DE9203937U1 - Vorrichtung zum Umrühren in mehreren Stufen - Google Patents

Description

VORRICHTUNG ZUM UMRÜHREN IN MEHREREN STUFEN Technisches Gebiet

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umrühren in mehreren Stufen. Insbesondere betrifft die Neuerung eine Vorrichtung solcher Art, die einen Durchlauftank mit einer senkrechten Rührwelle umfasst, an der Rührorgane in wenigstens zwei verschiedenen Höhenlagen angebracht sind. Ausserdem befindet sich ein Stufenabgrenzungsorgan auf der Rührwelle bei einem oberen Rührorgan, so dass sich im Tank ein oberer Stufenraum bildet, der das obere Rührorgan enthält, und ein unterer Stufenraum, der ein unteres Rührorgan enthält. Dabei sind Massnahmen ergriffen, dass ein umzurührendes, durchlaufendes Fluidum dem einen Stufenraum zugeführt und aus dem zweiten Stufenraum im Tank meist von oben nach unten abgeleitet wird. 15

Technischer Hintergrund

Bei vielen kontinuierlichen Prozessen innerhalb der chemischen und biologischen Technik besteht die Aufgabe, eine konstante Verweilzeit zu erreichen, d.h. jeder Partikel oder jedes Flüssigkeitselement soll sich in einem Prozessvolumen eine gewisse, ziemlich gut definierte Zeit aufhalten. Beispiele solcher Prozesse sind Kaustizierung, Ausflocken, Auslaugen, Kristallisieren und Stickstoffreduktion .

in einem gewöhnlichen kontinuierlichen Prozess mit Umrührung werden unter idealen Verhältnissen die entsprechenden Komponenten eine Verweilzeit haben, die sich gemäss nachstehender Gleichung verteilt

wobei &tgr; = V/Q die durchschnittliche Verweilzeit ist.

Wenn man statt dessen den Prozess in mehreren Stufen ausführt, ergibt sich eine Verteilung der Verweilzeit gemäss dem Integral

+ &igr;»
P(t) = i/(2-i) / &Pgr; ( _L_ ) exp(p*t)dp

Wenn alle durchschnittlichen Verweilzeiten gleich sind, kann man dies wie folgt schreiben

P(t) = (tⁿ/(n-i)!)*exp(-t/Ti)

Die Form der Lösungen für verschiedene Werte für &eegr; zeigt, dass man, indem man den Prozess mehrere Stufen durchlaufen lässt, es verhindern kann, dass ein grosser Teil der enthaltenen Komponenten den Prozess so rasch durchläuft, dass sie nicht beeinflusst werden. Die Streuung der Verweilzeit wird geringer für zunehmende Vierte für n. In der Praxis kommen Installationen mit mehr als vier Stufen sehr selten vor.

Der gewöhnlichste Grund hierfür ist rein wirtschaftlich. Mehrere kleine Tanks mit Umrührern kosten mehr als ein grosser Tank mit einem Umrührer und beanspruchen ausserdem grössere Bodenfläche für die Installation. Um die Installationskosten auf einem Minimum zu halten, wünscht man eigentlich meistens, die Stufen übereinander in einem gemeinsamen Umrührer anzubringen. Eine solche Lösung führt indessen zu praktischen Schwierigkeiten, wenn man die erforderlichen Rührorgane montieren und ansonsten im Tank Arbeiten ausführen will. Als ein Kompromiss hat man daher manchmal versuchsweise Lösungen angewandt, bei denen der vertikale Durchfluss von einem Umrührerpropeller mit Hilfe eines nach oben konkaven, schalenförmigen Abgrenzungsorgans abgelenkt wird, das unter dem Rührpropeller an der Rührwelle befestigt ist und eine partielle Abgrenzung zwischen einem obe-5 ren und einem unteren Stufenraum im Tank darstellt. Die Erfahrungen von solchen Installationen zeigen indessen,

dass es nur gelingt, eine unbedeutende Verbesserung der Verweilzeit zu erreichen, die in obigen Formeln einem Wert von &eegr; = 1 entspricht.

