DE102011077130A1

DE102011077130A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE102011077130A1
Application number: DE102011077130A
Authority: DE
Inventors: Stefan Blendinger; Vladimir Danov; Werner Hartmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13
Also published as: CN203090797U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung mit einem zumindest abschnittsweise rotationssymmetrischen Mischraum (4), der zumindest abschnittsweise durch eine äußere Wand (6) und eine innere Wand (8) begrenzt ist, wobei beide Wände (6, 8) zumindest abschnittsweise jeweils einen kegelstumpfförmigen Körper (10, 12) bilden und diese kegelstumpfförmige Körper (10, 12) so zueinander angeordnet sind, dass sie um eine Rotationsachse (14) herum einen konzentrischen Mischspalt (16) bilden, wobei der innere Radius des Mischspaltes (16) sich bezüglich einer Förderrichtung kontinuierlich vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Je nach Anwendung werden in der Industrie zum Homogenisieren und Mischen von Flüssigkeiten und mehrphasigen Suspensionen auch Rührer verwendet, die sehr hohe Scherraten erzeugen können. Solche Rührer werden besonders dann angewandt, wenn die Scherrate für die Durchführung einer Reaktion oder zur Zerschlagung von Agglomeraten notwendig ist. Ein typisches Anwendungsfeld für Hochscherraten-Mischer, also Mischer, die hohe Scherraten erzeugen, sind die nassmechanischen Trennverfahren, wie sie beispielsweise im Bereich der Mineralgewinnung verwendet werden.
Rührer, die eine hohe Scherrate aufweisen, sind bereits Stand der Technik. Es gibt sie in verschiedenen Formenausführungen. Die hohe Scherrate wird durch Erzeugung von hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder durch schnell bewegte Bauteile bzw. Wände erzeugt. Im Folgenden wird auf die fünf typischen Bauformen eingegangen.
Stabmixer sind Mischvorrichtungen, die einen überdimensionalen Stabmixer ähneln. Diese Ausgestaltung kann aber wirtschaftlich nur im Batch-Betrieb oder bei kleineren Durchflussraten angewandt werden. Diese Art des Rührers ist nicht ohne weiteres auf große Mengen Durchläufe hochskalierbar.
Homogenisator: Hierbei werden zu homogenisierenden Stoffe in einen Raum gegeben, wo sich je nach Bauform schnell rotierende zylinderförmige Teile befinden. Dadurch wird eine sehr hohe Scherrate erzeugt. In der Regel gibt es diese Lösung nicht für sehr hohe Durchsätze.
T-Mischer oder Düsen: Das Prinzip beruht darauf, dass man eine Flüssigkeit durch eine verengte Stelle auf Geschwindigkeit von ca. 20 m/s beschleunigt und dadurch hohe Scherraten erzeugt. Da die Funktion dieser Mischmethode von den erzeugten Grenzschichten abhängt, ist diese Mischtechnik nur über hohe Stückzahlen rentabel.
Mühle: Bei Mühlen wird die hohe Scherrate durch die Relativbewegung zwischen den Füllkörpern einer Mühle erzeugt. Diese Lösung wäre großtechnisch darstellbar, d.h. also, es kann auch ein höherer Umsatz damit erzielt werden, sie weist jedoch eine hohe Energieintensivität auf und ist somit weniger umweltfreundlich und sehr teuer.
Der Attritor: Attritoren dienen neben dem Mahlen der Feststoffe auch der Abtrennung von Schichten sehr feinen Materials von den Trägerpartikeln (z. B. Bodenwäsche). Die Scherung der Feststoffsuspension wird durch rotierende Einbauten erzeugt. Attritoren werden diskontinuierlich, also im Batch-Betrieb, betrieben.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlich arbeitende Mischvorrichtung bereitzustellen, die sehr hohe Scherkräfte erzeugen kann, die einen vergleichsweise hohen Durchlauf bewältigt und dabei energiesparend ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 umfasst zumindest abschnittsweise einen rotationssymmetrischen Mischraum, der wiederum zumindest abschnittsweise durch eine äußere Wand und eine innere Wand begrenzt ist. Wiederum in einem bestimmten Abschnitt des Mischraums bilden sowohl die äußere Wand als auch die innere Wand einen kegelstumpfförmigen (konusförmigen) Körper, die zueinander so angeordnet sind, dass sie bezüglich einer Rotationsachse einen konzentrischen Mischspalt bilden. Dieser konzentrische Mischspalt weist dabei einen inneren Radius auf, der aufgrund des kegelstumpfförmigen Verlaufes der innen begrenzenden Wand sich bezüglich einer Förderrichtung kontinuierlich vergrößert.
