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Die Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur, die gestattet, zwei oder mehrere Komponenten - seien sie flüssig, pulver- oder gasförmig-, wobei die Viskosität nach oben nur durch die Förderbarkeit durch Pumpen oder andere Fördereinrichtungen begrenzt ist, zu mischen, miteinander reagieren und/oder kühlen bzw. erhitzen zu lassen. Der Misch-und Reaktionseffekt ist unabhängig vom Druck und von der Durchflussgeschwindigkeit der Komponenten und wird nur bestimmt durch die neuartige Konstruktion der erfindungsgemässen Apparatur.
Mischer und Reaktoren gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen, diskontinuierlich und kontinuierlich. Meist werden beim diskontinuierlichen Arbeiten Behälter - offen oder geschlossen-mit verschiedenen Rührwerken verwendet, die an sich bekannt sind. Ebenso sind kontinuierliche Reaktoren und Mischer bekannt. Sie bestehen meist aus zylindrischen Behältern, Rohren usw. mit verschiedenen Einbauten, die im Falle eines Reaktors auch rotieren können.
Als nichtrotierende Einbauten werden unter anderem Raschigringe, Sattelkörper, Spiralen, Kugeln, Zylinder usw. verwendet, die alle mehr oder minder die Funktion haben, Turbulenz im Inneren des Mischers oder des Reaktors hervorzurufen und damit eine innigere Durchmischung der zu mischenden oder zu reagierenden Komponenten und einen günstigeren Wärmeübergang zu erreichen.
Weiters gibt es Mischer und Reaktoren, bei denen zur Zerteilung Düsen verwendet werden, die je nach den zu mischenden Medien eine mehr oder weniger hohe Druckenergie benötigen. Im allgemeinen ist bei den bisher verwendeten Mischer- und Reaktorsystemen der Energieaufwand hoch und steigt bei hochviskosen Komponenten noch höher an.
Im Gegensatz zu den erwähnten Apparaten und Verfahren ergeben sich durch den erfindungsgemässen Apparat, dessen Konstruktion aus ganz einfachen Bauteilen besteht-wie weiter unten genauer beschrieben werden wird-, folgende Vorteile : l) Mischeffekt im laminaren Bereich, daher keine Turbulenz und geringer Schereffekt ; vorherberechenbar durch die Wahl der Teilungselementanzahl. 2) Geringer Energieverbrauch, da geringer Apparatewiderstand. 3) Kontinuierliches Verfahren. 4) Keine beweglichen Teile und keine Stopfbüchsen ;
daher keinerlei Dichtprobleme. 5) Besonders günstiger Wärmeübergang bei Kühlung oder Heizung, insbesondere bei hochviskosen Komponenten. 6) Verwendbar für alle noch fliess- und pumpbaren Medien, wie Flüssigkeiten, Pulver, aber auch Gase sowie deren Kombinationen. 7) Verwendung als Mischer, Reaktor und Wärmetauscher möglich.
Unter all den obgenannten Misch- und Reaktionsapparaten heben sich zwei Mischeinrichtungen hervor, die ortsfeste Leitelemente benutzen. Was zunächst die USA-Patentschrift Nr. 3, 286, 992 betrifft, die ein Mischgerät beschreibt, das aus einem Mischrohr mit mehreren schraubenförmig verformten Flächenteilungselementen besteht, unterscheidetsichdieselbe gegenüber der erfindungsgemässen Vorrichtung durch wesentlich anders geformte Einbauten, die im Gegensatz zu den erfindungsgemässen S-förmigen Rohrbögen offene Schraubenflächen aufweisen, deren Teilungseffekt sehr zu wünschen übrig lässt.
Ähnliches trifft auch für die zweite Mischeinrichtung nach der Schweizer Patentschrift Nr. 373356 zu, deren Konstruktion aus sehr komplizierten konzentrisch-ringförmig angeordneten Teilungselementen besteht.
Die in der Herstellung äusserst aufwendigen Teilungselemente haben etwa den selben schlechten Teilungseffekt wie die Teilungselemente nach der erwähnten USA-Patentschrift. Sie bestehen aus Kanälen mit sich verjüngenden Rechteckquerschnitten sowie schiefwandigen, kantigen Formen, die einem Durchfluss viskoser Stoffe einen erhöhten Widerstand entgegensetzen.
