DE3707114A1 - Reaktor fuer mehrphasensysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor für Mehrphasensysteme, mit einem Reaktorbehälter, einer darin im wesentlichen vertikal angeordneten drehbaren Rührwelle, auf der in Abständen übereinander Rührorgane an­ geordnet sind, die mit Rührschaufeln versehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor dieser Art so weiterzu­ bilden, daß die Dispergierwirkung besser wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß axial zwischen den mit der Rührwelle umlaufenden Rührschaufeln ortsfeste Umlaufschaufeln angeordnet sind.

Durch die Umlenkschaufeln wird die von den umlaufenden Rührstufen im Reaktorbehälter erzeugte Strömung im wesentlichen axial umgelenkt, so daß die Rührschaufeln des nächsten Rührorganes optimal angeströmt werden.

Vorzugsweise besteht jede Rührschaufel und jede Umlenkschaufel aus einem Hauptflügel und einem Vorflügel, die gegen die Drehebene der Rührorgane angestellt sind, wobei bei den umlaufenden Rührschaufeln der Anstellwinkel der Vorflügel etwa 35° und der Anstellwinkel der Hauptflügel etwa 38°-45° betragen kann. Bei den ortsfesten Umlenk­ schaufeln sind die Anstellwinkel von Vorflügel und Hauptflügel etwas, z.B. bis zu 10°, höher als die Anstellwinkel bei den umlaufenden Rühr­ schaufeln.

Die Vorflügel sind z.B. im Abstand oberhalb der Hauptflügel angeordnet, wobei der Abstand etwa 2-4, insbesondere 3% des Durchmessers der rotierenden Schaufeln betragen kann.

Vorzugsweise liegt in Umfangsrichtung gesehen die Vorderkante des Vor­ flügels vor der Vorderkante des Hauptflügels, beispielsweise um etwa 1/5 bis 1/2 der Breite des Vorflügels.

Die Breite des Vorflügels und des Hauptflügels, gesehen in Umfangs­ richtung, d.h. die Profilbreite, beträgt beim ersteren z.B. etwa 5%, beim letzteren z.B. etwa 12% vom Durchmesser der Rührorgane.

Die Vorflügel und die Hauptflügel haben zweckmäßigerweise Tragflügel­ profil und sie sind vorzugsweise aus dünnwandigen Rohren in diese Form gepreßt oder gedrückt.

Die Umlenkschaufeln sind in Umfangsrichtung gesehen entgegengesetzt zu den umlaufenden Rührschaufeln angestellt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die ortsfesten Umlenkschaufeln an ihren inneren Enden als Lager für die Führung der Rührwelle ausgebildet.

Vorteilhafterweise sind ferner die ortsfesten Umlenkschaufeln hohl aus­ gebildet und es sind Leitungen in ihnen verlegt für die Zufuhr z.B. von Wirkstoffen, aber auch für Kühlwasser oder Dampf zum Kühlen oder zum Beheizen des Reaktorinhalts.

Am unteren Ende der Rührwelle kann vorteilhafterweise ein Pumpenlaufrad montiert sein zur Verteilung von z.B. über eine Lanze oder eine Ring­ brause in den Reaktorbehälter eingeleitete Luft.

Oberhalb des Pumpenrades ist dann zweckmäßigerweise ein ortsfester Strömungs­ gleichrichter, z.B. in Form eines Schaufelgitters eingebaut, zur Umwandlung der durch das Pumpenlaufrad erzeugten Zirkularströmung in eine Axialströmung.

Im oberen Bereich ist zweckmäßigerweise auf der Rührwelle oberhalb der obersten Schaufel ein Rührblatt oder ein Flügel angeordnet zur Zerstörung bzw. Rückvermischung des entstehenden Schaumes mit dem Rührgut im Reaktor­ behälter.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Reaktorbehälter mit einer vertikalen Rührwelle und Rührorganen nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Reaktorbehälter nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Schnitt die Profile der Rührschaufeln und der Umlenk­ schaufeln.

Fig. 4 zeigt schematisch eine ortsfeste Umlenkschaufel, durch welche Leitungen für die Zufuhr von Wirkstoffen, Kühlwasser oder Dampf verlegt sind.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt einen gerührten Reaktor für Mehr­ phasensysteme mit einer mehrstufigen Anordnung von rotierenden und ortsfesten Einbauten.

