CN102861522A - 静态式混合元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于装配到空心体(10)中的静态式混合元件，包含多个接片元件，其中，设置有包括至少一个接片元件(3)的第一组件(21)，其相对于包含至少一个第二接片元件(4)的第二组件(31)交叉式地布置。第一组件(21)和第二组件(31)相对于主流动方向夹成不等于0°的角。第一组件与第二组件夹成大于0°的角。在第一组件(21)和第二组件(31)的至正交于主流动方向而放置的投影平面的投影中，在彼此相邻的接片元件之间至少部分地存在有间隙。

Description

静态式混合元件

本申请是申请日为2008年6月10日、申请号为200880021521.8、发明名称为“静态式混合元件”的原申请的分案申请。

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的静态式(statisches)混合元件(Mischelemement)。本发明还涉及一种包含此类混合元件的静态式混合器(Mischer)。

由根据文件CH 642 564的现有技术可知一种静态式混合装置(Mischvorrichtung)，其包括管状的壳体且包含至少一个布置在其中的混合元件。该混合元件由相互交叉的(kreuzenden)、相对于管轴线具有一定角度的接片(Stegen)构成。混合元件的接片分至少两组地布置。一组的接片大致上平行地定向。一组的接片与另一组的接片相交叉。

文件DE 44 28 813示出了一种静态式混合装置，不同于文件CH642 564，其具有这样的交叉的接片，这些交叉的接片在交叉点的区域中重叠(ueberlappen)。接片(其在文件DE 44 28 813中构造成钢板条)的局部的加宽部(Verbreiterung)用于加固和/或形成相邻的接片的形状配合的(formschluessigen)连接。加宽部中切割出槽，该槽容纳相邻的钢板条。

文件EP 0 856 353 A1示出了一种模块，其为静态式混合设备的一部分，该静态式混合设备被设置用于停留时间紧要的、可塑性流动的混合物(Mischgut)。该设备包括管状的壳体，在其中布置有接片。接片相对壳体的纵轴线倾斜；它们大致上在垂直于纵轴线的直线上交叉。该模块包括可插入到壳体中的套筒(Huelse)。静态式混合设备的引导该混合物的内壁由套筒的内侧形成。接片构造成棘状(dornartig)，各带有对着混合物的运动方向而指向的顶部和固定在套筒内侧处的基部。每个顶部相对于设备的内壁形成间隙。

根据1979年的文件CH 642 564的混合器的开发描述了用于层状地流动的(laminar stroemende)介质的静态式混合技术的出乎意料的改进。从那时起，这种混合器经受住了考验，并且，其在非常广的带有绝大多数为高粘性的介质的应用的领域中成功地被使用。在随后的将近30年中，总试图改进这种混合器。尽管花费巨大，但仅有微小的改进可被获得。例如，在文件US 6 467 949 B1中保护了一种带有经更改的凹形的接片横截面的、经修改的混合器。独立的测量(M.Heniche，P.A.Tanguy，M.F.Reeder，J.B.Fasano，AIChE杂志，51卷，2005年一月)得出了针对这种经修改的静态式混合器相对于现有技术的、在压力损失(Druckverlust)和混合效率(Mischeffizienz)方面的仅较轻微的区别。在另一篇最近发表的作品中(S.Liu，博士论文，McMaster大学，2005年)研究了大量的、根据文件CH 642 564的现有技术的、用于借助于不同的技术来改善混合效率和压差的修改。在该作品中，同样测量了根据文件US 6 467 949 B1的混合元件。Liu在相同的或略差的混合效率下获得了减小了15％的压差。此外，通过接片横截面的进一步的改变，Liu在降低了7.5％的压力损失的情形下实现了与根据文件CH 642564的混合器相比略微更好的混合效率。关于与根据文件CH 642 564的混合器相类似地构建成的静态式混合器的混合特性的改进和研究的作品中的这些例子表明，至今未能在层流式(laminarer)混合器的混合效率和压差方面实现显著的改进。

令人惊讶地发现了这样的静态式混合元件——对于其而言，上述结论并不适用，甚至，相反的结论是合乎实际情况的。在通过根据本发明的混合元件而获得的近似的或改善的混合效率下，利用根据本发明的混合元件观察到的显著的压差的降低是一种技术的突破。

