CN101443102B - 静态混合器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种静态混合器-所述这种类型静态混合器可以引入到管道中或与所述管道相关联，以便形成所述管道的一部分，因此在不用旋转部件的情况下均匀地混合在管道中流动的流体-所述混合器包括外圆柱形部分(2)和内混合结构(3)，所述内混合结构(3)包括多个元件，多个元件具有平面或弯曲的表面，其被制成各种不同的排列，且与流动方向形成角度。借助用连续层激光器完成的唯一塑料粉末或金属粉末烧结法使内混合结构(3)和外圆柱形部分(2)形成圆角，并相互连接，而没有中断或机械连接。

Description

静态混合器及其制造方法

本发明涉及一种静态混合装置，下面简称为静态混合器，所述这种类型静态混合器可以被加入到管子中或者与所述管子相关联，以形成管道的一部分，因此在不用旋转部件的情况下均匀地混合在管道中流动的流体。

本发明还涉及用于制造所述类型静态混合器的方法。

在处理流体，尤其是在管道中流动的流体时，使用叫做静态混合器的装置众所周知。静态混合器主要包括一铰接式三维整体结构，亦即包括多个元件，所述多个元件具有平面或弯曲的表面，被制成各种不同的设置，且与流动方向形成角度，适合于使在管道中流动的流体流连续的断裂，同时导致在管道中强烈的湍动，所述湍动引起各个流线的快速搅动，直至得到充分均匀的混合物供具体应用。

尤其是，就化学工业来说，静态混合器广泛地例如用于混合在模具、挤塑机头、模压机或其它类似设备的加料管中流动的熔化的聚合物。实际上，由于它们的高粘度，所以这些流体在一管道段内具有不均匀的速度分布，因为与管道的中心部分相比，流体在管壁附近流动要慢得多。因此，流体与管道壁接触的部分与流体的中心部分相比，前者在管道中往往有更长的停留时间，同时造成流体中理化性质的不规则性，并且还可能破坏流体的成分。

在管道中加入静态混合器实际上提供了一种简单而经济地解决所述问题的可行方案。另外，这类装置的混合效果可以很容易改变，因为混合效果与混合器长度成正比，且混合器长度若相等，由它包括的装置所限定的网眼越厚，则效果越大。

静态混合器的结构例如已在EP-0.071.454和EP-1.510.247中作了说明，其中规定使用不同的材料和限定不同几何形状的结构。

在任何情况下，所有常规技术解决方案都提供通过机加工结构的各个元件，和随后例如通过焊接、钎焊、或其它常规机械固定方法将各个元件组装，来制造静态混合器的内部结构，以便最后形成这些装置特有的三维结构。这种结构直接加入到，并固定或紧固到在其中进行混合的管道上，或者更经常的是，这种结构事先装配在管道单独的管接头上，然后将管接头加在设置于管道内的、或与管道相关联的壳座中，从而形成所述管道的一部分。在这后一种情况下，依据应用类型，包含静态混合器的管道的管接头可以直接焊接到管道上，或者设置有法兰以便完成在管道两端处的可拆卸连接，所述管道两端当然必须装备相应的法兰。

除了所述静态混合器的功能性、成本效益、灵活性、和效率方面的显著优点之外，所述静态混合器也具有某些明显的缺点，确切地讲，就是需要装配不同的元件或部件，以形成预定用来完成混合的内部结构，并需要把所述内部结构固定在管道内。实际上，所述各部件之间及所述部件与管道之间的接合产生粗糙度、有缺陷或者不规则的焊接线、方向和/或斜度的急剧改变等，其结果是形成不希望有的死角。这引起一种不希望有的现象，亦即形成滞流区域，或者在任何情况下都发生流体流动变慢的区域，与其相对应各个混合的产品可能经历降解(尤其是，视所处理的流体的性质而定，粘度减小或增加、及其其它理化性质或化学结构本身的改变)，同时造成从处理混合的产品所得到的最终产品有缺陷的危险和损坏。这些质量变差当然比没有静态混合器时产生的质量变差低得多的定量水平，但遗憾的是它们可能由于在最终产品中存在点状缺陷而得到同等严重的后果，此处它们常常是显而易见的，并可能因此降低产品的质量。

