DE102010004206A1

DE102010004206A1 - Rühranrodnung

Info

Publication number: DE102010004206A1
Application number: DE102010004206A
Authority: DE
Inventors: Werner Himmelsbach
Original assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH
Current assignee: EKATO Ruehr und Mischtechnik GmbH
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2010-12-09
Also published as: EP2440315B1; BRPI1010845A2; US20120069694A1; ES2458923T3; JP2012529363A; CA2764466C; RU2011153766A; RU2542258C2; AU2010257782B2; US8894047B2; AU2010257782A1; CL2011003088A1; EP2440315A1; CA2764466A1; WO2010142406A1; KR20120012977A

Abstract

Es wird eine Rühranordnung mit einem sich drehenden Rührorgan zum Rühren von Flüssigkeiten angegeben. Das Rührorgan hat Rührblätter, welche an einer Rührorgannabe angebracht sind. Ferner umfasst die Rühranordnung eine Begasungseinrichtung, welche ein Gas, wie Luft, zum Dispergieren mittels des Rührorgans zuführt. Die Begasungseinrichtung umfasst eine sich mit der Nabe des Rührorgans drehende Verteilerbüchse mit einem Innenraum zur Gasaufnahme. Diese Verteilerbüchse und deren Innenraum stehen in kommunizierender Verbindung mit mitrotierenden Auslassleitungen. Auslassöffnungen der Auslassleitungen sind in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens oder in den unmittelbaren Ausströmzonen angeordnet und geben das Gas an jeweils gewünschten Stellen mit der jeweils gewünschten Strömungsrichtung ab.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rühranordnung mit einem sich drehenden Rührorgan zum Rühren von Flüssigkeiten, welches an eine Rührorgannabe angebrachte Rührblätter aufweist. Ferner umfasst die Rühranordnung eine Begasungseinrichtung, welche ein Gas, wie Luft, zum Dispergieren mittels des Rührorgans zuführt.
Bei vielen chemischen Reaktoren oder Bioreaktoren, welche eine Rühranordnung enthalten, erfolgen Reaktionen, bei denen mindestens ein Reaktionspartner als gasförmige Ausgangskomponente zur Verfügung steht. Die Rühranordnung hat zum Ziel, die gasförmige Komponente fein zu zerteilen und hierdurch eine große Grenzfläche zwischen der gasförmigen Komponente oder der Flüssigkeit in einer solchen Weise bereitzustellen, dass die gasförmige Komponente wenigstens teilweise oder ganz in Lösung geht und an der im Reaktor laufenden Reaktion teilnimmt.
Es gibt somit Anwendungen, bei welchen die Rühranordnung ein Gas zu dispergieren hat. Die Aufgabe des Dispergierens von Gas tritt in der Praxis meistens mit weiteren primären Aufgaben auf, wie beispielsweise dem Mischen von Flüssigkeitsströmen unterschiedlicher Zähigkeiten, mit denen weitere Reaktionspartner eingespeist werden, dem Suspendieren von Feststoffen, der Wärmeübertragung an Wärmeaustauschelemente, dem Umwälzen der Flüssigkeit an die Oberfläche zum Abdampfen von Lösungsmitteln, dem Ausfällen und Kristallisieren von Feststoffen etc..
Zum optimalen Lösen der primären Aufgaben wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl von Rührorganen entwickelt, die sich in Bezug auf die Förderrichtung, nämlich radial und/oder axial, die Anzahl von Rührflügeln, die Form von Rührflügeln und die Anzahl von Rührstufen unterscheiden können.
Im Stand der Technik, wie er beispielsweise in US 4 371 480 A und in DE 92 01 820 U1 beschrieben ist, gibt es Rühranordnungen, bei welchen Gas vom Rührorgan angesaugt wird. Demgegenüber gibt es Rühranordnungen mit ”Fremdbegasung”, was bedeutet, dass das Gas nicht vom Rührorgan angesaugt wird, sondern von einem Gebläse oder Verdichter oder aus einem Druckspeicher zugeführt wird. Es folgen einige Beispiele für solche bekannten Rühranordnungen.
Aus WO 2008/083673 A2 ist eine Rühranordnung mit einem Rührorgan und einer Begasungseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Diese Begasungseinrichtung führt Gas unterhalb oder seitlich des Rührorgans zu und dieses Gas wird mittels des Rührorgans dispergiert. Bei dieser Auslegung der Rühranordnung erfolgt die Gasabgabe und -verteilung entweder seitlich und/oder unterhalb des Rührorgans in einem relativ großen Abstand hiervon.
