Auf die sanfte Tour

Druckluftmischung ohne mechanisches Rührwerk

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21.07.2014 Wenn Flüssigkeiten regelmäßig oder gar dauerhaft gemischt werden müssen, ist die Zuverlässigkeit des Mischorgans von besonderer Bedeutung. Genau hier setzt das pneumatische Impulsmischverfahren an, bei dem keine drehenden Teile wie bei mechanischen Rührwerken betrieben werden. Als positiver Nebeneffekt werden dabei die Betriebskosten erheblich reduziert.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die pneumatische Impulsmischung bietet gegenüber mechanischen Rührwerken die Vorteile einer deutlich erhöhten Zuverlässigkeit und kaum bestehender Instandhaltungskosten, da sich keine beweglichen Teile im Tank befinden.
  • Der Einsatz großer Luftblasen führt zu keinerlei Sauerstoffeintrag ins Medium. An Stelle von Luft kann aber auch mit Inertgas wie Stickstoff gearbeitet werden.
  • Es kann über 80 % Energie gespart werden.

Als vor 30 Jahren Dick Parks, ein Ingenieur aus Seattle, Washington (USA), mit der Entwicklung des Mischverfahrens Pulsair begann, stand er vor der Aufgabe, Lachseier in großen Becken effektiv, aber sanft zu mischen. Die Herausforderung war, die Eier dabei nicht zu beschädigen. Mechanische Rührwerke waren dafür nicht geeignet. Seine Lösung bestand darin, durch Druckluft-Impulse am Tankboden große Blasen zu erzeugen. Heute stehen pneumatische Mischer für Treibstoffe, Schmiermittel, Lebensmittel, Weine, Farben, Abwässer und unzählige andere Flüssigkeiten zur Verfügung.

Keine beweglichen Teile
Da in der Industrie häufig ununterbrochene Mischprozesse für lange Zeiträume erforderlich sind, kann ein Ausfall sehr teuer werden. Schließlich fallen nicht nur Kosten für Ersatzteile und Instandsetzung an, sondern gerade auch durch eine Tankentleerung. Denn das bedeutet lange Stillstandszeiten und schlimmstenfalls auch Verlust des Mediums, das ja eigentlich durchmischt werden sollte.
Das Mischverfahren hingegen weist keine beweglichen Teile im Tankinneren auf, so dass nichts brechen kann, was einen Stillstand bedeuten oder eine Tankentleerung erforderlich machen würde.
Die einzigen Teile im Tank sind Druckluftleitungen und horizontal daran angebrachte Scheiben, sogenannte Akkumulatorplatten, aus denen die Luftblasen entweichen. Bewegliche Teile befinden sich nur außen, beispielsweise die Logikrelais im Controller für die Luftstöße und die Impfventile in Richtung des Tanks.
Die Akkumulatorplatten mit einem Durchmesser von 10 bis 56 cm, die sich nur wenige Zentimeter über dem Tankboden befinden, sind das Kernstück des Ganzen. Nachdem Druckluft unter die Plattenmitte pulsiert, strömt die Luft um die Kanten herum und formt über der Platte eine Blase.
Beim Aufsteigen verdrängt diese Blase die Flüssigkeit darüber nach oben und zieht die Flüssigkeit darunter mit hoch. Nach dem Platzen der Blase setzen sich diese Bewegungen entlang der Oberfläche nach außen und von dort entlang der Tankwandung zurück zum Boden fort. Die kinetische Energie genügt, um mit dem nächsten Druckstoß zu warten, bis die Bewegung der Flüssigkeit merklich weniger geworden ist.
Erzeugt wird nicht nur eine senkrechte, sondern auch eine waagerechte Druckwelle. Mit Letzterer löst die Blase, die ja unmittelbar über dem Tankboden entsteht, Feststoffe vom Boden. Räumlich gesehen beginnt der Mischprozess also direkt am Tankboden und, von der zeitlichen Betrachtung her, direkt  am Anfang des Befüllprozesses. Und umgekehrt bleibt die Flüssigkeit nahezu bis zur vollständigen Entleerung durchmischt.
Vor Pulsair war das Mischen durch Luftzufuhr im Grunde nichts Neues. Doch war es üblich, fortlaufend viele kleine Blasen einzubringen mit dem Nachteil hohen Energieverbrauchs und des Eintrags von Sauerstoff. Beim Pulsair-Ansatz hingegen wird der Sauerstoffgehalt nicht erhöht, da eine große Blase eine viel kleinere Oberfläche aufweist als viele kleine Blasen. Wer sich dennoch nicht mit dem Gedanken anfreunden kann, eine sauerstoffempfindliche Flüssigkeit mit Umgebungsluft zu mischen, kann das System auch mit Inertgas wie Stickstoff betreiben.
Gleichzeitig kann der Tankinhalt energiesparend beheizt werden durch die Nutzung warmen Gases oder Dampfes beim Pulsen.

