DE4423272C2

DE4423272C2 - Rührwerk zum Umwälzen von Suspensionen durch umlaufende Strahlen

Info

Publication number: DE4423272C2
Application number: DE4423272A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: NERGER, CHRISTIAN, DIPL.-ING., 85748 GARCHING, DE
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2014-07-06
Also published as: DE4423272A1

Abstract

Bekannte Suspensionsreaktoren wie Wirbelschichten oder Rührwerke weisen hohe Energieeinträge und eine starke Expansion von Fluidat bzw. Suspension auf. Dies ist bei Strahlschichten nicht der Fall, da diese lediglich einen Teil des Bettes in einen expandierten Zustand versetzen. Die Maßstabsvergrößerung solcher Strahlschichten ist allerdings sehr schwierig, und kann zu einer schlechten Durchmischung bzw. zu Totzonen im Bett führen. Das neue Rührwerk stellt eine Synthese zwischen Strahlschichten einerseits und Suspendierrührwerken bzw. Wirbelschichten andererseits dar. Dadurch wird die mittlere Expansion des Bettes und der Energieeintrag im Vergleich zu Wirbelschichten bzw. Rührreaktoren abgesenkt und die Durchmischung des Bettes gegenüber Strahl- und Wirbelschichten wesentlich verbessert. DOLLAR A Das neue Rührwerk besitzt einen langsam laufenden äußeren Rotor (4) und einen schnell laufenden inneren Rotor (3), welcher förderwirksam ist, über eine Welle angetrieben wird und durch ein Leitrohr mit zulaufender Flüssigkeit versorgt wird. Das Rotorsystem kann auch am Boden des Rührbehälters positioniert und innerhalb der Schüttschicht der zu suspendierenden Partikel in Betrieb genommen werden, ohne dass der Antrieb des inneren Rotors durch eine solche Schüttschicht behindert wird. Nach Inbetriebnahme verlässt die Flüssigkeit den äußeren Rotor über eine oder mehrere Austrittsöffnungen (7) in Form von Strahlen, die mit der Winkelgeschwindigkeit des äußeren Rotors im Rührbehälter ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Rührwerk gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ziel der hydrodynamischen Gestaltung von Suspensionsreaktoren, bei denen die Partikel spezifisch schwerer als die Flüssigkeit sind, ist die Anhebung der Feststoffpartikel vom Reaktorboden bzw. deren Suspendierung. Zu diesem Zweck sind Wirbelschichten bekannt, die eine direkt der Sedimentationsbewegung der Partikel entgegengerichtete Strömung erzeugen. Ebenfalls bekannt sind Rührwerke, die eine solche Strömung allerdings nicht direkt, sondern nur mit erheblichen Umlenkverlusten erzeugen können.

Insbesondere beim Suspendieren von polydispersen Partikeln ist oftmals eine periodische Umwälzung ausreichend. Bei diesem Vorgehen werden lediglich die feineren Anteile des Partikelsystems permanent in Schwebe gehalten, während das Grobkorn periodisch suspendiert wird und während der übrigen Zeit als Schüttschicht auf dem Behälterboden ruht. Eine solche Suspendierung ist mit geringerem Energieaufwand möglich, als ein vollständiges in Schwebe halten des gesamten Partikelkollektives, wie es in herkömmlichen Wirbelschichten und Rührreaktoren geschieht.

Ein bekanntes Mittel zur periodischen Umwälzung von Partikeln ist die hydraulisch angeströmte Strahlschicht (spouted bed). Solche Apparate werden durch einen meist zylindrischen Behälter mit trichterförmigem Boden realisiert, an dessen Fußpunkt sich eine Zulaufdüse befindet. Die im Zentrum des Behälters befindlichen Partikel werden durch den die Zulaufdüse verlassenden Flüssigkeitsstrahl fluidisiert und nach oben transportiert. Die im äußeren Bereich des Behälters befindlichen Partikel liegen in Form einer langsam nach unten wandernden Schüttschicht vor. Derartige Strahlschichten liefern im Labormaßstab zufrieden stellende Ergebnisse und weisen einen Energiebedarf auf, der lediglich im Bereich von einigen W/m³ liegt, wenn der Durchmesser der zu suspendierenden Partikel einen bestimmten Maximalwert nicht übersteigt. Unter dem Aspekt der Betriebskostenminimierung ist bei solchen Apparaten die Forderung nach einem geringen Energiebedarf übererfüllt, zumal es mit steigenden Reaktorquerschnitten zu stark abnehmender Durchmischung kommt. Das scale up solcher Apparate in den technischen Maßstab (1 m³ und mehr) ist als äußerst schwierig zu betrachten, es kommt auf Grund des sehr geringen und stark inhomogenen Energieeintrags zu unzureichender Vermischung der festen und flüssigen Phase. Dies äußert sich in der Bildung von Strähnen und Totzonen, die eine mangelnde Ausnutzung des Reaktorvolumens zur Folge haben. Diesem Problem versucht man dadurch zu begegnen, dass man mit zunehmendem Reaktorquerschnitt die Zahl der Anströmtrichter erhöht und die Versorgung eines jeden Trichters mit dem Anströmmedium durch eine geeignete Regelung oder eine separate Pumpe stabilisiert. Auslegung und Bau solcher multiplen Strahlschichten ist mit sehr hohem Aufwand verbunden.