In diesem Mischspalt werden zwischen den beiden Wänden durch die Kombination der Beschleunigung der Flüssigkeit durch die Verkleinerung des Querschnittes und der überlagerten Rotationsgeschwindigkeit mindestens an einer der Wand sehr hohe Scherraten erzeugt. Hierbei handelt es sich um ein kontinuierliches Verfahren, da durch die kontinuierliche Vergrößerung des Mischspaltradius die Suspension infolge der Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt wird und den Mischspalt mit erhöhter Geschwindigkeit verlässt. Nach Verlassen des Mischspaltes ist somit ein gutes Mischergebnis eingetreten. Durch die Geschwindigkeit der Suspension kann diese in eine weitere Rohrleitung bzw. in einen Auslass der Mischvorrichtung abgefördert werden.
Hierbei kann es zudem zweckmäßig sein, dass der innere kegelstumpfförmige Körper bezüglich der Rotationsachse axial verschiebbar angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Mischer über einen breiten Volumenbereich bei konstanter Scherrate zu betreiben. Ebenfalls zweckmäßig ist es, wenn eine Beeinflussung einer Scherrate hierbei durch die Regelung der Drehzahl erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn eine axiale Bewegung des inneren kegelstumpfförmigen Körpers mit einer definierten Kraft vorgespannt ist. Auf diese Art und Weise stellt sich stets eine Mischspaltbreite ein, die proportional zum Volumenstrom ist.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die innere und/oder die äußere Wand der Mischvorrichtung Topographieunregelmäßigkeiten aufweisen, die dem ansonst übergeordneten konischen Verlauf überlagert sind. Es können also beispielsweise Radien, Winkel oder Wellen eingearbeitet sein, die bei der Rotation des kegelstumpfförmigen Körpers weiter ansteigende Scherkräfte induzieren.
In der beschriebenen Ausgestaltungsform ist die Mischvorrichtung als kombinierte Misch- und Fördereinrichtung betreibbar. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Mischvorrichtung diskontinuierlich zu betreiben, so dass lediglich ein Mischvorgang in einem definierten Raum stattfindet.
Die Beschleunigung der Suspension, die im Mischspalt aufgrund der Querschnittsverengung eintritt, kann zudem in der Art und Weise genutzt werden, dass ein Fluid über einen weiteren Einlass im Bereich des Mischspaltes eingeführt wird, das hierbei beschleunigt wird und der Suspension untergemischt wird.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei handelt es sich um eine rein exemplarische beispielhafte Darstellung, deren Kombination keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Mischvorrichtung mit zwei konischen bzw. kegelstumpfförmigen Körpern,
2 eine Mischvorrichtung gemäß 1 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln der kegelstumpfförmigen Körper.
In 1 ist eine Mischvorrichtung abgebildet, die sowohl eine innere Wand 8 als auch eine äußere Wand 6 aufweist, wobei sowohl die äußere Wand 6 als auch die innere Wand 8 in einem größeren Abschnitt der Mischvorrichtung so geformt sind, dass sie einen kegelstumpfförmigen Körper, also einen inneren kegelstumpfförmigen Körper 10, und einen äußeren kegelstumpfförmigen Körper 12 bilden. Diese beiden Körper sind rotationssymmetrisch ineinandergesetzt, also konzentrisch so angeordnet, dass sie wiederum einen konzentrischen Mischspalt 16 bilden. Der Mischspalt 16 ist Teil des gesamten Mischraumes 4. Der innere kegelstumpfförmige Körper 10 ist mit einer Antriebswelle 32 verbunden, die über Dichtungen 26 und Lager 24 mit einem Antrieb 22 in Verbindung steht, wodurch der innere Körper 10 in eine Rotationsbewegung, die durch den Pfeil 36 veranschaulicht ist, bewegt werden kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, den äußeren kegelstumpfförmigen Körper 12, wie durch den Pfeil 38 veranschaulicht ist, in gleicher oder entgegengesetzter Richtung zu bewegen. Die hierfür benötigte Antriebsvorrichtung ist in der Figur nicht explizit dargestellt.
