CN1720094B - 静态混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及静态混合器，其包括将待混合材料分成多股流束的混合组件，和用于将该组件组装成多层的装置，所述的混合器具有横向边缘、相对于横向边缘以一定的角度延伸的引导壁(guidingwall)和具有开口并相对于纵轴以一定角度设置的引导组件。从属于本发明静态混合器的混合组件(47a-47e；48a，48b；49a-49e)具有横向边缘(45)，其具有相邻的横向引导壁(55)，和配置在引导壁之间的至少两个具有侧向端截面(6，7；19，20)和至少一个底部截面(9，22)，在横向边缘(8，21)的一侧限定至少一个开口(10，23)，在横向边缘的另一侧限定至少两个开口(11，12；24，25)。除了高混合性能，这样的一种混合器具有低压力降和较少的死空间，因此比已知的混合器更有效。

Description

静态混合器
发明背景
本发明涉及静态混合器，其包括用来将待混合组分分离成多股流束的混合组件，和用于将该组件分层连接的装置，包括横向边缘和以相对于横向边缘以一定角度延伸的引导壁(guiding wall)，以及相对于纵轴以一定角度设置并设有开口的偏转组件。
现有技术
这种类型的静态混合器例如从US-A-5,581,067得知。该专利是US-A-5,994,419的进一步发展。这些参考文献公开了被分成多个具有间隔的柱(chambered strings)的混合器；根据第一个引用的美国专利，通过四个交替设置的通道形成四个具有间隔的柱，并且混合器还包括再分层的室。在第二个所引用的混合器中，公开的两个凸缘或可替代的彼此交叉的两对凸缘具有以使各底部截面板位于各开口上方的方式设置的通道。
虽然这种类型的混合器相对其长度能够实现对组分的更好混合，并且比使用混合螺旋结构的传统混合器表现出更小的压力降，但其包括较大的死体积，其中组分会凝固，从而导致对混合器的最终堵塞。
发明内容
基于这种现有技术的背景，本发明的目的是提供达到高混合效率并且减少死体积、减小压力降的静态混合器。通过下述静态混合器达到该目的，其中所述的混合组件包括横向边缘和后面的横向引导壁，并且至少两个引导壁终止于分离边缘，每个分离边缘具有侧向端截面并具有置于所述引导壁之间的至少一个底部截面，从而在所述横向边缘的一侧限定至少一个开口，并且在所述横向边缘的另一侧限定至少两个开口。
附图说明
下面将参照示例性实施方案的附图更详细地解释本发明；
图1以透视方式示意性示出本发明混合器的第一个示例性实施方案；
图2示意性示出混合前的起始位置；
图3示出相应的混合图；
图4示出混合操作的流动图；
图5示出处于逆流方向的图1的混合器；
图6示意性示出混合前图5的混合器的起始位置；
图7示出与图6相关的混合图；
图8示出混合操作中图5中混合器的流动图；
图9以透视方式示出本发明混合器的第二个示例性实施方案；
图10示出混合前的起始位置；
图11示出图9的混合器中混合操作的图；
图12示出图9的混合器中混合操作的流动图；
图13示出根据本发明的混合组件和现有技术中已知的混合螺旋结构的组合；
图14示出图9的替代实施方案的细节；
图15示意性示出本发明混合器的另一个示例性实施方案；
图16示出图15中混合器中混合操作的流动图；和
图17示出图15中混合器的放大细节。
具体实施方式
图1示出本发明混合器1的第一个示例性实施方案的细节，所述的混合器包括多个相同的混合组件2、2’和2”，它们彼此重叠，同时每一个连续的组件相对于纵轴旋转180°。混合外壳3示意性地示于一端。