Einerseits ist die Schwierigkeit der Verwendung von Strahlschichten zum Suspendieren im Wesentlichen durch den zu geringen Energieeintrag und seine mangelnde Homogenität über den Reaktorquerschnitt begründet. Andererseits ist der Energieeintrag von herkömmlichen Suspendierrührwerken oder Wirbelschichten zwar wesentlich homogener aber unwirtschaftlich hoch, wenn lediglich eine periodische Umwälzung der Partikel erforderlich ist.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Rührwerks ist es, hinsichtlich des Energieeintrages eine Synthese zwischen Strahlschichten einerseits und herkömmlichen Suspendierrührwerken bzw. Wirbelschichten andererseits zu leisten. Unter besonderer Berücksichtigung steht dabei die Möglichkeit, diesen Energieeintrag auch auf die Umwälzung von polydispersen Partikelsystemen abstimmen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Die Aufgabe wird somit durch ein besonderes Rotorsystem erfüllt, das Strahlen erzeugt, welche der Sedimentationsbewegung der zu suspendierenden Partikel entgegengerichtet sind. Durch die Drehung des Rotorsystems wird ein Umlauf dieser Strahlen und somit eine periodische Umwälzung der Partikel erreicht.

Rührwerke bzw. Rotorsysteme, die umlaufende Strahlen erzeugen, sind allerdings bereits bekannt:
Die CH 579 418 und DE 35 34 420 C2 beschreiben Rotorsysteme, die solche umlaufenden Strahlen erzeugen. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist allerdings keines dieser Rotorsysteme sowohl einen inneren als auch einen äußeren Rotor auf.

Rotorsysteme, die sowohl einen inneren, als auch einen äußeren Rotor aufweisen sind zwar aus der Turbinen-Technik bekannt. Der Zweck solcher Vorrichtungen ist jedoch nicht das Suspendieren von Partikeln, sondern des Antreiben anderer Aggregate. Sie haben daher, wie z. B. im US-Patent 685,967 beschrieben, keinen angetriebenen inneren Rotor, sondern dienen selbst als Antrieb.

Das erfindungsgemäße Rührwerk weist ein Rotorsystem mit einem inneren und einem äußeren Rotor auf, welche über ein Leitrohr oder eine Hohlwelle mit Flüssigkeit beschickt werden. Die Flüssigkeit passiert zuerst den förderwirksamen, inneren, angetriebenen und schnell laufenden Rotor, dann den äußeren Rotor. Der äußere Rotor dreht sich mit einer erheblich geringeren Winkelgeschwindigkeit als der innere Rotor, so dass er bei spiralgehäuseförmiger Gestaltung wie der Stator einer Kreiselpumpe eine Pumpwirkung erzeugt. Die Suspension verlässt den äußeren Rotor in Form eines vorzugsweise tangential und schräg nach oben gerichteten Strahls, der mit der Winkelgeschwindigkeit des äußeren Rotors im Rührbehälter umläuft.

Als Rotoren können zweckmäßigerweise Gehäuse und Laufrad einer geeigneten Kreiselpumpe verwendet werden. Dies bietet nicht nur Vorteile durch die preiswerte Beschaffung solcher Bauteile, sondern vereinfacht bei Kenntnis der Pumpenkennlinie auch die Auslegung des Rührwerks erheblich.

Die Umlenkung der tangential austretenden Flüssigkeit in einen tangential und aufwärts gerichteten Strahl geschieht z. B. durch einen Krümmer, der am Druckflansch des Pumpengehäuses befestigt wird.

