Automation im Labor

Rühren

  • Abb. 1: 1, Welle; 2 Lippendichtring, fest im Gehäuse, 3, Gehäuse. Die Dichtfläche (4) sitzt zwischen Dichtring und Welle.Abb. 1: 1, Welle; 2 Lippendichtring, fest im Gehäuse, 3, Gehäuse. Die Dichtfläche (4) sitzt zwischen Dichtring und Welle.
  • Abb. 1: 1, Welle; 2 Lippendichtring, fest im Gehäuse, 3, Gehäuse. Die Dichtfläche (4) sitzt zwischen Dichtring und Welle.
  • Abb. 2: 1, Welle; 2 Gleitring, mitdrehend auf Welle, 3, Gegenring, fest im Gehäuse. Die Dichtfläche (4) sitzt zwischen beiden Ringen.
  • Abb. 3: 1a/ b, Welle innen/außen; 2, Gehäuse; 3, Glocke mit Außenwelle 1b; 4a/b, Magnete innen/ außen
Beinahe jeder Reaktionsansatz im Labor muss gerührt werden. Gerührt wird der Reaktorinhalt um die Reaktionspartner zu vermischen und um Wärme zu transportieren. Dabei können bei niedrigen Viskositäten der Mischung Magnetrührplatten eingesetzt werden. In der Praxis der Synthese sind Rührwerke mit Wellen häufiger.
 
Diese bieten höhere Drehmomente und eine wesentlich größere Auswahl von Rührelementen, zudem lassen sich mehrere Rührebenen auf einer Welle anordnen. Ein komplettes Rührwerk besteht aus Antrieb, einer Kupplung zum Ausgleich von Versatz, einem Rührverschluss und dem eigentlichen Rührer.
 
Rührantrieb
Im Labor werden fast ausschließlich elektrische Rührwerke eingesetzt. Die Leistung von Rührantrieben wird gerne in Watt angegeben. Für die Auslegung hilft diese Angabe aber leider nichts. Maßgeblich für das Vermögen eine viskose Lösung oder größere Volumina durchzurühren ist das Drehmoment. Die Leistung ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Angegeben wird aber die Aufnahmeleistung des Motors, und nicht die an der Rührwelle abgegebene Leistung. Aus meiner Praxis heraus halte ich die Herstellerangaben über maximale Rührvolumina für reichlich optimistisch. Bitte sehen Sie das als absoluten Grenzwert an und wählen den Rührantrieb mindestens eine Nummer größer. 
 
Der Drehmomentbedarf eines Rührers richtet sich übrigens nicht primär nach der Rührmenge. Wichtigste Faktoren sind vielmehr die Rührerform, die Viskosität der Lösung und noch mehr die Drehzahl und der Rührdurchmesser. Eine exakte Berechnung ist kaum möglich, insbesondere für den Einfluss der Rührerform. In die halbempirische Berechnungsformel geht die Drehzahl in der dritten, der Durchmesser in der fünften Potenz ein. Daher können auch kleine Änderungen in der Rührerform großen Einfluss haben. 
 
Die meisten Rührantriebe sind für eine maximale Rührdrehzahl von 2000 U / min ausgelegt. Diese hohe Drehzahl ist aber fast immer nutzlos. In den im Labor üblichen Reaktorgrößen wird selbst ein ungewöhnlich kleiner Rührer bei solchen Drehzahlen zu einer bis auf den Boden reichenden Rührtrombe führen.

Wichtiger ist die minimale Drehzahl, denn sie begrenzt den Einsatz langsam laufender Rührertypen.

 
Für die Automation ist eine Schnittstelle erforderlich. Das beschränkt die Auswahl, oft sind nur die Spitzenmodelle entsprechend ausgestattet. Die liefern auch meist das Drehmoment als zusätzliches Messsignal. In jeder Reaktion mit Viskositätsänderung, zum Beispiel Polymerisationen, liefert das Drehmoment wichtige Informationen über den Reaktionsfortschritt.
 
Rührkupplung
Zwischen Rührer und Antrieb wird eine als Gelenk fungierende Kupplung gesetzt. Es ist ausgesprochen schwierig Motor und Rührer exakt fluchtend auszurichten. Die Kupplung, am besten als Doppelgelenk ausgeführt, gleicht einen gewissen Versatz aus und entlastet damit auch Motor und Rührdurchführung von Seitenkräften. Es gibt Kupplungen mit Faltenbalg oder Gummielemente, aber mich überzeugen sie nicht. Es bleiben immer Seitenkräfte übrig, die die Rührdurchführung und den Motor belasten. Nach meiner Erfahrung sind Doppelkardangelenke sowie entsprechende Kunststoffelemente am besten geeignet. Was Sie hier an Geld ausgeben sparen Sie vielfach am Verschleiß des Rührverschlusses und des Motors.
 
