DE10231213A1 - Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten - Google Patents

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Es wird eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten mit wenigstens einem Zentralrohr, wenigstens zwei Zuführeinrichtungen zum Einbringen von Flüssigkeiten in das Zentralrohr und wenigstens einer Mischvorrichtung beschrieben. Um die Möglichkeit zu schaffen, das Zentralrohr von Mischvorrichtungen freizuhalten, weist die Mischvorrichtung einen in einer Zuführeinrichtung angeordneten, dem Zentralrohr vorgeschalteten Mischkopf, in welchem wiederum wenigstens zwei Zuführleitungen enden, und/oder einen dem Zentralrohr nachgeordneten Mischer und/oder im Zentralrohr mündende Gasleitung zum Einblasen eines Inertgases auf (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Sollen zwei oder mehr Flüssigkeiten in einem großtechnischen Prozess vermischt werden, oder sollen diese zu einem oder mehreren Stoffen miteinander reagieren, so werden die betreffenden Flüssigkeiten in der Regel in relativ großen Mengen in einen Reaktionsbottich entsprechender Größe eingefüllt und in diesem mittels eines Rührers gerührt, bis eine vollständige Durchmischung erfolgt bzw. die gewünschte Reaktion abgelaufen ist. Diese Vorgehensweise ist aus Sicht der Prozessführung und hinsichtlich des apparativen Aufwandes zwar einfach, bringt jedoch auch erhebliche Nachteile mit sich.
  • Um wirtschaftlich arbeiten zu können, werden in der Regel relativ große Ansätze mit zum Teil mehreren hundert Kilogramm Chemikalien gemacht, was zum einen dazu führt, dass bei einer Fehlreaktion oder eines Bedienungsfehlers große Mengen an Chemikalien verworfen werden müssen, was natürlich sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht nachteilig ist. Weiterhin bergen diese gleichzeitig umgesetzten großen Chemikalienmengen zumindest dann eine Gefahr, wenn es sich hierbei um reaktive Chemikalien handelt, oder die beabsichtigte Reaktion stark exotherm verläuft.
  • Weiterhin ist nachteilig, dass die Qualität immer nur chargenweise überprüft werden kann, d.h. es muss abgewartet werden, bis der gesamte Ansatz vollständig vermischt bzw. vollständig abreagiert ist, bevor getestet werden kann, ob das erzielte Ergebnis den gesetzten Qualitätsmaßstäben entspricht. Wird das gesteckte Ziel nicht erreicht, muss auch hier die gesamte Charge verworfen werden, was aus den oben genannten Gründen auch hier nachteilig ist.
  • Ein dritter Nachteil besteht darin, dass bei einem Produktwechsel der Rührbottich und die Rührwerkzeuge gereinigt werden müssen, was in der Regel nur manuell möglich ist. Zum einen ist dies eine schwere körperliche Arbeit, die schon aus Arbeitsschutzgründen möglichst vermieden werden sollte, weiterhin ist eine solche manuelle Reinigung in der Regel sehr zeitaufwendig, was zu entsprechend langen Umrüstzeiten führt.
  • Ein Teil der oben dargestellten Nachteile können mit einer in der EP 0 695 790 beschriebenen Vorrichtung, die zur Herstellung eines Lackes dient, überwunden werden. Hier werden die Ausgangschemikalien in einem kontinuierlichen Prozess einem länglichen Reaktor zugeführt, in welchem sie mittels eines Doppelschneckenextruders vermischt werden und in welchem auch die Reaktion zum gewünschten Endprodukt erfolgt. Dieses Verfahren hat gegenüber dem oben dargestellten Verfahren den Vorteil, dass zum einen eine kontinuierliche Qualitätskontrolle möglich ist und bei Auftreten von Fehlqualitäten wesentlich weniger Ausschuss auftritt. Weiterhin kann die Menge der gleichzeitig reagierenden Chemikalien relativ klein gehalten werden, ohne dass das Verfahren unwirtschaftlich würde.
