CH643467A5

CH643467A5 - Mischer, enthaltend mindestens einen einsatz, welcher mindestens zwei sich kreuzende scharen von kanaelen enthaelt.

Info

Publication number: CH643467A5
Application number: CH460979A
Authority: CH
Inventors: Guenter Imhaeuser; Dieter Brauner; Edgar Muschelknautz
Original assignee: Bayer Ag
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1979-05-17
Publication date: 1984-06-15
Also published as: JPS624169B2; JPS54153369A; DE2822096A1; GB2020987B; GB2020987A; FR2425888A1; US4201482A; IT7922820A0; DE2822096C2; IT1112936B

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Mischer, enthaltend mindestens einen Einsatz, welcher mindestens zwei sich kreuzende Scharen von Kanälen enthält. Insbesondere, aber nicht ausschliesslich, handelt es sich dabei um einen statischen Mischer.

In den DE-AS 2 328 795 und DE-OS 2 522 106 sind Mischelemente beschrieben, die aus sich kreuzenden Platten mit eingefrästen Stegen bestehen sowie ähnlich wirkende andere Elemente, die aus sich kreuzenden Stegen bestehen, welche an einem quer durch das Gehäuse sich erstreckenden Verbindungssteg angeordnet sind, mit dem sie ein einziges

Stück bilden. Die Platten und die Stege solcher Elemente sind verhältnismässig dünnwandig und gewöhnlich nur an einzelnen Stellen miteinander verbunden, in der Regel ver-schweisst oder verlötet. Die Einzelelemente haben Länge/ s Durchmesser-Verhältnisse von 1 bis 3, und der Druckverlust ist bei laminarer Durchströmung ca. 20- bis 50mal grösser als bei einem leeren Rohr gleichen Durchmessers. Werden solche Elemente beispielsweise am Ende von Extrudern unmittelbar nach der Welle in das Gehäuse eingebaut, können io bei den Durchsätzen und Viskositäten üblicher Polymerschmelzen die Mischeinsätze infolge Überschreitens der mechanischen Festigkeit zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung sind Mischer, insbesondere statische Mischer, die stabil genug sind, Druckverluste längs des 15 Mischers von mindestens 100 bar auszuhalten. Es sollen jedoch die Vorteile bekannter Mischer, insbesondere die hohe Mischgüte bei kurzer Bauweise, erhalten bleiben. Die Aufgabe wird durch Mischer, enthaltend mindestens einen Einsatz, welcher mindestens zwei sich kreuzende Scharen von 20 Kanälen enthält, gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Einsatz aus Vollmaterial besteht, die Kanäle jeder Schar in parallelen Ebenen parallel zueinander verlaufen, der Winkel a zwischen einem Kanal und der in diese Ebene projizierten Achse des Einsatzes 20 bis 70° beträgt, dieser 25 Neigungswinkel der Kanäle zur Achse des Einsatzes bei mindestens einer Schar positiv und bei einer anderen Schar negativ ist, dass die Kanäle dieser beiden Scharen in benachbarten Ebenen liegen und sich derart kreuzen, dass sie ein Gitter bilden, und die Querschnitte der Kanäle so gross sind, 30 dass sich kreuzende Kanäle bis zu 40 Prozent überdecken.

Besondere Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Statt einer Verstärkung der Materialdicke bekannter Elemente und dem Verschweissen der Kreuzungspunkte, was 35 problematisch und teuer ist, wird die benötigte hohe Festigkeit der Elemente bei der erfmdungsgemässen Vorrichtung dadurch erzielt, dass das Mischelement aus einem massiven, vorzugsweise zylindrischen Metallblock hergestellt wird. Technisch in Frage kommen Einsätze mit einem Durchmes-40 ser von 1 bis 100 cm; sie halten auch einseitige Drücke von 100 bar sicher aus. Die Länge eines Einsatzes ist in einem bevorzugten Bereich 1 bis 4mal so lang wie der Durchmesser. Die Mischeinsätze können sowohl in statischen als auch in dynamischen Mischern verwendet werden. Die Mischwir-45 kung der neuen Elemente ist mindestens so gut wie die der bekannten Elemente mit sich kreuzenden Platten oder Stegen; der Druckverlust ist bei zylindrischen Bohrungen etwa 4mal, bei Schlitzen etwa 2mal grösser.