在最后一代静态混合器中，试图通过混合器的内部结构来克服这个问题，将所述混合器的内部结构如此成形，即通过预定的间隙与管道壁分开，以减少接合区和随之形成的、可能的流体静滞区的总数。这种方法有效地得到减少点状缺陷的优点。然而，因为混合作用由此都在最需要的地方，亦即管道壁附近被排除掉，所以这类装置的效果较小，因此为了达到同样程度的最终均匀性，需要采用比在其中产生混合的结构扩大到管道内壁的那些混合器更长的静态混合器。

因此，本发明的目的是消除已知类型静态混合器的所述缺点，同时提供一种流线静态混合装置，所述静态混合装置由于各部件之间没有不连续性、角度和锐边、焊接线、接头或其它安装缺陷，所以十分有效，而同时能防止在流体穿过装置的路线中形成死角。

本发明的另一个目的是提供一种特别简单而有效的制造任何形状和几何结构的静态混合器的方法，同时避免在其结构中的不连续性、角度和锐边、焊接线、接头或其它安装缺陷。

按照本发明，所述目的通过具有所附从属权利要求书中所述特点的静态混合器和通过制造所述静态混合器的方法完全可以达到。

本发明的另一些特点和优点在任何情况下都从下面按照本发明所述的静态混合器的优选实施例的说明看得更清楚，所述优选实施例纯粹是提供作为非限制性例子并在附图中示出，其中：

图1是按照本发明所述的静态混合器的第一实施例的示意透视图；

图2是图1的混合器沿着轴向平面剖视的透视图；

图3是按照本发明所述的静态混合器的第二实施例的示意透视图；

图4是图3的混合器沿着轴向平面剖视的透视图；和

图5是按照已知技术所述的静态混合器的透视图。

在附图中，标号1表示按照本发明所述的静态混合装置。装置1包括外圆柱形部分2，该圆柱形部分用来形成供待混合的流体物质在其中流动的管道的一部分，并且能够加入到所述管道中或者通过所述已知方法与管道相关联，装置1还包括内部三维结构3，所述三维结构3包括多个带平面或弯曲表面的元件，所述元件具有不同的形状、位置和角度，所述多个元件总体能在所述管道2内流动的流体中产生高度湍流和搅动，以便达到各个流体流线的快速而充分的混合。按照本发明的基本特点，形成混合器的内部结构3的各个元件相互并与外部圆柱形部分2形成圆角，同时没有不连续性和没有机械连接，因此形成一整体块体。

为了达到这种结果，静态混合器1通过选择性激光烧结法形成若干连续的层来制造，所述选择性激光器烧结法通常简称为SLS法。首先，利用CAD(计算机辅助设计)软件或类似程序，通过处理器绘制静态混合器1的三维图，尤其是混合器1的内部结构3的图。在第二步中得到成品，从合适的粉末化合物开始，通过烧结法，尤其是通过选择性应用激光束，所述激光束使所述粉末化合物的各连续的层部分熔化，所述激光束由处理器按照静态混合器各对应的连续分段的不同图导引，所述每个分段的图都是从所述总体三维图中连续地得到。应该注意，就是由于应用特殊的制造方法，因此所形成的静态混合器1在各元件或部件之间完全没有焊接线、钎焊线或其它类型接合，因为它由粉末烧结产品组成，并因此能得到内部结构3和外部圆柱形部分2之间的完美连接，亦即连接没有任何不连续性，所述不连续性会引起形成其中流动停滞的临界区。

应该注意，SLS法本身已知相当长时间，并广泛地尤其是例如在航空或医药工业中用于制造模具、样机或者还有单独的部件。

实际上，还有人提出用这种技术来制造静态混合器的平面元件(DE 20206371U)，例如具有平面通道的静态微混合器的混合室(WO0078438)。然而，从这些文献中未能教导或提出有关用SLS法用于在没有机械连接和不连续性的情况下以单件制造还包括弯曲表面的静态混合器及包含弯曲表面的圆柱形元件。