沿流动方向观察，即从附图底部可见每个单独的混合组件2包括横向引导壁8’的横向边缘8，后面有相对其垂直延伸并包括互补的侧向开口11和12的两个端截面6和7，再后面是底部截面9和互补底部截面开口10，后者在两个引导壁4’、5’之间延伸，每一个引导壁终止于各分离边缘4、5，其中引导壁和纵向中心轴平行对齐。在本实施例中，端截面延伸超过分离边缘长度的一半。各开口、其横截面积和网的长度基本决定了混合器入口和出口之间的压力降。
混合组件2后面的混合组件2’包括同样的部件和结构，但是它相对于纵轴旋转180°重叠在第一混合组件2上。后面的混合组件也与混合组件2相同，一个接一个排列，同时每个纵向旋转180。流动方向用箭头13表示。
图2说明混合器入口处两个组分G和H的分布，每个组分供应自双筒(doublecartridge)容器或具有各自出口的分配器具，参见图13。在本实施例中，根据流动方向，混合器入口示于底部。在横向边缘8的任一侧进入后，组分G和H沿横向引导壁8’伸展，并被引导壁4’、5’分成三股，从而最终产生六股AG、BG、CG和AH、BH和CH，在混合器中可与各室DG、EG、FG；DH、EH、FH相连。
在进一步的分配过程中，六股流束到达后面的混合组件2’。在该过程中，在横向边缘的一侧，混合的和扩散的流束AG、BG和CG经过侧向开口11和12而移动，在侧向边缘的另一侧，扩散的流束AG、BH、GH经过底部开口10而移动，如图3所示意性示出。因此，在组件2的末端，根据图3的图示获得A1.G和C1.G与B1.G混合流束，以及A1.H和C1.H与B1.H混合流束＝A1.1和C1.1与B1.1混合流束，以及A1.2和C1.2与B1.2混合流束。到达第二混合组件2’后，混合流束扩散在侧向边缘的任一侧。
然后，混合的和扩散的流束A2.1、B2.1和C2.1经过侧向开口11和12向外移动，混合的流束A2.2、B2.2和C2.2通过底部开口10向内移动，如图3所示，由此这些流束再一次扩散。
在下一步骤中，移动沿其他方向发生，即流束A3.1、B3.1和C3.1向内移动，A3.2、B3.2和C3.2向外移动，同样如图3所示。另外，当进入后面的组件时，组分扩散在侧向边缘的两侧，随后再次移动，到达后面的混合组件。
混合组件的设置和构造导致混合过程的三个相序，其中组合物首先被分开，然后扩散并随后移动，仅在后续步骤中再次分开、扩散和移动。
这示于图4中，其中以三个阶段表示分开、移动和扩散的三个步骤。在图4的图中，分开用I表示，移动用II表示，扩散用III表示，而各混合步骤中的三个混合组件称作2、2’、2”。该图明确示出：在混合组件2中，两个组分G和H首先分成两股，并随后各自分成三股，即分成6股AG、BG、CG和AH、BH、GH，然后在一侧三股混合流束经过侧向开口移动，变成两股；在另一侧上另三股混合流束经过底部开口10移动，形成单股，然后再次扩散成三股混合流束。
在用于较大混合器的替代实施方案中，可以提供两个以上的分离边缘和引导壁，在两个组分的情况下其将材料分成6股以上，而底部各开口以相互偏离的各交替方向设置。另外，如同前面的实施例，提供了横向边缘，从而使各流束可以分成两部分。得到包含多于一个横向边缘和多于两个分流壁的混合组件的类似构造。
可替代的是，还可以沿相对于流动方向的反方向操作混合器，使材料首先到达分离边缘，而非到达横向边缘。这样，组合物首先分成三部分，然后在其通过两个开口的过程中再分成两部分。沿此逆流方向，两个外侧流束结合，并在横向边缘的一半上扩散，同时两个中间流束结合，并在横向边缘的另一半上扩散。
在图5～8中，混合器1相对于图1反转180°，而流动方向保持相同。为了更好地理解，再次列出了混合组件的各部件。在一端，从流动方向下方可以看出，单独的混合组件2包括两个分离边缘4和5，其分别从属于引导壁4’、5’，与纵向中心轴平行对齐，包括与之垂直的、位于引导壁任一侧的两个端截面6和7与位于引导壁之间并延伸超过引导壁一半的底部截面9。垂直于端截面，在引导壁的中央设置横向引导壁8’，其包括位于混合组件另一端的横向边缘8。
