DE10327986A1 - Statischer Mischer und dessen Anwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung für zwei oder mehr viskose Komponenten zur Durchführung von Homogenisier- und Mischprozessen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Mischen von strömenden Medien, wie Gasen, Flüssigkeiten oder höherviskosen Stoffen oder Mischungen derselben untereinander, zu schaffen, der bei geringer Baulänge einen vergleichsweise geringen Druckverlust bei guter Homogenisierung gewährleistet. Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß in einem rohrartigen Gehäuse beliebigen Querschnitts eine dreidimensionale Gitterstruktur angeordnet ist, deren Gitterstege offenporige Zellen mit unterschiedlichen Zellenabmessungen bilden. Der erfindungsgemäße Mischer kann vorteilhaft als verfahrenstechnische Packung in Destillations- oder Rektifikationskolonnen eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung für zwei oder mehr viskose Komponenten zur Durchführung von Homogenisier- und Mischprozessen.
  • Aus der Literatur sind verschiedene Bauformen von statischen Mischern bekannt. Sie beruhen darauf, daß an einer Vielzahl von Stegen oder Wandabschnitten eine fortgesetzte Umlenkung und/oder Teilung der Strömung erfolgt, so daß schließlich eine homogene Mischung erreicht wird. Typische Ausführungen von statischen Mischern sind z. B. in DE 23 28 795 , DD 155 504 , DE 31 23 273 , EP 49 51 69 , DE 28 22 096 und DE 25 32 366 beschrieben. Alle diese Varianten sind aus regelmäßigen metallischen Strukturen aufgebaut, entweder durch spanend hergestellte Hohlräume oder durch Zusammenbau einer Vielzahl z. B. gestanzter Blechkörper.
  • Es sind auf der einen Seite statische Mischer bekannt, die einen geringen Druckverlust, aber eine große Baulänge aufweisen, während bei. den anderen Ausführungsformen zwar die Baulänge gering, aber der Druckverlust unerwünscht hoch ist. Außerdem ist die Herstellung solcher Mischer mit einem erheblichen mechanischen Aufwand verbunden.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Mischen von strömenden Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten oder höherviskosen Stoffen oder Mischungen derselben untereinander zu schaffen, die bei geringer Baulänge einen nicht zu hohen Druckverlust bei guter Homogenisierung gewährleisten. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Herstellung von statischen Mischern zu vereinfachen, wobei die die Mischeigenschaften bestimmenden geometrischen Parameter relativ leicht variiert und an verschiedenartige Mischaufgaben angepaßt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst; weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10.
  • Nach Maßgabe der Erfindung ist in einem rohrartigen Gehäuse beliebigen Querschnitts eine dreidimensionale Gitterstruktur angeordnet, deren Gitterstege offenporige Zellen mit unterschiedlichen Zellenabmessungen bilden.
  • Unter einer offenporigen Zelle ist dabei ein Hohlraum zu verstehen, der im Randbereich durch mehrere umlaufende, gerade oder gekrümmte Stege begrenzt wird. Die Anzahl der Stege für die äußere Hohlraumbegrenzung kann dabei variieren. Die Hohlräume können unterschiedliche Formen annehmen; sie bilden immer eine dreidimensional aufgeteilte Struktur um ihren Raummittelpunkt. Die offenporige Zelle kann unterschiedliche Ausdehnungen in Richtung der X-, Y- oder Z-Achse zeigen. Die durch Stege eingegrenzten Hohlräume bilden mit weiteren angelagerten Stegen benachbarte Hohlräume. Die räumlichen Hohlraumkörper, können dabei unterschiedlich orientiert und/oder in einer bevorzugten Achsenrichtung angeordnet sein, die z. B. quer zur Strömungsrichtung liegt. Die Zell- bzw. Hohlraumdichten können unterschiedlich sein.
  • Es hat sich gezeigt, daß der Massenstrom nach dem Eintritt in die erfindungsgemäße offenporige Gitternetzstruktur durch die Vielzahl der Stege in eine Vielzahl von Strömungsschichten und -fragmenten aufgespalten, verwirbelt und anschließend zu einem homogenisierten Strom wieder zusammengeführt wird.