Aus EP 0 847 709 A1 ist ein Rührorgan bekannt, welches insbesondere als Begasungs-Rührorgan zum Rühren von Flüssigkeiten eingesetzt wird. Den Flüssigkeiten wird ein Gas, beispielsweise Luft, zugeführt. Bei diesem Begasungs-Rührorgan erfolgt eine Gaszufuhr über ein Zufuhrrohr, dessen Mündung unterhalb der Rührachse des Rührorgans liegt. Auch können gegebenenfalls mehrere Zufuhrrohre unterhalb und/oder seitlich beabstandet vom Rührorgan vorgesehen sein. Über diese Rohre wird das Gas der Abströmung des Rührorgans der Rühranordnung zugeführt.
EP 1 055 450 B1 zeigt ein Rührwerk, bei welchem eine Gaszufuhr über mitrotierende Verteilerelemente erfolgt.
Bezüglich der vorangehend beschriebenen Rühranordnungen ist zu erkennen, dass man bei Rühranordnungen mit Fremdbegasung zwei Fälle unterscheiden kann.
Eine Gaszufuhr kann über ortsfest installierte Einspeisungen erfolgen, wie beispielsweise über Rohre unterhalb des Rührorgans oder Rohrer seitliche neben dem Rührorgan oder einen ringförmigen Gasverteiler, eine sogenannte Ringbrause, die unterhalb des Rührorgans angeordnet ist. Eine solche Ringbrause hat über den Umfang verteilt mehrere Öffnungen, über die das dem Rührorgan zuzuführende Gas austreten kann.
Eine Gaszufuhr kann auch über mitrotierende Verteilerelemente erfolgen, wie es bei dem Rührwerk der Fall ist, das in EP 1 055 450 B1 beschrieben ist. Bei diesem Rührwerk sind jedoch, sobald der das Rührorgan neben dem eigentlichen Begasen eine der eingangs genannten primären Aufgaben erfüllen muss, die rotierenden Verteilerelemente zur Begasung außerhalb vom eigentlichen Rührorgan angeordnet, so dass keine optimale Begasung mehr erfolgen kann.
Die an sich bekannten Ausführungsformen von Begasungseinrichtungen umfassen mehrere einzelne und gesonderte Bauteile, denen starre Halterungen zur Vermeidung von strömungsinduzierten Schwingungen zugeordnet werden müssen. Gegebenenfalls müssen aus Korrisionsgründen hochwertige Werkstoff, Duplex-Stähle, Alloys oder Titan eingesetzt werden. Insgesamt gesehen sind daher die bisherigen Begasungseinrichtungen komplex, umfassen mehrere Einzelteile und sind daher hinsichtlich der Konstruktion aufwändig und kostenintensiv.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine konstruktiv möglichst einfache Gaszufuhr zu dem Rührorgan einer Rühranordnung unter Erzielung einer nennenswerten Kostenersparnis bereitzustellen, und auch eine gezielte Gasabgabe in jeder beliebigen strömungsmechanisch gewünschten Stelle des Rührorgans bzw. der Rührblätter zu erreichen. Insbesondere soll eine optimale Dispergierung von Gas erreicht werden, ohne dass die Erfüllung einer primären Aufgabe der Rühranordnung beeinträchtigt wird.
Nach der Erfindung wird hierzu eine Rühranordnung mit einem sich drehenden Rührorgan zum Rühren von Flüssigkeiten, welches an einer Rührorgannabe angebrachte Rührblätter umfasst, und mit einer Begasungseinrichtung, welche ein Gas, wie Luft, zum Dispergieren mittels des Rührorgans zuführt, bereitgestellt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Begasungseinrichtung eine sich mit der Nabe des Rührorangs drehende Verteilerbüchse mit einem Innenraum zur Gasaufnahme umfasst, der mit mitrotierenden Auslassleitungen in kommunizierender Verbindung steht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Auslassöffnungen der Auslassleitungen in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens oder in den unmittelbaren Ausströmzonen angeordnet sind und das Gas an jeweils gewünschten Stellen mit der jeweils gewünschten Strömungsrichtung abgeben.
