DE9106768U1 - Begasungsrührer - Google Patents
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Description
3. Juni 1991 91-0457 La-mf
Firma Stelzer Rührtechnik GmbH 3530 Warburg
Begasungsrührer
Die Erfindung betrifft einen Begasungsrührer mit einer drehbaren Hohlwelle und mindestens einem daran angeordneten hohlen Rührorgan,
wobei dessen Hohlraum mit der Hohlwelle in Verbindung steht und zur zu begasenden Flüssigkeit hin Öffnungen aufweist.
Derartige Rührer sind im allgemeinen bereits als Hohlrührer bekannt.
Die Rührorgane derartiger Hohlrührer sind als Rohrrührer bzw. Dreikantrührer ausgeführt (vgl. F. Kneule, Rühren, Praxis
der Verfahrenstechnik, Band 1, Deutsche Gesellschaft für technisches Apparatewesen, Frankfurt/Main, 1986, S. 76, 77). Rohrrührer
bestehen aus radial von der drehbaren Hohlwelle abstehenden hohlen Rohrstücken, während der Dreikantrührer aus einer hohlen
Dreieckscheibe besteht, an deren Ecken entsprechende Öffnungen zum Austritt des Gases vorgesehen sind. Diese Hohlrührer sind
selbstbegasende Rührorgane, d.h. daß sie infolge der durch die Rührerrotation entstehende Sogwirkung aus dem Raum über der Flüssigkeit
Gas ansaugen und in der Flüssigkeit verteilen. Sie werden insbesondere in niedrigviskosen Flüssigkeiten für den Fall
eingesetzt, daß der von ihnen bewirkte Gasdurchsatz für eine gewünschte Reaktion ausreicht. Zum anderen setzt die Begasung erst
bei Überschreiten einer Mindestdrehzahl ein. Diese ist dann er-
reicht, wenn der in den Rühreröffnungen sich aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit
des Rührers einstellende Geschwindigkeitsdruck den hydrostatischen Druck überwindet. Die Effizienz der
Selbstbegasung nach dieser vorbekannten Methode wird im wesentlichen einerseits durch den steigenden hydrostatischen Druck (Füllhöhe)
und andererseits durch steigende Viskosität der Flüssigkeit beeinträchtigt- Hierdurch bedingt lassen sich derartige Begasungsrührer
im allgemeinen beispielsweise in Fermentern nicht einsetzen.
Eine weitere Möglichkeit der Selbstbegasung besteht darin, die
Drehzahl eines konventionellen Rührorgans soweit zu erhöhen, daß sich von der Oberfläche des zu rührenden Fluids bis zum Rührorgang
eine Trombe ausbildet. Eine derartige sogenannte Trombenbegasung scheidet jedoch in zahlreichen Anwendungsfällen aus verfahrenstechnischen
Gründen aus. Darüber hinaus ist diese bei Einsatz von hochviskosen Flüssigkeiten auch nicht realisierbar.
Im Vergleich zur Selbstbegasung lassen sich größere Gasmengen nach dem Prinzip der Zwangsbegasung dispergieren. Bei der Zwangsbegasung wird dem Rührorgan fremdverdichtetes Gas insbesondere
von unten her mit Hilfe statischer Gasverteiler zugeführt. Als statische Gasverteiler werden üblicherweise einfache, nach oben
offene Rohre, Ein- bzw. Mehrringbrausen oder auch poröse Platten eingesetzt. Das auf diese Weise zugeführte Gas wird hauptsächlich
mit radial wirkenden Rührorganen dispergiert. Das Gas gelangt dabei zu einem Großteil in die Sogströmung des Rührorgans
und wird insbesondere in der von den Rührerblättern oder Rührerarmen erzeugten turbulenten Nachlaufströmung (Wirbelschleppen)
zerteilt.
Bei der Zwangsbegasung läßt sich im Unterschied zur Selbstbegasung
der Gasdurchsatz unabhängig von der Rührleistung bzw. der
Rührerdrehzahl variieren. Zum anderen kann mittels Zwangsbegasung Gas auch bei höherer Flüssigkeitsviskosität dispergiert werden.
