DD218989A3

DD218989A3 - Vorrichtung zum statischen mischen fliessfaehiger medien

Info

Publication number: DD218989A3
Application number: DD83251038A
Authority: DD
Inventors: Bernd Kulbe; Werner Kubick; Karl-Heinz Redlich; Kurt Winkler; Detlef Brausse; Arnold Gallien
Original assignee: Leipzig Chemieanlagen
Priority date: 1983-05-19
Filing date: 1983-05-19
Publication date: 1985-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Mischung, Kontaktierung und Homogenisierung von Komponentenstroemen in der chemischen Industrie, Lebensmittel- und Papierindustrie und anderen artverwandten Industriezweigen einsetzbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexibel einsetzbare, einfach herzustellende Vorrichtung zum Mischen, Kontaktierung und Emulgieren fliessfaehiger Medien in kanalartigen Gehaeusen zu schaffen, die unter Vermeidung von Totraeumen bereits nach kurzer Lauflaenge einen hohen Vermischungsgrad hervorruft. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass in dem kanalartigen Gehaeuse Mischeinrichtungen installiert sind, deren Grundscheiben im mittigen Bereich um eine oder mehrere Faltachsen, die zueinander stufenfoermig und parallel verlaufen, abgewinkelt sind, wobei die der Stroemung am weitesten entgegengesetzte Faltachse vorzugsweise ausserhalb der Kanalachse angeordnet ist. Aus den beiden peripheren Leitflaechen eines Mischelementes sind Teilflaechen an stufenfoermig und parallel verlaufenden Faltkanten abgewinkelt. Saemtliche von den Koerperflaechen eingeschlossenen Faltwinkel sind als Stufen- beziehungsweise Wechselwinkel ausgebildet. Fig. 5

Description

a) Titel der Erfindung

,Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zura statischen Mischen fließfähiger Medien beziehungsweise zur Eon-· taktierung und Homogenisierung von Komponentenströsen, die in der chemischen Industrie, Lebensmittel- und. Papierindustrie und anderen* artverwandten Industriezweigen einsetzbar ist.

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Mischvorrichtungen unterschiedlichster Bauart, die in ihrer Wirkungsweise und dem Herstellungsaufwand erheblich voneinander abweichen können.

In der DE OS 2459 355 wird ein durch Faltung von Gründscheiben 3ίΓαΤ£ίμΓΪβΓΐβΓ Mischeinsatz offenbart, der aus einem flachen, rechteckigen Zentralteil und an diesem beidseitig angrenzenden Paaren winklig zueinander stehenden Lappen besteht. Diese sich selbst verblockenden Miseheinsätze sind in einer Leitung so angeordnet, daß der flache, rechteckige Zentralteil, welcher einen sogenannten Dr^ftraum definiert, parallel zur Leitungsachse verläuft. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, daß sich der Mischvorgang vorrangig auf Leitwirkungen gründet, während kleinräuniige ¥irbelgebiete fehlen. Schwierige Mischaufgaben dürften somit

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problematisch sein, zumindest aber große Baulängen erfordern. .

Ein weiterer Mischeinsatz wird in dam DD AP 125 470 . dargestellt und zeigt winklig zueinander stehende beziehungsweise sich kreuzende.Stege, die mittels eines quer verlaufenden Zentralsteges gehalten werden. Diese Lösung bietet, da die einzelnen Mischelemente in der gezeigten Form über eine nur unzureichende Stabi-r lität verfugen, keine Gewähr für einen störungsfreien und zuverlässigen Einsatz. Die Veröffentlichungen der Herstellerfirma zum Sortiment an statischen Mischern weist Mischeinrichtungen entsprechend DD AP 125 470 aus, de^en einzelne Mischelemente an den Berührungsstellen miteinander verschweißt sind. Dadurch,wird der Fertigungsaufwand erheblich vergrößert» Ein weiterer Nachteil besteht im Fehlen von Leitwirkungen der Mischelemente. Der Mischaffekt wird überwiegend durch die an den Stegen verursachte ¥irbelbildung realisiert, was zusätzliche Druckverluste verursacht, die nicht an der Vermischung beteiligt sind.,

d) Ziel der Erfindung ν

Das Ziel der Erfindung liegt darin begründet, eine Vorrichtung zum statischen Mischen fließfälliger Medien zu schaffen, die sich durch eine einfache Bauart und geringen Druckverlust bei einem hohen Vermischungsgrad auszeichnet sowie durch hohe Variabilität an unterschiedlichste Mischprobleme anpaßbar ist.