Die gesamte Apparatur ist apparativ sehr aufwendig gebaut, denn sie besteht aus folgenden Apparateteilen : Zweigeteilte Zuführungsleitungen, zwei konzentrische ringförmige Kammern, einen Strömungsgleichrichter, Mischvorrichtung, sowie zweigeteilter Abführungsleitung ; die erfindungsgemässe Einrichtung dagegen besteht aus einer Mischvorrichtung mit einfacher Zu- und Ableitung. Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Apparatur gegenüber der Schweizer Patentschrift sind der folgenden technischen Beschreibung und insbesondere der Tabelle zu entnehmen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung besteht hingegen im wesentlichen aus einem Rohr, in dem mehrere Sförmige Rohrelemente-die von Rohrwand zu Rohrwand reichen-über die gesamte Rohrlänge verteilt angeordnet sind, wobei jedes S-Rohrelement, dessen Einmündungsrohrkante scharfkantig zugeschliffenist, das Rohrvolumen des oben erwähnten Rohres in drei, beidseitig offene Kammern teilt, deren Querschnittsflächenverhältnis auf der ganzen Länge jedes S-Rohrelementes konstant bleibt und wobei die oben genannten S-Rohrelemente schraubenförmig innerhalb des obgenannten Rohres versetzt angeordnet sind, um dem Komponentenstrom neben der Zerteilung auch eine Rotation rohraxial zu erteilen.
In den Zeichnungen - Fig. 1 bis 4 - ist die Konstruktion und die Funktion der erfindungsgemässen Apparatur näher dargestellt. Der Apparat besteht aus einem Mischrohr --1-- und den Elementen --2--. Das Mischrohr - besteht aus handelsüblichen Rohren aus verschiedenstem Material, wie z. B. aus rost-und säurebeständigem Stahl, Plastik, usw. Die Elemente --2-- bestehen aus S-förmigen Rohrstücken, deren strömungseingang- seitiges Rohrende --8- konisch scharfkantig zugeschliffen ist --10--. Sie können, wie das Mischrohr-l-, aus verschiedenen Werkstoffen, wie Eisen, Chromnickelstahl, Kunststoffen aller Art, Glas, Porzellen usw. bestehen.
Die Herstellung dieser S-Rohrelemente-2-ist einfach : Es werden handelsübliche Vorteilkreis-Rohrbo-
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gen halbiert und die beiden entstandenen Achtelkreis-Rohrbogen, in einer Ebene versetzt, durch Schweissung oder Hartlot - je nach Material - verbunden, wobei Punktschweissung je nach Ausführung und Grösse an zwei
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tes.
Das S-Rohrelement teilt den Innenraum des Mischrohres in drei, beidseitig offene Kammern, deren Querschnittsflächenverhältnis etwa 1, 5 : 1, 5 : 1, 0 beträgt und über die ganze Länge jedes S-Rohrelementes ungefähr
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Im ersten S-Rohrbogenelement --2--, im folgenden kurz S-Element genannt, erfolgt eine Dreiteilung des Komponentenstromes. Durch das zweite S-Element werden die drei erhaltenen Komponentenströme in weitere drei Teile geteilt, so dass am Austritt des 2. S-Elementes --9-- schon neun Komponententeilströme vorhanden sind.
Beim Austritt aus dem 3. S-Element existieren bereits 27 Komponententeilströme. Daraus ergibt sich bereits die Teilungsregel der erfindungsgemässen Apparatur : die Anzahl der Teilungen AT = 3 n, wobei n die Gesamtanzahl der S-Elemente im Mischrohr ist. Bei 8 S-Elementen gibt es 6561 Teilungen, bei 12 S-Elementen 531441, bei 16 S-Elementen 43046721 und bei 21 S-Elementen bereits die riesige Anzahl von 10460353203 Teilungen. Um eine Vorstellung von der grossen Wirksamkeit der erfindungsgemässen Apparatur zu geben, sei auf die Schichtstärken der zerteilten Komponenten in der folgenden Tabelle hingewiesen.
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Den Geschwindigkeitsdifferenzen entsprechend resultieren kleine Druckschwankungen, die sich mischroh axial und radial fortsetzen, so dass es zu einem"Pulsationseffekt"kommt.
Ein weiterer Effekt, der sich auf einen verbesserten Wärmeübergang im Mischrohr auswirkt, ist folgender : Aus dem Gesamtkomponentenstrom wird ein Teilstrom durch das S-Element quer durch das Mischrohr geführt, wie Fig. 2, Draufsicht eines S-Elementes im Mischrohr, zeigt. Dadurch wird bewirkt, dass diebeidenrestlichen Teilströme durch die aussen gekühlte Mischrohrwand wesentlich besser gekühlt werden. Am Ende jedes S-Elementes jedoch erfolgt die Mischung dieses etwas wärmeren mit den beiden gutgekühlten Teilströmen. Weiters gelangt durch die S-Elemente z. B. kälteres Gut von der Mischrohrwand zur Mitte des Mischrohres zum wärmeren Gut und umgekehrt.
