DE4330697C2 - Rührwerk mit rotationssymmetrischem Rührkörper zum Suspendieren und/oder zum Begasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührwerk, das zum einen, in seiner Ausgestaltung nach Anspruch 1, zum Suspendieren eines Feststoffes in einer Flüssigkeit dient und das zum anderen, in seiner Ausgestaltung nach Anspruch 5, zum Begasen einer Flüssigkeit oder einer Suspension verwendet werden kann.

Ziel der hydrodynamischen Gestaltung von Suspensionsreaktoren ist die Anhebung der Feststoffpartikel vom Reaktorboden bzw. deren Suspendierung durch Strömungsenergie. Da in herkömmlichen Rührwerken zum Suspendieren der Eintrag von Strömungsenergie in die Suspension durch direkte Wechselwirkung mit der äußeren, Oberfläche des Rührkörpers erfolgt, ist eine auf Impulsübertragung ausgelegte Formgebung der Oberfläche von herkömmlichen Rührkörpern prinzipbedingt.

Weil bei Stillstand des Rührers die Partikel absedimentieren und die Oberfläche eines herkömmlichen Rührkörpers einen zu großen Widerstand aufweist, als daß der Rührer wieder angefahren werden könnte, wenn er in einer Sedimentschicht steckt, kann ein solcher Rührkörper nicht ohne weiteres in der unmittelbaren Nähe des Reaktorbodens eingesetzt werden.

Da herkömmlichen Rührer also nur bis zur Grenzfläche zwischen Überstand und Sedimentschicht in den Rührbehälter eintauchen dürfen, der Rührkörper 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 gerichteten Strömung erfolgen. Die Kompensation der auf die Partikel wirkenden Gewichtskräfte läßt sich demzufolge nur mit erheblichen Umlenkverlusten erreichen. Weitere Verluste ergeben sich daraus, daß in herkömmlichen Rührreaktoren die Stromfäden in verschiedene Richtungen aktiviert bzw. umgelenkt werden. Die Stromfäden stören sich in gewissem Maße gegenseitig und die Impulsübertragung auf den Feststoff erfolgt wenig zielgerichtet. Es kommt, vor allem an den Randzonen des Reaktorbodens, zu dauerhaften Ablagerungen von Partikeln und zu einem ungünstigen Energiebedarf des Suspendierens.

Selbst bekannte Rührwerke zum Suspendieren, die, wie das erfindungsgemäße Rührwerk nach Anspruch 1, ein Leitrohr sowie im Innern des Rührkörpers Strömungskanäle enthalten, lassen sich nicht ohne weiteres in Bodennähe einsetzen. Ein Beispiel hierfür ist das in der Patentschrift DE-OS 16 32 448 beschriebene Rührwerk. Ein Teil der Strömungsenergie kann zwar ebenfalls durch Wechselwirkung mit den inneren Oberflächen des Rührkörpers in die Suspension eingebracht werden, da aber der Rührkörper nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist und die Suspension vorzugsweise über ein untenliegendes Saugrohr zugeführt wird, kann dieser Rührkörper ebenfalls nicht in der Nähe des Reaktorbodens eingesetzt werden.

In Suspensionsreaktoren soll häufig nicht nur suspendiert, sondern auch begast werden. Dies ist z. B. in Bioreaktoren bzw. Fermentern, aber auch beim anderen Dreiphasenprozessen der Fall. Verwendet man einen geeigneten Begasungsrührer, können beide Prozesse mit einem einzelnen Organ durchgeführt werden.

Herkömmliche Begasungsrührer nutzen den Unterdruck, der auf der Rückseite eines, umströmten Körpers entsteht. Am Umfang solcher Rührer sind daher in der Regel Schaufeln angeordnet, an derer im Sinne der Rotation rückwärtigen Seite sich die Öffnungen für den Gasaustritt befinden. Aufgrund ihres 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.). Die in Suspensionen geringere mögliche Eintauchtiefe beeinträchtigt die Effizienz des Begasungsvorgangs. Zudem stehen auch relativ strömungsgünstige bekannte Begasungsrührer mit einer weitaus größeren Flüssigkeitsmenge in intensiver Wechselwirkung, als zur Förderung des Gasstroms unumgänglich. Solche Energieverluste beeinträchtigen die mit herkömmlichen Begasungsrührern erzielbaren Förderwirkungsgrade.