e) Darlegung des ¥esens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexibel einsetzbare Vorrichtung einfacher Bauart zum statischen Mischen, Kontaktieren beziehungsweise Emulgieren fließfähiger Medien in kanalartigen Gehäusen zu schaffen, die durch Überlagerung großräumiger Quer- und Drallströmungen und infolge von Perforation induzierter

kleinräimiger ¥irbelgebiete bereits nach kurzer Baulänge einen hohen Vermischungsgrad hervorruft und durch Vermeidung· von Toträumen ein verbessertes Verweilzeitverhalten aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch, gelöst, daß in dem kanalartigen Gehäuse Mischeinrichtungen installiert sind, deren Grundscheiben im mittigen Bereich um eine oder mehrere Faltachsen, die zueinander stufenförmig und parallel verlaufen, abgewinkelt sind, wobei die der Strömung aa weitesten entgegengerichtete Faltachse vorzugsweise außerhalb der Kanalachse angeordnet ist. Aus den beiden peripheren Leitflächen eines —· Mischelementes sind Teilflächen an stufenförmig und pa

rallel verlaufenden Faltkanten abgewinkelt. Sämtliche von den Körperflächen eingeschlossenen Faltwinkel sind als Stufen- beziehungsweise ¥echselwinkel ausgebildet,

f) Ausführungsbeispiel

Das erfinderische Lösungsprinzip der Einrichtung soll nun an einigen Ausfühi'ungsbeispielen näher erläutert werden* Dabei stellen dar:

Figur 1: Mischelement mit einer zentralen Faltachse ohne_;Zwischenstege

Figur 2: Mischelement mit einer zentralen Faltachse ψ . . und Zwischenstegen

Figur 3J Mischelement mit einer zentralen Faltachse

und Stegen, wobei aus der zentralen Teilfläche Stege und aus dem zentralen Steg eine Teilfläche abgewinkelt ist

Figur k: Mischelement mit drei stufenförmig und parallel zueinander verlaufenden Faltachsen und abgewinkelten Teilflächen

Figur 5' Winklig zueinander versetzte Mischeinheiten im rohrartigen Gehäuse

Figur 6: Mischeinheit, bestehend aus parallelen, zwei Faltachsen enthaltenden Mischelementen

In den Figuren 1, 2 und 3 werden Varianten des arfindungsgemäßen Mischelementes für den Einbau in einen rohrförrnigen Strömungskanal in perspektivischer Darstellung gezeigt. Die sich entsprechend dem Kanalschrägschnitt ergebende Form der Grundscheibe des Mischelementes ist elliptisch, wobei der Schnittwinkel 16 zwischen der Kanalachse 14 und der orthogonal auf der Faltachse 1 stehenden großen Achse der Grund-, scheibe 45 beträgt. Bei den oben genannten drei Varianten liegt die Faltachse 1 in der Rohrmitte und schließt mit der Kanalachse 14 einen ¥inkel von 90 ein. Die beiden peripheren Leitflächen 4 stehen entsprechend dem Schnittwinkel 15 in einem doppelt so großen Faltwinkel 9 von 90 zueinander. Aus jeder peripheren Leitfläche 4 sind Teilflächen 5 an FaIt-. kanten 8, die stufenförmig und parallel zur Faltachse, 1 verlaufen, derart abgewinkelt, daß die durch die Teilflachen 5 und die angrenzenden peripheren Leitflächen 4 und der von den peripheren Leitflächen 4 selbst eingeschlossene ¥inkel als ¥echselwinkel ausgebildet sind. Die Teilflächen 5 wurden so abgewinkelt, daß sich die beiden peripheren Leitflächen 4 diametral gegenüberstehen j natürlich ist deren spiegeIsymmetrische Anordnung ebenso möglich.

In Figur 2 ist eine Variante dargestellt, die zwischen benachbarten Teilflächen 5 liegende Stege 13 aufweist, welche bei der in Figur 1 gezeigten Variante fehlen. Übereinstimmend erfolgte die Anordnung der Faltkanten bezüglich der Faltachse 1 stufenförmig mit sich monoton veränderndem Abstand, während das Mischelement gemäß Figur 3 im mittigen Bereich der peripheren Leitflächen 4 ein Maximum beziehungsweise Minimum des Abstandes zwischen der Faltachse 1 und den Faltkanten 8 aufweist.