Der Reaktor 10 besteht aus einem Reaktorbehälter 12 und einer in diesem drehbar gelagerten und im wesentlichen vertikal verlaufenden Rühr­ welle 14, auf der in mehreren Stufen übereinander in Abständen Rühr­ organe 16 montiert sind.

Jedes Rührorgan 16 hat zwei oder mehr praktisch radial verlaufende Rührschaufeln 18, die mit der Rührwelle 14 umlaufen, wobei bei lot­ rechter Rührwelle die Drehebene der Rührschaufeln 18 horizontal liegt. In der Drehebene haben die Rührschaufeln einen entsprechenden Winkel­ abstand voneinander, d.h. bei zwei Rührschaufeln 180°, bei drei Rühr­ schaufeln 120° etc.

Zwischen den mit der Rührwelle umlaufenden Rührschaufeln 18 sind in Längsrichtung der Rührwelle 14 ortsfeste Umlenkschaufeln 20 angeordnet, deren radial äußere Enden an der Wand 22 des Reaktorbehälters 12 be­ festigt, z.B. angeschraubt sind. Die radial inneren Enden der Umlenk­ schaufeln 20 sind, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, als Lager 24 für die Rührwelle 14 ausgebildet.

Auch bei den ortsfesten Umlenkschaufeln können in jeder Stufe zwei oder mehr Schaufeln vorgesehen sein, entsprechend der Zahl der Rühr­ schaufeln 18, wobei auch die Umlenkschaufeln 20 in Umfangsrichtung in entsprechenden Winkelabständen angeordnet sind. Die Umlenkschaufeln 20 sind in Längsrichtung der Rührwelle 14 gesehen zweckmäßigerweise in der Mitte zwischen der nächst darüber- und der nächst darunterliegenden Rührschaufel 18 angeordnet.

Durch die Ausbildung der Umlenkschaufeln 20 in Form eines Lagers für die Rührwelle 14 kann die letztere im Durchmesser kleiner gehalten werden, da die Welle durch diese Lager 24 von Biegemomenten weitgehend freigehalten werden kann.

Am unteren Ende der Rührwelle 14 ist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ein Pumpenlaufrad 26 befestigt, unterhalb welchem mittels einer nur schematisch dargestellten Lanze 28 oder mittels einer nicht dargestellten Ringbrause Luft in den Reaktorbehälter 12 einge­ leitet werden kann.

Wie dargestellt, wird das Pumpenlaufrad 26 von der Rührwelle 14 ange­ trieben, es kann ggf. aber auch durch einen separaten Antrieb, der z.B. am Boden des Reaktorbehälters 12 eingebaut ist, mit anderer Dreh­ zahl als die Rührwelle 14 angetrieben werden.

Die nach dem Austritt der Luft aus der Lanze 28 oder aus einer Ringbrause entstehenden großen Luftblasen treten durch den vom Pumpenlaufrad 26 er­ zeugten Flüssigkeitsstrahl hindurch und werden hier klein zerschert. Die sich hier ausbildende Zirkularströmung wird über einen oberhalb des Pumpenlaufrades 26 eingebauten Strömungsgleichrichter in Form eines Schaufelgitters 30 wieder in eine Axialströmung umgewandelt. Die auf­ steigenden Luftblasen werden durch die Rührschaufeln und die Umlenk­ schaufeln infolge der lokal hohen Scherung am Zusammenballen gehindert, womit über die gesamte Höhe des Reaktorbehälters 12 eine praktisch gleichmäßige Verteilung von kleinen Luftblasen und anderen Stoffteilchen erreicht wird.

Die gleichmäßige Mischung aller Stoffteilchen und der kleinen Luft­ blasen ergeben optimale Phasengrenzflächen, was einen sehr guten Stoffaustausch zur Folge hat.

Das Pumpenlaufrad 26 kann alternativ auch mittels einer durch die hohle Rührwelle 14 hindurchgeführte innere Welle unabhängig von der Rührwelle 14 angetrieben werden.

Da bei begasten Prozessen häufig Schaumbildung im oberen Teil des Reaktorbehälters 12 auftritt, ist vorzugsweise oberhalb des obersten Rührorganes 16, aber etwas unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 48 ein Flügel oder Rührblatt 46 montiert, das mit der Rührwelle 14 umläuft. Im Betrieb zieht dieses Rührblatt 46 von der Oberfläche der Flüssigkeit eine Trombe ein, wodurch der gebildete Schaum mit der Flüssigkeit rückvermischt und somit die Schaumbildung begrenzt wird.

