DE3782951T2 - Ruehrer. - Google Patents

Ruehrer.

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DE3782951T2 DE8787300911T DE3782951T DE3782951T2 DE 3782951 T2 DE3782951 T2 DE 3782951T2 DE 8787300911 T DE8787300911 T DE 8787300911T DE 3782951 T DE3782951 T DE 3782951T DE 3782951 T2 DE3782951 T2 DE 3782951T2
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf Rührer für die Dispersion eines Fluids in einer Flüssigkeit.
  • Scheiben-Turbinenrührer mit einer Vielzahl von axial ausgerichteten, ebenen Schaufelrädern sind für die Dispersion von eingeblasenen Gasen als kleine Bläschen in Flüssigkeiten in Tanks bei gleichzeitigem Mischen des Tankinhaltes bekannt. Im Betrieb bildet sich hinter jeder Laufschaufel der Turbine eine Unterdruckzone mit Wirbel, und das Gas neigt dazu, sich bei den in der Industrie ständig vorkommenden Gasdurchflußmengen zu sammeln und sich als Hohlraum in diesem Bereich zu halten; das vermindert die Auflösungs- und Mischungsfähigkeit nachteilig und kann Kavitationskorrosion an Turbinenschaufeln verursachen. Dem gleichen Problem würde man bei einer eingeblasenen Flüssigkeit begegnen, deren Dichte geringer als die einer Tankflüssigkeit ist. Nun haben wir einen Turbinenrührer entworfen, bei dem die Wirbelbildung und ihre schädlichen Folgen minimiert werden und der für ein wirksames Dispergieren und Mischen sorgt.
  • Entsprechend liefert die vorliegende Erfindung einen Turbinenrühreraufbau, der einen Flüssigkeitsbehälter, einen mit einer Vielzahl sich radial erstreckenden Schaufeln im Behälter montierten Rotor und Mittel zum Einblasen eines Fluids in eine im Behälter befindliche Flüssigkeit hinein, enthält, wobei das Fluid-Einblasmittel und der Rotor so konstruiert und angebracht sind, daß bei Betrieb die Laufschaufeln (in die Flüssigkeit eingetaucht) und/oder die Flüssigkeitsströmung die Dispersion der eingeblasenen Flüssigkeit bewerkstelligen, in der jede Schaufel von einem Arm getragen wird, die ein Hohlprofil ist und eine diskontinuierliche Profilvorderkante auf der Stirnfläche der Schaufel, nur eine einzige Hinterkante längs eines spitzen Winkels, keine äußere, konkave Oberfläche und ein radial offenes Ende aufweist. Ein ähnlicher Rühreraufbau ist offenbart in der EP-A-0224459, (Veröffentlichungstag: 3.6.1987, Prioritätstag: 21.11.1985).
  • In herkömmlichen Scheiben-Turbinenrührern haben wir gefunden, daß Wirbel dort erzeugt werden, wo die Fluidströmung nicht stromlinienförmig auf der Schaufeloberfläche anliegt, sondern abreißt, z. B. an vorstehenden Kanten (z. B. die axialen Kanten herkömmlicher, axial ausgerichteter Schaufelprofile), wo eine hintere äußere Oberfläche konkav ist, oder wo es keine spitze Hinterkante gibt, d. h. Schaufeln mit kreisförmigen, elliptischen, flächigen oder länglichen Querschnitten.
  • Wir glauben, daß jede Schaufel, die die vorangegangenen Kriterien dieser Erfindung erfüllt, geeignet sein wird. Somit kann die Schaufel einen symmetrischen Querschnitt aufweisen, der eine mit kreisförmigem, parabelförmigem oder elliptischem Abschnitt versehene Stirnfläche hat, die glatt in einen hinteren keilförmigen (d. h. keilähnlichen) oder spitz verlängerten, parabelförmigen oder elliptischen Teilabschnitt übergeht.
  • Es wird ersichtlich, daß der Ausdruck "Hinterkante längs eines spitzen Winkels" folglich sowohl Kanten mit einem Winkel als auch Kanten mit kleinem Radius beinhaltet. Parabelförmige oder Stirnflächen mit elliptischem Abschnitt werden wegen der besseren Stromlinie um die Schaufel favorisiert, obwohl der Stirnteil auch keilförmig sein kann. Eine bevorzugte Schaufelform ist ein dem symmetrischen Tragflügel ähnlicher Querschnitt.
