THALETEC Rührtechnik – leicht verständlich
Jeder hat in seinem Leben schon einmal etwas gerührt, sei es der morgendliche Kaffee oder die Suppe auf dem Herd. Dabei versuchen wir für eine gute Durchmischung zu sorgen oder etwas nicht anbrennen zu lassen.
Wissenschaftlicher formuliert ist Rühren der Vorgang, bei dem unter Aufwendung mechanischer Leistung eine Flüssigkeit in Bewegung gesetzt wird. Hierbei wird dafür gesorgt, dass die Flüssigkeit gut durchmischt oder homogenisiert wird. Weitere Ziele können sein: den Stoffübergang, den Wärmeübergang oder den Dispergierzustand zu verbessern.
Alle diese Tätigkeiten sind von vielen Stoffeigenschaften und Konstruktion der Rührausrüstung abhängig. Dieser Artikel soll ungeachtet der Stoffeigenschaften zeigen, auf welche rührtechnische Aspekte geachtet werden sollte bei der Auswahl ihrer emaillierten Apparate.
Leistungseintrag:
Das Zauberwort für viele Prozesse ist der „Leistungseintrag“. Dieser beschreibt, wie viel der aufgewendeten mechanischen Leistung im Prozess ankommt. Er wird vom Rührorgan (Art und Größe) und der Drehzahl bestimmt.
P = Ne * p * N3 * d5
Leistung = Newton - Zahl * Dichte * Drehzahl3 * Durchmesser Rührer5
Anhand der oben stehenden Formel ist ersichtlich, welche Einflüsse hier besonders groß sind. Die dimensionslose Kennzahl die sogenannte Newton-Zahl (Ne) ist von Rührer zu Rührer unterschiedlich und ist sogar Stoffeigenschaften abhängig. Die Dichte der zu rührenden Flüssigkeit ist ebenfalls von Bedeutung. Die entscheidenden Einflüsse sind hier allerdings die Drehzahl die mit der dritten Potenz und der Durchmesser des Rührorgans, der sogar mit der fünften Potenz in den Leistungseintrag eingeht.
Newton-Zahl:
Die Newton-Zahl ist eine dimensionslose Kenngröße die für jeden Rührer in Modellversuchen oder per Computational Fluid Dynamics (CFD) bestimmt wird. Diese Kenngröße spiegelt das Widerstandsmoment des Rührorgans wider. Zum Beispiel ist ein Rennwagen für hohe Geschwindigkeiten geformt (stromlinienförmig) und besitzt daher ein geringes Widerstandsmoment, anders ist es bei einem LKW, der ein sehr hohes Widerstandsmoment hat, aber wesentlich langsamer fährt.
So hat ein Propeller Rührer eine wesentlich geringere Newton-Zahl als z. B. ein Ankerrührer. Beide Rührer werden deshalb in unterschiedlichen Viskositäten und Drehzahlen eingesetzt.
Die Anzahl der Rührerblätter hat ebenfalls einen Einfluss auf die Newton-Zahl. Standardmäßig werden im Stahlbau 2 bis 6 Rührerblätter eingesetzt. Im emaillierten Apparatebau ist man bei der Anzahl der Flügel auf einer Nabe durch die Emaillierung und den Typ des Behälters begrenzt. Je nach Typ des Rührers können aber auch hier 2 bis 4 Flügel auf eine Nabe gebracht werden. Hier wird auch der Anstellwinkel der Flügel wichtig. Als kleine Übersicht der verschiedenen Blattzahl siehe auch Abbildung 1.
Die Montage der Rührorgane erfolgt mit Flüssigstickstoff durch das Aufschrumpf-Verfahren. Vorteil ist, dass diese Variante in allen Behälterformen nach DIN 28136 (AE, BE, CE) eingesetzt werden kann. Zum Beispiel: Beim Typ BE Behälter ist die größte Öffnung das Mannloch. Über das Mannloch können somit auch große Rührorgane wie der Ankerrührer montiert und effektiv genutzt werden, es ist nicht zwingend das Deckel-Topf Prinzip des AE Behälters nötig (siehe Abbildung 2). Somit spart man sich auch die deutlich größere Dichtung für den oberen Boden.