Nachteilig wirkt sich jedoch bei der bekannten Zwangsbegasung mittels Lanzen oder Ein- bzw. Mehrringbrausen das sich in
niedrigviskosen Flüssigkeiten bildende breite Blasenspektrum aus. Das bedeutet, daß die erzeugten Gasblasen sehr unterschiedliche
Durchmesser aufweisen. So bilden sich im Nachlaufgebiet der Rührerblätter Großblasen, die sehr schnell aus der Flüssigkeit
entweichen und damit nur einen geringeren Beitrag zu einem unter Umständen gewünschten Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit
liefern. Der in höherviskosen Flüssigkeiten entstehende Feinblasenanteil ist andererseits aufgrund seiner sehr hohen Verweilzeiten
häufig sehr schnell von der Wertstoffkomponente, die übertragen werden soll, entreichert, so daß er für den Rest der
Verweilzeit nur ein nicht nutzbares Totvolumen darstellt. Ein weiterer Nachteil dieses Standes der Technik besteht darin, daß
der zugeführte Gasvolumenstrom bei gegebener Drehzahl der Rührorgane durch den sogenannten Überflutungspunkt des Rührorgans begrenzt
ist. Bei dem Betriebszustand der Überflutung wird das Rührorgan praktisch vollständig vom Gas umspült. Eine Steigerung
des Gasdurchsatzes über diesen Überflutungspunkt hinaus führt zur Abnahme der spezifischen Grenzfläche zwischen dem Gas und
der Flüssigkeit und zu einem insgesamt ungünstigen und ungenügenden Strömungszustand im Rührbehälter, so daß der Stoffübergang
negativ beeinträchtigt wird. Dadurch ist der Betriebsbereich der üblichen Begasungsrührer durch den Überflutungspunkt begrenzt.
Insbesondere zur Verbesserung der Zwangsbegasung hochviskoser Flüssigkeiten wurde in neuerer Zeit ein Begasungssystem entwickelt,
bei dem die Gasdispergierung und die Flüssigkeitsumwälzung von unterschiedlichen Organen übernommen wurde (F. Kneule,
a.a.O. S. 79-81). Bei diesem System wird das Gas durch eine Hohlwelle einem rotierenden Düsenkranz zugeführt, wobei radial an
diesem angeordnete Kapillaren dafür sorgen, daß im Flüssigkeitsscherfeld
Blasen mit einheitlichen Größenspektrum erzeugt werden. Für die Umwälzung und Verteilung dieser Blasen im Reaktorvolumen
sorgen konventionelle Rührorgane, die auf einer zweiten Welle montiert sind. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung
liegt in dem aufwendigen Aufbau, da hier zwei konzentrisch gelagerte Wellen benötigt werden, die in der Regel mit zwei verschiedenen
Drehzahlen angetrieben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Begasungsrührer der eingangs angegebenen Art an die Hand zu geben, mit dem einerseits
die Effektivität der Begasung von Flüssigkeiten und damit eine Verbesserung des Stoffaustausches erreicht wird, wobei andererseits
ein möglichst einfacher konstruktiver Aufbau gewährleistet sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Rührorgan
mindestens ein eine Strömung induzierendes Blatt aufweist und daß die Öffnungen im Bereich der von innen nach außen gerichteten
Ablaufströmung angeordnet sind. Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß das unter Überdruck stehende
Gas durch Hohlräume in diesen Rührorganen bis zu geeigneten, an der Peripherie angeordneten Öffnungen strömt und hier in
Form von Blasen dispergiert wird. Entscheidend ist es, daß sich die Bildung der Blasen an diesen Öffnungen, die bevorzugt als
kreisrunde Bohrungen oder als enge Schlitze ausgebildet sein können, unter der Wirkung der vom Rührorgan - also von innen nach
außen - abströmenden Flüssigkeit vollzieht, wodurch kleinere Blasen als bei der Blasenbildung in ruhender Flüssigkeit entstehen.
Von wesentlicher Bedeutung ist es ferner, daß diese Öffnungen beim Rührorgan so angeordnet sind, daß die gebildeten Blasen mit
der von innen nach außen gerichteten Ablaufströmung vom Rührorgan wegtransportiert und dann großräumig in dem zu begasenden
Flüssigkeitsvolumen verteilt werden. Um dies zu gewährleisten, müssen die Öffnungen außerhalb der erfindungsgemäß zusätzlich
vorgesehenen Blätter, d.h. Rührerblätter oder Rührerschaufeln,
angeordnet sein. Durch diese Anordnung wird erfindungsgemäß vermieden, daß die gebildeten Blasen in das Unterdruckgebiet hinter
den Blättern gelangen können und dort, insbesondere bei hochviskosen Medien, zu den unerwünschten Gaspolstern führen. Durch den
unmittelbaren Abtransport der gebildeten Blasen vom Rührer weg, wird vermieden, daß - wie bei der konventionellen Begasung - das
Rührorgan bei hohen Gasdurchsätzen soweit mit Gas umspült wird, daß es zur Überflutung des Rührorgans kommt. Die Gefahr der
Überflutung tritt, wenn überhaupt, erst bei wesentlich größeren Gasdurchsätzen als bei konventioneller Begasung auf, da nur noch
ein Teil des insgesamt dispergierten Gases mit der Umlauf- bzw. Ansaugströmung in die Nähe des Rührorgans gelangt und sich damit
entsprechend weniger Gas in den Unterdruckgebieten hinter den Blättern des Rührorgans ansammeln kann.
