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Die vorliegende Erfindung betrifft einen verstellbaren statischen Mischer sowie dessen Verwendung zum Mischen von mindestens zwei Fluiden oder mindestens einem Fluid mit mindestens einem Feststoff.
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Zum Mischen von Fluiden (Gase, Flüssigkeiten) insbesondere von hochviskosen Flüssigkeiten werden vielfach statische Mischer eingesetzt. Während bei dynamischen Mischern die Homogenisierung einer Mischung durch bewegte Organe wie z.B. Rührer erreicht wird, wird bei statischen Mischern die Strömungsenergie des Fluids ausgenutzt: eine Fördereinheit (z.B. eine Pumpe) drückt die Flüssigkeit durch ein mit statischen Mischereinbauten versehenes Rohr, wobei die der Hauptströmungsachse folgende Flüssigkeit in Teilströme aufgeteilt wird, die je nach Art der Einbauten gedehnt, geschert, miteinander verwirbelt und vermischt werden.
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Zwei Funktionsweisen statischer Mischer können unterschieden werden: distributives Mischen und dispersives Mischen. Beim distributiven Mischen erfolgt eine Aufteilung von Haupt- in Teilströmungen, wobei die Teilströmungen geometrisch zueinander verteilt und anschließend wieder zusammengefügt werden. Hierdurch wird die Gleichmäßigkeit der räumlichen Verteilung der einzelnen Mischungsbestandteile gesteigert. Die Größe von Partikel oder Tropfen bleibt beim rein distributiven Mischen gleich. Dispersives Mischen bezeichnet einen Prozess, bei dem die Größe von Partikeln oder Tropfen verringert wird. Durch Einführung von Mischelementen, die eine Scherung oder Dehnung des geförderten Fluids bewirken, werden Partikel über einen Grenzwert beansprucht und dadurch in kleinere Partikel aufgebrochen. Einen Überblick über verschiedene Typen von statischen Mischern gibt der Artikel „Statische Mischer und ihre Anwendungen", M. H. Pahl und E. Muschelknautz, Chem.-Ing.-Techn. 52 (1980) Nr. 4, S. 285–291.
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Statische Mischer werden unter anderem in Reaktoren eingesetzt, um eine Vermischung der Reaktionskomponenten herbeizuführen. Es ist bekannt, dass die Eigenschaften der Mischer hier unmittelbaren Einfluss auf die Produkteigenschaften ausüben können. Insbesondere die Scherkräfte, die auf das Mischgut einwirken, vermögen die Produktqualität zu beeinflussen (siehe z.B.
EP1055691B1 ,
EP747409B1 ). Da die beschriebenen statischen Mischer über eine vorgegebene Geometrie verfügen, sind die Wirkungen auf das Mischgut weitestgehend festgelegt und es lässt sich nur über die Fließgeschwindigkeit des Fluids Einfluss auf die Mischwirkung nehmen. Dabei ist die Fließgeschwindigkeit des Fluids jedoch nicht frei wählbar, sondern unterliegt reaktionstechnischen Bedingungen (z.B. Verweilzeit). Daher gibt es eine Reihe von verschiedenen statischen Mischern, die für verschiedene Mischaufgaben bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten optimiert sind. Eine Auswahl an statischen Mischern findet sich in
M.H. Pahl (Hrsg.): „Mischen von Kunststoff- und Kautschukprodukten", VDI-Verlag, 1993, S. 351–391.
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Da heutige Reaktoren für die Herstellung verschiedener Produkte eingesetzt werden, bedeutet dies, dass bei jedem Produktwechsel ein entsprechend geeigneter Mischer eingesetzt werden muss. Die Auswechselung von Anlagenteilen eines Reaktors ist kosten- und zeitaufwändig und sollte vermieden werden.
