 are therefore not curved but completely flat. The stirring blades 130 are only curved in the area of the bending contour 133 .

Diese Krümmung der Biegekontur 133 ist erfindungsgemäß aber nicht über die radiale Erstreckung konstant, sondern nimmt mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Rührelements 100 zu, wodurch sich die erfindungsgemäßen Rührelemente 100 von den bekannten Bakker-Turbinen unterscheiden. Die Krümmung der Biegekontur mit zunehmendem Abstand von der Drehachse kontinuierlich zu, im Sinne einer linearen Abnahme des Krümmungsradius der Biegekontur mit zunehmendem mit Abstand von der Drehachse. Im konkreten Ausführungsbeispiel beträgt der Krümmungsradius der Biegekontur an der Innenseite der Rührblätter 4% der Krümmungsradius der Biegekontur an der Außenseite der Rührblätter 3% des Gesamtaußendurchmessers des Rührelements 100. Dazwischen nimmt er linear ab.According to the invention, however, this curvature of the bending contour 133 is not constant over the radial extent, but rather increases with increasing distance from the axis of rotation of the stirring element 100, as a result of which the stirring elements 100 according to the invention differ from the known Bakker turbines. The curvature of the bending contour increases continuously with increasing distance from the axis of rotation, in the sense of a linear decrease in the radius of curvature of the bending contour with increasing distance from the axis of rotation. In the specific exemplary embodiment, the radius of curvature of the bending contour on the inside of the stirring blades is 4% and the radius of curvature of the bending contour on the outside of the stirring blades is 3% of the total outside diameter of the stirring element 100. In between, it decreases linearly.

Die nach außen hin stärker werdende Krümmung der Biegekonturen 133 bewirkt, dass die in der Einformung zwischen den Ober- und Unterblättern 131 bzw. 132 der Rührblätter 133 gebildeten Strömungskanäle nach außen hin konusartig zusammenlaufen, da der Vertikalabstand zwischen den Blättern 131 und 132 an den Übergängen zur Biegekontur 133 durch die steigende Krümmung der Biegekontur 133 mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Rührelements 100 weiter außen geringer ist. Der Öffnungswinkel zwischen den Blättern 131 und 132 bleibt hingegen konstant. Er liegt, wie auch in den Figuren erkennbar ist, vorzugsweise zwischen etwa 30° und etwa 40° und teilt sich, was den Anstellwinkel auf die Rotationsebene betrifft, vorzugsweise gleichmäßig auf die Blätter 131 und 132 auf.The outwardly increasing curvature of the bending contours 133 causes the flow channels formed in the indentation between the upper and lower blades 131 and 132 of the stirring blades 133 to converge towards the outside in a cone-like manner, since the vertical distance between the blades 131 and 132 at the transitions to the bending contour 133 due to the increasing curvature of the bending contour 133 as the distance from the axis of rotation of the stirring element 100 increases further outwards. The opening angle between the blades 131 and 132, on the other hand, remains constant. As can also be seen in the figures, it is preferably between approximately 30° and approximately 40° and, as far as the angle of attack on the plane of rotation is concerned, is preferably divided equally between the blades 131 and 132.

Wie ebenfalls in den Figuren ersichtlich ist, nimmt die Breite der Rührblätter 133 mit steigendem Abstand von der Drehachse oben und unten in gleichem Maße leicht ab, sodass die Anströmkanten der Blätter 131 bzw. 132 und der Scheitel der Biegekontur 133 in einem spitzen Winkel zusammenlaufen. Dies ist, bei konstanter Breite der als rechteckige Flachblätter ausgeführten Ober- und Unterblätter 131 bzw. 132, ebenfalls eine Folge der nach außen hin stärker werdenden Krümmung der Biegekontur 133, da der Tangentialabstand zwischen dem Scheitel und den Übergängen zwischen Biegekontur und Blättern 131 bzw. 132 mit steigender Krümmung kleiner wird.As can also be seen in the figures, the width of the agitator blades 133 decreases slightly at the top and bottom to the same extent as the distance from the axis of rotation increases, so that the leading edges of the blades 131 and 132 and the apex of the bending contour 133 converge at an acute angle. With a constant width of the upper and lower leaves 131 and 132 designed as rectangular flat leaves, this is also a consequence of the outwardly increasing curvature of the bending contour 133, since the tangential distance between the apex and the transitions between the bending contour and leaves 131 and 132 decreases with increasing curvature.

Die Scheitellinie der Rührblätter 130 verläuft in der Rotationsebene und nahezu streng radial.The crest line of the stirring blades 130 runs in the plane of rotation and almost strictly radially.

Die nachfolgend anhand der 5 beschriebenen Experimente belegen eine im Vergleich zu Begasungsturbinen aus dem Stand der Technik verringerte Abhängigkeit des Leistungsbeiwerts der erfindungsgemäßen Begasungsturbine von der Begasungsrate.The following based on the 5 The experiments described demonstrate a reduced dependency of the power coefficient of the gas-injection turbine according to the invention on the gas-injection rate in comparison to gas-injection turbines from the prior art.

