-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Mischelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Ein derartiges Mischelement dient insbesondere zur Vermischung
von in einem Medienstrom geführten
Strömungsmedien
miteinander. Sie betrifft weiter einen statischen Mischer.
-
Statische
Mischer, wie sie beispielsweise aus der
DE 24 37 359 B2 oder aus
der
US 3,652,061 A bekannt
sind, werden im allgemeinen in Rohrleitungen oder anderen Strömungskanälen eingebaut
und dienen dazu, zuvor in die Rohrleitungen bzw. in den Strömungskanal
eingebrachte Stoffe möglichst
homogen im Strömungsmedium
zu verteilen. So können
beispielsweise verschiedene zuvor eingebrachte Gase miteinander
vermischt werden. Statische Mischer können ebenfalls für die Vermischung
von flüssigen
oder staubförmigen
Stoffen in einem Gasstrom eingesetzt werden. Die Verwendung von
statischen Mischern ist ebenfalls in Flüssigkeiten möglich. Eine
derartige Vermischung von Stoffen in einem Strömungskanal findet beispielsweise
bei unterschiedlichsten Katalysatoren eine Anwendung. Insbesondere
ist für
die katalytische Reduktion von in Ab- oder Rauchgasen enthaltenen
Stickoxiden nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion
(SCR-Verfahren) die Zudosierung eines Reduktionsmittels in gasförmiger Form
zu dem zu entstickenden Abgas- oder Rauchgasstrom erforderlich,
und zwar vor dem Katalysator. Als Reduktionsmittel wird dabei üblicherweise
ein Ammoniak-Luftgemisch in das Rauchgas eingedüst, wobei für eine zuverlässige katalytische
Umsetzung eine homogene Feinverteilung des eingedüsten Reduktionsmittels
möglichst
im gesamten Rauchgasstrom bedeutsam ist.
-
Bekannte
statische Mischer umfassen ein oder zwei Auslenkelemente, die meist
dreieckig ausgeführt
sind und mehr oder weniger schräg
im Strömungskanal
verankert sind. Diese Auslenkelemente erzeugen Wirbel, die stromab
zu einer intensiven Durchmischung des Strömungsmediums und aller zugegebener
Komponenten führt.
-
Allerdings
erfolgt eine vollständige
Durchmischung mittels derartiger statischer Mischer erst in einem
hinreichend großen
Abstand hinter dem statischen Mischer bzw. hinter den Auslenkelementen. Dieser
Abstand wird in der Regel auf die Größe des Kanalquerschnittes bezogen.
Bei gasförmigen
Stoffen beträgt
dieser etwa das zehn- bis 20-fache des Kanalquerschnittes. Nachteilig
an dieser verzögerten Vermischung
ist, dass hinter den Auslenkelementen hinreichend viel Platz vorhanden
sein muss, bevor die nachfolgenden Bauelemente, denen die Mischung
zugeführt
werden soll, angeschlossen werden können. Bei industriellen Anlagen
ist dieser Platz jedoch nur sehr knapp bemessen und nicht in ausreichendem
Maße verfügbar.
-
Um
eine in Strömungsrichtung
gesehen schnellere oder frühere
Vermischung zu erreichen, gibt es statische Mischer, bei denen senkrecht
zur Symmetrieachse des Strömungskanals
mehrere kleine Auslenkelemente nebeneinander angeordnet sind. Mit
derartigen Mischern lässt
sich in relativ geringem Abstand von den Auslenkelementen bereits eine
gute Vermischung der zuvor in den Gasstrom eingedüsten Gase
bzw. eingebrachten Stoffe erreichen. Nachteilig ist jedoch, dass
bei der Verwendung von relativ vielen und vergleichsweise kleinen
Auslenkelementen zwar lokale Konzentrationsunterschiede der zu vermischenden
Stoffe relativ schnell ausgeglichen werden können, während großräumige Konzentrationsunterschiede,
beispielsweise zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals,
aber nur unzureichend ausgeglichen werden, da keine großräumige Vermischung
im Strömungskanal
stattfindet.
