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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung, die mindestens zwei im Wesentlichen planparallele, zueinander angeordnete Düsenkörper umfasst, die eine Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen aufweisen. Zur Mischung zweier Fluide wird dabei das erste Fluid in Durchströmungsrichtung auf die Ausnehmungen des ersten Düsenkörpers angeströmt, das zweite Fluid wird in den Zwischenraum zwischen ersten und zweitem Düsenkörper eingeströmt. Die Ausnehmungen des ersten Düsenkörpers weisen dabei eine in Durchströmungsrichtung ausgeprägte Auskragung auf, der durch die Auskragung und den ersten Düsenkörper gebildete Raum ist zudem mit einer eine Vielzahl von Durchströmungsöffnungen aufweisenden Platte abgeschlossen.
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Bei vielen verfahrenstechnischen Prozesse spielt die Vermischung zweier oder mehrerer Fluide im selben Aggregatzustand eine zentrale Rolle. Eine homogene Vermischung in kürzester Zeit oder auf kleinstem Raum zu erreichen ist bei Stoffsystemen unabdingbar, wenn einzelne oder mehrere Komponenten der Fluide spontan miteinander chemisch reagieren. Dies ist zum Beispiel der Fall bei der Vermischung brennbarer Substanzen mit Sauerstoff oberhalb der Zündtemperatur des Gemisches. Auch andere Beispiele aus der chemischen Industrie sind bekannt.
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Der Stand der Technik umfasst viele verschiedene Vorrichtungen zum Mischen von Fluiden in derselben Phase, sie werden Strömungsmischer genannt und lassen sich nach dem Ansatz von Wilke/Buhse/Groß [Mischer, Vulkan-Verlag 1991] unterteilen in Mischdüsen, Mischpumpen, Statische Mischer und Schlaufenmischer. In der folgenden Darstellung des Stands der Technik werden Mischdüsen und statische Mischer näher betrachtet.
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Mischdüsen bestehen aus einem Düsenkörper mit weiteren Einbauteilen zum intensiven Mischen zweier oder mehrerer Flüssigkeiten oder Gase (Injektordüse). Sie erfordern eine ausreichende Druckdifferenz.
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Eine typische Mischdüse ist der Strahlmischer, der aus Treibdüse, Mischstrecke (Fangdüse) und Diffusor besteht. Alle drei hintereinandergeschaltete Einzelteile werden konstruktiv der Mischaufgabe angepasst. Die Wirkung des Strahlmischers beruht darauf, dass aus einer Düse ein flüssiger oder gasförmiger Strahl mit hoher Geschwindigkeit austritt, der dann aus seiner Umgebung Flüssigkeit oder Gas mitreißt und beschleunigt. Infolge hoher Turbulenz und des damit verbundenen Impulsaustausches wird aus Treib- und Saugstrom ein innig vermischter Gesamtstrom. Diese Mischer werden im allgemeinen mit Erdgas oder verdampftem Flüssiggas betrieben und zur Heizwertregelung eingesetzt. Zugemischt wird Luft oder ein Gas mit niedrigerem Heizwert. Strahlmischer sind wartungsarm, weil sie keine mechanisch bewegten Teile besitzen und einfach zu regeln.
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Der Einsatz von Mischdüsen wird problematisch, wenn die zu vermischenden Fluide spontan chemisch miteinander reagieren. Das Prinzip der Vermischung in Mischdüsen beruht nämlich darauf, dass eines der beiden Fluide mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse strömt. Dadurch ergeben sich lange Mischzeiten.
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Es gibt aber auch Strahlmischer mit beweglichen Teilen, wie z. B. in
EP 0 890 787 B1 ”Mixing device for gas and combustion air in a combustion installation” beschrieben. Die Erfindung bezieht sich auf einen Venturidüsen-Mischer mit einem frei beweglichen (schwebenden) Drosselkörper. Hier besteht das Problem, dass die Düsen nur mit höherem Aufwand nach oben oder unten skalierbar sind. Ein weiterer Nachteil sind die beweglichen Teile im System.
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Statische Mischer nutzen Einbauten in Rohren und anderen Strömungskanälen, um für eine hinreichende Durchmischung zu sorgen. Die Einbauten sind Bohrungen, geriffelten Lamellen, ineinandergreifende Stege oder Wendeln. In der Patentliteratur sind zahlreiche Bauformen für statische Mischer beschrieben. Allerdings ist all diesen Mischer gemeinsam, dass sie beträchtliche Abmessungen besitzen. Sie eignen sich daher nur für Mischaufgaben, bei denen es nicht auf eine sehr kurze Mischzeit ankommt. Somit sind statischen Mischer nicht für Mischaufgaben geeignet, bei denen die zu vermischenden Fluide spontan chemisch miteinander reagieren oder eines oder beide Fluide sich an der Oberfläche der Einbauten anlagert, z. B. Krusten bildet.