本发明的目的在于，对于所提及的静态式混合器作出改进，以此可在可比的或改善的混合效率下实现更小的压力损失。

该目的通过在下面被定义的静态式混合元件来实现。

根据本发明的静态式混合元件具有宽度尺寸(Breitenabmessung)Db且适合于装配到带有大致上相同的宽度尺寸Db的空心体(Hohlkoerper)中。该静态式混合元件包含多个接片元件(Stegelementen)，其中，第一组件(Anordnung)包含至少一个第一接片元件，其相对于包含至少一个第二接片元件的第二组件交叉式地(kreuzweise)布置。该第一组件和该第二组件相对于主流动方向(Hauptstroemungsrichtung)夹成不等于0°的角。该第一组件与该第二组件夹成大于0°的角。在该第一组件和该第二组件的至投影平面(其正交于(normal zu)主流动方向而放置)的投影中，在彼此相邻的接片元件之间至少部分地存在有间隙。沿混合元件的宽度尺寸Db的方向所测量的接片元件的宽度H的相对总和(relative Summe)z小于混合元件的宽度尺寸Db的95％。

进一步的特征涉及静态式混合元件的以及包含根据本发明的混合元件的静态式混合器的有利的实施形式。

主流动方向优选地位于在其中容纳有该混合元件的空心体的纵轴线的方向上。通过第一组件和第二组件形成了交叉部位(Kreuzungsstelle)，在其附近可布置有间隔元件(Abstandselement)。间隔元件可构造成至少一个接片元件的局部的加厚部(Verdickung)或加宽部。在投影平面中的接片元件的数量可为4至10个。有利地，设置有每组件至少2个接片元件。第一接片元件和第三接片元件是位于第一平面中的接片元件的第一组件的部分。第二接片元件和第四接片元件是位于第二平面中的接片元件的第二组件的部分。第一组件的接片元件中的至少一部分可布置在相对于第一平面错置地(versetzt)布置的第三平面中。备选地或作为对此的补充地，第二组件的接片元件中的一部分可布置在第四平面中，其中，该第四平面相对于第二平面错置地布置。接片元件具有宽度(H)。投影平面中的接片元件的宽度(H)的总和(∑Hi)与空心体的直径(D)的比通过在下面所定义的参量z来确定。该参量z尤其地小于95％，优选地小于85％，尤其地小于75％，特别优选地小于65％。静态式混合装置包括静态式混合元件以及空心体或套筒，用于容纳该静态式混合元件。静态式混合元件可在空心体或套筒处被固定，其中，静态式混合元件和空心体或套筒可由单个构件构成。

静态式混合元件可在该第一平面与该第二平面的交截线(Schnittlinie)的区域中和/或在接片元件的端部中的至少一部分端部的区域中在套筒或空心体的内壁处被固定。

根据前述实施例中任一个实施例的静态式混合元件的优选的应用针对层状地流动的介质、尤其是聚合物熔液(Polymerschmelzen)或其它高粘性流体而进行。

下面借助图纸对本发明进行说明。其中：

图1显示了根据现有技术的静态式混合装置，

图2显示了按照第一实施例的根据本发明的静态式混合元件的视图，

图3显示了根据本发明的静态式混合元件的第二实施例，

图4显示了根据本发明的静态式混合元件的第三实施例，

图5显示了相对于现有技术文件CH 642 564的、在各种不同的设计变型中的根据本发明的混合元件的压差和混合效率的效果的对照的图形表示，

图6显示了带有间隔元件的交叉区域的细节，该间隔元件带有局部的加厚部和加宽部。

图1示出了四个混合元件，这些混合元件一个接一个地布置在空心体10中。相继的混合元件2绕着充当转动轴线的空心体轴线8相对于彼此转过一90°的角。穿流过空心体10的流体的主流动方向位于空心体轴线8的方向上。每个混合元件包括接片元件(3，4)的组件，它们布置在相交叉的两个平面(5，6)中。此处，接片元件的组件指的是一定数量的、大致位于一个平面中的接片元件。第一平面5包含接片元件3的第一组件21，第二平面6包含接片元件4的第二组件31。第一和第二平面(5，6)布置成彼此呈一定角度，以使得接片元件3的第一组件21与接片元件4的第二组件31相交叉。相邻的接片元件如此地并排地(nebeneinander)放置，即，使得接片的宽度(H)的总和与管直径(D)相同。即，在这种情况下，接片元件直接地彼此邻接。根据该实施例，在流体分子沿着主流动方向而流动的理想化的假设下，每个流动的流体分子撞击到接片元件上。由此，每个接片元件扮演了针对流动的流体分子的障碍，以使得，在流体分子撞击到接片元件上之前，发生流体分子的偏转。因此，在静态式混合元件的内部，如下假设，即流体分子在主流动方向的方向上流动，不再合乎实际情况。通过流体分子的自该主流动方向的偏转，实现了流体流的混匀。从中得出，伴随着增大的自该主流动方向的偏转，混合效果应当被改善。但是，流体分子的自该主流动方向的增大的偏转通常意味着提高的压力损失。