-
Für eine homogenere
Vermischung ist es daher weiterhin möglich, statische Mischer einzusetzen,
die durch einen gitterförmigen
Einsatz den Strömungskanal
zu nächst
in eine Vielzahl von Teilkanälen
aufteilen. Durch eine entsprechende Neigung der Wandungen des Gitters,
insbesondere in Strömungsrichtung
am Ende des Gitters, bilden diese Auslenkelemente aus. Diese Auslenkelemente
sind alternierend in unterschiedliche Richtungen geneigt, so dass die
Strömung
von benachbarten Teilkanälen
in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt wird. Dadurch kommt es
zu einer Verwirbelung und Vermischung der zu mischenden Substanzen
von benachbarten Teilkanälen,
aber durch die entstehenden Verwirbelungen auch mit dem Durchstrom
der restlichen Teilkanäle.
Nachteilig an einem derartigen statischen Mischer ist, dass der
durch den Mischer verursachte Druckabfall bedingt durch die starken
Verwirbelungen des Durchsatzes der einzelnen Ausströmkanäle relativ
hoch ist.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Mischelement der
oben genannten Art für einen
statischen Mischer anzugeben, das bei einer homogenen Vermischung
für einen
niedrigen Druckverlust und eine besonders kurze Durchmischungsstrecke
des statischen Mischers besonders geeignet ist.
-
Weiterhin
soll ein statischer Mischer mit einer Anzahl derartiger Mischelemente
angegeben werden.
-
Bezüglich des
Mischelements wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs
1.
-
Weitere
Ausgestaltungen des Mischelements sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Normalebene der Zentralachse ist dabei gemäß der üblichen Definition diejenige
Ebene, zu der die Zentralachse orthogonal ist. Falls das Strömungsmedium
im Wesentlichen in Richtung der Zentralachse geführt ist, überschneiden sich somit benachbarte
Mischerflügel
auch bezüglich
des Strömungsquerschnitts
für das
Strömungsmedium.
-
Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass die für
den statischen Mischer verfolgten Auslegungsziele, nämlich einerseits
eine optimierte Vermischungsintensität, die bereits nach einer kurzen
Durchmischungsstrecke eine homogene Konzentration der zu mischenden
Substanzen sicherstellt, und andererseits ein für das durchströmende Medium
möglichst
geringer Druckverlust eigentlich zueinander konträr sind.
Ein Vermischungselement in einem statischen Mischer erzeugt nämlich bei
einer höheren
Durchmischungsrate, die durch einen steileren Anstellwinkel der
Vermischungselemente zum Strömungsmedium
erreicht werden kann, prinzipiell durch den höheren Widerstand einen größeren Druckverlust.
So wirken sich neben dem Widerstand der Vermischungselemente selbst
ebenfalls die durch diese erzeugten Wirbel steigernd auf den Druckverlust
aus. Um dennoch beiden konträren Auslegungszielen
gerecht zu werden, ist eine besonders gezielte Führung des Strömungsmediums
im Bereich des Mischelements vorgesehen. Dabei ist über eine
gezielte Feinverteilung gerade eines einzumischenden Mediums auf
die Mischerflügel
deren Wirksamkeit in besonderem Maße ausgenutzt. Hierzu ist eine Überlappung
oder Überschneidung
benachbarter Mischerflügel
vorgesehen, die beim Durchströmen
des Strömungsmediums
eine Durchmischungswirkung bzw. Wirbelerzeugung zur Vermischung
zusätzlich
im Bereich der Überschneidung auslöst.
-
Um
eine gleichmäßige Durchmischung
des Strömungsmediums
durch den statischen Mischer zu erreichen, überschneiden sich sämtliche
Mischerflügel
vorteilhafterweise in einem identischen vorgegebenen Nennbereich
mit dem jeweils benachbarten Mischerflügel. Dadurch ist der Durchsatz
pro Zeiteinheit bzw. die Geschwindigkeit des Strömungsmediums an den verschiedenen
Mischerflügeln
identisch, wodurch der Druckabfall und die Vermischungskonzentration
gleichmäßig über den
Mischer und damit auch den Strömungskanal
verteilt sind. Der Überschneidungsbereich
zweier benachbarter Mischerflügel
beträgt
in axialer Richtung des Strömungskanals vorzugsweise
0 % bis 100 % eines Mischerflügels.
