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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von strömenden, gasförmigen, flüssigen und/ oder körnigen Medien unter Anwendung von stillstehenden Leitelementen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Mischvorrichtung zum Mischen von strömenden gasförmigen, flüssigen und/oder kör- nigen Medien unter Anwendung von stillstehen- den Leitelementen, bei dem die Zuführungs- ströme dieser Medien vereinigt werden und der so gebildete Hauptstrom wenigstens zweimal in mindestens zwei Teilströme geteilt wird, welche nach jeder Teilung gegeneinander versetzt wieder vereinigt werden.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind an sich bekannt.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein
Hauptstrom, der durch den Zusammenfluss der
Zuführungsströme von verschiedenen Medien entstanden ist und gemischt werden soll, in zwei konzentrische Teilströme geteilt, denen mit Hilfe von schraubenflügelartigen stillstehenden
Leitelementen entgegengesetzte Drehrichtungen verliehen und die sodann wieder vereinigt wer- den. Der ganze Zyklus wird dann ein oder mehrere Male wiederholt.
Bei einem andern bekannten Verfahren wird ein Hauptstrom mit rechtwinkeligem Querschnitt in mehrere Teilströme geteilt, welche rechtwinkelige Querschnitte haben und den Querschnitt des Hauptstromes völlig ausfüllen. Diese Teilströme werden sodann in geänderter Lage zueinander wieder vereinigt, jedoch derart, dass sie den ursprünglichen, rechtwinkeligen Querschnitt des Hauptstromes mit ihren rechtwinkeligen Querschnitten von unveränderten Abmessungen wieder ausfüllen. Wenn man die Stromstärke genügend gross wählt, erhält man auf diese Weise eine heftige Turbulenz, die das Mischen der Medien bewirkt.
Dieses Verfahren besitzt jedoch in gewissen Fällen Nachteile. So wird nach diesem Prinzip wohl örtlich zwischen den Leitelementen gemischt, aber über den ganzen Querschnitt des Hauptstromes können grosse Unterschiede im Mischungsverhältnis der zu mischenden Medien bestehen bleiben. Auch ist es nicht immer möglich, die zu mischenden Medien mit einer so grossen Geschwindigkeit durch die Leitelemente zu führen, dass heftige Turbulenz entsteht.
So würden z. B. beim Mischen von hochviskosen
Flüssigkeiten unerwünscht grosse Kräfte auf die
Leitelemente ausgeübt werden.
Diese Nachteile werden beim erfindung- gemässen Verfahren vermieden.
Die Erfindung besteht darin, dass bei dem
Verfahren der eingangs geschilderten Art nach jeder Teilung jeder Teilstrom aus dem Material von mindestens zwei Teilströmen gebildet wird, die durch jede vorhergehende Teilung gebildet sind.
Bei diesem Verfahren sind keine Wirbelungen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten zur Er- zielung einer guten Mischung erforderlich. Wäh- rend bei dem bekannten Verfahren ohne Ver- wirbelung nur die erste Versetzung der Teil- ströme deren Gesamtanordnung im Haupt- strom tatsächlich ändert und die aufeinander- folgenden Versetzungen nur den Mischeffekt des Materials jedes ursprünglichen Teilstromes verstärken, steigert beim erfindungsgemässen Ver- fahren jede Versetzung und Teilung der Teil- ströme den Mischeffekt des Hauptstromes.
Der Grund hiefür ist darin gelegen, dass nach jeder Teilung jeder Teilstrom durch immer kleinere Materialmengen gebildet wird, die aus immer mehr vorangehenden Teilströmen herrühren.
In der Praxis wird nach einigen Stufen eine genügend feine Verteilung der Medien im Hauptstrom erzielt.
Dass jeder neue Teilstrom Materie von mehreren vorhergehenden Teilströmen enthält, kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Gemäss der Erfindung können alle aus einem Hauptstrom gebildeten Teilströme, ehe sie wieder vereinigt werden, in einer Querrichtung derart verformt werden, dass die begrenzenden Linien der Querschnitte der Teilströme länglicher werden. Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit vergrössert, dass die Materie eines vorhergehenden Teilstromes bei einer folgenden Teilung des Hauptstromes über mehr neue Teilströme verteilt wird.
Dieses Verfahren hat noch den weiteren Vorteil, dass durch die Verformung der Teilströme diese
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nach der Wiedervereinigung eine grössere Kon- taktoberfläche haben, was die Homogenisierung des Hauptstromes durch Diffusion der Medien ineinander fördert.
Das Teilen eines Hauptstromes in Teilströme kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden.
Bei einer sehr wirksamen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird aus den zu mischenden Stoffen ein Hauptstrom mit einem langen und schmalen Querschnitt gebildet und quer zur Hauptrichtung seines Querschnittes in eine Anzahl von Teilströmen geteilt, welche zu Strömen mit einem Querschnitt verformt werden, der ein anderes Begrenzungsprofil, aber die gleiche Oberfläche hat, wonach die so verformten Teilströme zu zwei oder mehr parallelen Reihen zusammengefasst werden, die dann durch
Beseitigung des gegenseitigen Abstandes der Teilströme wieder zu einem neuen Hauptstrom zusammengefügt werden, der den gleichen Querschnitt wie der Hauptstrom vor der Teilung hat.
