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Beschreibung
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Rühreinrichtung mit periodisch bewegtem Rührorgan Die Erfindung bezieht
sich auf Einrichtungen, in welchen zur Durchführung verfahrenst-echnischer Prozesse
eine Zirkulationsströmung erzeugt werden-soll. Es handelt sich um ein neuartiges
Rührverfahren und die zugehörigen Rühreinrichtungen mit verschiedenen, an den jeweiligen
Anwendungsfall anpassungsfähigen Ergänzungen. Die Einrichtungen können insbesondere
als Kristallisatoren, aber auch für andere Verfahren, z.B. für chemische oder biochemische
Prozesse eingesetzt werden. Die Rühreinrichtung kann auch zur Verbesserung der Wärme
und/oder Stoffübertragung an Wänden, Elektroden oder Membranen dienen. Sie eignet
sich allgemein zur Erzeugung ein- und mehrphasiger Zirkulationsströmungcn.
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Bei der einphasigen Strömung dient die Rühreinrichtung im allgemeinen
zur Beschleunigung der Wärme-oder Stoffübertragung zu den Wänden, Elektroden oder
Membranen im Apparat.
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Bei der mehrphasigen Strömung werden meist feste oder fluide Partikel
bewegt, um den Plärme- oder Stofftransport zu ihrer Umgebung zu ermöglichen bzw.
zu verbessern. Bei der k;ristallesation kommen weitere Funktionen hinzu, sodaß dieser
Anwendungsfall ausführlicher beschrieben wird.
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Die Kristallsuspension wird bei den bekannten kristallisatorbauarten
meist durch ein rotierendes Umwälzorgan (Rührer, Pumpenlaufrad) in bewegung gehalten.
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Bei vielen Stoffen führen die damit verbundenen hohen 3toßkräfte und
Schergefälle zu einer unerwünscht starken Keimbildung. Der Feinstkorll2nteil im
Produkt ist dann zu groß und es entsteht eine Ztt geringe mittlere Korngr;Be. Auch
bei Qnderen Verfahren, z.3. bei biochemischen Verfahren, kann die
Beschreibung,
Seite 2 starke Beanspruchung der Partikel unerwünscht sein.
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Bei einigen Kristallisatorbauarten wird versucht, die ungünstige Wirkung
des Umuälzorgans dadurch zu vermeiden, daß die Kristalle in einer Wachstumszone
durch die aufsteigende übersättigte Lösung in Bewegung gehalten werden (Fließbettkristallisatoren,
Kristallisatoren mit Lösungsumlauf, klassierende Kristallisatoren; vgl. G. Matz:
Kristallisation, 2. Aufl., Berlin, Heidelberg, New York (1969) s. 261 bis 276).
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Das gelingt nur unvollkammen, weil sich genügo;d eine Kristalle im
Kreislauf mitbewegen. Nachteilig an diesen Kristallisatoren ist auch das erforderlicne
große Apparatevolumen und der große, auf die Pruduktmenge bezogene Bedarf an mechaniscüer
Energie. Der niedrige Feststoffanteil in der Lösung hat auch dan Nachteil, daß hohe
lokale Uberseittigungen auftreten können.
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Nachteilig an den genannten Kristallisatoren, aber auch an allen anderen
Apparaten, bei welchen eine rotierende durch die Behälterwand gefiihrt werden muß,
ist die erforderliche Wellenabdichtung. Der Durchtrittvon Stoffen durch'die Abdichtung
nach außen oder innen läßt sicr nur schwer vermeiden, was besonders bei gefährlichen
oder empfindlichen Stoffen Probleme ergibt. Die Abdichtung kann stiranfallig und
teuer sein. Durch Auskristallisierendes kann sie beschädigt werden.
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Bekannte Alternativen verwenden u.a. Dichteunterschiede, um eine Zirkulationsströmung
zu erzeugen. So wird die die Wirkung der beim Verdampfen entstehenden T3lasen oder
eingeleitetes Gas zur Umwälzung genutzt. Aus verschicdenen Gründen, vor allem wegen
der Verkrustungsgefahr und wegen des hohen Snergiebedarfs bei der Verdichtung von
Gas sind diesen Methoden enge «grenzen
Beschreibung, Seite 3 gesetzt.
