CH642564A5

CH642564A5 - Statische mischvorrichtung.

Info

Publication number: CH642564A5
Application number: CH962379A
Authority: CH
Inventors: Felix Streiff
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1979-10-26
Filing date: 1979-10-26
Publication date: 1984-04-30
Also published as: IT8025329A0; ZA805085B; ES263049Y; AU534423B2; SE8007497L; NL188561B; GB2061746B; NL8004240A; SE441061B; DE2943688A1; ES263049U; NL188561C; FR2468401B1; CA1177061A; DE8019476U1; JPS5662531A; AU6353880A; GB2061746A; IT1133888B; BE884546A

Description

Die Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung gemäss Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Derartige Strukturen sind beispielsweise aus der DE-AS 2 328 795 und der DE-AS 2 522 106 bekannt.

Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen ist man an einer möglichst kurzen Mischerlänge interessiert. Für die Wirtschaftlichkeit spielen die Materialkosten und der Druckverlust eine Rolle, und aus technischen Gründen soll die gesamte Mischerlänge kurz sein, um eine gedrängte Bauweise der Mischvorrichtung und ausserdem eine geringe Verweilzeit der Medien in derselben zu erreichen.

In der Praxis wurde bisher davon ausgegangen, zur Erzielung einer gewünschten Homogenitätsgüte, z. B. in bezug auf Konzentration oder Temperatur, Mischelemente mit einer grossen Anzahl von Stegen auszubilden und diese in einer engen Packung anzuordnen, was einer kleinen, sogenannten «Maschenweite» entspricht. Damit erlangt man eine relativ kurze Mischerlänge. Jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, dass dieser Vorteil mit einem erheblichen Druckabfall erkauft werden muss. Dieser bedingt grosse Pumpenleistungen und damit hohe Stromkosten und stellt hohe Anforderungen an die Festigkeit der Mischelemente. Ausserdem sind derartige Mischerelemente schwer zu reinigen und unterliegen einer erhöhten Verstopfungsgefahr infolge von Ablagerungen an den Stegen.

Aufgrund dieser Erfahrungen kam man zu der Ansicht, dass durch eine gewisse «Lockerung» der Struktur der 5 Mischelemente, d.h. weniger Stege und grössere Maschenweite, der Druckverlust verringert werden könnte. Nach den Schichtbildungsgesetzen zur Homogenitätserfassung würde jedoch eine solche Ausführungsform zu einer Verminderung der über eine bestimmte Mischerlänge produzierten Schich-lo ten führen und somit eine Verlängerung der Mischerlänge bewirken. Man nahm hierbei an, dass die erforderliche Mischerlänge etwa im gleichen Verhältnis vergrössert werden müsste, wie der Druckverlust reduziert würde. Aus diesem Grund wurde in der Praxis von einer solchen Ausführungs-i5 weise abgesehen.

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Geometrie der bekannten Struktur aufzufinden, die die gewünschte Mischgüte bei einer relativ kurzen Mischerlänge der Mischvorrichtung und einem geringen Druckabfall gewährleistet. 20 Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst, was experimentell bestätigt werden kann.

Die überraschende Erkenntnis der Erfindung beruht darauf, dass bei Einhaltung dieser Bemessungsvorschriften, eine 25 Mischvorrichtung ermöglicht wird, die nur einen Bruchteil der erwarteten Vergrösserung der Mischerlänge bei einem unerwartet niedrigen Druckverlust ermöglicht, wie an späterer Stelle anhand von Ausführungsbeispielen noch erläutert wird.

30 Die Erfindung soll insbesondere für Mischverfahren von Newton'schen und nicht Newton'schen Flüssigkeiten Anwendung finden.

Das rohrartige Gehäuse kann als zylindrisches Rohr ausgebildet sein oder auch als Rohr mit einem quadratischen 35 Querschnitt. Im ersten Fall ist die Kontur der Stege in ihren Randzonen dem kreisförmigen Querschnitt des zylindrischen Rohres angepasst.