Von ganz klein bis ganz groß
Die Einführung von Steuergeräten war ein weiterer Verbesserungsschritt bei diesem Mischverfahren. Mit ihnen können Mischparameter, wie Menge, Druck sowie Dauer und Frequenz der Stöße, eingestellt werden, mit denen unterschiedlichen Anforderungen genüge getan und Energie gespart werden kann. Für jede Charge können die Mischparameter und die Pulsfolgen eingestellt werden. So kann ein Mischergebnis wiederholt oder angepasst werden. Sowohl Controller als auch die-Software, die in die Warte eingebunden wird, können den Mischprozess steuern. Geräte mit Touchscreen können nicht nur einen einzigen Tank, sondern auch ganze Tankfarmen betreiben. Jeder Tank kann einzeln mit Parametern versehen werden, um Mischzyklen zu starten und zu stoppen und sie an die erforderlichen Gegebenheiten anzupassen. Die Modulbauweise der Touchscreen-Steuergeräte erlaubt es, einen Betrieb mit zunächst nur einem Tank zu starten und nach und nach um weitere Tanks zu erweitern. In einer Umgebung mit explosiver Atmosphäre kann auch das Steuergerät pneumatisch betrieben werden.
Abhängig von der Materialverträglichkeit der Flüssigkeit können Rohre und Akkumulatorplatten aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden beispielsweise Stahl, Edelstahl, Aluminium, Glasfaser, Polyethylen, Polypropylen oder Polyvinylchlorid. Pulsair kann auch ganz ohne Akkumulatorplatten betrieben werden, wenn die Pulse direkt auf dem Tankboden entstehen.
Das Mischverfahren gibt es für jede Behältergröße von 150 l bis hin zu Tanks in ganz großem Umfang.
Pulsair durchmischt einige der weltgrößten Tanks. Ein Beispiel sind zwei Treibstofftanks mit 27 m Durchmesser und 11.000 m³ Fassungsvermögen in der Petronas-Raffinerie in Kuala Lumpur. Mit Pulsair wird auch in der Weinkellerei Lindemans im australischen Karadoc ein Rotweinbehälter zum Gären mit einem Durchmesser von 34 m und einem Fassungsvermögen von
300 t durchmischt.
Eine der bislang größten Installationen ist im schwedischen Göteborg zu finden, und zwar bei den Skarvik-Terminals von Vopak: 13 Rohöltanks mit 12,8 bis 39,5 m Durchmesser und 14,7 bis 16,5 m Höhe. Das Volumen reicht von 2.007 bis 20.219 3 m3.
Auch wenn die Mischeigenschaften von Form und Tiefe des Behälters abhängig sind, gilt als Faustregel, dass das Mischverhalten in einem Radius von 180 cm um eine Akkumulatorplatte herum am besten ist. Aus diesem Grunde werden in größeren Tanks mehrere Akkumulatorplatten installiert, in Göteborg beispielsweise pro Tank 13 bis 42 Platten mit einem Durchmesser von 56 cm. Dort wurden jeweils um eine Platte in der Mitte die anderen in konzentrischen Kreisen angeordnet. Es werden nicht alle Platten gleichzeitig betrieben, sondern immer nur bestimmte Plattengruppen hintereinander, um möglichst effektiv und energiesparend zu arbeiten.

Mixing to go
Für den Handbetrieb gibt es auch tragbare Geräte: Bei Tankwagen oder Eisenbahntankwagen kommen handgeführte Mischer wie beispielsweise PTM-2000 für Volumina von 19 bis 110 m³ zum Tragen. IBC können mit dem „10-55 Totestick“ durchmischt werden, auf Wunsch über ein Gestänge mit mehreren Platten auch am Behälterrand entlang.
Für kleine Behälter, beispielsweise 150-l-Fässer, bietet Pulsair den 5-55 Drumstick mit einer kleinen Akkumulatorplatte, die durch ein Handloch passt.