Lässt man einen zylindrischen Mischeinsatz in einem ent-50 sprechenden Gehäuse rotieren, so erhält man einen dynamischen Mischer, wobei die Wirkung immer auch zum Teil wie bei einem statischen Mischer ist. Weiter wurde gefunden, dass man bei genügend grosser Drehzahl des Extruders eine noch bessere Mischwirkung erzielen kann, wenn man ein 55 Element, das eine Länge von 2 bis 4 Durchmessern hat, vorne an der Extruderwelle anbringt und mitrotieren lässt. In diesem Fall eines halb statisch, halb dynamisch wirkenden Mischers müssen die Bohrungen oder Schlitze so angeordnet sein, dass die seitlich äussersten Kanäle als offene Nuten er-6o scheinen und bei der Drehung wie Teilstücke von Schnek-kengängen wirken.

In Fällen, wo ausser der Quervermischung auch eine gewisse Längsvermischung erforderlich ist, lässt sich die Gesamtmischwirkung erheblich verbessern, wenn die äusseren 65 Nuten als Gewinde- oder Schneckengänge zurückfördern. Der Druckverlust ist dann natürlich grösser als bei fest eingebauten Elementen. Wenn nur eine Quervermischung verlangt ist, sollten die Elemente mitfördernd ausgelegt sein.

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Fördern diese Gänge in Hauptstromrichtung vorwärts, wird der Druckverlust bedeutend niedriger als bei statischen Einbauten. Die Mischwirkung ist aber besser als bei statischem Einbau. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit des drehenden Mischelementes ein Vielfaches, mindestens das Doppelte der auf das Leerrohr bezogenen mittleren Durchströmungsgeschwindigkeit ist, ist die Mischwirkung ungefähr so gut wie die von vier hintereinander angeordneten statischen Mischelementen.

Die erfmdungsgemässe Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beispielhaft weiter beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Draufsicht auf ein zylindrisches Mischelement mit zylindrischen Kanälen.

Fig. 2 Längsschnitt durch ein zylindrisches Mischelement (Schnittlinie A-B in Fig. 1).

Fig. 3 Längsschnitt durch ein zylindrisches Mischelement (Schnittlinie C-D in Fig. 1).

Fig. 4 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle an Kreuzungspunkten.

Fig. 5 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle am Randbereich des Mischers (in Blickrichtung 4 in Fig. 2).

Fig. 6 Seitenansicht eines Mischelementes, wobei der Kanalquerschnitt die Form eines Langlochs hat.

Fig. 7 Aufsicht auf das Mischelement in Fig. 6.

Fig. 8 Längsschnitt durch Mischelement von Fig. 6 (Schnittlinie G-H in Fig. 7).

Fig. 9 Schnitt durch das Mischelement in Fig. 6 (Schnittlinie E-F in Fig. 6).

Fig. 10 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle bei einem Kreuzungspunkt.

Fig. 11 schematische perspektivische Darstellung eines rotierenden Mischelementes.

Fig. 12 Längsschnitt durch ein rotierendes Mischelement.

Fig. 13 Seitenansicht eines Mischelementes mit versetzten Schlitzen.

Fig. 14 Schnitt durch ein Mischelement nach Fig. 13 (Schnittlinie I-K in Fig. 13).

Fig. 15 Mischelemente mit sich kreuzenden zylindrischen Bohrungen, die der Höhe nach gestaffelt angeordnet sind.

Fig. 16 Schnitt durch ein Mischelement nach Fig. 15 (Schnittlinie L-M in Fig. 15).

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf den gebohrten, massiven Metallzylinder 1. Schräg zur Zylinderachse 2 verlaufen zylindrische Kanäle 3. Die Kanäle 3 liegen alle in Ebenen, die in diesem Beispiel parallel zu den Linien A-B bzw. C-D sind. Die Kanäle 3 sind in einer Ebene zueinander, aber nicht zur Zylinderachse 2 parallel. Es ist erkennbar, dass sich die Querschnitte zweier sich kreuzender Kanäle teilweise überdecken.

In den Schnitten A-B bzw. C-D in den Fig. 2 und 3 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. In die Schnittebene ist jeweils auch die Zylinderachse 2 projiziert. Die Kanäle 3 in der Ebene A-B sind zu der Zylinderachse um den Winkel + a geneigt. Auch in dem Schnitt in Fig. 3 beträgt die Neigung der Kanäle zur Zylinderachse betrags-mässig a; jedoch ist die Neigung umgekehrt, so dass dort der analoge Winkel mit — a bezeichnet ist. Der Abstand zweier benachbarter Ebenen ist mit a bezeichnet; der Durchmesser d eines Kanals ist grösser als a. Die kleine Halbachse der Ellipse in Fig. 1 ist identisch mit dem Radius eines Kanals 3.