Rühreinrichtungen mit periodisch bewegtem Rührorgan werden Pendelrührwerke genannt.
eil bisher nur starre Rührorgane bekannt sind, ist ihre Anwendung auf wenige Fälle
beschränkt, weil damit nur eine geringe Strömung erzeugt werden kann. Ein Apparat
mit Pendelrührwerk ist der von S. L. Holland-Merten beschriebene Pendelkristallisator
("Die Fällungskristallisation in der Verfahrnstechnik", Chem. Techn. 17 (1965) 6,
S. 335 bis 345). Der Pendelkristallisator eignet sich nur für langsam sedimentierende
Kristall, d.h. für Fälle geringer Dichtunterschiede zwischen Kristall und Lösung
bzw.
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hoher Zähigkeit der Lösung (s. S. 342 a.a.O).
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Die Erfindung soll es ermöglichen, in einem Apparat durch Hin- und
Herbewegen eines Rührorgans eine genügend starke Zirkulationsströmung unter Vermeidung
der aufgeführten Nachteile zu erzeugen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß bei der Bewegung des Rührorgans entgegen der Zirkulationsströmung (d.h.
beim Rücklauf) durch Anderung der Form und/oder Stellung des Rührorgans der 3trömungsw;iderstand
des Rührosans vermindert wird.
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Die Anderung der Form oder Lage kann durch eine zwangsgeführte Verstellung
oder selbsttätig, z.B. aufgrund der Strömungskräfte erfolgen. Bei der zwangsweisen
Verstellung ist z.
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ein Verdrehen des ü4rorgans möglich, sodaß es bei der Förderbewegun
(Vorlauf) quer zur Strömungsrichtung (Fig. la) und beim Rücklauf in Strö:iiungsrichtung
steht (Fig. lb). Eine mögliche Anderung der Form zeigt r4ig 2, (Querschnitt des
Rührorgans), wo beim Vorlauf eine geschlossene Fläche die Förderbewegung ausführt
und beim Rücklauf daraus einzelne Kanäle gebildet werden.
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Beschreibung, Seite 4 Bei der selbsttätigen Verstellung können an
dem Rührorgan Klappen so angeordnet sein, daß sie bei der Förderbewegung quer zur
Bewegungsricntung stehen und sich bei der Bewegimgsumkehr des Rührorgans (beim Rücklauf)
in die Bewegung richtung schwenken (Fig. 3). Das kann durch exzentrische Lagerung
der Flügel und entsprechende Anschläge auf dem tragenden Teil erreicht werden. Die
Klappen können ganz oder teilweise aus elastischem Material bestehen. Durch elastische
Befestigung der Klappen können Scharniere vermieden werden. Zur Erzeugung der Förderwirkung
durch hin- und hergehende Bewegung des Förderorgans sind auch alle anderen bei Rückschlagklappen
angewandten einseitig öffnenden Vorrichtungen anwendbar.
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Die Behälterform kann weitgehend beliebig sein, sie kann aber auch
der Bewegungsbahn des Rührorgans und dem gewünschten Strömungsfeld entsprechnd gestaltet
sein. Umgekehrt kann auch die Bewegungsbahn des Rührorgans der Behälterformv z.B.
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der Zylinderform angepaßt werden. eist dürfte sich eiiie Bewegung
um eine Achse empfehlen.
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Bei abgeschlossenen Behältern ist es zweckmäßig, den Drehpunkt des
Rührorganträgers (Tragarm) in den Bereich der Behälterwand zu legen, in dem die
Durchtrittsstelle liegt.
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Die Abdichtung der Durchtrittsstelle kann in bekannter Weise z.B.
durch Faltenbalg, elastisches Rohr oder Membran erfolgen.
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Somit ist vollkommene Pichtheit erreichbar.
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Die Hin- und hergehende Bewegung kann in bekannter eise erzeugt werden,
wobei auch verschieden STesc.windigReiten und Geschwindigkeitsverläufe für Hin-
und Rücklauf vorteil-
Beschreibung, Seite 5 haft sein können. Für
den Anfahrvorgang, der bei den meisten Rührverfahren Schwierigkeit bereitet, kann
das Rührorgan langsam bewegt und/oder in eine Stellung geringeren Strömungswiderstandes
gebracht werden.
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Die Rührorgane können von verschiedenen Seiten her in das zu rührende
Fluid eintaushen; auch mehrere zusammenwirkende Organe können eingebaut werden.
ts einem Tragarm können mehrere Rührorgane angeordnet werden. enn sie entsprechend
der Zirkulationsbewegung aus verschiedenen Richtungen durchströmt werden (Fig. 4,
oberer und unterer Teil des eintaucnenden Teiles), dann ist es möglich, bei der
Hin-und bei der Rückbewegung einen Impuls in Förderrichtung auf die zirkulierende
Elüssigkeit auszuüben.