  • Die Schaufel ist ein Hohlprofil und die Stirnfläche diskontinuierlich, z. B. mit Löchern versehen oder in der bevorzugten Form einer symmetrisch auf der Stirnfläche angeordneten Schlitzöffnung einer Schaufel mit symmetrischem Querschnitt. Das radial äußere Schaufelende ist mindestens teilweise offen, so daß solch eine Schaufel einen Schöpfvorgang liefert, der durch das Pumpen die geschöpfte Flüssigkeit radial nach außen dispergiert und mischt.
  • Typische Abmessungen einer Schaufel in dem vorliegenden Aufbau sind:
  • Schaufellänge = D/4, projizierte Höhe = D/5, wobei D den Außendurchmesser des Rotors darstellt.
  • Typischerweise wird die Schaufel aus herkömmlichen Metallen oder Kunststoffen hergestellt, wie sie für Turbinenrührschaufeln verwendet werden.
  • In ihrer allgemeinen Form weist die Schaufel zwei Längsachsen auf, eine radiale und eine querverlaufende, die eine "Schaufelebene" bestimmen. Diese Schaufelebene wird im allgemeinen in jeder Rotationsebene oder parallel zu dieser liegen, die durch die im Betrieb befindliche Schaufel beschrieben wird, das ist diejenige Schaufel, die gewöhnlich nicht um den "Einflußwinkel" in Bezug oder mit Rücksicht auf die Rotorwelle geneigt ist. Jedoch ist diese letztere Möglichkeit nicht ausgeschlossen, aber der Fachmann wird ohne weiteres verstehen, daß der Winkel nicht so groß sein sollte, daß sich die Hinterkante (oder jede Stirnkante) effektiv wie eine axial vorstehende Kante verhält, und/oder jeder hintere Teil der Schaufeloberfläche sich effektiv wie eine konkave Oberfläche verhält und dazu neigt, wesentliche Wirbel zu erzeugen.
  • Die Schaufelblätter des Turbinenrotors können in derselben Rotationsebene oder in jeder Anzahl paralleler Rotationsebenen angeordnet werden. Es ist vorteilhaft,daß die Schaufeln innerhalb jeder Ebene regelmäßig angeordnet sind,um größte Laufruhe zu erreichen. Vorzugsweise werden sie auch in dieser Weise längs der Welle (wie geeignet) und mit Rücksicht auf jede Schaufel in jeder anderen Ebene nach im Maschinenbau üblicher Praxis angeordnet, so daß größtes Drehgleichgewicht erreicht wird, z. B. sind sie mit gleicher Schaufelanzahl in jeder Ebene und mit entsprechenden Schaufeln in verschiedenen Ebenen axial übereinanderliegend oder in allen Ebenen, mit Rücksicht aufeinander, regelmäßig um die Drehachse versetzt, angebracht.
  • Die Schaufeln können auch unter jedem Winkel zur Rotorwelle, der verschieden vom rechten Winkel ist, in axialer Richtung geneigt sein, um eine Axialkomponente der Austrittsströmung zu liefern.
  • Der Turbinenrotor kann zwei oder mehrere Schaufeln aufweisen. Die Mischungsfähigkeit der Turbine wird im allgemeinen mit der Anzahl der Schaufeln in jeder Ebene bis zu dem Punkt ansteigen, wo die Schaufeln so nahe zusammenstehen, daß bei Betrieb die Wirkung jeder einzelnen Schaufel die Wirkung der folgenden Schaufel wegen ihrer Querabmessungen beeinträchtigt. Ähnlich ist die nutzbare Anzahl von Schaufelebenen wegen jeder gegenseitigen Beeinträchtigung zwischen den Ebenen, auf Grund der Nähe, beschränkt. Das Hinzufügen von weiteren Schaufelebenen' zunehmend entfernt von einer einzigen axialen Einblasquelle, kann den Dispergierwirkungsgrad der Turbine auch nicht erhöhen kann aber das Mischen der Flüssigkeits- und/oder Flüssigkeits-/Fluid-Dispersion in dem Behälter unterstützen.
  • Vorbehaltlich des vorhergehenden, umfassen geeignete Schaufelzahlen 2 bis 24 in einer Ebene, typischerweise 4 bis 12 und bis zu 5 Ebenen von Schaufeln, typischerweise eine Schaufelebene.
  • Typischerweise werden die Abmessungen des Turbinenrotors durch die Größe des Behälters bestimmt und normalerweise wird der Durchmesser ein Drittel bis die Hälfte der entsprechenden Querabmessung des Behälters betragen.