Wie in Fig. 3 unten : Einmündung der ersten vier S-Elemente-2-, gezeigt wird, sind die S-Elemente gemäss einer bevorzugten Ausführung jeweils um 1350 spiralenförmig versetzt angeordnet ; dadurch macht ein beliebig herausgegriffenes Komponententeilchen, das in das Mischrohr --1- bei --3-- eintritt, folgenden Weg : Im 1. S-Element wird das Teilchen radial um ein Stück, das geringfügig kürzer ist als der Durchmesser des S-Elementes, verschoben ; gleichzeitig bewegt es sich - immer bei laminarer Strömung - parallel zur S - Ele- mentrohrwand zum Austritt des S-Elementes --9--.
Durch die Versetzung der S-Elemente um 135 wird erzielt, dass z. B. ein Komponententeilchen, das beim 1. S-Element etwa im Mittelpunkt der Einmündung des S-Elementes --8-- eintritt, zum Mittelpunkt des Mischrohres-l-und im 5. S-Element an anderer Stelle wieder zur Wand gelangt. Diese alternierende Bewegung erfolgt-wie Fig. 4 : Schematische Darstellung des Teilchenweges durch 8 S-Elemente in einer Projektion in die Ebene - zeigt, bei 8 S-Elementen viermal, jeweils um 900 versetzt, so dass am Ende des 8. S-Elementes das Komponententeilchen wieder an die gleiche Stelle kommt, nur um 8 S-Elementlangen verschoben. Mit 8 SElementen ist also eine vollkommene Stromrotation (360 ) mischrohraxial erreicht.
Durch die oben dargestellte Anordnung der S-Elemente und beliebige Variation ihrer Anzahl ist ein exakt vorherberechenbarer Mischeffekt sowie ein wesentlich verbesserter Wärmeübergang - intern und extern - gegenüber den bisher gebauten Apparaten gegeben. Dieser verbesserte Wärmeübergang z. B. wirkt sich besonders stark bei hohen Viskositäten der Mischkomponenten aus, die beim Mischen mit den herkömmlichen Misch- und Rührapparaten besondere Schwierigkeiten bereiten.
Da keine eckigen, strömungsbehindernden Einbauten vorhanden sind und vor allem im laminaren Bereich gearbeitet wird, ist der Widerstand dieses Mischerreaktors sehr gering. Es gibt praktisch an jeder Stelle des Mischrohrinneren strömungsgünstig angeordnete gekrümmte Flächen, die in Verbindung mit den konisch scharfkantig geschliffenen S-Rohrelementeinmündungskanten-10-- den Gesamtwiderstand der erfindungsgemässen Apparatur besonders niedrig halten, was sich, wie gesagt, besonders bei hochviskosen Flüssigkeiten oder bei noch pumpbaren Pasten auf deren Mischbarkeit auswirkt.
Zusammenfassend seien nochmals die Vorteile der erfindungsgemässen Apparatur gegenüber den Apparaten nach der USA-Patentschrift Nr. 3, 286, 922 und der Schweizer Patentschrift Nr. 373356 gegenübergestellt : la) Wesentlich vorteilhaftere Teilungsgrad --AT-- als bei der Apparatur nach der USA-Patentschrift, da bei der erfindungsgemässen Apparatur die Formel : AT = 3 n (n = Gesamtanzahl der Teilungselemente), während
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beim USA-Apparat AT = 2 n gilt.
1b) Auf Seite 2 der obgenannten Schweizer Patentschrift wird die Formel für die Teilungen mit p n (p = Anzahl der Kanalauslaufreihen, n = Anzahl der Mischelemente) angegeben, wobei die p-Anzahl der Kanalaus- laufreihen -2-- beträgt. Somit ergibt sich auch für dieses Mischverfahren die gleiche Formel wie für das USA-Verfahren : AT = 2 n.
2) Unabhängig von der Anzahl der Elemente ergibt sich gegenüber der USA-Apparatur eine wesentlich geringere Baulänge, da die S-Elementlänge den Innendurchmesser des Mischrohres ausmacht, während die Teilungselemente bei der USA-Apparatur 1, 25 bis 1, 5 mal die Länge des Mischrohrdurchmessers ausmacht. Verbesserungsfaktor : 1/4 bis 1/2.
3) Volle Stromrotation bereits nach 8 S-Elementen, statt nach 10 wie beim USA-Apparat.
4) Herstellung technisch wesentlich einfacher als die MischeinrichtungennachderUSA- und der Schweizer Patentschrift, da sowie für dasMischrohr und für die S-Elemente handelsübliche Rohre, sowie Viertelkreisbogen aus verschiedenen Werkstoffen verwendet werden können. Weiters ist die Herstellung der erfindungsgemässen S-Elemente sehr einfach.