  • Wenn jedoch ein Produktwechsel stattfinden soll, muss die hier beschriebene Vorrichtung sehr aufwendig gereinigt werden, da der im Reaktor angeordnete Doppelschneckenextruder natürlich nur schwer zugänglich ist.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer mehrere Flüssigkeiten im industriellen Maßstab gemischt werden können – wobei auch Flüssigkeiten gemischt werden sollen, die eine anschließende Reaktion miteinander durchführen – die die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet und die insbesondere bei einem Produktwechsel schnell und einfach zu reinigen ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Zentralrohr auf, in welches wenigstens zwei Zuführeinrichtungen enden. Dem Zentralrohr ist ein Mischkopf vorgeschaltet, in dem wenigstens zwei Flüssigkeiten vorgemischt werden, und/oder es ist dem Zentralrohr ein Mischer nachgeordnet, in welchem die dem Zentralrohr zugeführten Flüssigkeiten vermischt werden. Somit wird zumindest ein Teil des Mischvorganges aus dem Zentralrohr herausverlagert. Das Prinzip des Vormischens und das Prinzip des Nachmischens können jeweils für sich oder kombiniert angewendet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ hierzu können im Zentralrohr Gas-Druckdüsen enden. Über solche Düsen kann eine turbulente Strömung im Zentralrohr erzeugt werden, wodurch eine Durchmischung der im Zentralrohr strömenden Flüssigkeiten erreicht oder verbessert wird, ohne dass hierfür mechanische Hilfsmittel innerhalb des Zentralrohres nötig sind.
  • Damit kann das Zentralrohr von Mischvorrichtungen frei gehalten werden, was eine Reinigung dieses Zentralrohres bei Produktionsunterbrechung oder Produktwechseln erheblich vereinfacht.
  • Insbesondere wird es dadurch möglich, gemäß Anspruch 2 im Zentralrohr einen axial verschieblichen Kolben anzuordnen, mittels dessen die Reinigung des Zentralrohres automatisch erfolgen kann.
  • Eine Alternative zur Reinigung mittels eines Kolbens gemäß Anspruch 2 ist in Anspruch 3 angegeben. Hier geschieht die Reinigung durch eine Flüssigkeit, die vorzugsweise unter Druck eingespritzt wird.
  • Somit muss bei einem Produktwechsel nur noch der oder die vorgeschalteten Mischköpfe und/oder der nachgeordnete Mischer gereinigt werden, was in der Regel mit wesentlich geringerem Aufwand möglich ist. Wenn Mischköpfe verwendet werden, können diese vorzugsweise gemäß Anspruch 7 selbstreinigend ausgebildet sein.
  • Zur weiteren Verkürzung der Umrüstzeit kann es sinnvoll sein, jeweils einen Ersatzmischer vorzuhalten, so dass einfach der Mischer bei der Produktionsumstellung ausgetauscht wird und die Produktion schon wieder angefahren werden kann, während der zuvor benutzte Mischer gereinigt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen.
    •
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die zumeist schematischen Darstellungen zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform mit einem vorgeschalteten Mischkopf,
  • 2 eine zu 1 ähnliche Ausgestaltung mit einer schräg mündenden Zuführleitung
  • 3 einen bevorzugt eingesetzten Mischkopf
  • 4 eine Ausführungsform mit Gas-Druckdüsen,
  • 5 eine alternative Ausführungsform zu 4,
  • 6 eine Ausführungsform mit einem nachgeordneten Statikmischer
  • 7 eine 3-dimensionale Darstellung einer Ausführungsform mit zwei Mischköpfen und einem Statikmischer,
  • 8 die in 4 gezeigten Ausführungsform mit einem Reinigungs-Sprühkopf,
  • 9 ein 3-stufiges Netzwerk,
  • 10 zwei Zentralrohre, die in einem Dynamikmischer enden.
  • Unter Flüssigkeiten werden im folgenden sämtliche fließfähigen Stoffe und Stoffgemische verstanden, also insbesondere auch Suspensionen, kolloidale Lösungen und dergleichen.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im zylindrischen Zentralrohr 10 ist der axialverschiebliche Kolben 12 angeordnet, der zu Reinigungszwecken durch im Wesentlichen die gesamte Länge des Kolbens geschoben werden kann.