Durch die angegebenen Bemessungsvorschriften bezüglich des Verhältnisses der Stegbreite b zum Rohrdurchmesser 40 d sowie des Verhältnisses des senkrechten Stegabstandes m zwischen benachbarten Gruppenpaaren zum Rohrdurchmesser d und die Länge 1 des Mischelementes zum Rohrdurchmesser d ist die Geometrie der Mischelemente.be-

stimmt. So würde bei einem Verhältnis von 4 = 0,167 be-

45 d deuten, dass über den gleichen Rohrquerschnitt sechs Stege angeordnet und bei einem Verhältnis von ^ =0,1 zehn Stege vorhanden wären.

Durch das Verhältnis des senkrechten Stegabstandes m 50 zwischen benachbarten Gruppenpaaren zum Rohrdurchmesser d ist im Rohr die Stegdichte, d.h. die Maschenweite in Richtung der Rohrachse bestimmt und damit die gesamte Stegoberfläche.

Durch das Verhältnis 1 des Mischelementes zum Rohr-55 durchmesser d ist die Länge eines Mischelementes gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Ausschnitt einer Mischvorrichtung mit erfindungsgemäss 60 ausgebildeten Mischelementen in einem Längsschnitt.

In Fig. 2 ist in einem Diagramm als Mischgütemass der Variationskoeffizient ? als Funktion der relativen Mischer-

T X

länge =- dargestellt.

Q

65 Gemäss Fig. 1 sind in einem Rohr 1 vier Mischelemente 2 bis 5 hintereinander angeordnet, wobei die aufeinanderfolgenden Elemente jeweils um 90: bezüglich der Rohrachse gegeneinander verschwenkt sind.

3

642 564

Die Elemente bestehen im Ausführungsbeispiel aus jeweils zwei Gruppen 6 und 7, wobei jede Gruppe aus jeweils gegen die Längsachse des Rohres 1 um einen Winkel geneigte Stege 6'a, 6"a, 6"'a bis 6'd, 6"d, 6"'d bzw. 7'a, 7"a, 7"'a bis 7'd, 7"d, 7"'d besteht, und der Neigungswinkel a der Stege der Gruppe 6 gegenüber den Stegen der Gruppe 7 ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Im Ausführungsbeispiel beträgt a 45°. Jedes Mischelement besteht aus drei ineinandergeschobenen Plattenpaaren 6'a bis 6'd, 7'a bis 7'd; 6"a bis 6"d, 7"a bis 7"d und 6"'a bis 6"'d, T'a bis 7"'d, wobei die Stege der Gruppe 6 durch die Schlitze zwischen den Stegen der Gruppe 7 und die Stege der Gruppe 7 durch die Schlitze zwischen den Stegen der Gruppe 6 kreuzend hindurchreichen.

Jedes Plattenpaar besteht im Ausführungsbeispiel aus acht Stegen, wobei die Stege jeder Platte in einer Ebene angeordnet sind (vgl. 6"a bis 6"d des Mischelementes 3 und 7"'a bis 7"'d des Mischelementes 5 in Fig. 1). Es ist jedoch auch möglich, die Stege 6'a bis 6'd, 7'a bis 7'd usw. nicht jeweils in einer Ebene, sondern treppenartig gegeneinander versetzt anzuordnen. Wie in der DE-OS 2 748 128 beschrieben ist, können die Stege eines jeden Mischelementes an ihren Berührungsstellen gesamthaft in einem Arbeitsgang durch elektrische Widerstandsschweissung miteinander verbunden werden.

Die Stegbreiten sind mit den Bezugszeichen b, der Rohrdurchmesser mit d und die Abstände der Stege zwischen den Gruppenpaaren mit m und der Neigungswinkel der Gruppe 6 und 7 gegen die Kanalachse mit a und die Länge der Mischelemente mit 1 bezeichnet.