Rührverschluss
Für einen Rührverschluss kann man wenig oder viel Geld ausgeben, die Preisspreizung ist enorm. Ein guter Rührverschluss soll verschiedene Aufgaben erfüllen: Er soll die sich drehende Welle gegen Vakuum und möglichst auch gegen Überdruck abdichten und gleichzeitig die Welle so führen, dass sie nicht „eiern“ kann. Beide Forderungen sind etwas widersprüchlich. Die Abdichtung benötigt eine gewisse Flexibilität um zu dichten, das verhindert aber eine saubere Führung. In den meisten Verschlüssen werden daher beide Aufgaben von verschiedenen Elementen wahrgenommen, es gibt eine Dichtung und eine Lagerung.
 
Altbekannt ist der KPG-Verschluss. Er wird immer seltener eingesetzt. Zur Führung werden Welle und Hülse genau aufeinander eingeschliffen, die Abdichtung und Schmierung übernimmt eine Schmierflüssigkeit. Hauptnachteile sind die schwierige Handhabung, die Bruchgefahr und die Notwendigkeit eines Schmiermittels, das Sie immer im Produkt wiederfinden. Am häufigsten findet man heute Rührverschlüsse mit einer PTFE-Führung und einfacher oder mehrfacher Lippendichtung (Abb. 1). 
 
Lippendichtungen haben nur in einer dünnen Linie Kontakt zur Welle. In dieser Linie ist dann aber der Verschleiß sehr hoch. Ist diese Dichtung aus Elastomeren gefertigt, bietet sie gute Abdichtung bei mäßigem Verschleiß. Nachteil ist die mangelhafte Lösemittelbeständigkeit dieser Elastomere. Daher findet man wesentlich häufiger Lippendichtungen aus PTFE. Diese verschleißen wesentlich schneller, achten Sie daher auf auswechselbare Dichtungen. Beim Einsatz mit Stahlwellen sieht man ziemlich schnell durchscheinende Flitter, die auf der Welle haften. Das ist der Abrieb der Dichtung. Generell leidet dieser Typ besonders stark unter Seitenkräften durch die Welle. Aber er ist ausgesprochen preisgünstig und für viele Zwecke vollkommen ausreichend. Bei hohen Ansprüchen an Dichtigkeit, vor allem bei Vakuum, sollten Sie auf andere Typen ausweichen. Bei hoher Last, zum Beispiel bei hohen Viskositäten, ist der Verschleiß so hoch, dass der Verschluss nicht mehr über eine Synthese dicht bleibt.
 
Wesentlich höhere Lasten bei guter Abdichtung trägt der Gleitringrührverschluss (Abb. 2). Statt einer dünnen Linie übernimmt hier eine Gleitfläche die Abdichtung. Die Reibung pro Flächeneinheit ist dadurch geringer, die eigentliche Dichtfläche dagegen größer als bei der Lippendichtung. Die beiden Gegenflächen der Dichtung müssen absolut plan und die Materialien aufeinander abgestimmt sein. Das limitiert die möglichen Materialien. Die Last wird bei diesem Typ durch Kugellager aufgenommen, der Gleitring sorgt lediglich für die Abdichtung. Für perfekte Dichtigkeit und höhere Drehzahl benötigt er eigentlich ein Schmiermittel. Trocken laufende Typen sind ein guter Kompromiss, die mögliche Höchstdrehzahl ist dann limitiert. Es gibt bei diesem Typ beträchtliche Preisunterschiede, verursacht durch unterschiedlichen konstruktiven Aufwand. Ein auch in der Großtechnik bewährter und bei entsprechender Wartung sehr zuverlässiger Typ, der sehr hohe Kräfte verträgt. Die Materialien der Dichtung sind Kohlenstoff, Keramiken, Metall und Kunststoff, in den medienberührten Teilen metallfreie Rührverschlüsse sind erhältlich.
 
Eigentlich der ideale Verschluss ist der Magnetrührverschluss (Abb. 3). Er bietet die perfekte Abdichtung, da keine Wellendurchführung existiert. Die Antriebskraft wird durch starke Magnete zwischen einer außen laufenden, vom Motor angetriebenen Glocke über eine Wand auf den innenlaufenden Rotor mit dem Rührer übertragen. Dadurch wird die Welle unterbrochen, die Welle bis zur Magnetglocke und der Rührer ab dem Innenläufer sind zwei verschiedene Teile. Die meisten sind aus Metall gefertigt, es gibt aber mittlerweile auch Varianten in Glas und Kunststoff. Für echtes Hochvakuum kommt kein anderer Typ in Frage. Magnetverschlüsse sind vergleichsweise teuer und bei höheren Drehmomenten auch recht groß. 
 