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Aus dem Stand der Technik sind statische Mischer bekannt, deren Eigenschaften in einem gewissen Bereich verstellbar sind. Solche verstellbaren Mischer können für verschiedene Mischaufgaben eingesetzt werden, so dass ein Wechsel des Mischers beim Wechsel der Mischaufgabe (z.B. bei einem Produktwechsel) entfällt. Ein Beispiel eines verstellbaren statischen Mischers ist in
US2006/0268660A1 beschrieben. Der Mischer verfügt über zwei hintereinander gelagerte Mischelemente, von denen das erste innerhalb eines Rohres fixiert ist und das zweite gegenüber dem ersten drehbar gelagert ist. Die Mischelemente verfügen über eine spezielle Öffnungsgeometrie. Durch Verdrehen des zweiten Mischelements gegenüber dem ersten kann die Mischwirkung des ersten Mischelements verstärkt werden. Nachteilig an dem beschriebenen Mischer ist, dass nur distributives Mischen ermöglicht wird und die Variabilität der Mischwirkung eingeschränkt ist.
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In
EP0095791B1 ist ein verstellbarer statischer Mischer beschrieben, der über eine Vielzahl von axial in einem rohrförmigen Behälter angeordneten Mischführungen verfügt, die jeweils um eine transversale Achse zum Behälter drehbar gelagert sind. Durch Einstellung des Winkels der Mischführungen zur Strömungsrichtung kann die Mischwirkung des Mischers variiert werden. Nachteilig ist, dass für jedes einzelne Element eine eigene Vorrichtung zur Einstellung des Winkels existiert, die durch die Behälterwand geführt wird und damit gegenüber dem Behälter abgedichtet werden muss. Soll die Variationsbreite erhöht werden, so sind weitere Mischführungen und damit weitere Durchführungen, die abgedichtet werden müssen, notwendig. Weiterhin erlaubt auch dieser Mischer nur distributives Mischen.
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Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich damit die Aufgabe, einen statischen Mischer bereitzustellen, dessen Mischwirkung variiert werden kann. Die Variation der Mischwirkung soll auf einfache Weise möglich sein, am besten durch eine einzige Verstellmöglichkeit, um Abdichtungsprobleme zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Dabei soll die Variationsbreite der Mischwirkung möglichst hoch sein. Die Variation soll die dispersive und/oder distributive Mischwirkung betreffen.
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Überraschend wurde gefunden, dass diese Aufgabe durch einen statischen Mischer gelöst werden kann, bei dem ein in einem Hohlzylinder mit strömungsführenden Elementen konzentrisch angeordneter Mischkörper gegenüber dem Hohlzylinder in Umfangsrichtung verdreht werden kann.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein statischer Mischer, umfassend eine Welle, ein oder mehrere auf der Welle zentrisch gelagerte Mischkörper und ein um den Mischkörper konzentrisch angeordneter Hohlzylinder mit strömungsführenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass Mischkörper und Hohlzylinder gegeneinander verdreht werden können.
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Nachfolgend wird der Hohlzylinder mit den strömungsführenden Elementen auch als äußerer Mischkörper und der in dem Hohlzylinder auf der Welle zentrisch gelagerte Mischkörper auch als innerer Mischkörper bezeichnet.
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Durch die Verdrehung des drehbar gelagerten inneren Mischkörpers und des statisch gelagerten äußeren Mischkörpers relativ zueinander wird die Wirkung des gesamten statischen Mischers hinsichtlich distributiven und/oder dispersiven Mischens variiert. Dabei kann sowohl der innere Mischkörper statisch gelagert und der äußere Mischkörper drehbar gelagert sein, oder der innere Mischkörper drehbar gelagert und der äußere Mischkörper statisch gelagert sein, oder beide Mischkörper können drehbar gelagert sein. Bevorzugt ist der innere Mischkörper drehbar gelagert und der äußere Mischkörper statisch gelagert.
