DK170984B1 - Apparat til blanding af strømningsduelige, specielt pastaagtige medier såvel som fremgangsmåde til dets drift - Google Patents

Description

i DK 170984 Bl

Opfindelsen angår et apparat ifølge krav 1' s indledning.

Sådanne røreværker, som de eksempelvis er beskrevet i CH-PS 615 361, kræver for at opnå den ønskede 5 gennemblandingseffekt en relativ stor motoreffekt, hvilket på den ene side giver problemer ved tætningen af den hurtigt roterende aksel og på den anden side fører de høje periferihastigheder såvel som den ved de skarpkantede røreorganer opstående skærevirkning ved de 10 kendte røreværker til produktskader, hvilket er særdeles ufordelagtigt for følsomt røremedie, eksempelvis i næringsmiddelindustrien eller biokemien. Ligeledes er tidsforbruget for en god gennemblanding for højt med henblik på den derved opståede gnidningsvarme.

15 Traditionelle røreværker er eksempelvis beskre vet i følgende offentliggørelser: "Technische StrOmungslehre", Willi Bohi, Vogel Buchverlag Wtlrzburg, 7. oplag, "Liquid Mixing and Processing in Stirred Tanks, 20 F.A. Holland og P. S. Chapman, Reinhold Publishing Corporation, New York 1966, "Fluid Mixing Technology", James Y. Oldshue Ph.

D., Me Graw-Hill Publications Co., New York 1983, "Rilhrtechnik", Hans-Peter Wilke Christian Weber 25 Thomas Fries, Dr. Alfred Hiithig Verlag Heidelberg, 1988, og "Dubbel", w. Beitz og K.-H. Kdttner, Springer Verlag Berling Heidelberg, 15. oplag.

Disse kendte røreværker er gennemgående indret-30 tet til ved hjælp af skarpkantede røreorganer eller kraftige stråledyser at opnå kraftige turbulenser for således at opnå en kraftig hvirvlende bevægelse af blandemediet. Derved kan der også ske en luft indsugning, som i visse tilfælde, eksempelvis ved farveblan-35 ding og i keramikindustrien, er uønsket. I forbindelse med renseanlæg er en god begasning med ilt af største DK 170984 B1 2 betydning, således at aerob nedbrydning ved hjælp af mikrober og bakterier fremmes mest muligt. I forbindelse med de kendte røreværker lader gas- eller luftindsugningen sig kun i ringe grad påvirke på grund af de-5 res høje omløbshastighed.

For at overføre en gas eller en gaskomponent til en væske er det nødvendigt at have en fasegrænseover-flade, der er så stor som mulig. Dette sker enten ved, at gassen via en passende gasfordeler fordeles over he-10 le tværsnittet eller ved, at der med en omrører dannes forskydningsspændinger, hvormed en lokal gasstrøm fordeles til hele beholderindholdet. I det første tilfælde mangler blandeeffekten, og i det andet tilfælde er høje omdrejningstal nødvendige, ulempen ved høje omdrej-15 ningstal er ikke kun det enormt høje energiforbrug, men også den uundgåelige sprøjten omkring af røremediet, hvilket eksempelvis i forbindelse med rensningsanlæg er forbundet med en ubehagelig lugt for omgivelserne.

Endelig stilles der i forbindelse med gennem-20 blanding af fiberholdigt materiale helt specielle krav til et røreværk. Fibrene bliver nemlig hængende på de traditionelle rørevinger og må alt efter anvendelse fjernes med korte mellemrum.

Røreapparater skal af sikkerhedsgrunde som regel 25 være bygget tætsluttende; derved er tætningselementerne en speciel farekilde ved traditionelle blandere med hurtigt roterende aksler.

Endelig skal det endnu engang betones, at det nødvendige høje omdrejningstal for opnåelse af en til-30 fredsstillende røreeffekt betinger et stort energiforbrug og fremkalder en - i flere tilfælde - unødvendig eller sågar uønsket produktopvarmning såvel som luftindsugning.

I Ch-PS 333 494 beskrives en rotationsblander, 35 som på en roterende drivbar aksel har flere vinkelret på dennes akse anbragte helskiver, på hvis omkreds der DK 170984 Bl 3 er befæstet små rør, der er åbne i begge ender. De til to naboskiver befæstigede smårør danner forskellige vinkler med skivernes plan, hvorved der i hele beholderen skal opnås en zone med intensiv gennemblanding og 5 høj strømningshastighed. De anvendte smårør er koniske og peger med deres største åbning i omløbsretningen.