在制造本发明的静态混合器1的方法中，按照最终产品的机械性能，可以采用热塑性聚合物和金属产品二者作为粉末化合物；在采用金属产品例如钢微球的情况下，这些金属产品必须事先涂敷一层热塑性聚合材料或者低熔点金属，例如含有铜、锌和锡基的合金，它们的部分熔化使烧结法变成可能。

从金属粉末用SLS法烧结所得到的静态混合器稍后可以用熔化的金属或合金通过毛细作用经受热渗透，或者可以进行热处理，以使所得到的烧结稳定。

当静态混合器的专门应用使它难以使用铜基合金时(例如在制铁具有酸性PH值的食品情况下，该食品可能使铜进入溶液)，还是能通过联合法得到具有所述特点的静态混合器，所述联合法就是应用SLS法和随后的“失蜡”铸造法。尤其是，产品起初是通过SLS法制造，但使用具有较低熔点的专用合成的粉末材料(例如市场上通称为CastForm的产品)。这样得到的产品然后优选的是经受普通铸造采用的蜡渗入，然后再浸入液体陶瓷材料浴中，直至陶瓷材料完全充满产品的空的区域，和随后再进行热处理(当然在比其熔点低的温度下)，直至陶瓷材料的硬化完成为止。那时将炉温增加到高于在制备原始形状时所用的合成材料和蜡的熔化温度，以便使其熔化并留下产品的陶瓷阴模，然后利用所述阴模通过铸造适合于专门应用的熔融金属，例如不锈钢来制造部件。

最后，可以在静态混合器1的内表面上，亦即在与待混合的流体处于工作接触的表面上，涂敷一修饰涂层，通过所述涂敷修饰涂层，能使产品具有低摩擦作用或耐磨性的特定特点、或者其它特殊的理化特性。所述涂层可以包括塑料材料如PTFE(聚四氟乙烯)，或者金属材料如镍，所述金属材料通过由溶液中的盐化学沉积涂敷。

另外，本发明的目的是静态混合器1的制造方法，所述混合器可以加入到管道2中或者可以与所述管道2相关联，用于混合在这种管道中流动的流体。这种方法提供粉末形式产品的烧结步骤，以便得到一种包括外圆柱形部分和内混合结构3的静态混合器，所述混合结构3整体形成、同时没有不连续性、焊接/钎焊线或机械连接。所述烧结步骤按照SLS法进行，亦即它提供使激光束选择性的作用在被连续涂敷的所述粉末材料层上。

尤其是，烧结步骤提供烧结用塑料材料例如聚酰胺(尼龙)制成的产品或者用金属材料例如钢制成的产品。在这后一种情况下，金属材料必需有外部塑料或者低熔点的金属涂层，并且烧结步骤之后可以接着进行通过毛细作用的渗入步骤，以便得到用复合材料，如渗青铜的不锈钢制成的最终产品。可供选择地，和如上所述，烧结可以用具有低熔化温度的合成粉末材料进行，以便然后制造中间陶瓷模具，和然后通过失蜡铸造法制造具有高熔化温度的最终金属材料产品。

烧结步骤包括使激光束作用在多个工作面上的连续烧结步骤(按照SLS法教科书中本身已知的方式)。因而，混合器包括多层(与所述多个连续的烧结步骤相对应)，所述多层按照一设定的方向，亦即烧结法的前进方向并置。在SLS法的标准应用中，提供了每个临时工作面(激光束每次都按烧结步骤的顺序作用于其上的工作面)都垂直于由烧结所产生的混合器的纵向轴线。然而，在按照本发明所述的烧结步骤中，采用使各层采用不同取向的烧结法是可能的和有用的，这种烧结法就是使各层依照与制造的混合器的纵轴线成0°～90°之间的任一角度，并依照使制造过程和使混合器内的流体动力条件达到最佳化来取向。实际上，因为SLS烧结法会在原型产品中的各连续层之间留下细线，所以可以如此安排这种线，即使它正面地影响混合过程。

