Mischen Pneumatische Impulsmischung als Alternative zu mechanischen Rührwerken

Autor / Redakteur: Thomas Uhl / M.A. Manja Wühr

Viele Prozessmedien müssen immer wieder durchmischt werden, manche sogar rund um die Uhr. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Zuverlässigkeit des Mischorgans. Im Vergleich zu mechanischen Rührwerken ist die pneumatische Impulsmischung klar im Vorteil, weil sie ohne bewegliche Teile im Tank auskommt. Und auch die laufenden Betriebskosten sind hier oft erheblich geringer.

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In Göteborg/Schweden werden 13 Rohöltanks per Druckluft gemischt. Klar erkennbar sind hier die blauen Versorgungsleitungen, die aufs Dach eines jeden Tanks führen. Von dort wird über Impfventile in einem speziellen Gehäuse die Druckluft zu den am Tankboden befindlichen Akkumulatorplatten geführt.
In Göteborg/Schweden werden 13 Rohöltanks per Druckluft gemischt. Klar erkennbar sind hier die blauen Versorgungsleitungen, die aufs Dach eines jeden Tanks führen. Von dort wird über Impfventile in einem speziellen Gehäuse die Druckluft zu den am Tankboden befindlichen Akkumulatorplatten geführt.
(Bild: MPT)

Vor knapp 30 Jahren stand ein Ingenieur aus Seattle/USA vor der Aufgabe, Lachseier schonend, aber wirksam in großen Becken zu mischen. Er wusste, dass mechanische Mischer die zerbrechlichen Eier zerquetschen würden.

Seine Lösung: Pressluft sollte impulsartig am Boden des Beckens eingelassen werden und somit große Blasen erzeugen. Und tatsächlich: Während die Blasen nach oben stiegen, mischten sie die Eier in der Flüssigkeit so sanft, dass diese nicht beschädigt wurden.

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Der Ingenieur, Dick Parks, ließ dieses Verfahren weltweit mehrfach patentieren, und seine Firma, Pulsair, liefert heute pneumatische Mischer rund um den Globus, um damit Treibstoffe, Schmiermittel, Nahrungsmittel, Wein, Farben, Abwasser und unzählige weitere Flüssigkeiten zu mischen.

Keine Mechnik im Tank

Viele industrielle Mischanwendungen laufen 24 Stunden am Tag an sieben Tagen die Woche. Ausfälle können deswegen sehr teuer werden – nicht nur wegen der Kosten für Teile und Reparaturarbeiten, sondern auch besonders wegen der Tankentleerung. Denn das bedeutet längere Stilllegungszeit und möglicherweise sogar Produktverlust.

Wichtiger Vorteil des Pulsair-Mischverfahrens gegenüber anderen Mischtechniken: Im Tankinneren befinden keine beweglichen Teile, die brechen könnten. Dies könnte einen Prozessstillstand zur Folge haben und dazu führen, dass der Behälter entleert werden muss. In der Tat sind die einzigen Teile im Tank Druckluftleitungen und flache Scheiben, die so genannten Akkumulatorplatten, aus denen die Luftblasen emporsteigen. Nur außerhalb des Tanks befinden sich bewegliche Teile, so wie die Logikrelais im Steuergerät für die Luftimpulse und die Impfventile, die in Richtung des Tanks führen. Für den Betrieb wird natürlich noch ein Kompressor benötigt.

Blasen mischen Flüssigkeiten

Der Schlüssel zur Formung der Blasen sind die Akkumulatorplatten mit einem Durchmesser von 10 bis 56 cm, die horizontal nur wenige Zentimeter über den Boden des Tanks am Ende der Druckleitung befestigt werden. Wenn Luft unter das Zentrum der Akkumulatorplatte gepulst wird, strömt sie um die Kanten der Platte herum und formiert sich oberhalb der Platte zu einer Blase.

