CH675215A5

CH675215A5 -

Info

Publication number: CH675215A5
Application number: CH430/88A
Authority: CH
Inventors: Kurt Walter Wyss
Original assignee: Kurt Walter Wyss
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1990-09-14
Also published as: FR2626787A1; US5037209A; DE3901894A1; DK170984B1; FR2626787B1; GB2215628B; DK53389A; DK53389D0; GB8902692D0; DE3901894C2; GB2215628A; DE3901894C5

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Rührwerk gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Derartige Rührwerke, wie sie beispielsweise in der CH-PS 615 361 beschrieben sind, erfordern zur Erzielung des gewünschten Durchmischungseffektes eine relativ hohe Motorleistung, was einerseits Probleme bei der Abdichtung der hochtourig umlaufenden Welle mit sich bringt; andererseits führen die hohen Umfangsgeschwindigkeiten sowie die Scherwirkungen der bekannten Rührwerke zu Produktschäden, was für empfindliches Rührgut, wie beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie oder Biochemie, sehr nachteilig ist. Ebenso ist der Zeitbedarf für eine gute Durchmischung im Hinblick auf die dadurch entstehende Reibungswärme zu hoch.

Herkömmliche Rührwerke sind darauf ausgerichtet, durch scharfkantige Rührorgane oder starke Strahldüsen grosse Turbulenzen zu erzeugen, um so eine grosse Verwirbelung des Mischgutes zu erreichen. Dadurch kann es auch zu Lufteinzug kommen, der in gewissen Fällen, beispielsweise bei Farbmischungen und in der Glasindustrie, unerwünscht ist. Bei Kläranlagen hingegen ist eine gute Begasung mit Sauerstoff von grösster Bedeutung, damit der aerobe Abbau durch Mikroben und Bakterien möglichst gefördert wird. Bei den bekannten Rührwerken lässt sich durch deren hohe Umlaufgeschwindigkeit der Gas- bzw. Lufteinzug nur schlecht beeinflussen.

Um ein Gas oder eine Gaskomponente in eine Flüssigkeit zu übertragen, ist eine möglichst grosse Phasengrenzfläche erforderlich. Dies geschieht entweder indem durch einen entsprechenden Gasverteiler das Gas über den gesamten Querschntit verteilt wird, oder indem von einem Rührer Schubspannungen erzeugt werden, mittels denen ein lokaler Gasstrom auf den gesamten Behälterinhalt verteilt wird. Im ersteren Fall fehlt der Mischeffekt und im zweiten Fall sind hohe Drehzahlen erforderlich. Nachteilig bei hohen Drehzahlen ist nicht nur der enorm hohe Energieaufwand, sondern auch das unvermeidliche Herumspritzen des Rührgutes, was beispielsweise bei Kläranlagen mit unangenehmem Geruch für die Umwelt verbunden ist.

Eine Kombination dieser beiden Prinzipien findet sich in den sogenannten Hohlrührern verwirklicht. Die Saugwirkung dieser Rührer wird durch den Unterdruck hervorgerufen, der sich bei der Umströ-mung des rotierenden Rührers durch die Flüssigkeit hinter seinen Kanten ausbildet. Zur Gasförderung werden diese Unterdruckgebiete über Hohlräume oder Kanäle im Rührer und durch eine hohle Rührwelle mit dem Gasraum über der Flüssigkeit verbunden. Je ungünstiger ein Hohlrührer strömungstechnisch gestaltet ist, eine desto grössere Saugwirkung lässt sich bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit mit ihm erzeugen.

Auch hier wird der Unterdruck letztlich durch hohe Drehgeschwindigkeiten erzeugt, wobei der Energieverbrauch durch die strömungstechnisch ungünstige Form zusätzlich erhöht wird. Das Gas wird zwar fein verteilt, aber die Durchmischung des Rührgutes ist unbefriedigend.

Eine gewisse Verbesserung der Durchmischung wird mittels der als «Belüftungspropeller» bezeichneten Vorrichtung gemäss DE-OS 2 511 717 erzielt. Durch eine mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Hohlwelle dringt Luft in einen Tank ein. Die Luft wird nach unten gesaugt und tritt durch Bohrungen in den Flächen der Flügel aus. Der Tankinhalt wird durch die Flügel dauernd in Bewegung gehalten.