Rührer
Die Rührflügel auf der Welle übernehmen die eigentliche Mischaufgabe. Die Auswahl ist enorm. Daran kann man schon erkennen, dass es einen für alle Zwecke tauglichen Rührer nicht gibt. Da die Rheologie nicht Bestandteil dieses Artikels ist, begnügen wir uns mit einer Übersicht über die wichtigsten Rührflügel und ihre Stärken. Zu jedem Rührorgan gehört auch die Angabe, welchen Durchmesser es für die richtige Wirkung haben sollte und in welcher Höhe über dem Reaktorboden es montiert wird. Diese Werte geben wir im Verhältnis zur Reaktorgröße an. Dabei ist D der Reaktordurchmesser, R der Rührerradius, B die Montagehöhe über dem Boden des Reaktors, H (falls erwähnt) die Höhe des Rührorgans. Weiter geben wir die Geschwindigkeit an. Generell laufen Rührer um so schneller, je geringer ihr Durchmesser im Vergleich zum Reaktordurchmesser ist. Die Benennungen können sich je nach Literaturstelle unterscheiden, ich verwende die mir geläufige Nomenklatur.
 
Eine Übersicht (Aufmacherbild) über die erhältlichen Rührorgane, deren wichtigsten Eigenschaften und Anwendungen für die sie jeweils geeignet sind:
 
Propeller
Rührer mit mehreren schräggestellten oder gewölbten Blättern. Schnelllaufend, Strömung nach unten gerichtet, saugt von oben an. Homogenisieren, Suspendieren, Wärmeaustausch. Wenig geeignet für viskose Lösungen.
R = (0,2 bis 0,4) x D
B = (1,0 bis 1,5) x R
 
Turbine
Scheibe mit radial angeordneten, teilweise gewölbten Blättern. Schnellaufend, Strömung radial nach außen, saugt von oben und unten axial an. Gut zum Emulgieren, Dispergieren und Begasen, starke Scherung.
R = (0,3 bis 0,4) x D
H = 0,2 x R
B = R
 
Impeller
Rührer mit schräg angeordneten gekrümmten (auch gegen die Rührrichtung) Rührerarmen. Schnellaufend, aber langsamer als die vorigen, radiale Strömung, die durch die bodennahe Anordnung des Rührers axial umgelenkt wird. Gut zum Emulgieren, Dispergieren und Begasen, starke Scherung.
R = (0,50 bis 0,70) x D
H = (0,12 bis 0,17) x R
B = (0,08 bis 0,18) x R
 
Flügel oder Balken
Blattrührer mit besonders schmalem Blatt. Langsamlaufend, die Rührwirkung beruht auf einer radialen und axialen Strömung. Das Rührgut wird mäßig bis stark geschert. Homogenisieren von maximal mittelviskosen Flüssigkeiten.
R = (0,70 bis 0,9) x D
H = (0,05 bis 0,1) x R
B = (0,10 bis 0,2) x R
 
Blatt / Gitter
Volles, ebenes Rührerblatt beliebiger Form, durchbrochen als Gitterrührer. Langsamlaufend, Strömung tangential, die Rührwirkung beruht auf dem Geschwindigkeitsgefälle des vom Rührerblatt verdrängten Rührgutes im übrigen Behälterinhalt. Homogenisieren von maximal mittelviskosen Flüssigkeiten.
R = (0,4 bis 0,5) x D
H = (0,9 bis 1) x R
B = 0,3 x R
 
Schrägblatt
Rührer mit mehreren schräg angestellten, rechteckigen geraden Blättern (Sonderformen a2 = 90 Grad, auch gebogene Blätter). Schnelllaufend, die Rührwirkung beruht auf einer axial gerichteten Strömung, verbunden mit erhöhter Scherung. Umkehr der Strömungsrichtung durch Änderung der Schrägstellung oder der Drehrichtung. Homogenisieren von maximal mittelviskosen Flüssigkeiten.
R = (0,30 bis 0,40) x D
H = (0,15 bis 0,25) x R
B = (0,50 bis 1,00) x R
 
Anker
Rührer in Ankerform, der Behälterwandung angepasst, stark randgängig. Langsamlaufend, die Rührwirkung beruht auf einer vorwiegend tangentialen Strömung mit einer schwach ausgebildeten axialen Komponente. Wie viele randnah laufende Rührer neigt er dazu, den gesamten Inhalt in Rotation zu versetzen. Gewendelte Formen für hochviskose Lösungen. Besonders intensiver Wärmeaustausch, Verhinderung von Wandablagerungen.
R = (0,90 bis 0,95) x D
H = (0,50 bis 1,00) x R
B = (0,003 bis 0,005) x R
 
Gegenstrom
Rührer mit entgegengesetzter Blattanstellung auf einem Radialarm. Eher langsamlaufend, aber schneller als die vorigen, die Rührwirkung beruht auf einer axialen Strömung mit geringem Radialanteil. Entsprechend der Förderrichtung der Blätter ergibt sich in Wellennähe eine Axialströmung. Die Förderrichtung der Außenblätter wird der Rühraufgabe angepasst. Sehr gute Durchmischung, starke Scherung, maximal mittelviskose Flüssigkeiten.
R = 0,70 x D
H = 0,20 x R
B = 0,28 x R
 
Kontakt
Dr.-Ing. Burkhard Kusserow
HiTec Zang
Herzogenrath
 
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