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Die vorliegende Erfindung betrifft Mischsysteme mit
Stoffübergang und insbesondere Mischsysteme, die Gas oder andere
Fluide in eine Flüssigkeit dispergieren oder einsprühen,
die eine Feststoff Suspension enthalten kann.
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Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, ein
Mischsystem anzugeben, welches mit einem Axialrührer arbeitet, der
Strömungsmuster erzeugt, die in erster Linie axial (nach
oben und nach unten) durch den Behälter verlaufen, in dem
dispergiert wird, und der das Gas oder sonstige Fluid mit
wesentlich höheren Geschwindigkeiten dispergieren kann,
bevor es zum Fluten kommt, als dies bisher mit herkömmlichen
Axialrührern möglich war.
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Bestehende Gasdispersionsverfahren, die mit Axialrührern
als den primären Rührflügeln zum Dispergieren von Gas
arbeiten, waren nicht in der Lage, mit den hohen
Gasgeschwindigkeiten fertigzuwerden, ohne daß es zu einem starken
Fluten kommt. Das Fluten ist der Zustand, wo das Mischsystem
das Strömungsmuster in der Flüssigkeit nicht unter
Kontrolle hat, sondern vielmehr das Gas das Strömungsmuster
bestimmt. Das Gas überwindet dann die Pumpwirkung des
Rührflügels und bestimmt das Strömungsmuster in dem Behälter
oder Tank, wobei normalerweise das Gas durch die Oberfläche
(bzw. den Pegel) der Flüssigkeit oben in dem Behälter
gedrückt wird. Im Zustand des Flutens ist die Fähigkeit des
Rührflügels zum Dispergieren von Gas eingeschränkt. Der
Stoffübergang von dem Gas in die Flüssigkeit bzw. die darin
suspendierten Feststoffe wird bei der Gasgeschwindigkeit,
wo es zum Fluten kommt, ineffizient bzw. unwirksam.
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Der Zustand des Flutens bei einem herkömmlichen
Gasdispersionssystem ist in Fig. 1A gezeigt. Dort wird die
Flüssigkeit 10 in einem Tank 12 durch einen Axialrührer 14
gemischt, der durch eine Welle 15 gedreht wird. Das
Einsprühsystem ist als Rohr 16 dargestellt, und es kann auch
ein ringförmiges oder quadratisches Rohr sein, das in
seiner Oberseite Öffnungen besitzt. Das Sprührohr 16 ist unter
dem Rührflügel angeordnet. Beim Fluten kann es zu einem
radialen Dispergieren kommen. Die Gasströmung ist stärker als
die nach unten gerichtete Pumpwirkung des Rührflügels. Wie
bei 17 dargestellt, kommt es zu einem starken Hochsprudeln,
und der Ruheinhalt U über der nicht von Gas durchströmtem
Höhe Z der Flüssigkeit in dem Tank ist herabgesetzt. Der
Ruheinhalt ist ein Maß dafür, wie weit das Mischsystem das
Gas in der Flüssigkeit hält, und ist daher ein Hinweis auf
das Stoffübergangspotential Der Vergleich des Systems
während des Flutens mit dem Zustand vor dem Fluten, wo die
Gasgeschwindigkeit herabgesetzt ist und eine vollständige
Dispersion stattfindet, ist aus Fig. 1B ersichtlich, wo
gleiche Teile und die Parameter U und Z durch gleiche
Buchstaben und Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
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Früher wurden Radialrührer zum Dispergieren von Gas
verwendet, wenn hohe Gasgeschwindigkeiten benötigt werden. Solche
Rührflügel sind aus mehreren Gründen von Nachteil. Sind
sind weniger effizient was die Energie angeht, die
erforderlich ist, um die Flüssigkeit in dem Tank zirkulieren zu
lassen (z.B. die Anzahl Pferdestärken pro 1000 Gallonen
Flüssigkeit, in die das Gas dispergiert wird), als Systeme
mit axialer Strömung. Beim radialen Dispergieren kommt es
zu höheren Schergeschwindigkeiten des Fluids als bei
Axialrührern. Hohe Schergeschwindigkeiten sind bei vielen
Prozessen unerwünscht, beispielsweise bei einigen
Gärprozessen, wo scherempfindliche Mikroorganismen in Umgebungen
gedeihen, wo das Fluid eine niedrige Schergeschwindigkeit
besitzt.
