DE4330697A1 - Rührwerk mit rotationssymmetrischem Rührkörper zum Suspendieren und Begasen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Rührwerk dessen Rührkörper als förderwirksamer Rotor ausgebildet ist, da er in seinem Inneren Strömungskanäle enthält. Dieses Rührwerk ist be­ sonders geeignet für den Einsatz in einem Suspensionsreaktor mit z. B. kegelstumpfförmi­ gem Boden.

Ziel der hydrodynamischen Gestaltung von Suspensionsreaktoren ist die Anhebung der Feststoffpartikel vom Reaktorboden bzw. deren Suspendierung. Für diese Aufgabe eignen sich in vielen Fällen Rühr- und Wirbelschichtreaktoren.

In herkömmlichen Wirbelschichtreaktoren verlaufen die Stromfäden der Schwerkraft entge­ gengerichtet und übertragen demnach den ihnen innewohnenden Impuls optimal. Daher kön­ nen die Partikel unter vergleichsweise geringem Energieaufwand mittels der Umströmung durch das Fluid in Schwebe gehalten werden.

Die Stromfäden in herkömmliche Rührreaktoren werden aber in verschiedene, zum Teil auch im Sinne der Gravitation wirkende Richtungen aktiviert bzw. umgelenkt und übertragen dem­ nach den ihnen innewohnenden Impuls nicht optimal im Hinblick auf die Kompensation der Schwerkraft. [Weinspach PM (1968) Fluidisieren und Suspendieren als konkurrierende ver­ fahrenstechnische Grundoperationen. Chemie Ing Techn 40 : 884-889]. Die Stromfäden stö­ ren sich sogar in gewissem Maße gegenseitig, was zu weiteren Impulsverlusten führt. Es kommt, vor allem an den Randzonen des Reaktorbodens, zu dauerhaften Ablagerungen von Partikeln [Kneule F, Weinspach PM (1967) Suspendieren von Feststoffpartikeln im Rührge­ fäß. Verfahrenstechnik 12 : 531-540] und zu einem im Vergleich zum Wirbelschichtreaktor erheblich erhöhten Energiebedarf.

Herkömmliche Rührkörper können nicht ohne weiteres in der unmittelbaren Nähe des Reak­ torbodens eingesetzt werden, da bei Stillstand des Rührers die Partikel absedimentieren und die Oberfläche des Rührkörpers einen zu großen Widerstand aufweist, als daß der Rührer wieder angefahren werden könnte, wenn er in einem solchen Sediment steckt. [Weinspach PM (1968) Fluidisieren und Suspendieren als konkurrierende verfahrenstechnische Grundo­ perationen. Chemie Ing Techn 40 : 884-889]. Daher tauchen solche Rührer meist nur bis zur Grenzfläche zwischen Überstand und Sedimentschicht in den Rührbehälter ein. Da der Rühr­ körper also über den am Boden des Behälters befindlichen Partikeln angeordnet ist, muß der Impulstransport vom Rührkörper zu diesen Partikeln mittels einer von oben nach unten ge­ richteten Strömung erfolgen. Die Kompensation der Gewichtskräfte läßt sich demzufolge nur mit erheblichen Umlenkverlusten erreichen.

Die Schaffung eines hinsichtlich der Impulsübertragung optimierten Rührreaktors ist Haupt­ aufgabe der vorliegenden Erfindung. Im Bedarfsfalle soll das Rührwerk zudem eine Bega­ sung der Suspension bzw. einer Flüssigkeit bewirken. Dieser Fall tritt zum Beispiel bei der Verwendung des Rührers in Bioreaktoren bzw. Fermentern, aber auch beim Einsatz in ande­ ren Dreiphasenprozessen (Feststoff/Flüssigkeit/Gasphase) ein.