另外，所述方法在烧结步骤之后提供经过烧结的混合器1的热处理步骤，因此使烧结稳定，或者以便达到通过毛细作用将金属材料渗入到所述结构的多孔部分中。渗入例如可以简单地通过将经过烧结的产品引入到炉中，与一金属块优选的是青铜块接触，以便当所述金属熔化时，可以通过毛细作用渗入到烧结制品的孔中来达到目的。所述热处理或者渗入步骤能使混合器更坚固而均匀，同时消除或减小了间隙和孔隙度。

方法最后还提供一种可能的步骤，所述步骤即使有也是在烧结步骤之后和在热处理/渗入步骤之后，被用来将涂层涂敷到混合器的内表面上。尤其是，所述涂敷步骤提供金属盐溶液化学沉积步骤，即化学沉积在混合器与待混合的流体实现工作接触的表面上，或者提供金属盐溶液电化学沉积步骤。作为所述金属涂层的可供选择的方案，或者除此之外，涂敷步骤通过塑料材料粉末的熔化步骤、或者混合器在热塑性液体混合物中或在包括热固性塑料材料的溶液中的浸渍步骤，来提供具有塑料材料的涂层。

所述表面涂层可得到与原型烧结部件不同的光洁度，并因此使与流体接触的表面得到特殊的理化特性，按照与流体的可能化学相互作用或增大的耐磨性，所述接触的表面会被最佳化。

对某些应用的类型来说，也许必要或优选的是混合器内壁的表面没有SLS制造法所特有的典型平行线或者至少是所述平行线的高度显著地更低。这种结果是可以通过在本发明的方法中加入使混合器内表面变光滑的步骤，所述步骤优选的是仅在修饰涂层步骤之前进行。

所述变光滑步骤可以用化学方法或机械方法进行。在化学方法情况下，使酸性溶液在静态混合器内部流动足够长的时间以便得到必要的光滑度，所述酸性溶液具有与食品用不锈钢管的化学抛光中通常使用的溶液类似的成分。在第二种情况下，优选的机械变光滑的方式-同时考虑所包括的几何形状的高度复杂性-可通过在机器中，优选的是在闭路型机器内完成的喷砂法得到，所述喷砂法是将与磨料砂子混合的高速压缩空气喷射到静态混合器中。有用的是，应该注意，在所述两种情况下，变光滑过程是流体动态过程。因此确切地说那些区域自动地变光滑到更高的程度，更高度光滑的这些区域以后将经受在流动速率或速度方面更强烈的工作液体流。

总之，本发明提供一种没有尖锐的拐角和边缘、间隙、粗糙度和其它缺陷的静态混合器，所述缺陷在工作条件下会引起待混合的流体流动的死角。应用SLS烧结法来制造静态混合器能得到所有列举的优点，同时克服已知类型静态混合器的缺点，不管其内部混合结构3的几何形状如何，所述内部结构3可以仅按照待混合的化合物的流体动力学要求采用任何形状或安排。

实际上，将混合器烧结成整体部件，即由外面圆柱形部分和里面混合结构形成的三维体在没有间断、焊接线、钎焊线和机械连接的情况下相互连成一体一方面能省去安排以后要装配的单独部件，而安排这些部件会引起缺陷、角度、边缘和不连续性；另一方面能具有延伸到管壁的内部混合结构，从而，确切地讲，在流动势必放慢和具有层流趋势的区域内会实施混合和湍动作用。

最后，按照本发明所述的静态混合器的显著优点是能按照单独顾客要求定做制造。实际上，在按照本发明所述的制造方法中，在准备三维混合器图纸的步骤及其制造的步骤之间没有中间工业步骤。因此这允许有很高的制造灵活性，因此能为每种特定应用提供合适性能的静态混合器，因而与已知技术明显不同，已知技术只是把很有限的类型的混合器投放到市场上，迫使用户从中选择，同时放弃按其具体应用对混合器设定的既定优化。

按照本发明所述的混合器已经参照附图所示的两个具体的实施举例说明；然而，很显然，本发明一点也不限于这些仅作为例子提供的实施例；本发明的保护范围仅由所附权利要求书的内容限定。

Claims (17)