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Ein wesentlicher Nachteil von Gasdispersionssystemen mit
radialer Strömung besteht darin, daß das Strömungsmuster
nicht prinzipiell axial, sondern vielmehr radial verläuft
und normalerweise zwei Schleifen aufweist, von denen eine
von dem Rührflügel zum Boden des Tanks nach außen gerichtet
ist, und die andere von dem Rührflügel zum oberen Teil des
Tanks nach außen. Solche Strömungsmuster sind für die
Suspension und Vermischung von Feststoffen weniger
wünschenswert als das für die Axialrührer typische Strömungsmuster
mit einer einzigen Schleife. Das unvollständige
Dispergieren ist ein weiterer Mangel von Mischsystemen mit radialer
Strömung. Das klassiche Mischsystem mit radialer Strömung
verwendet einen Radialrührer vom Typ Rushton mit einem
Sprührohr oder -ring unter dem Rührflügel. Eine weiter
fortgeschrittene Konstruktion ist in Fig. 1C gezeigt und
verwendet einen Radialrührer wie er im US-Patent 4,454,078
von Engelbrecht und Weetman, erteilt am 12. Juni 1984,
beschrieben ist. Dieses Mischsystem 20 mit seinem
Radialrührer 22 und dem Sprühring 24 ist in Fig. 1C schematisch
dargestellt. Der Flüssigkeitseinlaß zu dem Rührflügel, der
sich um seine vertikale Achse 25 dreht, liegt unter dem
Rührflügel 22 in dem bei 26 gezeigten Bereich. Das Volumen
der Flüssigkeit unter dem Rührflügel enthält kein
dispergiertes Gas, und die Gasdispersion reicht nicht bis zum
Boden des Tanks. In einer typischen Anordnung, wo der
Rührflügel etwa einen Durchmesser vom Boden entfernt ist,
enthält etwa ein Viertel des Gesamtvolumens des Tanks kein
dispergiertes Gas. Wenn der Rührflügel in dem Tank weiter
nach oben versetzt wird, wird dieser Bereich ohne
dispergiertes Gas größer. Die Untergrenze für die Höhe des
Rührflügels im Tank ist so festgelegt, weil der Einlaßbereich
26 am Boden zu klein wird, um einer Zirkulation standhalten
zu können. Bei einer typischen Anordnung in einer Höhe von
weniger als einem halben Durchmesser kann die Strömung
nicht in den Bereich 26 gelangen, und der Energiepegel
fällt abrupt ab. Auf das Mischsystem können dann größere
mechanische Lasten einwirken. Die Fähigkeit zum
Dispergieren bricht also zusammen, wenn der Radialrührer zu nahe am
Boden des Tanks angeordnet ist. Das Flüssigkeitsvolumen, in
dem das Gas dispergiert ist, ist daher bei einem
Radialrührer kleiner als bei einem Axialrührer, und bei gleichen
Gasgeschwindigkeiten ist der Ruheinhalt U und die
Stoffübergangsgeschwindigkeit in vielen Fällen bei radialer
Strömung kleiner als bei axialer Strömung. Axialrührer sind
jedoch bezüglich der Gasgeschwindigkeit, bei der sie
dispergieren können, wegen des einsetzenden Flutens
eingeschränkt. Es wurde vorgeschlagen, zur Gasdispersion
Radialrührer in Kombination mit Axialrührern zu verwenden; es
wurde deshalb ein Mischer mit einem oder mehreren
Axialrührern, unter denen auf derselben Welle ein Radialrührer
angeordnet ist, vorgeschlagen.
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Ein verbessertes Mischsystem gemäß der Erfindung ermöglicht
den Einsatz eines Axialrührers als primären
Gasdispersionsmischer. Bei dem System können ein oder mehrere Axialrührer
verwendet werden, die auf derselben Welle montiert sind.
Dieses System ist aber dennoch in der Lage, Gas zu
dispergieren und mit Gasgeschwindigkeiten fertigzuwerden, die
mindestens so hoch sind wie bei Radialrührern, ohne daß es
zu einer starken Flutung kommt. Die Erfindung ermöglicht
also, daß das Gas (wenn der Begriff Gas verwendet wird,
soll er auch andere Fluide umfassen, die dispergiert oder
eingesprüht werden können) hinreichend dispergiert wird,
daß ein für die Vermischung und die Feststoffsuspension
geeignetes Strömungsmuster entsteht, und daß ein Wirkungsgrad
erreicht wird, der in vielen Anwendungsfällen bei
Axialrührern wünschenswerter bzw. besser ist als bei Radialrührern.
