DE19544529A1 - Magnetisches Rührsystem mit Zwangskonvektion zur Vermeidung von Toträumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Rührsystem ohne Toträume gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Magnetische Rührsysteme werden verwendet, um den Inhalt druckfester Behälter zu durchmischen. Die Nachteile einer konstruktiven Lösung, bei der von außerhalb des Behälters mit einer Welle Drehmoment auf das Rührorgan übertragen wird, werden vermieden. Diese Nachteile sind z. B. eine kaum realisierbare absolute Dichtheit sowie die Verunreinigung des Mediums innerhalb des Behälters durch Abrieb an der Dichtungsstelle.

Magnetische Rührsysteme können als komplette Einheit auf einen druckfesten Be­ hälter aufgesetzt werden und sind mit diesem z. B. über Schraubverbindungen lösbar verbunden. Die innere Rührvorrichtung besteht dabei im wesentlichen aus einer ge­ lagerten Rührerwelle mit einem Rührorgan, die fest mit einem Magnetkopf mit Per­ manentmagneten verbunden ist. Rührerwelle mit Rührorgan, Lagerung und Mag­ netkopf mit Innenmagneten befinden sich im Druckraum. Außerhalb des Druck­ raums rotiert ein Außenmagnet. Durch die sich gegenseitig anziehenden Magnet­ felder dreht sich der Innenmagnet mit Rührerwelle und Rührorgan synchron mit den motorisch angetriebenen Außenmagneten. Der Raum zwischen Magnetkopf und dem druckfesten Gehäuse des Rührsystems ist nicht druckdicht gegen das zu rührende Medium abgedichtet, jedoch findet in den bisher bekannten Bauformen auch keine Durchmischung zwischen dem gerührten Inhalt des Behälters und diesem Raum statt, weshalb er als Totraum bezeichnet wird. In solchen Toträumen können sich Ablagerungen anreichern, die die freie Drehbarkeit von Welle und Magnetkopf be­ hindern. In einigen Bauformen sind deshalb im druckfesten Gehäuse auf Höhe des Magnetkopfs Ventile zur Reinigung dieser Toträume integriert. Wird der Behälter als Batch-Reaktor zur Untersuchung kinetischer Vorgänge verwendet, so werden durch undefinierte Stoffströme zwischen der Bulkphase und den Toträumen diese Messungen beeinträchtigt.

Zur Untersuchung von Transportprozessen über fluide Phasengrenzen bei hohen Drücken (bis 500 bar) und Temperaturen (bis 150°C) werden Zweiphasenrührreak­ toren mit magnetischer Kopplung der Rührorgane eingesetzt. Eine Übertragung der bewährten fluiddynamischen Strömungsverhältnisse der Nitsch-Rührzelle mit Umlaufströmung in beiden Phasen auf Systeme bei höheren Drücken und Tempera­ turen fand bisher nicht statt. Die in beiden Phasen ähnlichen Strömungsverhältnisse dieser Rührzelle sind dadurch gekennzeichnet, daß Fluid durch ein axial förderndes Rührorgan von der Mitte der kreisrunden Phasengrenze abgesaugt wird, innerhalb eines kreisrunden Strömungsleitblechs von der Phasengrenze wegströmt und außer­ halb des Leitblechs wieder zurückströmt. Die Rührerdrehzahl ist in beiden Phasen getrennt einstellbar. Dieses Prinzip erlaubt, die Bulkphasen turbulent zu durchmis­ chen und die Phasengrenze dabei relativ ruhig zu halten (vgl. G. J. Hanna, R. D. No­ ble, "Measurement of Liquid-Liquid Kinetics" Chem. Rev. 1985, 85, 583-598). Eine Übertragung dieses Prinzips auf hohe Drücke und Temperaturen unter Verwendung einer magnetischen Kopplung der Rührorgane stellt ein bisher nicht gelöstes kon­ struktives Problem dar. Das sich drehende und dabei axial fördernde Rührorgan muß im Druckraum des Reaktors gelagert werden und mit dem Magnetkopf verbun­ den sein. Der Spalt zwischen Magnetkopf und Druckbehälterwand besitzt aufgrund von Fertigungstoleranzen und der mit kleinerem Spalt größer werdenden notwendi­ gen (magnetisch zu übertragenden) Drehmomente eine gewisse Mindestdicke. Dieser Spalt wird nicht umspült. Der Stoffaustausch zwischen den Toträumen und den Bulkphasen wird durch die Lagerung zwar erschwert, jedoch nicht unterbunden, so daß die kinetischen Messungen an Aussagekraft verlieren und die Rührvorrichtung durch Ablagerungen ausfallen kann. Dies trifft insbesondere für die untere der beiden geschichteten Phasen zu, da aus der Lösung ausfallende Stoffe durch die Schwerkraft nach unten in den Bereich des Magnetkopfs bewegt werden, wo sie sich wegen der fehlenden Durchmischung mit der Bulkphase anreichern können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Toträume zwischen Magnetkopf und Gehäuse und im Lagerbereich zu vermeiden. Dies wird durch eine Konstruktion nach Anspruch 1 erreicht. Ablagerungen, die die Funktion des Rührsystems beeinträchtigen können, werden vermieden. Die Genauigkeit kinetischer Messungen wird erhöht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Magnetisches Rührsystem zum Durchmischen eines druckfesten Be­ hälters mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Vermeidung von Tot­ räumen am Magnetkopf. Schnitt durch die Rührerachse.

