Rührtechnik#
Von
Das Rühren gehört zu Vereinigungsprozessen in der mechanischen Verfahrenstechnik (Rühren, Mischen, Kneten) und ist in der chemischen, pharmazeutischen und Nahrungsmittel-Industrie eine wesentliche Operation. Sie sorgt dafür, dass sich im behandelten Stoffsystem strömungstechnische Beharrungszustände (engl.: steady-state) einstellen, die zum Durchführen der gewünschten Aufgabe nötig sind. Es gibt 5 Rühraufgaben: Homogenisieren mischbarer Flüssigkeitsgemische, Aufwirbeln von Feststoffteichen von Behälterboden, Dispergieren von einander nicht mischbaren Flüssigkeiten, Intensivierung des Wärmetransportes und Intensivieren des Stofftransportes im System Gas/Flüssigkeit.
Man darf sich die Operation des Rührens schon in der jungen Neuzeit nicht mehr rudimentär vorstellen. Im Buch von Georgius Agricola: >De re metallica< aus dem Jahr 1546 wird z.B. die kontinuierliche Extraktion von Gold aus goldhaltigem Sand („Goldseifen“) beschrieben, s. Abb. 1. Die 4-stufige Behälterkaskade verwendet 6-schauflige Schaufelrührer, angetrieben über Zahnräder auf gemeinsamer Welle. Die nachgeschaltete 3-stufige Waschkaskade benutzt Wasserräder auf waagerechten Achsen zur Verhinderung des Feststoffabsetzens. (Aus dem gewonnenen Au-Amalgam wird danach Hg bei 600 0C durch Destillation abgetrennt.)
Durch Aufkommen der modernen chemischen Technik im 20. Jh. wurde eine Palette verschiedener Rührorgane entwickelt. Sie sind in Abb.2 klassifiziert nach ihren Einsatz in verschieden viskosen Flüssigkeiten sowie danach, ob sie eine tangentialle/radiale oder eine axiale Strömung im Behälter erzeugen.
Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte zum Dimensionieren von Rührern besprochen. Die Details werden in [1] präzisiert.
- Die Leistungsaufnahme des Rührers ist keine Rühraufgabe, sie muss jedoch für jede Rühraufgabe bestimmt werden. Bei der Bestimmung der Antriebsleistung müssen die Anfahrleistung sowie die Leistungsverluste in Getriebe, Lagerung und Abdichtung berücksichtigt werden.
- Makromischung betrifft die vom Rührer erzeugte Flüssigkeitsbewegung im Kessel. Sie ist entscheidend beim Homogenisieren des Flüssigkeitsgemisches sowie beim Aufwirbeln feinteiliger Teilchen vom Behälterboden. Sie hängt von extensiven Größen wie Rührerdrehzahl n und Rührerdurchmesser d ab. Mikromischung bestimmt die Abmessung kleinster Wirbel in der Flüssigkeit. Auf diese kommt es primär beim Dispergieren im System L/L, aber auch beim Dispergieren im System G/L an. Sie hängt von intensiv formulierten Prozessparametern wie Leistung/Volumen P/V und der Gas-Leerrohrgeschwindigkeit vG (Gasdurchsatz pro Querschnittsfläche) ab.
- Bei der Scherbeanspruchung des feinteiligen Rührgutes (tierische Zellen, usw.) muss bedacht werden, dass die Rührleistung weitgehend in unmittelbarer Umgebung des Rührers in der Flüssigkeit dispergiert wird. Scherarm sind daher langsam laufende großflächige Rührer wie Ankerrührer, Balkenrührer, Blattrührer.
- Beim Homogenisieren eines Flüssigkeitsgemisches kommt es auf die Gestaltung des Kessels an. H/D = 1 ist optimal. Bei Dichte- und Viskositätsunterschieden wird die Mischdauer um den Faktor 5 -10 länger, das gleiche gilt für nicht-Newton´sche Flüssigkeiten. Im turbulenten Strömungsbereich (Re > 103) ist die Rührerform belanglos, im laminaren Strömungsbereich ist dagegen der Wendelrührer mit Abstand der günstigste Rührertyp. Die Mischdauer ist berechenbar. Mit steigendem Behälterdurchmesser D steigt die Mischdauer an
. Bei großen Volumina empfiehlt es sich deshalb, den Rührvorgang nach kleinster Mischarbeit P
= min zu optimieren.