Eine weitere Anwendung, wo axiale Strömungsmuster
wünschenswerter sind, ist die Wärmeübertragung, wo der Tank
einen Mantel oder einen sonstigen Wärmetauscher besitzt,
der den Wärmeaustausch mit dem Fluid in dem Tank
ermöglicht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Mischsystem zum Dispergieren von Gas mit Hilfe von
Axialrührern anzugeben.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Mischsystem zum Dispergieren von Gas
anzugeben, bei dem ein oder mehrere offene Axialrührer verwendet
werden. Ein offener Rührflügel ist ein Rührflügel ohne
Umhüllung oder ein Rohr wie zum Beispiel ein Saugrohr,
welches das Strömungsmuster eingrenzt. Die Verwendung von
Ablenkplatten entlang der Wände des Tanks stellt keine
Umhüllung des Rührflügels dar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum
Dispergieren eines Fluids in eine Flüssigkeit, in der
Feststoffe suspendiert sein können, angegeben, wobei die
Vorrichtung folgendes umfaßt einen Behälter bzw. Tank mit
einem Boden und Seitenwänden, die sich in axialer Richtung
des Tanks erstrecken, einen Rührflügel, der ein
Strömungsmuster in einer in dem Tank befindlichen Flüssigkeit
erzeugt, einen Antrieb, der den Rührflügel in Drehung
versetzt, und einen in dem Tank befindlichen Fluidauslaß,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rührflügel ein offener axial
angeordneter Rührflügel ist, der ein wiederkehrendes
axiales Strömungsmuster mit im wesentlichen axialen
Strömungskomponenten, die zwischen dem Boden des Tanks und dem Pegel
der darin befindlichen Flüssigkeit nach oben und nach unten
verlaufen, und einer radialen Strömungskomponente in
Richtung quer zum Boden des Tanks zu den Seitenwänden hin
erzeugt, wobei die von dem Rührflügel weggehende Strömung
eine vorwiegend axiale, nach unten zum Boden des Tanks
gerichtete Strömung und eine vorwiegend radiale Strömung in
Richtung zu den Seitenwänden des Tanks ist, und daß der
Fluidauslaß außerhalb des Durchmessers (D) des Rührflügels
und in einer Höhe über dem Boden des Tanks von bis zu etwa
0,5D angeordnet ist, so daß er sich in einem Bereich des
Tanks befindet, der sich zwischen dem Boden des Tanks und
dem Rührflügel erstreckt, um das Fluid in dem Auslaßstrom
nach außen zu leiten, wo die Strömung in axialer Richtung
verläuft, und nach innen, wo die Strömung in radialer
Richtung verläuft, so daß das Fluid der axial nach außen
gerichteten Strömung nicht entgegenwirken kann.
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Kurz gesagt, ein Mischsystem zur Abgabe eines Fluids wie
zum Beispiel Gas in eine Flüssigkeit, in der Feststoffe
suspendiert sein können, und das die Erfindung verkörpert,
verwendet einen Tank mit einem Boden und Seitenwänden, die
sich in axialer Richtung des Tanks erstrecken. Der Tank
enthält die Flüssigkeit, mit der er bis zu einem bestimmten
Pegel über seinem Boden gefüllt ist. Es werden Rührflügel
verwendet, die ein axiales Strömungsmuster erzeugen mit im
wesentlichen axialen Komponenten, die zwischen dem Boden
des Tanks und dem Pegel der darin befindlichen Flüssigkeit
nach oben und nach unten verlaufen, und einer radialen
Strömungskomponente in Richtung quer zum Boden des Tanks zu
seinen Seitenwänden hin. Die von dem Rührflügel weggehende
Strömung ist die axial nach unten zum Boden des Tanks und
radial zu den Seitenwänden des Tanks gerichtete Strömung.
Einrichtungen wie eine Sprühvorrichtung sind vorgesehen, um
das Fluid in die vom Rührflügel weggehende Strömung
einzuleiten, wobei die Strömung außerhalb davon im wesentlichen
axial und innerhalb davon im wesentlichen radial verläuft.
Dann kann das Fluid (in den meisten Fällen Gas) der axialen
Strömung der Flüssigkeit nicht entgegenwirken.
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Das Gas oder Fluid (das eine Flüssigkeit sein kann) hat
eine geringere Dichte als die Flüssigkeit, in der das Fluid
dispergiert werden soll.