Hier wird zwar nebst der Begasung auch ein gewisser Mischeffekt erzielt, jedoch sind wieder hohe Drehzahlen erforderlich, einerseits, um den für den Ansaugvorgang benötigten Unterdruck zu erzielen und andererseits, um die in der Nähe der Löcher des einen Flügels entstehenden Blasen durch den Rücken des anderen Flügels zu zerschlagen.

Ganz besondere Anforderungen schliesslich werden beim Durchmischen von faserhaltigem Material an ein Rührwerk gestellt. Die Fasern bleiben nämlich an den herkömmlichen Rührflügeln hängen und müssen je nach Anwendung in kurzen Abständen entfernt werden.

Rühr- und Begasungsvorrichtungen müssen aus Sicherheitsgründen in der Regel dichtschliessend ausgebildet sein, dabei sind bei herkömmlichen Mischern mit hochtourig umlaufenden Wellen die Dichtungselemente eine besondere Gefahrenquelle.

Schliesslich sei noch einmal betont, dass die zur Erzielung eines befriedigenden Rühreffektes hohe Antriebsdrehzahl einen grossen Energieaufwand und eine - in vielen Fällen - unnötige oder sogar unerwünschte Produkterwärmung sowie Lufteinzug bedingt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Mischen von strömungsfähigen Medien, insbesondere von viskosen bis pa-steusen Flüssigkeiten, vorzuschlagen, welches die obengenannten Nachteile nicht aufweist und mit geringem Energieaufwand, bei niedriger Antriebszahl, eine möglichst homogene und schonende Durchmischung des Rührgutes in möglichst kurzer Zeit gestattet, welche die Verwendung der kostspieligen, für hochtourig rotierende Wellen erforderlichen Dichtungen überflüssig macht und welche mit wenig Aufwand eine sanfte Regelung des Lufteinzuges bzw. feine Verteilung von Gasen oder Zuführung eines weiteren Fluides erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und das Rührwerk gelöst, wie sie im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bis 3 bzw. 4 bis 12 gekennzeichnet sind.

Die Vorteile der Erfindung liegen einmal in der Energie- und Zeitersparnis sowie Produktverbesserung durch ausgesprochen sanfte Behandlung des Rührgutes. Das Rührwerk setzt sich bei laminarer Strömung mit geringem Anlaufdrehmoment in Bewegung und erzielt bei relativ geringer Bewegungsgeschwindigkeit der Rührorgane einen hervorragenden Mischeffekt, der im wesentlichen auf gezielten, einander entgegengesetzten Strömungen innerhalb des Rührgutes beruht. Die praktisch vollständige Durchmischung stellt sich schon nach we-

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sentlich kürzeren Zeiten ein, als dies mit bekannten Rührmethoden der Fall ist. Erst durch die geringe Drehzahl bildet sich die erwähnte Gegenströmung. Die Antriebsleistung des Rührwerkes kann daher wesentlich geringer gehalten werden, als dies bis anhin der Fall war.

Aufgrund der Tatsache, dass das Rührgut das Rührorgan im Normalbetrieb nicht vollständig durchquert, sondern vor dem Rührorgan durch die Inkom-pressibilität der Flüssigkeit eine Gegenströmung auslöst, welche ausserhalb des Rührorgans einen Kegel bildet, bleibt am Rührorgan nahezu nichts hängen, so dass eine Reinigung nur sporadisch erforderlich ist.

Dank einer äusserst geringen Wärmebildung ist das Rührwerk auch für empfindliche Medien, wie wir sie beispielsweise von der Lebensmittelindustrie und Biochemie her kennen, bestens geeignet.

Der ausgezeichnete Mischeffekt erlaubt es, die Mischzeiten stark zu verkürzen.

Die weiträumige Erfassung des Rührgutes sorgt dafür, dass das Material selbst in rechteckigen Behältern und bei flachen Behälterböden, beispielsweise in Containern, in den Kanten und Ecken von der Strömung erfasst und in den Rührvorgang einbezogen wird.