-
Besonders
homogene Strömungsverhältnisse
sind erreichbar, indem die Mischerflügel vorteilhafterweise rotationssymmetrisch
um die Zentralachse herum ange ordnet sind, so dass benachbarte Mischerflügel einen
gleichmäßigen Winkelversatz zueinander
aufweisen.
-
Für die Erzeugung
von Wirbeln im Strömungsmedium
sind die Mischerflügel
in einem vorgegeben Neigungswinkel zur Normalebene der Zentralachse
und somit auch zur Querschnittsebene des Strömungskanals geneigt. Dadurch
wird das axial durch den Strömungskanal
strömende
Strömungsmedium
im Bereich eines jeden Mischerflügels
in Umfangsrichtung des Strömungskanals
abgelenkt, so dass es sich durch die dadurch entstehenden Wirbel
unmittelbar im Anschluss an den statischen Mischer vermischt. Der
Neigungswinkel der Mischerflügel
beträgt
30° bis
60° zur
Querschnittsebene des Strömungskanals.
-
Bezüglich des
statischen Mischers mit einer Anzahl von zur Führung eines Strömungsmediums vorgesehenen
Strömungskanälen wird
die genannte Aufgabe gelöst,
indem den Strömungskanälen jeweils
eines der genannten Mischelemente zugeordnet ist, wobei die Zentralachse
des jeweiligen Mischelements im Wesentlichen parallel zur durch
den zugeordneten Strömungskanal
vorgegebenen Strömungsrichtung
des Strömungsmediums
ausgerichtet ist. Dabei kann einer Mehrzahl von Mischelementen ein
gemeinsamer Strömungskanal
zugeordnet sein. Alternativ können
aber auch mehrere Bauteile, z. B. über Trennwände voneinander getrennte,
strömungsmediumseitig
parallel geschaltete Kanäle,
vorgesehen sein, denen jeweils ein oder mehrere Mischelemente der
genannten Art zugeordnet sind.
-
Weitere
Ausgestaltungen des statischen Mischers sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Für eine ausreichend
hohe Mischwirkung des statischen Mischers überdecken die Mischerflügel jedes
Mischelements in ihrer Projektion auf die Normalebene und somit
in Querschnittsrichtung des Strömungskanals
zweckmäßigerweise
gemeinsam einen vorgegebenen Nennanteil der Fläche des Querschnittes des Strömungskanals.
Dieser Nennanteil beträgt
vorzugsweise 50 % bis 100 %. Der statische Mischer kann also bis
zum Rand des Strömungskanals
ausgeführt
sein, so dass die Mischerflügel
mit der Wand des Strömungskanals
abschließen.
Dies kann sowohl bei kreisrunden Strömungskanälen als auch bei Strömungskanälen mit
einem anderen Querschnitt durch eine entsprechende Ausgestaltung
der Mischerflügel
erreicht werden. Der Mischer kann jedoch auch für einen höheren Durchsatz des Strömungsmediums
im Bereich des statischen Mischers und damit einen geringeren Druckverlust
ausgelegt sein, indem die Mischerflügel nicht bis zur Wand des
jeweiligen Strömungskanals
oder Teilkanals reichen. Die Mischwirkung und Mischgüte eines
derartigen Mischers ist im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführung mit
größeren Mischerflügeln verringert.