由于如下一点是已知的，即，当穿流横截面尽可能无障碍时，压力损失会减少，所以，看起来显而易见的是，避免流动中的障碍，以便降低压力损失。但是那么则可预料到在相同的混合路程后的较差的混匀，因为，根据迄今为止的观点，流体元素穿流过如此所形成的缝隙，而并不显著地偏转，也就是说，大致上跟随该主流动方向，而不与其它的流体分子相混合。令人惊讶地，发现了根据图2的接片元件的组件，对该组件而言，上述结论并不正确。根据本发明的、用于装配到空心体10中的静态式混合元件2包含多个接片元件。第一接片元件3和第三接片元件13相对于第二接片元件4和第四接片元件14交叉式地布置。第一接片元件3和第三接片元件13形成了接片元件的第一组件21。第二接片元件4和第四接片元件14形成了接片元件的第二组件31。

接片元件可例如设计为管或板状、盘状或梁状的元件。接片元件的横截面可为无棱边的，举例而言，具有圆形形状或椭圆形状的横截面。横截面可包含棱边，也即，举例而言，具有矩形的或菱形的横截面。棱边之间的连接线可为直的或弯曲的，尤其是凸形的或凹形的，这在例如在文件EP 1 305 108 B1中被实现。接片元件可至少部分段地从所属的组件中突出，例如具有波浪形的结构。在这种情况下，之前所描述的组件的平面理解为中间平面(mittlere Ebene)。

进一步，接片元件也可在组件的方向上，也即，在相应的平面中，或与中间平面平行地，具有不规则的结构，例如波浪形的表面。在这种情况下，接片元件的宽度H定义为在接片长度上取平均的接片元件的宽度。在一组件内，各个接片元件同样无需彼此平行地伸延，而是，其可以相对于同一组件的其它的接片元件具有一定角度。

本发明令人吃惊的效应在所例举的接片元件横截面中的每一个和接片元件形状中的每一个上出现，也即，很大程度上与接片元件的横截面和形状无关。如果将两个组件21和31投影到放置成正交于主流动方向(即，正交于包裹着的空心体10的纵轴线8)的平面上，则根据图1的组件21和31的接片元件在投影中彼此齐平地放置，也即，在如此被投影的接片元件之间看不到间隙。相反，如果在根据图2至图4的实施例中的一个上进行相同的投影，则在接片元件之间存在有这种间隙。

图2示出了穿过空心体10的径向断面，在该径向断面中，恰恰该接片元件3，13和/或接片元件4，14的这种投影被示出。接片元件在该示图中具有宽度(H)，并且具有彼此之间的间隔(a)，其中，宽度(H)，以及相邻接片的间隔(a)根据该尤其有利的实施例为相同的。本发明的令人惊讶的效应在间隔(a)及/或宽度(H)彼此不相同时同样会出现。

图3示出了根据本发明的混合元件的第二实施例。在此，多个接片元件在如下情况下形成接片元件的组件，即，当组件的所有接片元件大致位于相同的平面中时(如在图3中示出的那样)，或者，当所有的接片元件位于大致平行、但是在纵轴线的方向上轻微错置的平面中时(如在图4所示出的那样)。依照根据图3的实施例，一接片元件的组件包括两个或三个接片元件。在这种情况下，位于平面5中的接片元件的第一组件21包括两个接片元件3，13。位于平面6中的接片元件的第二组件31包括接片元件4，14，24。通过第一和第二组件伸展出了交叉的两个平面5，6。第一和第二平面5，6彼此呈一定角地布置，以使得位于第一平面5中的接片元件与第二平面6的接片元件相交叉并构造出交截线7。

根据图2，对与空心体的直径相比的接片元件宽度(H)的相对总和z来说，有：

$z=\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Hi}\right)/D$

如果接片元件的宽度全部相同，对z而言适用的是：

z＝N＊H/D，

其中，N为第一组件21和第二组件31的接片元件的总数。优选地，组件的最靠外的接片元件靠在空心体的内壁处，或者至多具有至内壁的仅较小的间隔。

空心体的直径在此尤其针对带有圆形横截面的空心体而被陈述。该空心体同样可拥有椭圆形的，多边形的，尤其是矩形的或正方形的横截面。那么，对z而言，代替直径而使用宽度尺寸Db，对该宽度尺寸Db而言，适用如下关系式

$\mathrm{Db}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Hi}+\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ai}$

或，如果接片元件的宽度和间隔分别为相同的，

Db＝N＊H+(N-1)＊a.