Auch bekannte Rührwerke zum Begasen, die wie das erfindungsgemäße Rührwerk, Strömungskanäle im Innern des Rührkörpers besitzen, nutzen nicht das Prinzip der Flüssigkeitsstrahlpumpe mit Saugraum, Treib- und Fangdüse, welches dem erfindungsgemäßen Rührwerk nach Anspruch 5 durch die besondere Gestaltung seiner Strömungskanäle zu eigen ist. So z. B. das in der Patentschrift CH-PS 559 576 beschriebene Rührwerk. Durch seine am Umfang angeordneten Auslaßtrichter ist jenes Rührwerk zudem für den Einsatz in Bodennähe eines Suspensionsreaktors ungeeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines hinsichtlich seiner Impulsübertragung optimierten Rührwerks zum Suspendieren und/oder Begasen. Die Aufgabe umfaßt die Ermöglichung der geeigneten Position des Rührkörpers am Behälterboden, die verlustarme Erzeugung einer geordneten, für die Aufwirbelung von Partikeln möglichst zielgerichteten Strömung sowie, im Falle der Begasung, die verlustarme Gasförderung und Verteilung.

Soweit lediglich das Suspendieren erforderlich ist, wird diese Aufgabe durch das Rührwerk mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Das Rührwerk ist gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung von Flüssigkeit zum Rührkörper durch ein Leitrohr oder eine Hohlwelle realisiert ist und daß dieser Rührkörper eine, von Austrittsöffnungen abgesehen, rotationssymmetrische Begrenzungsfläche zu der umzuwälzenden Flüssigkeit bzw. Suspension aufweist, in die er vollständig eintaucht.

Zur Reduzierung der Verluste durch Umlenkung und Transport des den Stromfäden innewohnenden Impulses zu den ans 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 ist durch die Abschirmung der Rührkörperoberseite mittels eines Stator gegeben, wobei der Raum zwischen Stator und Rührkörper mit Gas füllbar ist.

Gemäß den Ansprüchen 2 und 3 können Stator und Rührkörperoberseite in Form von Hohlkegel und Kegel ausgebildet werden. 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 Mantelflache befindet sich zur Reduzierung der Reibungsverluste ein Gas.

Bei konkaver Formgebung der Unterseite des Rührkörpers ist, auch während des Stillstandes, der stabile Aufenthalt eines eingebrachten Gaspolsters unter dem Rührkörper möglich, was eine weitere Reduzierung von Reibungsverlusten bewirkt. Eine Stabilisierung des Gaspolsters ist ersatzweise z. B. auch durch eine nach unten vorspringende, schmale Stufe am Rand der Rührkörperunterseite zu erzielen.

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 Kompensation 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 tangentiale Impulskomponente der einzelnen Stromfäden kann jedoch auch durch turbinenartige Leitschaufeln am Boden des Rührbehälters teilweise in eine axial, nach oben wirkende Richtung überführt werden.

Da das im Rotor wirkende Zentrifugalfeld eine Radialbeschleunigung des geförderten Mediums 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 liegenden Strecken der Strömungskanäle aufwärtsgekrümmt sind. Diese Umlenkung kann aber auch mit, im Vergleich zu herkömmlichen Rühranordnungen, geringen Verlusten an der Innenwand 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 Suspension zu verbessern. Im oberen Abschnitt des Rührbehälters herrscht eine aufwärtsgerichtete Strömung vor, welche von einer nach oben hin abklingenden Rotationsbewegung begleitet wird. Die Rückführung des Mediums zum Rührkörper findet innerhalb des Leitrohres bzw. der Hohlwelle statt. Auf- und Abwärtsströmung verlaufen also geordnet und räumlich von einander getrennt, so daß sich keine gegenseitige Behinderung beider Strömungen ergibt.