  • Das Fluid-Einblasmittel kann eine einzige Öffnung aufweisen oder mehrere Öffnungen, als eine Reihenanordnung, ein Gitter, eine Brause oder ein Ring. Obwohl das Einblasen von Flüssigkeiten, insbesondere von jenen, die eine geringere Dichte als die von Behälterflüssigkeiten haben, nicht ausgeschlossen ist, wird das Einblasfluid oft ein Gas sein.
  • Der Turbinenrotor und das Fluid-Einblasmittel können in jeder Ausrichtung und wechselseitigen Position eingerichtet werden, die sicherstellt, daß das Fluid entweder dem Volumen zugeführt wird, das von den Laufschaufeln überstrichen wird oder in jeden direkt angrenzenden Bereich geliefert wird, auf den jede durch die Laufschaufeln erzeugte Flüssigkeitsströmung trifft (in beiden Fällen "die Dispersionszone").
  • Der Rotor kann in jeder Ausrichtung befestigt werden, obwohl es oft günstig ist, ihn aufrecht mit dem Einblasmittel zu montieren, das im Behälter unter oder über ihm befestigt ist, z. B. axial beabstandet, so daß das Fluid in den Dispersionsbereich durch die im wesentlichen der Schwerkraft ausgesetzten Flüssigkeit entweder von unten, für ein Gas oder Flüssigkeit mit einer geringeren Dichte, als die der Behälterflüssigkeit oder von oben, für eine Flüssigkeit mit höherer Dichte, geliefert werden kann. Das Einblasmittel kann dann geeigneterweise ein Loch, eine Brause oder einen Ring koaxial zum Rotor darstellen
  • Wie es bei Turbinenrührern üblich ist, werden sich die Schaufelblätter nicht von der Rotorwelle selbst erstrecken, vielmehr wird jedes an einem Arm oder an einem entsprechenden Aufbau an der Welle befestigt sein. Es erscheint klar, daß ein axiales Loch, eine Brause oder ein ringförmiges Einblasmittel mit kleinerem Durchmesser als dem Außendurchmesser des Rotors, der die Schaufeln nicht überlappt, das Fluid ohne eine Ablenkfläche nicht in den Dispersionsbereich fördern wird. In einem solchen Fall können die Schaufeln zweckdienlich auf dem äußeren Umfang einer Rotorscheibe montiert werden, wobei die Scheibe wie eine Ablenkfläche wirkt. Mit den typischen, bereits vorgegebenen Schaufelabmessungen wird die Scheibe typischerweise im Durchmesser 3D/4 betragen, wobei D der Außendurchmesser des Rotors ist.
  • Natürlich kann das Fluid in einen Bereich radial außerhalb des von den Schaufeln überstrichenen Volumens gefördert werden, weil die durch die Schaufeln in diesen Bereich gepumpte Flüssigkeit hier eine Dispersionszone schafft, wobei ein Einblasring verwendet werden kann.
  • Oder aber, der Rotor kann über Kreuz mit dem am Behälter befestigten Einblasmittel und radial beabstandet von ihm, darüber oder darunter, montiert werden, was wiederum zweckdienlich ist, um die Förderung im wesentlichen unter Schwerkraft zu erlauben. Das Einblasmittel kann dann geeigneterweise eine axial ausgerichtete Reihenanordnung haben, eine querliegende, gerade oder gebogene Reihe oder ein vom Rotoraufbau abhängig ebenes oder gekrümmtes Gitter darstellen.
  • In einem weiteren Aspekt kann das Einblasmittel auf dem Rotor montiert sein, z. B. als eine Öffnung oder Öffnungen vor jeder Schaufel oder im Abstand axial von der oder einer Schaufelebene.
  • Ausrichtungen des Rotors passend zu oder verträglich mit der Vorrichtung des Einblasmittels und den Schaufeln, sind dem Fachmann geläufig.
  • Der vorliegende Aufbau ist auch in allen Anwendungen nützlich, wo die Dispersion von zwei fluiden Phasen erforderlich ist, und er ist besonders nützlich bei gasförmig-flüssigen Stofftransportprozessen und beim Durchmischen mit niedrigen Schubkräften von z. B. empfindlichen Substraten, wie den aus lebenden Zellen bestehenden Fermentierungssuspensionen oder Polymer-Milchsäuren oder von zu leichten Abbau oder Koagulierung neigenden Dispersionen.