Statt dessen kann aber für die Schaumzerstörung auch ein von der Rührwelle 14 unabhängig angetriebener Flügel vorgesehen werden, der durch den Deckel des Reaktorbehälters i 2 eingeführt wird und in den Schaum eintaucht (nicht gezeigt). Der Schaum wird dann durch diesen Flügel durch Verdichtung zerstört.

Fig. 2 zeigt in Ansicht einen Ausschnitt des Reaktorbehälters 12 mit Rührschaufeln und Umlenkschaufeln.

Fig. 3 zeigt im Schnitt die zugehörigen Profile der Vorflügel und der Hauptflügel.

Jede Rührschaufel 18 und jede Umlenkschaufel 20 ist aus einem Vorflügel 32 bzw. 36 und einem Hauptflügel 34 bzw. 38 aufgebaut.

Die Flügel 32, 34, 36 und 38 haben insbesondere Tragflügelprofil und sie sind vorzugsweise aus einem dünnwandigen Rohr in die gewünschte Profil­ form gedrückt oder gepreßt.

Die Vorflügel 32, 36 sind in Richtung der Rührwelle 14 gesehen ober­ halb der Hauptflügel 34, 38 angeordnet, in einem axialen Abstand von z.B. 2-4%, insbesondere 3% des Durchmessers d 2 der rotierenden Rühr­ schaufeln 18. Die jeweiligen Vorflügel sind mit den zugehörigen Haupt­ flügeln durch nicht näher bezeichnete Stege mechanisch fest verbunden.

Wie Fig. 3 zeigt, liegen die Vorderkanten der Vorflügel 32, 36 in Um­ fangsrichtung u gesehen zweckmäßigerweise etwas vor den Vorderkanten der Hauptflügel 34, 38, z.B. um 1/5 bis 1/2 der Breite der Vorflügel 32 bzw. 36.

Die Breite der Vorflügel und der Hauptflügel - gesehen in Umfangsrichtung - d.h. die Profilbreite B beträgt bei den Vorflügeln 32, 36 etwa 5% und bei den Hauptflügeln 34, 38 etwa 12% vom Durchmesser d 2 der Rührorgane 16.

Die Vorflügel und die Hauptflügel sind bei den umlaufenden Rührschaufeln 18 und bei den ortsfesten Umlenkschaufeln 20 in einem Winkel zur Drehebene (die senkrecht zur Rührwelle 14 liegt) angestellt, wobei bei der Rühr­ schaufel 18 der Anstellwinkel bei den Vorflügeln 32 etwa 35° und bei den Hauptflügeln 34 etwa 38-45° insbesondere 42° beträgt.

Bei den ortsfesten Umlenkschaufeln 20 ist der Anstellwinkel sowohl bei den Vorflügeln 36, als auch bei den Hauptflügeln 38 etwas höher als bei der umlaufenden Rührschaufel 18. Die Flügel bei den Umlenkschaufeln 20 sind somit etwas steiler (z.B. bis zu 10°) angestellt als bei den Rühr­ schaufeln 18.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Flügel 36, 38 der ortsfesten Umlenkschaufeln 20 entgegengesetzt zu den Flügeln 32, 34 der umlaufenden Rührschaufeln 18 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine der Umlenkschaufeln 20 im Detail. Wie die Figur zeigt, ist der Hauptflügel 38 der Umlenkschaufel 20 hohl ausgebildet und es sind von außen Leitungen 40 und 42 in den hohlen Hauptflügel 38 hinein­ verlegt. Die Leitung 40 hat einige Zweigleitungen 50, die sich durch die Wand des Hauptflügels 38 hindurch ins Innere des Reaktorbehälters 12 hinein unter entsprechender Abdichtung öffnen. Über die Leitung 40 können damit bestimmte gewünschte Wirkstoffe in die sich im Reaktor­ behälter 12 befindliche Flüssigkeit eingeleitet werden.

Durch die Leitung 42 kann z.B. Kühlwasser oder Dampf eingeführt werden, um den Inhalt des Reaktorbehälters 12 entweder zu kühlen oder zu be­ heizen. Das Kühlwasser oder das Dampfkondensat kann dann über einen Ablauf 44 außerhalb des Reaktorbehälters 12 abgeführt werden.

