DE10019759A1 - Statisches Mischsystem - Google Patents
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Abstract
Statisches Mischelement zum Homogenisieren von Medien mit einem Gehäuse und einer in einem Winkel von 70 bis 110 DEG zur Strömungsrichtung angeordneten Umlenkfläche.
Description
Die Erfindung betrifft ein statisches Mischsystem zum Homogenisieren und
Dispergieren flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Medien.
An das Homogenisieren und Dispergieren von Medien gleicher oder unter
schiedlicher Aggregatzustände als Voraussetzung einer Vielzahl von Verfah
rensschritten der Chemie- oder Ingenieurtechnik werden zunehmend höhere
Anforderungen gestellt, die mit Hilfe meist komplexer statischer oder dyna
mischer Mischsysteme erfüllt werden.
Auch beim Horizontalbohren besteht das Erfordernis des Mischens einer
Flüssigkeit mit einer pulverförmigen Substanz oder einer Flüssigkeit oder einer
Suspension, wenn zur Erleichterung und Verbesserung des Bohrvorgangs
beispielsweise eine Bentonit-Wasser-Suspension, als Bohr- oder Spülflüssigkeit
eingesetzt werden soll. Eine solche Suspension hält das Bohrklein in Schwebe,
schmiert den Rohrstrang bei dessen Einziehen und schützt diesen nach einer
gewissen Aushärtephase gegen das umgebende Erdreich. Zur Variation der
Eigenschaft der Suspension können Additive, wie beispielsweise Sodaasche
oder Polymere, hinzugefügt werden.
Üblicherweise werden Bohrflüssigkeiten in einem gesonderten Vorratstank durch
ein in diesem Tank arbeitendes Rührwerk, also einen dynamischen Mischer,
oder durch eine schnell laufende Pumpe angemischt.
Diese Mischsysteme haben einen erhöhten Platzbedarf und führen zu zeitlichen
Verzögerungen des Bohrvorgangs, wenn nach dem Verbrauch einer Bohrflüs
sigkeitscharge eine neue Charge angesetzt werden muß. Sie erlauben keine
kompakte Bauweise der gesamten Bohranlage.
Es sind auch statische Mischsysteme bekannt, die im Gegensatz zu dynami
schen Systemen kein Rührwerk aufweisen und einen geringeren Platzbedarf
erfordern.
Die Verwendung statischer Mischer in Mischanlagen zum Herstellen von Bohr
flüssigkeit für Horizontalbohrverfahren ist aus der deutschen Patentanmeldung
199 18 775.4 bekannt. In dem darin beschriebenen Verfahren zum Herstellen
einer Bohrflüssigkeit wird das Zugabemedium, beispielsweise Bentonit, dem
Wasser in Pulverform vor oder hinter einer die Bohrflüssigkeit zu der Bohranlage
transportierenden Hydraulikpumpe zugeleitet. Hinter der Pumpe kann eine
statische Mischstrecke angeordnet sein, die den Zugabestoff und das Wasser
homogenisiert.
Ein statischer Mischer, wie er beispielsweise aus "wägen + dosieren" 3/1997 Seite
23 bis 26 bekannt ist, besteht üblicherweise aus einer Mehrzahl verschiedenar
tiger, hintereinander geschalteter einzelner Mischelemente, die mit Hilfe eines
Adapters in ein Zuleitungs- oder Ableitungssystem eingesetzt werden können.
Jedes dieser Mischelemente weist eine oder mehrere Umlenkflächen auf, die
gegebenenfalls von ein oder mehreren Durchlässen durchmessen werden. Die
aufeinander entweder innerhalb eines Mischelements oder in nachgeschalteten
Mischelementen folgenden Umlenkflächen stehen dabei stets in kleinen Winkeln
geneigt zueinander und weisen ebenso bezüglich der Strömungsrichtung des in
der Leitung strömenden Mediums übereinstimmend einen kleinen; von 90°
verschiedenen Neigungswinkel auf.