  • Vorzugsweise weisen die Gitterzellen eine elliptische oder auch annähernd sphärische Form auf und besitzen einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 20 mm, vorzugsweise 2 bis 10 mm. Dabei beträgt die mittlere Dicke der Gitterstege 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 mm.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenabmessungen in der Nähe der Rohrwand größer sind als in der Rohrmitte. Vorteilhaft nehmen dabei die Zellenabmessungen in radialer Richtung von der Rohrachse zur Rohrwand kontinuierlich zu.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, daß längs des Rohres Gitterstrukturabschnitte mit verschiedenen Zellenabmessungen und/oder Stegdicken hintereinander angeordnet sind.
  • Es wurde gefunden, daß solche Gitter- bzw. Zellstrukturen besonders gut und kostengünstig mit Hilfe eines offenporigen Metallschaumkörpers realisiert werden können. Der Metallschaum besteht dabei aus korrosions- und hitzebeständigen Werkstoffen, z. B. auf der Basis von Titan-, Kupfer-, Eisen-, Nickel-, oder Kobaltlegierungen.
  • Ein derartiger offenporiger Schaumkörper kann auch in vorteilhafter Weise als verfahrenstechnische Packung in Destillations- oder Rektifikationskolonnen eingesetzt werden. Der Vorteil liegt darin, daß große Stoffaustauschflächen angeboten werden, so daß eine große Anzahl von Trennböden pro Längeneinheit der Packung erzielt wird. Für bestimmte Anwendungen eignen sich auch Metallschaumkörper aus niedrigschmelzenden Metallegierungen wie z. B. Aluminium- oder Schwermetallegierungen.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Stoffstrom in der erfindungsgemäßen Struktur immer wieder geteilt und umgelenkt wird. Gemessen an der Baulänge führt diese Struktur im Vergleich zu bekannten Mischern zu einer wesentlich höheren Anzahl von Umlenkvorgängen, so daß entsprechend Baulänge eingespart und gleichzeitig die Homogenität der Mischungen verbessert wird.
  • Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß aufgrund der Porenstruktur eine Filterwirkung entsteht, mit der Fremdstoffe gezielt zurückgehalten werden können.
  • Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht ferner darin, daß sich die Gitternetzstruktur derart ausbilden läßt, daß sie ein optimiertes Strömungsprofil im Mischer zuläßt; z. B. kann die Porendicke im äußeren Bereich des Mischers größer gehalten werden, um den höheren Strömungswiderstand in Wandnähe zu kompensieren.
  • Darüber hinaus können die Strömungsprofile auch entlang der Baulänge des Mischers variiert werden, wodurch gewährleistet wird, daß die zu mischenden Medien über den Rohrquerschnitt gesehen, gleichmäßig gemischt werden. Ein alternierendes Strömungsprofil bewirkt eine Art Pumpwirkung, die für eine ruhige, intensive und gleichmäßige Mischung sorgt.
  • In einer weiteren Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich mit der Gitterstruktur Entgasungsvorgänge durchführen, z. B. wenn zwei oder mehr gashaltige Flüssigkeiten vermischt werden sollen und das Produkt gasfrei sein soll. Ferner können – wie oben schon erwähnt – solche Strukturen auch als verfahrentechnische Packungen in Stoffaustauschkolonnen verwendet werden.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch einen Mischer mit unregelmäßig verteilten offenen Zellen
  • 2 eine offenporige Zelle in vergrößerter Darstellung
  • 3a–3d verschiedene geometrisch unterschiedliche Formen offenporiger Zellen
  • Wie in 1 dargestellt, besteht der Mischer aus einem rohrartigen Gehäuse 1, das im Inneren eine offenporige Gitternetzstruktur 2 als aktive Mischerkomponente aufweist. Die Gitternetzstruktur wird durch eine Vielzahl von aneinander an grenzenden offenporigen Zellen 3 gebildet. Die Zellen 3 werden durch ein Gerüst von Metallstegen 4 (2) eingeschlossen, wobei die Metallstege unterschiedliche Richtungen aufweisen und sich in Knotenpunkten treffen. Der Durchmesser der Metallstege 4 beträgt 0,4–1,2 mm. Die Stege 4 können aber auch einen von der Kreisgeometrie abweichenden Querschnitt haben.
  • Die Zellen 3 besitzen, gemessen an der Dichte dieser Struktur, eine vergleichsweise hohe mechanische Stabilität; sie haben in der Regel unterschiedliche Abmessungen (hier im wesentlichen Längs- und Querabmessung), die annähernd einer Normalverteilung gehorchen. Der Mittelwert liegt typischerweise im Bereich 1–10 mm. Durch die Poren zwischen den Zellen 3 (offene Zwischenräume) sind die Zellen untereinander strömungstechnisch verbunden, so daß sich die Strömung über alle Zellen verteilen kann. Die aus der Gesamtheit der Zellen 3 bestehende Gitterstruktur 2 ist an einer Stelle fest mit dem Gehäuse 1 oder mit einem Rohrabschnitt verbunden, der als Einbauelement in das Gehäuse 1 einschiebbar ist.