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Die Sprühvorrichtung befindet sich in dem Bereich des
Tanks, der sich zwischen dem Boden des Tanks und dem
Rührflügel erstreckt, und liegt außerhalb des Durchmessers
des Rührflügels, vorzugsweise in einer Höhe, die etwa der
Höhe der Unterkanten der Schaufeln des Rührflügels
entspricht. Vorzugsweise ist der Auslaß der Sprühvorrichtung
so weit unten angeordnet wie praktisch möglich ist, ohne
die radiale Strömung über den Boden des Tanks zu
blockieren. Eine Höhe von ungefähr 1/10 des Durchmessers des
Rührflügels (ungefähr 0,1D) wird derzeit bevorzugt. Die
Vorteile der Erfindung (höhere Gasgeschwindigkeiten, ehe es
zur Flutung kommt, als bei herkömmlichen
Gasdispersionssystemen mit axialer Strömung) lassen sich erzielen, wenn der
Auslaß der Sprühvorrichtung ungefähr bis zu 1/2D über dem
Boden des Tanks angeordnet ist. Der Rührflügel selbst kann
in einer Höhe von 0,15D bis 2,0D angeordnet sein. In diesem
Zusammenhang und in der vorliegenden Beschreibung ist die
Höhe der Abstand von der Mittellinie in einer Ebene
senkrecht zur Drehachse des Rührflügels zur Mitte des
Rührflügels. Die Größe des Tanks ist nicht entscheidend. Bei
großen Tanks können mehrere Rührflügel übereinander auf
derselben Welle montiert sein. Normalerweise liegt der
Tankdurchmesser T in einem solchen Bereich, daß das
Verhältnis von D zu T (D/T) ungefähr 0,1 bis 0,6 beträgt.
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Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Mischsystems wird
derzeit auf einen ganzen Komplex von Faktoren
zurückgeführt, die alle dazu beitragen, daß der Axialrührer
weiterhin selbst bei hohen Gasgeschwindigkeiten als Rührschaufel
für Fluide wirken kann, ohne daß es zum Fluten kommt.
Rührflügel für Fluide erzeugen ein Druckdifferential in dem
Fluid an den Rührschaufeln. In Gegenwart von Gas kann es
sein, daß die Rührschaufeln aufgrund des niedrigen Druckes
auf der Ansaugseite der Schaufeln stehenbleiben oder sich
trennen (weil das Fluid nicht an der Ansaugfläche der
Rührschaufel entlangströmt), wodurch das Druckdifferential und
die Pumpleistung reduziert werden. Wenn Gas in den Tank
eingeleitet wird, sammelt sich das Gas auf der Ansaugseite
der Schaufeln. Diese Hohlräume mit Gas werden größer, bis
die gesamte Ansaugfläche der Schaufel mit einem Gashohlraum
gefüllt sein kann. Wenn mehr Gas eingeleitet wird, ist die
gesamte Schaufel in Gas eingehüllt und wird daher nicht in
axialer Richtung pumpen, was durch das Druckdifferential an
der Schaufel erreicht wird. Dann kommt es zum Fluten.
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In einem erfindungsgemäßen System schert der Auslaßstrom
des Rührflügels die Gasbläschen und erzeugt eine feinere
Dispersion, und außerdem kann der Rührflügel ein Vielfaches
der Gasmenge verarbeiten, ohne daß es zur Flutung kommt. Zu
den Faktoren, die unter anderem für diese verbesserte
Leistung verantwortlich sind, gehört die Tatsache, daß die
Energie des Gases der Energie des Mischers nicht
entgegenwirkt, weil der Rührflügel unter ihm angeordnet ist wie bei
einem herkömmlichen System. Die Erfindung ist natürlich
nicht auf eine bestimmte Theorie oder Ausführungsform des
hier beschriebenen und beanspruchten Systems begrenzt.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
Erfindung sowie derzeit bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung werden aus einer Lektüre der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den bei liegenden Zeichnungen
besser ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1A, 1B und 1C schematische Ansichten von
Rührflügelsystemen zum Dispergieren von Gas, wo die Möglichkeiten
dieser Systeme zum Dispergieren von Gas gezeigt sind. Diese
Ansichten werden oben erläutert und als "Stand der Technik"
bezeichnet.