  • In der Wandung des Zentralrohres 10 endet die erste Zuführeinrichtung 20 und die zweite Zuführeinrichtung 30. Die erste Zuführeinrichtung 20 weist einen Mischkopf 23 auf, der bspw. gemäß 3 ausgeführt sein kann; hierauf wird später noch genauer eingegangen. Im Mischkopf 23 enden die erste Zuführleitung 21 und die zweite Zuführleitung 22, so dass im Mischkopf 23 zwei Komponenten A, B gemischt werden und dieses Gemisch in das Zentralrohr 10 abgegeben wird. In manchen Anwendungsfällen ist es hierbei denkbar, dass die beiden Komponenten A, B zu einer neuen Chemikalie (AB)' reagieren.
  • Stromabwärts des Mischkopfes 23 endet die zweite Zuführeinrichtung 30, hier in Form eines Rohres 31, in der Wandung des Zentralrohres 10. Durch diese dritte Zuführleitung 31 wird eine Flüssigkeit C in das Zentralrohr 10 zugeführt und mischt sich dann mit dem Flüssigkeitsgemisch AB. Eine solche Anordnung ist dann bevorzugt einsetzbar, wenn sich die Flüssigkeit C gut mit dem Stoffgemisch AB oder im Reaktionsprodukt (AB)' mischt oder reagiert. Insbesondere ist auch denkbar, dass die Flüssigkeit 10 identisch zu einem der Flüssigkeiten A oder B ist, also bspw. gilt: C = B. In diesem Fall würden zwei Stoffe zunächst intensiv im Mischkopf 23 vorvermischt, was insbesondere dann erzielbar ist, wenn der Mischkopf 23 gemäß 3 ausgeschaltet ist, und nach dieser Vorvermischung wird dann die Restmenge einer der beiden Komponenten zugegeben. Eine solche Vorgehensweise ist bspw. aus dem täglichem Leben beim Anrühren von Kakao bekannt. Auch hier wird zunächst Kakao mit einer gerin gen Menge an Milch klümpchenfrei verrührt und erst in einem zweiten Schritt die Restmilchmenge zugegeben.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dem aus 1 ähnlich ist, hier endet jedoch die dritte Zuführleitung 31 unter einem spitzen Winkel α derart in der Wandung des Zentralrohres 10, dass die durch diese dritte Zuführleitung 31 zugeführte Flüssigkeit C entgegen der eigentlichen Durchflussrichtung eingebracht wird, so dass hier eine relativ starke Turbulenzbildung stattfindet, wodurch die Durchmischung natürlich verbessert wird. Dieser Effekt kann auch noch dadurch verstärkt werden, dass durch die dritte Zuführleitung 31 die entsprechende Flüssigkeit mit hohem Druck (einige 10 bis 100 Bar) eingespritzt wird.
  • Die 3 zeigt einen Querschnitt durch einen bevorzugt eingesetzten Mischkopf 23. Ein solcher Mischkopf ist aus der DE 199 60 202.6 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hier ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Ein solcher Mischkopf stellt die Möglichkeit zur Verfügung nahezu beliebige Flüssigkeiten, insbesondere auch hochviskose Flüssigkeiten, zu mischen und er weist hierbei eine Selbstreinigungsfunktion auf.
  • Die beiden zu mischenden Flüssigkeiten werden über die beiden Düsen 61, 62 unter hohem Druck – hierzu weisen die entsprechenden Zuführleitungen Hochdruckpumpen auf – in den Zylinder eingespritzt. Der Zylinder Z wird an einer Oberseite vom Steuerkolben K abgeschlossen, der um seine Längsachse mittels eines Elektromotors drehbar ist. Der Steuerkolben K ist vom Rührstab R durchstoßen, so dass die zu mischenden Flüssigkeiten im Zylinder Z einem starken Rührvorgang unterworfen werden können. Zu Reinigungszwecken ist der Steuerkolben K entlang seiner Längsachse verschiebbar. Hierbei wird auch der Rührstab R abgestreift.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dem in 1 ähnlich ist. Zur Erzeugung zusätzlicher Turbulenz, und damit zur Verbesserung der Durch mischung weist dieses Ausführungsbeispiel Gasleitungen 50 auf, die in der Wandung des Zentralrohres 10 enden. Durch diese Gasleitungen 50 kann ein Inertgas, bspw. Stickstoff, in das Zentralrohr 10 eingeblasen werden, wo es für Turbulenz sorgt. Damit kann erreicht werden, dass die in Zentralrohr 10 fließende Flüssigkeiten besser durchmischt werden. Vorzugsweise ist der Eintrittswinkel so gewählt, dass das Inertgas dem Hauptflüssigkeitsstrom entgegenströmt.