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Das Problem der Krustenbildung wird mit einer Erfindung umgangen, die in
WO 2004/020902 A1 (
US 2006/0202059 ) beschrieben ist. Es handelt sich dabei um einen statischen Mischer für Brenngas mit Luft, wobei das Mischprinzip darauf beruht, die beiden Gasströme in viele kleine Gasströme aufzuteilen und diese dann unter starker Verwirbelung miteinander zu vermischen. Diese Verwirbelung führt zu einer beträchtlichen Verweilzeit, die für schnelle Reaktionen zu groß ist. Das ist besonders kritisch, wenn das vermischte Gas in einen Katalysator geleitet wird, wo eine chemische Reaktion kontrolliert ablaufen soll.
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WO 2002/089962 beschreibt einen Mikro-Mischer, bei dem ebenfalls zwei Fluide in viele kleine Ströme aufgeteilt werden. Diese gelangen dann in eine Wirbelkammer, wo sie vermischt werden. Wiederum besteht hier das Problem, dass durch starke Wirbelbildung, die Verweilzeit der Fluide im Mischer sehr hoch ist. Auch die Skalierbarkeit ist schwierig.
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Zudem beschreibt die
US 2007/0160890 A1 einen statischen Mischer, der erste, zweite und dritte Kammern, die in Flussrichtung angeordnet sind, umfasst.
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Die
US 2005/0210880 A1 betrifft eine Gasturbine, die eine Verbrennungskammer aufweist, in welche Kraftstoff und Luft aufgegeben werden, wobei Kraftstoff und Luft in dieser Verbrennungskammer als Mehrzahl von koaxialen Jets aufgegeben wird.
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Zudem betrifft die
FR 2 495 280 A1 einen Gaserzeuger, der einen Düsenkörper aufweist, der aus mehreren Düsenkörpern einstückig ausgebildet ist.
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Ausgehend vom vorliegenden Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konstruktiv einfach zu realisierende Mischvorrichtung sowie ein Verfahren zur Mischung von Fluiden anzugeben, die eine schnelle und zuverlässige Mischung der zu mischenden Fluide ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bezüglich der Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie bezüglich der Verwendungszwecke der Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Dabei stellen die jeweiligen abhängigen Patentansprüche vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Mischvorrichtung bereitgestellt, die einen ersten Düsenkörper mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen sowie mindestens einen zweiten Düsenkörper mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen umfasst, wobei der zweite Düsenkörper in Durchströmungsrichtung beabstandet und zumindest im Wesentlichen planparallel zum ersten Düsenkörper angeordnet ist und die gleiche Anzahl an Ausnehmungen wie der erste Düsenkörper aufweist und die Ausnehmungen des zweiten Düsenkörpers in Projektion auf den ersten Düsenkörper zumindest im Wesentlichen deckungsgleich mit den Ausnehmungen des ersten Düsenkörpers angeordnet sind. Unter der Projektionsrichtung ist dabei die Hauptströmungsrichtung des ersten Fluids beim Durchströmen der Mischvorrichtung zu verstehen.
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Die Ausnehmungen der Düsenkörper stellen dabei Durchbrechungen der beiden Düsenkörper dar, die ein Durchströmen der Fluide ermöglichen. Dabei können die Ausnehmungen vorzugsweise in Form von Bohrungen, also Ausnehmungen mit im Wesentlichen rundem Querschnitt darstellen. Der Abstand zwischen den beiden Düsenkörpern hängt je nach Art der vermischenden Fluide ab, beispielsweise davon, ob flüssige oder gasförmige Medien vermischt werden sollen. Vorzugsweise Abstände liegen dabei jedoch beispielsweise zwischen 0,1 und 20 cm, weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 5 cm. Die Ausnehmungen können dabei Durchmesser aufweisen, die zwischen 0,01 und 5 cm, bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 cm liegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Durchmesser der Ausnehmungen des zweiten Düsenkörper größer als der Durchmesser der Ausnehmungen des ersten Düsenkörpers. Da das zweite Fluid zwischen dem ersten und zweiten Düsenkörper eingeströmt wird, ist es vorteilhaft, den Durchmesser der Ausmessungen des zweiten Düsenkörpers zu vergrößern, um eine bessere Durchmischung zu erzielen und den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der erste und/oder zweite Düsenkörper Ausnehmungen mit einem im Wesentlichen konischen oder abgerundet konischen Querschnittsprofil aufweisen. Die einzelnen Führungskanäle können dabei einen ähnlichen Druckverlust aufweisen.
