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Mischvorrichtung Zum Mischen von zwei oder mehr Flüssigkeiten bzw.
zum Homogenisieren eines aus ihnen hergestellten Gemisches und ferner zum Mischen
von Flüssigkeiten und Feststoffen, z. B. zur Erzeugung einer Dispersion, ist bei
den Strõmungsvorgängen dafür Sorge zu tragen, daß ein möglichst großes Schergefälle
zwischen benachbarten Strömungsschichten hervorgerufen wird. Im Gegensatz hierzu
erfordert das Beimischen eines Gases zu den vorgenannten Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen,
Dispersionen od. dgl. eine möglichst große Auflösung des Gasvolumens und eine Aufteilung
in kleine Blasen mit kleinen Einzelvolumina und größter Gesamtoberfläche.
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Für die erstgenannten beiden Mischungsgruppen bedient man sich bekannter
Mischer oder Rührwerke mit Propellern oder schaufelförmigen Teilen, die in - einem
Mischbehälter Strömungen, Geschwindigkeitsunterschiede und Wirbel erzeugen und auf
diese Weise in kurzer Zeit eine gute Durchmischung der Flüssigkeiten bzw. der Flüssigkeiten
und der Feststoffe hervorrufen. Durch ein solches mechanisches Rührwerk kann man
aber ein großes Schergefälle nicht erzielen, vielmehr werden nur wenige große Wirbel
erzeugt, in denen das Schergefälle nur gering ist.
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Ein weiterer Nachteil dieses Rührwerkes besteht darin, daß die Drehbewegung
von außen her in den Mischbehälter eingeleitet werden muß, so daß also eine Welle
durch die Behälterwandung hindurchzuführen ist, deren Abdichtung insbesondere deshalb
Schwierigkeiten herbeiführen kann, weil sie fliegend im Behälter angeordnet ist
und infolgedessen nicht gleichmäßig läuft und weil weiterhin häufig geschlossene,
unter Überdruck oder Vakuum stehende Behälter verwendet werden, bei denen an die
Dichtheit der Stopfbiichsen besonders hohe Anforderungen zu stellen sind. Die Lebensdauer
der Abdichtungsstellen an der Behälterwandung ist deshalb in der Regel begrenzt.
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Diese Abdichtschwierigkeiten treten nicht auf bei einer bekannten
Mischvorrichtung mit einem geschlossenen Mischbehälter und einem in diesen ragenden,
an eine Umwälzleitung angeschlossenen sowie unter dem Flüssigkeitsspiegel endenden
Zuführungsrohr, wobei in den Umwälzkreislauf ein Strahlapparat eingeschaltet ist,
denn bei dieser Mischvorrichtung tritt keine Welle durch die Behälterwandung.
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Jedoch kann bei dieser Mischvorrichtung, bei der sich ein einziger
Strahlapparat außerhalb des Mischbehälters in der Umwälzleitung und das Eintauchende
des Zuführungsrohrs dicht unter dem Flüssigkeitsspiegel befindet, eine gute und
gleichmäßige Durchmischung höchstens nach sehr langer Zeit erreicht werden, insbesondere
bei einem relativ großen Mischbehälter mit entsprechend großer Füllung.
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Es ist weiterhin eine Mischvorrichtung bekannt, bei der auf der Oberfläche
der im Mischbehälter befindlichen Flüssigkeit ein Schwimmer vorgesehen ist, an dem
ein Rohr mit hohlen Armen, an denen Strahlmischer angeordnet sind, hängt, wobei
zu dem Rohr eine biegsame Leitung führt, die an einen die Mischbehälterwandung oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels durchdringenden Stutzen angeschlossen ist, und durch den
Stutzen, die biegsame Leitung, das Rohr und die Arme ein Gas als Treibmittel den
Strahlmischern zugeführt wird. Jedoch ist die Durchmischung unbefriedigend, insbesondere
weil Gas als Treibmittel verwendet wird und die Arme nicht drehbar sind. Diese bekannte
Mischvorrichtung setzt auch einen Mischbehälter voraus, der nicht unter höherem
Innendruck oder Vakuum steht.