-
Um
ein Zuführmedium
homogen über
den statischen Mischer dem Strömungsmedium
zuzumischen bzw. zuzuführen
und insbesondere eine möglichst
kurze Mischstrecke zu gewährleisten,
ist einer Anzahl der Mischelemente im jeweils zugeordneten Strömungsbereich
oder Strömungskanal
eine Einspritzdüse
vorgeschaltet. Durch die um die Zentralachse des Mischelements herum
angeordneten Mischerflügel
wird das einströmende
Zuführmedium gleichmäßig auf
diese verteilt. Die Einspritzdüse kann
insbesondere als Rohr mit einer abschließenden Düse ausgeführt sein, durch die das zugeführte Medium
zerstäubt
wird und sich dadurch schneller im Strömungsmedium verteilen kann.
-
Eine
besonders homogene und gleichmäßige Verteilung
des zugeführten
Mediums ist dabei erreichbar, indem die Einspritzdüse vorteilhafterweise jeweils
auf der Zentralachse des zugeordneten Mischelements angeordnet ist.
-
Um
einen statischen Mischer an die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums,
die gewünschte
Mischgüte
in einer vorgegebenen Entfernung zum Mischer und für einen
entsprechenden Druckverlust anzupassen, kann die Anzahl der Mischerflügel vorzugsweise
variiert werden. Der statische Mischer kann so an verschiedene Betriebszustände und
Anforderungen der umgebenden technischen Anlage angepasst werden,
indem der Mischer beispielsweise an die Geschwindigkeit und die
Zusammensetzung des Strömungsmediums
im Strömungskanal
angepasst wird oder eine entsprechende Anpassung an die Vorgabe
der Mischgüte
und der Austrittsgeschwindigkeit für die Weiterverarbeitung des
Strömungsmedi ums
vorliegt. Außerdem
kann die Anzahl der Mischerflügel
für eine
eventuelle Umrüstung
der Anlage verändert
werden.
-
Für eine weiter
gehende und schnellere Möglichkeit
zur Variierung der Parameter eines derartigen statischen Mischers
kann die Neigung der Mischerflügel
zur Querschnittsebene des Strömungskanals
verändert
werden. Durch eine Veränderung
des Neigungswinkels der Mischerflügel lassen sich ebenfalls die
Parameter der Mischgüte
in einem definierten Abstand vom Mischer und der vom Mischer erzeugte
Druckverlust gegeneinander verstellen. Bei der Verstellung des Neigungswinkels
tritt einerseits eine Widerstandsänderung für das Strömungsmedium der einzelnen Mischerflügel auf,
und andererseits verändert
sich der Überschneidungsanteil
der einzelnen Mischerflügel,
wodurch sich die Charakteristik des gesamten statischen Mischers bzw.
dessen Parameter verändern.
-
Für eine genaue
Dosierung und hohe Einspeisung und Vermischung eines Zuführmediums
in das Strömungsmedium
sind in einem Strömungskanal
vorzugsweise eine Anzahl der genannten Mischelemente angeordnet.
Dabei ist in Strömungsrichtung
vor jedem Mischer eine Zuführvorrichtung
für die Einmischung
eines Mediums in das Strömungsmedium
vorgesehen. Durch die kurze Mischstrecke eines statischen Mischers
kann ein sich im Strömungsverlauf
anschließender
Mischer in einer vergleichsweise kurzen Entfernung positioniert
werden, da das Strömungsmedium
bereits nach einer kurzen Entfernung eine vergleichsweise homogene
Konzentration aufweist, so dass erneut ein Stoff dem Zuführmedium zugeführt werden
kann.
-
Die
Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in der kurzen Mischdistanz
bei einem geringen Druckverlust des oben beschriebenen statischen Mischers,
die insbesondere durch die Überschneidung
der Mischerflügel
erreicht werden kann. Diese kann bis zu einem Bereich verringert
werden, der etwa dem Strömungskanalquerschnitt
entspricht. Ein weiter Vorteil des statischen Mischers besteht in
der hohen Flexibilität
und Möglichkeiten
der Anpassung. So kann über
die Kombination von Mischerflügelanzahl,
dem Überschneidungsanteil
benachbarter Mischerflü gel
sowie der Mischerflügelneigung
eine genaue Einstellung der Verteilung des einzumischenden Mediums
und damit der Mischgüte,
der Mischlänge
und des verursachten Druckverlustes des Strömungsmediums eingestellt werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 einen
statischen Mischer,
-
2 ein
Mischelement des statischen Mischers nach 1 in Draufsicht,
und
-
3 eine
alternative Ausführungsform
eines Mischelements.
