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Vorrichtung zum Mischen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Mischen mehrerer Komponenten, von denen mindestens eine pumpbar ist, unter Verwendung
eines Behälters mit seitlicher Abführung und zentraler lotrechter Rückführung einer
Teilmenge des Mischgutes in die Nähe des Behälterbodens.
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Mischvorrichtungen für diesen Zweck sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. Bei einer dieser Vorrichtungen wird das Mischgut auf der einen Behälterseite
abgesaugt und auf der anderen wieder zugeführt, wobei die Funktionen des Ein- und
Auslasses umkehrbar sind. Es wird eine spiral- oder kreisförmige Umlaufbewegung
des Gutes angestrebt, deren Richtung wiederholt geändert wird. Die dabei auftretende
Wirbelbildung dient der Mischung der Stoffe. Nachteilig ist dabei, daß die Durchmischung
des Behälterinhaltes sich selbst überlassen bleibt, sie ist unkontrolliert und ungleichmäßig.
Auch ist bei einer Rotation der Flüssigkeit im Behälter, die einen verhältnismäßig
großen Energieaufwand erfordert, an sich aber zum Stoffaustausch nur in geringem
Maße beiträgt, ein toter Kern praktisch unvermeidlich., Ferner ist eine Vorrichtung
bekannt, bei der ein Teil des Mischgutes abgesaugt, zentral in den Behälter rückgeführt
wird und durch drei in einer Ebene liegende Auslaßkanäle in das Mischgut wieder
ausströmt. Schräge Behälterwände verhindern eine umfassende räumliche Wirkung, so
daß sich im wesentlichen nur in der Ausströmebene eine Umwälzbewegung ausbildet,
die wegen der Aufteilung des Strahls nicht einmal sehr intensiv ist. Auch bei dieser
Vorrichtung ist die Durchmischung des Behälterinhaltes unkontrolliert und ungleichmäßig.
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Bei anderen Mischvorrichtungen wird ein Teil des Mischgutes seitlich
abgesaugt und als freier Strahl zentral auf den Flüssigkeitsspiegel gespritzt. Der
Zweck ist dabei, das oberhalb des Mischgutes befindliche Gas durch Oberflächenreibung
mitzureißen. Der Strahl verliert durch den Aufprall und das Eindringen in die Flüssigkeit
an Energie, er erweitert sich trichterförmig und zerflattert dabei. Größere Gasblasen
steigen durch den Auftrieb wieder zur Oberfläche auf, die Strömung im Mischgut ist
unregelmäßig und die Mischwirkung verhältnismäßig gering.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile
der bekannten Vorrichtungen zu vermeiden, indem mit möglichster Beschränkung der
aufgewendeten Energie, aber zweckmäßiger Ausnutzung derselben eine hohe Mischintensität
durch vorausbestimmte, den ganzen Behälterinhalt in eine gleichmäßige Umwälzbewegung
einbeziehende Strömungswege im Mischgut erzielt wird. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Mündung der als Rückführung dienenden Leitung als Druckdüse
mit verengtem Austrittsquerschnitt ausgebildet und über einer den Strahl radial
nach allen Richtungen gleichmäßig umlenkenden Prallfläche angeordnet ist.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist zur Förderung der Teilmenge
eine Pumpe vorgesehen.
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Zur Unterstützung des Misch- oder Reaktionsvorganges kann wenigstens
eine der an die Pumpe angeschlossenen Leitungen durch einen Wärmeaustauscher führen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich durch mehrere lotrechte,
übereinander angeordnete und je mit einem Ventil ausgerüstete Ableitungen; dabei
können außerdem eine Zufuhrleitung und eine Entnahmeleitung an den Behälter auf
einander gegenüberliegenden Seiten angeschlossen sein.
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Die Leistung der neuen Vorrichtung liegt dann besonders hoch, wenn
die Mündung der Druckdüse von der Mündung der Zufuhrleitung für das Gut einen kleineren
Horizontalabstand hat als von der Mündung der Entnahmeleitung.
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Um durch einen Aufprall des Strahles auf die Wand die Durchmischung
zu intensivieren, sollte dei Abstand der Mündung der Druckdüse von der Prallfläche
das 0,2- bis 2,0fache des Mündungsdurchmessers betragen.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung mündet in die Druckdüse eine
Gaszuführungsleitung ein.