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Erfindungsgemäß weisen die Ausnehmungen des ersten und/oder des zweiten Düsenkörpers eine in Durchströmungsrichtung ausgeprägte Auskragung auf. Die Auskragung ist dabei so beschaffen, dass an die Ausnehmungen des ersten und/oder des zweiten Durchströmungskörpers in Durchströmrichtung Fortsätze angeformt sind, die eine düsenförmige Ausgestaltung der jeweiligen Ausnehmungen darstellen. Die Länge der Auskragung in Durchströmungsrichtung kann dabei beispielsweise beim ersten Durchströmungskörper bis ca. in die Mitte des Raumes, der zwischen erstem und zweitem Düsenkörper liegt, betragen, jedoch kann die Auskragung auch bis ca. auf Höhe des zweiten Düsenkörpers reichen.
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Hierbei weisen die Ausnehmungen des ersten Düsenkörpers eine in Durchströmungsrichtung ausgeprägte Auskragung auf, wobei der durch die Auskragung und den ersten Düsenkörper gebildete Raum mit einer eine Vielzahl von Durchströmungsöffnungen aufweisenden Platte abgeschlossen ist. Diese Ausführungsform sieht vor, dass beispielsweise am Ende der Auskragung eine Art Verschlussplatte vorhanden ist, die den Raum, der vom ersten Düsenkörper sowie der daran anschließenden Auskragung gebildet wird, abschließt. Die Platte weist dabei eine Vielzahl von Durchströmungsöffnungen, die beispielsweise porenförmig beschaffen sein können, auf, deren Durchmesser je nach Art des Fluides variieren kann. Vorzugsweise wird hierbei eine Sintermetallplatte verwendet, die sich insbesondere bei der Durchmischung von Gasen eignet.
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Zur weiteren Reduktion des Durchströmungswiderstandes weisen die Kanäle zur Strömungsführung des ersten und/oder des zweiten Düsenkörpers ein im Wesentlichen konisches oder abgerundet konisches Querschnittsprofil auf. Das konische Querschnittsprofil kann sich dabei auch auf die jeweiligen Auskragungen erstrecken, so dass ein stromlinienförmiger Führungskanal für die jeweiligen Fluide gebildet wird.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Mischvorrichtung mindestens einen dritten Düsenkörper mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen umfasst, wobei der dritte Düsenkörper in Durchströmungsrichtung beabstandet und zumindest im Wesentlichen planparallel zum zweiten Düsenkörper angeordnet ist und die gleiche Anzahl an Ausnehmungen wie der zweite Düsenkörper aufweist, und die Ausnehmungen des dritten Düsenkörpers in Projektion auf den zweiten Düsenkörper zumindest im Wesentlichen deckungsgleich mit den Ausnehmungen des zweiten Düsenkörpers angeordnet sind. Der dritte Düsenkörper ist somit im Anschluss an den ersten und zweiten Düsenkörper in Durchströmungsrichtung angeordnet. Eine derartige Vorrichtung eignet sich beispielsweise für die Durchmischung von drei Fluiden.
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Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Fluiden mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung angegeben, bei dem der erste Düsenkörper in Richtung des zweiten Düsenkörpers von einem ersten Fluid durchströmt und das zweite Fluid, getrennt vom ersten Fluid, in den Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Düsenkörper eingeströmt wird.
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Als bevorzugte Medien zur Durchmischung eignen sich dabei insbesondere Gase.
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Eine bevorzugte Verfahrensführung sieht vor, dass das zweite Fluid aktiv eingeströmt (z. B. unter Druck eingepumpt) oder durch den bei der Durchströmung des ersten Düsenkörpers durch das erste Fluid entstehenden Unterdruck (gemäß dem Funktionsprinzip einer Venturi-Düse) angesaugt wird. Diese beiden Verfahrensweisen sehen stets vor, dass das erste Fluid aufgrund eines Druckgefälles auf der Anströmseite der Mischvorrichtung und der Ausströmseite der Mischvorrichtung durch diese Mischvorrichtung geströmt wird. Gemäß diesem Funktionsprinzip eignet sich die weiter oben beschriebene Mischungsvorrichtung mit drei Düsenkörpern z. B. auch zur Mischung von drei unterschiedlichen Fluiden.