Mittels des in Fig. 2 dargestellten Diagramms werden im folgenden fünf Mischelementtypen bezüglich Druckverlust und der relativen Mischerlänge anhand von Messungen miteinander verglichen.

Im Diagramm ist auf der Ordinate der Variationskoeffizient ? und auf der Abszisse die relative Mischerlänge x d der gesamten Mischvorrichtung, die aus mehreren Mischelementen besteht, aufgetragen, a ist die gemessene Standardabweichung vom berechneten Mittelwert x einer in einer statischen Mischvorrichtung hergestellten Mischung.

Die Standardabweichung a von dem berechneten Mittelwert x der in einer Mischvorrichtung erreichten Homogenität der zu mischenden Komponenten kann beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung ermittelt werden (vgl. Chem.-Ing. Techn. 51 (1979), Nr. 5,

S. 353-354).

Für den durch Messungen ermittelten Druckverlust Ap in statischen Mischvorrichtungen gilt für laminare Strömung die folgende formelmässige Beziehung:

Ap = 32 • z • ti • w ^ 2

Die Grösse «z» wird als Druckverlustvielfaches bezeichnet und stellt das Verhältnis des Druckverhältnisses in einer statischen Mischvorrichtung zum leeren Rohr bei derselben Zähigkeit r|, Strömungsgeschwindigkeit w, Länge L und Rohrdurchmesser d dar.

In der folgenden Tabelle sind die geometrischen Daten der Mischertypen I-V aufgeführt.

In dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind die charakteristischen Kurven ?= f (L/d) für die Mischelementtypen

X

I-V eingetragen, r- = 10-2 sagt aus, dass die Standardabweichung von dem Mittelwert 1 % beträgt, und die Mischung als homogen betrachtet werden kann.

In der nachstehenden Tabelle sind Messwerte der relativen Mischerlänge für r-

10 2 und die zugehörigen Druckverlustvielfache z für die Mischelementtypen I-V angegeben.

Typ

L/d

I

II

III

IV

V

9 10 14 30

90 50 35 20 16

20

25

Aus den vorstehenden Daten erkennt man folgenden Sachverhalt: während gegenüber dem Typ I die relativen Mischerlängen II, III und IV nur unwesentlich grösser sind, kann dagegen das Druckverlustvielfache dieser Typen gegenüber dem Typ I wesentlich reduziert werden.

Ausserdem wird deutlich, dass die Verringerung des Druckverlustes gegenüber der Vergrösserung der relativen Mischerlänge nicht, wie bisher angenommen, in etwa demselben Verhältnis steht, sondern viel stärker und ausgeprägter erfolgt. Der Typ I entspricht in seiner Struktur Ausführungsformen, wie sie in den in der Einleitung genannten 1 Druckschriften offenbart sind.

Vergleicht man den Mischelementtyp V mit den Typen II-IV, stellt man fest, dass die starke Verminderung des Druckverlustvielfachen mit einer wesentlichen Vergrösserung der relativen Mischerlänge verbunden ist, und die Zu-

' T

nähme von -= und die Verringerung von z gegenüber dem d

Typ I in etwa demselben Verhältnis stehen.

Für einen Vergleich von Mischvorrichtungen untereinander interessiert der Druckverlust pro Durchsatz bei gleicher 1 Mischgüte. Druckverlust und Durchsatz werden bekanntlich mit Hilfe der sogenannten spezifischen Wirkung W, die eine dimensionslose Kennzahl ist, miteinander in Beziehung gesetzt (vgl. beispielsweise E. Dolling: «Zur Darstellung von Mischvorgängen in hochviskosen Flüssigkeiten», Disserta-' tion, Techn. Hochschule Aachen/Deutschland/1971 und H. Brünemann und G. John: «Statische Mischer», Aufbereitungstechnik, 1972, 1, S. 16-23).

Die spezifische Wirkung W wird durch die nachstehende Formel definiert: a ^ j/ .