Bei einem grösseren Querschnitt des ursprünglichen Hauptstromes kann es zur Erzielung einer genügenden Mischung der miteinander in Berührung gebrachten Stoffe erforderlich sein, dass dieser Vorgang ein oder mehrere Male wiederholt wird.
Den langen und schmalen Querschnitt des Hauptstromes kann man die Form eines Rechteckes geben. Es ist jedoch eine langgedehnte in sich selbst geschlossene Form des Querschnittes vorzuziehen, da sich dabei in geringerem Masse störende Randeffekte zeigen. Dies wird erzielt, wenn aus den Zuführungsströmen der zu mischenden Stoffe ein Hauptstrom mit einem ringförmigen Querschnitt gebildet wird und die verformten Teilströme nach ihrer Ordnung in zwei oder mehr konzentrischen Reihen wieder zu einem neuen Hauptstrom zusammengefügt werden, der den gleichen Querschnitt wie der Hauptstrom vor der Teilung hat.
Dieses Verfahren hat ausserdem den Vorteil, dass die Erwärmung oder Kühlung gleichmässiger durchgeführt werden kann, wenn das Mischen kombiniert mit einem Erwärmungs- oder Kühlprozess erfolgt.
Die Zuführungsströme können seitlich ode axial in den Hauptstrom mit ringförmigem Querschnitt eingeführt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine bessere Mischwirkung erhalten wird, wenn aus den beiden Zuführungsströmen zunächst Ströme mit konzentrischen, ringförmigen Durchschnitten gebildet werden und diese Ströme zur Bildung eines Hauptstromes mit einem ringförmigen Querschnitt gegeneinander geführt werden. Es hat sich gezeigt, dass so eine gleichmässige Verteilung der Medien über den Hauptstrom schneller erhalten wird als bei einem beliebigen Zusammenströmen der Zuführungsströme.
Die oben beschriebenen Verfahren sind für das Mischen von Medien besonders geeignet, deren Mengen von gleicher Grössenordnung sind. Schwierigkeiten können jedoch auftreten, wenn eines der Medien aus einer hochviskosen
Flüssigkeit besteht, während das andere Medium ein Pigment ist, das in kleinen Mengen mit der Flüssigkeit gemischt werden soll.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindunggemässen Verfahrens wird diese Schwierigkeit dadurch vermieden, dass der Zuführungsstrom der hochviskosen Flüssigkeit in eine Hauptkomponente, die den übergrossen Teil des viskosen Flüssigkeitsstromes umfasst, und eine Restkomponente geteilt wird, wobei in den Strom der Restkomponente der Pigmentzuführungsstrom gepumpt wird und die so pigmentierte Restkomponente mittels einer Pumpe zur Bildung des Hauptstromes mit der Hauptkomponente zusammengefügt wird.
Der so gebildete Hauptstrom wird dann auf die oben beschriebene Weise durch Unterteilung in Teilströme und Vereinigung dieser Teilströme, nachdem sie gegenseitig versetzt sind, zu einem neuen Hauptstrom weiter homogenisiert.
Ausser auf die oben besprochenen Verfahren bezieht sich die Erfindung auch auf eine Misch- vorrichtung zum Mischen von strömenden, gas- förmigen, flüssigen und/oder körnigen Medien, welche eine Zuführung, eine Abführung und dazwischen mindestens zwei Mischelemente um- fasst, durch die mindestens zwei Kanäle laufen, die bei der Einführungsöffnung und bei der Abführungsöffnung jedes Elementes zusammen- kommen und deren Verlauf derartig ist, dass die Ausläufe der Kanäle anders zueinander ange- ordnet sind als die Einläufe, und die sich dadurch kennzeichnet,
dass jeder der Kanäle aus jedem Mischelement in Strömungsrichtung gesehen in der Verlängerung von mindestens zwei Kanälen in jedem vorhergehenden Mischelement liegt.
Eine gute Homogenisierung und eine'starke Mischung wird erhalten, wenn erfindungsgemäss in dieser Mischvorrichtung die Kanäle einen in ihrer Längsrichtung sich derart ändernden Querschnitt aufweisen, dass das Profil dieses Querschnitts länglicher wird, je mehr der Querschnitt in der Abführungsrichtung angebracht wird, und dass der Quotient der Zahlenwerte, welche die Länge des Umfangs und die Wurzel aus dem Wert der Oberfläche dieser Querschnitte darstellen, grösser wird.
Verschiedene Ausführungsformen sind nach diesem Prinzip möglich. Eine einfache und zweckmässige Konstruktion wird jedoch erhalten, wenn die Einführungs- und die Abführungs- öffnungen jedes Mischelementes einen gleichen, langgedehnten Durchschnitt haben und die Kanäle Querschnitte aufweisen, die sich längs der Länge der Kanäle ändern, von bei den Einläufen gleichen Oberflächen, die in einer geraden Aneinanderreihung den Querschnitt der Einführungsöffnung des Mischelementes füllen, bis bei den Ausläufen gleiche Oberflächen, die wechselweise in zwei parallelen Bahnen den Querschnitt der Abführungsöffnung völlig auffüllen.