Nicht zuletzt ist gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung eine besonders gleichmässige und gründliche Begasung des Rührgutes aufgrund des zuvor erwähnten Gegenstromprinzips ohne Trombenbildung möglich. Dazu können die Rührorgane, die durch hohle Rührarmkanäle gehalten werden, über eine Zufuhrmöglichkeit, beispielsweise eine Hohlwelle, verfügen, durch welche Zusätze wie Gase, Fluide, Pulver oder granulatförmige Feststoffe in die Grundmasse eingeführt werden können. Durch das sanfte Gegenstrom-Rührsystem mit gleichzeitiger Begasung wie beispielsweise bei Hydrierungen, Chlorierungen, Fermentierungen und der Belüftung von Abwässern, ergeben sich extrem niedere Mischzeiten für eine optimale Vermischung der Erstmasse mit dem fluiden oder festen Zusatz.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfin-dungsgemässen Vorrichtung mit Strömungsbild;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Rührorgan im zu rührenden Medium bei geringem Anlaufdrehmoment mit laminarer Strömung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Rührorgan im zu rührenden Medium bei Normalbetrieb mit Gegenströmung;

Fig. 4 Detailzeichnung zu einer für Begasung oder Zuführung eines weiteren Fluides besonders geeigneten Ausführungsform.

Gemäss Fig. 1 ist in einem schematisch angedeuteten Behälter (G) eine Welle (2) an ihrem oberen Ende mit einer Kupplung (1) versehen, welche den Anschluss der Welle (2) an einen nicht dargestellten, oberhalb des Behälters (G) angeordneten Antriebsmotor gestattet. Am unteren Ende der Welle (2) sind vier Tragarme (L) befestigt. Die Befestigung an der Welle (2) kann beispielsweise über ein Mittelteil erfolgen, das die vier Tragarme (L) miteinander verbindet und auf der Welle (2) verschraubt oder auf sonstige, bekannte Art drehstarr mit der Welle (2) verbunden ist.

An den freien Enden jedes Tragarmes (L) sind Rührorgane (4a, 4b, 4c, 4d) angeordnet. Jedes dieser Rührorgane ist als konischer Rohrabschnitt ausgebildet, welcher einen sich entgegen der Drehrichtung, d.h. in Durchströmungsrichtung, verengenden Querschnitt aufweist.

Sämtliche Rührorgane (4a, 4b, 4c, 4d) sind so an den Enden der Tragarme (L) angeordnet, dass sie mindestens annähernd tangential am Mantel eines gedachten zur Welle (2) koaxialen Kreiszylinders liegen.

Der kegelstumpfförmige Grundkörper kann, an einem oder an beiden Enden, wie in Fig. 2 gezeigt, in einen zylindrischen Einlauf 81 und/oder Auslauf 82 münden, wobei die Übergangszonen vorteilhafterweise jeweils konkav bombiert sind. Eine sehr gute Durchmischung wird erzielt, wenn sich die Radien der Eingangs- bzw. Ausgangsöffnungen wie 3:2 zu einander verhalten. Ferner hat es sich als güstig erwiesen, wenn der obere Rand des Kegelstumpfes horizontal angeordnet ist, Der Winkel a dürfte für die meisten Anwendungen zwischen 10° und 20° liegen. Gut bewährt hat sich ein Winkel a von 15°.

Fig. 2 zeigt nun einen laminaren Strömungsverlauf des Mischgutes, wie er in der Anlaufphase auftritt. Sobald eine Minimalgeschwindigkeit, die für die meisten Substanzen bei etwa 1.3 m/s liegen dürfte, überschritten wird, erfolgt eine Strömungsumkehr, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Es entwickelt sich nämlich im Innern der Konusbereiche 8 ein Staudruck zu einem spitzen Kegel 3, der eine Strömungsumkehr bewirkt. Das Rührgut gleitet nicht mehr laminar durch das Rührorgan 8 hindurch, sondern wird infolge des Staudrucks zur Umkehr gezwungen. Dieser lokale Gegenstrom im Einlaufbereich der Rührorgane sorgt für eine überraschend wirkungsvolle, gleichmässige, intensive und dennoch schonende Durchmischung in relativ kurzer Zeit, welch letztere gegenüber herkömmlichen Rührmethoden stark reduziert ist.

Bei den bekannten Rührverfahren hingegen prallt das Rührgut gegen die Rührflügel, so dass auf das nächst der Rührflügel befindliche Rührgut eine peitschende, schlagende Einwirkung ausgeübt wird. Infolgedessen wird es mechanisch und somit zwangsläufig auch thermisch stark beansprucht. Eine solche Beanspruchung kann bei verschiedenen Materialien eine nicht mehr tolerierbare Veränderung bzw. Schädigung bewirken.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird das Rührgut aufgrund der genannten Gegenstrombil-dung in weitaus schonender Weise und gleichmässi-ger in Bewegung versetzt und zwischen den einzelnen Partikeln herrschen nicht so extreme Geschwindigkeitsunterschiede.