Das Problem bei einer Installation dieser Art besteht darin, dass der Durchlauf durch den Prozess normalerweise nur eine sehr langsame Durchströmung durch den grossen Spalt zwischen dem Schalenorgan und der Tankwand zu erzeugen vermag. Fluidum aus dem unteren Volumen dringt deshalb durch sogenanntes Mitnehmen in das obere Volumen ein und wird mit Fluidum von dort vermischt und umgekehrt. In der Praxis führt ein solches Durchmischen dazu, dass sich das obere und untere Flüssigkeitsvolumen im Laufe von fünf Mischzeiten vermischen. Da bei einem typischen Prozess die Mischzeit in der Grössenordnung von Minuten liegt, wogegen die Verweilzeit in der Grössenordnung von Stunden liegt, versteht man, dass die Verweilzeitverteilung im grossen gesehen wie für &eegr; = 1 in obigen Gleichungen wird.

Zweck der Neuerung

Die Neuerung hat zur Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung der einleitend abgezielten Art hervorzubringen, mit der die obigen Probleme in wesentlichem Ausmass auf eine konstruktiv einfache und preiswerte Art und Weise ausgeräumt werden.
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Zusammenfassung der Neuerung

Die neuerungsgemässe Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die für die vorliegende Neuerung wesentlichen Kennzeichen aufweist, die in den nachstehenden Schutzansprüchen angegeben sind.

Die neuerungsgemässe Vorrichtung kennzeichnet sich somit im wesentlichen dadurch, dass der um das Stufenabgrenzungsorgan herum verlaufende Überströmungsdurchlass zwischen den Stufen im Tank so gering ist, dass die Geschwindigkeit eines Prozessfluidums, das infolge dessen Prozessdurchlaufes den Tank durchströmt, ausreichend gross ist, um ein Überströmen von Fluidum infolge von durch das Umrühren selbst

erzeugten vertikalen Fluidumgeschwindigkeitskomponenten zu verhindern. Hierdurch wird auf effektive Art und Weise ein unerwünschtes Durchmischen der Fluide in den beiden aneinander angrenzenden Stufenvolumen verhindert.

Nach einer vorgezogenen Ausführungsform der neuerungsgemässen Vorrichtung ist ein ringförmiges Plattenelement an der Tankwand angebracht und streckt sich nach innen zum Stufenabgrenzungsorgan, um mit demselben einen Spalt zu bilden. Insbesondere können sich die Randbereiche des Plattenelementes und des Stufenabgrenzungsorganes etwas überlappen, um zwischen denselben einen Spalt zu bilden.

Um ein Sedimentieren auf dem ringförmigen Plattenelement zu verhindern, kann letzteres auf vorteilhafte Art und Weise nach unten und innen geneigt sein, vorzugsweise mit hauptsächlich konischer Form. Auf entsprechende Art und Weise kann auch das Stufenabgrenzungsorgan nach unten und aussen geneigt sein, um ein Sedimentieren auf demselben zu verhindern.

Traditionsgemäss hat man in Vorrichtungen der hier abgezielten Art immer Propellerumrührer verwendet, die am bestensind, wenn es gilt, ein Sedimentieren zu verhindern. Es hat sich indessen erwiesen, dass es in Übereinstimmung mit der Neuerung möglich ist, ein oberes Rührorgan mit scheiben- oder plattenförmiger Konfiguration zu verwenden. Dieses Rührorgan kann dabei das erforderliche Stufenabgrenzungsorgan bilden. Es ist indessen vorteilhaft, als unteres Rührorgan einen Propellerumrührer einzusetzen.

Wünscht man ein kräftigeres Umrühren im oberen Stufenraum, kann das platten- oder scheibenförmige Organ zweckdienlicherweise mit nach aussen gerichteten Rippen, Flossen o.dgl. an der Oberseite versehen werden, d.h. so dass man eine Turbinenform erhält.

