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Stelzer Rührtechnik International GmbH

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Beispiel 2: Ammonisierung

Zur Herstellung von MAP (Monoammoniumphosphat), DAP (Diammoniumphosphat) sowie weiteren NPK-Düngemitteltypen soll in einem Pre-Neutralizer eine extrem große Menge an gasförmigem Ammoniak eingebracht werden. Im Prozess kommen Rührreaktoren zum Einsatz, die erweitert werden sollten. Das Slurry in dieser Anlage als Bulkphase besteht hier aus Phosphorpentoxid P₂O₅ (bis zu 54 % aus dem Wet Process), H₂SO₄, HNO₃, S₂ und Wasser. Das typische Molverhältnis liegt üblicherweise bei NH₃: H₃PO₄ = 1:4. Abb. 3 zeigt schematisch den Prozess und die Aufgabenstellung an das Reaktorrührwerk.

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Die am Behälterboden über Düsen eingetragene Gasmenge an Ammoniak NH₃ ist sehr groß, so dass wir es mit einer volumenspezifischen Gasbeladung von q* = 7.7 vvm zu tun haben. Das sind extreme Ansprüche an ein Industrierührwerk. Im Vergleich: Großfermenter in der Biotechnologie werden bei spezifischen Begasungsraten von q* =1 bis 2 vvm betrieben.

Die in der bestehenden Produktion bisher eingesetzten Suspensions- und Begasungsturbinen im klassischen Stil von Scheiben- und Schrägblattrührern konnten das Gas nicht ausreichend dispergieren, so dass große Mengen an NH₃ aus dem Reaktor oben austraten und recycelt wieder rückgeführt werden mussten. Die Prozessanalyse zeigte, dass die dimensionslose Begasungskennzahl bei Q= 1.49 lag und die Turbinen mit Fr = 0.4 vollständig geflutet wurden.

Als Lösung wurde das System analysiert und eine neu entwickelte Begasungsturbine Typ GD₆(B) als Weiterentwicklung von asymmetrischen Konkavturbinen mehrstufig in Kombination mit einem hocheffizienten Axialförderer Typ HDL3 eingesetzt. Die GD₆(B)-Turbine hat im Vergleich zu bisherigen Systemen einen erheblich höheren Überflutungspunkt, dadurch ist ein Überfluten trotz erheblicher Gasmengen auszuschließen.

Das neue Rührwerk wurde im Ammonisierungsprozess eingesetzt und erfüllt nun die kombinierten Rühraufgaben des Begasens und Suspendierens des Slurries. Durch die hohe Unabhängigkeit der Primärbegasungsturbine von der Begasungsrate wird auch deren Förderrate erhalten und bricht nicht wie bei anderen überfluteten Turbinen zusammen. Aufgrund der hohen Temperatur im Reaktor von 150 °C und des stark abrasiven und korrosiven Verhaltens des Produktes sind alle produktberührten Werkstoffe im Sondermaterial Super Duplex ausgeführt.

Beispiel 3: Bioreaktoren

Sind Fermenterbrühen nicht mehr wasserdünn, sondern weisen z. B. durch hohe Zelldichten oder Myzelbildung nicht-Newtonsches Fließverhalten auf, d. h. die Viskosität ist schergeschwindigkeitsabhängig, kann es zu ausgeprägten Kavernen im Behälter kommen, in denen kaum mehr Stoffübergang stattfindet. Die Strömung erreicht dann aufgrund von Schubspannungsgrenzen nicht mehr die Behälterwand oder die nächste Rührerstufe, der Stoffübergang geht dort in Totzonen gegen Null. Weiterhin hat das Gas die Tendenz, sich genau in diesen Gas-Cavities anzusammeln, so dass im Grunde nur in Rührernähe Stoffaustausch stattfindet und damit das eigentliche Reaktorvolumen nur sehr eingeschränkt genutzt werden kann. Am Rührer selbst herrschen bei diesem Fließverhalten niedrige Viskositäten, die sich aber auf einige 1.000 mPas in kurzer Distanz vom Rührer erhöhen können: Am Rührer herrscht durch hohe Schergeschwindigkeit eine repräsentative Viskosität von η_rep=100 mPas, etwas entfernt vom Rührer bereits bis 1.500 mPas mit Peaks bis zu 3000 mPas. Es ist daher die Berechnung der Kavernengrößen zu empfehlen, um die „Reichweite“ des Rührelements zu bestimmen.

Stelzer hat im Rahmen umfassender Untersuchungen für Fermentationsanwendungen die bestehenden Systeme am Markt näher betrachtet und das Design soweit optimiert, dass selbst bei höchsten Begasungsraten der Leistungsbeiwert der Turbine kaum mehr abfällt. Das Novum besteht wie im vorherigen Beispiel sowohl in dem asymmetrischen Blattdesign des Ober- und Unterblattes einer neuen Konkav-Turbine als auch dem sich verändernden Öffnungswinkel, so dass die Turbine GD₆(B) einen Quasi-Venturi-Düseneffekt erzeugt.

Abb. 4 zeigt die Leistungscharakteristik verschiedener Rührer unter Begasung. Man erkennt den starken Leistungsabfall der Rushton-Turbine, die Verbesserung durch Einsatz einer konkaven Smith-Turbine sowie eine andere typische asymmetrische Konkav-Turbine. Als Neuentwicklung zeigt die GD₆(B)-Turbine fast gar keinen Abfall mehr in der Leistung unter Begasung. Und nicht nur das: sie beginnt erst bei erheblich höheren dimensionslosen Begasungsraten Q auf die Begasung überhaupt zu reagieren.

Das bietet Anwendern erhebliche Vorteile im Prozess. Die notwendige Drehzahlregelung ist nur noch minimal vorzunehmen, wenn mit niedrigen, mittleren oder hohen Begasungsraten gearbeitet wird. Und im gesamten Regelbereich wird praktisch die gleiche spezifische Leistung P/V (kW/m³) in die Fermenterbrühe eingebracht, mit maximalen Stoffübergangswerten OUR. Abb. 5 zeigt eine typische Anordnung der Rührer in der Fertigung.

Fazit: Die Rührtechnik entwickelt sich kontinuierlich weiter. Rührwerkshersteller forcieren auf Basis kundenspezifischer Problemstellungen Neuentwicklungen in den Berechnungsverfahren von Prozessen, Technikumsversuche, CFD-Strömungssimulationen und Hardwareentwicklung. Diese Entwicklungen lassen sich dann anwendungstechnisch vielfältig auf ähnliche Prozesse oder Aufgabenstellungen übertragen, so dass ein Informations-Cross-Flow möglich wird.

* Der Autor ist Technischer Leiter/Leiter F&E bei Stelzer Rührtechnik, Warburg.

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