Das Gas kann einerseits durch Zwangsbegasung und andererseits auch durch Selbstbegasung mit dem erfindungsgemäßen Begasungsrührer
in die Flüssigkeit eingebracht werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Begasungsrührers wird also der Überflutungspunkt bei gleicher Drehzahl des Rührers zu höheren
Gasdurchsätzen verschoben, d.h., es kann wesentlich mehr Gas im Reaktorvolumen dispergiert werden als bei konventionellen, beispielsweise
radial wirkenden, Rührorganen. Dadurch, daß die Blasen unter der Wirkung des radialen bzw. tangentialen Scherfeldes
der vom Rührorgan abströmenden Flüssigkeit erzeugt werden, entstehen sowohl kleinere als auch im Durchmesser weniger stark variierende
Blasen. Infolge der hierdurch vergrößerten spezifischen Grenzfläche ergibt sich eine erhebliche Steigerung des
Stoffaustausches zwischen der dispers verteilten Gasphase und
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der Flüssigkeit. Eine deutliche Verbesserung des sogenannten volumetrischen Transportkoeffizienten k]_ · a, der ein Maß für
die Intensität des StoffÜbergangs darstellt, läßt sich mit der neuen Methode im Vergleich zu den konventionellen Begasungsverfahren
insbesondere bei höherviskosen newtonschen und nicht zuletzt höherviskosen strukturviskosen, nicht-newtonschen Flüssigkeiten
erzielen. Dies gelingt ebenso für die Begasung nicht koaliszierender Flüssigkeiten, in denen die mit dem neuen Verfahren
erzeugten kleineren Primärblasen im wesentlichen stabil dispergiert bleiben und dann für den Stoffaustausch eine entsprechend
große Austauschfläche zur Verfügung steht.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform werden die Gasaustrittsöffnungen
außenliegend in einer kreisrunden Scheibe oben und/oder unten in der erforderlichen Größe (z.B. Durchmesser der
Bohrung) angebracht. Das Gas wird durch die Hohlwelle und durch geeignete Hohlräume in dieser Scheibe zu diesen Öffnungen geleitet.
Die Scheibe kann an der Oberseite und/oder Unterseite mit in radialer Richtung zeigenden geraden oder gekrümmten Blättern
bestückt sein. Damit ähnelt dieses Rührorgan einer Rushton-Turbine. Jedoch dürfen bei dem erfindungsgemäßen Begasungsrührer
die Blätter nicht bis zum Radius der kreisrunden Scheiben heranreichen, auf dem sich die Öffnungen (Bohrungen oder Schlitze)
befinden. Aufgrund dieser Anordnung der Bohrungen wird die Scherwirkung
der von innen nach außen gerichteten Grenzschichtströmung zwischen den Blättern sowohl der von oben als auch von
unten vom Rührorgan erzeugten Umlaufströmung optimal zur Erzeugung kleiner Blasen und damit zur Schaffung größerer Grenzflächen
zwischen Gas und Flüssigkeit ausgenutzt. Darüber hinaus wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch die
Stirnseite der Scheibe zusätzlich mit Bohrungen versehen, um erforderlichenfalls noch mehr Gas dispergieren zu können. Auch
diese, an der Stirnfläche gebildeten Blasen, unterliegen einer
Scherwirkung, die hierbei durch das tangentiale Scherfeld zwischen
dem rotierenden Rührorgan und der in Rotation versetzten Flüssigkeit ausgeübt wird.
In konstruktiver Hinsicht weist der Begasungsrührer den Vorteil auf, daß nur eine Hohlwelle benötigt wird- An dieser Hohlwelle
können nach Bedarf mehrere Begasungsorgane der beschriebenen Art angebracht werden, wenn dies zum Beispiel in schlanken Rührreaktoren
zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßig und gut durchmischten Flüssigkeitsvolumens notwendig ist.