Die Bewegung ist bereits bei niedrigen Geschwindigkeiten raumgreifender als bei den herkömmlichen Rührmethoden. Das Rührgut wird auch in den Kanten des Rührgefässes erfasst, so dass, sofern ein Anwendungszweck dies erforderlich machen sollte,

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auch ein rechteckiges Rührgefäss oder ein flacher Behälterboden verwendet werden könnten.

Der Staudruck sowie die daraus resultierende Gegenströmung bewirken gleichsam eine Abschirmung der Kanten der Rührorgane, so dass an diesen kaum etwas hängen bleibt. Deshalb können bedenkenlos auch faserhaltige Medien gerührt werden, wie dies beispielsweise für Kläranlagen zutrifft, ohne dass in kürzester Zeit Fasern an den Rührorganen hängen bleiben und diese den Rührvorgang behindern.

Erforderlichenfalls ermöglichen die Gegenströmungen ausserdem eine intensive und gleichmässige Begasung. Eine vorteilhafte Ausführungsvariante hierzu ist in Fig. 4 gezeigt. Hierbei weist der Tragarm 5' einen Kanal auf, der in das Rührorgan 8 einmündet. Die Einmündungssteile befindet sich vorzugsweise im hinteren Drittel des Rührorgans 8, wo sich durch den Staudruck ein Hohlraum bildet. Das mit Pfeilen dargestellte Gas wird durch diesen Hohlraum eingespiesen, wo es den Randzonen der Mischkammer entlang besonders fein verteilt in die genannten Gegenströmungen gelangt und auf diese Weise besonders rasch und gleichmässig in das Rührgut verteilt wird. Das Gas erreicht den Kanal des Tragarmes 5' über ein koaxiales Rohr 12, welches die Rührwelle 2 gasdicht umschliesst.

Eine solche Begasung findet beispielsweise bei der Gewässeraufbereitung Anwendung, bei welcher das Rührgut mit sauerstoffreicher Luft durchsetzt wird. Damit wird der aerobe Abbau durch Bakterien und Mikroben beschleunigt. Bei herkömmlichen Methoden wurden hochtourig betriebene Rührflüge! eingesetzt, bei welchen das Abwasser emporgespritzt und auf diese Weise mit Sauerstoff angereichert wurde. Infolgedessen war der Energieverbrauch bis zu zehn mal so hoch wie beim er-findungsgemässen Verfahren.

Dank der sehr niedrigen Umlaufgeschwindigkeit und der extrem kurzen Mischzeit erfolgt keine nennenswerte Erwärmung des Rührgutes. Dadurch eignet sich obige Ausführung auch ausgezeichnet für Bioreaktoren, wobei die herkömmlichen Kühlvorrichtungen weggelassen werden können, was die gesamte Einrichtung wesentlich vereinfacht und eine erhebliche Kosteneinsparung darstellt.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung sind Begasung und Mischvorgang an weiten Grenzen voneinander unabhängig, so dass die Gasmenge problemlos in weiten Grenzen variiert werden kann, ohne dass die Drehzahl entsprechend angepasst werden muss. Die Dosierung erfolgt mittels einer geeigneten Regelvorrichtung, beispielsweise einem Pumpwerk.

Durch den Kanal können nebst gasförmigen Zusätzen auch Fluide, Pulver oder granulatförmige Feststoffe in das Rührgut eingeführt werden.

