Rühren wie die Profis

Werner Himmelsbach, David Houlton, Bernd Kastner

In den letzten zehn Jahren sind viele traditionelle Rührsysteme weitgehend überflüssig geworden. Vor allem beim Begasen von Flüssigkeiten zeigen die alten Modelle deutliche Leistungseinbrüche. Herkömmliche Rührorgane müssen zudem präzise auf die Betriebsbedingungen abgestimmt sein, was ein verlässliches Scale-up vom Labor- oder Technikumsmaßstab stark erschwert. Ekato hat eine Reihe von Hochleistungsrührorganen für Gas-Flüssig-Anwendungen entwickelt, die robuste Einsatzcharakteristika haben und eine zuverlässige Basis für das Scale-up aus Labor oder Pilottest bieten. Anhand von drei Beispielen wird im folgenden erläutert, wie die Leistungen von Gas-Flüssig-Reaktoren durch den Einsatz dieser neuen Rühr-werkstechnologien signifikant und kostengünstig gesteigert werden können.

In hochviskosen Fermentationsmedien sind die Stoffübergangsraten niedrig. Der Grund ist die erschwerte Diffusion des Sauerstoffs durch die Grenzschicht um die Luftblasen. In vielen Bioreaktoren mit traditionellem Design der Rührorgane wird der Stoffübergang vom Gas in die Flüssigkeit zusätzlich durch ungleichmäßige Turbulenz und nicht newtonsches Fließverhalten behindert. Die Flüssigkeit nahe der Behälterwand bewegt sich kaum, was den Wärmeübergang extrem erschwert, und die Dispergierung von Luftblasen ist in diesem Bereich ungenügend. Außerdem kann das radiale Förderverhalten vieler Rührorgane, wie zum Beispiel des Scheibenrührers, im Reaktor zu Inhomogenitäten über der Reaktorhöhe führen, die man im Labor- oder Pilotversuch nicht feststellen kann. Durch die Kanalisierung der Luft im Zentrum des Reaktors wird die Leistung der Rührwerke weiter eingeschränkt.

Als Folge sind die Mikroorganismen stark schwankenden Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Sauerstoff- und Substratkonzentrationen ausgesetzt, was zu einer Verschlechterung der Ausbeute und der Produktqualität, bis hin zu verlorenen Produktionsreihen führen kann. Beim kombinierten Einsatz der beiden Begasungsrührorgane Phasejet und Combijet lässt sich die Leistung dagegen fast unabhängig von der Menge der Luftzufuhr konstant halten. Der Phasejet fungiert dabei als primärer Gasdispergierer. Ein Frequenzumformer ist nur nötig, wenn die Leistung in Mehrzweckanlagen dem jeweiligen Produkt angepasst werden muss. Durch die Kombination von axialer und radialer Strömung wird der gesamte Behälterinhalt schnell durchmischt. Dazu werden bei gleichem Energieeintrag höhere Turbulenzen (Reynoldszahlen) erreicht. Dadurch steigt die Homogenität in den Fermentationsmedien, so dass bei gleichzeitig höherem Stoffübergang bis zu 20 % bessere Produktqualitäten erzielt werden können.

Die Hydrierung von organischem Material besteht überlicherweise aus einer komplexen 3-Phasen-Reaktion, in der Wasserstoff der organisch-flüssigen Phase zugeführt, in dieser gelöst und an der Oberfläche eines festen Katalysators absorbiert wird. Ein organisches Basismolekül muss dabei ein Wasserstoffmolekül auf der aktiven Seite des Katalysators treffen, um die Reaktion in Gang zu bringen. Beim Mischen liegt der größte Transportwiderstand – bedingt durch die im Vergleich zu den Katalysatorpartikeln relativ großen Wasserstoffblasen – im Stoffübergang vom Gas zur Flüssigkeit. Die Steigerung des Stoffübergangs in die Flüssigphase führt somit zu einer direkten Erhöhung des Umsatzes, wenn die Reaktion selbst ausreichend schnell ist.