Das Stufenabgrenzungsorgan wird zweckdienlicherweise einstellbar an der Rührwelle befestigt, so dass man dem neuerungsgemässen Spalt eine an die vorliegenden Umstände angepasste Dimension verleihen kann.

In einem typischen Prozess mit Umrühren in mehreren Stufen sind die vertikalen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten im Bereich zwischen den Stufenräumen im Tank oft niedriger als 0,2 m/s. Falls der Durchfluss durch den Tank Q m/s beträgt und ein scheibenförmiges Stufenabgrenzungsorgan, das auch das Rührorgan darstellt, einen Durchmesser von r m hat, sollte der Spalt nach der Neuerung typisch eine Abmessung haben von ungefähr

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2Tir 0,2

Wie ohne weiteres einzusehen, ist die neuerungsgemasse Vorrichtung konstruktiv sehr einfach und preiswert herzustellen. Gleichermassen wurde gefunden, dass sie eine ausserordentlich gute Leistung zeigt.

Die Neuerung sei nun näher im Anschluss an Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

0 Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das illustriert, wie sich die Verteilung der Verweilzeit mit zunehmender Anzahl Stufen &eegr; ändert, in Übereinstimmung mit dem einleitend dargelegten Zusammenhang.

Fig. 2 ist eine schematische, senkrechte Schnittdarstellung einer bekannten Vorrichtung zum Umrühren in mehreren Stufen.

Fig. 3 ist eine Ansicht der in Fig. 2 gezeigten Art einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach vorliegender Neuerung.

Fig. 4 ist eine Ansicht der in Fig. 3 dargestellten Art, aber von einer anderen Ausführungsform der neuerungsgemässen Vorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsformen

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm geht deutlich die grosse Bedeutung einer gut funktionierenden Umrührung in mehreren Stufen hervor.

Die in Fig. 2 illustrierte, bekannte Vorrichtung für Umrühren in mehreren Stufen, die nicht den gewünschten guten Effekt ergibt, umfasst einen kreiszylindrischen Tank 1 mit einer senkrecht mittig angebrachten Rührwelle 3, an der ein unterer Propellerumrührer 5 und ein oberer Propellerumrührer 7 drehfest angebracht sind. Der Tank ist in einen oberen Stufenraum 9 und einen unteren Stufenraum 11 durch ein Abgrenzungsorgan 13 aufgeteilt, das ebenfalls drehfest an der Welle 3 befestigt ist und die Form einer kreisförmigen, nach oben konkaven Schale hat. Die Schale hat einen Durchmesser, der typisch ca. 2/3 des Innendurchmessers des Tanks beträgt. Um die Schale herum ist ein breiter ringförmiger Spalt gebildet, der den Überströmungsdurchlass zwischen den Räumen 9 und 11 bildet. Die Schale 13 ist unter dem Propellerumrührer 5 nahe an demselben angebracht. Der untere Propellerumrührer 7 sitzt nahe am Boden 17 des Tanks.

Geeignete, nicht dargestellte Organe sind angebracht, um oben Prozessfluidum dem Raum 9 zuzuführen und um unten im Raum 11 Prozessfluidum abzuleiten.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der neuerungsgemässen Vorrichtung wurden der Propellerumrührer 5 und die Schale 13 durch ein einziges Organ in Form einer kreisförmigen, ebenen Scheibe 21 ersetzt, die drehfest an der Rührwelle 3 befestigt ist. Die horizontale Scheibe 21 stellt somit sowohl das Rührorgan als auch das Stufenabgrenzungsorgan dar.