-
Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Der
in 1 gezeigte statische Mischer 1 umfasst
eine Mehrzahl gitterartig in einer Bestückungsebene angeordneter Mischelemente 2,
von denen in 1 lediglich eines gezeigt ist.
Das Mischelement 2 setzt sich aus vier geneigten Mischerflügeln 4 zusammen,
die rotationssymmetrisch um eine Zentralachse 6 des Mischelements 2 herum
angeordnet sind. Die Mischerflügel 4 dienen
zur Erzeugung von Wirbeln eines in einem dem Mischelement 2 vorgeschalteten
Strömungskanal
geführten
Strömungsmediums
S. Die Wirbel entstehen dabei durch eine durch die Mischerflügel 4 erzeugte
Ablenkung des in axialer Richtung des Strömungskanals und parallel zur
Zentralachse 6 strömenden
Strömungsmediums
S in Umfangsrichtung des Strömungskanals und
homogenisieren dieses. Für
eine gleichmäßige Mischwirkung
sind die Mischerflügel 4 in
einem gleichmäßigen Winkelversatz
von 90° zueinander angeordnet.
Die Mischerflügel 4 sind
in einem Winkel von 30° bis
60° zur
Querschnittsebene des Strömungskanals
geneigt. Über
diese Neigung lässt
sich die Mischgüte
in einem vorgegebenen Abstand in Strömungsrichtung hinter dem Mischer 1 gegenüber dem
Druckverlust des Strömungsmediums
S verstellen.
-
Im
Strömungskanal
ist auf der Zentralachse 6 vor dem Mischelement 2 eine
Einspritzdüse 8 für ein Zuführmedium
angeordnet. Die Einspritzdüse 8 ist
dabei für
eine weit gehende Vernebelung des Zuführmediums und dessen Feinverteilung
im Strömungsmedium
S ausgelegt. Beim anschließenden Eintritt
des mit dem Zuführmedium
beaufschlagten Strömungsmediums
S in das Mischelement 2 erfolgt durch die durch dieses
bewirkte Verwirbelung eine Homogenisierung des gesamten Medienstroms,
so dass eine besonders innige und gleichmäßige Vermischung von Strömungsmedium
S und Zuführmedium Z
gewährleistet
ist.
-
In
der in 2 gezeigten Draufsicht auf das Mischelement 2 ist
besonders gut erkennbar, dass benachbarte Mischerflügel 4 in
ihrer Projektion auf die Normalebene der Zentralachse 6 jeweils
eine Überlappung
(in der Figur durch die strichlierten Linien verdeutlicht) aufweisen.
Dadurch trägt
auch der Überschneidungsbereich
zur Wirbelerzeugung bei, so dass die Neigung der Mischerflügel 4 vergleichsweise
gering gehalten werden kann und sich dadurch auch bei hoher Mischwirkung
der Druckverlust durch den statischen Mischer 1 minimieren
lässt.
Der Mischer 1 kann vorzugsweise einen Anteil von 50 % bis
100 % des Strömungsquerschnittes
des Strömungskanals
einnehmen, so dass eine Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem
Druckverlust gegenüber
der Mischgüte
vorgenommen werden kann.
-
Eine
alternative Ausführungsform
des Mischelements 2 nebst vorgelagerter Einspritzdüse 8 ist
in 3 gezeigt. Bei dieser vierflügeligen Variante sind die Mischerflügel 4 konturiert
ausgeführt
und in einem Winkelversatz von 90° zueinander
um die Zentralachse 6 herum angeordnet
-
- 1
- statischer
Mischer
- 2
- Mischelement
- 4
- Mischerflügel
- 6
- Zentralachse
- 8
- Einspritzdüse
- S
- Strömungsmedium
- Z
- Zuführmedium