Rühr- und Mischsysteme haben in der verfahrenstechnischen Industrie einen enormen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion. Bei Batch-Prozessen in Mehrzweckanlagen müssen sie unter anderem in der Lage sein, mehrere Aufgaben gleichzeitig optimal zu erfüllen. Ist dies nicht der Fall, entsteht ein Engpass in der Produktion. Bei der Herstellung hochviskoser Produkte sind dies oft die Misch- und Kühlzeiten. Aber auch ein lokal hoher Energieeintrag zum Dispergieren, ein guter Feststoffeinzug von der Oberfläche, eine schnelle und effiziente Produktentgasung oder die Entleerbarkeit können entscheidend sein. Viele Prozesse zur Herstellung hochviskoser Produkte laufen über einen sehr weiten Viskositätsbereich ab. Während das Endprodukt hochviskos ist, können einzelne Prozessschritte bei niedriger Viskosität ablaufen. Das Rührorgan sollte dann in der Lage sein, den kompletten Viskositätsbereich abzudecken. Bei der Herstellung von Schmierfetten werden beispielsweise zunächst die Ausgangsmaterialien – Grundöl und Wasser, Lithium- oder Aluminiumhydroxid sowie Additive – bei niedrigen Viskositäten zusammengeführt und die Mischung aufgeheizt, um die Verseifung zu starten. Unter einer Temperaturerhöhung bis weit über 200°C dampft das Wasser im Anschluss vollständig ab. Das fertige Produkt wird am Ende abgekühlt, wodurch die Viskosität massiv ansteigt. Es ist strukturviskos mit einer ausgeprägten Fließgrenze bis zur Größenordnung von 500N/m² (Herschel-Bulkley-Fluid). Der möglichst vollständige Austrag dieser schwer fließenden Masse aus dem Behälter stellt daher eine nicht zu unterschätzende Herausforderung für das Rührwerk dar.
Die Grenzen traditioneller Rührer
Es gibt Rührorgane, die auch für einen hoch komplexen Prozess wie die Herstellung von Schmierfett alle erwähnten Anforderungen erfüllen. Bei hochviskosen Produkten setzen viele Anwender auf wandgängige Rührer wie den Wendel- oder Ankerrührer. Der Wendelrührer erreicht in bestimmten Viskositätsbereichen recht kurze Mischzeiten. Er wird fast ausschließlich für Viskositäten η> 20.000 mPas genutzt. In diesem Bereich zeichnet er sich durch kurze Mischzeiten und einen guten Wärmeübergang über die Kesselwand aus. Bei kleineren Viskositäten jedoch steigt die Mischzeit deutlich an und die Wärmeübergangsleistung nimmt ab, weil die Rotation des Produkts im Kessel immer stärker zunimmt und sich beim Wendelrührer aus konstruktiven Gründen nicht durch den Einbau eines innen liegenden Stromstörers unterdrücken lässt. Im Gegensatz zum Wendelrührer ist beim Ankerrührer der Einbau eines innen liegenden Stromstörers möglich. Solange die Viskosität nicht zu stark ansteigt, sinkt hierdurch zwar die Mischzeit, für viele Anwendungsfälle bleibt sie jedoch ungenügend. Zudem nimmt die positive Wirkung des Stromstörers im Zusammenwirken mit dem Ankerrührer im hochviskosen Bereich schnell ab. Im rein laminaren Bereich kann daher mit dem Ankerrührer, auch beim Einsatz eines Stromstörers, keine ausreichende Durchmischung mehr sichergestellt werden. Für den Anker- und den Wendelrührer gelten somit eingeschränkte Viskositätsbereiche für deren jeweiligen Einsatz. Der als Beispiel genannte Prozess zur Herstellung von Schmierfett wäre mit diesen konventionellen Rührern sehr zeitaufwendig. Zudem müssten oft mehrere Behälter installiert werden, um die einzelnen Schritte nacheinander durchführen zu können. Dies würde die Wirtschaftlichkeit des Prozesses erheblich beeinträchtigen. Ein derart komplexer Prozess erfordert ein Rührorgan mit einer maximalen Mischleistung über den ganzen Viskositätsbereich. Der Ekato Paravisc vereint die Vorteile des Wendel- und Ankerrührers in einem Rührorgan. Im hochviskosen Bereich bildet er eine ähnliche Strömung aus wie der Wendelrührer und erreicht zumindest vergleichbare, teilweise sogar kürzere Mischzeiten. Im Gegensatz zum Wendelrührer können die Blätter bei Bedarf nur im Bodenbereich über radiale Holme mit Nabe und Welle verbunden werden. Dies ermöglicht den Einbau innen liegender Stromstörer wie beim Ankerrührer und garantiert auch im niedrigviskosen Bereich kurze Mischzeiten. Der Paravisc kann damit über den gesamten Viskositätsbereich – von