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Die Ausführung aus einer Vielzahl an statisch gelagerten Mischkörpern und drehbar gelagerten Mischkörpern erlaubt eine modulare Bauweise des statischen Mischers: es können einzelne Mischkörper hinzugefügt oder entfernt werden, um einerseits die Variationsbreite der distributiven und dispersiven Mischwirkung zu verändern oder die Variation in einen anderen Parameterbereich zu verschieben und andererseits durch Kombination verschiedener Mischkörper unterschiedliche Mischwirkungen einzustellen. Dazu sind die statisch bzw. drehbar gelagerten Mischkörper bevorzugt so ausgeführt, dass sie mit weiteren Mischkörpern verbunden werden können und/oder dass sie sich mittels einer Vorrichtung in eine definierte Anordnung zueinander bringen lassen.
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Durch die Verdrehung des inneren und äußeren Mischkörpers relativ zueinander wird die Wirkung des statischen Mischers hinsichtlich distributiven und/oder dispersiven Mischens variiert.
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Überraschend wurde gefunden, dass der erfindungsgemäße Mischer sowohl die Variation der dispersiven Mischwirkung als auch die Variation der distributiven Mischwirkung als auch die kombinierte Variation von dispersiver und distributiver Mischwirkung ermöglicht. Dabei zeichnet sich der erfindungsgemäße Mischer durch eine überraschend einfache Grundidee aus, die eine breite Variation der Mischwirkung durch eine einzige Verstellmöglichkeit erlaubt. Durch diese einzige Verstellmöglichkeit reduziert sich die Abdichtungsproblematik auf ein Minimum: es muss nur eine Durchführung zwischen Fluid und Bediener des statischen Mischers abgedichtet werden.
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Die Welle und der zentrisch auf der Welle gelagerte Mischkörper können separate Elemente sein oder aus einem Stück gefertigt sein.
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Weiterhin ist es möglich, dass der innere Mischkörper nicht nur aus einem Element besteht, sondern eine Vielzahl an Mischkörperelementen umfasst. Alle Mischkörperelemente des inneren Mischkörpers zusammengefasst werden hier ebenso als innerer Mischkörper verstanden. Analog kann auch der äußere Mischkörper aus einem Stück gefertigt sein oder eine Vielzahl an Mischkörperelementen umfassen. Alle Mischkörperelemente des äußeren Mischkörpers zusammengefasst werden hier ebenso als äußerer Mischkörper verstanden. Die Ausführung aus je einer Vielzahl an Elementen des inneren und äußeren Mischkörpers erlaubt eine modulare Bauweise des statischen Mischers: es können einzelne Elemente hinzugefügt oder entfernt werden, um einerseits die Variationsbreite der Mischwirkung zu verändern oder die Variation in einen anderen Parameterbereich zu verschieben und andererseits durch Kombination verschiedener Elemente verschiedene Mischwirkungen – distributive wie dispersive – einzustellen. Dazu sind die Mischkörperelemente bevorzugt so ausgeführt, dass sie mit weiteren Mischkörperelementen verbunden werden können und/oder dass sie sich mittels einer geeigneten Vorrichtung in eine definierte Anordnung zueinander bringen lassen.
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Die Mischkörper weisen mehrere Einlaufkanäle auf, die konstruktiv so gestaltet sind, dass bei Zuströmung des Fluids eine Aufteilung auf zwei Teilströme erfolgt (distributives Mischen). Die Teilströme wiederum laufen danach radial über die düsenförmig zulaufenden Strömungskanäle. Dabei werden ggf. vorhandene hochviskose Partikel oder flüssige Tropfen im flüssigen Medium gestreckt und gedehnt (dispersive Mischwirkung).