两个端截面和底部截面与引导壁之间的底部截面开口10以及引导壁任一侧的两个侧向开口11与12互补相关。各开口、其横截面积基本决定了混合器入口和出口之间的压力降。
混合组件2后面的混合组件2’包括同样的组分和结构，以相对于纵轴旋转180°的位置设置在第一混合组件2上。同样，后面的混合组件也以各相对于纵轴旋转180°的位置一个接一个地排列。流动方向用箭头13表示。
在图5中示出了混合器入口处两个组分G和H的分布，每个组分供应自双筒容器，或具有分离的出口的分配器具，参见图13。在本实施例中，根据流动方向，混合器入口示于底部。当进入第一混合组件2时，两个组分由分离边缘4和5分成六股AG、BG、CG和AH、BH与CH。
在进一步的分配过程中，该六股流束到达后面的混合组件2’。在该过程中，各对流束A1.G和A1.H、B1.G和B1.H以及C1.G和C1.H＝A1.1和A1.2、B1.1和B1.2以及C1.1和C1.2根据图7彼此混合，同时由于混合组件2的几何结构，导致流束A1.1替代流束A1.2经过侧向开口11到达后面的混合组件，流束B1.2替代流束B1.1经过底部截面开口10到达后面的混合组件，流束C1.1替代流束C1.2经过侧向开口12到达后面的混合组件。当它们到达第二混合组件2’时，混合的流束B2.1和B2.2扩散在整个一半A2.1-B2.1-C2.1上的横向边缘8的一侧上，同样，两个混合的流束A2.1、A2.2和C2.1、C2.2扩散在示于图前方的一半A2.2、B2.2和C2.2上的横向边缘8的另一侧。
在下一步骤中，沿其他方向的移动导致流束B2.1替代流束C2.1，流束A2.2替代流束A2.1，流束C2.2替代流束C2.1，同样如图3所示。另外，当进入后面的混合组件时，组分扩散到各个半部，随后再次移动，以到达后面的混合组件。
同样，混合组件的设置和构造导致混合工艺的三个相序，其中组合物首先分开，然后移动并最终扩散，只是在后续步骤中才再次分开、移动和扩散。
根据图8的图示，其中以三个阶段表示分开、移动和扩散的三个步骤。在图8中，分开用I表示，移动用II表示，扩散用III表示，而各混合步骤中的三个混合组件称作2、2’、2”。该图明确示出：在混合组件2中，两个组分分成6股，然后各股替代另一股向第二混合组件2’扩散，其方式应使中央股在横向边缘8和横向引导壁8’的一侧形成一半，同时外测的两对股在横向边缘与横向引导壁的另一侧联合形成另一半。
与引言中提及的混合器相比，上述的混合器不仅提供材料的迅速混合，重要的是还提供较低的压力降和较少的死体积。
根据对示意性混合操作的这种简化讨论，下列变换方式是可能的：在这些示例性的实施方案中，已经描述了具有直角关系分别为正方形横截面的混合器，两个碰撞(impinging)的组分具有相同的横截面积。但是，无需总是如此，两个组分G和H的任何横截面和各自体积流束的比例可以在入口截面处选为1∶1-1∶10，其中混合组件的尺寸保持不变。然而，可以设想具体适应的混合组件。这说明横向边缘不需要设置在混合组件的中心线上。这一点也适用于分离边缘和引导壁之间的距离。
另外，分离边缘和引导壁可以相互成一定角度设置，同样，端截面与底部截面以及横向边缘也可以相互成一定角度设置，从而使开口不必要是矩形或正方形的。另外，边缘，如横向边缘可以引入弯曲。混合组件不需要以旋转180°的位置一个接一个设置，而可以是0°～360°的任意角度。
还可以将前面所述的混合组件安置到具有矩形以外横截面的外壳中，例如圆的(round)、球形的(orbicular)、圆柱形、锥形或椭圆形的外壳中。
鉴于前面所述的混合组件提供良好的混合性能，尽管改进了设计，以一定角度设置的壁仍包括死体积，而产生硬化的材料。具有带弯曲壁的混合组件的混合器提供了进一步减少的死体积。这种类型的混合器如图9～12所示。