Das Rührwerk ist gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung von Flüssigkeit zum Rührkör­ per durch ein Leitrohr oder eine Hohlwelle realisiert ist und daß dieser Rührkörper eine, von Austrittsöffnungen abgesehen, rotationssymmetrische Begrenzungsfläche zu der umzuwäl­ zenden Flüssigkeit bzw. Suspension aufweist, in die er vollständig eintaucht. Zur Reduzie­ rung der Verluste durch Umlenkung und Transport des den Stromfäden innewohnenden Im­ pulses zu den am Boden befindlichen Partikeln, kann der Rührkörper nach Anspruch 1 auch dann in der Nähe des Behälterbodens eingesetzt werden, wenn er bei Stillstand von einer Sedimentschicht eingeschlossen ist, da seine rotationssymmetrische Form in diesem Fall die Wiederinbetriebnahme erleichtert.

Eine weitere Verminderung unerwünschter Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche des Rührkörpers und dem ihn umgebenden Medium stellt die Ausgestaltung des Rührers nach Anspruch 5 und 6 dar. Dabei verjüngt sich der Rührkörper oberhalb der Austrittsöffnungen kegelförmig, wobei die Mantelfläche des Kegels durch einen feststehenden Trichter gegen den Inhalt des Rührbehälters abgeschirmt ist. Im Raum zwischen Trichter und Mantelfläche befindet sich zur Reduzierung der Reibungsverluste ein Gas. Bei konkaver Formgebung der Unterseite des Rührkörpers ist, auch während des Stillstandes, der stabile Aufenthalt eines Gaspolsters unter dem Rührkörper möglich, was eine weitere Reduzierung von Reibungsver­ lusten bewirkt. Eine Stabilisierung des Gaspolsters ist ersatzweise z. B. auch durch eine nach unten vorspringende, schmale Stufe am Rand der Rührkörperunterseite zu erzielen.

Die beschriebenen Gaspolster bilden sich bei Gestaltung des Rührers als Begasungsrührer nach Anspruch 2, bzw. Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 6 automatisch beim Be­ trieb des Rührers aus, sie können aber auch z. B. durch Abtauchen des Rührers in das Medi­ um hergestellt werden.

Diese Gaspolster erleichtern nicht nur das Anfahren des Rührers, sondern sie reduzieren auch den Betrag des tangential in die Suspension eingetragenen Impulses. Da sich zur Kom­ pensation der auf die Partikel wirkenden Gewichtskräfte axial, nach oben wirkende Impulse am besten nutzen lassen, kann die tangentiale Impulsübertragung zwischen Rührkörper und umgebendem Medium in erster Näherung als Energieverlust betrachtet werden. Die tangen­ tiale Impulskomponente der einzelnen Stromfäden kann jedoch auch durch turbinenartige Leitschaufeln am Boden des Rührbehälters teilweise in eine axial, nach oben wirkende Rich­ tung überführt werden.

Da das im Rotor wirkende Zentrifugalfeld eine Radialbeschleunigung des geförderten Medi­ ums hervorruft, ist eine minimale Umlenkung der radialen Bewegung in eine axial, nach oben wirkende Richtung unumgänglich. Diese Umlenkung kann geordnet und relativ verlustarm im Rührkörper selbst geschehen, dadurch, daß die unmittelbar vor den Auslaßöffnungen liegen­ den Strecken der Strömungskanäle aufwärtsgekrümmt sind. Diese Umlenkung kann aber auch mit, im Vergleich zu herkömmlichen Rühranordnungen, geringen Verlusten an der Innen­ wand eines kegelstumpfförmigen Behälterbodens geschehen. Der axial nach oben wirkende Anteil der umgelenkten radialen Impulskomponente entspricht dann etwa dem Kosinus des halben Öffnungswinkels des Kegelabschnitts.

Oberhalb des Kegelstumpfbodens wird die ursprünglich radiale Komponente der einzelnen Stromfäden vollends in eine nahezu axial nach oben wirkende Richtung umgelenkt, da die umgewälzte Suspension über die Hohlwelle bzw. das Leitrohr von einem Punkt dicht unter der Oberfläche der Suspension angesaugt wird. Unter bestimmten Bedingungen empfiehlt es sich, diesen Punkt über ein oder mehrere Ansaugrohre an den Rand des Rührbehälters zu verlagern, um die Durchmischung der im oberen Bereich des Rührbehälters befindlichen Su­ spension zu verbessern.