  • Andere Aspekte der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 und 3 definiert.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf drei spezifische Ausführungen des Rotors und des Einblasmittels, dargestellt in den Fig. 1, 2, 3 und 4, beschrieben werden.
  • In den Figuren ist ein Rotor drehbar innerhalb eines Behälters 2 (nicht gezeigt) senkrecht eingebaut, der in der Lage ist, den Rotor mit einer Flüssigkeit 3 (auch nicht gezeigt) bedeckt zu halten. Der Rotor besteht aus einer Welle 5 (angetrieben von einem Elektromotor 6 - nicht gezeigt), auf der eine Vielzahl (vier oder sechs) radial nach außen weisender Schaufeln 7 regelmäßig auf der Welle 5 in einer einzigen Ebene mit Hilfe einer Kreisscheibe oder Armen 8 befestigt ist.
  • Jede Schaufel 7 hat einen symmetrischen, gleichmäßigen Tragflügel-Querschnitt, der mit einer einen einzigen keilförmigen Spitzwinkel aufweisenden Hinterkante 9 versehen ist, die sich in Schaufellänge 7 erstreckt. Jede Schaufel 7 ist ein Hohlprofil, und ihre Stirnfläche 10 hat eine symmetrisch angeordnete Schlitzöffnung 11, die sich in der Länge der Schaufel 7 erstreckt. Die Enden 12 der Schaufel 7 sind offen.
  • Die Schaufeln 7 sind so befestigt, daß ihre mittleren Symmetrieebenen in gleicher Ebene liegen.
  • Ein Mittel 14 zum Einblasen von Gas ist in den Fig. 1 bis 3 im Behälter unterhalb der Einbauhöhe des Rotors und koaxial zu diesem montiert. In den Fig. 1 und 2 ist es eine-einzige Öffnung oder ein Einblasring mit Öffnungen,die die Schaufeln 7 nicht überdecken.
  • In Fig. 3 ist es ein Einblasring, der unterhalb eines Bereiches 19 radial nach außen vom Volumen 18 liegt, der bei Betrieb durch die Schaufeln überstrichen wird. In Fig. 4 besteht das Einblasmittel 14 aus vier Röhren mit Öffnungen, die auf der Welle 5 montiert sind, von dieser weg weisen und mit ihrem inneren Hohlraum in Verbindung stehen und gleichmäßig zwischen den Schaufeln 7 verteilt sind und in gleicher Ebene zu diesen liegen. Ihre Öffnungen 15 befinden sich in der hinteren Fläche jeder Röhre 14.
  • Bei Betrieb wird der Behälter 2 mit Flüssigkeit A so gefüllt, daß die Schaufeln 7 des Rotors, der dann in Richtung des Pfeils A gedreht wird, eintauchen. Gas 17 wird dann über Einblasöffnungen 15 (in Fig. 4 durch den hohlen Innenraum der Läuferwelle 5 und Röhren 14) zum Volumen 18, das von den Schaufeln überstrichen wird (in Fig. 1 durch Ableitung durch die Scheibe 8) oder zum Bereich 19 geliefert. In allen Fällen wird Flüssigkeit durch die Schaufeln 7 mittels Schlitzöffnung 11 geschöpft und mittels offenem Schaufelende 12 in den Dispersionsbereich 19 entleert. In den Fig. 1, 2 und 4 strömt das Gas 17 über die äußere Oberfläche der Schaufeln 7, und in allen Fällen wird das Gas in dem Bereich 19 dispergiert.

Claims (13)

1. Ein Turbinenrühreraufbau, der einen Flüssigkeitsbehälter,
einen Rotor, der in dem Behälter und mit einer Vielzahl sich radial erstreckenden Schaufeln (7) montiert ist, und
Mittel zum Einblasen eines Fluids in eine in dem Behälter befindliche Flüssigkeit hinein, enthält,
wobei das Einblasmittel für das Fluid und der Rotor so konstruiert und angebracht sind, daß bei Betrieb die (in der Flüssigkeit) eingetauchten Laufschaufeln und/oder die Flüssigkeitsströmung bewirken, daß das eingeblasene Fluid dispergiert,
wobei jede durch einen Arm (8) getragene Schaufel (7) ein Hohlprofil ist und eine diskontinuierliche Kante auf der Stirnfläche (10) der Schaufel, nur eine Hinterkante (9) längs eines spitzen Winkels, keine äußere, konkave Oberfläche und ein radial äußeres, offenes Ende (12) aufweist.