Parks fand heraus, dass in dem Moment, wenn er eine Blase durch die Flüssigkeitssäule nach oben treibt, die Flüssigkeit oberhalb der Blase nach oben verdrängt wird und unterhalb ein Sog entsteht. Wenn die Blase sich an der Oberfläche entspannt, setzt sich die Bewegung der von ihr nach oben gezogenen Flüssigkeit an der Oberfläche fort zum Behälterrand hin und ändert dort ihre Richtung, nämlich an der Tankwandung entlang nach unten. Aufgrund der Beobachtung, dass das entstandene Bewegungsmoment sehr groß ist, kam Parks zur Erkenntnis, dass es energiesparender ist, mit der Generierung der nächsten Blase zu warten, bis die Bewegung im Tank wesentlich nachgelassen hat.

Ein zusätzlicher Vorteil des Luftpulses, der aus der Akkumulatorplatte herausdrückt, ist, dass er eine horizontale Druckwelle am Boden des Tanks erzeugt und Feststoffe aufwirbelt, die sich unten abgesetzt haben. Damit beginnt Pulsair den Mischprozess sogar direkt am Tankboden. So kann man auch mit dem Mischen direkt beginnen, sobald der Tank befüllt wird, und das Medium außerdem gemischt halten, bis der Tank nahezu vollständig entleert ist.

Als Parks das Pulsair-System entwickelte, war das Einblasen von Luft in Mischanwendungen eigentlich nichts Neues. Doch das bis dahin übliche ständige Einbringen vieler kleiner Blasen, bekannt als Belüften, benötigt sehr viel Energie und tendiert dazu, Sauerstoff in der Flüssigkeit zu lösen. Der Pulsair-Ansatz hingegen erhöht nicht den Sauerstoffeintrag in der Flüssigkeit, da eine einzige große Blase eine viel kleinere Oberfläche aufweist als die vielen kleinen Blasen bei der konventionellen Belüftung. Doch für Betreiber, die sich nicht mit dem Gedanken anfreunden können, sauerstoffempfindliche Flüssigkeiten ausgerechnet mit Umgebungsluft zu mischen, kann Pulsair auch mit anderen Gasen wie Stickstoff verwendet werden.

Wenn der Tankinhalt zusätzlich zum Mischen auch beheizt werden muss, kann warmes Gas oder Dampf zum Pulsen verwendet werden, um die Erwärmung zu beschleunigen und energiesparend zu gestalten.

Pulsair begann damit, den Prozess mit der Entwicklung von Steuergeräten weiter zu perfektionieren. So kann die Gasmenge für die einzelnen Blasen leicht reguliert werden. Durch das Kontrollieren des Gasdrucks, der Dauer der Pulse und ihrer Häufigkeit kann man die Mischparameter variieren, um verschiedenste Prozessanforderungen bei gleichzeitiger Reduzierung der Energiekosten zu erfüllen. Auch für jede Charge können die Mischparameter und die Sequenzen reguliert werden. So kann der Anwender ein besonders gut gelungenes Mischergebnis einfach wiederholen oder neu anpassen. Die Steuerung des Pulsierens im Mischsystem kann entweder über einen Pulsair-Controller erfolgen oder durch die Integration der Pulsair-Software in ein vorhandenes Leitsystem. Pulsairs Touchscreen-Controller können sowohl einen einzelnen Tank als auch komplette Tankfarmen steuern. Dabei kann jeder Tank individuell parametriert werden, um mit Mischzyklen zu starten und zu beenden und sie entsprechend den Prozessanforderungen anzupassen. Die Touchscreen-Controller sind durch ihre Modulbauweise erweiterbar und erlauben es somit auch, zunächst nur einen einzelnen Tank zu überwachen und dann nach und nach um weitere Tanks zu ergänzen. Für den Einsatz in explosiven Umgebungen kann Pulsair mit einer rein pneumatischen Steuerung geliefert werden.