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Die langgedehnten Querschnitte der Ein- führungs- und Abführungsöffnungen können beliebige Formen aufweisen. Konstruktiv ist es jedoch vorzuziehen, diesen Querschnitten eine regelmässigere Form dadurch zu geben, dass z. B. die kurze Querabmessung über die ganze
Länge der langen Querabmessung gleich ge- macht wird. Dies kann erreicht werden, indem man den Querschnitten die Form eines lang- gedehnten Rechteckes gibt.
Eine einfache und gleichförmige Form der Kanäle erhält man, wenn die Querschnitte der Kanäle Rechtecke sind, deren Seite in der Richtung der kurzen
Rechteckseite der Einführungsöffnung über die erste halbe Länge des Kanals gleichmässig bis zur Hälfte kürzer wird beim Gleichbleiben der andern Seite, während über die zweite halbe Länge des Kanals die verkürzte Seite gleich bleibt und die andere Seite gleichmässig bis zu ihrer doppelten Länge länger wird.
Eine derartige Ausführung erhält jedoch ziemlich grosse Abmessungen. Ausserdem wird meistens eine mehr symmetrische Konstruktion vorgezogen, insbesondere wenn die Mischvorrichtung warme Materie mischt und also isoliert werden muss, oder wenn die Materie z. B. durch einen Erwärmungs-oder Kühlmantel um die Mischvorrichtung herum erwärmt oder gekühlt werden muss.
Erfindungsgemäss werden diese Nachteile durch eine Ausbildung der Mischvorrichtung vermieden, bei der die Einführungs- und die Abführungsöffnungen jedes Mischelementes einen gleichen ringförmigen Querschnitt haben und die Kanäle Querschnitte aufweisen, die sich längs der Länge der Kanäle ändern von bei den Einläufen gleichen Oberflächen, die in einer geraden Aneinanderreihung den Querschnitt der Einführungsöffnung des Mischelementes füllen, bis bei den Ausläufen gleiche Oberflächen, die wechselweise in zwei parallelen Bahnen den Querschnitt der Abführungsöffnung völlig auffüllen.
Bei einer Ausführung, die vorzuziehen ist, sind dann die Querschnitte der Kanäle Ringsektoren, die sich über die erste halbe Länge des Kanals in radialer Richtung bis zur Hälfte verengen und sich sodann über die zweite halbe Länge des Kanals in tangentialer Richtung bis zur doppelten Abmessung erweitern.
Am einfachsten ist eine Mischvorrichtung, bei der beiderseits der ringförmigen Einführungs- öffnung des ersten Mischelementes Anschlüsse für die Einführung der Zuführungsströme der zu mischenden Medien vorgesehen sind. Eine bessere Mischung wird jedoch mit einer Mischvorrichtung erhalten, bei der vor dem ersten Mischelement zwei konzentrische Kammern mit ringförmigem Querschnitt angebracht sind, die eine separate Zuführung haben und deren Abführungen in die Einführungsöffnung des ersten Mischelementes ausmünden.
Eine derartige Mischvorrichtung ist zum Mischen eines Pigmentes mit einem hochviskosen Flüssigkeitsstrom vorzüglich geeignet, wenn er- findungsgemäss die innere Kammer mit ringförmigem Querschnitt an die Zuführungsleitung für einen viskosen Flüssigkeitsstrom angeschlossen ist, und eine Pigmentleitung, in der eine Pumpe vorgesehen ist, in eine Abspaltung der genannten Zuführungsleitung ausmündet, welche Abspaltung in die äussere Kammer mit ringförmigem Querschnitt ausmündet, und nach der Mündung der Pigmentleitung in die Abspaltung eine Pumpe in dieser Abspaltung angeordnet ist.
Der Gegenstand der Erfindung- ist in der Zeichnung an Hand beispielsweiser Ausführungsformen schematisch veranschaulicht.
Es zeigen : Die Fig. 1 a und 1 b die Lage von zwei zu mischenden Strömen, u. zw. in Lage a bei der Einführungsöffnung und in Lage b bei der Abführungsöffnung eines Teiles eines Mischelementes mit einem langen und schmalen Querschnitt der Ein- und Abführungs- öffnungen ; Fig. 2 schaubildlich einen Teil eines ringförmigen Mischelementes gemäss der Erfindung ; Fig. 3 einen Schnitt durch dieses Mischelement nach der Linie III-III der Fig. 2 ; Fig. 4 das ringförmige Mischelement rechts von der Mittellinie als Draufsicht und links von dieser als Druntersicht ;
Fig. 5 teilweise im Schnitt und teilweise in Seitenansicht eine vollständige Mischvorrichtung, die aus 15 Mischelementen des ringförmigen Typs aufgebaut ist und Fig. 6 teilweise im Schnitt und teilweise in Seitenansicht den Zuführungsteil einer Mischvorrichtung zum Mischen eines
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Mischelement mit einer langen und schmalen rechtwinkeligen Einführungsöffnung bezeichnet.
In Fig. 1 b bezeichnen die Buchstaben A, B und C die Ausläufe dieser Kanäle.
Die Pfeile in Fig. l a geben an, in welchen Richtungen sich die Querschnitte in der Längsrichtung der Kanäle ändern. Aus Fig. 1 b ist ersichtlich, dass die Ausläufe der Kanäle statt in einer einzigen Reihe nun in zwei parallelen Reihen wechselweise angeordnet sind.