Die zueinander und zu der Strömungsrichtung in einem besonderen Achswinkel
stehenden Umlenkflächen erzeugen eine Zwangsführung des Stroms, so daß
mehrfach seine Strömungsrichtung dreht. Die gegebenenfalls die Umlenkflächen
durchziehenden Durchlässe verlaufen ebenso winklig zueinander sowie zu den
Umlenkflächen, so daß sowohl eine Aufteilung des Stroms als auch eine
mehrfache Änderung der Strömungsrichtung erfolgt. An anderen Umlenkflächen
werden die Einzelströme wieder zusammengeführt.
Dieses mehrfache Aufteilen, Umlenken und Zusammenführen der Medien
bewirkt ihre Homogenisierung bzw. Dispergierung.
Die Wahl verschiedener Mischergeometrien erfolgt in Abhängigkeit von der
Reynolds-Zahl, die als Quotient aus den Trägheitskräften und den Reibungs
kräften unter anderem abhängig von den Stoffeigenschaften der Medien ist. Bei
einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit überschreiten die Trägheitskräfte
einen charakteristischen Wert, verglichen mit den Reibungskräften, so daß die
Strömung turbulent wird.
Die Wahl der Mischergeometrien und der Größe des gesamten Mischsystems,
d. h. der Anzahl der nacheinander geschalteten Mischelemente, erfolgt des
weiteren in Abhängigkeit von dem zulässigen Druckverlust der Strömung, der vor
allem im Hinblick auf die für die Turbulenz erforderliche kritische Geschwindigkeit
und die Erfordernisse der nachfolgenden Verfahrensschritte zu bewerten ist.
Ferner muß die Geometrie der Umlenkflächen und Durchgangsöffnungen sowie
deren Anordnung relativ zueinander und zu der Strömungsrichtung derart
angeordnet sein, daß möglichst ein Fehlen von toten Zonen gewährleistet
werden kann, da diese ein homogenes Mischen verhindern.
Ein erheblicher Nachteil der bekannten statischen Mischer liegt darin, daß die in
komplexer Geometrie gefertigten Mischelemente in aufwendigen Produktions
verfahren hergestellt werden müssen, die einen erheblichen Zeit- und Kosten
aufwand verursachen. Vor allem die zum Teil massive Gestaltung der Mischer
mit unterschiedlich ausgerichteten Durchlässen macht einen hohen Material
aufwand erforderlich.
Ein weiterer Nachteil bekannter Mischer besteht darin, daß ein Reinigen der
Mischer durch die zueinander in wechselnden Winkeln stehenden Umlenk
flächen erheblich erschwert ist. Ein zuverlässiges einfaches Reinigen, beispielsweise
durch eine lediglich den Mischer durchströmende Reinigungs
flüssigkeit, ist unzureichend.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer
bereitzustellen, der ein effizientes Homogenisieren und Dispergieren verschie
dener Medien mit konstruktiv einfachen Mischelementen ermöglicht, die zudem
kostengünstig herzustellen und einfach zu reinigen sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mischelement mit mindestens einer Um
lenkfläche, die in einem Winkel von 70 bis 110° zu der Hauptströmungsrichtung
der Medien in der durchströmten Leitung ausgerichtet ist.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß bei dem Aufprall der
Medien auf die nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte Umlenkfläche und
dem Umströmen ihrer Kanten Scherkräfte entstehen, die zum Verwirbeln und
Vermischen der Medien führen.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Mischelements liegt in seiner ein
fachen Konstruktion, die kostengünstig und ohne Spezialmaschinen gefertigt
werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der besonderen Ausrichtung der
Umlenkfläche keine spitzen Winkel zwischen der Fläche und dem umgebenen
Gehäuse bzw. der Wand vorliegen. Damit ist das Reinigen des Mischelements
erheblich erleichtert.
Überraschenderweise ermöglicht die nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte
Umlenkfläche eine sehr gute Homogenisierung der zu durchmischenden Medien,
die durch mehrere hintereinander geschaltete Umlenkflächen noch verbessert
werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Umlenkfläche in einem
Winkel von 90° zu der Strömungsrichtung der Medien angeordnet, d. h. sie steht
senkrecht zu der Strömungsrichtung.