Anstelle eines Kanales können auch mehrere Kanäle vorgesehen werden. Durch diese können unterschiedliche Substanzen, beispielsweise durch einen ersten Kanal eine pulverförmige und durch einen zweiten Kanal eine gasförmige Substanz, eingelassen werden. Hierbei kann die zugeführte Menge bei jedem Kanal einzeln und unabhängig geregelt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Tragarme über ein Gelenk mit der Drehwelle 2 verbunden, so dass die Tragarme mitsamt den Rührorganen bequem auch in Behälter mit engen Öffnungen eingeführt werden können. Sobald die Drehwelle in Bewegung versetzt wird, arbeiten sich die Tragarme mitsamt den Rührorganen infolge der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte in eine annähernd waagrechte Arbeitsposition. Gegebenenfalls können die Tragarme auch nach Einbringung in den Mischbehälter und bei Stillstand der Drehwelie mit entsprechenden Hilfsmitteln in eine waagrechte Arbeitsposition gebracht werden und mittels einer Arretiervorrichtung in dieser Position arretiert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Mischen von strömungsfähigen Medien mit einem Rührwerk mit einer Rührwelle, an welcher mindestens drei um gleiche Winkel versetzte, hohle, mit zwei Öffnungen versehene Rührorgane mindestens annähernd tangential zu einem gedachten, zur Rührwelle koaxialen Kreiszylinder angeordnet befestigt sind, wobei die eine Öffnung annähernd in Drehrichtung, die andere Öffnung in Gegendrehrichtung weist, bei welchem Verfahren das vor der Öffnung des Rührorgans befindliche Rührgut erfasst wird und das Rührorgan zumindest zu Beginn der Rührbewegung grösstenteils durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Rührwelle in der an die Anfangsphase anschliessenden Arbeitsphase derart gewählt wird, dass das Rührorgan eine vorbestimmte Geschwindigkeit erreicht, bei welcher das im Erfassungsbereich des Rührorgans liegende Rührgut aufgrund des im Innern des Rührorgans auftretenden Staudrucks grösstenteils in Richtung der vorderen Öffnung des Mischorgans gedrückt wird, so dass es das Rührorgan nur unvollständig durch-fliesst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Rührwelle derart gewählt wird, dass das Rührorgan im Rührgut eine Geschwindigkeit von 1,3 bis 4 m/s erreicht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rührwerk verwendet wird, bei welchem jedes Rührorgan an der Rührwelle mittels eines Tragarms befestigt ist, der in seinem Innern einen oder mehrere in das Rührorgan, vorzugsweise in dessen hinteres Drittel, hineinführenden Kanal bzw. hineinführende Kanäle aufweist, und dass durch diesen Kanal bzw. diese Kanäle gasförmige und/oder pulverförmige Substanzen zwecks Durchsetzung des Rührgutes eingelassen werden.

4. Rührwerk zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer mit einem Antrieb verbundenen Rührwerkwelle, an welcher mindestens drei um gleiche Winkel versetzte, hohle, mit zwei Öffnungen versehene Rührorgane mindestens annähernd tangential zu einem gedachten, zur Rührwelle koaxialen Kreiszylinder angeordnet befestigt sind, wobei die eine Öffnung annähernd in Drehrichtung, die andere Öffnung in Gegendrehrichtung

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weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührorgane (4a, 4b, 4c, 4d) wenigstens teilweise konisch verjüngt ausgebildet sind, wobei die grössere Öffnung in Drehrichtung weist, und dass der Rührkreisdurchmesser 1/3 bis 2/3 des Durchmessers des Rührbehälters (G) beträgt.

5. Rührwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Rührorgane (4a, 4b, 4c, 4d) vom Behälterboden annähernd dem grössten Durchmesser des Rührorganes entspricht.

6. Rührwerk nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Rührorgans zur Horizontalebene einen nach unten gerichteten Winkel von 10° bis 20°, vorzugsweise jedoch 15°, aufweist.

7. Rührwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die von der vorderen Öffnung des Konus gebildete Fläche im Verhältnis zur von der hinteren Öffnung des Konus gebildeten Fläche wie 3:2 verhält.

8. Rührwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus einen zylindrisch ausgebildeten Einlauf und/oder einen zylindrisch gebildeten Auslauf aufweist und deren Übergangszone konkav kombiniert ist.

9. Rührwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei welchem jedes Rührorgan mittels eines Tragarmes an der Rührwelle befestigt ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm (L) in seinem Innern wenigstens einen Kanal aufweist, der seitlich in das Rührorgan (8) hineinführt und mti flüssigen, gasförmigen oder pulverförmigen Substanzen beaufschlagbar ist.

10. Rührwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührorgan (8) in seinem hinteren Drittel mit dem Tragarm (L) verbunden ist.

11. Rührwerk nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die durch den Kanal eingeführte Substanzmenge einstellbar ist.

12. Rührwerk nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme (L) mit je einem Gelenk in der Weise an der Rührwelle (2) befestigt sind, dass sie von einer zumindest annähernd vertikalen Position in eine zumindest annähernd waagrechte Position gebracht werden können.

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