Fig. 2 Magnetisches Rührsystem zum Durchmischen eines druckfesten Be­ hälters mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Vermeidung von Toträumen am Magnetkopf. Schnitt senkrecht zur Rührerachse.

Fig. 3 Magnetisches Rührsystem zum Durchmischen eines druckfesten Be­ hälters mit erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Vermeidung von Toträumen am Magnetkopf. Strömungsführung am Magnetkopf.

Fig. 4 Zweiphasenrührreaktor mit erfindungsgemäßer Rührvorrichtung.

Fig. 5 Strömungsverhältnisse in einem Zweiphasenrührreaktor mit erfindungs­ gemäßer Rührvorrichtung.

Fig. 6 Strömungsleitbleche mit Lagerschalen als integriertes Bauteil für einen Zweiphasenrührreaktor mit erfindungsgemäßer Rührvorrichtung.

Fig. 7 Strömungsleitbleche mit Lagerschalen als integriertes Bauteil für einen Zweiphasenrührreaktor mit erfindungsgemäßer Rührvorrichtung. Schnitt senkrecht zur Rührerachse.

Fig. 1 zeigt eine Schnittzeichnung einer magnetischen Rührvorrichtung zum Durch­ mischen eines druckfesten Behälters in erfindungsgemäßer Ausführung zum Vermei­ den von Toträumen am Magnetkopf. Die Rührerwelle 16 ist fest mit den gasdicht eingeschweißten oder geklebten Innenmagneten 7 verbunden. Beide Teile befinden sich im geschlossenen Druckraum. Außerhalb des Druckraums rotieren die Außen­ magneten 9. Durch die sich gegenseitig anziehenden Magnetfelder dreht sich der Innenmagnet synchron mit den motorisch angetriebenen Außenmagneten. Das sich mit der Rührerwelle drehende Rührorgan 18 durchmischt den Inhalt des druckfesten Behälters 19. Magnetkopf und Welle sind in axialer Richtung durch eine Anlauf­ scheibe 4 und ein Teflonlager 10 gesichert. Das Teflonlager ist in eine Lagerschale 12 gepreßt, die über Stege 20 mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Stege sind in entsprechenden Nuten im Gehäuse geführt und nach unten durch eine Halterung 15 gesichert. Im Teflonlager dreht sich mit der Rührerwelle das Fördergewinde 13, das zusammen mit den Förderschaufeln 5 Fluid aus dem Behälter 19 über Bohrungen im Magnetkopf in den Ringspalt 11 pumpt.

Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung senkrecht zur Rührerachse (Schnitt A-A). Das Fluid fließt durch die Bohrungen 21 nach oben, wird dort von den Förderschaufeln 5 erfaßt, durch die Zentrifugalkraft von den Schaufeln nach außen geführt und wieder nach unten in den Behälter 19 transportiert. Je höher die Dichte des Mediums, desto größer ist die Förderleistung des Fördergewindes und der Förderschaufeln. Bei Ver­ wendung von überkritischen Gasen als Lösungsmitteln, deren Lösungsvermögen im allgemeinen mit der Dichte zunimmt, wird die erhöhte Neigung zum Verschmutzen bei größerem Druck durch eine gleichfalls erhöhte Förderleistung ausgeglichen.

Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung durch die Rührerachse (Schnitt B-B). Die Haupt­ strömungsrichtung am Gewinde, in den Bohrungen 21, am Magnetkopf und im Ringspalt 11 ist durch Pfeile dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine Schnittzeichnung eines Zweiphasenrührreaktors für hohe Drücke und Temperaturen mit erfindungsgemäßer Rührvorrichtung in beiden Phasen. Druck­ behälter 150, Verschlußkopf 155 und Verschluß-Schraube 156 sind für einen Betriebs­ druck von ca. 400 bar bei einer Temperatur von ca. 150°C ausgelegt. Der Druck­ raum ist mit einem O-Ring 117 abgedichtet. Die obere äußere Rührvorrichtung kann als komplette Einheit nach Lösen des Schnell-Verschlusses 157 vom Druckbehälter abgenommen werden. Die äußere Rührvorrichtung besteht aus einer Welle 103, die mit Kugellagern 102 in einer Lagerschale 152 gelagert ist. Die Welle wird durch einen nicht dargestellten Motor über eine entsprechende Wellenkupplung 101 angetrieben, so daß die äußeren Magneten 109 auf Höhe des inneren Magneten um diesen rotieren und ihn durch die magnetische Anziehung mit drehen. Die untere Rührvorrichtung ist analog aufgebaut, die Anschlüsse zum Temperieren des Reaktors werden über die Aufnahme 158 versorgt. Alle Einbauten im Druckraum sind spiegelsymmetrisch zur Phasengrenze, die genau in der Mitte des Druckraums in Höhe des Schnitts C-C eingestellt wird.