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Eine elegante konstruktive Lösung ist dann gegeben, wenn die Prallfläche
durch einen Teil der Behälterwand gebildet ist.
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Zur Beseitigung eines Gasüberschusses, der zu störender Schaumbildung
führen kann, ist es vorteilhaft, wenn zwischen wenigstens eine seitliche Abführung
und die zentrale Rückleitung ein Zyklon in Serie mit einer Pumpe geschaltet ist.
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In einer vollkommenen Ausführungsform ist der Behälter durch Zwischenböden
in mehrere Kammern unterteilt, und jede Kammer hat eine zentrale Rückleitung und
in bezug auf deren Zufuhrrichtung einander gegenüber angeordnete und in dieser Richtung
gegeneinander versetzte Zufuhr- und Entnahmeöffnungen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Beschleunigung
von Lösungsvorgängen, zur Herstellung von Dispersionen, Suspensionen, Emulsionen,
kolloidalen Lösungen, Aufschwemmungen, zum Homogenisieren, zur Herstellung und Behandlung
von Pasten, zur Beschleunigung von Reaktionen und Fermentationen, zum Waschen von
Gasen in Flüssigkeiten oder Auswaschen von Flüssigkeiten durch Gase und Dämpfe und
für andere Behandlungsarten von Stoffen, bei denen ein Mischen notwendig oder vorteilhaft
ist. Besonders eignet sich die Vorrichtung für kontinuierlichen Betrieb.
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Durch die Erfindung erzielbare Vorteile sind: eine wesentlich intensivere
und dementsprechend raschere Mischung, eine größere zur Mischung anwendbare, durch
eine Pumpe aufgebrachte Leistung pro Volumeinheit des Mischbehälters und die Möglichkeit,
mit einem entsprechend kleineren Behälter auszukommen, eine gleichmäßigere Verteilung
des Mischvorganges auf den Inhalt des Behälters infolge gleichmäßiger Behandlung
aller Strömungsfäden, kontinuierliche Regelbarkeit der Mischwirkung von Null an,
keine bewegten Teile im Mischbehälter, so daß derselbe hermetisch abgeschlossen
werden kann, wozu zu bemerken ist, daß hermetisch abgeschlossene Pumpen bekannt
sind.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
schematisch dargestellt. In allen Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung für kontinuierlichen
Betrieb, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 11-11 in Fig. 1, F i g. 3 eine Variante
eines Teiles von Fig. 1 im Längsschnitt, F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine
Vorrichtung zum Mischen eines Gases mit einer Flüssigkeit, F i g. 5 und 6 je einen
Längsschnitt durch eine Variante zu Fig. 1.
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Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung hat einen Mischbehälter
1 mit einer Zufuhrleitung 7 und einer Entnahmeleitung 9 für das Gut. Drei nur teilweise
veranschaulichte Beschickungsgefäße 8a, 8bt 8 c stehen je über einen Durchflußmesser
9 a, 9 b, 9c und je ein Ventil lOa, 10b, lOc mit der Zufuhrleitung 7 in Verbindung.
Die Entnahmeleitung 9 enthält ein Regel ventil 16.
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Der Behälter 1 hat drei Ableitungen 5 a, 5b, 5 c, deren jede ein
Ventil 6a, 6b, 6c enthält. Diese Ableitungen sind an eine Sammelleitung 5 angeschlossen,
welche mit dem Einlaß einer Pumpe 2 verbunden ist. Der den Antriebsmotor der Pumpe
enthaltende Raum ist mit 2a bezeichnet.
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Der Behälter 1 hat eine zentrale, lotrechte Rückleitung 3, welche
aus einem Rohr besteht, dessen eines Ende in den Behälter hineinragt und dessen
anderes Ende an den Auslaß der Pumpe 2 angeschlossen ist. Dieses Rohr führt außerhalb
des Behälters durch einen Wärmeaustauscher 17, welcher dazu dient, das durch das
Rohr strömende Gut zu erwärmen oder zu kühlen. Die Mündung seines in den Behälter
hineinragenden Endes ist als Druckdüse 4 mit verengtem Querschnitt ausgebildet.