Die Newton-Zahl kann auch durch Einbauten beeinflusst werden. Diese Einbauten, auch Stromstörer genannt (dunkelblauer Zylinder in Abbildung 2), wandeln die tangentiale Bewegung der Flüssigkeit in eine gerichtete Axial- und Radialströmung um. Damit dreht sich die Flüssigkeit nicht nur im Kreis, sondern wird dazu gezwungen gerichtet zu wirken. Durch die zusätzlichen Turbulenzen steigt der Leistungseintrag und damit kann die Drehzahl ggf. reduziert werden.
Durchmesser Rührer:
Mit dem Durchmesser des Rührorgans lässt sich der Leistungseintrag am stärksten beeinflussen. Große Durchmesser bedeuten große Leistungseinträge, aber das heißt nicht, dass der Rührer immer so groß wie möglich sein soll. Jeder Rührer hat sein eigenes d/D Verhältnis (Durchmesser Rührer zu Durchmesser Behälter) in dem er optimal arbeitet. Ein schnell laufendes Rührorgan wie der TAF-Rührer, vergleichbar mit einem Propeller, ist im Bereich von 0,3 bis 0,6 optimal. Ein Ankerrührer ist ein wandnahes Rührorgan für hohe Viskositätsbereiche und ist mit 0,85 bis 0,95 in einem optimalen Einsatzbereich.
Anders als bei der Variante Rührerblätter einzeln einzuschrumpfen, können Naben-basierte emaillierte Rührorgane in einem großen Durchmesser-Bereich hergestellt und auch sicher eingesetzt werden. Lediglich die kritische Drehzahl der Rührerwelle muss beachtet werden.
Drehzahl:
Die wohl wichtigste Prozessgröße ist jedoch die Drehzahl. Wie bereits in der Leistungsberechnung ersichtlich wird, hat die Drehzahl mit der dritten Potenz einen signifikanten Einfluss auf den Leistungseintrag. Mit Hilfe eines Frequenzumrichters kann die Drehzahl wahlweise reduziert oder bis auf die durch den Betreiber ausgelegte Drehzahl erhöht werden. Mit dem Regeln der Drehzahl lassen sich daher Rührerwechsel oft vermeiden, weil hierüber der Leistungseintrag auf die nötige Menge geregelt werden kann.
Bei höheren Drehzahlen ist allerdings auf eine ausreichende Bewehrung zu achten, da es sonst zum Lufteinzug und Trombenbildung kommen kann.
| Rührertyp | Durchmesser(mm) | d/D | Drehzahl(upm) | spez. Leistung(kW/m2) |
|---|---|---|---|---|
| TAF | 990 | 0,5 | 100 | 0,33 |
| TAF | 1220 | 0,6 | 100 | 0,94 |
| TAF | 990 | 0,5 | 120 | 0,57 |
| CXU | 835 | 0,42 | 100 | 0,5 |
| CXU | 920 | 0,46 | 100 | 0,81 |
| CXU | 835 | 0,42 | 120 | 1,41 |
Zusammenfassung:
Bei der Auslegung ihres Rührreaktors ist auf viele Aspekte zu achten. Wird ein großer langsamer oder kleiner schneller Rührer gebraucht? Benötigen sie einen hohen Leistungseintrag oder einen schonenden Prozess?
Wie im Beispiel zu sehen ist, kann die Auswahl des richtigen Rührers, Durchmessers oder der Drehzahl den Leistungseintrag entscheidend beeinflussen. Egal ob homogenisieren, suspendieren, begasen, Polymerisation oder verbesserter Wärmeübergang, wir beraten sie gerne bei der Auswahl des Rührers passend zu ihrer Anwendung.
Wir bieten auch Workshops in verschiedenen Anwendungsgebieten rund um den Rührapparat an, um sie weiterzubilden und die Möglichkeiten der Rührtechnik in emaillierten Rührreaktoren aufzuzeigen.