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Rührtechnik Den Standard weitergedacht: Produktivität und Produktqualität verbessern mit spezialisierten Rührsystemen

Autor / Redakteur: Ryuichi Yatomi, Haruyuki Nishimi, Masafumi Kuratsu, Shoji Morinaga und Hiro Horiguchi* / M.A. Manja Wühr

Wenn der Standard – sei er auch noch so gut – nicht mehr ausreicht, gilt es sich zu spezialisieren. Dies haben jetzt japanische Mischtechnik-Experten beherzigt und für drei Anwendungen neue Lösungen auf Basis des Standardmodells entwickelt.

Drei neu entwickelte Rührsysteme steigern die Produktivität in der petrochemischen Industrie.
Drei neu entwickelte Rührsysteme steigern die Produktivität in der petrochemischen Industrie.
(Bild: © IndustryAndTravel - stock.adobe.com)

Die petrochemische und chemische Industrie kommt nicht umhin die Produktivität zu steigern. Zudem muss sich die petrochemische Industrie heute diversen Aufgaben stellen, wie höherer Produktqualität, Bereitstellung mehrerer Produkttypen oder verbesserte Betriebseffizienz (1). So steigen auch die Anforderungen in der Misch- und Reaktionstechnik. Vor diesem Hintergrund hat der Technologie-Konzern Sumitomo Heavy Industries Process Equipment seine Standard-Rührsysteme Maxblend für drei Anwendungen überarbeitet.

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Für große Füllhöhen

Das Verhältnis Höhe der Flüssigkeit zu Tank/Durchmesser [H/D] eines Mischbehälters wird oft so gestaltet, dass es im Bereich zwischen 1,0 und 1,5 liegt, um die gleichmäßige Durchmischung der oberen und unteren Flüssigkeitsbereiche im Behälter zu erleichtern. Dies gilt ebenfalls für den Standard-Maxblend (2) bei einem H/D-Verhältnis kleiner als 1,5. Bei einem H/D-Verhältnis über 1,5 erschwert die Verminderung der umlaufenden Strömungsgeschwindigkeit, bei ihrer vertikalen Wanderung innerhalb des Behälters, die gesamte Flüssigkeit in nur einem Strömungsprofil von unten nach oben zu durchmischen. Außerdem entstehen weitere Probleme, wie hoher Energieverbrauch, der für die gleichmäßige Durchmischung verbraucht wird, sowie unerwünschte Reaktionen durch einen ungleichen Mischungszustand.

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Merkmale des M/B-R:

  • Verbesserte Radial- und Zirkulationsströmung am Boden des Behälters: Der Durchmesser des Bodenrührers wurde auf das 1,2- bis 1,6-fache vergrößert, um den radialen Austrag und die umlaufende Strömung am Behälterboden zu verbessern.
  • Verbesserung der Förderwirkung der Aufwärtsströmung entlang der Behälterwand aufgrund einer veränderten Gitterform: Eine konische Form wird verwendet, um die um das Gitter auftretende Strömung mit einer fördernden Aufwärtsströmung entlang der Behälterwand zu versehen, welches für eine bessere Verbindung der oberen und unteren Teile der zirkulierenden Strömung innerhalb des Behälters sorgen soll.
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Leistungsbewertungstest: Mittels eines vierstufigen Vierblatt­rührers als Maßstab, was ein typisches, mehrstufiges und häufig genutztes Rührorgan ist, wurde eine Leistungsbewertung des M/B-R-Modells mit den hohen Füllbedingungen im Vergleich erstellt. Gemessen wurde die komplette Mischzeit einer Iodometrie-Entfärbungsreaktion (Färbungsmittel: Entfärbungsmittel = 1:1,25) mit demselben Leistungseintrag. Während der mehrstufige Rührer signifikante Konzentrationsungleichheiten entlang der vertikalen Richtung des Behälters während des Entfärbungsprozesses verursachte, förderte der M/B-R die Entfärbung im Behälter gleichmäßig und er benötigte für den gesamten Mischvorgang unter denselben Strombedingungen maximal halb so viel Zeit wie der mehrstufige Rührer. Der Test bestätigte, dass der M/B-R einen einzigen Zirkulationsstrom formte, welcher die gesamte Fläche des Behälters auf ein H/D-Verhältnis von 2,5 vergrößerte und dabei eine gleichmäßige Durchmischung mit maximal der Hälfte des von dem mehrstufigen Rührers benötigten Leistungseintrags erzielte. Dies bringt einige Vorteile mit sich: etwa die Vergrößerung der Wärmetransferfläche pro Volumeneinheit durch den Einsatz eines Behälters mit einem hohen H/D-Verhältnisses, Erhöhung der Verweilzeit in der Zufuhr von Gas, Verringerung des Montagebereichs und Reduzierung der Behälterdicke unter hohem Druck.