- Beim Aufwirbeln von Feststoffteilchen vom Behälterboden kommt es auf die Bodenform wesentlich an. Halbkugelboden wäre optimal, Klöpperboden ist OK. Strombrecher über die ganze Füllhöhe sind unabdingbar! Es müssen Rührertypen verwendet werden, die eine gerichtete axiale Strömung zum Boden hin erzeugen: Propellerrührer und Schrägblattrührer sind die einzigen, die sich für diese Aufgabe eignen. Um die Rührleistung zu minimieren, sollte der Rührer einen kleinen Bodenabstand haben (h/d = 0,5 statt 1,0) und relativ groß sein: d/D = 0,7 statt 0,3).
- Beim Dispergieren im System L/L kommt es lediglich auf P/V an, der Rührertyp ist belanglos. Hohe Leistungseinträge lassen sich allerdings nur mit Scheibenrührern oder mit Rührern nach dem Rotor/Stator-Prinzip realisieren. Der P/V-Wert zum Erreichen der erwünschten Tropfengröße dp ist nach der statistischen Theorie der Turbulenz berechenbar. Die kleinsten Wirbel sollten von der gleichen Längenabmessung wie der gewünschte Partikeldurchmesser dp sein. Je kleiner ist der mittl. Tropfendurchmesser dp , desto enger ist auch die Tropfengrößenverteilung. Eine stabile Tropfengrößenverteilung wird erst nach 2 h Rührzeit erreicht.
- Beim Intensivieren des Wärmetransportes in Rührbehältern muss bedacht werden, dass die Rührleistung in Wärme übergeht, die den Kühlvorgang begrenzt. Problematisch ist das Kühlen von hochviskosen Flüssigkeiten, weil keine Kühlschlangen verwendet werden können, weil die isolierende laminare Grenzschicht an ihnen nicht entfernt werden kann. Der Wärmetransport kann lediglich über die Behälterwand erfolgen. Der günstigste Rührertyp hierzu ist der Ankerrührer mit Wischern, die die laminare Grenzschicht an der Behälterwand vollständig entfernen. In allen Fällen muss die optimale Drehzahl ermittelt werden, bei der ein Maximum an Reaktionswärme abgeführt werden kann.
- Beim Intensivieren des Stofftransportes im Rührbehälter im System G/L („Begasen“) wird dem sehr starken Scheibenrührer das Gas von unten zugeführt und in feine Gasblasen zerteilt. Energetisch ist es günstig, die Parameter Drehzahl und Gasdurchsatz so zu wählen, dass der Rührer in der (sicheren!) Nähe des Überflutungspunktes arbeitet. Der beste Rührer hierzu ist der 18-schaufelige Scheibenrührer (also nicht der klassische mit 6 Schaufeln!). Bei D/d = 5 verteilt dieser fast die dreifache Gasmenge, die ein 6-schaufeliger verteilen kann.
In [1] werden Auslegungsunterlagen für Kreiselbelüfter besprochen, die für die Oberflächenbelüftung in biologischen Abwasserreinigungsbecken verwendet werden.
Zum Begasen in großen Tanks sind Rührer nicht geeignet, weil ein Rührer das ganze Flüssigkeitsvolumen in Turbulenz versetzen muss, um das zugeführte Gas zu dispergieren. Hierzu sind Injektoren (Zweistoffdüsen) bei weitem geeigneter, weil in ihnen ein energetischer Flüssigkeits-Treibstrahl gezielt das Gaskontinuum in feinste Gasblasen zerteilt. Zweistoffdüsen haben zwei Freiheitsgrade (Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz) und können somit optimiert werden. Auslegungsunterlagen werden in [1] vorgestellt und an großtechnischen Ausführungen („Turmbiologie“) bestätigt.
Beim Begasen von biologischen Lösungen kommt es oft zum Schäumen. Es werden Auslegungsunterlagen für leistungsfähige mechanische Schaumzerstörer (Schaumzentrifugen) vorgestellt und besprochen [1].
Literatur#
[1] Marko Zlokarnik: Rühtechnik – Theorie und Praxis. Springer-Verlag 1999, ISBN 3-540-64639-6. (Davon gibt es auch eine englische Fassung.)[2] Matthias Kraume (Herausgeb.): Mischen und Rühren – Grundlagen und moderne Verfahren, WILEY-VCH 2003, ISBN 3-527-30709-5.
[3] E.L. Paul, V.A. Atiemo-Obeng, S.M. Cresta: Handbook of Industrial Mixing, WILEY-INTERSCIENCE 2004, ISBN 0-471-26919-0 (Besprechung in Chem.-Ing.-Techn. 76 (2004) 10, 1576-78.)
Weiterführendes#