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Verwendung findet die Mischvorrichtung insbesondere bei der Gemischaufbereitung in Brennern, beim Claus-Verfahren, bei der Oxidation von Schwefeldioxid bei der Schwefelsäureherstellung, bei der Ammoniak-Verbrennung bei der Salpetersäureherstellung, bei der Gemischbildung in Reformierreaktoren, bei der Ammoniak-Synthese, bei der Ethylenoxid-Herstellung, bei der Fischer-Tropsch-Synthese, bei der NO-Nachoxidation oder bei der Phosgensynthese.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die genannten speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
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Dabei zeigen
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1 eine erste Ausführungsform einer Mischvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine zweite Ausführungsform einer Mischvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Mischvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
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4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Mischvorrichtung,
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5 und 6 die Ergebnisse einer CFD-Simulation der Vermischung zweier Gasströme anhand einer Mischvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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Die vorliegende Vorrichtung erlaubt es, zwei Gasströme innerhalb sehr kurzer Zeit und in sehr kleinem Volumen ohne großen apparativen Aufwand homogen miteinander zu vermischen. Die Grundidee des beispielsweise in 1 dargestellten Prinzip der Mischvorrichtung besteht darin, den ersten Fluidstrom z. B. mittels eines Lochblechs 2 in viele kleine Gasströme aufzuteilen und diese dann in vielen kleinen Mischdüsen, mit dem zweiten Fluid 3 zu vermischen. Falls weitere Fluide dazugemischt werden sollen, lassen sich weitere kleine Düsen anschließen. Die kleinen Düsen können im einfachsten Fall aus einem zweiten Lochblech 4 mit Bohrungen an denselben Stellen wie das darüber liegende erste (siehe 1) bestehen. Dies ist die bevorzugte Variante, wenn der erste Fluidstrom größer ist als der zweite, der nach dem ersten Lochblech zugegeben wird. Die Durchmesser der Bohrungen im zweiten müssen ähnlich groß wie die im ersten sein.
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Alternativ können die Bohrungen im ersten oder zweiten Lochblech durch Auskragungen auch zu Düsen ausgebildet sein (siehe 2 und 3), was besonders vorteilhaft ist, wenn beide Ströme ähnlich groß oder der zweite, der nach dem ersten Lochblech zugegeben wird, größer ist als der erste.
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Um eine gleichmäßige Zuströmung zu allen Mischstellen zu gewährleisten, können in das zweite Lochblech Strömungskanäle eingebracht werden z. B. in Form von Nuten. Diese sollten so gestaltet sein, dass sie alle den gleichen oder einen ähnlichen Druckverlust besitzen.
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Vorteile des beschriebenen Mischers sind extrem kurze Mischzeiten und homogene Vermischung aufgrund der sehr kleinräumigen Gemischbildung. Darüber hinaus ist der apparative Aufwand sehr gering, da der Mischer nur aus zwei Lochblechen besteht und keine beweglichen Teile besitzt. Ein weiterer Vorteil ist die leichte Skalierbarkeit des Prinzips zu kleineren und größeren Mischern, weil lediglich die Größe des Lochblechs und die Zahl der Bohrungen verändert werden muss.
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In 4 ist die erfindungsgemäße Ausführungsform der Mischvorrichtung ausgeführt, bei der eine ebene Sintermetallplatte 7 zwischen den beiden Lochblenden 2 und 4 eingebracht ist. Das Sinterblech weist dabei eine Vielzahl von Löchern auf, durch die eine Durchströmung des zweiten Fluids 3 möglich ist.
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In allen zuvor genannten Ausführungsformen erfolgt dabei eine Anströmung des ersten Fluids 1 auf die Vorderseite des ersten Düsenkörpers 2 (z. B. Lochblechs). Das zweite Fluid 3 wird dabei in den Zwischenraum der beiden Lochbleche 2 und 4 eingeströmt, wobei eine effiziente Vermischung der beiden Fluide erfolgt. Die beiden gemischten Fluide 5 treten an der Unterseite des zweiten Lochblechs 4 wieder aus.
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Die Vermischung findet auf kleinstem Raum statt, was sich durch Simulationsergebnisse der Vermischung zweier Gasströme leicht nachweisen lässt (siehe 5 und 6).
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Zu sehen sind Linien konstanter Konzentration in einem Ausschnitt des Lochblechs. Die Austrittsöffnungen an der Unterseite des ersten Lochblechs 2 sind etwas herunter gezogen (Auskragungen) und dadurch zu kleinen Düsen ausgeformt – wie in 2 skizziert. In 5 ist die Vermischung zweier Gasströme gezeigt, die ungefähr gleich groß sind. Es zeigt sich, dass bereits kurz nach Austritt aus dem unteren Lochblech, beide Gasströme homogen miteinander vermischt sind. In 6 ist ein Fall gezeigt, in dem der Gasstrom, der nach dem ersten Lochblech zugegeben wird ungefähr doppelt so groß ist wie der erste Gasstrom. Auch in diesem Fall sind die Gasströme kurz (d. h. nach wenigen Bohrungsdurchmessern der Löcher) nach Austritt aus dem unteren Lochblech homogen vermischt.
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Auch der erfolgreiche Einsatz dieses Mischers für die Gemischbildung bei der autothermen Reformierung beweist die Realisierbarkeit des vorgestellten Konzepts.