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Fig. 2A und 2B sind schematische Ansichten von
Mischsystemen gemäß derzeit bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung; das in Fig. 2A gezeigte System verwendet einen
Axialrührer vom Typ A315 der Mixing Equipment Company, 135 Mount
Read Boulevard, Rochester, New York, U.S. 14603, der in der
oben erwähnten Patentanmeldung von Weetman beschrieben ist;
und in Fig. 2B wird ein Axialrührer verwendet, der eine als
A200 bekannte Schaufelblatt-Turbine ist, die ebenfalls bei
der Mixing Equipment Company erhältlich ist und vier
Schaufeln besitzt, die in einem Winkel von 45º zur Drehachse des
Rührflügels angeordnete Platten sind.
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Fig. 3A und 3B zeigen Kurven, wo die drei Parameter
einander gegenübergestellt sind, nämlich Flutung (der
Flutungspunkt), Ruheinhalt (U) und Fluidkraft, die mit dem in Fig.
2A bzw. 2B dargestellten System in einem herkömmlichen
Gasdispersionssystem mit axialer Strömung der in Fig. 1A und
1B gezeigten Art erreicht werden.
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Fig. 4 zeigt eine Reihe von Kurven, die die Beziehung des
K-Faktors (relativer Energieverbrauch oder Verhältnis des
Energieverbrauchs Pg zu Pug für den von Gas durchströmten
und nicht von Gas durchströmten Zustand bei konstanter
Drehzahl des Rührflügels) für eine mehrere verschiedene
Arten von Mischsystemen darstellen. Die Kurven zeigen, wo der
K-Faktor abfällt, was darauf hindeutet, daß es hier zu
einer Flutung kommt. Die Kurve für einen Radialrührer vom Typ
Rushton ist mit R100 gekennzeichnet. Die Kurve für ein
System, das mit einer Schaufelblatt-Turbine (PBT) mit
rotierendem Kegel arbeitet (mehr Information darüber findet man
im US-Patent 4,066,722, erteilt am 3. Januar 1978), ist
hier mit PBT bezeichnet. Die Kurve für einen Axialrührer
vom Typ A310, der bei der Mixing Equipment Company
erhältlich ist und mit einem Sprühring oder -rohr gemäß Fig. 1A
und 1B arbeitet (siehe Weetman, US-Patent 4,468,130,
erteilt am 28. August 1984), ist mit A310 gekennzeichnet. Die
mit A315 gekennzeichnete Kurve gilt für ein herkömmliches
System, wie es in Fig. 1A und 1B gezeigt ist (oder mit
einem Sprühring anstelle des Sprührohres unter Verwendung
eines Axialrührers vom Typ A315, wie er in der obengenannten
US-Patentanmeldung von Weetman beschrieben ist). Die mit
Fig. 2A gekennzeichnete Kurve zeigt den K-Faktor und das
Fehlen jeglicher Flutung weit über der Gasgeschwindigkeit
von jedem der anderen in Fig. 4 dargestellten Systeme.
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Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen von
Sprühringen, die in Mischsystemen gemäß der Erfindung verwendet
werden können.
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Fig. 6A und 6B sind eine Draufsicht bzw. eine Unteransicht
einer anderen Sprühvorrichtung, die gemäß der Erfindung
verwendet werden kann.
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Fig. 7 zeigt Querschnittansichten verschiedener Typen von
Auslaßöffnungen, die bei der in Fig. 6A und 6B gezeigten
Sprühvorrichtung verwendet werden können; die in Fig. 7
gezeigten Querschnitte verlaufen längs der Linie 7-7 von Fig.
6B.
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Anhand von Fig. 2A und 2B sind erfindungsgemäße
Mischsysteme schematisch dargestellt, die bis auf den Rührflügel
30a von Fig. 2A und den Rührflügel 30b von Fig. 2B gleich
sind. In Fig. 2A handelt es sich bei dem Rührflügel um
einen Rührflügel vom Typ A315 mit vier Schaufeln, die
paarweise einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Die Schaufeln sind im allgemeinen im rechten Winkel
angeordnet, wobei Wölbung und Verwindung in Richtung zur Welle
32 zunehmen. Der Rührflügel 30b ist eine
Schaufelblatt-Turbine mit vier Schaufeln, die einander diametral
gegenüberliegend paarweise angeordnet sind. Jede Schaufel ist eine
Platte, die im Winkel von 45º zur Drehachse des Rührflügels
ausgerichtet ist, welche die Achse 34 der Welle 32 ist. Die
dargestellte Schaufelblatt-Turbine 30b (PBT) ist vom Typ
A200. Der Rührflügel wird durch ein Antriebssystem
betätigt, das aus einem Motor 36 und einem Getriebe 38 besteht,
das auf einer Tragvorrichtung angeordnet ist, die
schematisch als Träger 39 und 40 dargestellt ist, die über einem
Tank 42 angeordnet sind, der Flüssigkeit mit darin
suspendierten
Feststoffen enthält. Die nicht von Gas durchströmte
Höhe Z und der Ruheinhalt U sind für den Fall dargestellt,
wo das Gas vollständig dispergiert ist.