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Die Erfindung geht aus von einer Mischvorrichtung mit einem geschlossenen
Mischbehälter und einem in diesen ragenden, an eine Umwälzleitung mit Umwälzpumpe
angeschlossenen sowie unter dem Flüssigkeitsspiegel endenden Zuführungsrohr, wobei
in den Umwälzkreislauf ein Strahlapparat eingeschaltet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei derartigen Vorrichtungen eine bessere
Durchmischung der zu mischenden Komponenten und eine kürzere Mischzeit zu erreichen,
wobei die genannten Abdichtschwierigkeiten vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an Armen, welche um die Achse
des Zuführungsrohres drehbar sind und im Inneren des Mischbehälters liegen, in an
sich bekannter Weise Strahlmischer an-
geordnet sind, welche das
sie umgebende Gemisch in sich hineinfördern. Dadurch wird außer der besseren Durchmischung
und einer kürzeren Mischzeit auch der Vorteil erreicht, daß sich die Lagerung für
die umlaufenden Arme im Inneren des Mischbehälters befindet, so daß also keine sich
drehende Welle die Mischbehälterwandung durchstößt und die genannten Abdichtschwierigkeiten
vermieden sind.
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Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung die Mischwirkung
völlig unabhängig vom Druck im Inneren des Mischbehälters.
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Bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung treibt die Umwälzpumpe
einen verhältnismäßig kleinen Teil des Inhaltes des Mischbehälters durch die Düse
des Strahlmischers hindurch, und der aus dieser Düse austretende Strahl wird dazu
benutzt, den die Düse umgebenden Teil des Inhaltes des Mischbehälters mit diesem
Strahl zu vermischen.
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Diese Vermischung findet besonders zweckmäßig in einer Mischkammer
statt, die z. B. die Form eines Venturirohres oder aber eines rein zylindrischen
Rohrstutzens aufweist.
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Die Abstimmung der Form der Düse, ihrer Durchmesser, ihres Abstandes
von der Mischkammer sowie der Abmaße der Mischkammer selbst ist dem jeweiligen Mischvorgang
anzupassen. Die Mischvorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sich zumindest ein
Teil dieser Abmaße, wie etwa der Abstand der Mischkammer von der Düse und die Länge
der Mischkammer, einstellen oder durch Auswechseln von Teilen in einfacher Weise
abändern läßt.
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Die Achse des Zuführungsrohres kann sich z. B. mit der Achse eines
zylindrischen Mischbehälters decken. Vorzugsweise liegen die Arme im wesentlichen
in einer oder mehreren senkrecht zum Rohr liegenden Ebenen. Die Strahlmischer können
jeweils am äußeren Ende der hohlen, mit dem Innenraum des Zuführungsrohres in Verbindung
stehenden Arme angeordnet sein. Die Lagerung der Arme kann auf dem Zuführungsrohr
erfolgen. Die Frage der Abdichtung spielt deshalb keine Rolle, weil gewisse Undichtigkeiten
an den Lagerstellen ohne weiteres in Kauf genommen werden können, sofern diese die
Leistung der Strahlmischer nicht wesentlich herabsetzen. Man kann aber unter Inkaufnahme
der genannten Abdichtschwierigkeiten, jedoch unter Beibehaltung der guten Mischwirkung
die Arme fest mit dem Zuführungsrohr verbinden und dieses drehbar im Behälter lagern.
Auch bei dieser Ausführung kann man wiederum von einer abgedichteten Durchführung
absehen, d. h. also die vollen Vorteile der Verlegung der abzudichtenden Stelle
in den Mischbehälter in Anspruch nehmen, wenn man z. B. die Umwälzleitung von der
Umwälzpumpe her in den Boden des Mischbehälters einführt und innerhalb des Mischbehälters
mit der Rohrwelle verbindet, wobei wiederum ohne weiteres geringfügige Undichtigkeiten
an der Verbindungsstelle in Kauf genommen werden, da sie sich innerhalb des zu vermischenden
Inhaltes befinden. Die obere Lagerung der Welle kann dann auch innerhalb des Mischbehälters
erfolgen.