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Es lassen sich mehrere Rührorgan an einem Antrieb und eine Lagerung
anbringen, sodaß mehrere Behälter, vor allem aber auch mehrere Unterteilungen eines
Behälters gerührt werden können, z.B. bei mehrstufigen Prozessen.
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Das Rührorgan bzw. der Tragarm läßt sich günstig mit Zusatzeinrichtungen
kombinieren, z.B. mit Wischerblättern, die bei der oszillierenden Bewegung Ablagerungen
und Verkrustungen mehanisch abtragen. Ebenso können Kühl- und Heizfunktionen von
der Rühreinrichtung übernommen werden. Der Wärmeträger kann dabei ohne rotierende
Dic.itung durch den Tragarm zu- und abgeführt werden; auch problemlose Zufuhr elektrischer
Energie über den Tragarm ist möglich. Weil das Rührorgan nicht rotiert, ist auch
eine Kühlung des tragenden Teiles der Rühreinrichtung bei Hochtemperatuiprozessen
über den Tragarm leicht möglich.
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Beschreibung, Seite 6 Eine verstärkte Mischwirkung kann beim Rücklauf
durch zusätzlich angebrachte strömungsumlenkende Flächen erreicht werden. Wenn Stoffe
in den Behälter eingeführt und vermischt werden sollen, dann können sie vorteilhaft
über den Tragarm in den gut durchmischten Bereich des Apparates geleitet werden.
Für die genannten Funktionen können auch mehrere Tragarme bzw. mitbewegte Leitungen
vorgesehen werden.
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Durch tangential zur Zirkulationsströmung zu- bzw. abgeführte Ströme
läßt sich die Zirkulationsbewegung verstärken. Durch Einbauten im Apparat kann erreicht
werden, daß sich unterschiedliche Partikel an.verschiedenen Stellen des Behälters
ansammeln. Das schnellere Absetzen schwerer Partikel bzw. die höherere Steiggeschwindigkeit
leichter Partikel kann zur klassierenden Entnahme genutzt werden. So können Partikel
mit hoher Sinkgeschwindigkeit bevorzugt im Bereich 1 nach Fig. 5, solche mit niedriger
in Bereich 2 entnommen werden; im Bereich 3 ist eine Entnahme der nur mit sehr feinen
Partikeln b-ladenen Flüssigkeit möglich.
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Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Ausführung der Erfindung.
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Der Apparat besteht aus drei Kammern in einem liegenden Zylinder.
Die Kammern können Stufen einer Kristallisationsanlage sein. Die zugehörigen leitungen
sind nicht eingezeichnet.
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Es kann jedes Kristallisationsverfahren angewandt werden.
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Das gemeinsame Antriebsgestänge wird in bekannter Weise bewegt.
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Es kann zB. auch hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch angetrieben
werden. Die lagerung 4 ist so gelegt, daß sich die Tragarme 5 an den Durchtrittsstellen
6 nur wenig bewegen.
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Die Abdichtung erfolgt mit Faltenbälgen. Durch die Förderwirkung des
Rührorgans, das beim Rücklauf einen geringen
Beschreibung, Strömungswiderstand
hat, weil sich in diesem Fall die Klappen 7 auf dem Rührorgan öffnen, entsteht eine
Zirkulationsströmung. In diesem Fall hat sie eine horizontale Achse. Damit können
auch schneller sedimentierende Kristalle in Bewegung gehalten werden.
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Die Erfindung hat folgende Vorteile: Die Umwälzung des Apparateinhalts
erfolgt auf schonende .reise, weil ein relativ großer Volumenanteil durch langsame
Bewegung erfaßt werden kann.
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Der spezifische Energiebedarf ist gering, weil eine günstige Umsetzung
der mechnischen Energie erfolgt.
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Es können nahezu beliebig hohe Anteile an dispergierter Phase im Behälter
vorhanden sein, sodaß eine hohe volumenbezogene Produktionsrate entsteht bzw. die
erforderliche Behältergröße geringer ist. Auch Feststoffschüttungen können gerührt
werden.
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Es ist keine Abdichtung einer rotierenden Welle nötig.
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Es kann vollkommene Dichtheit nach außen und innen erreicht werden.
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Es sind verschiedene Zusatzfunktionen ausführbar.
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Damit ist das Rührverfahren für viele Prozesse mit bewegter fluider
Phase von Vorteil.