那么，与上面相同地，下式同样地相应地适用于z：

z＝N＊H/Db.

在忽略加工及装配公差的情况下，空心体的宽度尺寸Db大致与混合元件的宽度尺寸Db相符。根据本发明，在任何情况下，z＜95％，优选地，z＜85％，尤其地，z＜75％，特别优选地，z＜65％。同时，根据本发明，相交叉的两个组件的接片元件的投影到垂直于主流动方向的平面上的面积的总和同样在任何情况下小于平面的总的横截面积的95％，优选地小于总平面的85％，尤其地小于总平面的75％，且尤其优选地小于总平面的65％。优选地，接片元件的数量N最小为4且最大为10。该式中并未考虑通常的加工公差和装配公差。如果接片元件不接触空心体的内壁，则多个的完全预制的混合元件的装配和拆卸可更简单地被实现。混合元件的可能的热膨胀可以在运行期间尽可能不受阻碍地进行。根据流动的介质和混合元件的构造方面的设计，如果接片元件直接与空心体的内壁相连接，则在边缘区域中可能形成死区(Totzonen)。出于这个原因，以下这点可能是有利的，即，在空心体的内壁与接片元件的至少一部分之间设置有微小的间隔，就如已在文件EP 0 856 353 A1阐述的那样。

另一实施例在图4中示出。与图3有所不同，现在，并非第一组件21的所有的接片元件(3，13，23)都位于一平面5中，而是，接片元件中的一部分位于大致上平行但是在纵轴线的方向上至少轻微地偏移的平面5’中。

在一项花费昂贵的研究中，系统地改变描述了该静态式混合元件的几何参数并对所得到的有关压力损失和混合效率的混合器的性能进行评价。

为了能够在压力损失方面将不同长度的静态式混合器彼此作比较，在该优化中计算了每混合器长度的(pro Mischerlaenge)压力损失。

在平面A中的混合品质(Mischguete)借助于变化系数CoV来描述。该变化系数定义为利用A中的浓度的平均值

来标准化的A中的浓度分布的标准偏差。

$\mathrm{CoV}=\frac{\sqrt{\frac{1}{A}\underset{A}{\∫}{(c-\stackrel{\‾}{c})}^2\mathrm{dA}}}{\stackrel{\‾}{c}}$

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{1}{A}\underset{A}{\∫}\mathrm{cdA}$

在混合较好时，CoV较小。为了不同的混合器的比较，在位于混合器前的相同的分布且由此同样相同的CoV下、在预定的混合器长度上确定变化系数CoV的降低；那么，在该预定长度之后具有较小的CoV的混合器可更强烈地或更好地进行混合。

该研究的结果显示，在交叉的接片元件之间具有间隔(a)的混合元件具有显著更良好的性能。间隔(a)优选地大约与接片元件的宽度(H)大小相同。因此，在相同的和/或有所改进的在预定长度之后的混合品质的情形下，在相同的流量和流动横截面下的压力损失相对于现有技术可显著地降低。在相同的混合品质或甚至更好的混合品质下，压力损失降低2/3是可能的。

在图5中，以与根据文件CH 642 564的现有技术相比较的方式，示出了该研究的、有关不同的实施变型中的根据本发明的混合元件的在预定的混合器长度之后的混合品质以及每混合器长度的压力损失的结果。此处，在横坐标上绘制了相对于现有技术的压力损失的压力损失，而在纵坐标上绘制了在预定的混合器长度之后的、相对于现有技术的在该相同的混合器长度之后的混合品质的混合品质。单独的点19与根据现有技术的相对的压力损失和混合品质的数值对相对应。在该视图中，数值对被标准化到(1，1)上，相应地，根据本发明的相对的压力损失位于根据现有技术的压力损失的20％和80％之间。预定的混合器长度之后的CoV位于根据现有技术的值的75％和125％之间。由此，曲线20的走向清楚地示出，尽管压力损失显著地更小，仍可获得混合品质的甚至重大的改善、尤其是在75％和100％之间的Cov。对此，此处需再次注意到，相应于上文的定义，更小的CoV代表更好的混合品质。通过合适的设计，相对压力损失可以多于现有技术的压力损失的2/3的程度而下降。在其它的变型上，相对于根据文件CH 642564的现有技术，在预定的混合器长度之后的混合品质可以达20％的程度而改进，其中同时地，相对于根据文件CH 642 564的混合器，可获得至超过50％的压力损失的降低。在图3中所绘出的混合元件对应于图表中的这样的点，即该点带有比现有技术小约60％的压力损失、同时带有在相同的混合器长度之后的改进了20％的混合品质。