Aus der folgenden Tabelle sind die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung gegenüber der USA-Patentschrift und in den Punkten 5 bis 7 auch gegenüber der Schweizer Patentschrift besonders deutlich zu ersehen :
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<tb>
<tb> Apparatur <SEP> nach <SEP> der <SEP> Erfindungsgemässe
<tb> USA-Patentschrift <SEP> Nr. <SEP> 3,286, <SEP> 992 <SEP> : <SEP> Apparatur:
<SEP> Differenzen:
<tb> 1. <SEP> Durchmesser <SEP> des
<tb> Mischrohres <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> 50 <SEP> mm
<tb> 2. <SEP> Durchmesser <SEP> des <SEP> zirka <SEP> minus
<tb> Teilungselementes <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> 26mm <SEP> 500/0 <SEP>
<tb> 3. <SEP> Länge <SEP> des <SEP> Misch-a) <SEP> l <SEP> bis <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> m <SEP> I <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP> m <SEP> minus
<tb> rohres <SEP> b) <SEP> 1, <SEP> 31 <SEP> bis <SEP> 1, <SEP> 57 <SEP> m <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP> m <SEP> 25 <SEP> bis <SEP> 50%
<tb> 4. <SEP> Länge <SEP> des <SEP> Teilungs- <SEP> minus <SEP>
<tb> elementes <SEP> 62,5 <SEP> bis <SEP> 75 <SEP> mm <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> 25 <SEP> bis <SEP> 5CP/o
<tb> 5. <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Teilungs- <SEP> a) <SEP> 16 <SEP> 16 <SEP> 0
<tb> elemente <SEP> b) <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 0
<tb> 6.
<SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Teilungen <SEP> a) <SEP> 65, <SEP> 536 <SEP> 43,046, <SEP> 721 <SEP> 650 <SEP> mal <SEP> grösser
<tb> b) <SEP> 2, <SEP> 097, <SEP> 152 <SEP> 10, <SEP> 460, <SEP> 353, <SEP> 203 <SEP> 4980 <SEP> mal <SEP> grösser
<tb> 7. <SEP> Schichtstärke <SEP> der <SEP> zer- <SEP> a) <SEP> 7,6 <SEP> X10-5cm <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> x <SEP> 10-7 <SEP> cm <SEP> 690 <SEP> mal <SEP> kleiner
<tb> teilten <SEP> Komponenten <SEP> b) <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> X <SEP> 10. <SEP> 6 <SEP> cm <SEP> 4,7 <SEP> x <SEP> 10-10 <SEP> cm <SEP> 5100 <SEP> mal <SEP> kleiner
<tb>
Beispiel : Mischanlage für einen flüssigen Haushaltsreiniger.
Es wurde mit der erfindungsgemässen Apparatur als Kernstück eine kontinuierliche Mischanlage errichtet, die eine Stundenleistung von 6 t erbrachte. Es handelt sich hier um eine Mischung, bei der zwei Flüssigkeiten : Wasser (kalt) und ein höherviskoses Haushaltreinigerkonzentrat (warm, Viskosität etwa 200 cP), die sich in üblichen Mischanlagen nicht ohne weiteres mischen lassen, da einerseits die Löslichkeit nicht sehr hoch ist und anderseits die Viskositätsdifferenz das Mischen erschwert.
Aus diesen Komponenten entsteht der eigentliche Haushaltreiniger mit einer noch höheren Viskosität, als die des Konzentrates. Da beim Mischprozess die Temperatur durch die Kaltwasserbeimischung gesenkt wird, erfolgt im Mischer ein beachtlicher Viskositätsanstieg um etwa 200 bis 300 cP. Trotzdem war der Mischeffekt, wie zahlreiche Proben beim Einfahren der Mischanlage ergaben, einwandfrei. Die Viskosität des Haushaltreinigers lag zwischen 800 bis 900 cP.
Der Mischer bestand aus einem handelsüblichen PVC-Rohr, Innendurchmesser 57 mm, Länge 850 mm. Als Mischereinbauten dienten 16 S-Elemente, die aus handelsüblichen Polypropylen-Viertelkreis-Rohrbogen, Da = 32 mm, Wanddicke 2,9 mm, einfach durch halbieren und S-förmig versetzt mittels Spiegelschweissung verbunden, hergestellt wurden. Die S-Elemente wurden um 1350 versetzt ins Mischrohr eingesetzt. Die Zulei- tungen der beiden Komponenten Konzentrat und Wasser erfolgte in den senkrecht angebrachten Mischer durch ein Y-Rohr von unten, die Ableitung wurde über ein PVC-Rohr von oben besorgt. Der dynamische Druck im Mischrohr betrug 1, 5 atü.
Die Energie für den Mischvorgang wurde von der früher als Förderpumpe des Haushaltreinigers verwendeten Schraubenpumpe bezogen, so dass praktisch fürden um mehr als 60% Mehrerzeugung durch die neue Mischanlage keine Energiekosten anfielen. Der geringe Energieverbrauch, der für dem Mischprozess notwendig ist, ist augenfällig.