Weltweit im Einsatz
Heute wird das Verfahren bevorzugt zum Mischen eingesetzt: In den Niederlanden mischt Loder Croklaan sein Palmöl. In Deutschland mischt Stora Enso Fasertanks für die Papierherstellung. In Greensboro, North Carolina (USA), kommt Pulsair bei drei voneinander getrennten Mischprozessen in der Abwasserbehandlung zum Einsatz. Hersteller von Soßen, Farben oder Schmiermitteln sowie Chemiewerke und viele weitere Anwender flüssiger Mischverfahren betreiben das System in mittlerweile Tausenden von Tanks.

Kosten sparen
Doch dieses Mischverfahren ist nicht nur in technischer Hinsicht ausgeklügelt, auch die Kosteneinsparungen überzeugen, was bei einem texanischen Schmiermittelproduzenten sichtbar wird: Das Unternehmen mischt neutrale Öle mit Additiven, um daraus einen Grundstoff für andere Schmiermittel herzustellen. Dieser muss jeden Morgen um 9 h zur Weiterverarbeitung bereitstehen.
Zunächst betrieb das Unternehmen ein seitlich installiertes Rührwerk mit einer Leistung von 22 kW und eine Zirkulationspumpe mit 73 kW. Um den Mischprozess zu optimieren, wurde das Medium mit einem Boiler erwärmt. Als Pulsair eingeführt wurde, ersetzte ein 11-kW-Kompressor das Rührwerk und die Pumpe. Darüber hinaus musste der Boiler nur noch mit der Hälfte der Leistung betrieben werden. So wurden Energieeinsparungen von über 80 % erzielt.
Doch auch der Arbeitseinsatz wurde um mehr als die Hälfte reduziert: Vorher mussten zwei Mitarbeiter ab Mitternacht das Rührwerk bedienen; heute beginnen sie erst um 5 h morgens.
Das Verfahren spart insgesamt über 360 Euro am Tag ein. Über das Jahr belaufen sich die Einsparungen auf fast 95.000 Euro, mehr als die gesamte Installation gekostet hat.
Ein ähnliches Erfolgsbeispiel ist Biopetrol Rostock mit drei 5.000-m³-Tanks, die noch aus DDR-Zeiten stammen und gut fünfzig Jahre alt sind. Da es deswegen Bedenken hinsichtlich Schweißarbeiten gab, wurden Doppelakkumulatorplatten mit Stellfüßen eingesetzt. Doppelakkumulatorplatten haben nicht nur oberhalb des Blasenaustritts eine Scheibe, sondern auch unterhalb, so dass keine Vertikalkräfte entstehen, die die Platten anheben würden. Trotzdem wurden diese durch zusätzliche Verrohrung an der Tankwandung befestigt.
Da Feststoffe vom Boden gelöst werden, ist eine Bodenreinigung mit vorangehender Tankentleerung nicht mehr nötig, was weitere Kostenersparnisse bedeutet. Vor der Pulsair-Installation kam es zu 150 t Ablagerungen, wobei jede Tonne 342 Euro Reinigungskosten verursachten.
Die Kosten im laufenden Betrieb sind so niedrig, dass viele Unternehmen gar nicht die Notwendigkeit sehen, darüber Buch zu führen. Und da die im Tank verbauten Teile praktisch wartungsfrei sind, gibt es kaum Rückmeldungen von Seiten der Anwender. Die beweglichen Teile außerhalb des Tanks, also die Logikrelais im Steuergerät und die Impfventile, sind auf 100 Mio. Zyklen ausgelegt, was einem zehn Jahre währenden Dauerbetrieb rund um die Uhr entspricht.

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Heftausgabe: Juli 2014
Thomas Uhl Produktspezialist für Mischtechnik, MPT Meß- und Prozeßtechnik

Über den Autor

Thomas Uhl Produktspezialist für Mischtechnik, MPT Meß- und Prozeßtechnik

Thomas Uhl, Produktspezialist für Mischtechnik, MPT Meß- und Prozeßtechnik

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