Mit der Schraffierung ist in den Figuren ein gefärbter Strom eines Mediums angegeben, während durch die unschraffierten Kanalteile ein ungefärbter Strom eines Mediums in einer Richtung quer zur Fläche der Zeichnung läuft.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf das Mischen von gefärbten mit ungefärbten Medien beschränkt und dieses Beispiel wurde nur gewählt, um die Wirkung der Mischvorrichtung zu verdeutlichen. Auch das Breitenverhältnis der beiden Ströme ist beliebig gewählt, da es für die gute Mischwirkung nicht wesentlich ist, dass nur zwei Medien gemischt werden.
Bei den Einläufen in Fig. l a besteht der Hauptstrom aus zwei Schichten, nämlich aus einer gefärbten und aus einer ungefärbten, wogegen er bei den Ausläufen des Mischelementes in Fig. l b aus vier Schichten besteht.
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Durchströmt der Hauptstrom noch ein Misch- element, so wird die Anzahl der Schichten nochmals verdoppelt. Wenn man auf diese Weise eine beliebige Anzahl Mischelemente in Serie schaltet, kann man jedes erwünschte Mass von Mischung erzielen.
Obwohl bei der in Fig. 1 a und 1 b dargestellten Ausführungsform die Ausläufe der Kanäle im Mischelement in zwei parallelen Reihen geordnet sind, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Denn es ist möglich, die Ausläufe auch in mener als zwei parallelen Reihen, z. B. in "p"-Reihen, anzuordnen. In diesem Fall würde man bei einer derartigen Lage wie in den Fig. 1 a und 1 b p X 2 Schichten im neue :. 1 Hauptstrom erhalten und nach dem Durchströmen durch n-Mischelemente wird die Anzahl der Schichten nach der Mischvorrichtung pn mal grösser als vor dem ersten Mischelement sein.
Die Schichtdicke ist um den gleichen Faktor vermindert.
Setzt man zehn Mischelemente gemäss Fig. 1 hintereinander, wobei die Dicke der eingehenden Schichten des gefärbten und ungefärbten Materials mit je 1 cm angenommen sei, so sind nach dem Verlassen der Mischvorrichtung die Schichtdicken auf 0, 01 mm reduziert. Die weitere Homogenisierung des Hauptstromes erfolgt dann schnell durch Diffusion der Medien ineinander.
In Fig. 2 ist ein Teil eines Mischelementes 1 dargestellt, das aus einer Anzahl langer und schmaler Kanäle 2 besteht, die zusammen einen Ring bilden. Die Kanäle münden auf ihrer Oberseite in eine ringförmige Einführungs- öffnung 3, die an eine (nicht dargestellte) Zuführungsleitung angeschlossen ist. Die Kanäle 2 bestehen in der Durchströmungsrichtung aus je einem Teil 4 mit einem über die ganze Höhe gleichen Querschnitt, einem Teil 5, dessen Abmessung nach unten in radialer Richtung kleiner wird und aus einem Teil 6, dessen Abmessung nach unten in tangentialer Richtung grösser wird, während die Abmessung in radialer Richtung gleich bleibt.
Die Ausläufe der Teile o münden schliesslich in eine Abführungsöffnung 7, die an die (nicht dargestellte) Abführungsleitung der Mischvorrichtung angeschlossen ist.
Die Pfeile über den Kanälen 2 geben die Richtungen an, in denen sich die Kanäle verengen, während die zwei Ströme der zu mischenden Medien schraffiert und weiss dargestellt sind.
In den Teilen 5 benachbarter Kanäle 2 wird die radiale Verengung erhalten, indem man eine der tangential gerichteten Ringflächen dieser Kanäle schräg verlaufen lässt. Indem man dabei die Innenflächen 8 und die Aussenflächen 9 wechselweise schräg setzt, werden die Kanäle 2 in radialer Richtung gegeneinander versetzt. Die Erweiterung der Kanäle 2 in den Teilen 6 wird erhalten, indem man die radial gerichteten Flächen 10 und 11 der Kanäle in entgegengesetzter Richtung schräg verlaufen lässt. Infolge der radialen Versetzung und der tangentialen Erweiterung überlappen die aufeinanderfolgenden Kanäle einander teilweise in radialer Richtung.
In Fig. 3 ist die radiale Versetzung der Ströme in zwei aufeinanderfolgenden Kanälen im Querschnitt dargestellt. Aus dieser Figur, in der mit 12 die Achse des Mischelementes bezeichnet ist, ist ersichtlich, dass in den Kanalteilen 4 von aufeinanderfolgenden Kanälen 2 die schraffierten Ströme von der Achse 12 gleich weit entfernt liegen, was durch Schwarzfärbung angedeutet ist.
In den Kanalteilen 5 laufen die gefärbten Ströme in den zwei aneinandergrenzenden Kanälen 2 jedoch verschieden, was aus den Schraffierungen ersichtlich ist. Der schraffierte Strom in dem in Fig. 3 vorne liegenden Kanal 2 wird durch die Fläche 9 nach rechts versetzt, während der schraffierte Strom im hinteren Kanal im wesentlichen gerade fliesst. Die Bezugsziffern 13 und 14 geben den Verlauf der gefärbten Ströme an. Im Kanalteil 6 beginnt die Überlappung der schraffierten Ströme.