Fig. 5 zeigt die Strömungsverhältnisse in der unteren Phase. Das axial fördernde Rührorgan 118 saugt das Fluid von der Phasengrenze ab und führt es außerhalb des Strömungsleitblechs 183 wieder zurück zur Phasengrenze. Diese Strömungsführung wird verstärkt durch die erfindungsgemäße Rührvorrichtung, die über das Förder­ gewinde 113 Fluid in die Bohrungen 121 im Magnetkopf 108 pumpt, wodurch eine zweite Umlaufströmung entsteht, die die Strömungsgeschwindigkeit an der Phasen­ grenze erhöht. Der Magnetkopf mit Innenmagnet 107 ist durch ein Teflonlager 110 und eine Anlaufscheibe 104 axial gelagert. Strömungsleitblech 183 und Lagerschale 112 sind über Stege verbunden.

Fig. 6 zeigt die über Stege 182 verbundenen Lagerschalen 180 und Strömungs­ leitbleche 183, die zusammen ein Bauteil bilden, das als ein kompletter Einsatz im Druckbehälter fixiert ist. Die fest miteinander verbundenen oder aus einem Rohling gefertigten Teile werden von vier Zapfen 181 behalten. Die Zapfen liegen in entsprechenden Aussparungen im Druckbehälter und sind nach Aufsetzen des Ver­ schlußkopfs 155 auch axial gesichert.

Fig. 7 zeigt eine Querschnittszeichnung des Einsatzes auf Höhe der Phasengrenze senkrecht zur Rührerdrehachse. Die Stege 182 besitzen außen den Radius der Innen­ wand des Druckbehälters, wodurch der Einsatz in radialer Richtung im Druckraum zentriert wird. Die Stege verjüngen sich zur Mitte der Phasengrenze hin. Da die Hauptströmungsrichtung an der Phasengrenze von außen nach innen verläuft, wird dadurch eine gleichmäßigere Strömung bewirkt.

Bezugszeichenliste

1 Anschluß Motor
2 Äußere Lager
3 Äußere Welle
4 Anlaufscheibe
5 Förderschaufeln
6 Gehäuse
7 Innenmagnet
8 Magnetkopf mit Innenmagnet
9 Außenmagnet
10 Inneres Lager
11 Äußerer Strömungskanal
12 Lagerschale
13 Fördergewinde
14 Verbindung Gehäuse-Druckfester Behälter
15 Halterung Stege
16 Rührerwelle
17 Dichtung Gehäuse-Druckfester Behälter
18 Rührorgan
19 Druckfester Behälter
20 Steg
21 Innerer Strömungskanal
101 Anschluß Motor
102 Äußere Lager
103 Äußere Welle
104 Anlaufscheibe
107 Innenmagnet
108 Magnetkopf mit Innenmagnet
109 Außenmagnet
110 Inneres Lager
112 Lagerschale
113 Fördergewinde
116 Rührerwelle
117 O-Ring Dichtung
121 Innerer Strömungskanal
150 Druckbehälter
151 Oberer Deckel
152 Äußere Lagerschale
153 Sicherungsring
154 Distanzstück
155 Verschlußkopf
156 Verschlußschraube
157 Schnellverschluß
158 Aufnahme
181 Zapfen
182 Stege
183 Strömungsleitblech

Claims (4)

1. Stopfbuchsenfreie Drehmomentübertragung in einen druckdicht geschlosse­ nen Behälter mittels Magnetantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Toträume zwischen der im druck-/vakuumfesten Antriebsgehäuse rotieren­ den Magnet-Welle-Einheit und dem Antriebsgehäuse durch erzwungene Konvektion mit Fluid aus dem angeflanschten druckfesten Behälter gespült werden, wobei die Fördereinrichtung zur Erzeugung der Konvektion sich mit der Welle mitdreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung aus einem Fördergewinde oder aus Förderschaufeln oder einer Kombination von beidem besteht.

3. Zweiphasenrührreaktor mit Rührvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit an der Phasen­ grenze durch die Rührvorrichtung zur Vermeidung der Toträume erhöht wird, indem eine durch ein axialförderndes Rührorgan erzeugte und durch Strömungsleitbleche geführte Umlaufströmung durch die Umspülung des Magnetkopfs verstärkt wird.

4. Einsatz für einen Zweiphasenrührreaktor mit Rührvorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung der in­ neren Rührerwelle fest mit den Strömungsleitblechen über Stege verbunden ist und diese Stege sich zur Mitte der Phasengrenze hin verjüngen.