Bei der erfindungsgemäßen Rühranordnung sind mitrotierende Auslassleitungen mit in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern angeordneten Auslassöffnungen vorgesehen, so dass sich deren Lagerung und Halterung vereinfacht. Diese Auslassleitungen gestatten ferner, dass das Gas an jeder beliebigen, strömungsmechanisch günstigen Stelle des Rührorgans bzw. des Rührblatts in gezielter Weise abgegeben werden kann. Über die mitrotierenden Auslassleitungen wird das Gas aus der Verteilerbüchse zu den jeweils gewünschten Auslassöffnungen geleitet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Auslassöffnungen der Auslassleitung in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens oder in den unmittelbaren Ausströmzonen wird insbesondere eine optimale Dispergierung von Gas erreicht, während gleichzeitig eine Störung der Erfüllung einer primären Aufgabe der Rühranordnung ausgeschlossen wird.
Weiterhin umfasst die Begasungseinrichtung vorzugsweise eine stehende Zufuhrleitung, die abgedichtet in kommunizierender Verbindung mit dem Innen raum der sich drehenden Verteilerbuchse steht. Es erfolgt eine Zufuhr der gasförmigen Komponente zum Rührorgan über eine einzige zentrale Zufuhrleitung, wodurch man eine wesentlich vereinfachte Konstruktion einer Rühranordnung umfassend ein Rührorgan und eine Begasungseinrichtung erhält. Die stehende zentrale Zufuhrleitung steht in abgedichteter Weise in kommunizierender Verbindung mit dem Innenraum einer zentralen und sich mit der Nabe des Rührorgans drehenden Verteilerbüchse.
Bei der erfindungsgemäßen Auslegung der Rühranordnung hat man somit eine zentrale Gaszuleitung, welche dann mit mitrotierenden Einrichtungen, wie einer Verteilerbüchse, mit den ebenfalls mitrotierenden Auslassleitungen in kommunizierender Verbindung steht. Somit wird eine konstruktiv wesentlich vereinfachte Gaszufuhr bei einer derartigen Rühranordnung mit Begasungseinrichtung verwirklicht.
Um eine möglichst gedrängte Bauweise der Rühranordnung zu erreichen, ist die rotierende Verteilerbüchse koaxial und unterhalb der Rührorgannabe angeordnet. Hierdurch erhält man eine möglichst platzsparende Anordnung und Ausbildung eines sich drehenden Verteilerorgans.
Insbesondere liegen erfindungsgemäß die Gaszufuhrstellen, die von den Auslassöffnungen der Auslassleitungen gebildet werden, innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens. Somit gestatten die Auslassleitungen bei der erfindungsgemäßen Rühranordnung eine freie Wahl der optimalen Stellen der Gasfreisetzung in unmittelbarer Nähe der Rührblätter. Sowohl die Ausströmrichtung des zugeleiteten Gases als auch die Ausströmstelle lassen sich in optimaler Weise auch unter Berücksichtigung der jeweiligen Bauform des Rührorgans wählen.
Die von der Verteilerbüchse abgehenden Auslassleitungen können gesondert zu den Rührblättern verlaufen und ihre Mündungsöffnungen bzw. Auslassöffnungen können über der Blatthöhenerstreckung oder dem Blattumfang liegen.
Die Mündungsöffnungen bzw. Auslässe der Auslassleitungen können im Bereich der Rührorganblätter liegen, und es sind auch solche Auslegungsformen möglich, bei denen diese Mündungsöffnungen zwischen den Rührorganblättern liegen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform können die Auslassleitungen in die Rührblätter des Rührorgans integriert sein.
Der Übergang von der stehenden Zufuhrleitung und der sich mit dem Rührorgan drehenden Verteilerbüchse, mit deren Innenraum die Auslassleitungen in kommunizierender Verbindung sind, sind derart zu gestalten, dass die Verlustmenge am Übergang von stehendem zu drehendem Teil möglichst gering ist und somit eine zuverlässige Abdichtung am Übergangsbereich erfolgt. Hierzu kann nach der Erfindung ein hydrostatischer Verschluss an diesem Übergangsbereich vorgesehen sein, oder es kann eine weitgehende verschleißfreie, axiale oder radiale Spaltanordnung vorgesehen sein, welche die gewünschte Abdichtung vornimmt.