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Die Durchwirbelung und der Mischeffekt sind bei der erfindungsgemäßen
Mischvorrichtung außerordentlich hoch. So hat sich gezeigt, daß sich das Verhältnis
der aus dem Mischbehälter durch den Strahl mitgerissenen Flüssigkeitsmenge zu der
durch die Düsen hindurchtretenden Flüssigkeitsmenge etwa
10: 1 ist. Innerhalb kürzester
Zeit kann also auch bei großen Mischbehältern der gesamte Mischbehälterinhalt mehrmals
durch die Strahlmischer geschickt werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Mischvorrichtung
gemäß der Erfindung und von Teilen derselben dargestellt, und zwar zeigt A b b.
1 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung mit zwei Strahlmischergruppen übereinander,
A b b. 2 einen Querschnitt durch eine dieser beiden Gruppen in vergrößertem Maßstab,
Abt. 3 einen Längsschnitt durch die Lagerung der Arme derMischvorrichtung gemäß
Abb. 1 und 2 in vergrößertem Maßstab, Abt. 4 eine schematische Darstellung dieser
Mischvorrichtung einschließlich Umwälzleitung und Umwälzpumpe in Ansicht, Abt. 5
eine abgewandelte Ausführungsform der Mischvorrichtung in schematischer Ansicht,
Abt. 6 eine Doppeldüse zum Mischen zweier Flüssigkeiten mit einem Gase in schematischer
Darstellung, Abt. 7 ein Zuführungsrohr mit mehreren Gasmischern in einem Längsschnitt,
A b b. 8 eine weitere Ausführungsform der Mischvorrichtung, und zwar zum Mischen
zweier Flüssigkeiten, in schematischer Darstellung und mit Umwälzleitung und Umwälzpumpe
und A b b. 9 eine Ausführungsform der Mischvorrichtung, die zum Belüften von Abwasser
dient, ebenfalls in schematischer Darstellung.
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Die Mischvorrichtung gemäß A b b. 1 besteht aus einem Mischbehälter
10 mit angeschweißtem Boden 11, drei Füßen 12 und einem angeflanschten Deckel 13.
Im Boden 11 befindet sich eine Ablauföffnung 14 und ferner waagerecht abgehend ein
Stutzen 15, an den - siehe A b b. 4 - die Saugleitung 16 einer Umwälzpumpe 17 angeschlossen
ist. Die Druckleitung 18 der Umwälzpumpe 17 ist an ein zentral im Mischbehälter
10 angeordnetes Zuführungsrohr 19 angeschlossen, das gemäß Abt. 1 fest mit dem Deckel
13 verschweißt ist und durch Eckstreben 20 starr im Deckel 13 gehalten ist, während
das untere Ende 21 frei im Mischbehälter 10 angeordnet ist. Am Zuführungsrohr 19
sind übereinander zwei Strahlmischergruppen 22 angeordnet. Die Strahlmischer sind
um das Rohr 19 drehbar gelagert, wie aus Abt. 2 und 3 ersichtlich ist. Rohrkrümmerartige,
die Strahlmischer tragende Arme 23 sind über Muffen 24 mit einer Nabe 25 verschweißt,
die nach Abt. 3 über Madenschrauben 26 mit einer Lagerbuchse 27 verbunden ist. Die
Lagerbuchse 27 ist gegenüber dem Rohr 19 gegen axiales Verschieben durch Stellringe
28 gesichert, die über Madenschrauben 29 auf einer das Rohr 19 im Lagerbereich verstärkenden
Hülse 30 verschraubt sind. Öffnungen 31 im Rohr 19 und der Hülse 30 gestatten der
zu mischenden Flüssigkeit den Zutritt zur Nabe 25 und von ihr zu den Armen 23.