Parallel zu und hauptsächlich ausserhalb und etwas niedriger als die Scheibe 21 ist ein kreisförmiges Plattenelement 23 an der Tankwand befestigt. Die Randbereiche der Scheibe 21 und Platte 23 überlappen einander, so dass sich ein Überströmungsdurchlass in Form eines Spaltes 25 bildet. Der Spalt ist schmal in Höhenrichtung hat aber eine gewisse

Ausbreitung in Horizontalrichtung. Die Abmessungen des Spaltes wurden so gewählt, dass man die gewünschte Überströmung von Prozessfluidum vom Raum 9 zum Raum 11 erhält. Die Scheibe 21 ist zweckmässigerweise verschiebbar an der Welle 3 angebracht, so dass man die Abmessungen des Spaltes 25 leicht auf den aktuellen Prozess abstimmen kann.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung nach vorliegender Neuerung ist sowohl die Rührscheibe 27 als auch die kreisförmige Platte 29 nach unten-aussen bzw. nach unten-innen mit einer im allgemeinen konischen Form geneigt. Die Randbereiche überlappen einander nicht, sondern der erforderliche schmale Spalt 31 wird zwischen den nahe bei einander liegenden Kanten der Scheibe 27 bzw. Platte 29 gebildet.

Wie ersichtlich trägt die Neigung der Scheibe 27 bzw. Platte 29 nach unten dazu bei, ein Absetzen auf der Oberseite der jeweiligen Scheibe bzw. Platte zu verhindern.

Die Scheibe 21 bzw. 27 könnte auch mit vorzugsweise radial verlaufenden Schaufel- oder Flügelelementen an der Oberseite versehen sein, um einen besseren Rühreffekt im oberen Raum zu ergeben und in erhöhtem Ausmass ein Absetzen auf der angrenzenden ringförmigen Platte 23 bzw. 29 zu verhindern. Die Elemente stehen zweckmässigerweise vertikal von der Platte ab.

Claims (9)

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Umrühren in mehreren Stufen eines durchlaufenden Prozessfluidums, mit einem Durchlauftank mit senkrechter Rührwelle, an der Rührorgane wenigstens in zwei verschiedenen Höhen angebracht sind, wobei ein Stufenabgrenzungsorgan auf der Rührwelle bei einem oberen Rührorgan so angebracht ist, dass sich ein oberer Stufenraum bildet, der das obere Rührorgan enthält, sowie ein unterer Stufenraum, der ein unteres Rührorgan im Tank enthält, wobei das durchlaufende, umzurührende Prozessfluidum dem einen Stufenraum zugeführt und aus dem anderen abgeleitet wird, vorzugsweise von oben nach unten, über einen Überströmungsdurchlass um das Stufenabgrenzungsorgan herum, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmungsdurchlass die Form eines Spaltes hat, der so gering ist, dass die Geschwindigkeit des Prozessfluidums, das infolge des Prozessdurchlaufes durchströmt, ausreichend gross ist, um ein Überströmen von Fluidum infolge von während des Umrührens erzeugten senkrechten Fluidumgeschwindigkeitskomponenten zu verhindern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e &eegr; &eegr; zeichnet, dass ein kreisförmiges Plattenelement an der Tankwand vorgesehen ist und sich nach innen bis zum Stufenabgrenzungsorgan erstreckt, um damit den genannten Spalt zu bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e &eegr; &eegr; zeichnet, dass das kreisförmige Plattenelement und das Stufenabgrenzungsorgan einander überlappen und den Spalt zwischen sich bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kreisförmige Plattenele- ment nach unten-innen geneigt ist, vorzugsweise in konischer Form.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenabgrenzungsorgan auch das obere Rührorgan darstellt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennze ichnet, dass das Stufenabgrenzungsorgan einstellbar an der Rührwelle so angebracht ist, dass sich die Grosse des Spaltes verstellen lässt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenabgrenzungsorgan nach unten und aussen geneigt ist, vorzugsweise in konischer Form.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stufenabgrenzungsorgan platten- oder scheibenförmige Konfiguration hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 8, gekennzeichnet durch vorzugsweise radial verlaufende Schaufel- oder Flügelelemente, die nach oben abstehend an der Oberseite des Stufenabgrenzungsorganes angeordnet sind.