  • In 2 ist eine Zelle 3 vergrößert dargestellt. Man erkennt die Korb-ähnliche Struktur. Der dreieckige Querschnitt der die Gitterstruktur bildenden Stege 4 hat hier eine relativ scharfkantige Kontur, so daß ein die Struktur durchströmendes Medium sehr gut zerteilt und umgelenkt wird (vgl. das rechte Detailbild in 2).
  • Die 3a–3d zeigen Zellen mit unterschiedlicher Geometrie. Bei 3a handelt es sich um eine elliptische Zelle mit gleichmäßig gekrümmten Stegen 4. In 3b ist eine sich hauptsächlich in Längsrichtung (Z) und in 3d eine sich hauptsächlich in Querrichtung (Y) erstreckende Zelle mit unterschiedlich langen geraden Stegen 4 dargestellt. Die Zelle gemäß 3c, die ebenfalls unterschiedlich lange gerade Stege aufweist, besitzt dagegen keine Vorzugsrichtung, sondern ist annähernd kugelsymmetrisch. Weitere Ausführungsformen einer Ellipsoid-ähnlichen Zelle sind möglich, so z. B. eine Zelle mit gekrümmten bandförmigen Stegen 4, deren Querschnittsfläche in Stegrichtung variiert.
  • Der Mischer mit unterschiedlicher Zellengröße gemäß 4 ist analog zu dem Mischer nach 1 aufgebaut. Die Abmessungen der Zellen nehmen hier in Strömungsrichtung (Z) von oben nach unten ab. Im unteren Teil des Mischers, d. h. zum Ausgang hin, sind die Abmessungen der Zellen im Randbereich des Mischers kleiner als in der Mitte (achsennaher Bereich). Weitere alternative Ausführungsformen bieten sich auch hier an, so z. B. Zellen, die aus Tetraedern gleicher Größe, die unregelmäßig im Gehäuse 1 des Mischers verteilt sind, bestehen. Die Strömungskanäle zwischen den Tetraedern sind aufgrund der unregelmäßigen Anordnung dann ebenfalls unterschiedlich groß.
  • Die erfindungsgemäße Gitterstruktur kann grundsätzlich auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Hier seien drei Verfahrensvarianten genannt.
  • Verfahrensvariante 1
  • Die Gitterstruktur wird durch einen Metallschaumkörper realisiert. Die Herstellung solcher Metallschaumkörper ist Stand der Technik und wird z. B. in US 3 616 841 näher beschrieben.
  • Verfahrensvariante 2
  • Eine alternative Herstellungstechnik beruht im wesentlichen darauf, daß die Gestalt der späteren Hohlräume (in einer Gießmatrix) durch nebeneinander liegende dreidimensionale geometrische Körper mit möglichst vielen Flächen, z. B. in Form von Körnern, Granulaten, Plättchen und Pellets, definiert wird, wobei diese Körper aus Materialien bestehen, die für den Gießprozeß resistent sind. Diese Körper bilden eine Schüttung, die aufgrund der äußeren Granulatflächen der Schüttung kantige, den Zellen 3 entsprechende Hohlräume bildet. Die kantigen Hohlräume werden beim Gießen durch Metall ausgefüllt, wobei die Metallstege 4 der Zellen erzeugt werden. Durch die Auswahl geeigneter Körper und insbesondere durch Variation der Größe, Kontur oder auch durch Mischung verschiedener Körpergeometrien können die Steg formen variiert und angepaßt werden. Nach dem Erstarren der Metallegierung werden die gießresistenten Materialien entfernt, es verbleibt eine offenporige, metallische, durchströmbare Gitterstruktur.
  • Die Stegformen können durch Wahl des geometrischen Aufbaus der Gießmatrix, durch Einsatz unterschiedlicher Formen gießresistenter Grundkörper, die eine geordnete (regelmäßige) oder ungeordnete Schüttung bilden, festgelegt werden.