In Fig. 4 ist die Überlappung der zylindrischen Kanäle 3 an den Kreuzungspunkten noch einmal schematisch dargestellt. Man hat sich hier vorzustellen, dass beispielsweise die Kanäle 5 und 6 von vorne links nach hinten rechts verlaufen,

während die Kanäle 7 und 8 von vorne rechts nach hinten links verlaufen und sie sich in der Zeichenebene sowie in anderen dazu parallelen Ebenen darunter und darüber teilweise überdecken. Die Überdeckung sollte vorzugsweise zwischen 10 und 30% liegen.

Ein schematischer Ausschnitt aus der Seitenwand des Mischelements in Blickrichtung 4 nach Fig. 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Hier kommt es auch an den Enden der Kanäle 3 zu kleinen Überschneidungen 11 mit den Anfängen der nächsten beiden oder mindestens eines anderen Kanals 3. Die äusseren Bohrungen können so weit aussen liegen, dass ein offener Kanal gebildet wird (beispielsweise bei 12 in Fig. 9).

Eine andere vorteilhafte Form des Mischelementes ist in den Fig. 6 bis 10 dargestellt. Das Mischelement unterscheidet sich neben der Grösse der Kanäle vor allem durch die Querschnittsform der Kanäle. In den Fig. 1 bis 5 ist der Kanalquerschnitt kreisförmig; in den Fig. 6 bis 10 ist er lang-lochförmig, d.h. der Querschnitt besteht aus zwei Halbkreisflächen und einem diese verbindenden Rechteck. Die Neigung der Kanäle 13 zur Zylinderachse ist wieder mit +a und —a bezeichnet, der Abstand zweier benachbarter Ebenen ist so auf den Kanalquerschnitt abgestimmt, dass sich entspre- • chend Fig. 10 Überschneidungen 14 an den Kreuzungsstellen ergeben. Die Überdeckung kann bis zu 40% betragen, bevorzugt ist ein Bereich bis 30%.

Die Schnittfläche des Längsschnittes nach Fig. 8 ist in der Draufsicht in Fig. 7 durch die Linie G-H angedeutet. Die Schnittfläche in Fig. 9 ist in der Seitenansicht in Fig. 6 durch die Linie E-F angedeutet. In Fig. 9 ist die langlochar-tige Form der Kanäle 13 zu erkennen. Bei einem Schnitt wie in Fig. 9 wird jeweils nur jede zweite Ebene, in der Kanäle liegen, dargestellt. In diesem Beispiel sind die Kanäle in dem Mischelement so angeordnet, dass bei dem gedachten Zusammenbau des Mischelementes aus einzelnen Ebenen, die ungeradzahligen bzw. die geradzahligen Ebenen so übereinander liegen, dass auch die Kanäle übereinander liegen. Bei ähnlichen Schnitten in den Fig. 14 bzw. 16 sind die Kanäle dagegen so versetzt, dass sie vorzugsweise auf Lücke angeordnet sind. Die Mischwirkung kann dadurch noch über den Querschnitt verbessert werden.

In den Fig. 11 und 12 sind Mischelemente dargestellt, die im Gehäuse 15 rotieren. Der Einsatz besteht aus dem erfin-dungsgemässen zylindrischen Mischelement 16 und dem Antriebsstummel 17. Für bestimmte Anwendungsbereiche kann die eingezeichnete Drehrichtung 18 auch umgekehrt sein. Das Spiel des Mischelementes 16 im Gehäuse 15 ist gering.

Die Kanäle sind so gebohrt, dass an einer Seite, wie in Fig. 11 schematisch angedeutet, offene Kanäle 20 entstehen, die aber an der anderen Seite über den grössten Teil ihrer Länge ringsum geschlossen bleiben. In Fig. 11 sind der Deutlichkeit halber nur je 2 seitliche Bohrungen aus 2 Ebenen eingezeichnet; die üblichen Bohrungen der gleichen Ebene, sowie die kreuzenden Bohrungen der übrigen Ebenen sind weggelassen. Zwischen den seitlich liegenden offenen Kanälen 20 sind Stege 21, die infolge der Umdrehung des Mischelements wie Schneckengänge eines Extruders wirken. An der anderen Seite entstehen durch die in der Figur nicht gezeichneten offenen Bohrungen der kreuzenden Kanäle ebenfalls Stege mit der Wirkung von Schneckengängen mit gleicher Steigung. Die Drehrichtung 18 kann so gewählt sein, dass die Stege wie eine Schnecke in der Durchflussrichtung des Produktes vorwärts oder rückwärts fördern. Solche an jeder Seite gleichsinnig fördernden oder bremsenden Stege sind zweckmässig bei kurzen Drehkörpern. Bei längeren Drehkörpern kann es zweckmässig sein, an jeder Seite jeweils die äussersten Kanäle der gleichen Schar parallel verlaufender Bohrungen als offene Kanäle auszubilden. Dann