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Die Zufuhrleitung 7 und die Entnahmeleitung 9 sind auf einander gegenüberliegenden
Seiten an den Behälter angeschlossen. Dabei hat die Mündung der Druckdüse 4 von
der Mündung 13 der Zufuhrleitung 7 einen kleineren Horizontalabstand als von der
Mündung der Entnahmeleitung 9.
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Die Stoffe, von denen wenigstens einer ein Fluidum, also flüssig
oder gasförmig ist und die zur Herstellung einer Lösung innig miteinander vermischt
werden sollen, werden den Beschickungsgefäßen 8 a, 8 b, 8c zugeführt und gelangen
in einem durch die Ventile lOa, lob, 10 c eingestellten und mittels der Durchflußmesser9a,
9 b, 9c überwachten Mengenverhältnis kontinuierlich in die Zufuhrleitung 7 und durch
diese in den Behälter 1. Die Pumpe 2 saugt dauernd eine Teilmenge des im Behälter
enthaltenen Mischgutes durch die Ableitungen 5 a, 5 b, 5c über die Sammelleitung
S an und fördert diese Teilmenge unter Druck durch die zentrale Leitung 3 in den
Behälter zurück. Durch entsprechende Einstellung der Ventile 6 a, 6b, 6c kann die
angesaugte Teilmenge des Gutes unten, in der Mitte, oben oder in bestimmter Verteilung
auf die drei Ableitungen dem Behälter 1 entnommen werden.
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Die zurückgeführte Teilmenge des Mischgutes erfährt beim Durchtritt
durch die verengte Druckdüse 4 eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung. Der austretende
Strahl trifft auf eine Prallfläche, in diesem Ausführungsbeispiel auf die untere
Behälterwand, durch die er radial nach allen Seiten in Richtung der Pfeile 10 gleichmäßig
umgelenkt wird. Im Mischgut bilden sich durch weitere Umlenkungen rotationssymetrische
Strömungswege aus, von denen zwei, mit 11 a, 11b bezeichnet, veranschaulicht sind,
und die nahe zum Ausgangspunkt zurückführen. Das Mischgut wird dadurch in eine in
sich rotierende Umwälzbewegung mit intensiver Mischwirkung versetzt.
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Vom Mischgut werden Teilströme 15 abgezweigt, welche die durch die
Pumpe 2 in den Behälter zurückgeführte Teilmenge des Mischgutes bilden.
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Durch die seitliche Entnahme und zentrale Rückfiihrung der Teilmenge,
aber auch dadurch, daß die Zufuhrleitung 7 und die Entnahmeleitung 9 auf einander
gegenüberliegenden Seiten an den Behälter angeschlossen sind, entsteht im Behälter
auch eine horizontal gerichtete Strömung. Die Umwälzbewegung und die Horizontalströmung
überlagern sich, wodurch eine wandelförmige Strömungll mit einer im Grundriß kreisbogenähnlich
gekrümmten Wandelachse 12a, 12b, 12c, 12d entsteht.
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Eine derartige turbulente Strömung ergibt im Vergleich zu den Abmessungen
des Behälters besonders lange Strömungswege im Mischgut mit entsprechend wirksamer
Mischung. Diese Mischwirkung wird noch gesteigert, weil nur ein kleiner Teil des
Gutes, das aus dem Behälter herausgeführt wird, den sehr langen, wendelförmigen
Weg erst einmal durchlaufen hat. Der weitaus größere Teil des entnommenen
Gutes
hat durch die seitliche Ableitung und zentrale Rückführung diesen Weg bereits mehrmals
zurückgelegt und eine dementsprechend intensive Durchmischung erfahren. In welchem
Maß das der Fall ist, hängt von der angewandten Förderleitung der Pumpe und von
dem mittels des Ventils 16 einstellbaren Durchsatz durch den Behälter ab. Die zu
mischenden, durch die Zufuhrleitung 7 in den Behälter gelangenden frischen Komponenten
des Mischgutes werden von der Strömung sofort mitgenommen und legen den Strömungsweg
mehrmals zurück, bevor sie zur Entnahmeleitung 9 gelangen.
