Rührtechnik für Anspruchsvolle Wenn Rührwerksspezialisten gefordert sind

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Gerührte Reaktoren haben in vielen Prozessen eine Schlüsselfunktion. Speziell in kontinuierlichen Prozessen ist ein hohes Augenmerk auf die störungsfreie Funktion der Rührwerke zu richten. In mehrphasigen Batch-Prozessen sowie in Prozessen mit Phasenumwandlungen oder hohen Viskositätsschwankungen ist der Rührwerksspezialist extrem gefordert.

Mit Ausnahme von Monoproduktionsanlagen werden Rührreaktoren multipel betrieben. Aber selbst wenn immer das gleiche Produkt oder ähnliche Produktlinien produziert werden, sind die Aufgaben an ein Industrierührwerk weitreichend. Die Grundaufgaben, die ein Rührwerk zu erfüllen hat, sind meist:

Homogenisieren: Dabei können je nach Prozess durchaus alle Phasen durchlaufen werden, mit einem niederviskosen Produkt als Startpunkt, einer hochviskosen Phase und einem mittelviskosen Endprodukt.

Suspendieren: Hierbei werden Feststoffe in den Reaktor eingebracht, die aufgrund höherer Dichte entweder absinken und vom Rührwerk aufgewirbelt, also suspendiert werden müssen, oder die – im Falle leichterer Produkte – von der Oberfläche eingezogen werden sollen.

Wärmetausch: Das Geheimnis des Wärmetausches ist ein großes Durchmesserverhältnis des Rührers d₂ zur Wand d₁, um laminare Grenzschichten abzubauen und zu erneuern. Diverse Rührertypen unterscheiden sich hierbei im Prozessergebnis. Zusätzliche Abstreifersysteme können den inneren Wärmeübergangskoeffizienten erheblich steigern (im Bereich von Zehnerpotenzen).

Dispergieren: Feine Verteilung von ineinander nicht mischbaren Flüssigkeiten; Schaffung von möglichst kleinen Tropfendurchmessern der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase; Limitierung der Tropfendurchmesser, wenn Settler-Einheiten nachgeschaltet sind, in denen wieder Phasentrennung stattfinden soll.

Begasen: Dispersion von Gas in Flüssigvorlage. Ziel ist die Schaffung möglichst großer volumenspezifischer Oberflächen zum Stofftransport. Die Gaseinleitung geschieht über Begasungsringe am Boden, Lanzen, Oberflächeneinzug über Trombenbildung oder Kombination durch Primärbegasung am Boden und Sekundärbegasung über Oberflächeneinzug per Hohlwellensystem.

Sonderaufgaben: Beispielsweise das Entmonomerisieren durch Einblasen von Dampf oder Stickstoff oder die Kristallisation bis hin zu hochviskosen Slurries in z. B. der Verdampfungskristallisation.

Drei Beispiele zeigen die verschiedenen Aufgaben in einem gerührten Reaktor auf.

Beispiel 1: Veresterung

In einem Umesterungsreaktor in der Oleochemie sollen Fettsäuren und Ester mit Alkoholen und Katalysatoren reagieren und zu weiteren Estern umgesetzt werden. Wir untersuchen den Prozess selbst, führen eine CFD-Analyse parallel durch und vergleichen zwei verschiedene Rührwerksausführungen.

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Der Aufbau einer typischen Anlage (siehe Bildergalerie, Abb. 1) besteht aus einem Einwaagebehälter (Pre-Weigh), dem eigentlichen Reaktor und einem nachgeschalteten Behandlungsreaktor (Bleacher). Abb. 2 zeigt die multiplen Aufgaben, die das Reaktorrührwerk zu erfüllen hat. Der Anspruch ist, eine Strömung so aufzubauen, das die Edukte schnell eingezogen werden. Weitere Edukte werden unten eingedüst sowie fein dispergiert. Die verschiedenen Komponenten sollen schnell miteinander reagieren und das in der Veresterungsreaktion gebildete Wasser schnell an die Oberfläche geführt werden, wo es verdampft. Damit der Prozess funktioniert, ist über acht Heizwendeln eine hohe Wärmeleistung in den Reaktor einzutragen. Das Rührwerk muss also die acht „Coils“ möglichst gleichmäßig und intensiv durchströmen.

