Prozesse, bei denen mehrere flüssige Komponenten miteinander oder mit festen oder gasförmigen Komponenten zu vereinigen sind, spielen in der chemischen, der pharmazeutischen, der Lebensmittelindustrie und in der Grundstoff- und Wasseraufbereitung eine wichtige Rolle. Ziel kann die Herstellung eines homogenen Systems, die Beschleunigung der Stoff- oder Wärmeübertragung oder eine chemische Reaktion sein.

In Behältern erfolgt die notwendige Energiezufuhr meist durch in der Flüssigkeit rotierende Rührer.

Mit diesen Anordnungen sind Flüssig-Flüssig-, Flüssig-Fest- und Flüssig-Gasförmig-Reaktionen sowie folgende Grundoperationen ausführbar, wobei eine Einteilung zweckmäßig nach den Aggregatzuständen der beteiligten Komponenten erfolgt:

flüssig + flüssig Mischen, Emulgieren, Extrahieren

flüssig + fest Suspendieren, Auflösen, Extrahieren, Flotieren, Kristallisieren, Löslichkeitsverdrängen

flüssig + gasförmig Absorbieren, Austreiben, Verschäumen, Einengen

Außerdem ist eine Wärmeübertragung zur Behälterwand oder zwischen den Phasen möglich.

Einzelrührwerke können als Anklemm- oder Stativrührwerke, mit Behältern leichtlöslich verbunden, oder als Anbaurührwerke, meist mit druckdichtem Anschluss, montiert werden.

Die in Rührbehältern zu realisierenden stark unterschiedlichen Prozessbedingungen erfordern eine Variation folgender Hauptkennwerte, -abmessungen und Bauformen:

Rührbehälter Fassungsvermögen, Verhältnis lichte Höhe zu Innendurchmesser, Bodenform, Ausführung des Deckels, Anordnung und Abmessungen der Stutzen, Werkstoff, Auskleidung, Wanddicke, Einbauten (z.B. Strombrecher, Wärmeübertragungsflächen)

Rührwerk Rührerform, -abmessung und -drehzahl; Antriebsleistung und damit Antriebsmotor, Getriebe, Welle, Kupplung und Lagerung; Antrieb mit fester Drehzahl, mit im Stillstand umrüstbarer Drehzahl oder mit im Betrieb stufenlos verstellbarer Drehzahl

Dabei zeigen einzelne Parameter eine große Variationsbreite. Die geforderten

Fassungsvermögen schwanken zwischen 10 l für Laborausführung und 50 m3

bei Produktionsanlagen. Die für Rührprozesse charakteristische spezifische Leistung P/V liegt zwischen 0,01 und 4 kW/m³.

Die Auslegung und Konstruktion einer Rührmaschine erfolgt zweckmäßig in folgenden acht Schritten:

1. Analyse der im Rührbehälter durchzuführenden Operationen und Prozessbedingungen, wie Druck, Temperatur und Aggressivität des Mediums; Festlegung der zur Rechnung benötigten Stoffwerte und der vom Betreiber geforderten Kennwerte

2. Auswahl der Behältergröße und -form, Auswahl des Werkstoffs für Behälter, Rührer und Einbauten; Festlegung einer günstigen Rührerform und der Einbaubedingungen

3. Durchführung der verfahrenstechnischen Rechnung für alle im Rührbehälter ablaufenden Operationen, d. h. Bestimmung der zur Durchführung der Operationen notwendigen spezifischen Leistung P/V. Fehlen aussagekräftige Unterlagen, so sind Modellversuche durchzuführen; bei Ausführung ohne Strombrecher ist die Trombentiefe zu bestimmen.

4. Berechnung der Rührerdrehzahl und des Rührerdurchmessers, die für die geforderte spezifische Leistung notwendig sind

5. Abschätzen, ob während des Prozesses Bedingungen auftreten, die eine Überdimensionierung des Antriebs erfordern, und Auswahl eines Antriebs mit fester Drehzahl, mit im Stillstand umrüstbarer Drehzahl oder mit im Betrieb verstellbarer Drehzahl

6. Von den Schritten 4 und 5 ausgehend, Festlegung des geeigneten Antriebs unter Berücksichtigung der Verluste in Wellendichtung und Getriebe

7. Konstruktion der Baugruppen der Rührmaschinen und Auswahl der standardisierten Baugruppen

8. Komplettierung der Rührmaschine

Die in Rührmaschinen ablaufenden Prozesse lassen sich in ihrer überwiegenden Mehrheit auf fünf Grundprozesse — Mischen, Emulgieren, Begasen, Suspendieren und Wärmeübertragen — zurückführen.