Die schraffierten Teile des in Fig. 4 veran- schaulichten ringförmigen Mischelementes stellen die Flächen dar, welche den Durchblick ver- hindern, während die nicht schraffierten Teile zwischen diesen Flächen den freien Durch- blick durch die Kanäle 2 des Mischelementes 1 gestatten.
Die Art, auf welche der in Fig. 2 dargestellte, aus zwei konzentrischen Strömen verschiedener
Medien bestehende Hauptstrom erhalten werden kann, ist durch Fig. 5 erläutert. Diese Figur zeigt auch, wie eine Reihe von Mischelementen gemäss der Erfindung zu einer Mischvorrichtung zusammengebaut werden kann, in welcher die Teilung eines Hauptstromes und die Zusammenfügung der Teilströme einige Male wiederholt wird. Hiezu ist eine Serie von fünfzehn Mischelementen 1 in der Strömungsrichtung hinter einem Strömungsgleichrichter 15 angeordnet, der aus wabenförmig angeordneten Platten besteht. Der Gleichrichter 15 schliesst an zwei konzentrische ringförmige Kammern 16 und 17 an, die ihrerseits separate Zuführungsleitungen 18 und 19 haben.
Das zuletzt durchströmte Miscbelement ist an eine Abführungsleitung 20 für den gemischten Hauptstrom angeschlossen.
Die beiden Ströme der zu mischenden Medien kommen durch die Zuführungsleitungen 18 und 19 in die zwei konzentrischen Kammern 16 und 17. Darin werden sie zu zwei Strömen mit konzentrischem ringförmigem Querschnitt verformt, welche parallel zueinander über den Strömungsgleichrichter 15 den Mischelementen zugeführt werden. Wenn man die Kammern 16 und 17 und den Strömungsgleichrichter 15. genügend lang macht, kann erreicht werden, dass die Ströme in diesen Kammern genau axial in das erste Mischelement fliessen. Wenn die Kammern 16 und 17 genügend lang sind, ist der Strömungsgleichrichter 15 überflüssig, : wogegen beim Vorhandensein eines Gleichrichters die Kammern 16 und 17 bedeutend kürzer gemacht werden können.
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Die in Fig. 6 gezeigte Mischvorrichtung zum
Mischen eines Pigmentes mit einer hochviskosen
Flüssigkeit weicht insofern von der in Fig. 5 veranschaulichten Vorrichtung ab, als die Kam- mer 16 weiter und mit Stahlwolle 20 gefüllt ist.
An Stelle von Stahlwolle können auch andere poröse Medien eingebracht werden.
In der Zuführungsleitung 19, die in diesem
Falle eine Abzweigung der Zuführungsleitung 18 ist, ist eine Zahnradpumpe 21 vorgesehen.
In das Leitungsstück der Leitung 19 mündet vor der Pumpe 21 eine Leitung 22, die an einen
Vorratsbehälter 23 für das Pigment angeschlossen ist. Die hochviskose Flüssigkeit strömt in der
Pfeilrichtung durch die Zuführungsleitung 18, sodann durch die Kammer 17 und den Strömungs- gleichrichter 15 auf gleiche Weise wie im Zusam- menhang mit Fig. 5 beschrieben. Ein Teil der hochviskosen Flüssigkeit wird jedoch von der Pumpe 21 durch die Zuführungsleitung 19 in die Kammer 16 gepumpt. Das Pigment aus dem Behälter 23 wird mittels einer Pumpe 24 durch die Leitung 22 in die Zuführungsleitung 19 an eine Stelle gepresst, die vor der Pumpe 21 liegt.
Von der Mündung der Leitung 22 in die Zuführungsleitung 19 ab bis zu der Pumpe 21 transportiert die Zuführungsleitung 19 also einen Strom, der in der Hauptsache aus der hochviskosen Flüssigkeit besteht und Pigment enthält. Die Pumpe 21 mischt diese Komponenten durcheinander und transportiert das Gemisch zur Kammer 16. Die Stahlwolle darin hat den Zweck, durch wiederholte Spaltung völlige Homogenisierung des Mischstromes durch Diffusion des Pigmentes in der hochviskosen Flüssigkeit herbeizuführen. Dieser homogenisierte Strom wird seinerseits dem Strömungsgleichrichter 15 zugeführt. Vom Strömungsgleichrichter werden die von den Kammern 16 und 17 herrührenden Ströme auf bekannte Weise den Mischelementen zugeführt.
Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die in dieser Beschreibung angegebenen Vorrichtungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Mischen von strömenden gasförmigen, flüssigen und/oder körnigen Medien unter Anwendung von stillstehenden Leitelementen, bei dem die Zuführungsströme dieser Medien vereinigt werden und der so gebildete Hauptstrom wenigstens zweimal in mindestens zwei Teilströme geteilt wird, welche nach jeder Teilung, gegeneinander versetzt, wieder vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Teilung jeder Teilstrom aus dem Material von mindestens zwei Teilströmen gebildet wird, die durch jede vorhergehende Teilung gebildet sind.