Im oberen Abschnitt des Rührbehälters herrscht eine aufwärtsgerichtete Strömung, welche zwar von einer nach oben hin abklingenden Rotationsbewegung überlagert, aber durchaus vergleichbar mit den Strömungsverhältnissen ist, wie sie auch in Wirbelschichten vorliegen. Die Rückführung des Mediums zum Rührkörper findet innerhalb des Leitrohres bzw. der Hohlwelle statt. Auf- und Abwärtsströmung verlaufen also geordnet und räumlich von einan­ der getrennt, so daß sich keine gegenseitige Behinderung beider Strömungen ergibt.

Die Ausgestaltung der Erfindung als Begasungsrührer nach Anspruch 2 und 3 geschieht durch eine geeignete Formgebung der im Rührkörper befindlichen Strömungskanäle, sie stel­ len eine an die Rotationsbewegung angepaßte Flüssigkeitsstrahlpumpe dar. Die Gaszufuhr wird dabei ebenfalls über ein Leitrohr oder eine Hohlwelle realisiert. Dieses Bauteil ist vor­ zugsweise konzentrisch innerhalb der flüssigkeitsführenden Hohlwelle bzw. des flüssig­ keitsführenden Leitrohrs angeordnet. Während die Treibdüse und der vorgelagerte Ab­ schnitt des Strömungskanals durchaus einer einfachen, radialen Richtungsführung unterlie­ gen können, um den benötigten Fluidstrahl anzutreiben, muß die Richtungsführung im Sau­ graum und in der anschließenden Fangdüse der Bahn des Freistrahls im rotierenden Bezugs­ system entsprechen. Auch in den anschließenden Abschnitten der Strömungskanäle, die in ihrer Funktion dem Mischraum bzw. dem Diffusor entsprechen, ist eine solche Richtungsfüh­ rung sinnvoll. Im Gegensatz zur herkömmlichen Flüssigkeitsstrahlpumpe, wird in diesen Ab­ schnitten nicht nur die kinetische Energie des Freistrahls, sondern auch die auf das Gemisch von Flüssigkeit und Gas wirkende Zentrifugalbeschleunigung zur Überwindung des Druckge­ fälles genutzt. Der letzte Abschnitt des Diffusors kann zudem unmittelbar vor der Austritt­ söffnung nach oben hin gekrümmt sein, so daß er dem austretenden Strahl eine axial nach oben wirkende Impulskomponente aufprägt.

Bei dieser Bauweise bleiben nicht nur die bereits besprochenen Vorteile des Rührkörpers ohne Begasungseinrichtung vollständig erhalten, auch der Begasungsvorgang selbst verläuft im Vergleich zu herkömmlichen Begasungsrührern vorteilhafter.

Bekannte Begasungsrührer nutzen den Unterdruck, der auf der Rückseite eines umström­ ten Körpers entsteht. Am Umfang solcher Rührer sind daher in der Regel Schaufeln ange­ ordnet, an derer im Sinne der Rotation rückwärtigen Seite sich die Öffnungen für den Gasau­ stritt befinden [Weiß S et al (eds) (1988) Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden - Teil 4 Stoffvereinigung in fluiden Phasen. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim]. Aufgrund ih­ res Funktionsprinzips gehen herkömmliche Rührkörper also eine intensive Wechselwirkung mit der umgebenden Flüssigkeit ein und sind daher nicht rotationssymmetrisch geformt. Dies bedingt, daß man sie beim Begasen von Suspensionen im allgemeinen nicht tiefer, als bis zur sich bei Stillstand ausbildenden Grenzfläche zwischen Sediment und Überstand einsetzen kann (s. o.), was, aufgrund der im Vergleich zum erfindungsgemäßen Begasungsrührer ge­ ringeren möglichen Eintauchtiefe, zu einer schlechteren Effizienz des Begasungsvorgangs führt. Selbst relativ strömungsgünstige Begasungsrührer, wie der in EP 0021470B1 be­ schriebene Hohlrührer mit aus Rohrbögen bestehenden Rührarmen, stehen mit einer weitaus größeren Flüssigkeitsmenge in intensiver Wechselwirkung, als zur Förderung des Gas­ stroms unumgänglich. So ist bei dem erwähnten Hohlrührer über die ganze Länge des Rüh­ rarms aufgrund seiner Rotation Verdrängungsarbeit gegen die umgebende Flüssigkeit aufzu­ wenden, der entstehende Unterdruck kann jedoch nur an seiner stärksten Stelle, dem Ende des Rührarms genutzt werden. Solche Energieverluste beeinträchtigen die Förderwirkungs­ grade bereits bekannter Begasungsrührer.

Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Rührwerks ist also, daß die Flüssigkeitsmenge, die bis zur Größenordnung der Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt werden muß, im Vergleich zu herkömmliche Anordnungen reduziert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß diese Flüs­ sigkeitsmenge effektiver zur Förderung eines Gasstroms genutzt werden kann und ihr Im­ puls erheblich gezielter dem Absedimentieren eines Partikelkollektives entgegenwirkt. Sein Einsatz ist deshalb insbesondere beim Suspendieren mit und ohne Begasung aber auch beim Begasen von Flüssigkeiten ohne nennenswerten Feststoffgehalt empfehlenswert.

Zur Erläuterung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Ausführungsbeispiel auf den fol­ genden Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Laborreaktor.

Fig. 2 den Rührkörper der Fig. 3 im Längsschnitt B-B.

Fig. 3 den Rührkörper der Fig. 2 im Querschnitt A-A.

Fig. 4 einen ebensolchen Querschnitt, bei Ausgestaltung des Rührkörpers nach Anspruch 12.

Da die in Fig. 1 dargestellte Apparatur für Vorversuche in einem sehr kleinen Maßstab (Inhalt des Rührbehälters ca. 1l) ausgelegt wurde, konnten einige spezielle Merkmale der Ausge­ staltung (Ansprüche 9, 10 und 11) hier noch nicht berücksichtigt werden. Die in diesem Maß­ stab recht schwierig zu realisierende, gegen abrasive Partikel beständige Lagerung des Rührkörpers auf dem Flüssigkeitsleitrohr 3 wurde durch Rillenkugellager und Wellendichtrin­ ge gelöst. Für größere Apparaturen sind jedoch geeignetere Komponenten zur Lagerung des Rührkörpers verfügbar. Die Lagerung kann über eine Kapillare und einen entsprechenden Anschluß 9 mit einem Sperrmedium beaufschlagt werden. Des weiteren erfolgt der Antrieb der Hohlwelle 4 über einen Treibriemen und einen drehbar gelagerten Motor, so daß die Mes­ sung von Antriebsdrehmomenten mittels eines geeigneten Dynamometers möglich ist.

Die Zufuhr von Flüssigkeit zum Rührkörper erfolgt über das feststehende Leitrohr 3 und die Ansaugöffnungen 2. Die Gaszufuhr ist über die Hohlwelle 4 und ein weiteres Paar Ansaugöff­ nungen 1 realisiert.

Der Rührkörper selbst ist dreiteilig aufgebaut. Er besteht aus dem sich kegelförmig verjün­ genden Oberteil 5, der durch die Strömungskanäle geteilten Düsenscheibe 6 und dem schei­ benförmigen Unterteil 7. Diese Konstruktion ermöglicht den einfachen Austausch der Düsen­ scheibe, so daß Strömungskanäle mit unterschiedlicher Form erprobt werden konnten. Das Oberteil des Rührkörpers ist durch den Trichter 8 gegen den Inhalt des Rührbehälters abge­ schirmt. Die Unterseite des Rührkörperunterteils trägt an ihrem Rand einen kleinen Vor­ sprung 10, der der Stabilisierung eines unter dem Rührkörper befindlichen Gaspolsters dient (s. Anspruch 8).

In Fig. 3 ist die Geometrie einer Düsenscheibe sichtbar, deren Richtungsführung im Bereich von Saugraum 13, Fangdüse 14, Mischdüse 15 und Diffusor 16 der Bahn des Freistrahls im rotierenden Bezugssystem entspricht. Der Bereich der Treibdüse 12 und die vorgelagerten Abschnitte der Strömungskanäle unterliegen einer einfachen radialen Richtungsführung. In Fig. 2 und Fig. 3 sind sowohl die Austrittsöffnungen 17, als auch die den Saugraum mit Gas versorgenden Bohrungen 11 sichtbar.