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die inneren und/oder äußeren Mischkörper auf der einen Seite (der Strömung zugewandten Seite) Vorsprünge und Aussparungen auf, beispielsweise in Form von Zacken, Trichtern und/oder Rundungen, und auf der gegenüberliegenden Seite (der Strömung abgewandten Seite) korrespondierende Aussparungen und Vorsprünge, die ein Ineinanderstecken von mehreren Mischkörpern erlauben. Das heißt, dass einer Aussparung auf der der Strömung zugewandten Seite ein Vorsprung auf der der Strömung abgewandten Seite zugeordnet ist und umgekehrt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Vorsprünge und Aussparungen in der Form von ein oder mehreren, bevorzugt ein, zwei, drei, vier oder fünf konzentrischen Ringen um die Welle angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Mischkörper Bohrungen auf, so dass die Elemente auf eine geeignete Vorrichtung gesteckt und so in definierter Weise zueinander angeordnet werden können. Konkrete Ausführungsformen sind in den Beispielen gezeigt.
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Zumindest der innere Mischkörper des erfindungsgemäßen Mischers weist Strömungsteiler auf, zwischen denen Kanäle angeordnet sind. Als Strömungsteiler können die bereits beschriebenen Vorsprünge dienen, insbesondere wenn diese zackenförmig sind. Die Strömungsteiler sorgen für eine Aufteilung von Haupt- in Teilströme, wobei die Teilströme in die zwischen den Strömungsteilern angeordneten Kanäle verteilt werden. Die Kanäle können über einen gleichbleibenden Kanalquerschnitt verfügen, sie können konvergent oder divergent sein. Ebenso ist es möglich, konvergente und divergente Kanäle und Kanäle mit gleichbleibendem Kanalquerschnitt in einem Mischkörper zu kombinieren.
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Die Strömungsteiler und Kanäle sind bevorzugt rotationssymmetrisch um die Welle angeordnet.
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Der äußere Mischkörper des erfindungsgemäßen Mischers weist strömungsführende Elemente auf. Bei diesen strömungsführenden Elementen kann es sich um Aussparungen handeln, die in die Innenseite des äußeren Mischkörpers eingelassen sind. Es kann sich auch um Vorsprünge handeln, die von der Innenseite des äußern Mischkörpers in das Innere des äußeren Mischkörpers ragen. Ebenso können Aussparungen und Vorsprünge miteinander kombiniert werden. Bevorzugt sind die strömungsführenden Elemente rotationssymmetrisch angeordnet und ausgeführt.
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Der erfindungsgemäße Mischer weist eine Verstellmöglichkeit auf, die es erlaubt, den äußeren und den inneren Mischkörper relativ zueinander zu bewegen, wobei die Bewegung eine relative Drehung vom äußeren Mischkörper gegenüber dem inneren Mischkörper umfasst. Die Drehung erfolgt um die gemeinsame Achse, die zentrisch durch die Welle des Mischers verläuft; die Drehung erfolgt also in Umfangsrichtung. Neben der Drehung ist auch eine parallele, das heißt axiale, Verschiebung von äußerem und inneren Mischkörper gegeneinander möglich, so dass eine schraubenförmige oder rein axiale Bewegung resultiert.
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Über die Verstellmöglichkeit des äußeren Mischkörpers relativ zum inneren Mischkörper kann die Anordnung der strömungsführenden Elemente des äußeren Mischkörpers in Bezug zu den Kanälen des inneren Mischkörpers verändert werden. Eine feste Anordnung stellt einen statischen Mischer mit festgelegter Mischwirkung dar. Durch Veränderung der Anordnung wird die Mischwirkung verändert. Dabei kann eine dispersive Mischwirkung oder eine distributive Mischwirkung oder eine Kombination von dispersiver und distributiver Mischwirkung verändert werden. Veränderung bedeutet, dass eine Mischung, die einen Mischer mit einer gegebenen Anordnung passiert, andere physikalische und/oder chemische Eigenschaften aufweist als dieselbe Mischung, die denselben Mischer mit einer anderen Anordnung passiert.
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Die Anordnung von Mischkörper und Hohlzylinder ist bevorzugt in ein Rohr eingebracht. Das Rohr verfügt über eine Durchführung für die Verstellmöglichkeit. Weiterhin verfügt das Rohr über mindestens einen Einlass und einen Auslass für die Zuführung von Fluiden oder Fluidmischungen und für die Abfuhr von Fluiden und Fluidmischungen. Alternativ ist denkbar, dass der äußere Mischkörper selbst als Rohr fungiert.