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Method and device for mixing flowing, gaseous, liquid and / or granular media using stationary guide elements
The invention relates to a method and a mixing device for mixing flowing gaseous, liquid and / or granular media using stationary guide elements, in which the feed flows of these media are combined and the main flow formed in this way at least twice at least two partial flows are divided, which are combined again offset against each other after each division.
Such methods and devices are known per se.
In a known method, a
Main stream that flows through the confluence of the
Feed streams of different media has arisen and is to be mixed, divided into two concentric partial streams, which are stationary with the help of helical blades
Guiding elements are given opposite directions of rotation and are then reunited. The whole cycle is then repeated one or more times.
In another known method, a main flow with a right-angled cross-section is divided into several partial flows which have right-angled cross-sections and completely fill the cross-section of the main flow. These partial flows are then combined again in a changed position to one another, but in such a way that they fill the original, right-angled cross-section of the main flow with their right-angled cross-sections of unchanged dimensions. If you choose the current strength sufficiently large, you get a violent turbulence in this way, which causes the media to mix.
However, this method has disadvantages in certain cases. According to this principle, there is local mixing between the guide elements, but large differences in the mixing ratio of the media to be mixed can persist over the entire cross-section of the main flow. It is also not always possible to guide the media to be mixed through the guide elements at such a great speed that violent turbulence occurs.
So z. B. when mixing highly viscous
Liquids undesirably large forces on the
Guiding elements are exercised.
These disadvantages are avoided in the method according to the invention.
The invention consists in that in the
Method of the type described above, after each division, each partial flow is formed from the material of at least two partial flows which are formed by each previous division.
In this process, no turbulence and high flow speeds are required to achieve a good mixture. While in the known method without turbulence only the first displacement of the substreams actually changes their overall arrangement in the main flow and the successive displacements only increase the mixing effect of the material of each original substream, in the method according to the invention each increases Displacement and division of the partial flows create the mixing effect of the main flow.
The reason for this is that after each division, each partial flow is formed by ever smaller amounts of material that come from more and more preceding partial flows.
In practice, a sufficiently fine distribution of the media in the main flow is achieved after a few stages.
Each new partial flow contains matter from several previous partial flows can be achieved in different ways. According to the invention, all partial flows formed from a main flow, before they are combined again, can be deformed in a transverse direction in such a way that the delimiting lines of the cross-sections of the partial flows become elongated. In this way, the probability is increased that the matter of a previous partial flow will be distributed over more new partial flows in a subsequent division of the main flow.
This method has the further advantage that the deformation of the partial flows means that they
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have a larger contact surface after reunification, which promotes the homogenization of the main flow by diffusing the media into one another.
The division of a main flow into partial flows can be carried out in various ways.
In a very effective embodiment of the method according to the invention, a main stream with a long and narrow cross-section is formed from the substances to be mixed and divided into a number of partial streams transversely to the main direction of its cross-section, which are deformed into streams with a cross-section that has a different limiting profile, but has the same surface, after which the so deformed partial flows are combined into two or more parallel rows, which then go through
Elimination of the mutual distance between the partial flows are reassembled to form a new main flow, which has the same cross-section as the main flow before the division.
With a larger cross-section of the original main flow, it may be necessary to repeat this process one or more times in order to achieve a sufficient mixture of the substances brought into contact with one another.
The long and narrow cross-section of the main stream can be given the shape of a rectangle. However, an elongated, self-contained shape of the cross-section is to be preferred, since this results in less disturbing edge effects. This is achieved when a main stream with an annular cross-section is formed from the feed streams of the substances to be mixed and the deformed partial streams are reassembled according to their order in two or more concentric rows to form a new main stream with the same cross-section as the main stream before Has division.
This method also has the advantage that the heating or cooling can be carried out more evenly if the mixing is combined with a heating or cooling process.
The feed streams can be introduced laterally or axially into the main stream with an annular cross section. However, it has been found that a better mixing effect is obtained if the two feed streams are initially used to form streams with concentric, annular cross-sections and these streams are guided against one another to form a main stream with an annular cross-section. It has been shown that such a uniform distribution of the media over the main flow is obtained more quickly than with any confluence of the feed flows.
The methods described above are particularly suitable for mixing media whose quantities are of the same order of magnitude. Difficulties can arise, however, when one of the media is exposed to a high viscosity
Liquid, while the other medium is a pigment to be mixed with the liquid in small amounts.
In a variant of the method according to the invention, this difficulty is avoided in that the feed stream of the highly viscous liquid is divided into a main component, which comprises the larger part of the viscous liquid stream, and a residual component, the pigment feed stream being pumped into the flow of the residual component and the like pigmented residual component is combined with the main component by means of a pump to form the main flow.
The main flow formed in this way is then further homogenized to form a new main flow in the manner described above by dividing it into partial flows and combining these partial flows after they have been mutually offset.
In addition to the methods discussed above, the invention also relates to a mixing device for mixing flowing, gaseous, liquid and / or granular media, which comprises a feed, a discharge and at least two mixing elements in between, through the at least two channels run which come together at the inlet opening and at the outlet opening of each element and whose course is such that the outlets of the channels are arranged differently to one another than the inlets, and which is characterized by
that each of the channels from each mixing element, viewed in the direction of flow, lies in the extension of at least two channels in each preceding mixing element.