Sådanne apparater, hvis hovedformål er opnåelse af høj turbulens og store strømningshastigheder af mediet, egner sig eventuelt til dispergering og homogeni-10 sering af produkter, hvis partikler med henblik på den senere anvendelse af produktet uden betænkning må blive udsat for de ødelæggende skærekræfter. De er ikke egnet til medieskånende brug i forbindelse med slag- og skærefølsomme produkter.

15 Anbringelsen af røreorganerne på omkredsen af lukkede skiver medfører i øvrigt den ulempe, at der omkring røreorganet praktisk taget kun kan dannes en radial strømning, hvilket i høj grad hæmmer den tilstræbte gennemblanding af totalvolumenet i beholderen eller 20 i det mindste fører til væsentlig længere røretider.

Heroverfor er det den foreliggende opfindelses formål at foreslå et røreapparat, der gør det muligt at overføre også høj følsomme medieblandinger, som f.eks. væsker indeholdende flydende krystaller til en tilstand 25 af homogen blanding på skånsom vis og på kort tid med ringe energiforbrug. I den forbindelse skal, som erfaringen viser, kraftige turbulenser og følgelig også høje omdrejningshastigheder undgås, medens man samtidig også skal tilstræbe at undgå døde zoner.

30 Et yderligere aspekt ved dette formål kan ses i, at røreapparatet ifølge opfindelsen også skal egne sig til afgasning, dvs. afluftning af flydende og pastaag-tige masser, som det eksempelvis er nødvendigt i keramikindustrien.

35 Dette formål opfyldes ved fremgangsmåden og ap- paratet, som er kendetegnet ved den kendetegnende del DK 170984 B1 4 af patentkravene l, 6 og 7.

Fordelene ved opfindelsen ligger såvel i energi-og tidsbesparelsen som i en produktforbedring ved udpræget forsigtig behandling af røremediet. Røreværket 5 sætter sig i bevægelse ved laminar strømning med ringe opstartdrejningsmoment og opnår ved relativt lille bevægelseshastighed af røreorganerne en fremragende blan-deeffekt, som i det væsentlige beror på delte, hinanden modsat rettede strømninger i røremediet. Den praktisk 10 taget fuldstændige gennemblånding indfinder sig allerede efter væsentligt kortere tider, end dette er tilfældet ved kendte røremetoder. Allerede ved det lille omdrejningstal danner den nævnte modstrømning sig. Driveffekten for røreværket kan følgelig holdes væsentligt 15 lavere end dette tidligere var tilfældet.

I forbindelse med gennemløbsneutraliseringsanlæg, som benyttes ved spildevandsrensning, er den korte opholdstid af det medie, som skal renses, af væsentlig betydning. Kendte røreværker bruger alt for meget tid 20 til fuldkommen neutralisering af et rensebassin, således at dette neutraliseringssystem kun meget dårligt lader sig realisere og med meget stort energiforbrug.

På grund af det faktum at røremediet under normaldriften ikke gennemstrømmer røreorganet fuldstæn-25 digt, men at der foran røreorganet udløses en modstrømning på grund af usammentrykkeligheden af væsken, bliver stort set intet hængende på røreorganet, således at en rensning kun kræves sporadisk. I forbindelse med renseanlæg, som har en ekstrem andel fibre, eksempelvis 30 spildevand fra forbindsstoffabrikker, har det yderligere vist sig, at næsten ingen fibre bliver hængende ved røreorganerne, da strømningen trykker dem væk fra røreorganerne. På grund af dette faktum har det ligeledes vist sig, at i forbindelse med væsker med faststoftil-35 sætninger, som naturnødvendigt indeholder luftandele (fibre), samler luften sig under den korte blandings- DK 170984 B1 5 proces omkring og i røreorganerne og ved kort afbrydelse af blandingsprocessen eller ved kort hastighedsformindskelse stiger den til overfladen som store bobler for hvert røreorgan og befrier således røremediet for 5 luften. Ved dette faktum er brokprocenten i keramikindustrien i forbindelse med procelænsfremstilling blevet reduceret med op til 80%. Ved den skånsomme blandingsproces danner der sig ved farvetoning intet skum. I forbindelse med de nye miljøvenlige, på vandba-10 sis opbyggede farver (nye forskrifter) er en skånsom og hurtig gennemblanding et ubetinget krav. Med hurtigt roterende omrørere er dette resultat ikke opnåeligt.