Da das Rührwerkskonzept die Verwendung von kegelstumpfförmigen Rührbehältern sinnvoll ermöglicht, lassen sich straßentransportable Feststoffsilos nutzen, um z. B. bei der Verwendung des Rührwerks zur Behandlung von kontaminierten Böden preiswert Reaktionsvolumen bereitzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt:

Abb. 1, den Längsschnitt des Reaktors,

Abb. 2, vergrößerter Ausschnitt aus Abb. 1,

Abb. 3, den Reaktor der Abb. 1 im Querschnitt A-A .

Der innere laufradartige Rotor 3 wird über die Welle 1 durch einen Motor angetrieben, der oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angebracht ist. Der spiralgehäuseförmige äußere Rotor 4 ist mit dem Leitrohr 2 verbunden, welches drehbar gelagert ist und die zu den Rotoren strömende Flüssigkeit führt. Die umgewälzte Suspension verlässt den äußeren Rotor über den Krümmer 7.

Zu beachten ist in diesem Beispiel besonders, dass lediglich der innere Rotor direkt durch einen Motor angetrieben ist. Die Bewegung des äußeren Rotors wird durch Reibungs- und Impulsverluste der Flüssigkeit in seinem Inneren angetrieben. Begrenzt wird die Geschwindigkeit des äußeren Rotors durch seinen Strömungswiderstand zur Suspension, die ihn umgibt. Dieser Strömungswiderstand kann durch Größe und Anstellwinkel des Paddels 8 eingestellt werden. Der Strömungswiderstand kann ebenfalls durch Anbringen einer rotationsymmetrischen Verkleidung des äußeren Rotors beeinflusst werden.

Die Lagerung der Rotoren am Behälterboden kommt ohne Gleitringdichtungen oder Stopfbuchsen aus, da die Bohrungen, welche die Lager aufnehmen über ein gasförmiges Sperrmedium trocken gehalten werden können, welches über den Anschluss 5 aufgegeben wird. Über den Stutzen 6 kann dieses Gas wieder aus dem Reaktor entfernt werden.

Claims

1. Rührwerk zum Suspendieren von Partikeln mit einem Rotorsystem (3, 4), welchem durch eine Hohlwelle oder ein Leitrohr (2) eine Flüssigkeit bzw. Suspension zugeführt wird, die das Rotorsystem durch eine oder mehrere Austrittsöffnungen strahlförmig verlässt, wobei der austretende Strahl bzw. die austretenden Strahlen mit dem Umlauf des Rotorsystems ihre Richtung ändern, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Rotorsystem (3, 4) besteht aus einem inneren, schnell laufenden Rotor (3) sowie aus einem langsam laufenden, äußeren Rotor (4), welcher die Austrittsöffnung(en) aufweist,
b) der inneren Rotor (3) wird über eine Welle (1) oder Hohlwelle angetrieben und ist förderwirksam,
c) die den inneren Rotor (3) verlassende Flüssigkeit erfährt beim Kontakt mit dem äußeren Rotor (4) Impulsverluste, die auf den äußeren Rotor (4) eine Antriebswirkung erzeugen, welche dem Rotationssinn des inneren Rotors (3) gleichgerichtet ist.

2. Rührwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der langsamlaufende äußere Rotor (4) spiralgehäuseförmig gestaltet ist und relativ zum inneren, schnellläufigen Rotor (3) gleichsam einen förderwirksamen Stator darstellt.

3. Rührwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Umlaufgeschwindigkeit des äußeren Rotors (4) durch einen in der umzuwälzenden Suspension befindlichen Strömungswiderstand (8) begrenzt wird.

4. Rührwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der in der umzuwälzenden Suspension befindlichen Strömungswiderstand (8) paddelförmig ausgebildet ist.

5. Rührwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass der Strömungswiderstand durch eine auf dem äußeren Rotor (4) angebrachte rotationssymmetrische Verkleidung ausgebildet ist.

6. Rührwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass der äußere Rotor (4) teilweise mit Gas füllbar ist.

7. Rührwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Lagerung der Rotoren (3, 4) auf Achsstummeln erfolgt, welche von unterhalb in Bohrungen eintauchen, die sich in Rotormitte befinden und mit einem gasförmigen Sperrmedium beaufschlagbar sind.

8. Rührwerk nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass auf einer inneren und eine äußeren Welle mehrere Rotorpaare übereinander angebracht sind, deren Rotoren sich paarweise zueinander verhalten wie in Anspruch 1 beschrieben.