„ . *dL . 32 4t)2

y V

60

Hierbei ist Ap|/ die Strömungsarbeit, T| die Zähigkeit und 1/ der Volumenstrom.

Bei gleicher Mischgüte ist W für die technisch optimale Mischvorrichtung am kleinsten.

In der nachstehenden Tabelle sind die ermittelten Werte der spezifischen Wirkung für Mischvorrichtungen, für welche Mischelementtypen I, II, III, IV bzw. V verwendet werden, angegeben.

Typ b/d m/d l/d a

I

0,08

0,15

1,63

45

II

0,1

0,2

0,75

45°

III

0,125

0,3

1

45°

IV

0,167

0,4

1,5

45°

V

0,25

0,5

1,6

45''

Typ

W

I

65 II

III

IV

V

184 320 129 600 112 000 125 440 460 800

642 564

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, ist als technisch optimale Mischvorrichtung eine Vorrichtung anzusehen mit Mischelementen III, wobei die Unterschiede gegenüber Vorrichtungen mit Mischelementtypen II und IV so gering sind, dass die drei Typen II, III und IV als praktisch gleichwertig angesehen werden können. Demgegenüber zeichnen sich deutliche Unterschiede der Kennzahl W für die Typen I und V ab, so dass diese zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe nicht in Frage kommen.

Die überraschende Erkenntnis, die der Erfindung zugrundeliegt, beruht darauf, dass die bisher angenommene indirekte Proportionalität zwischen Druckverlust und Mischerlänge nicht kontinuierlich ist, sondern, dass ein Op-5 timierungsbereich für die Geometrie der bekannten Strukturen von statischen Mischvorrichtungen existiert, in welchen diese Vorrichtungen eine relativ geringe Mischerlänge und einen noch wirtschaftlich tragbaren Druckverlust aufweisen.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims

642 564 PATENTANSPRÜCHE

1. Statische Mischvorrichtung, bestehend aus einem rohrartigen Gehäuse mit mindestens einem darin angeordneten Mischelement, welches aus sich kreuzenden Stegen besteht, die einen Winkel gegenüber der Rohrachse aufweisen, wobei die Stege der Mischelemente in mindestens zwei Gruppen angeordnet sind und die Stege innerhalb einer jeden Gruppe im wesentlichen parallel gerichtet sind und sich die Stege der einen Gruppe mit den Stegen der anderen Gruppe kreuzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Stegbreite (b) zum Rohrdurchmesser (d) 0,1 bis 0,167 und das Verhältnis des senkrechten Stegabstandes (m) in jeder Gruppe zum Rohrdurchmesser (d) 0,2 bis 0,4 und das Verhältnis der Länge (1) eines Mischelementes zum Rohrdurchmesser (d) 0,75 bis 1,5 beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Stegbreite (b) zum Rohrdurchmesser (d) 0,1 und das Verhältnis des senkrechten Stegabstandes (m) in jeder Gruppe zum Rohrdurchmesser (d) 0,2 und das Verhältnis der Länge (1) eines Mischelementes zum Rohrdurchmesser (d) 0,75 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Stegbreite (b) zum Rohrdurchmesser (d) 0,125 und das Verhältnis des senkrechten Stegabstandes (m) in jeder Gruppe zum Rohrdurchmesser (d) 0,3 und das Verhältnis der Länge (1) eines Mischelementes zum Rohrdurchmesser (d) 1 beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Stegbreite (b) zum Rohrdurchmesser (d) 0,167 und das Verhältnis des senkrechten Stegabstandes (m) in jeder Gruppe zum Rohrdurchmesser (d) 0,4 und das Verhältnis der Länge (1) eines Mischelementes zum Rohrdurchmesser (d) 1,5 beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Mischelemente im Rohr hintereinander angeordnet sind, wobei die aneinander grenzenden Elemente bezüglich der Rohrachse um einen Winkel von vorzugsweise 90° gegeneinander verschwenkt sind.