Energetisch effizientes Rühren von Suspensionen
Unter Suspendieren versteht man beim Rühren das Aufwirbeln und in Schwebe halten von Feststoffen in Rührbehältern. Dass dies effektiv und effizient erfolgt, ist besonders beim Lösen von Feststoffen oder Katalysatorreaktionen von entscheidender Bedeutung.
Aus der rührtechnischen Fachliteratur ist das so genannte NS1 Kriterium bekannt. NS1 ist definiert als die Rührerdrehzahl, bei der „kein Feststoffpartikel länger als eine Sekunde auf dem Behälterboden verbleibt, ohne aufgewirbelt zu werden“. Man bezeichnet diese Drehzahl auch als den „Just Suspended Point“ (Schubert, Handbuch der mechanischen Verfahrenstechnik)
Um verschiedene Rührsysteme zu vergleichen, ist aber nicht nur die Suspendierdrehzahl NS1 relevant, sondern auch die dafür erforderliche Antriebsleistung des Rührwerkes. Erst daraus ergibt sich bei vergleichender Betrachtung unterschiedlicher Rührsysteme ein scale up fähiges Kriterium, nämlich der volumenbezogene Leistungseintrag P/V.
Im THALETEC Rührtechnikum wurden unterschiedliche Rührsysteme im Modellmaßstab miteinander bezüglich ihres Suspendierverhaltens verglichen. Dazu wurden die Rührertypen TAF, TAR und DCX in einem Modellsystem eingebaut und unter gleichen Einbaubedingungen untersucht. Mit Hilfe moderner Videotechnik konnten die einzelnen Suspendierzustände dokumentiert und anhand der Aufzeichnungen miteinander verglichen werden.
Ergebnisse
Tabelle 1 fast die Ergebnisse zusammen. Es zeigt sich, dass herkömmliche, axialfördernde Rührorgane wie die THALETEC TAF (ein typischer Hydrofoil Rührer) im Vergleich zu anderen Rührorganen die höchste Suspendier Drehzahl aufweist. Als Rührorgan mit der niedrigsten Suspendierdrehzahl hat sich die THALETEC DCX Turbine gezeigt. Auch im Vergleich der volumenbezogenen Leistungseinträge (P/V) zeigt die THALETEC DCX Turbine Vorteile: Setzt man den volumenbezogenen Leistungseintrag eines Turbofoil bzw. Hydrofoil Rührers zum Erreichen des NS1 Kriteriums zu 100%, so benötigt eine THALETEC DCX Turbine bei sonst gleichen Randbedingungen nur etwa 2/3 der volumenbezogenen Leistung. Damit ist das Suspendieren mit einer THALETEC DCX Turbine über 1/3 energetisch wirtschaftlicher als das Umsetzen derselben Rühraufgabe mit einer TAF Turbine.
Vergleich der ermittelten Werte für das Modellsystem
DCX in Mehrstufensystemen
Die beschriebenen Untersuchungen bezogen sich auf Rührsysteme, bei denen eine Rührebene in gewissem Bodenabstand eingebaut ist. Eine weitere Verbesserung der Durchmischung kann man erzielen, wenn man mehrstufige Rührsysteme einsetzt. Auch hier haben sich Rührsysteme mit mehrstufigen DCX Turbinen bewährt. Abbildung 2 zeigt ein solches Rührsystem. Ein dreistufiger Rührer mit DCX Turbinen auf jeder Ebene sowie ein PowerBaffle anstelle eines herkömmlichen Stromstörers stellen energieeffizientes Suspendieren von Feststoffen und einen guten Wärmeübergang mit kurzen Heiz und Kühlzeiten sicher.
Schlussfolgerungen
Das Suspendieren von Feststoffen in Rührbehältern kann durch axial fördernde Rührorgane umgesetzt werden. Die Rührergeometrie hat aber einen wesentlichen Einfluss darauf, wie energieeffizient dies geschieht. Im Vergleich zu herkömmlichen, axial fördernden Rührorganen, wie typische Hydrofoil Rührer, ist die THALETEC DCX Turbine in der Lage, das Suspendieren mit um über 30% höherer Energieeffizienz zu realisieren. Daher empfehlen wir, für Suspendieraufgaben auf die THALETEC DCX Turbine zurückzugreifen, die es passend für alle Rührerwellen mit zylindrischem Schrumpfsitz (z.B CryoTec System) oder dem Multiflex System gibt.