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fördert der Mischer an einer Seite vorwärts, an der anderen rückwärts, was eine Zellenbildung mit entsprechender Rück-vermischung ergibt. Die Länge eines rotierenden Mischelementes ist vorteilhafterweise länger als der doppelte Durchmesser des Elementes. Die äusseren Kanäle sollen vorteilhafterweise so angeordnet sein, dass sich am Umfang schräge Stege wie bei einer Schnecke ergeben, wobei der Restquerschnitt des offenen Kanals an der tiefsten Stelle mindestens 50%, vorzugsweise 50 bis 66% des Querschnittes der übrigen im Inneren des Körpers verlaufenden Kanäle ist.

In den Fig. 13 bis 15 sind wiederum zylindrische Mischelemente dargestellt, die sich von den Mischelementen in den Fig. 1 bis 12 dadurch unterscheiden, dass die zylindrischen bzw. schlitzförmigen Kanäle 23,24 versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind. Bei Schnitten wie in den Fig. 9,14 und 16, die senkrecht zu einer Schar der Kanäle in dem Mischelement verlaufen, kann die Lage der Kanäle 12, 13,23,24 so zueinander sein, dass sie in dieser Schnittdarstellung wie in einem rechteckigen Gitter (Fig. 9) oder aber auch wie in einem schiefwinkeligen Gitter (Fig. 14,16) angeordnet sind. Die Anordnung auf Lücke ist dabei besonders bevorzugt. Die Überdeckung benachbarter Kanäle an den Kreuzungsstellen ist auch bei einem solchen «schiefwinkeligen» Gitter erfindungswesentlich und gegeben.

In einem speziellen Anwendungsfall wird einer Spinndüse mit 150 Loch durch ein Rohr von 20 mm Durchmesser Polyamidschmelze mit der Geschwindigkeit von 1,34 cm/s zugeführt. Der Druck vor Düse und Filter beträgt 50 bar bei einer Viskosität der Schmelze von 300 Pa s. Durch Verweilzeitunterschiede im Zuführungsrohr von einer Grössenord-nung 1:10 ist die Schmelze nicht ganz homogen. Die langsamen Rundschichten haben ein höheres Molekulargewicht als die schnelleren Schichten der Kernströmung. Nach Einbau eines statischen Mischers, wie in der DE-OS 2 522 106 beschrieben, mit drei Elementen von je 20 mm Durchmesser und 38 mm Länge wird eine sehr gute Vermischung und eine entsprechende Verbesserung des Spinnvorgangs erzielt. Der Druckverlust dieser Elemente beträgt 35 bar.

Bei einer Störung steigt die Viskosität der Schmelze und damit auch der Druckverlust auf mehr als das Doppelte. Die aus 1 mm dickem, nichtrostendem Stahl gestanzten und an den Stegen geschweissten Mischelemente werden dadurch teilweise zusammengedrückt. An ihre Stelle werden in einer erfindungsgemässen Vorrichtung vier Elemente eingebaut mit Durchmessern von 20 mm und einer Länge von je 30 mm. Zwischen den um je 90° gegeneinander verdrehten Elementen befinden sich 5 mm dicke Lochbleche mit je 12 Loch mit je 3,5 mm Durchmesser. Die Bohrungen sind am Ein- und Austritt auf eine Länge von je 2 mm unter 90° an-gefast.

Die Mischelemente haben Bohrungen von 4 mm Durchmesser. Diese sind in sich kreuzenden und jeweils parallelen Scharen unter 45° zur Achse angeordnet. Der Lochabstand der parallelen Bohrungen jeder Schar beträgt 6 mm, der

Achsabstand sich kreuzender Bohrungen beträgt im Kreuzungspunkt 3 mm, Die Überdeckung 25%.

Der Druckverlust der gebohrten Elemente einschliesslich der drei Lochbleche beträgt 90 bar. Der Spinnvorgang ist s durch die erfmdungsgemässe Mischung noch verbessert (weniger Fadenabrisse). Bei Tests im Labor werden diese aus einem nichtrostenden Stahl gefertigten Elemente bei Druckverlusten bis 250 bar sicher und ohne jede Beschädigung betrieben.