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Zusätzlich können dem erfindungsgemäßen Mischer als Mischeinbauten ein oder mehrere aus dem Stand der Technik bekannte Mischer, beispielsweise SMX-Mischer vorgeschaltet werden, so dass der erfindungsgemäße Mischer mit einer grob vorgemischten Mischung beaufschlagt wird.
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Zusätzlich oder alternativ können dem erfindungsgemäßen Mischer als Mischeinbauten ein oder mehrere aus dem Stand der Technik bekannte Mischer, beispielsweise SMX-Mischer, nachgeschaltet werden. Durch Kombination des erfindungsgemäßen Mischers mit weiteren statischen Mischern wird die Mischwirkung verbessert.
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Zusätzlich oder alternativ kann der erfindungsgemäße Mischer mehrfach hintereinander angeordnet werden. Bevorzugt sind dabei die inneren Mischkörper auf einer einzigen Welle angeordnet.
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Die Teile des erfindungsgemäßen Mischers, insbesondere äußerer und innerer Mischkörper, können aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein. Bevorzugt werden übliche Stähle, wie 1.4404, 1.4571, etc., eingesetzt. Als Kunststoffe kommen beispielsweise PMMA, Polypropylen, ABS, o.a. zum Einsatz. Die Teile werden bevorzugt durch gängige Urform- und Bearbeitungsverfahren erzeugt, dazu zählen Fräsen, Erodieren, Gießen, Spritzgießen, Kleben, Löten, Verschweißen, etc.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Mischers zur Mischung von mindestens zwei Fluiden oder mindestens einem Fluid mit mindestens einem Feststoff. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Mischer zum Mischen von viskosen Fluiden eingesetzt, das heißt, mindestens eines der Fluide ist viskos. Unter viskosen Fluiden werden Substanzen mit einer Viskosität höher als 1000 mPas gemessen mittels Scherrheometer, bevorzugt mittels eines Platte-Platte- oder eines Kegel-Platte-Rheometers, vgl. z.B. M. Pahl, W. Gleissle, H.-M. Laun: „Praktische Rheologie der Kunststoffe und Elastomere", VDI-Verlag, 1995, S. 57–72) verstanden. Die Viskosität der zu mischenden Fluide kann ähnlich sein oder sich deutlich unterscheiden, z.B. bei der Dispergierung von Gasen in hochviskosen Fluiden. Viskositätsverhältnisse von hochviskoser zu niederviskoser Phase liegen bevorzugt in einem Bereich von 1–106. Dabei werden die Viskositäten der Fluide der hochviskosen und niederviskosen Phase, soweit es sich um Flüssigkeiten handelt, möglichst mit dem gleichen Rheometer und unter den gleichen Bedingungen bestimmt. Wenn es sich bei dem niederviskosen Fluid um ein Gas handelt, wird der Wert der Viskosität aus der Literatur entnommen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
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1 bis 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers mit einem äußeren und einem inneren Mischkörper, die relativ zueinander bewegt werden können. In dieser Ausführungsform erfolgt durch Drehung des äußeren Mischkörpers relativ zu einem inneren Mischkörper eine Variation der dispersiven Wirkung des Mischers.
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Der innere Mischkörper wird aus einer Vielzahl von identischen Mischkörperelementen gebildet, die ineinander gesteckt werden können (1, 2, 3). Die Mischkörperelemente sind auf eine gemeinsame Welle gesteckt. Die Drehung erfolgt durch eine Zentralwelle, welche durch das gesamte Gehäuse läuft (4). So können alle Mischkörperelemente über eine einzige Verstellmöglichkeit gegenüber dem äußeren Mischkörper bewegt werden.