Takket være en yderst ringe varmedannelse er rø-reværket også særdeles velegnet til følsomme medier, 15 som de eksempelvis kendes fra levnedsmiddelindustrien og biokemien. Det er eksempelvis for første gang lykkedes at blande høj følsom yoghurt uden viskositetsændring på meget kort tid med et røreværk og ikke manuelt som tidligere. Yderligere blev pigmentfarver (hammerlak) 20 tidligere rørt manuelt, men dette kan med den foreliggende fremgangsmåde gennemføres problemløst og i løbet af meget kort tid.

Den udmærkede blandeeffekt tillader at nedsætte blandetiderne væsentligt. Således lader det sig gøre 25 eksempelvis i forbindelse med neutraliseringsanlæg at bringe 18.000 1 spildevand fra en pH på 11 til en pH mellem 6 og 5 i løbet af 20 s med en driftseffekt på 1,5 kW.

Den vidtstrakte medtagelse af røremediet sørger 30 for, at materialet selv i firkantede beholdere og fladbundede beholdere, eksempelvis i containere, langs kanterne og i hjørnerne medtages af strømningen og bliver inddraget i røreprocessen.

Opfindelsen forklares i det følgende ved hjælp 35 af et udførelseseksempel under henvisning til tegningen , hvor DK 170984 B1 6 fig. 1 er en skitse af et apparat ifølge opfindelsen med strømningsbillede, fig. 2 den tilhørede plantegning, fig. 3 et længdesnit gennem et røreorgan i et 5 medie, der skal omrøres, ved ringe startdrejningsmoment med laminar strømning, og fig. 4 et længdesnit gennem et røreorgan i et medie, der skal omrøres, ved normaldrift.

Ifølge fig. 1 er der i en skematisk antydet be-10 holder G anbragt en aksel 2, der i den øvre ende er forsynet med en kobling 1, som muliggør tilslutning af akslen 2 til en ikke vist oven over beholderen G anbragt drivmotor. Til den nederste ende af akslen 2 er befæstiget fire bærearme L. Befæstigelsen til akslen 2 15 kan eksempelvis ske via en mellemdel, som forbinder de fire bærearme L med hinanden, og som er skruet fast på akslen 2 eller på anden kendt måde er forbundet drejningsstift med akslen 2.

På den frie ende af hver bærearm L er anbragt 20 røreorganer 4a, 4b, 4c og 4d. Hvert af disse røreorga-ner er udformet som koniske rørstykker, som har et tværsnit, der forsnævres imod drejeretningen, dvs. i gennemstrømningsretningen. Herved frigiver de radialt fra akslen til røreorganerne forløbende arme mellemrum 25 for den frie gennemstrømning af det rørte medie.

Samtlige røreorganer 4a, 4b, 4c og 4d er anbragt på enden af bærearmene L, således at de i det mindste tilnærmelsesvis ligger tangentielt til overfladen af en tænkt, koaksialt med akslen 2 liggende cir-30 kulær cylinder.

Det keglestubformede grundlegeme kan i den ene eller i begge ender som vist i fig. 3 udmunde i et cylindrisk indløb 81 og/eller udløb 82, hvor overgangszonerne fortrinsvis altid er bertlet konkavt. En 35 meget god gennemblånding opnås, når forholdet mellem indgangs tværsnit Fj^ (fig. 4) og udgangstværsnit F2, DK 170984 B1 7 alt efter røremediets viskositet, ligger mellem 1,4 og 3, hvor en højere værdi skal vælges ved højere viskositet. Yderligere har det vist gunstigt, hvis overkanten af keglestubben er anbragt horisontalt. Åbnings-5 vinklen α burde for de fleste anvendelser ligge mellem 10° og 20®. En åbningsvinkel α på 15® har vist sig velegnet. Formålet med dette er, at der ved anbringelse af røreorganerne i den nederste tredjedel af beholderen dannes en mediecirkulation U, som strømmer 10 gennem de mellem røreorganarmene liggende mellemrum,og at der, under rotation af røreorganerne 4a-4d omkring den nævnte aksel 2, omkring den ringflade, der begrænser indgangstværsnittet for hvert røreorgan, dannes en returstrømzone, og at det rørte medie, der strømmer i-15 gennem og omkring røreorganerne, ikke rammer den nævnte ringflade.

Fig. 3 viser et laminart strømningsforløb af blandemediet, som det forekommer under opstartfasen.

Så snart en minimal hastighed, som for de fleste meider 20 skulle ligge ved omkring 1,3 m/s, bliver overskredet, fremkommer et strømningsbillede som vist i fig. 4.