Je nach Materialverträglichkeit des Mediums kann aus einer Vielzahl an Materialien für Akkumulatorplatten und Rohrleitungen gewählt werden. So können sie z. B. aus Stahl, rostfreiem Edelstahl, Aluminium, Glasfaser, PE, PP oder PVC gefertigt werden. Bei einigen Pulsair-Anwendungen kann man sogar auf die Akkumulatorplatte verzichten und den Puls direkt in den Boden des Tanks einbringen.

„Das Pulsair-System ist an jede Behältergröße anpassbar“, sagt Parks. „Wir können kleine Behälter wie 150-l-Fässer genauso mischen wie einige der größten Tanks der Welt.“

Mischen in größeren Tanks

Und das ist wörtlich gemeint: Pulsair wird verwendet, um zwei Tanks mit einem Durchmesser von 27 m und einem Inhalt von 11 000 m3 Treibstoff in der Petronas-Raffinerie in Kuala Lumpur zu mischen. Pulsair mischt auch einen Behälter mit 34 m Durchmesser und 300 t Inhalt, in dem Rotwein gärt (Lindemans Weinkellerei, Karadoc, Australien).

Eines der bisher größten Installationen befindet sich in den Skarvik-Terminals von Vopak in Göteborg, Schweden: 13 Rohöltanks mit einem Durchmesser von 12,8 bis 39,5 m und einer Höhe von 14,7 bis 16,5 m. Die Volumina reichen von 2007 bis 20 219 m3.

Pulsairs Mischeigenschaften variieren je nach Form und Tiefe des Tanks, aber als Faustregel gilt, dass die Mischwirkung am größten innerhalb eines Radius von 180 cm um die Akkumulatorplatte herum ist. Für große Tanks verwendet Pulsair deswegen mehrere Akkumulatorplatten in fester Anordnung. In Göteborg beispielsweise verbaute Pulsair pro Tank 13 bis 42 Stück seiner 56-cm-Akkumulatorplatten, je nach Größe des Tanks. Dabei wurden um eine Platte an der Mitte des Tankbodens herum die anderen Platten in mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet. Statt alle Platten gleichzeitig zu pulsen, werden sequentiell bestimmte Plattengruppen angesteuert, um ein Maximum an Mischwirkung und Energieeinsparung zu erzielen.

Tragbare Mischsysteme

Für verschiedene Anwendungen hat Pulsair manuelle, tragbare Mischsysteme entwickelt:

Zum Mischen von kleineren Behältern wie 150 l-Tanks brachte Pulsair den „5-55 Drumstick“ auf den Markt. Der „Drumstick“ hat eine kleine Akkumulatorplatte, die durch ein kleines Handloch passt.

Für den Industriestandard entwickelte Transportbehälter können mit dem „10-55 Totestick“ aufgemischt werden, und zwar über ein optionales „Geweih“ mit mehreren Akkumulatorplatten auch entlang des Behälterrandes.

Für größere Behälter wie Tankwagen und Eisenbahntankwagen entwickelte Pulsair weitere tragbare Mischsysteme, z. B. die PTM-2000-Serie. Diese mischt Volumen von 19 bis 110 m3.

Anwendungen weltweit

Seit seiner Einführung vor knapp 30 Jahren ist Pulsair ein bevorzugtes Mischsystem überall in der Welt geworden. Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Treibstoff- und Weinapplikationen wird Pulsair zum Mischen unterschiedlichster Produkte eingesetzt:

In den Niederlanden verwendet Loder Croklaan das Pulsair-System, um Palmöl zu mischen. In Deutschland mischt Stora Enso in der Papierherstellung die Fasertanks. In den USA wird Pulsair von Greensboro, NC für drei separate Mischprozesse in der Abwasserbehandlung eingesetzt.

Saucenhersteller, Farbhersteller, Schmiermittellieferanten, chemische Fabriken und viele andere Anwender von flüssigen Mischprozessen verwenden Pulsair, das heute in Tausenden von Tanks rund um den Globus im Einsatz ist.