Das darmit erzielte, besonders gute Ergebnis war aufgrund der bekannten
Erwägungen des Durchschnittsfachmanns nicht zu vermuten, die aufgrund der
angenommenen Erfordernisse des möglichst zu minimierenden Druckabfalls, der
möglichst variantenreichen Zwangsführung der Strömung und des Vermeidens
von toten Zonen eine nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte oder eine dazu
senkrecht stehende Umlenkfläche für besonders ungeeignet erscheinen ließen.
Eine derart angeordnete Umlenkfläche läßt nämlich das Entstehen von hinter ihr
liegenden toten Zonen zu und "bremst" die auf sie aufprallenden Strömungen in
erheblichem Maße ab. Dies führt zu einer deutlichen Verminderung des Druckes
und der Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Des weiteren verzichtet die
erfindungsgemäße Umlenkfläche auf eine gerichtete Zwangsführung, die zu
einer mehrfachen gezielten Drehung der Strömungsrichtung des Mediums führt.
In dem erfindungsgemäßen Mischelement kann die Form des Querschnitts der
Umlenkfläche im wesentlichen zu dem Querschnittsumriß der durchströmten
Leitung korrespondieren. Vorteilhafterweise ist ihr Durchmesser jedoch kleiner
als der der Leitung, so daß zwischen der Leitung und der Umlenkfläche minde
stens ein Durchlaß für das von der Umlenkfläche abgelenkte Medium entsteht.
Die Umlenkfläche kann über Befestigungsmittel unmittelbar an der durch
strömten Leitung oder an einem Gehäuse eines in die Leitung einzusetzenden
Mischelements befestigt sein.
In einer besonderen Ausführungsform kann es zudem vorteilhaft sein, das
Mischelement über einen Adapter in die Leitung einzusetzen.
Vorteilhafterweise kann das Gehäuse des Mischelementes derart gestaltet sein,
daß die in Strömungsrichtung hinter der Umlenkfläche liegenden Seitenflächen
des Gehäuses zu einer Führung des Mediums genutzt werden.
Beispielsweise können sie trichterartig zulaufen, um sich zu einer auf eine
Umlenkfläche eines nachgeschalteten oder in demselben Mischsystem be
findlichen Umlenkfläche führenden Durchgangsöffnung zu verengen.
Durch die Verengung wird die Druckenergie des Stroms teilweise in kinetische
Energie umgewandelt. Damit erhöhen sich die beim Aufprall auf die Umlenkflä
che entstehenden, das Homogenisieren begünstigenden Scherkräfte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Umlenkfläche mit
Öffnungen versehen sein, die eine Aufteilung des auf die Fläche treffenden
Mediums ermöglichen. Damit kann eine Verbesserung der Homogenisierung
erreicht werden, ohne daß jedoch ein Reinigen des Systems erheblich erschwert
ist.
Die einzelnen Mischelemente können in einem Mischsystem in einer Vielzahl
hintereinander geschaltet werden. Es kann zudem auch vorteilhaft sein, Mi
schelemente parallel nebeneinander zu schalten, wenn z. B. die Durchflußmenge
an Medien erhöht werden soll.
Das erfindungsgemäße Mischelement kann zum Homogensieren und Mischen
von Gasen, Flüssigkeiten, Suspensionen oder Dispersionen eingesetzt werden.
Es kann somit in einer Vielzahl verschiedener Verfahren und Vorrichtungen, z. B.
aus den Bereichen der Chemie- oder Verfahrenstechnik sowie in der Kunst
stoffindustrie, der Wasseraufbereitung oder in der Lebensmittelindustrie
Verwendung finden.
Im einzelnen kann es zum Mischen von Bohrflüssigkeiten, z. B. Bentonit-Wasser-
Suspensionen, genutzt werden, die beispielsweise für Horizontal- oder Vertikal
bohrungen benötigt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein aus mehreren nacheinander geschalteten
erfindungsgemäßen Einzelelementen bestehendes Mischsystem und
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Mischelement in der Ebene A-A der Fig. 1.
Ein Einzelelement 1 des Mischsystems besteht aus einem Gehäuse 2 mit zwei
Schrägflächen 3 und 4, die sich zu einer Durchgangsöffnung 5 trichterförmig
verengen. Sie ermöglichen den Durchlaß des in Pfeilrichtung durch die Ein
gangsöffnung 6 in das Mischsystem einströmenden Mediums.