Die gestellte Aufgabe wird beim Begasen mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Die Ausgestaltung der Erfindung als Begasungsrührer nach Anspruch 5 und folgenden geschieht durch eine geeignete Formgebung der im Rührkörper befindlichen Strömungskanäle, sie stellen eine an die Rotationsbewegung angepaßte Flüssigkeitsstrahlpumpe dar. Die Gaszufuhr wird dabei ebenfalls über ein Leitrohr oder eine Hohlwelle realisiert. Dieses Bauteil ist vorzugsweise konzentrisch innerhalb der flüssigkeitsführenden Hohlwelle bzw. des flüssigkeitsführenden Leitrohrs angeordnet. Während die Treibdüse und der vorgelagerte Abschnitt des Strömungskanals durchaus einer einfachen, radialen Richtungsführung unterliegen können, um den benötigen Fluidstrahl anzutreiben, muß die Richtungsführung im Saugraum und in der anschließenden Fangdüse der Bahn des Freistrahls im rotierenden Bezugssystem angepaßt sein. Auch in den anschließenden Abschnitten der Strömungskanäle, die in ihrer Funktion dem Mischraum bzw. dem Diffusor entsprechen, ist eine solche Richtungsführung sinnvoll. Im Gegensatz zur herkömmlichen Flüssigkeitsstrahlpumpe, wird in diesen Abschnitten nicht nur die kinetische Energie des Freistrahls, sondern auch die auf das Gemisch von Flüssigkeit und Gas wirkende Zentrifugalbeschleunigung zur Überwindung des Druckgefälles genutzt. Der letzte Abschnitt des Diffusors kann zudem unmittelbar vor der Austrittsöffnung nach oben hin gekrümmt sein, so daß er dem austretenden Strahl eine axial nach oben wirkende Impulskomponente aufgeprägt. 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.

Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Rührwerks zum Suspendieren und/oder Begasen ist, daß die Flüssigkeitsmenge, die bis zur Größenordnung der Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt werden muß, im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen reduziert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß diese Flüssigkeitsmenge effektiver zum Aufwirbeln von Partikeln und zur Förderung eines Gasstroms genutzt werden kann. 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 in der Ausführung nach Anspruch 5 und folgenden auf den anschließenden 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 13.

Da die in Fig. 1 dargestellte Apparatur für Vorversuche in einem sehr kleinen Maßstab (Inhalt des Rührbehälters ca. 1 l) ausgelegt wurde, konnten einige spezielle, Merkmale der Ausgestaltung (Ansprüche 11, 12 und 13) hier noch nicht berücksichtigt werden. Die in diesem Maßstab recht schwierig zu realisierende, gegen abrasive Partikel beständige Lagerung des Rührkörpers auf dem Flüssigkeitsleitrohr 3 wurde durch Rillenkugellager und Wellendichtringe 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 Messung 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 verjüngenden Oberteil 5, der durch die Strömungskanäle geteilten Düsenscheibe 6 und dem scheibenförmigen Unterteil 7. Diese Konstruktion ermöglicht den einfachen Austausch der Düsenscheibe, so daß Strömungskanäle mit unterschiedlicher Form erprobt werden konnten. Das Oberteil des Rührkörpers ist durch den Trichter 8 gegen den Inhalt des Rührbehälters abgeschirmt. Die Unterseite des Rührkörperunterteils trägt an ihrem Rand einen kleinen Vorsprung 10, der der Stabilisierung eines unter dem Rührkörper befindlichen Gaspolsters dient (s. Anspruch 10). Unter dem Rührkörper sowie zwischen Rührkörper und Abschirmtrichter bilden sich beim Betrieb mit Begasung selbsttätig Gaspolster aus, welche eine Reduzierung von Reibungsverlusten bewirken.

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 Gase versorgenden Bohrungen 11 sichtbar.