wässrig dünnflüssig bis zu 1.000.000mPas – problemlos eingesetzt werden. Darüber hinaus stellt das modular aufgebaute Rührsystem weitere Möglichkeiten zur Verfügung, die neben der Schmierfettherstellung auch eine große Anzahl weiterer Prozesse, wie beispielsweise für die Chemie-, Nahrungsmittel- und Kosmetikproduktion, effektiv gestalten. Um extrem lange Batch-Zeiten durch Limitierungen beim „Heizen/Kühlen“ zu verhindern, arbeitet der Rührer mit zusätzlichen Wandabstreifern, die an senkrechten, runden Zusatzholmen befestigt sind. Der flexible Abstreifer hat direkten Wandkontakt und sorgt somit für eine vollständige Erneuerung der Wandgrenzschicht bei einer Rührerumdrehung. Die Ausführung der Abstreifer wird an die Prozessnotwendigkeiten angepasst. Für Krusten bildende Anhaftungen eignen sich eher robuste, starre Wandabstreifer. Im Pharma- und Kosmetikbereich kommen dagegen flexible, GMP-gerechte Abstreifer zur Anwendung, die gegebenenfalls Behälterunregelmäßigkeiten kompensieren. Dies ist ohne zusätzliche Federanpressung nur mit Hilfe der Produktanströmung möglich. Der zusätzliche Einsatz von Wandabstreifern erhöht zudem den inneren Wärmeübergangskoeffizienten um einen Faktor von zwei bis fünf. Anstelle von Stromstörern können auch Dissolver auf einer exzentrischen Welle eingesetzt werden, um die gegebenen Dispergieraufgaben zu erfüllen. Eine typische Anwendung der Kombination von Paravisc und Dissolver ist der Einzug und das Dispergieren großer Füllstoffmengen wie beispielsweise Kalk, Kieselsäure oder Kunststoffpulver. Bei hohen Viskositäten oder anspruchsvollen Einzugsanforderungen wird der Paravisc auch in Kombination mit unterschiedlichen Zentralrührertypen als Koaxialrührwerk eingesetzt. Bei gleichläufigem Betrieb der beiden Rührer verstärkt sich die Trombenbildung, was zu einem idealen Einzugsverhalten führt. Durch Umkehr der Drehrichtung und gegenläufigen Betrieb können gegenüber Einwellensystemen deutlich erhöhte Scherkräfte eingebracht werden, da sich die Trombenbildung reduziert. Ein gegenläufiger Betrieb des Koaxialrührwerks bei gleichzeitigem Einsatz großer Zentralrührer erzielt annähernd eine Knetfunktion. Bei Gefahr von Feststoffablagerungen im Bereich des Bodenablasses setzt Ekato auf der schnell laufenden Zentralwelle eines Koaxialrührwerks einen Bodenrührer ein. Das Entgasen von hochviskosen Produktansätzen wird deutlich beschleunigt, wenn der Paravisc nach oben fördert. Hierbei erzielt er bei geringer Scherwirkung eine Oberflächenbewegung. Kleine Blasen können ungehindert zu Großblasen koaleszieren. Die Blasen verformen sich so an der Produktoberfläche und können eher zerplatzen. Da sich die Anforderungen bei geänderten Rezepturen oder für Mehrzweckanlagen ändern, kommt der Flexibilität des Rührsystems ein sehr hoher Stellenwert zu. Die Optimierung bestehender Prozesse geht zunächst von den zu erfüllenden Grundrühraufgaben aus. Wenn es sich um einfache Mischaufgaben handelt, mit dem Ziel, das Produkt zu homogenisieren oder den nötigen Wärmeübergang zu gewährleisten, genügen oft Versuche mit Modellflüssigkeiten. Auch Strömungssimulationen (CFD) können hier in vielen Fällen die Unterschiede zwischen verschiedenen Rührsystemen mit guter Genauigkeit vorhersagen. Bei komplexen Rühraufgaben ist es oft unumgänglich, Versuche mit dem Originalprodukt durchzuführen. Die Prozessoptimierung für Schmierfette im Versuchsmaßstab und der erfolgreiche Einbau des Paravisc-Systems in die bestehenden Produktionsanlagen bietet hierzu ein gutes Beispiel: bei einigen Fetttypen werden alle Prozessschritte in einem einzigen Behälter gefahren, wo zuvor mehrere Kessel mit einzelnen Mischaufgaben in Reihe geschaltet wurden. Die neue Technik senkt im Einzelfall die Energie- und Produktionskosten um 20 Prozent bei einem um 40 Prozent höheren Ausstoß der Anlage – bei einer Qualität, wie sie zuvor nur im Labor möglich war. In bestehenden Rührkesseln ist ein Umbau auf die hoch effizienten, modernen Rührsysteme oft problemlos möglich. Durch die Steigerung der Wirtschaftlichkeit können sich die Investitionskosten oftmals in weniger als einem Jahr amortisieren.
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