Die senkrecht zu den Außenflächen 7, 8 des Gehäuses stehende Umlenkfläche
9 ist über drei Zungen 10a, 10b, 10c zwischen die Gehäuse 2 geklemmt. Sie
weist im Vergleich zu dem Gehäuse einen geringeren Radius auf, so daß zwi
schen dem Gehäuse 2 und der Umlenkfläche 9 Durchlässe 11a, 11b, 11c frei
bleiben. Teile 13a bis d stellen Zuganker dar, die das Kopfstück 12 und das End
stücks 17 gegeneinander ziehen und so durch die Gehäuse 2 die Umlenkfächen
9 festklemmen.
In dem Ausführungsbeispiel ist ein Mischsystem aus 3 Einzelelementen mit
jeweils einer Umlenkfläche und einem Kopfstück 12 und einem Endstück 17
zusammengesetzt. Diese sind über Dichtungen 20 gegeneinander abgedichtet.
Diese Anordnung kann beliebig durch weitere Mischelemente ergänzt werden.
Das Kopfstück weist eine Eingangsöffnung 6 auf, die auf die erste, als Be
standteil des Kopfstückes gearbeitete Umlenkfläche mündet. Die Öffnung ist
trichterförmig gearbeitet.
Das Endstück 17 dagegen trägt keine Umlenkfläche, sondern entläßt das
Medium durch die Ausgangsöffnung 16. Endstück 17 und Kopfstück 12 sind mit
einem Gewinde versehen (hier nicht dargestellt), in das gängige Rohrverschrau
bungen eingeschraubt werden können.
Die Medien strömen in das Kopfstück 12 über die Eingangsöffnung 6 und prallen
auf die Umlenkfläche 9. Dort werden sie abgelenkt und strömen durch die
Durchlässe 11a, 11b, 11c in den Mischraum 19. Sie werden teilweise entlang der
Schrägflächen 3 und 4 geführt. Die Medien strömen im folgenden durch die
Durchgangsöffnung 5 auf eine weitere Umlenkfläche. Sie durchströmen ein
zweites Mischelement in der eben beschriebenen Weise.
Nach dem Durchströmen des letzten Mischelements gelangen sie in die Aus
gangsöffnung 16 des Endstückes 17 und verlassen das Mischsystem.
Claims (11)
1. Statisches Mischelement (1) zum Mischen von Medien mit einem Gehäuse
(2), gekennzeichnet durch mindestens eine in einem Winkel von 70 bis
110° zur Strömungsrichtung der Medien angeordneten Umlenkfläche (9).
2. Statisches Mischsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umlenkfläche in einem Winkel von 90° zur Strömungsrichtung der
Medien angeordnet ist.
3. Statisches Mischelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekenn
zeichnet durch mindestens einen Durchlaß (11a, 11b, 11c) zwischen der
Umlenkfläche (9) und dem Gehäuse (2).
4. Statisches Mischelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich
net durch trichterförmig zulaufende Schrägflächen (3, 4) des Gehäuses (2).
5. Mischsystem mit mindestens einem der statischen Mischelemente nach
einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Mischsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens zwei
parallel geschaltete statische Mischelemente nach einem der Ansprüche 1
bis 4.
7. Mischsystem nach einem der Artsprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß ein Kopfstück (12) und ein Endstück (17) über Zugmittel (13a, 13b,
13c, 13d) miteinander verspannt sind.
8. Verwendung des statischen Mischelements nach einem der Ansprüche 1 bis
4 oder des Mischsystems nach den Ansprüchen 5 bis 7 zum Herstellen einer
Bohrflüssigkeit.
9. Verfahren zum Mischen mindestens zweier Medien, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Medien in einem Winkel von 70 bis 110° auf eine in ihrer
Strömungsrichtung angeordnete Umlenkfläche (9) geführt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien in
einem Winkel von 90° auf eine in ihrer Strömungsrichtung angeordnete
Umlenkfläche (9) geführt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Medien durch eine Zwangsführung geteilt und/oder zusammenge
führt werden.
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