A good homogenization and a strong mixing is obtained if, according to the invention, in this mixing device the channels have a cross-section that changes in their longitudinal direction in such a way that the profile of this cross-section becomes elongated the more the cross-section is applied in the discharge direction, and that the quotient the numerical values which represent the length of the circumference and the square root of the value of the surface area of these cross-sections increases.
Various embodiments are possible according to this principle. A simple and expedient construction is obtained, however, if the inlet and outlet openings of each mixing element have the same, elongated cross-section and the channels have cross-sections which vary along the length of the channels, with the same surfaces as in the inlets a straight line-up fill the cross-section of the inlet opening of the mixing element until the outlets have the same surfaces, which alternately completely fill the cross-section of the discharge opening in two parallel paths.
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The elongated cross-sections of the inlet and outlet openings can have any shape. In terms of design, however, it is preferable to give these cross-sections a more regular shape by z. B. the short transverse dimension over the whole
Length of the long transverse dimension is made the same. This can be achieved by giving the cross-sections the shape of an elongated rectangle.
A simple and uniform shape of the channels is obtained when the cross-sections of the channels are rectangles with their side in the direction of the short ones
Rectangular side of the insertion opening becomes evenly up to half the length of the first half of the length of the canal if the other side remains the same, while the shortened side remains the same over the second half of the length of the canal and the other side becomes evenly longer up to twice its length.
However, such a design is given rather large dimensions. In addition, a more symmetrical construction is usually preferred, especially when the mixing device mixes warm matter and therefore has to be isolated, or when the matter is e.g. B. has to be heated or cooled by a heating or cooling jacket around the mixing device.
According to the invention, these disadvantages are avoided by a design of the mixing device in which the inlet and outlet openings of each mixing element have the same annular cross-section and the channels have cross-sections that change along the length of the channels from the same surfaces at the inlets, which in a straight line-up fill the cross-section of the inlet opening of the mixing element until the same surfaces at the outlets, which alternately completely fill the cross-section of the discharge opening in two parallel paths.
In an embodiment that is preferred, the cross-sections of the channels are then ring sectors which narrow up to half the first half the length of the channel in the radial direction and then widen over the second half length of the channel in the tangential direction up to twice the dimension .
The simplest is a mixing device in which connections for the introduction of the feed streams of the media to be mixed are provided on both sides of the annular introduction opening of the first mixing element. However, a better mixing is obtained with a mixing device in which two concentric chambers with an annular cross-section are attached in front of the first mixing element, which have a separate feed and the discharges of which open into the introduction opening of the first mixing element.
Such a mixing device is particularly suitable for mixing a pigment with a highly viscous liquid flow if, according to the invention, the inner chamber with an annular cross-section is connected to the feed line for a viscous liquid flow, and a pigment line in which a pump is provided is connected to a splitting off the called supply line opens, which splitting opens into the outer chamber with an annular cross-section, and after the opening of the pigment line in the splitting a pump is arranged in this splitting.
The object of the invention is illustrated schematically in the drawing with reference to exemplary embodiments.
They show: FIGS. 1 a and 1 b the position of two streams to be mixed, u. between in position a at the inlet opening and in position b at the discharge opening of a part of a mixing element with a long and narrow cross section of the inlet and discharge openings; 2 is a perspective view of part of an annular mixing element according to the invention; 3 shows a section through this mixing element along the line III-III of FIG. 2; 4 shows the annular mixing element to the right of the center line as a top view and to the left of this as a view from below;
5 shows, partly in section and partly in side view, a complete mixing device made up of 15 mixing elements of the annular type; and FIG. 6, partly in section and partly in side view, the feed part of a mixing device for mixing one
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Mixing element designated with a long and narrow right-angled introduction opening.
In Fig. 1b, the letters A, B and C designate the outlets of these channels.
The arrows in Fig. La indicate the directions in which the cross sections change in the longitudinal direction of the channels. From Fig. 1b it can be seen that the outlets of the channels are now arranged alternately in two parallel rows instead of in a single row.
The hatching indicates a colored flow of a medium in the figures, while an uncolored flow of a medium runs through the unshaded channel parts in a direction transverse to the surface of the drawing.
Of course, the invention is not restricted to the mixing of colored and uncolored media and this example was chosen only to illustrate the effect of the mixing device. The width ratio of the two streams is also chosen arbitrarily, since it is not essential for the good mixing effect that only two media are mixed.
At the inlets in FIG. 1a, the main stream consists of two layers, namely one colored and one uncolored, whereas it consists of four layers at the outlets of the mixing element in FIG.
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If the main flow still flows through a mixing element, the number of layers is doubled again. By connecting any number of mixing elements in series in this way, any desired amount of mixing can be achieved.
Although in the embodiment shown in FIGS. 1 a and 1 b, the outlets of the channels in the mixing element are arranged in two parallel rows, the invention is not limited thereto. Because it is possible to use the spouts in more than two parallel rows, e.g. B. in "p" rows to be arranged. In this case, with such a position as in FIGS. 1 a and 1 b p X 2 layers in the new:. 1 main stream and after flowing through n-mixing elements, the number of layers after the mixing device will be pn times greater than before the first mixing element.
The layer thickness is reduced by the same factor.