Dies wurde dadurch erreicht, daß aus der zentralen Teilfläche 5 Stege 13 und aus dem zentralen Steg 13 eine Teilfläche 5 abgewinkelt wurde. Als Teilflächen. 5 einer peripheren Leitfläche k- werden zu dieser winklig stehende Körperflächen und als Stege 13 in dieser liegende, über mindestens eine benachbarte Faitkante hinausragende beziehungsweise zu dieser parallel verlaufende Körperflächen bezeichnet.

Figur h zeigt ein Mischelernent nach dem Prinzip der ' ' Faltkantenanordnung der in Figur 1 dargestellten Va-^N riante, jedoch mit drei im mittigen Bereich stufenförmig und parallel verlaufenden Faltkanten 1,2, 3.

,---'Ζ , Die Breite der zentralen Leitflächen 6, 7 stehen in .

^V" einem Verhältnis von 2:1», Sämtliche von den Körper-.

flächen eingeschlossenen Winkel sind gleich groß und stehen als Stufen- oder ¥echselwinkel zueinander. Eine symmetrische Variante mit zwei Faltachsen 1, 2 ist in Figur 6 dargestellt, deren Teilflächen 5 in entgegengesetzter Richtung abgewinkelt sind.

Als besonders vorteilhaft in ihrer Mischwirkung haben sich. Mische leinen te 17 erwiesen, die aus perforiertem Grundmaterial, insbesondere Streckmetall, gefertigt wurden» Des,weiteren ist es möglich, durch zielgerichtete Orientierung der Öffnungen des perforierten Materials auf die großräumige Strömung Einfluß zu nehmen, ^:0 - So kann beispielsweise die Orientierung der Öffnungen

des perforierten Materials bezüglich der beiden peripheren Leitflächen k eines Mischelementes 17 entgegengesetzt gerichtet sein und eine wesentliche Strömungskomponente orthogonal zur Kanalachse 14 verursachen, wodurch der Dralleffekt der Hauptströmung verstärkt oder unterdrückt wird. Eine derartige Anordnung kann bei Einsatz von Streckmetall als Grundmaterial eine zweistückige Ausführung der Grundscheibe des Mischelementes 17 sinnvoll machen.

Die Mischelernen te 17 werden zu Mischeinheiten 18 komplettiert und bestehen aus mindestens zwei zueinander parallelen oder entgegengesetzt parallelen I4ischelementen 17. Aufeinanderfolgende Mischeinheiten 18 werden vorzugsweise um einen Winkel von 90 versetzt angeordnet. . ·

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Erfindung beschrieben : . .. '.

Alle Varianten des erfindungsgemäßen Mischelementes 17 decken den Kanalquerschnitt vollständig ab, so daß eine ständige Grenzschichtablösung und -erneuer-ung stattfinden kann, was bei laminaren Strömungsverhältnissen von besonderer Bedeutung ist.

Beim Auftreffen de.s Produktstromes auf die schrägstehenden peripheren' Leitflächen 4 und gegebenenfalls auf die zentralen Leitflächen 6, 7 wird dem Fluid eine großräumige Querströmung aufgezwungen.

Die der Strömung am weitesten entgegengerichtete -FaIiachse 1, 2 bewirkt, je nach ihrer Lage. ±m Kanal, eine mehr oder weniger gleichmäßige Aufteilung des Stoffstromes« Des weiteren wird durch die stufenförmig abgewinkelten Teilflachen 5 eine Drallströmung hervorgerufen, die durch eine entsprechende Perforation des Grundmaterials noch verstärkt werden kann. Beim Passieren der Schnittkanten der abgewinkelten Teilflächen 5 kommt es infolge einer mittelräumigen Aufteilung des Teilstroaes unter Fließgeschwindigkeitserhöhungen und Wirbelbildung zu intensiven Vermischungseffekten.

Kleinräumige Fluidwirbel können sehr wirkungsvoll durch den Einsatz von perforiertem Grundmaterial, insbesondere Streckmetall, -induziert werden und bewirken nachhaltig die Feirivermischung benachbarter Stromelemente. Außerdem wird dadurch die Bildung von Toträumen völlig ausgeschlossen, was zu einer gleichmäßigen Verweilzeitver-· teilung der Ströniungspartikel führt, und als Voraussetzung für die Realisierung anspruchsvoller Mischaufgaben

erforderlich ist. Der Drucicverlust wird dabei in sehr niedrigen Bereichen gehalten.