Zum Betrieb der Mischvorrichtung wird nun eine Suspension im Einlass 28 eingespritzt, sie gelangt dabei in den Mischraum 4, der gegebenenfalls an seiner äußeren Geometrie winkel- oder rillenförmige Topographieunterschiede aufweist, die auch den Gesamtverlauf der äußeren Wand nicht makroskopisch beeinträchtigen. Durch diese Topographieunterschiede können besonders hohe Scherraten erzeugt werden. Die Suspension wird entlang der Förderbewegung 40 in den konzentrisch zur Rotationsachse 14 verlaufenden Mischspalt gefördert. Aufgrund der kegelstumpfförmigen Ausrichtung des inneren Körpers 10 und des äußeren Körpers 12 weitet sich der Radius des Mischspaltes 16 entlang der Förderbewegung kontinuierlich auf. Hierbei kann, wie dies in 2 alternativ dargestellt ist, der innere Körper einen anderen Öffnungswinkel ϕ seines Kegelstumpfes bzw. genauer gesprochen des dazugehörigen Kegels aufweisen, als dies der kegelstumpfförmige Körper 12 der äußeren Wand 6 aufweist. Hierdurch kann auch eine zusätzliche Verengung des konzentrischen Mischspaltes 16 entlang der Förderbewegung 40 erfolgen.
Durch die Rotation und die Aufweitung des Mischspaltradius wird die Suspension infolge der Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt und verlässt den Mischspalt in der Höhe der Geschwindigkeit. In einem nachfolgenden Strömungsraum 40 vergrößert sich der Querschnitt und die Strömungsgeschwindigkeit wird gebremst, wodurch ein hoher Druck der Suspension entsteht. Auf diese Weise kann die Mischvorrichtung 2 auch als Förderorgan eingesetzt werden, die Suspension wird über den Auslass 30 aus der Mischvorrichtung 2 abgeführt.
Es kann auch zweckmäßig sein, dass die kegelstumpfförmigen Körper 10 und 12 an ihren, den Mischspalt 16 bildenden, Oberflächen Topographieunterschiede in Form von Rotationsgeometrien, die Radien, Winkeln und/oder Wellen aufweisen, was ebenfalls die Scherrate positiv beeinflusst. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, dass wenigstens eine der beiden kegelstumpfförmigen bzw. konusförmigen Körper 10 bzw. 12 entlang der Rotationsachse beweglich angeordnet ist. Im vorliegenden Fall der 1 ist dies der innere Körper 10, der entlang des Pfeiles 34 axial bezüglich der Rotationsachse 14 bewegbar ist. Zudem ist es hierbei zweckmäßig, wenn die Bewegung des Körpers 10 in Richtung des Auslasses 30 durch eine Feder vorgespannt ist. Auf diese Weise lässt sich eine Steuerung der Scherrate einstellen und es kann so durch eine feste Einstellung des Mischspaltes 16 dieser proportional zum anliegenden Volumenstrom eingestellt werden. Zudem ist es auch zweckmäßig, neben dem Mischspaltdurchmesser auch die Rotationsgeschwindigkeit zur Regulierung der Schwerrate zu kontrollieren.
In 2 ist nahe des Ausgangs des Mischspaltes 16 ein zusätzlicher Einlass 20 eingezeichnet, durch den gegebenenfalls ein weiteres Fluid in den Mischraum 4 eingebracht wird, aufgrund des hohen, dort vorherrschenden Druckes, wird dieses zusätzliche Fluid homogen in die Suspension eingemischt.

Claims

Mischvorrichtung mit einem zumindest abschnittsweise rotationssymmetrischen Mischraum (4), der zumindest abschnittsweise durch eine äußere Wand (6) und eine innere Wand (8) begrenzt ist, wobei beide Wände (6, 8) zumindest abschnittsweise jeweils einen kegelstumpfförmigen Körper (10, 12) bilden und diese kegelstumpfförmige Körper (10, 12) so zueinander angeordnet sind, dass sie um eine Rotationsachse (14) herum einen konzentrischen Mischspalt (16) bilden, wobei der innere Radius des Mischspaltes (16) sich bezüglich einer Förderrichtung kontinuierlich vergrößert.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel α des durch die innere Wand (8) gebildeten kegelstumpfförmigen Körpers (10) größer ist als der Öffnungswinkel α des durch die äußere Wand (6) gebildeten kegelstumpfförmigen Körpers (12).
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere kegelstumpfförmige Körper (10) bezüglich der Rotationsachse (14) axial verschiebbar angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere kegelstumpfförmige Körper (10) axial durch eine Feder vorgespannt ist.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beeinflussung einer Scherrate durch eine Drehzahlregelung erfolgt.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der innere kegelstumpfförmige Körper (10) als auch der äußere Kegelstumpfförmige Körper (12) bezüglich der Rotationsachse (14) drehbar angeordnet sind.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der inneren Wand (8) und oder der äußeren Wand (8) Topographieunregelmäßigkeiten (18), insbesondere Radien, Winkel, Wellen eingearbeitet sind.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (2) als kombinierte Misch- und Fördereinrichtung ausgestaltet ist.
Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des konzentrischen Mischspaltes ein weiterer Einlass (20) für ein Fluid vorgesehen ist.