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Betrachtet man in F i g. 2 eine Stromlinie der wendelförmigen Strömung
11, so zeigt sich, daß die Wendelgänge außen einen weit größeren Abstand voneinander
haben als innen. Auch dieser Umstand ist für die Mischwirkung sehr förderlich.
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Wenn der Mischvorgang, ein anderer durch Mischen zu bewirkender oder
zu unterstützender Vorgang oder eine derartige Reaktion durch Erwärmung oder Abkühlung
beeinflußt werden soll, wird der Wärmeaustausch 17 in Betrieb gesetzt.
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Die Druckdüse 4 kann, wie Fig.3 zeigt, der Grundfläche la des Behälters
1 auf eine kleine Distanz 18, welche vorteilhafterweise das 0,2- bis 2fache des
Durchmessers der verengten Mündung beträgt, genähert sein, um an dieser Stelle auch
durch den Aufprall des Strahles auf die Wand eine intensive Durchmischung zu erzielen.
Demselben Zweck kann auch eine vor der Druckdüse 4 angeordnete (nicht gezeichnete)
Prallwand dienen.
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Um dem Gut im Behälter ein Gas zuzuführen und im Gut zu verteilen,
kann die Druckdüse an der Mündung der Rückleitung als Mischdüse ausgeführt sein
und das Gas dieser Mischdüse zugeführt werden.
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Eine Mischvorrichtung für diesen Zweck zeigt die Fig.4. Die Druckdüse
4 c ist abweichend von der Druckdüse4 der Fig. l eine Mischdüse, beispielsweise
nach Art der Düse einer Strahlpumpe. An die Mischdüse 4c sind die Rückleitung 3
für das Mischgut und eine Zuleitung 23 für das Gas angeschlossen. Diese Zuleitung
23 wird sowohl durch eine Leitung 22 aus einem Gasbehälter 20 als auch durch eine
Leitung 21 aus dem oberen, Gas enthaltenden Teil 19 des Behälters gespeist. Die
Mischeinrichtung nach Fig.4 weist außerdem einen Zyklon 25 auf.
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Er dient dazu, aus dem Gut im Behälter einen Gasüberschuß, der zu
störender Schaumbildung führen kann, zu beseitigen. Ein solcher Gasüberschuß kann
beispielsweise bei Fermentationsprozessen entstehen.
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Der Zyklon 25 ist durch eine Leitung 26, welche eine zweite Pumpe
2b enthält, mit dem oberen Teil des Behälters 1 und durch eine nach unten führende,
verzweigte Leitung 28 mit dem Behälter und mit der Leitung 5 verbunden. Dabei steht
der in die Leitung 5 mündende Zweig der Leitung 28 unter der Wirkung der Pumpe 2.
Eine nach oben führende Leitung 27 dient zur Ableitung des überschüssigen Gases.
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Zum Betrieb der Einrichtung nach F i g. 4 werden der Behälter 1 bis
zu einem oberhalb der Anschlußstelle der Leitung 5 und unterhalb der Anschlußstelle
der Leitung 26 liegenden Niveau mit der zu behandelnden Flüssigkeit und der Behälter
20 mit dem zur Begasung bestimmten Gas gefüllt. Die Pumpe 2 wird so lange betrieben,
bis die Flüssigkeit das Gas in der gewünschten Menge in feinster Verteilung aufgenommen
hat. Durch gleichzeitigen An-
trieb der zweiten Pumpe 26 wird der an der Oberfläche
der Flüssigkeit gebildete Schaum dem Zyklon 25 zugeführt, welcher durch Fliehkraftwirkung
die Flüssigkeit und das Gas voneinander scheidet.
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Die Vorrichtung nach F i g. 4 kann derart ausgeführt werden, daß
die Pumpe 2 auch die Aufgabe der Pumpe 2b übernimmt. Weiterhin kann die Vorrichtung
auch zum Begasen einer durchlaufenden Flüssigkeit ausgeführt werden, indem diese
dem Behälter 1, ähnlich wie im Zusammenhang mit F i g. 1 erläutert, unten neben
der Mischdüse 4c zugeführt und oben diametral zu ihrer Zuführung herausgeführt und
außerdem das Gas dauernd zugeführt wird.