In 5 ist der Leistungsbeiwert Ne_gas/Ne₀ der untersuchten Begasungsturbinen als Funktion der dimensionslosen Begasungsrate Q (=n₂*d₂ ³), wobei d₂ der Außendurchmesser des Rührelements ist, aufgetragen, wie er für eine wie in 1-4 beschriebene erfindungsgemäße Begasungsturbine sowie unterschiedliche Begasungsturbinen aus dem Stand der Technik bestimmt wurde. Als Referenz dienten eine Rushton-Turbine mit sechs senkrecht zur Rotationsrichtung stehenden Rührblättern (RT6), eine klassische Smith-Konkavturbine mit sechs halbkreisförmig gekrümmten Rührblättern (ST6) und eine gemäß US 5,791,780 gestaltete Konkavturbine im Bakker-Design mit sechs Rührblättern (BT6).In 5 is the power coefficient Ne _gas /Ne ₀ of the gassing turbines examined as a function of the dimensionless gassing rate Q (=n ₂ *d ₂ ³ ), where d ₂ is the outer diameter of the stirring element, plotted as it is for a gassing as in 1-4 described gassing turbine according to the invention and different gassing turbines from the prior art was determined. A Rushton turbine with six agitator blades perpendicular to the direction of rotation (RT6), a classic Smith concave turbine with six semicircular agitator blades (ST6) and one according to U.S. 5,791,780 Bakker design concave turbine with six blades (BT6).

Wie aus der Figur zu erkennen ist, fällt für die RT6 der Leistungsbeiwert unter Begasung durch die Ausbildung von Gaspolstern hinter dem Rührblatt sehr schnell ab. Der Abfall im Leistungsbeiwert beginnt bereits bei etwa Q = 0.005.As can be seen from the figure, the power coefficient for the RT6 drops very quickly under gassing due to the formation of gas cushions behind the stirring blade. The drop in the power coefficient begins at around Q = 0.005.

Das Verhalten der ST6-Konkavturbine und insbesondere der asymmetrischen BT6-Konkavturbine ist erwartungsgemäß viel besser und zeigen einen geringeren Leistungsabfall, der bei Begasungsraten von etwa Q = 0.02 bis 0.03 einsetzt.As expected, the behavior of the ST6 concave turbine, and in particular the asymmetric BT6 concave turbine, is much better and shows a smaller drop in performance, which starts at gassing rates of around Q = 0.02 to 0.03.

Die erfindungsgemäße Konkavturbine zeigt eine weiter verringerte Abhängigkeit des Leistungsbeiwerts von der Begasungsrate. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Leistungsbeiwert dieser Turbine bis zu einer Begasungsrate von etwa Q = 0.07 weitgehend konstant und selbst bei sehr hohen Q-Werten von 0.1 bis 0.2, wie sie beispielsweise in Großfermentern im Maßstab 200 m³ bis 400 m³ vorliegen können, fällt der Leistungsbeiwert für die erfindungsgemäße Konkavturbine nur wenig ab, allenfalls um rund 10%. Selbst dieser Abfall ist allerdings wohl zum Großteil dem Dichteabfall des Gas-Flüssigkeitsgemischs gegenüber der reinen Flüssigkeit zuzuschreiben, sodass die erfindungsgemäßen Konkavturbinen selbst bei derart hohen Begasungsraten noch ein nahezu optimales Verhalten zeigen.The concave turbine according to the invention shows a further reduced dependency of the power coefficient on the gassing rate. As can be seen from the figure, the power coefficient of this turbine is largely constant up to a gassing rate of about Q = 0.07 and even at very high Q values of 0.1 to 0.2, such as those found in large fermenters on a scale of 200 m ³ to 400 m ³ can be present, the power coefficient for the concave turbine according to the invention drops only slightly, at most by around 10%. However, even this drop is probably largely attributable to the drop in density of the gas-liquid mixture compared to the pure liquid, so that the concave turbines according to the invention still show almost optimal behavior even at such high gassing rates.

Deshalb können unter Verwendung erfindungsgemäßer Konkavturbinen auch große Fermenter-Rührwerke innerhalb eines sehr weiten Begasungsbereichs bei konstanter Drehzahl betrieben werden. Dies war mit den Turbinen aus dem Stand der Technik nicht in dieser Form möglich, da es dort durch den stärkeren Abfall des Leistungsbeiwerts zu Problemen in der Prozesssteuerung kommt, wie eingangs erklärt wurde.Therefore, using concave turbines according to the invention, even large fermenter agitators can be operated within a very wide gassing range at a constant speed. This was not possible in this form with the turbines from the prior art, since the greater drop in the power coefficient caused it to increase there Problems in the process control arises, as explained at the beginning.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US4779990 [0002]
US5198156 [0002]
US5791780 [0002, 0042]

Claims

Agitator element of the type of a concave turbine rotatable about an axis of rotation with several concave agitator blades, which are composed of an upper blade and a lower blade, which are connected to one another along a bending contour forming the rear apex of the agitator blades, the upper blade being wider than the lower blade, characterized that the curvature of the bending contour increases with increasing distance from the axis of rotation.

stirring element after claim 1 , characterized in that the top sheet and/or the bottom sheet are designed as flat sheets.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the curvature of the bending contour increases continuously with increasing distance from the axis of rotation.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum radius of curvature of the bending contour on the inside of the stirring blades is between 4% and 6% and/or the minimum radius of curvature of the bending contour on the outside of the stirring blades is between 2% and 3% of the outer diameter of the stirring element amounts to.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the top blade is more than 25% wider and/or less than 50% wider than the bottom blade.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the average opening angle between the upper and lower blades is between 25° and 45°, preferably between 30° and 40°.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the opening angle between the upper and lower blades does not change with increasing distance from the axis of rotation.

Stirring element according to one of the preceding claims, characterized in that the stirring element comprises a disc lying in the plane of rotation, on the outer peripheral area of which the stirring blades are attached, the outer diameter of the disc preferably being between 50% and 75% of the outer diameter of the stirring element.

Stirring system with a shaft, a motor for driving the shaft and a stirring element arranged on the shaft according to one of the preceding claims.

Using a stirring system claim 9 for gassing of liquids, especially in chemistry or biotechnology.