If ten mixing elements according to FIG. 1 are placed one behind the other, the thickness of the incoming layers of the colored and uncolored material being assumed to be 1 cm each, the layer thicknesses are reduced to 0.01 mm after leaving the mixing device. The further homogenization of the main flow then takes place quickly through diffusion of the media into one another.
In Fig. 2 part of a mixing element 1 is shown, which consists of a number of long and narrow channels 2, which together form a ring. The channels open on their upper side into an annular introduction opening 3 which is connected to a feed line (not shown). In the direction of flow, the channels 2 each consist of a part 4 with a cross-section that is the same over the entire height, a part 5, the dimension of which is smaller downwards in the radial direction, and of a part 6, the dimension of which is greater downwards in the tangential direction, while the dimension in the radial direction remains the same.
The outlets of the parts o finally open into a discharge opening 7 which is connected to the discharge line (not shown) of the mixing device.
The arrows above the channels 2 indicate the directions in which the channels narrow, while the two streams of the media to be mixed are shown hatched and white.
In the parts 5 of adjacent channels 2, the radial constriction is obtained by allowing one of the tangentially directed annular surfaces of these channels to run obliquely. By placing the inner surfaces 8 and the outer surfaces 9 alternately at an angle, the channels 2 are offset from one another in the radial direction. The enlargement of the channels 2 in the parts 6 is obtained by letting the radially directed surfaces 10 and 11 of the channels run obliquely in the opposite direction. As a result of the radial offset and the tangential expansion, the successive channels partially overlap one another in the radial direction.
In Fig. 3, the radial displacement of the currents in two successive channels is shown in cross section. From this figure, in which the axis of the mixing element is designated by 12, it can be seen that in the channel parts 4 of successive channels 2 the hatched currents are equidistant from the axis 12, which is indicated by black coloring.
In the channel parts 5, however, the colored streams in the two adjacent channels 2 run differently, as can be seen from the hatching. The hatched stream in the channel 2 at the front in FIG. 3 is offset to the right by the area 9, while the hatched stream in the rear channel flows essentially straight. The reference numerals 13 and 14 indicate the course of the colored currents. In the channel part 6, the overlapping of the hatched flows begins.
The hatched parts of the ring-shaped mixing element illustrated in FIG. 4 represent the areas which prevent the view, while the non-hatched parts between these areas allow a free view through the channels 2 of the mixing element 1.
The way in which that shown in Fig. 2 is made up of two concentric streams different
Media existing main stream can be obtained is illustrated by FIG. 5. This figure also shows how a series of mixing elements according to the invention can be assembled to form a mixing device in which the division of a main flow and the joining of the partial flows are repeated a few times. For this purpose, a series of fifteen mixing elements 1 is arranged in the direction of flow behind a flow straightener 15, which consists of plates arranged in a honeycomb shape. The rectifier 15 connects to two concentric ring-shaped chambers 16 and 17, which in turn have separate supply lines 18 and 19.
The mixing element through which the flow last is connected to a discharge line 20 for the mixed main flow.
The two streams of the media to be mixed come through the feed lines 18 and 19 into the two concentric chambers 16 and 17.There they are deformed into two streams with a concentric annular cross-section, which are fed parallel to one another via the flow straightener 15 to the mixing elements. If the chambers 16 and 17 and the flow straightener 15 are made sufficiently long, it can be achieved that the currents in these chambers flow exactly axially into the first mixing element. If the chambers 16 and 17 are sufficiently long, the flow straightener 15 is superfluous, whereas if a straightener is present, the chambers 16 and 17 can be made significantly shorter.
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The mixing device shown in Fig. 6 for
Mixing a pigment with a highly viscous one
Liquid differs from the device illustrated in FIG. 5 in that the chamber 16 is wider and filled with steel wool 20.
Instead of steel wool, other porous media can also be introduced.
In the feed line 19, which in this
If the supply line 18 branches off, a gear pump 21 is provided.
In the line piece of the line 19 opens before the pump 21, a line 22 which is connected to a
Reservoir 23 is connected for the pigment. The highly viscous liquid flows in the
Direction of the arrow through the supply line 18, then through the chamber 17 and the flow straightener 15 in the same way as described in connection with FIG. However, a part of the highly viscous liquid is pumped by the pump 21 through the feed line 19 into the chamber 16. The pigment from the container 23 is pressed by means of a pump 24 through the line 22 into the supply line 19 to a point which is in front of the pump 21.
From the mouth of the line 22 into the feed line 19 up to the pump 21, the feed line 19 thus transports a flow which mainly consists of the highly viscous liquid and contains pigment. The pump 21 mixes these components together and transports the mixture to the chamber 16. The purpose of the steel wool therein is to bring about complete homogenization of the mixed flow through repeated splitting by diffusion of the pigment in the highly viscous liquid. This homogenized stream is in turn fed to the flow straightener 15. From the flow straightener, the flows originating from the chambers 16 and 17 are fed to the mixing elements in a known manner.
Of course, the invention is not restricted to the devices specified in this description.
PATENT CLAIMS:
1. A method for mixing flowing gaseous, liquid and / or granular media using stationary guide elements, in which the feed flows of these media are combined and the main flow thus formed is divided at least twice into at least two partial flows, which are offset against each other after each division , are reunited, characterized in that after each division each partial flow is formed from the material of at least two partial flows which are formed by each previous division.