  • Verfahrensvariante 3
  • Ein anderer Weg, die gewünschte Gitterstruktur darzustellen, beruht auf der Erzeugung einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Steg- oder Stabschüttung, aus z. B. Wachs- oder Kunststoffstäben oder anderweitigen ausbrennbaren Materialien, mit unterschiedlichen geometrischen Querschnitten und unterschiedlichen Längen, die auch als Winkel, Kreuze, Tetraeder, Würfel oder Tripoden ausgeführt sein können. Auch unregelmäßige Körper sind denkbar, Voraussetzung bei allen Körpern ist, daß sie grundsätzlich eine Stabstruktur aufweisen, d. h. das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Stäbe dieser Körper muß immer wesentlich größer als 1 sein. Diese sogenannte Stegschüttung kann beliebig variiert werden, z. B. 20% Stäbchen mit einem Dreieckquerschnitt und 80% Stäbchen mit Viereckquerschnitt, wobei die Länge der beiden Stäbchenformen konstant sein kann. Die gewählte Stäbchenschüttung kann nach dem späteren Metall- oder Hohlraumvolumen quantifiziert werden.
  • Der weitere Herstellungsprozeß erfolgt so, daß das Hohlraumvolumen nach der losen Schüttung in einer Form, wenn die Stäbchen z. B. aus Wachs bestehen, bei erhöhten Temperaturen verbunden werden kann, so daß sich die Porendichte pro Schüttungsvolumen gezielt einstellen läßt. Ein nachträgliches Verdichten der Schüttung kann vorzugsweise orientiert längs einer bestimmten räumlichen Achse (X-, Y- oder Z – Richtung) erfolgen, des weiteren ist eine gezielte Einstellung der Porendichte möglich. Die Hohlräume der Schüttung werden vor dem Gießen mit einer gießresistenten Masse ausgefüllt, wobei sie nach dem Metallgießen wiederum aus dem so gebildeten Gußstück entfernt werden. Es entsteht ein Statikmischer, der eine Vielzahl von unterschiedlichen Stegen aufweist, in Strömungsrichtung bevorzugte Strömungskanäle unterbindet und dadurch eine gute Mischwirkung besitzt.
  • Alle hier kurz beschriebenen Verfahren führen zu metallischen Gitternetzstrukturen mit unterschiedlicher Porendichte und an die jeweilige Mischaufgabe angepaßten Siegkonturen; gleichzeitig ist die Bildung von großen produktberührenden Flächen möglich.

Claims (11)

  1. Statischer Mischer zum Mischen oder Verteilen von strömenden Stoffen mit einem rohrartigen Gehäuse (1) beliebigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) eine dreidimensionale Gitterstruktur (2) angeordnet ist, deren Gitterstege (4) offenporige Zellen (3) mit unterschiedlichen Zellenabmessungen einschließen.
  2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterzellen (3) annähernd ellipsoid- oder kugelschalenförmig sind und einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 20 mm, vorzugsweise 2 bis 10 mm, aufweisen.
  3. Mischer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke der Gitterstege 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,4 bis 2 mm beträgt.
  4. Mischer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenabmessungen in der Nähe des rohrförmigen Gehäuses (1) größer sind als im Bereich der Rohrachse.
  5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenabmessungen in radialer Richtung von der Rohrachse zum Gehäuse (1) kontinuierlich zunehmen.
  6. Mischer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Gehäuses (1) Gitterstrukturabschnitte mit verschiedenen Zellenabmessungen und/oder Stegdicken hintereinander angeordnet sind.
  7. Mischer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur aus einem offenporigen Metallschaum besteht.
  8. Mischer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gitterstruktur aus einer gezielt eingestellten Schüttung gleicher oder verschiedener, aus Thermoplasten oder Wachs gefertigter, Stäbchenstrukturen besteht, die durch einen Gießprozeß unter Verwendung gießfähigen Metalls oder gießfähiger Metallegierungen in eine metallische Gitterstruktur umgewandelt werden.
  9. Mischer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gitterstruktur aus einer gezielt eingestellten Schüttung gleicher oder verschiedener aus gießresistentem Material gefertigter Körper besteht, die durch einen Gießprozeß unter Verwendung gießfähigen Metalls oder gießfähiger Metallegierungen in eine metallische Gitterstruktur umgewandelt werden.
  10. Mischer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum aus einem gießfähigen Metall oder einer gießfähigen Legierung mehrerer Metalle besteht.
  11. Verwendung des statischen Mischers nach Anspruch 1 bis 10 als verfahrenstechnische Packung in Stoffaustauschkolonnen für die Destillation und Rektifikation.
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