Die zielgerichtete Kombination unterschiedlicher ¥irkprinzipien, wie Leitwirkung und- Wirbelbildung, zur Erzielung einer homogenen Mischung stellt den entscheidenden Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung dar, Sr realisiert sich durch die Überlagerung von großräumigen Stromaufteilungen, Quer- und Drallströtnungen, mittelräumigen Vermischungs- und Wirbelzonen ^lund kleinräumigen Wirbelgebieten»

, Vorteile der Erfindung sind somit:

- Kurze Mischerbaulängen, auch bei anspruchsvollen Mischaufgaben;

- Geringer Druckverlust bei Einsatz von perforiertem Grundmaterial;

- Das gute Verweilzeitverhalten des Mischers ermöglicht auch dessen Einsatz für schwierige Aufgaben in Strömungsreaktoren.

Claims

Erfindungsanspruch

1♦ Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien, bestehend aus einem kanalartigen Gehäuse beliebigem Querschnitts mit darin angeordneten, durch Faltung von Grundscheiben räumlich strukturierten Mischelementen, gekennzeichnet dadurch, daß die Grundscheibe um eine Faltach.se (1) oder mehrere stufenförmig und parallel zueinander verlaufende Faltachsen (1, 2~, 3) abgewinkelt ist, wobei die der Strömung am weitesten entgegengerichtete Faltachse (1, 2) außerhalb der Kanalachse (i4) oder aber in dieser liegt und daß aus jeder peripheren Leitfläche (4) Teilflächen (5) an Faltkanten (8), welche stufenförmig und parallel zu den Faltachsen (1, 2, 3") stehen, derart abgewinkelt sind, daß die durch sämtliche Körperflächen eingeschlossenen. Faltwinkel (9, ,10, 11, 12) als Stufen- beziehungsweise Wech.se!winkel ausgebildet sind. '... ' ·

2, Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Grundscheiben mit der Fläche des entsprechenden Kanalschrägschnittes identisch sind, bei deni der Schhittwinkel (15) zwischen der Kanalachse (i4) und den Faltachsen (1, 2, 3) des Mischelementes (17) mit 90° und der Schnittwinkel (16) zwischen der Kanalachse (iA) und der orthogonal auf den Faltachsen (1, 2_t 3) stehenden großen Achse der Grundscheibe mit 25 bis 60 ausgeführt is,t und die durch Faltung entstandenen Körperflächen entsprechend dem Schnittwinkel (16) in doppelt so großen Faltwinkeln (9, 10, 11, 12) zueinander stehen.

3. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die abgewinkelten Teilflächen (5) bezüglich der beiden peripheren Leitflächen {k) eines Mischelementes (17) spiege!symmetrisch oder diametral angeordnet sind.

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4. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen den Faltachsen (i, 2, 3) und aufein-, anderfolgender Faltkanten (8) monoton wächst beziehungsweise fällt oder im mittigen Bereich ein Maximum beziehungsweise Minimum aufweist, ' .
5. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß bezüglich einer peripheren Leitfläche (4) abgewinkelte Teilflächen (5) und Stege (13) alternierend, angeordnet sind.

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^v— ' 6. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, 2, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß aus Teilflächen (5) Stege (13) parallel zur entsprechenden peripheren Leitfläche (4) und aus Stegen (13) Teilflächen (5) abgewinkelt sind. V
7. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Anwendung von zwei zentralen Leitflächen (.6, ?) die große zentrale Leitfläche (6) doppelt so breit wie die kleine zentrale Leitflache (7) ist.

^V - 8. Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mischelernen te (17) aus perforiertem Grundmaterial, vorzugsweise Streckmetall, bestehen. ·

9« Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Orientierung der Öffnungen des perforierten Materials bezüglich aufeinanderfolgender Mischelemente (l7) und/ oder bezüglich der peripheren Leitflächen (4) eines Mischeletnentes (17) entgegengesetzt gerichtet und deren Grundscheibe ein- oder zweistückig ausgeführt ist.
10. Vorrichtung zuäi statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1 , gekennzeichnet .dadurch, daß die Mischeir:-- heiten (i5) aus mindestens zwei zueinander parallelen

' . oder entgegengesetzt parallelen Mischelernenten (i7) zu-. saaimengesetzt sind,

11, Vorrichtung zum statischen Mischen fließfähiger Medien nach Punkt 1 und 10, gekennzeichnet dadurch, daß'aufeinanderfolgende Mischeinheiten (i8) zueinander winkelversetzt angeordnet sind,

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