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Es sind Ablenkplatten vorgesehen, von denen zwei bei 44 und
46 angedeutet sind, die sich von den Seitenwänden 48 des
Tanks 42 radial nach innen erstrecken. Der Boden 50 des
Tanks kann flach sein. Der Boden kann auch gekümpelt oder
mit festem Umriß sein. Bei Verwendung eines gekümpelten
Bodens wird die Höhe jeweils entlang der Senkrechten zum
Boden bis zu dem Punkt gemessen, wo die Senkrechte den Boden
schneidet. Die Ablenkplatten können auf dem Umfang um die
Achse 34 jeweils im Winkel von 90º zueinander angeordnet
sein.
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Die Rührflügel 30a und 30b sind so ausgelegt, daß sie nach
unten pumpen, wobei ihre Druckflächen die Unterseiten 55
der Schaufeln 52 sind, und ihre Saugflächen die Oberseiten
54 der Schaufeln sind. Die Schaufeln besitzen Ober- und
Unterkanten, die bei 56 und 58 angedeutet sind. Der
Durchmesser des Rührflügels zwischen den Spitzen der Schaufeln (der
überstrichene Durchmesser) ist mit D gekennzeichnet. Der
Rührflügel besitzt eine Mittellinie 60, die in einer Ebene
senkrecht zu der durch den Mittelpunkt des Rührflügels
verlaufenden Achse 34 liegt (in der Mitte zwischen der
Oberkante 56 und der Unterkante 58). Die Höhe des Rührflügels
über dem Boden des Tanks wird gemessen zwischen der
Mittellinie 60 und dem Boden 50 des Tanks und ist mit C
gekennzeichnet.
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Die Auslässe für das Gas werden durch am Umfang im Abstand
voneinander angeordnete Durchbrüche oder Öffnungen 62 in
einem Sprühring 64 gebildet. Der Abstand zwischen den
Sprühöffnungen 62 und dem Boden 50 des Tanks ist mit L
gekennzeichnet. Wenn der Boden 50 gekümpelt oder mit festen
Umrissen versehen ist, ist L der Zwischenraum. Der Abstand
zwischen den diametral einander gegenüberliegenden
Öffnungen 62 ist der Sprühdurchmesser Ds. Ds ist größer als D.
Vorzugsweise beträgt Ds etwa 1,3D bis 1,4D. Die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2A und 2B sieht
sowohl die Schaufeln als auch die Sprühvorrichtung 64 in
einer solchen Höhe vom Boden des Tanks vor, daß die
Auslässe 62 in einer Linie mit den Unterkanten 58 des
Rührflügels 30 (bzw. in derselben horizontalen Ebene wie diese)
angeordnet sind.
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Man hat festgestellt, daß der Hauptvorteil der Erfindung
(höhere Gasgeschwindigkeiten vor dem Fluten) dann erreicht
wird, wenn die Höhe L der Sprühöffnung 62 etwa 0,5D oder
weniger beträgt. Die bevorzugte Höhe ist ungefähr 0,1D. In
den in Fig. 2A dargestellten Ausführungsformen beträgt L
ungefähr 0,094D, und in Fig. 2B beträgt L 0,092D. In Fig.
2A beträgt C ungefähr 0,26D, und in Fig. 2B beträgt C
ungefähr 0,17D. In Fig. 2A beträgt der Durchmesser D des
Rührflügels A315 etwa 41,4 cm (16,3 Zoll), während der
Rührflügel A200 von Fig. 2B einen Durchmesser von 40,4 cm (16,0
Zoll) besitzt. L hat einen Abstand von 3,81 cm (1,5 Zoll)
vom Boden 50 des Tanks 42. Die Auslässe des Sprührings
haben vorzugsweise den 1,3- bis 1,4fachen Durchmesser des
Rührflügels (Ds = 1,3D bis 1,4D). In den in Fig. 2A und 2B
dargestellten Ausführungsformen ist Ds = 1,35D. Die
Öffnungen 62 sind im Winkel von 180º angeordnet, wobei 0º die
Oberseite des Rings ist und parallel zur Achse 32 verläuft.