Zusammenfassend ist es bei der erfindungsgemäßen Rühranordnung wesentlich, dass man eine konstruktive vereinfachte Zuleitung zu dem Rührorgan mit möglichst wenigen Einzelteilen erhält. So wird bei der Erfindung eine einzig zentrale Gaszufuhr vorgesehen, welche feststehend ist, und die mit einer rotierenden Verteilerbüchse zusammenarbeitet, deren Innenraum einen Gasaufnahmeraum bildet. Von dieser zentralen, mitrotierenden Verteilerbüchse werden dann die Auslassleitungen, welche mitrotieren, gespeist, und diese mitrotierenden Auslassleitungen mit Auslassöffnungen in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens oder in den unmittelbaren Ausströmzonen können dann zur Optimierung der Rühranordnung an den jeweils günstigsten Stellen das zugeleitete Gas abgeben und hierbei diesem abgegebenen Gasstrom auch eine gewünschte Strömungsrichtung erteilen, um die Reaktionsteilnahme des Gases zu verbessern.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die lediglich als Beispiel ohne beschränkenden Charakter dient, näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Rühranordnung mit einem Rührorgan und einer Begasungseinrichtung nach der Erfindung; und
2 eine schematische Seitenansicht einer Rühranordnung mit einem Rührorgan und einer Begasungseinrichtung gemäß einer Ausführungsvariante nach der Erfindung.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer insgesamt mit 1 bezeichneten Rühranordnung gezeigt. Diese Rühranordnung 1 weist ein sich drehendes Rührorgan 2 auf, welches zum Rühren von Flüssigkeiten bestimmt ist. Das Rührorgan 2 umfasst eine Rührorgannabe 3, an welcher Rührblätter 4 angebracht sind. Die Rührblätter 4 können irgendeine beliebige gewünschte Gestalt und Auslegung haben.
Ferner umfasst die Rühranordnung 1 eine insgesamt mit 5 bezeichnete Begasungseinrichtung, welche ein Gas, wie Luft, zum Dispergieren mittels des Rührorgans 2 diesem zuführt. Die Begasungseinrichtung 5 umfasst eine sich mit der Rührorgannabe 3 des Rührorgans 2 drehende Verteilerbüchse 6. Diese Verteilerbüchse 6 umschließt einen Innenraum, welcher zur Gasaufnahme dient. Die Verteilerbüchse 6 bzw. der Innenraum derselben steht in kommunizierender Verbindung mit mitrotierenden Auslassleitungen 7, welche das Gas an jeweils gewünschten Stellen mit einer jeweils gewünschten Strömungsrichtung ausgeben. Ferner umfasst die Begasungseinrichtung 5 eine stehende Zufuhrleitung 8, welche abgedichtet in kommunizierender Verbindung mit dem Innenraum der sich drehenden Verteilerbüchse 6 steht. Bei diesem in 1 gezeigten Aus führungsbeispiel sind die mitrotierenden Auslassleitungen 7 gesondert zu den Rührblättern 4 ausgebildet.
Bei der in 1 gezeigten Rühranordnung ist eine einzige, zentrale, stehende Zufuhrleitung 8 für ein zuzuführendes Gas vorgesehen. Die Verteilerbüchse 6 ist koaxial und unterhalb der Rührorgannabe 3 angeordnet, welche den Innenraum zur Gasaufnahme hat. Die stehende bzw. feststehende Zufuhrleitung 8 und die sich drehende Verteilerbüchse 6 sind miteinander in abgedichteter Weise kommunizierend in Verbindung. Die Ausführung ist hierbei derart gewählt, dass die Verlustmenge an der Abdichtung des Übergangs von stehender Zufuhrleitung 8 und rotierender Verteilerbuchse 6 möglichst gering ist. Hierzu kann ein hydrostatischer Verschluss an diesem Übergangsbereich vorgesehen sein, oder die dichte Verbindung von feststehender Zufuhrleitung 8 und sich drehender Verteilerbüchse 6 erfolgt mittels einer verschleißfreien, axialen oder radialen Spaltanordnung.
Das über die feststehende Zufuhrleitung 8 dem Innenraum der sich drehenden Verteilerbüchse 6 eingeleitete Gas wird bei der erfindungsgemäßen Auslegung der Rühranordnung 1 über die mitrotierenden Auslassleitungen 7 der Begasungseinrichtung 5 an einer jeweils gewünschten, geeigneten Stelle freigesetzt, wobei die Zufuhrstellen innerhalb des vom Rührorgan 2 überstrichenen Volumens liegen. Auch kann das Gas an den Mündungsöffnungen der mitrotierenden Auslassleitungen 7 mit einer jeweils gewünschten Strömungsrichtung ausgeleitet und abgegeben werden. Diese Mündungsöffnungen der Auslassleitungen 7 können im Bereich der Rührblätter 4 liegen, oder sie können auch zwischen diesen angeordnet sein. Sie sind jedoch immer in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens angeordnet. Diese Mündungsöffnungen der Auslassleitungen 7 können auch über oder unter der Höhenerstreckung der Rührblätter 4 liegen. In Abhängigkeit von dem jeweiligen Typ des Rührorgans 2 lassen sich in optimaler Weise die günstigsten Stellen für die Auslassöffnungen der Auslassleitungen 7 und den günstigsten Austrittsrichtungen wählen. Durch die kompakte Auslegung der Be gasungseinrichtung 5 lassen sich insbesondere Montagekosten und/oder Materialkosten einsparen und reduzieren. Da ferner die Auslassleitungen 7 mitrotieren, können die starren Halterungen für die Auslassleitungen zur Vermeidung von strömungsinduzierten Schwingen ersatzlos entfallen.