Fig. 4 viser endnu engang et enkelt røreorgan 8 under rotation i beholderen for at anskueliggøre de optrædende strømningsforhold. Da røreorganet 8, som hæl-25 der en vinkel α på eksempelvis 12® nedad i forhold til horisontalt plan, bevæger sig i pilen P's retning, af bøj es en del af den væske, der befinder sig i bevægelsesretningen, opad og nedad og strømmer omkring røreorganet 8 som antydet langs pilene 9. En anden del 30 af væsken ankommer til den indvendige del af røreorganet 8 i pileretningen 10. Da væskestrømmen imidlertid i den nederste del af røreorganet rammer væggen og der afbøjes i pileretningen 11 opad, opstår der i rø-reorganets indgangsområde en partialstrøm, som strømmer 35 omkring røreorganet 8's indgangskant indefra og udad i pileretningen 12 og dermed kontinuerligt forhind- DK 170984 B1 8 rer, at det rørte medie rammer kanten K (fig. 3) og bliver beskadiget.

Herved antages det, at den fra røreorganet 8 kontinuerligt udgående partialstrøm 12 rammer sammen 5 med den ligeledes efterviseligt forekommende modstrømning 13, hvorved den sidstnævnte også kan give bidrag til, at der på røreorgankanten K, som normalt udgør det kritiske sted for slagfølsomme produkter, dannes det skånende materialepolster.

10 Ved de kendte rørefremgangsmåder derimod rammer røremediet mod rørevingerne, således at der udøves en piskende, slående påvirkning på det røremedie, der befinder sig i nærheden af rørevingerne. Som følge heraf bliver det mekanisk og dermed naturnødvendigt også ter-15 misk hårdt belastet. En sådan belastning kan i forbindelse med forskellige materialer bevirke en ikke længere tolererbar forandring, dvs. beskadigelse.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen bliver de 1 røremediet indeholdte, faste stoffer holdt væk fra de 20 egentlige røreorganer, således at der ikke opstår en direkte kontakt mellem de faste stoffer og røreorganet. Dette viser sig specielt ved omrøring af ekstremt følsomt røremedie, f.eks. ved omrøring af flydende krystaller såvel som i forbindelse med biokemi.

25 Et væsentligt aspekt for apparatet ifølge opfin delsen er det faktum, at røreorganerne 4a, 4b, 4c og 4d ikke er befæstiget til akslen 2 via en lukket skive, men ved hjælp af egerlignende arme L. Kun på denne måde er det nemlig muligt, at der i beholderen G 30 dannes en kontinuerlig sluttet strømning U (fig. 1), som i nærheden af beholdervæggen stiger opad og i beholderens midtområde koaksialt med akslen 2 atter stræber nedad, hvor det strømmer igennem mellemrummene 2 mellem armene L. Ved passage af røreorganzonen bli-35 ver denne varige strømning sat i turbulens af de roterende røreorganer 4a-4d, hvorved denne på den varige DK 170984 B1 9 strømning påtvungne turbulens praktisk taget strækker sig over hele beholderhøjden og bidrager til de overraskende røreresultater ud fra et materialeskånende og røretidsforkortende synspunkt.

5 Det bliver også i denne sammenhæng forståeligt, hvorfor der ved anvendelse af røreorganer befæstiget til hele skiver ikke blot fås en ringere homogenisering men også væsentligt længere røretider: Dannelsen af den varige strømning u forhindres af skiverne, således at 10 der praktisk taget kun optræder radiale strømninger.

Bevægelsen er allerede ved lave hastigheder mere omfattende end i forbindelse med traditionelle røreme-toder. Røremediet bliver også grebet ved kanterne af rørekarret, således at hvis et anvendelsesformål skulle 15 kræve dette, ville et firkantet rørekar eller en flad beholderbund også kunne anvendes uden problemer.

Det dynamiske tryk såvel som den deraf resulterende modstrømning bevirker i fællesskab en afskærmning af røreorganernes kanter, således at næsten ingenting 20 bliver hængende på disse. Derfor kan også fiberholdige medier, som f.eks. forekommer i forbindelse med renseanlæg, omrøres uden betænkeligheder, uden at der i løbet af meget kort tid hænger fibre fast ved røreorga-nerne, og disse fibre forhindrer røreprocessen.

25 Takket være den meget lave omdrejningshastighed og den ekstremt korte blandetid sker der ikke nogen nævneværdig opvarmning af røremediet. Derved egner den ovennævnte udførelse sig også udpræget til bioreaktorer, hvorved de traditionelle køleindretninger kan ude-30 lades, hvilket forenkler det samlede apparatur væsentligt og giver en væsentlig omkostningsbesparelse.