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Wenn der Behälter, in dem gemischt werden soll, eine langgestreckte
Form hat, ist es zweckmäßig, mehrere Düsen auf die Behälterlänge verteilt anzuordnen,
wie die F i g. 5 und 6 zeigen.
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Nach F i g. 5 ist der Behälter 1 ein stehender Kessel, dessen axiale
Länge wesentlich größer als sein Durchmesser ist. Die Rückleitung 3 hat vier über
die Höhe des Behälters verteilte Druckdüsen 4, 17a, 17b und 17c. Die aus der untersten
Düse 4 austretende Teilmenge des Mischgutes wird am Boden des Behälters radial umgelenkt
und nach oben gerichtet, die übrigen Düsen rufen in ähnlicher Weise eine örtliche
Umwälzbewegung in den anderen Teilen des Behälters hervor. Die Ableitung besteht
aus einem innerhalb des Behälters angeordneten Schlauch 5d und einem anschließenden,
außerhalb des Behälters zur Pumpe 2 führenden Rohr 5 e. Das freie Ende 29 des Schlauches
5 d ist von einem Schwimmer 30 getragen und wird so immer nahe der Oberfläche des
Mischgutes gehalten. Dadurch wird unabhängig davon, wie weit der Behälter gefüllt
ist, stets von der obersten Schicht der Füllung abgesaugt. Das ist wichtig, wenn
Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlichen spezifischen Gewichten gemeinsam behandelt
werden sollen und der Behälter nicht immer gleich hoch gefüllt ist.
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Die Vorrichtung nach F i g. 5 kann an Stelle des Schlauches 5d mit
dem Schwimmer 30 auch eine an den Behälter 1 oben angeschlossene Ableitung aufweisen.
Sie ist gestrichelt dargestellt und mit 5 bezeichnet. Vorteilhaft für die Mischwirkung
ist auch, daß die Zufuhrleitung 7 und die Mündung der Ableitung 5d bzw. 5 sich in
bezug auf die Zufuhrrichtung der Rückleitung 3 einander gegenüber angeordnet sind.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist der Behälter 1 ebenfalls
ein stehender Kessel, dessen Höhe größer als sein Durchmesser ist. Der Behälter
ist durch mehrere über seine Höhe verteilt angeordnete Zwischenböden 16a, 16b in
Kammern 31, 32, 33 unterteilt, in welchen die Druckdüsen 4 in der Behälterachse
angeordnet sind. In jeder dieser Kammern erfolgt der Mischvorgang in der im Zusammenhang
mit den F i g. 1 und 2 erläuterten Art. Wesentlich für die Wirkungsweise ist, daß
in jeder Kammer die Zufuhr- und Entnahmeöffnungen in bezug auf die Zufuhrrichtung
der Rückleitung 3 einander gegenüber angeordnet und in dieser Richtung gegeneinander
versetzt sind. In diesem Sinn ist die Durchflußöffnung 24a im Zwischenboden 16a,
welche die Entnahmeöffnung der untersten Kammer 31 und die Zufuhröffnung der mittleren
Kammer 32 bildet, gegenüber der Mündung 13 der Zufuhrleitung 7 der unteren Kammer
31 versetzt angeordnet, ebenso gegenüber der Durchflußöffnung 24b im Zwischenboden
16b, welche die Entnahmeöffnung der mittleren
Kammer 32 und die
Zufuhröffnung der oberen Kammer 33 bildet und auch gegenüber der Mündung der Ableitung
5 der oberen Kammer 33 versetzt ist.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich für alle Mischvorgänge,
vor allem aber für jene Fälle, in denen es sich darum handelt, mit geringem Aufwand
und in kurzer Zeit eine besonders intensive Mischung vorzunehmen. Wenn die Vorrichtung
nur zum Homogenisieren dient, genügt es, ein einziges Beschickungsgefäß vorzusehen,
in den anderen Fällen wird die Anzahl der Beschickungsgefäße den zu mischenden Komponenten
angepaßt. Es ist zweckmäßig, die Übergänge vom Boden und Deckel des Behälters zu
dessen Mantel abzurunden, um tote Räume mit Sicherheit zu vermeiden.