图9示出作为具有带弯曲壁的混合组件的圆形混合器的具体例子的具有正圆柱形外壳的混合器14，其包括混合组件15、15’和15”与外壳16。类似于第一混合器1，在其一端，即沿流动方向看的底部，混合组件15包括横向边缘21，从中引出两个引导壁17’、18’，各自终止于分离边缘17、18。每个引导壁包括具有侧向开口24、25的各端截面19和20、底部截面22和互补底部截面开口23。
在此不象在第一个示例性实施方案中那样将各截面区分地那么清楚。与矩形混合组件2相比，两个引导壁17’、18’在位于其一端的分离边缘17与18和位于另一端的横向边缘21之间形成弯曲且连续的过渡。引导壁的这种弯曲的构造和其向横向边缘的过渡示于图9中，示意性的过渡示于图12中。
该第二示例性实施方案的操作和第一实施例中相同。与后者类似，由组分G和H组成的材料流束在离开第一混合组件15时共被分成六股AG、BG、CG、AH、BH和CH。
在该实施例中，类似于第一示例性实施方案实现混合操作，但是引导壁不再以锐角、直角设置，而是以V型构形彼此运作，且具有弯曲的形状。根据图11的混合原理和第一实施例相同，即中央流束AG＝图11中的B1.1与其他两流束AG＝图11中的A1.1和CG＝图11中的C1.1混合，并通过侧向开口24、25移动，并扩散，同时在横向边缘的另一侧，外侧的两流束AH＝A1.2和CH＝C1.2与中央流束BH＝B1.2混合，通过底部截面开口23移动并扩散。由于引导壁的弯曲构造和V形设置，大大减少了死体积，从而导致损耗降低。另一方面，这种设置导致压力降进一步减小。
在该示例性实施方案中考虑到两个引导壁17’、18’安装在向横向壁21的过渡处，横向壁21具有沿纵轴、横截横向壁配置的额外的网152，其在理论上在靠近横向壁的出口处将材料分成三部分，而非两部分，参见示出混合组件151的图14。但是，这种额外的网不提供优点，反而导致不便，即材料不能在该侧扩散。还可以在第一矩形混合器中即下层9中并沿横向边缘8提供这种网。但是，下面的描述和权利要求并不考虑这一额外部分。
另外，图12的图与图4的图相类似，差别在于根据图4提供的垂直的引导壁4’、5’在这里是V形的且终止于横向边缘。
与第一实施例类似，组分G和H的横截面与各自体积流束比例可以不同于1∶1，最重要的是，从分离边缘引导向横向边缘的引导壁可以是多种几何形状，而混合组件可以与流动方向的所示设置相反。另外，每种情况下的混合原理相同，即中央流束彼此混合，并扩散在横向边缘的一侧，然后外侧的两对流束各自扩散在横向边缘的另一侧。此外，连续的混合组件没必要每个都如图9所示相对于纵轴旋转180°，而可以以任意取向设置。
在图13的示例性实施方案中，示出了用所述混合组件达到特别好的效果的新混合器设置。图13示出了混合器36、混合器外壳16和具有入口32与33和出口34与35的混合器口。如同在使用混合螺旋结构的现有技术中的混合器中一样，第一螺旋混合组件28的入口边缘31跨两个出口34、35横向延伸。第一混合组27的第一混合组件15的两个分离边缘相对第一螺旋混合组件的出口边缘30横向设置。第一混合组27包括混合组件15，这里示例性地示出了4个。该组后面是第二螺旋混合组件28’，其后为第二混合组27’。第二混合组还包括四个混合组件15’，其在流动方向上相对于第一混合组旋转180°，即具有朝向入口的横向壁，由此该组具有图9装置的类似效果。
此外，从图13可以看出每个混合组的最后混合组件的横向边缘21与混合螺旋组件的入口边缘31’垂直。混合螺旋组件的周期性插入是为了有效地将材料从壁剥离，并重新覆盖，从而提供对混合效率的进一步提高。
在图13中，示出了三个混合组和三个混合螺旋组件，但是应该理解混合组和混合组件的数目可以随预期目的而变动。因此，每个混合组的混合组件的数目和混合组间混合螺旋组件的数目都可以变动。所有有关混合操作和传统混合螺旋应用的描述也适用于材料的均质化，并适用于使用根据图15的混合组件的混合装置。