In Fig. 4 ist die Ausgestaltung einer Düsenscheibe nach Anspruch 12 zu sehen, bei dieser Bauweise wird sowohl das Prinzip des umströmten Körpers, als auch das Prinzip der Flüs­ sigkeitsstrahlpumpe zur Förderung des Mediums genutzt. Durch die Strömungskörper 18 wird zwar vom Prinzip der rotationssymmetrischen Bauweise abgewichen, bei geeigneter Formgebung bieten sich aber nur geringe Angriffsmöglichkeiten für das umgebende Medium. Daher bleibt ein, im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen, erheblich verringerter Wider­ stand der Rührkörperoberfläche erhalten. Vorteil der Anordnung nach Anspruch 12 ist, daß bei gleicher Rührerdrehzahl höhere Druckgefälle überwunden werden können.

Claims (12)

1. Rührwerk mit einem förderwirksamen Rührkörper (5-7), der in seinem Inneren Strö­ mungskanäle enthält und eine, von Austrittsöffnungen (17) abgesehen, rotationssymmetri­ sche Begrenzungsfläche zu der umzuwälzenden Flüssigkeit bzw. Suspension aufweist, in die er vollständig eintaucht, gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung von Flüssigkeit zum Rührkörper durch ein Leitrohr (3) oder eine Hohlwelle realisiert ist.

2. Rührwerk mit einem förderwirksamen Rührkörper (5-7), der in seinem Inneren nach dem Prinzip der Flüssigkeitsstrahlpumpe wirkende Strömungskanäle enthält und eine, von Austrittsöffnungen (17) abgesehen, rotationssymmetrische Begrenzungsfläche zu der um­ zuwälzenden Flüssigkeit bzw. Suspension aufweist, in die er vollständig eintaucht, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die Zuleitung von Gas zum Rührkörper durch ein Leitrohr oder eine Hohlwelle (4) realisiert ist.

3. Rührwerk nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Richtungsführung der als Saugraum (13) und Fangdüse (14) wirkenden Abschnitte der Strömungskanäle der Bahn des Freistrahls im rotierenden Bezugssystem angepaßt sind.

4. Rührwerk nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung von Flüs­ sigkeit zum Rührkörper durch ein Leitrohr (3) oder eine Hohlwelle realisiert ist.

5. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 gekennzeichnet dadurch daß sich der Rührkör­ per oberhalb seiner Austrittsöffnungen kegelförmig verjüngt.

6. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberseite des Rührkörpers durch einen als Kegel oder Hohlkegel ausgebildeten Stator (8) gegen die umgebende Flüssigkeit abgeschirmt ist.

7. Rührwerk nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Raum zwischen Stator und Rührkörperoberseite mit Gas füllbar ist.

8. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Un­ terseite des Rührkörpers konkav geformt und ganz oder teilweise durch ein Gaspolster ge­ gen die umgebende Flüssigkeit abschirmbar ist.

9. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Strömungskanäle im Innern des Rührkörpers unmittelbar vor den Austrittsöffnungen (17) nach oben hin gekrümmt verlaufen.

10. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß in unmittelbarer Umgebung des Rührkörpers ein Stator angebracht ist, welcher aus turbine­ nartigen Leitschaufeln besteht und geeignet ist, die radiale Impulskomponente der den Rühr­ körper verlassenden Stromfäden teilweise in eine axial, nach oben wirkende Richtung zu überführen.

11. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Ansaugöffnungen für Gas und/oder Flüssigkeit durch ein oder mehrere Ansaugrohre von der jeweiligen Hohlwelle bzw. dem jeweiligen Leitrohr weg, zum Rand des Rührbehälters hin verlagert sind.

12. Rührwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, gekennzeichnet da­ durch, daß der nicht rotationssymmetrische Bereich der Begrenzungsfläche des Rührkör­ pers zur umgebenden Flüssigkeit sich nicht nur auf die Austrittsöffnungen (17), sondern auch auf davor angebrachte Strömungskörper (18) erstreckt.