1.一种静态混合器，这种类型的静态混合器能够引入到管道中或者与所述管道相关联用于形成所述管道的一部分，以便在不用旋转部件的情况下以均匀的方式混合在管道中流动的流体，其特征在于，所述静态混合器包括外部圆柱形部分(2)和内部混合结构(3)，该内部混合结构(3)包括多个元件，所述多个元件具有平面的或弯曲的表面，并被不同地设置，且与流动方向形成角度，所述内部混合结构(3)和所述外部圆柱形部分(2)通过激光烧结连续的粉末材料层而形成圆角并被相互连接，同时没有中断或机械连接点。

2.如权利要求1所述的静态混合器，其中，所述外部圆柱形部分(2)在其相对端处具有将其连接到所述管道上的装置。

3.如权利要求1所述的静态混合器，其中，所述粉末材料是聚合物材料。

4.如权利要求1所述的静态混合器，其中，所述粉末材料是用热塑料材料或低熔点的金属材料构成的外层涂覆的金属材料。

5.如权利要求4所述的静态混合器，其中，经过烧结的粉末材料的孔用低熔点金属材料填充。

6.如权利要求1所述的静态混合器，其中，所述粉末材料是低熔点合成材料或蜡材料。

7.如上述权利要求中任一项所述的静态混合器，还包括在其内表面的至少一部分上的金属或塑料材料涂层。

8.如权利要求3所述的静态混合器，其中，所述聚合物材料是聚酰胺。

9.如权利要求4所述的静态混合器，其中，所述粉末材料是用热塑料材料或低熔点的金属材料构成的外层涂覆的钢。

10.如权利要求5所述的静态混合器，其中，所述低熔点金属材料是青铜。

11.一种制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，所述静态混合器能够引入到管道中或与所述管道相关联以形成所述管道的一部分，以便在不使用旋转部件的情况下，以均匀的方式将送到管道中的两种或更多种流体混合，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a)准备由计算机处理的混合器的三维图，所述混合器包括外部圆柱形部分(2)和内部混合结构(3)，所述内部混合结构(3)包括多个元件，这些元件具有平面的或弯曲的表面，而所述元件被不同地设置，并与流动方向形成角度，其中，所述内部混合结构(3)和外部圆柱形部分(2)形成圆角并相互连接，而没有中断；

b)根据所述三维图的相应的连续平行的分段的不同图，通过用连续层激光装置来烧结粉末材料而形成所述混合器，所述粉末材料是具有低熔化温度的合成和/或蜡材料；

c)使上述混合器经受普通铸造采用的蜡渗入；

d)将由低熔点的材料形成的静态混合器浸渍在液体陶瓷材料浴中，直至所述陶瓷材料完全充满所述混合器的空的空间；

e)在比低熔点的材料熔点低的温度下热处理如此得到的产品，直至陶瓷材料完全硬化；

f)在比低熔点的材料熔化温度高的温度下热处理如此得到的产品，直至所述低熔点材料完全熔化；

g)利用这样得到的中空陶瓷铸件作为模具，以便得到由高熔点金属制成的静态混合器。

12.如权利要求11所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，其中，所述连续的平行的分段的共同轴线与所述静态混合器的纵向轴线形成一角度，所述角度在0°和90°之间。

13.如权利要求11或12所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，还包括以下步骤：

-将经过烧结的粉末材料进行热处理以使它稳定。

14.如权利要求11或12所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，还包括以下步骤： 

-通过流体动态磨料处理使静态混合器的内表面变光滑，以消除由于SLS法所产生的平行线，或者减小其高度。

15.如权利要求14所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，其中，所述流体动态磨料处理通过用于化学抛光的酸性溶液进行。

16.如权利要求14所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，其中，所述流体动态磨料处理用含有研磨砂混合物的高速压缩空气流进行。

17.如权利要求11或12所述的制造由高熔点金属材料构成的静态混合器的方法，还包括以下步骤：

-通过下述处理用金属或塑料材料涂覆混合器的内表面的至少一部分：由金属盐溶液化学沉积，由金属盐溶液电化学沉积，熔化塑料材料粉末浸渍在液体热塑性混合物中，或者浸渍在包括热固性塑料材料的溶液中。 

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