图15～17的示例性实施方案基于具有直组件壁的图1的示例性实施方案，但是混合组件设置在正圆柱形的机壳中。在该示例性的实施方案中，显示了几个特征包括提供混合作用的提高和死体积减少以及与之相关的损耗的减少，从而大大增加总效率。应该理解，并不需要在所有的混合组件或混合组中同时提供所有这些特征。
图15示出了混合组件装置40，没有示出机壳，该装置包括具有入口42、43和出口42’、43’的入口部分41和具有混合组件的混合部分44。直到第一横向边缘45，组分经由分流壁46分隔。在该示例性的实施方案中，5个混合组件47a-47e被集成在第一混合组47中，而第二混合组48包括两个混合组件48a和48b，后面的混合组再次包括5个混合组件49a-49e。
使用根据图1、15或17的混合器，可以有利地提供引导壁50、51的高度ZL，材料在经横向引导壁后达到该高度，其大于横向引导壁的高度ZQ，例如优选的倍数包括1.1-2.0，更具体地是1.5。双引导壁的这种伸长改善了材料的对齐(alignment)，从而使在再次分开前有更多的时间扩散。此外，双引导壁的伸长导致达到相同或更好的混合效果所需的混合组件的数目减少。
类似的，当逆流使用根据图5的混合器时，可以有利地提供高于引导壁高度ZL的横向引导壁的高度ZQ，其由材料在引导壁之后达到，优选比例为1.1-2.0，具体是1.5。
所有混合组件共有的第二个特征是死体积减少，这在直壁的情况下特别重要，并导致材料的体积损耗和局部固化。为此目的，填充这些死区。图17中具体示出了不同的死区闭塞TZV。因此，底部截面9包括直接朝向前面混合组件的第一种类型的死区闭塞TZV1。不具有倾斜网的混合组件，即混合组件47a-47e和49a-49e还包括底部截面的内侧上的死区闭塞TZV2。在引导壁50和51的外侧上在不存在倾斜网的部位处提供第三种和第四种类型的死区闭塞TZV3和TZV4。
在直壁处，形成在层形成期间导致层缺陷的壁层。为了分开这些层，为了促进双引导壁方向上的纵向混合作用，以及为了使浓度相等，在引导壁的内侧和外侧提供倾斜网。
在图15和17的混合器中，这些倾斜网附着于中央混合组48，其中内部倾斜网52和外部倾斜网53是可见的，二者都附着于混合组件48a和48b的引导壁50和51。
壁层不仅出现于引导壁上，还出现于混合外壳的内壁上。为了优化层的形成，提供与外侧上双引导壁连接的纵向网。不需要在所有混合组中提供纵向网。在图15和17的示例性实施方案中，纵向网54附着于第一与第二混合组47、48，但是也可以附着于第三混合组或任意其他的混合组，或者以混合组48中的相同方式附着。
所建议的各措施(measure)和特征优选联用，但是也可考虑仅应用某些措施的实施方案。
混合操作的流动图示于图16中。
在A处，两个组分扩散在横向引导壁55的各侧。在B处，右侧部分朝中央移动，扩散在引导壁50、51的整个长度上，而左侧部分分成两半，形成外部的三分之二。在C处，这三流束横向分开。在D处，左侧一半被引导向中央，扩散在引导壁的整个长度上，而右侧部分被分开，两个一半到达引导壁的各侧，随后再次到达横向边缘，等等。
权利要求书适用于横向边缘和引导壁不包括任意网如网152的简化情况，该情况不改变该混合组件的一般混合原理。此外，横向壁的限定包括横向边缘可以加倍成两个平行的横壁，因为这也不改变混合原理。

Claims (20)