Mit anderen Worten, die Öffnungen weisen nach unten.
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Die Höhe C des Rührflügels kann im Bereich von 0,15D bis 2D
(C = 0,15D bis 2D) liegen. Die Höhe L der Sprühöffnung 62
kann bei ungefähr 0,1D bleiben, kann aber auch höher liegen
bis zu etwa 0,5D. Das Fluten setzt ein bei größeren
Gasgeschwindigkeiten, wenn die Öffnungen 62 in einer Linie mit
der Unterkante 58 der Rührschaufeln liegen und die als
Verhältnis C/D ausgedrückte Höhe am unteren Ende dieses
Bereichs liegt. Diese Merkmale werden aus Fig. 3A und 3B
besser ersichtlich. Der Durchmesser des Tanks, und ob der Tank
im Querschnitt geradlinig oder rund ist, ist nicht
entscheidend. Gute Ergebnisse sind zu erwarten, wenn der
Tankdurchmesser T, ausgedrückt als Verhältnis D/T, im Bereich
von etwa 0,1 bis 0,6 liegt.
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Das Strömungsmuster ist durch die Pfeile angegeben und
weist eine einzige Schleife auf, die natürlich ein Torus
ist, dessen axiale Komponenten von dem Flüssigkeitspegel
oben im Tank bis zum Boden des Tanks verlaufen, wobei sich
am Boden des Tanks ein radiales Strömungsmuster befindet.
Die von dem Rührflügel weggehende Strömung ist die axiale
und die radiale Komponente am Boden des Tanks in Fig. 2A
und 2B, wobei die weggehende Strömung im wesentlichen die
radiale Komponente am Boden des Tanks ist. Die
Sprühauslässe 62 sind innerhalb der radial weggehenden Strömung und
außerhalb der axial weggehenden Strömung angeordnet. Die
radiale Strömung schert bzw. zerteilt das Gas in winzige
Bläschen, die dann gleichmäßig in dem gesamten
Flüssigkeitsvolumen in dem Tank dispergiert sind. Bei dem axialen
Strömungsmuster bleiben Feststoffe in Suspension. Wenn sich
die Feststoffe in Suspension befinden, kommt es zu einer
minimalen Scherwirkung. Der hohe Wirkungsgrad der
Mischsysteme mit axialer Strömung wird beibehalten. Die
Leistungszahl NP beispielsweise, die gleich P/(rho)N³D&sup5; ist, ist
etwa 5 mal kleiner als die Leistungszahl von Radialrührern.
Bei der Definition der Leistungszahl NP ist P die dem
Rührflügel zugeführte Leistung in Watt, (rho) ist die Dichte
der Flüssigkeit (in Kilogramm pro Kubikmeter), N ist die
Drehzahl des Rührflügels in Umdrehungen pro Sekunde, und D
ist der Durchmesser des Rührflügels in Metern (der von den
Spitzen der Rührschaufeln überstrichene Durchmesser).
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Die mit dem erfindungsgemäßen Mischsystem und insbesondere
mit den in Fig. 2A und 2B dargestellten Systemen erzielten
neuen und überraschenden Ergebnisse sind in Fig. 3A bzw. 3B
veranschaulicht. In beiden Fällen ist das System mit dem
Sprühring 64 gemäß Fig. 2A und 2B in einer Höhe von
ungefähr 0,09D über dem Boden 50 des Tanks 42 ausgeführt. Die
als Verhältnis C/D ausgedrückte Höhe des Rührflügels ist
unterschiedlich und ist auf der X-Achse der Kurve
dargestellt. Die Daten in diesen Kurven wurden bei einem
Durchmesser des Sprührings von 55,1 cm (21,7 Zoll), gemessen bei
Ds, ermittelt. Es wurde ein Vergleich mit einem
herkömmlichen System durchgeführt, bei dem ein Axialrührer vom
selben Typ und Durchmesser (Typ A315 mit 41,3 cm bzw. 16,3
Zoll Durchmesser und Typ A200 mit 40,04 cm bzw. 16,0 Zoll
Durchmesser) verwendet wurde, wobei sich der Auslaß des
Sprührohres unter dem Rührflügel befand, wie in Fig. 1A und
1B gezeigt.