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1 zeigt den Längsschnitt eines Mischkörperelements des inneren Mischkörpers und die Durchströmungsrichtung von links nach rechts. In den Zulaufkammern sammelt sich das Fluid und wird aufgrund des Vordrucks über die schmalen Außenstege in die radial daneben liegende Kammer gepresst. Zum Auslauf hin sind die Kammern versetzt angeordnet, was ein Auslaufen der zu mischenden Flüssigkeit ermöglicht. Nach Sammlung in der Kammer erfolgt die nächste Passage über die Außenstege des stromabwärts gelegenen Kammerteils.
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2 zeigt die Querschnitte eines Mischkörperelements in den Positionen AA, BB und CC. Die Kanäle für den Zulauf sind in Schnitt AA zu erkennen, die Kanäle für Zu- und Ablauf sind in Schnitt BB zu erkennen, und die Kanäle für den Ablauf sind in Schnitt CC zu erkennen.
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3 zeigt den äußeren Mischkörper mit innenliegender Anordnung der Elemente, welche die Kammern in Form von Aussparungen aufweisen. Der äußere Mischköper weist Aussparungen auf, die ebenfalls bevorzugt rotationssymmetrisch angeordnet sind. Durch diese Aussparungen werden Kanäle gebildet, die zwischen dem inneren Mischkörper und dem äußeren Mischkörper verlaufen.
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Diese Kanäle sind hier als Scherkanäle ausgestaltet. Der äußere Mischkörper kann gegenüber dem inneren Mischkörper gedreht werden. Dadurch lässt sich die Spaltbreite zwischen äußeren Mischkörper und inneren Mischkörper variieren. Durch die Variation der Spaltbreite wird eine Variation der Scherrate in der Strömung bewirkt, die die Teilströme aus den Verteilerkanälen in die Sammelkanäle führt.
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3 zeigt die Anordnungen für maximales (3, 1)), mittleres (3, 2)) und minimales (3, 3)) dispersives Mischen. Die Einstellung des Mischers in 3, 1) weist einen hohen Anteil an engen radialen Strömungskanälen auf, wodurch dispersives Mischen befördert wird. Das Fluid ist nach Durchströmung der Zulaufkanäle gezwungen, diese Stellen zu passieren, um über die Ablaufkanäle abzufliessen. Je geringer der Anteil an engen Strömungskanälen und/oder je weniger eng die Strömungskanäle sind, desto geringer ist die dispersive Mischwirkung (3, 2) und 3)). Ein Strömungskanal wird dabei erfindungsgemäß als eng bezeichnet, wenn er einen verglichen mit anderen Strömungskanälen oder anderen Einstellungen von Strömungskanälen geringen Querschnitt aufweist.
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4 zeigt in einem Längsschnitt eines verstellbaren statischen Mischers die Anordnung der Mischkanäle. Das zu mischende Fluid tritt über den Eingangskanal ein und durchfließt die auf der Zentralwelle (10) angeordneten Mischkörperelemente (22) nach und nach, wobei das Fluid radial über die einzelnen Außenseiten der Elemente Kammerelemente passiert. Am Ende tritt das dispergierte/gemischte Fluid aus dem Mischer aus. Die Zentralwelle (10) lässt sich über einen Zeiger (14) hinsichtlich der Dispergier- und Mischwirkung einstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1055691 B1 [0004]
- EP 747409 B1 [0004]
- US 2006/0268660 A1 [0006]
- EP 0095791 B1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Artikel „Statische Mischer und ihre Anwendungen“, M. H. Pahl und E. Muschelknautz, Chem.-Ing.-Techn. 52 (1980) Nr. 4, S. 285–291 [0003]
- M.H. Pahl (Hrsg.): „Mischen von Kunststoff- und Kautschukprodukten“, VDI-Verlag, 1993, S. 351–391 [0004]
- M. Pahl, W. Gleissle, H.-M. Laun: „Praktische Rheologie der Kunststoffe und Elastomere“, VDI-Verlag, 1995, S. 57–72 [0031]