In Fig. 4 ist die Ausgestaltung einer Düsenscheibe nach Anspruch 13 zu sehen, bei dieser Bauweise wird sowohl das Prinzip des umströmten Körpers, als auch das der Flüssigkeitsstrahlpumpe 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 Angriffsflächen für das umgebende Medium. Daher bleibt ein, im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen, erheblich verringerter Widerstand der Rührkörperoberfläche erhalten. Vorteil der Anordnung nach Anspruch 13 ist, daß bei gleicher Rührerdrehzahl das zu fördernde Gas ein höheres Druckgefälle überwinden kann.

Claims (13)

1. Rührwerk zum Suspendieren eines Feststoffes in einer Flüssigkeit mit einem Rührkörper (5- 7), der über eine Antriebswelle (4) antreibbar ist und der in seinem Inneren Strömungskanäle (12- 16) enthält, mit einer Zuleitung für Flüssigkeit, bzw. Suspension zu dem Rührkörper und mit Austrittsöffnungen (17) für die Flüssigkeit bzw. Suspension am Ende der Strömungskanäle, wobei die Strömungskanäle im wesentlichen radial von innen nach außen verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührkörper (5-7) eine im wesentlichen rotationssymmetrische äußere Begrenzungsfläche aufweist, daß die Austrittsöffnungen (17) in der Begrenzungsfläche münden, daß die Oberseite des Rührkörpers von einem Stator (8) umgeben ist und daß im Betrieb der Raum zwischen der Oberseite des Rührkörpers (5-7) und dem Stator (8) mit Gas füllbar ist.

2. Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rührkörper oberhalb der Austrittsöffnungen (17) kegelförmig verjüngt.

3. Rührwerk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) als Hohlkegel ausgebildet ist.

4. Rührwerk nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Rührkörpers konkav geformt und ganz oder teilweise durch ein Gaspolster gegen die umgebende Flüssigkeit abschirmbar ist.

5. Rührwerk zum Begasen einer Flüssigkeit oder Suspension mit einem Rührkörper, der über eine Antriebswelle (4) antreibbar ist und der in seinem Inneren Strömungskanäle (12-16) enthält, mit Zuleitungen für die Flüssigkeit, bzw. die Suspension und das Gas zu den Strömungskanälen, und mit Austrittsöffnungen (17) für die begaste Flüssigkeit bzw. begaste Suspension am Ende der Strömungskanäle, wobei die Strömungskanäle im wesentlichen radial von innen nach außen verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Strömungskanal nach dem Prinzip der Flüssigkeitsstrahlpumpe mit Treibdüse (12), Saugraum (13) und Fangdüse (14) ausgebildet ist, wobei die Zuleitung für die Flüssigkeit bzw. die Suspension in der Treibdüse mündet, die Zuleitung für das Gas in dem Saugraum mündet und die Fangdüse (14) mit mindestens einer Austriftsöffnung (17) strömungsverbunden ist.

6. Rührwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührkörper eine im wesentlichen rotationssymmetrische äußere Begrenzungsfläche aufweist.

7. Rührwerk nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (17) in der Begrenzungsfläche des Rührkörpers münden.

8. Rührwerk nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiseite des Rührkörpers mit einem Stator (8) umgeben ist und daß im Betrieb der Raum zwischen der Rührkörperoberseite und dem Stator mit Gas füllbar ist.

9. Rührwerk nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rührkörper (5-7) oberhalb der Austriftsöffnungen (17) kegelförmig verjüngt.

10. Rührwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Rührkörpers konkav geformt und ganz oder teilweise durch ein Gaspolster gegen die umgebende Flüssigkeit abschirmbar ist.

11. Rührwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (12-16) im Innern des Rührkörpers unmittelbar vor den Austriftsöffnungen nach oben hin gekrümmt verlaufen.

12. Rührwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung des Rührkörpers (5-7) ein Stator angebracht ist, welcher aus turbinenartigen Leitschaufeln besteht und geeignet ist, den Impuls, der den Rührkörper verlassenden Stromfäden teilweise in eine axial nach oben wirkende Richtung zu überführen.

13. Rührwerk nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Austrittsöffnungen zusätzlich Strömungskörper (18) angebracht sind, an deren Rückseite sich im Betrieb ein Unterdruck ausbildet.