Rührwerke im Einsatz:

• Leistung: P_mot = 11 kW

• Rührsystem: 3+1 Visco-Propeller

• Primäre Förderrate laut Lieferantenangabe: Q_prim = 200 m³/h

Die Batchzeit ist extrem lange. Das Wasser wird ungenügend schnell ausgetrieben, die Reaktion läuft zu langsam ab. Die Anlage leistet nicht den geplanten Umsatz.

Neuprojektierung:

• Leistung: P_mot = 22 kW

• Rührsystem: 3 Visco-Propeller

• Primäre Förderrate: Q_prim = 380 m³/h

Im Folgenden sind die Unterschiede in der verschiedenen Rühraufgaben aufgezeigt.

Wärmetausch: Die Strömungsgeschwindigkeit ist linear zur Umwälzrate mit Q_prim = u x A, somit auch die Reynoldszahl: Re= u · d₂ · ρ/η. Da die Reynoldszahl in die Nusseltzahl eingeht, mit Nu ~ Re^2/3 oder ~ u^2/3, folgt für den Wärmeübergangskoeffizienten α_i an das Heizregister: α_i ~ u ^2/3

Das heißt, das alte Rührwerk hat einen um 35 Prozent kleineren Wärmeübergang als das neu projektierte Rührwerk.

Verdampfungsrate: Der Oberflächenaustausch oder die Erneuerungsrate RR von infinitesimalen Volumenelementen ist linear der Förderrate:

RR ~ ΔQ_prim = (200/380) = 0.53

D.h. das neue Rührwerk wird die Oberfläche um 47 Prozent schneller erneuern.

Mischzeit: Die Mischzeit verhält sich linear zur Förderrate, wobei wir im turbulenten Strömungszustand postulieren, dass die vollständige Vermischung bei etwa vier vollständigen Tankumwälzungen erreicht wird:

Δθ ~ ΔQ_prim= (200/380) = 0.53

Damit werden mit dem neuen Rührwerk die Komponenten um 47 Prozent schneller vermischt. Das hat in der Realität einen erheblichen Effekt, da die zugeführten Edukte, die an der Reaktion teilnehmen, nun viel schneller im Volumen verteilt werden, es findet schnellerer Konzentrationsausgleich und damit gleichmäßigere Reaktion statt.

Reaktion zwischen den Komponenten: Es sollen durch Dispersion von im Bodenbereich eingedüsten Edukten möglichst große spezifische Austauschflächen zwischen den Komponenten erzeugt werden. Der Dispersionsvorgang und damit die Tropfengröße verhalten sich wie folgt: d_p~ ε^-0.3

Bzgl. der massenspezifischen Leistungserträge verhalten sich die beiden betrachteten Rührwerke bei m = const wie folgt:

Δd_p = (17.6 kW/8.8 kW)^-0.3 = 0.81

Die zu erwartende Tropfengröße des größeren Rührwerks wird daher etwa 19 Prozent kleiner sein. Da sich die Reaktionsoberfläche zur Tropfengröße A_reaction∼ d_p² verhält, wird die Reaktionsoberfläche mit dem neuen Rührwerk um 35 Prozent größer sein.

Ob sich unserer theoretischen Berechnungen nun auch in der Realität darstellen lassen, zeigen die Ergebnisse aus der Produktionsanlage:

• Batch-Zeit der bestehenden Rührwerke: t_batch= 21,5 h

• Batch-Zeit der neu installierten Rührwerke: t_batch= 18,3 h

Damit ist die Batchzeit um drei Stunden kürzer. Bei einigen Produkten konnte die Batchzeit um fast fünf Stunden reduziert werden und damit um 23 Prozent. Damit hat die Anlage eine um fast ein Viertel höhere Kapazität.

Zwei weitere Beispiele anspruchsvoller Rührprozesse mit prozessspezifischen Rührsystemen lesen Sie auf der nächsten Seite: Ammonisierung sowie Bioreaktoren

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