Von Vorteil ist es ferner, daß die geometrische Form von bislang bekannten und üblichen Begasungsrührern im wesentlichen beibehalten
werden kann, und insofern bewährte Gestaltungselemente bei der konstruktiven Ausführung der neuen Begasungssysteme übernommen
werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Diskussion der anhand der Figuren 1-3 erläuterten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines teilweise dargestellten
Begasungsrührers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: einen Schnitt durch den Begasungsrührer gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform und
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Begasungsrührers.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungform des erfin-
dungsgemäßen Begasungsrührers 10. An eine hier geschnitten dargestellte
Hohlwelle 12 schließt zentrisch ein Rührorgan 14 an. Das Rührorgan 14 besteht im wesentlichen aus einer Scheibe mit einem
entsprechenden Hohlraum 16, welcher mit der Hohlwelle 12 in Verbindung steht. Auf der Scheibe sind 8 Blätter 22 sternförmig
radial angeordnet, wobei, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, die Blätter 22 in diesen Ausführungsformen auf beiden Seiten der
Scheibe angeordnet sind. Am äußeren Radius der kreisförmigen Hohlscheibe 14 sind an der Ober- und Unterseite der Scheibe
entsprechende hier als Bohrungen ausgeführte Öffnungen 18 angeordnet, durch die das in der Hohlwelle entlang der
Pfeilrichtung gemäß Fig. 2 einströmende und durch die Hohlscheibe weiterströmende Gas an die Flüssigkeit angegeben
wird.
Wichtig ist es, daß die Blätter 22 nicht in den äußeren Radius der Scheibe 14, in welchem die Öffnungen 18 angeordnet sind, hineinragt.
Hierdurch ist gewährleistet, daß die durch die Blätter 22 verdrängte und radial entlang der Scheibe nach außen strömende
Fluidströmung die Blasen unmittelbar an den Öffnungen 18 abschert und in Abströmrichtung mit nach außen transportiert.
Gemäß der hier diskutierten Ausführungsform sind auch am äußeren
Rand der Hohlscheibe Öffnungen 20 vorgesehen. Dort erfolgt ein Abscheren der Blasen aufgrund der Tangentialströmungskomponente
der das Rührorgan 14 umströmenden Fluidströmung.
Eine Variation des zuvor diskutieren Rührorgans ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses unterscheidet sich im wesentlichen dadurch,
daß es anstatt der gerade ausgerichteten Blätter 22 in sich gekrümmte Blätter 22, wie sie der Fig. 3 zu entnehmen sind,
aufweist.
Die hier dargestellten Rührorganformen bilden nur vorteilhafte Ausgestaltungen im Rahmen des Erfindungsgedankens. Eine andere
Ausgestaltung kann beispielsweise darin bestehen,
daß ähnlich dem Hohlrührer entsprechende strahlenförmig von der Hohlwelle abgehende Kurzrohrstücke angeordnet sind, auf denen im
inneren Bereich entsprechende Blätter senkrecht stehend oder auch angeschrägt angeschweißt sind, über welche die Enden der
kurzen Rohrstücke hinausreichen. Bei Senkrechtstellen der Blätter handelt es sich um einen gemäß dieser Erfindung abgewandelten
Blattrührer. Bei schräg angestellten Blättern handelt es sich um einen gemäß der Erfindung abgewandelten Schrägblattrührer.
Claims (1)
- 3. Juni 1991 91-0457 La-mfFirma Stelzer Rührtechnik GmbH 3530 WarburgBegasungsrührerSchutzansprüche1. Begasungsrührer mit einer drehbaren Hohlwelle und mindestens einem an dieser angeordneten hohlen Rührorgan, wobei dessen Hohlraum mit der Hohlwelle in Verbindung steht und zur zu begasenden Flüssigkeit hin Öffnungen aufweist,dadurch gekennzeichnet,daß das Rührorgan (14) mindestens ein eine Strömung induzierendes Blatt (22) aufweist und daß die Öffnungen (18; 20) im Bereich der von innen nach außen gerichteten Ablaufströmung angeordnet sind.2. Begasungsrührer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührorgan (14) aus einer Hohlscheibe besteht, an deren äußeren Radius die Öffnungen (18; 20) angeordnet sind und daß auf dieser über den Umfang verteilt senkrecht zu derScheibe stehende strahlenförmig nach außen gerichtete Blätter (22) angeordnet sind, die nicht bis zu dem Radius der
Hohlscheibe reichen, in welchem die Öffnungen (18; 20) angeordnet sind.3. Begasungsrührer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (22) oberhalb und unterhalb der Hohlscheibe angeordnet sind.4. Begasungsrührer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (22) in radialer Richtung der Hohlscheibe gerade ausgebildet sind.5. Begasungsrührer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (22) in radialer Richtung in sich gekrümmt sind.6. Begasungsrührer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18; 20) als kreisrunde Löcher
oder enge Schlitze ausgebildet sind.7. Begasungsrührer nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rührorgane (14) auf einer Hohlwelle
(12) angeordnet sind.
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