依照根据图3和图4的实施例，间隔元件(15，16)至少部分地布置在相邻的接片元件之间。借助于间隔元件可使接片元件的安装成为可能或变得简单。此外，间隔元件可用于提高静态式混合元件的稳定性。此处，间隔元件可为独立的构件，其可例如通过焊接与接片元件相连接，或者，同样可以局部的加厚部或加宽部的形式而被实施。关于接片元件的壁附近区域中的这种类型的加宽部的例子在图6中示出。

在图6中示出了带有呈局部的加厚部和加宽部的形式的间隔元件15，16的两个接片元件3，4的交叉区域的细节。这种加厚部用于该两个接片元件的彼此的连接。这种加厚部大致局限于交叉区域上。由于加厚部16仅为接片元件的局部的连接，所以其至多对于该流动产生微小的影响。

Claims (15)

1.一种静态式混合元件，其具有宽度尺寸Db且适合于装配到带有大致相同的宽度尺寸Db的空心体(10)中，由所述空心体的纵轴线确定主流动方向，其中，所述静态式混合元件由第一组件(21)和第二组件(31)构成，其中，所述第一组件(21)具有至少一个第一接片元件(3)，所述第二组件(31)具有至少一个第二接片元件(4)，其中，第一组件(21)相对于第二组件(31)交叉式地布置，且所述第一组件(21)和所述第二组件(31)相对于主流动方向夹成不等于0°的角，并且，所述第一组件(21)与所述第二组件(31)夹成大于0°的角，其中，在所述第一组件(21)和所述第二组件(31)的至正交于主流动方向而放置的投影平面的投影中，在第一接片元件(3)和第二接片元件(4)之间至少部分地存在有间隙。

2.根据权利要求1所述的静态式混合元件，其中，第一接片元件(3)和第二接片元件(4)相邻地布置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的静态式混合元件，其中，第一接片元件(3)和第二接片元件(4)具有流入侧表面和流出侧表面，流入侧表面被第一纵边、第二纵边、第一宽边和第二宽边限定。

4.根据权利要求3所述的静态式混合元件，其中，第一纵边相距第二纵边具有一间隔，在垂直于主流动方向的法向平面上测量，该间隔规定了接片元件的宽度。

5.根据权利要求4所述的静态式混合元件，其中，由第一法向平面确定的接片元件宽度不同于由第二法向平面确定的接片元件宽度，其中，第一法向平面不同于第二法向平面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的静态式混合元件，其中，同样在垂直于主流动方向的法向平面的投影中，在第一接片元件的右纵边与第二接片元件的左纵边之间保持有一间隙。

7.根据权利要求6所述的静态式混合元件，该静态式混合元件具有波浪形表面，从而所述间隙具有变化的间隙宽度。

8.根据权利要求3-7中任一项所述的静态式混合元件，其中，至少一个第一或第二纵边具有弯曲部。

9.根据权利要求8所述的静态式混合元件，其中，所述弯曲部是凸形的或凹形的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的静态式混合元件，其中，至少一个接片元件至少局部地突出于所属的组件。

11.根据权利要求10所述的静态式混合元件，其中，所述接片元件具有波浪形结构。

12.根据前述权利要求中任一项所述的静态式混合元件，其中，流出侧表面基本上平行于流入侧表面。

13.根据前述权利要求中任一项所述的静态式混合元件，其中，流入侧表面相距流出侧表面具有一间距，该间距规定了接片元件的厚度。

14.根据权利要求4-13中任一项所述的静态式混合元件，其中，每个接片元件都具有平均宽度H，其中该平均宽度是由不同的法向平面确定的宽度的平均值，且沿所述混合元件的宽度尺寸Db的方向所测量的所述接片元件的平均宽度H的相对总和z小于所述混合元件的宽度尺寸Db的95％。

15.根据权利要求1所述的静态式混合元件，其中，所述主流动方向位于在其中容纳有所述混合元件的空心体的纵轴线的方向上。

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