EKSEMPEL

Et firma i "Basler Grosschemie" benytter appa-35 ratet ifølge opfindelsen til at røre rundt i en farve-suspension og holde denne "svævende". De specielt til apparatet stillede krav var særlig følgende: DK 170984 B1 10 1) Røreværket skulle ikke trække luft ind, 2) ved hjælp af meget lave omdrejningstal skulle skumdannelse forhindres, og 5 3) trods det lave omdrejningstal skulle de faste stoffer i beholderen blive ensartet fordelt.

Forsøgsdata:

Beholder: 0 2600 mm Højde: 5600mm Indhold: 16000 1.

10

Medie: Farvesuspension

Viskositet: 0,325 Pa.s

Massefylde: 1 til 1,2

Temperatur: 30-35eC

15 Løsning:

Omrører: Med tre røreorganer, rørediameter 0 1200 mm

Drev : Snekkegearmotor 2,1/2,9 kW polomkobbelbar

Omdrejningstal: 21, henholdsvis 42 omd./min.

20 Røreaksel : 0 60/50 x 5300 mm lang (uden separate støttelejer)

Det resulterede i en udmærket blandingseffekt uden nogen form for skumdannelse allerede efter en ek-25 stremt kort omrøringstid på 18 s ved ringe kraftforbrug og lave anskaffelses- og driftsomkostninger.

I en anden udførelsesform for opfindelsen forbindes bærearmene via et led med omdrejningsakslen 2, således at bærearmene sammen med røreorganerne også 30 nemt kan indføres i beholdere med snævre åbninger. Så snart omdrejningsakslen sættes i bevægelse, arbejder bærearmene sig sammen med røreorganerne på grund af den på dem virkende centrifugalkraft ud i en tilnærmelsesvis vandret arbejdsposition.

35 En yderligere forbedring af gennemblandingen af produktet fås, hvis røreorganerne 4a, 4b, 4c ifølge

Claims (6)

20 Ved brug af røreorganer ifølge opfindelsen og det dermed opnåede strømningsforløb og røretidsnedsættelsen kan yderligere opnås en overraskende reduktion af energiforbruget. Ved sammenligningsforsøg med kendte til cirkelskiver befæstigede røreorganer blev energi-25 forbruget sænket til praktisk taget en tiendedel.

1. Apparat til omrøring af strømningsduelige 30 substanser, specielt til skånsom blanding og/eller af-luftning af højviskose medier, med en beholder (G) og en i denne koaksialt anbragt, lodret aksel (2), til hvilken der i en afstand fra dennes omkreds er befæstet mindst to rørformede, i begge ender åbne røreorganer 35 (4a, 4b, 4c, 4d, 8) på en sådan måde, at disse i det mindste tilnærmelsesvis ligger tangentielt i forhold DK 170984 B1 12 til en tænkt, med akslen koaksial cirkulær cylinder, hvorhos de rørformede røreorganer i det mindste på en del af deres totallængde er konisk udformede og med den ende, der har det største tværsnit, vendende i om- 5 drejningsretningen, kendetegnet ved, at hvert røreorgan er befæstet til akslen (2) ved hjælp af en arm (L), og at længdeaksen for hvert røreorgan yderligere har en nedadrettet vinkel i forhold til vandret på fra 10° til 20°, og at forholdet (F1/F2) 10 mellem røreorganets indgangs- og udgangstværsnit, alt efter røremediets viskositet, ligger mellem 1,4 og 3.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rørecirkeldiameteren er en tredjedel til to tredjedele, fortrinsvis dog halvdelen af diameteren af 15 rørebeholderen (G).

3. Apparat ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at røreorganets længdeakse har en nedadrettet vinkel i forhold til vandret på 14-16°, fortrinsvis dog 15°.

4. Apparat ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den flade, der dannes af den forreste åbning af konussen i forhold til den flade, der dannes af den bageste åbning af konussen, for omrøring af høj viskose produkter forholder sig som 3:2 25 og for tynde produkter som 3:1.

5. Apparat ifølge krav l, kendetegnet ved, at der under røreorganerne på akslen er befæstet et i det væsentlige S-formet yderligere røreorgan (4), som roterer med og som ved brug af store rørebeholdere 30 forhindrer dannelse af en dødzone i centrum.

6. Fremgangsmåde ved omrøring af væsker og pa-staagtige medier og ved drift af apparatet ifølge krav 1, hvorhos akslen i apparatet er anbragt, så den kan forskydes på langs, kendetegnet ved, at af- 35 standen mellem røreorganerne og beholderbunden vælges afhængigt af det rørte medies viskositet på en sådan DK 170984 B1 13 måde, at den største viskositet svarer til den mindste bundafstand.