1.一种静态混合器，其包括用于将待混合的组分(G，H)分离成多股流束的混合组件，以及用于将所述混合组件分层连接的装置，包括横向边缘(8，21，45)和相对于所述横向边缘以一定角度延伸的引导壁(4’，5’，50，51)，以及相对于纵轴以一定角度设置并设有开口的引导组件，其中所述混合组件(2，22’，2”；15，15’，15”；47a-47e；48a，48b；49a-49e)包括横向边缘(8，21，45)和其后面的横向引导壁(8’，21’，55’)，并且至少两个引导壁(4’，5’，50，51)终止于分离边缘(4，5)，在所述混合组件的每个所述引导壁(4’，5’，50，51)处设置有侧向端截面(6，7，19，20)并且在单个所述混合组件的所述引导壁之间设置有至少一个底部截面(9，22)，从而在所述横向边缘(8，21，45)的一侧限定至少一个开口(10，23)，在所述横向边缘的另一侧限定至少两个开口(11，12，24，25)，因而，由此获得至少六股流束，根据混合组件相对于流束方向的取向，所述待混合的组分(G，H)首先被分成两股流束，其各自再分成至少三股流束，或者被分成至少三股流束，其各自再分成两股流束。
2.权利要求1的混合器，其中所述引导壁的所述侧向端截面和所述底部截面是平面，彼此呈一定角度排列。
3.权利要求1或2的混合器，其中所述混合器的外壳具有圆形横截面。
4.权利要求1或2的混合器，其中所述混合器的外壳具有矩形横截面，其后有所述引导壁的至少两个所述分离边缘垂直于其后有所述横向引导壁的至少一个所述横向边缘排列，并且所述侧向端截面和所述底部截面垂直于所述引导壁排列。
5.权利要求1的混合器，其中所述引导壁是弯曲的，在所述混合组件的一端具有所述分离边缘的所述至少两个引导壁终止于设置在所述混合组件的另一端的横向边缘。
6.权利要求5的混合器，其中所述混合器的外壳是圆的，并且所述混合组件包括由引导壁连接的至少两个分离边缘和一个横向边缘，以及在所述引导壁处设置的两个侧向端截面和至少一个底部截面，所述引导壁在所述分离边缘和所述横向边缘之间形成弯曲而连续的过渡。
7.权利要求1或2的混合器，其中每个连续的混合组件设置在围绕纵轴旋转的位置上。
8.权利要求7的混合器，其中所述的连续混合组件每个绕纵轴旋转180°。
9.权利要求1的混合器，其中所述引导壁(4’，5’，50，51)的高度(ZL)高于所述横向引导壁(8’，55)的高度(ZQ)。
10.权利要求2的混合器，其中所述横向引导壁(8’，55)的高度(ZQ)高于所述引导壁(4’，5’，50，51)的高度(ZL)。
11.权利要求9的混合器，其中所述引导壁的高度是所述横向引导壁高度的1.1-2.0倍。
12.权利要求11的混合器，其中所述引导壁的高度是所述横向引导壁高度的1.5倍。
13.权利要求10的混合器，其中所述横向引导壁的高度是所述引导壁高度的1.1-2.0倍。
14.权利要求13的混合器，其中所述横向引导壁的高度是所述引导壁高度的1.5倍。
15.权利要求9的混合器，其中所述引导壁内部和/或外部设有倾斜网(52)。
16.权利要求10的混合器，其中所述引导壁内部和/或外部设有倾斜网(52)。
17.权利要求9-16中任一项的混合器，其中纵向网(54)设置在两个相邻混合组件的引导壁之间。
18.权利要求1或2的混合器，其中所述底部截面和所述引导壁设有死区闭塞(TZV1，TZV2，TZV3，TZV4)。
19.一种在材料首先到达所述横向边缘的情况下操作权利要求1的混合器的方法，其中所述混合组件设计用来将材料流束首先分成至少两股流束，并在出口处将所述两股流束分成至少六股流束，同时将两个混合流束导向所述横向引导壁的一侧，并将一个混合流束导向所述横向引导壁的另一侧。
20.一种在材料首先到达所述分离边缘和所述引导壁的情况下操作权利要求2的混合器的方法，其中所述的混合组件设计用来将材料流束分成至少六股流束，并将所述流束的相应部分导向所述横向边缘的一侧，将所述流束的其他部分导向所述横向边缘的另一侧。
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