Für Gasdispersionen

Um die Benutzeranforderungen an die Gasabsorptionsleistung zu befriedigen, benötigt ein Rührwerk sowohl eine hohe Scherungseigenschaft um die Zerkleinerung der Gasblasen zu erzielen, als auch eine leistungsstarke Zirkulationscharakteristik für eine bessere Gashaltung. In diesem Zusammenhang können weder Scheibenrührer noch der Maxblend diese funktionellen Anforderungen erfüllen.

Merkmale des M/B-G:

  • Da die Rotationsgeschwindigkeit mit derselben Leistung abhängig vom Rührorgandurchmesser variiert, werden die Scherungs- und die Zirkulationseigenschaft entsprechend variieren. Deshalb wurde ein optimaler Rührorgandurchmesser zur Gasabsorption in niedrigviskosen Bereichen durch Experimente bestimmt. Der resultierende Durchmesser für einen M/B-G beträgt etwa 80 % des Standard-Maxblend.
  • Die Länge des unteren Gitters wurde erhöht, um eine breitere Scherungsfläche am Gitter als am Standard-Gerät zu erzielen.
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Leistungsbewertungstest: Es wurden zwei Versuche durchgeführt: ein Bestätigungstest für den Einfluss des Rührorgandurchmessers auf die Gasabsorptionsleistung und die Drehmomenteigenschaft sowie ein Versuch zur Bestätigung des Flüssigkeitsscherungsstatus des oberen Gitters des Maxblend mittels Fließvisualisierungstests. Das Ergebnis liefert die folgende Erkenntnis: Während das Rührdrehmoment sich mit kleiner werdendem Rührorgandurchmesser verringert, erhöht sich die Gas­absorptionsfähigkeit um 35 % oder höher als die Referenzwerte, wenn das d/D-Verhältnis um 0,4 liegt. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass ein kleinerer Rührorgandurchmesser die Gasverteilung wegen der resultierenden verschlechterten Zirkulationsleistung hemmt.

Dies führt zu einer signifikanten Verkleinerung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche. Bei einem Verhältnis von 0,53 ist das Rührorgan von großen Luftblasen bedeckt. Das impliziert, dass die Gasverteilung im Behälter nicht ausreichend erreicht wird. Vergleicht man die Flüssigkeitsströme entlang des Gitters und des Bodenrührers zeigt sich, dass der Gitterabschnitt die Scherung und die Verkleinerung der Flüssigkeit mehr fördert als der flache Bodenrührer.

Für hohe Viskositäten

Beim Rühren von hochviskosen Flüssigkeiten ist es schwierig eine zirkulierende Strömung zu bilden, welche den gesamten Inhalt der Rührmaschine erfasst. In diesen Anwendungen treten unweigerlich andere kleine Zirkulationsströme (sekundäre Zirkulationsströme) zusätzlich zu der (primären) Hauptzirkulationsströmung auf, welche sich weit im Behälter ausbreitet (5). Mit zunehmender Viskosität sind die sekundären Zirkulationsströme komplett von der Hauptströmung isoliert, verhindern eine gleichmäßige Durchmischung und verursachen ein Risiko von Problemen in Bezug auf Reaktion, Wärmeübergang und Stoffübertragung.

Merkmale des M/B-W:

  • Das Verhältnis von Bodenrührerdurchmesser zum Behälterdurchmesser wird von 0,6 bis 0,8 festgelegt, um den erzeugten Zirkulationsstrom zu verstärken.
  • Ein angepasstes konisches Gitter erzeugt einen verbindenden Effekt des oberen und unteren Teils der zirkulierenden Strömung im Behälter.
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Leistungsbewertungstest: Der Versuch wurde durch das herunter skalieren der spezifischen Leistung und Re-Zahl bei einem konstanten Verhältnis (Re=170) durchgeführt, um den Durchflussstatus in einer realen Anlageneinheit zu simulieren. Beim M/B-W verringerten sich die Vorkommen der sekundären Zirkulationsströme und ein primärer Zirkulationsstrom mit einem sehr hohen Peak-Wert entstand. Das deutet darauf hin, dass eine gleichmäßige Durchmischung selbst bei hohen Viskositäten erzielt werden kann. Im realen Betrieb werden einige Vorteile erwartet, z.B die Reduzierung jeglicher Ablagerungen und unerwünschter Reaktionsprodukte durch sekundäre Zirkulationsströmungen und die Beseitigung ungleichen Wärmeübergangs.

Die Entwicklung der drei neuen Produktlinien des Maxblend erfolgte in enger Zusammenarbeit mit Dr. Yasuhiro Murakami vom Institut für chemisches und mechanisches Engineering der Kyushu Universität in Japan.

* Die Autoren arbeiten für Sumitomo Heavy Industries Process Equipment, Saijo/Japan.

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