Fallbeispiele

Nicht nur Werksleiter sind überzeugt vom Pulsair-Mischsystem; auch die Kaufleute lieben es. Die Fallstudie eines Herstellers von Schmiermitteln in Texas, USA, zeigt warum.

Der Kunde hat einen 315-m3-Tank, in dem er Additive und neutrale Öle mischt, die als Basis für andere Schmiermittel dienen. Er muss die Charge jeweils um 9.00 Uhr vormittags zur Weiterverarbeitung bereit haben.

Vor der Installation von Pulsair verwendete der Kunde ein 22 kW starkes, seitliches Rührwerk und eine 73-kW-Zirkulationspumpe, um den Tankinhalt während des Mischens zu rezirkulieren. Außerdem wurde ein Boiler verwendet, um das Öl für bessere Mischergebnisse zu erwärmen.

Pulsair ersetzte das Rührwerk und die Pumpe durch einen 11-kW-Kompressor und reduzierte die Leistung des Boilers um die Hälfte. Die Energieeinsparungen betrugen fortan über 80 %.

Der Einsatz des mechanischen Rührwerks erforderte eine Belegschaft von zwei Männern, die mit der Arbeit um Mitternacht beginnen mussten, um den Tank rechtzeitig zu mischen. Mit Pulsair liegt der Arbeitsbeginn bei 5.00 Uhr morgens, und damit reduzierten sich auch die Arbeitskosten um mehr als die Hälfte.

Alles in allem gelingen mit Pulsair in diesem Fall Einsparungen von mehr als 360,00 Euro je Tag. Somit liegt die Kostenreduzierung in nur einem Jahr bei fast 95 000,00 Euro und übersteigt damit um ein Vielfaches die Investitionskosten für das Pulsair-Mischsystem.

Ein weiteres Beispiel ist BioPetrol Rostock. Das Unternehmen betreibt drei 5000-m3-Tanks noch aus DDR-Zeiten, gut vierzig Jahre alt. Da es deswegen Bedenken zur Befestigung durch Schweißen gab, entschied man sich für Doppelakkumulatorplatten mit Stellfüßen. Da Doppelakkumulatorplatten nicht nur oberhalb des Blasenaustritts, sondern auch unterhalb eine Scheibe haben, entstehen keine vertikalen Kräfte, die die Platten anheben würden. Dennoch wurden diese durch zusätzliche Verrohrung an der Tankwandung verankert.

Da durch das Aufwirbeln der Feststoffe, die sich unten abgesetzt haben, eine aufwendige Bodenreinigung mit vorangehender Tankentleerung entfällt, werden weitere erhebliche Kosten eingespart. So sammelten sich vor der Pulsair-Installation 150 t Feststoffe an, und das bei Reinigungskosten in Höhe von 342 Euro die Tonne.

Langlebigkeit

Die laufenden Kosten sind sogar derart niedrig, dass es sich für viele Tankbetreiber gar nicht lohnt, darüber Buch zu führen. Auch Rückmeldungen aus dem laufenden Betrieb sind selten, weil die im Tank verbauten Teile praktisch wartungsfrei sind. Und die beweglichen Teile außerhalb des Tanks, also die Logikrelais im Steuergerät und die Impfventile, sind auf 100 Millionen Zyklen ausgelegt, was einem 10 Jahre währenden Dauerbetrieb rund um die Uhr entspricht.

Pulsair ist einen langen Weg gegangen, seit Dick Parks seine ersten Versuche machte, Lachseier zu mischen. Heute haben Kunden in aller Welt eine der zuverlässigsten, wirksamsten und sparsamsten Mischtechnologien für ihre persönlichen Anwendungen im Einsatz.

* Der Autor ist Produktspezialist für Mischtechnik bei MPT Meß- und Prozeßtechnik GmbH in Rodgau.

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