Das Mischen, "das Vereinigen von molekulardisperslöslichen Flüssigkeiten zu einem bis in molekulare Bereiche homogenen System", geschieht makroskopisch durch die unterschiedlichen Zirkulationszeiten der einzelnen Substanzgebiete im Rührbehälter, durch die turbulenten Schwankungsbewegungen bis zur Größe der kleinsten Wirbelballen und anschließend durch molekulare Diffusion.

Beim Emulgieren, "dem Vereinigen nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten, wobei eine in Form von Tropfen in der anderen verteilt ist", bestimmt die Intensität der Turbulenz und die Intensität der Scherfelder die Tropfengröße und damit die Größe der Phasengrenzfläche. Zusätzlich ist eine ausreichende Strömung nötig, um das Aufrahmen oder Sedimentieren der inneren Phase zu verhindern.

Analog dazu wird beim Begasen die Blasengröße durch die Stärke der Turbulenz bestimmt. In vielen Fällen ist eine ständige Erneuerung der Oberfläche des Flüssigkeit-Gas-Gemisches notwendig, um die Anreicherung einer Schaumschicht zu verhindern.

Zum Suspendieren, "dem Vereinigen von körnigen Feststoffen und Flüssigkeiten durch Verteilen ineinander zu einem System, das sich unter der Einwirkung der Schwerkraft entmischt", ist eine genügende Strömungsgeschwindigkeit notwendig, um den Feststoff vom Boden aufzuwirbeln und in der Schwebe zu halten.

Zur Intensivierung des Wärmeübergangs ist schließlich eine Strömung längs der Heizfläche nötig.

Die Durchführung aller Operationen setzt demzufolge eine Strömung voraus. die den ganzen Behälterinhalt erfasst. Eine intensive Turbulenz ist vor allem für die Operationen Mischen, Emulgieren und Begasen notwendig.

Beide Bedingungen, die Erzeugung von Strömung und Turbulenz, erfüllt der sich im Rührmedium drehende Rührer, der im Prinzip wie das Laufrad einer Pumpe arbeitet, also eine Arbeitsmaschine darstellt.

Durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Rührer und Flüssigkeit, durch die vorhandenen Geschwindigkeitsgradienten und durch die Umströmung der Einbauten entstellen Wirbel, die durch die Strömung mitgenommen werden. Durch die Viskosität und die gegenseitige Beeinflussung der Wirbel werden kleinere Wirbel erzeugt. Vor allem die kleinen Wirbel werden schnell abgebremst und setzen ihre Bewegungsenergie in Wärmeenergie um. Dadurch entsteht, im Rührbehälter eine Turbulenz, deren Intensität und Struktur örtlich variiert. Maximalwerte der Intensität treten stromab des Rührers und der Einbauten auf. Bei hohen Viskositäten werden die entstehenden Wirbel stark gedämpft. Im Behälter besteht dann keine Turbulenz.

Zusammenfassend kann folgende Definition gegeben werden:

Rühren ist ein Vorgang, bei dem durch die Bewegung eines oder mehrere Rührer innerhalb einer Flüssigkeit oder eines Mehrphasensystems mit einer kontinuierlichen Flüssigphase eine Strömung und Turbulenz oder Scherfelder erzeugt werden, wobei das Mischgut niedrig- bis hochviskos bis zu einer Viskosität von etwa 5000 P sein und ein newtonsches oder nichtnewtonsches Fließverhalten haben kann. Ziel des Rührens ist eine möglichst homogene Vereinigung mehrerer Komponenten oder Phasen bis in möglichst kleine Raumgebiete sowie die Beschleunigung von Reaktions-, Wärme- und Stoffaustauschvorgängen.