Die erfindungsgemäße Rühranordnung 1 ist aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung relativ kostengünstig und mit weitgehend reduziertem Konstruktionsaufwand verbunden. Das Rührorgan 2 der erfindungsgemäßen Rühranordnung 1 kann daher auf äußerst effiziente Weise das zugeführte Gas fein zerteilen, so dass sich optimale Reaktionsverhältnisse von Gas und Flüssigkeit in einem Reaktor realisieren lassen.
2 zeigt Beispiele für Alternativen der Ausgestaltungsformen der Auslassleitungen 7 sowie der Ausrichtungen und der Anordnungen der Mündungsöffnungen derselben. Auch ist dort ein Beispiel angedeutet, bei dem die Auslassleitung 7 in das zugeordnete Rührblatt 4 integriert ist. Alle weiteren Einzelheiten der Rühranordnung 1' nach 2 stimmen mit den Einzelheiten der Rühranordnung 1 nach 1 überein. Eine nähere Erläuterung erübrigt sich daher.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. So sind beispielsweise auch Kombinationen der Ausführungsformen von Auslassleitungen 7 möglich, die teilweise in die Rührblätter 4 integriert sind, aber auch teilweise gesondert zu diesen verlaufen. Auch können die Mündungsöffnungen der mitrotierenden Auslassleitungen 7 dann abwechselnd in unterschiedlichen Stellen bezogen auf das Rührorgan 2 angeordnet sein, und die Mündungsöffnungen selbst können auch unterschiedlich gestaltet sein, um dem austretenden Gasstrom eine jeweils gewünschte Strömungsrichtungskomponente zu erteilen. Erfindungsgemäß sollen diese Mündungs- bzw. Auslassöffnungen jedoch in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern und innerhalb des vom Rührorgan überstrichenen Volumens liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4371480 A [0005]
- DE 9201820 U1 [0005]
- WO 2008/083673 A2 [0006]
- EP 0847709 A1 [0007]
- EP 1055450 B1 [0008, 0011]

Claims

Rühranordnung mit einem sich drehenden Rührorgan (2) zum Rühren von Flüssigkeiten, welches an einer Rührorgannabe (3) angebrachte Rührblätter (4) umfasst, und mit einer Begasungseinrichtung (5), welche ein Gas, wie Luft, zum Dispergieren mittels des Rührorgans zuführt, wobei die Begasungseinrichtung eine sich mit der Nabe (3) des Rührorgans (2) drehende Verteilerbüchse (6) mit einem Innenraum zur Gasaufnahme umfasst, der mit mitrotierenden Auslassleitungen (7) in kommunizierender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass Auslassöffnungen der Auslassleitungen (7) in unmittelbarer Nähe zu den Rührblättern (4) und innerhalb des vom Rührorgan (2) überstrichenen Volumens oder in den unmittelbaren Ausströmzonen angeordnet sind und das Gas an jeweils gewünschten Stellen mit der jeweils gewünschten Strömungsrichtung abgeben.
Rühranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Begasungseinrichtung (5) eine stehende Zufuhrleitung umfasst, die abgedichtet in kommunizierender Verbindung mit dem Innenraum der sich drehenden Verteilerbüchse (6) steht.
Rühranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Verteilerbüchse (6) koaxial und unterhalb der Rührorgannabe (3) angeordnet ist.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (7) gesondert zu den Rührblättern (4) verlaufen.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassleitungen (7) in die Rührblätter (4) integriert sind.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte Verbindung von feststehender Zufuhrleitung (8) und sich drehender Verteilerbüchse (6) mittels eines hydrostatischen Verschlusses erfolgt.
Rühranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte Verbindung von feststehender Zufuhrleitung (8) und sich drehender Verteilerbüchse (6) mittels einer verschleissfreien, axialen oder radialen Spaltanordnung erfolgt.