io In einem weiteren Anwendungsfall werden in einen Polyamidschmelze-Strom von 30 kg/h bei einer Viskosität von 300 Pa s 800 g/h eines antistatischen Zusatzes eingemischt, dessen Viskosität 5 Pa s beträgt und der sich in der Schmelze nicht löst. Mit einem erfindungsgemässen rotierenden Mi-15 scher wird dieser Zusatz so gut eingemischt, dass am Ende des Mischers Tröpfchen kleiner als 7,5 um gleichmässig über den ganzen Querschnitt verteilt sind. Der rotierende Mischer besteht aus einem Element von 60 mm Durchmesser und 240 mm Länge. Die Bohrungen haben 9 mm Durchmesser. 20 Die jeweils sich kreuzenden Kanäle sind unter je 40° zur Achse geneigt. Die Bohrungen jeder Schar sind nicht gestaffelt, sondern jeweils auf gleicher Länge des Mischelementes angeordnet. Die Lochabstände von zueinander parallel verlaufenden Bohrungen betragen 13 mm, die Lochabstände 25 sich kreuzender Bohrungen im Kreuzungspunkt 6,5 mm, die Überdeckung an den Kreuzungsstellen beträgt 30%. Mit dieser Anordnung der Bohrungen ergeben sich je 13 offene und nach Art einer Schnecke mitfördernde Nuten, die an der tiefsten Stelle 7 mm tief sind.

30 Der Druckverlust dieses Mischers beträgt bei einer Drehzahl von 40 UpM 3 bar. Der Mischer erzielt die gleiche Mischwirkung wie acht statische Elemente des gleichen Typs, deren Druckverlust 50 bar betragen würde. Die Antriebsleistung des rotierenden Mischers beträgt 0,3 kW.

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In einem anderen erfindungsgemässen Anwendungsfall, bei der Herstellung von PVC-Folie, wird Granulat in einem Extruder von 1600 mm Länge mit einer Schnecke von 60 mm Durchmesser, Gangtiefen von 10 bis 3 mm und einer 4o Stegbreite der Gewindegänge von 6 mm aufgeschmolzen. Bei einem Durchsatz von 30 kg/h und einer Viskosität der Schmelze von 900 Pa s kann der Extruder einen Druck über 100 bar aufbauen. Die Schmelze weist am Ende des Extruders Temperaturunterschiede von ± 15 °C bei einer mitt-45 leren Temperatur von 280 °C auf.

Mit einem am Ende der Extruderschnecke angeschlossenen und mit dieser mitrotierendem Mischelement gleicher Abmessung wie im vorhergehenden Beispiel wird die Tem-peraturgleichmässigkeit, gemessen am Ende des Mischteils, so auf Schwankungen von + 2 °C ganz wesentlich verbessert. Dabei sind die offenen Nuten an den Seiten des Mischteils mitfördernd. Der für das Mischteil erforderliche Druckunterschied beträgt weniger als 5 bar, die zusätzlich erforderliche Antriebsleistung 1,2 kW.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Mischer, enthaltend mindestens einen Einsatz, welcher mindestens zwei sich kreuzende Scharen von Kanälen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz aus Vollmaterial besteht, die Kanäle jeder Schar in parallelen Ebenen parallel zueinander verlaufen, der Winkel a zwischen einem Kanal und der in diese Ebene projizierten Achse des Einsatzes 20 bis 70° beträgt, dieser Neigungswinkel (a) der Kanäle zur Achse des Einsatzes bei mindestens einer Schar positiv und bei einer anderen Schar negativ ist, dass die Kanäle dieser beiden Scharen in benachbarten Ebenen liegen und sich derart kreuzen, dass sie ein Gitter bilden, und die Querschnitte der Kanäle so gross sind, dass sich kreuzende Kanäle bis zu 40 Prozent überdecken.

2. Mischernach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) 30 bis 60° beträgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich kreuzende Kanäle zwischen 10 und 30 Prozent überdecken.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz zylindrisch ist.

5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle im Einsatz zylindrische Bohrungen sind und die Überdeckung sich kreuzender Kanäle mindestens 10 Prozent beträgt.

6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle die Querschnittsform von Langlöchern haben.

7. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle gleicher Richtung in den parallelen Ebenen hintereinander liegen, wenn man das Mischelement von der Seite senkrecht zu den Ebenen betrachtet.

8. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle gleicher Richtung in hin-tereinanderliegenden Ebenen versetzt, vorzugsweise auf Lük-ke, angeordnet sind, wenn man das Mischelement von der Seite senkrecht zu den Ebenen betrachtet.

9. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einsätze so gegeneinander verdreht sind, dass die Ebenen, in denen die Kanäle liegen, von zwei aufeinanderfolgenden Einsätzen vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen.

10. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einsätze hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Einsätzen Zwischenräume frei bleiben und der frei gebliebene Raum bis fünfmal so lang wie der Durchmesser der Elemente ist.

11. Mischer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen Lochplatten oder Drahtgestricke vorhanden sind.