Traditionelle Hydrierreaktoren sind durch die dort oftmals noch angewandte Oberflächenbegasung nicht in der Lage, den Stoffübergang zu beschleunigen. Da die Wasserstoffzufuhr hier durch den Kopfdruck geregelt wird, erreicht unreagiertes Gas die Flüssigkeitsoberfläche und sammelt sich im Kopfraum des Behälters, wobei der Druck steigt. Wenn Kopf- und Einspeisedruck gleich sind, stoppt die Einspeisung, bis weiterer Wasserstoff von der Oberfläche in die Flüssigkeit absorbiert wird und abreagiert. Um diese Verzögerung zu vermeiden, kann alternativ ein Kompressor oder ein externer Flüssigkeitskreislauf eingesetzt werden. Beide Lösungen verlangen jedoch den Einsatz zusätzlicher Ausrüstung. Die Ekato-Combi-Begasung dagegen kann durch einfachen Umbau und Ersatz bestehender Rührwerke die Leistung eines Reaktors deutlich verbessern. Das Combi-Begasungssystem verwendet den Gasjet – eine selbst ansaugende Begasungsturbine – die sich wie ein interner Kompressor verhält. Dabei wird Gas vom Oberflächenbereich durch die Hohlwelle in die Unterdruckzone der Kanäle des Gasjet gezogen. Das Gas wird im Bereich hoher lokaler Leistungsdichte zugeführt, so dass der Blasenaufbruch und damit der Stoffübergang begünstigt wird. Dadurch ist die Stoffübergangsleistung der Combi-Begasung den wesentlich komplexeren – und damit teureren – externen Kreislaufsystemen ebenbürtig oder überlegen.

Doch nicht nur die Technik der Rührwerke, sondern auch das Design der Rührbehälter hat sich in den letzten Jahren weiter entwickelt: Die Betreiber von Chemieanlagen installieren zunehmend größere Rührreaktoren. So stiegen die Reaktorvolumina seit den 60er-Jahren von etwa 20 m³ auf heute 500 bis 1000 m³. Als Konsequenz haben sich die Leistungen der Rührwerke und die daraus resultierenden mechanischen Belastungen für die Rührbehälter enorm erhöht. Auf der Apparateseite führt diese Tendenz zu deutlich geringeren Steifigkeiten und damit zu niedrigeren Eigenfrequenzen, die dann nicht selten im Bereich typischer Erregerfrequenzspektren des Rührwerkes liegen. Hierdurch steigt das Resonanzrisiko von Behältern und deren Einbauten signifikant an. Bei großen Rührbehältern sind daher oftmals Zusatzmaßnahmen nötig, um die Rührkräfte bei ausreichender Steifigkeit zu absorbieren. Um den dynamischen Belastungen des Rührwerks auch auf Dauer stand zu halten, kann von Fall zu Fall eine Verstärkung des Behälterdeckels oder der Einbauten notwendig sein.

Während der Designphase beziehungsweise der Überprüfung bereits vorhandener Anlagenteile bei der Entwicklung von Rührreaktoren werden heute effiziente Berechnungstechniken wie zum Beispiel die Finite-Elemente-Analyse (FEA) eingesetzt. Mit der FEA können die Einflüsse der hydraulischen Kräfte und der Rührwerksmassen auf die Behälterstruktur simuliert werden. Im Rahmen einer Modalanalyse werden beispielsweise die Eigenfrequenzen des Behälters und dessen Einbauten berechnet, welche dann mit den typischen Erregerfrequenzen des Rührwerkes verglichen werden können. Nur auf diesem Wege lässt sich das Resonanzrisiko zuverlässig ausschließen. Ebenso können Strukturverformungen unter den Betriebslasten mit vertretbarem Aufwand simuliert werden. Die FEA liefert auch bei der Betriebsfestigkeits- oder Spannungsanalyse wertvolle Erkenntnisse für die Designoptimierung und beugt möglichen Schäden an der Anlage im späteren Betrieb vor. Dies hilft Investitionskosten zu senken, vermeidet Produktionsausfälle und erhöht nicht zuletzt die Betriebssicherheit. Die FEA bedarf allerdings hinsichtlich der Modellierung, der Vernetzung, der Lastannahmen und vor allem bei der Interpretation der Berechnungsergebnisse eines hohen Erfahrungsschatzes des Berechnungsingenieurs. Eine Validierung der Ergebnisse durch experimentelle Methoden – zum Beispiel durch Schwingungsmessungen nach Inbetriebnahme eines Reaktors – bietet zusätzliche Sicherheit.

cav 448

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