  • 5 zeigt eine Variation zu 4, wobei jedoch hier auf eine Vorvermischung zweier Komponenten verzichtet wurde. Hier werden einfach zwei Flüssigkeiten A, B über entsprechende Zuführleitungen dem Zentralrohr 10 zugeführt und im Zentralrohr 10 unter Zuhilfenahme von Inertgas aus der Gasleitung 50 vermischt. Eine solche Vorgehensweise könnte bspw. dann empfehlenswert sein, wenn eine relativ dünnflüssige Flüssigkeit A1 mit einer Farbe B1 vermischt werden soll.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform die vom bisher dargestellten Prinzip abweicht. Hier findet eine endgültige Vermischung erst in einem dem Zentralrohr 10 nachgeschaltetem Mischer, hier einem Statikmischer 40 statt. Über erste und zweite Zuführeinrichungen 20, 30 werden die entsprechenden Flüssigkeiten dem Zentralrohr 10 zugeführt, in dem in der Regel schon eine gewisse Vermischung stattfinden wird. Zur Sicherstellung einer endgültigen Homogenisierung ist dem Zentralrohr jedoch ein Mischer, wie erwähnt in diesem Fall ein Statikmischer 40, nachgeschaltet. Dieser Statikmischer 40 ist am Zentralrohr 10 vorzugsweise über Flansche F verschraubt, so dass er zum Zwecke der Reinigung vom eigentlichen Zentralrohr 10 abmontiert werden kann.
  • In 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das das in 1 gezeigte Prinzip mit dem in 6 gezeigtem Prinzip verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel verfügen beide Zuführeinrichtungen 20, 30 über Mischköpfe, in denen hier jeweils wieder zwei über Pumpen P angeschlossene Zuführleitungen en den. Es können in diesem Beispiel also vier Flüssigkeiten miteinander vermischt werden. Dem Zentralrohr 10 ist ein Statikmischer 40 nachgeschaltet.
  • Alle bisher dargestellten Ausführungsbeispiele weisen einen axialverschiebbaren Kolben 12 auf. Bei Produktionsunterbrechungen oder Produktwechseln, wird der Kolben 12 durch das Zentralrohr 10 geschoben, wodurch dieses gesäubert wird. Die Säuberung der Anlage kann, insbesondere in Verbindung mit den oben dargestellten speziellen Mischköpfen, praktisch vollautomatisch und in sehr kurzer Zeit erfolgen. Da ein eventuell vorhandener Statikmischer 40 nicht durch den Kolben 12 gereinigt werden kann, ist es vorteilhaft, stets einen Ersatzstatikmischer vorzuhalten, so dass der zuvor verwendete Statikmischer abmontiert und "Offline" separat gereinigt werden kann, während die Produktion mit dem Ersatzstatikmischer schon wieder angefahren werden kann.
  • 8 zeigt eine alternative Reinigungsvorrichtung. Sie besteht im Wesentlichen aus einem in das Zentralrohr 10 einfahrbaren Reinigungs-Sprühkopf 14, mittels dessen das Zentralrohr 10 mit unter hohem Druck eingespritzten Reinigungsflüssigkeiten (bspw. heißes Wasser) gereinigt werden kann. Es ist auch denkbar, das Prinzip des axialverschieblichen Kolbens mit einer solchen Reinigungs-Sprühkopf-Vorrichtung zu kombinieren.