2. Ein Turbinenrühreraufbau, der einen Flüssigkeitsbehälter,
einen Rotor, der in dem Behälter und mit einer Vielzahl sich radial erstreckenden Schaufeln (7) montiert ist und
Mittel zum Einblasen eines Fluids in eine in dem Behälter befindliche Flüssigkeit hinein, enthält,
wobei das Fluid-Einblasmittel (14) und der Rotor so konstruiert und angeordnet sind, daß die Laufschaufeln bei Betrieb (in die Flüssigkeit eingetaucht) und/ oder die Flüssigkeitsströmung ein Dispergieren des eingeblasenen Fluids bewirken,
wobei jede Schaufel (7) ein Hohlprofil ist und eine diskontinuierliche Kante auf der Stirnfläche der Schaufel, nur eine Hinterkante (9) längs eines spitzen Winkels, keine äußere, konkave Oberfläche und ein radial äußeres, offenes Ende (12) aufweist und wobei das Einblasmittel (14) so angebracht ist, daß es bei Betrieb das eingeblasene Fluid in einen Bereich fördert, der radial außerhalb des Raumes liegt, der von den Schaufeln überstrichen wird.
3. Ein Turbinenrühreraufbau, der einen Flüssigkeitsbehälter,
einen im Behälter befestigten und eine Vielzahl Schaufeln (7) tragenden Rotor, und
Mittel (14) zum Einblasen eines Fluids in eine im Behälter befindliche Flüssigkeit hinein enthält;
und das Fluid-Einblasmittel und der Rotor so konstruiert und angebracht sind, daß die Laufschaufeln bei Betrieb und/ oder die Flüssigkeitsströmung das Dispergieren des Einblasfluids bewirken,
wobei jede der Schaufeln (7) eine löffelförmige Gestalt aufweist, deren Öffnung die Stirnfläche (10) der Schaufel bildet, jede Schaufel nur eine Hinterkante (9) längs eines spitzen Winkels, keine äußere, konkave Oberfläche und ein offenes Ende (12) aufweist, durch das die Flüssigkeit ausströmt,wobei jede Schaufel zur Rotationsachse geneigt ist, um eine axiale Komponente der austretenden Strömung zu liefern.
4. Ein Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem jede Schaufel einen symmetrischen, dem Tragflügel ähnlichen, Querschnitt mit einer einen parabolischen oder elliptischen Abschnitt aufweisende Stirnfläche hat, die glatt in eine keilförmige Hinterkante übergeht.
5. Ein Aufbau nach Anspruch 4, der eine Schlitzöffnung (11) aufweist, die symmetrisch in der Stirnfläche angeordnet ist.
6. Ein Aufbau nach Anspruch 4 oder 5, in dem bei Betrieb die Schaufelebene mit der Rotationsebene der Schaufel übereinstimmt oder parallel zu dieser liegt.
7. Ein Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem die Schaufeln regelmäßig in derselben Rotationsebene oder in jeder von einer Anzahl von parallelen Rotationsebenen angeordnet sind.
8. Ein Aufbau nach Anspruch 7, in dem die Schaufeln in einer Anzahl von parallelen Rotationsebenen, die die gleiche Anzahl von Schaufeln in jeder Ebene und entsprechende Schaufeln in verschiedenen Ebenen, die axial übereinanderliegen, aufweist oder in allen Ebenen, mit Rücksicht aufeinander regelmäßig um die Drehachse versetzt, angeordnet sind.
9. Ein Aufbau nach Anspruch 7, der 4 bis 12 Schaufeln in einer einzigen Rotationsebene aufweist.
10. Ein Aufbau nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 9, wenn von Anspruch 3 abhängig, in dem die Schaufeln auf einer waagerechten Läuferscheibe montiert sind und der Aufbau so angeordnet ist, daß bei Betrieb die Scheibe dazu dient, das Einblasmittel zum Volumen abzulenken, das von den Schaufeln überstrichen wird.
11. Ein Aufbau nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 4 bis 9, wenn von Anspruch 1 abhängig, in dem das Einblasmittel so angeordnet ist, daß es bei Betrieb das Einblas-Fluid in einen Bereich fördert, der radial außerhalb des von den Schaufeln überstrichenen Volumens liegt.
12. Ein Aufbau nach Anspruch 1, in dem das Einblasmittel auf dem Rotor montiert ist.
13. Ein Rührer nach Anspruch 2 oder 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 9 oder nach Anspruch 11, wenn von Anspruch 2 oder 3 abhängig, bei dem jede Schaufel durch einen Arm (8) getragen wird.
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