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Drei Parameter sind für verschiedene Verhältnisse C/D über
einen Bereich bis zu C/D = 2 aufgetragen, woraus
ersichtlich ist, daß bei einem Bereich von 0,15 bis 2,0 für das
Verhältnis C/D Vorteile erzielt werden. Es sind drei Kurven
aufgetragen, die den Beginn des Flutens zeigen. Diese Kurve
ist mit "Flutung" gekennzeichnet. Die zweite Kurve ist mit
"Ruheinhalt" gekennzeichnet und stellt den Parameter U dar.
Je größer der Ruheinhalt, umso mehr Gas wird dispergiert,
und umso größer ist das Stoffübergangspotential (Gas in
Flüssigkeit). Die dritte Kurve ist mit "Fluidkraft"
gekennzeichnet. Fluidkräfte sind die auf Rührflügel und Welle
einwirkenden veränderlichen Reaktionskräfte, die dazu
neigen, die Welle zu verbiegen. Wenn diese Kräfte reduziert
sind, wird die mechanische Unversehrtheit des Mischsystems
aufrechterhalten und während des Betriebs weniger leicht
beeinträchtigt. Weitere Informationen zu den Fluidkräften
und Verfahren zu deren Messung finden sich im US-Patent
4,527,905 von Weetman. Aus Fig. 3A wird ersichtlich, daß
die Fluidkräfte in dem gesamten C/D-Bereich immer kleiner
sind als bei dem herkömmlichen System. Der Flutungspunkt
tritt bei Gasgeschwindigkeiten ein, die 1,6 bis 4,8 mal so
groß sind wie bei dem herkömmlichen System. Der Ruheinhalt
ist ebenfalls größer. Bei dem in Fig. 3B gezeigten System
A200 (PBT) werden die Fluidkräfte in diesem Bereich nicht
wesentlich beeinträchtigt. Ruheinhalt und Flutungspunkt
sind jedoch bis fast zum 4fachen beim Flutungspunkt und bis
fast zum 2,8fachen beim Ruheinhalt verbessert.
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Eine andere Möglichkeit der Betrachtung des Punktes, an dem
es zur Flutung kommt, ist die Untersuchung des K-Faktors.
Die auffallende Überlegenheit des erfindungsgemäßen Systems
ist in Fig. 4 veranschaulicht. In dieser Figur werden
sowohl die herkömmlichen Rushton-Turbinen als auch andere
Typen von herkömmlichen Mischsystemen mit axialer Strömung
mit dem in Fig. 2A gezeigten System verglichen. Bei dem in
Fig. 2A gezeigten System setzt die Flutung bei ungefähr
2,83 Standard-m³/min ein (100 SCFM).
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Fig. 5 veranschaulicht verschiedene Ausführungsformen des
Sprühringes 64. Der in Fig. 2A und 2B gezeigte Ring ist in
Teil a von Fig. 5 dargestellt. Die Ausrichtung dieses
Ringes kann, wie aus den Teilen e und f ersichtlich ist, von
0º bei f bis 270º (nach innen in Richtung zur Drehachse 34)
bei e variieren. Teil b zeigt einen rechteckigen
Ringquerschnitt, was eine Form eines geradlinigen Querschnitts ist.
Teil c zeigt einen elliptischen Querschnitt, und Teil d
zeigt einen dreieckigen Querschnitt, wo die Öffnung 62 im
Innenschenkel des Dreiecks liegt.
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Anhand von Fig. 6A, 6B und Fig. 7 ist eine Sprühvorrichtung
in Form eines gabelförmigen Rohres 70 mit vier Öffnungen
oder Auslässen in Form von Rohrsegmenten 74, 76, 78 und 80
dargestellt. Die Auslässe liegen im Abstand L vom Boden 50
des Tanks (Fig. 6A). Die Ausrichtung ist in bezug auf die
Drehachse 34 dargestellt. In Fig. 7 ist zu sehen, daß die
Segmente am Boden offen und entweder flach (senkrecht zur
Achse 34) oder von der Achse nach innen oder nach außen
abgewinkelt oder gebogen sein können. Die Segmente haben eine
geschlossene Endkappe mit einer Außenbohrung, wie bei 74 in
Fig. 7D gezeigt.
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Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, daß ein
verbessertes Mischsystem geschaffen wurde, das zum
Dispergieren von Gas besonders geeignet ist. Systeme dieser Art
haben gegenüber herkömmlichen Systemen zum Dispergieren oder
Einsprühen von Gas mit axialer Strömung, wo Axialrührer
verwendet werden, überraschende Vorteile.