  • Die hier dargestellte Erfindung hat nicht nur den Vorteil, dass sie sehr einfach und vollautomatisch zu reinigen ist, und damit Chargenwechsel leicht durchführbar sind, sie bietet auch die Möglichkeit einer sehr genauen und selektiven Prozessführung. Hier sei insbesondere noch einmal auf das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eingegangen. Mit dieser Vorrichtung kann bspw. ein Misch- oder Reaktionsprodukt aus 4 Flüssigkeiten hergestellt werden. Dadurch, dass jeweils zwei Flüssigkeiten vor der Zuführung in das Zentralrohr 10 vorgemischt werden, kann eine Misch- oder Reaktionsreihenfolge festgelegt werden, wodurch die Prozessführungs- und Eingriffsmöglichkeiten gegenüber einer klassischen Bottich-Mischtechnologie drastisch erhöht werden.
  • In 9 ist dargestellt, dass dieses Grundprinzip beliebig fortgesetzt werden kann. Insbesondere ist es möglich, mehrere Zentralrohre 10 vorzusehen, die wiederum in einem gemeinsamen Mischer, hier einem Dynamikmischer 42 enden. In diesen Zentralrohren können wiederum im Prinzip eine beliebige Anzahl von Zuführeinrichtungen enden, die ganz oder teilweise als Mischköpfe ausbildet sein können. Somit kann ein komplettes Netzwerk aufgebaut werden, in dem beliebig komplizierte Misch- und/oder Reaktionsvorgänge durchgeführt werden können.
  • Gemäß 10 enden die jeweiligen Zentralrohre 10 vorzugsweise unmittelbar in einem zentralen Mischer, in welchem wiederum eine automatische Reinigungsvorrichtung vorgesehen ist, so dass auch bei solchen komplexen Strukturen eine sehr einfache und in bevorzugten Ausführungsformen vollautomatische Reinigungen erhalten bleibt. In 9 ist ein 3-stufiger Mischprozess dargestellt, es versteht sich jedoch von selbst, dass dieses Verästelungsprinzip auch auf 4 und mehr Stufen ausgedehnt werden kann.
  • In der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff "Statikmischer" ein Mischer verstanden, bei dem Leitelemente, die das durchströmende Medium mischen, insbesondere in Turbulenz versetzen, starr in einem Mischergehäuse angeordnet sind. Ein solcher Statikmischer kann beispielsweise in Form eines Wendelmischers ausgebildet sein.
  • Unter "Dynamikmischer" wird ein Mischer verstanden, bei dem angetriebene, insbesondere sich drehende Rührelemente das durchströmende Medium mischen.
    • 10
    Zentralrohr
    12
    Kolben
    14
    Reinigungs-Sprühkopf
    20
    erste Zuführeinrichtung
    21
    erste Zuführleitung
    22
    zweite Zuführleitung
    23
    Mischkopf
    K
    Steuerkolben
    R
    Rührstab
    Z
    Zylinder
    30
    zweite Zuführeinrichtung
    31
    dritte Zuführleitung
    40
    Statikmischer
    42
    Dynamikmischer
    50
    Gasleitung

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten mit: – wenigstens einem Zentralrohr (10), – wenigstens zwei Zuführeinrichtungen zum Einbringen von Flüssigkeiten in das Zentralrohr und – wenigstens einer Mischvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung einen in einer Zuführeinrichtung angeordneten, dem Zentralrohr vorgeschalteten Mischkopf (23), in welchem wiederum wenigstens zwei Zuführleitungen (21,22) enden, und/oder einen dem Zentralrohr nachgeordneten Mischer und/oder im Zentralrohr mündende Gasleitung (50) zum Einblasen eines Inertgases aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentralrohr (10) ein axial verschieblicher Kolben (12) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im wesentlichen axial in das Zentralrohr einfahrbaren Reinigungs-Sprühkopf (14) aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein Statikmischer (40) ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein Dynamikmischer (42) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkopf (23) im Gegenstromprinzip arbeitet.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Im Mischkopf (23) ein axial beweglicher Steuerkolben (K) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (K) auch um seine Längsachse drehbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Zentralrohr (10) mit in ihm endenden Zuführeinrichtungen vorhanden ist, und dass die beiden Zentralrohre in einem gemeinsamen Mischer oder einer gemeinsamen Mischkammer enden.
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