Der erfindungsgemäße Reaktor arbeitet folgendermaßen.

Durch die von der Rührwelle 14 angetriebenen Rührschaufeln 18 wird der Behälterinhalt umgerührt und es wird eine Strömung erzeugt, die in Umfangsrichtung schräg abwärts gerichtet ist. Diese Strömung trifft dann auf die unterhalb der jeweiligen Rührschaufeln 18 eines Rühr­ organs 16 angeordneten ortsfesten Umlenkschaufeln 20, deren Vorflügel und Hauptflügel die Strömung im wesentlichen axial umlenken, so daß die Strömung optimal auf die Rührschaufeln 18 des nächst darunter­ liegenden Rührorganes 16 trifft.

Durch die Ausbildung der Schaufeln in Form jeweils eines Vorflügels und eines Hauptflügels und durch die Anordnung von Vorflügeln und Haupt­ flügeln relativ zueinander, reißt die Strömung auch bei stark ange­ stelltem Hauptflügel nicht ab. Es wird hierdurch ein sehr guter hydrau­ lischer Wirkungsgrad erreicht und die Rotationsenergie optimal in lineare Geschwindigkeit umgesetzt.

Dies führt zu Mikrowirbeln mit der Folge einer sehr guten Dispergier­ wirkung.

Der gesamte Behälterinhalt wird großräumig umgewälzt, wobei in der darge­ stellten Ausführungsform der Behälterinhalt im Innenbereich des Reaktor­ behälters 12 nach unten und im Wandbereich nach oben strömt.

Claims (13)

1. Reaktor für Mehrphasensysteme, mit einem Reaktorbehälter, einer darin im wesentlichen vertikal angeordneten drehbaren Rührwelle, auf der in Abständen übereinander Rührorgane mit Rührschaufeln befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß axial zwischen den Rührorganen (16) ortsfeste Umlenkschaufeln (20) angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rühr­ schaufeln (18) und die Umlenkschaufeln (20) jeweils aus einem Vorflügel (32 bzw. 36) und einem Hauptflügel (34 bzw. 38) gebildet sind, die gegen die Drehebene angestellt sind.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Rührschaufeln (18) der Anstellwinkel der Vorflügel (32) gegen die Drehebene etwa 35° und derjenige der Hauptflügel (34) etwa 38-45°, vorzugsweise etwa 42° beträgt.

4. Reaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Schaufel der Vorflügel (32 bzw. 36) im Abstand oberhalb des Hauptflügels (34 bzw. 38) angeordnet ist.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Vorflügel von den Hauptflügeln etwa 2-4% vorzugsweise etwa 3% des Durchmessers (d 2) der Rührorgane (16) beträgt.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung gesehen die Vorderkanten der Vorflügel (32, 36) vor der Vorderkante der Hauptflügel (34, 38) liegt.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorflügel (32, 36) und die Hauptflügel (34, 38) Tragflügelprofil haben und aus einem dünnwandigen Rohr gepreßt sind.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilbreite (B) der Vorflügel etwa 5% und diejenige der Hauptflügel etwa 12% des Durchmessers der Rührorgane (16) betragen.

9. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ortsfesten Umlenkschaufeln (20) an ihren radial inneren Enden als Lager (24) für die Rührwelle (14) aus­ gebildet sind.

10. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die hohl ausgebildeten ortsfesten Umlenk­ schaufeln (20) Leitungen (40, 42) verlegt sind für die Zufuhr von Wirkstoffen, Kühlwasser oder Dampf.

11. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am unteren Ende der Hohlwelle (14) ein Pumpen­ laufrad (26) montiert ist zur Vorverteilung von z.B. über eine Lanze (28) in den Reaktorbehälter (12) eingeleitete Luft.

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Pumpenlaufrades (26) ein ortsfestes Schaufelgitter (30) ange­ ordnet ist zur Umwandlung der durch das Pumpenlaufrad (26) er­ zeugten Zirkularströmung in eine Axialströmung.

13. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im oberen Bereich auf der Rührwelle (14) oberhalb des obersten Rührorganes (16) ein Rührblatt (46) angebracht ist zur Zerstörung bzw. Rückvermischung von Schaum mit der Flüssigkeit im Reaktorbehälter.