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An die unter 900 abgekrümmten Arme 23 ist jeweils ein Düsenkopf 32
angeschraubt, in den eine auswechselbare Düse 33 eingesetzt ist. Auch die Mischkammer
34 ist auswechselbar, und die Anordnung ist so getroffen, daß die Achse 35 des so
gebildeten Strahlmischers den senkrecht zu ihr verlaufenden Radius 36 etwa in seiner
Mitte trifft, wobei der Strahlmischer so lang ist, daß der Strahlweg bis zur
Mischbehälterwandung
t bis 1/1ü des Mischbehälterdurchmessers beträgt. Die Mündung 37 der Mischkammer34
liegt also dicht bei der Mischbehälterwandung. Die Achse 35 trifft unter einem Winkel
von etwa 45° auf die Tangente 38 an die Mischbehälterwandung. Der Abstand 39 der
Mündung 37 von der Mischbehälterwandung beträgt ungefähr t/12 des Durchmessers des
Mischbehälters 10.
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Die Ausführungsform nach A b b. 5 zeigt einen flachen Mischbehälter
40 von großem Durchmesser mit einem aus sechs Armen gebildeten Armkreuz 41, wobei
nicht nur an den Enden Strahlmischer 42 angeordnet sind, sondern auch etwa in der
Mitte der Arme nach unten zu angesetzte Strahlmischer 43. Es können also mehrere
Strahlmischer an jedem Arm angeordnet sein. Für einfache Düsen (Prinzip des Segnerschen
Wasserrades) ist dies bekannt, aber nicht für Strahlmischer. Die Erfindung kann
mancherlei Abwandlungen erfahren. So kann die Form der Mischkammer den jeweiligen
Verhältnissen entsprechend ausgebildet sein. Es können Behälter mit eckigen Wandungen
oder solche mit Einbauten verwendet werden. Es können an den Armkreuzen zusätzlich
noch mechanische Rührvorrichtungen, wie Propeller, Schaufeln od. dgl., vorgesehen
sein. Die Umwälzpumpe kann durch eine Kolbenpumpe oder auch, bei Zusatz von Dampf
od. dgl. durch einen Strahlmischer gebildet sein.
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Derartige besondere Einbauten sind beispielsweise in A b b. 1 gezeigt,
wo an den Strahlmischer 32 bis 34 Begasungsvorrichtungen angebracht sind. Die im
Bereich der Öffnungen 44 der Strahlmischer vorhandene Unterdruckzone am Düsenaustritt
(A b b. 2) ist von einem Eintrittsgehäuse 45 umgeben und steht über ein Gaszuführungsrohr
46 mit dem Raum 47 oberhalb des nicht dargestellten Flüssigkeitsspiegels in Verbindung.
Im Deckel 13 ist eine Gaszufuhr zu dem im übrigen geschlossenen Mischbehälter 10
bzw. ein Begasungsstutzen 48 vorgesehen. Das Gas wird aus dem Raum 47 durch das
Gaszuführungsrohr 46 und das Eintrittsgehäuse 45 in die Flüssigkeit hineingefördert.
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Es ist ferner möglich, zwei oder mehr Düsensysteme hintereinanderzuschalten.
Es ergibt sich dann ein Doppelstrahlmischer (siehe A b b. 6) oder ein Mehrfachstrahlmischer.
Gemäß A b b. 6 fördert der Treibmittelstrahl der Treibdüse 59 über die Eintrittsöffnung
60 die umgebende Flüssigkeit in den Strahlmischer hinein und strömen das Treibmittel
und diese Flüssigkeit in die Mischkammer 61. Das Ende 62 der Mischkammer 61 dient
wiederum als Treibdüse für den anschließenden Strahlmischer mit Eintrittsöffnung
63, Mischkammer 64 und Diffusor 65. Über die Eintrittsöffnung 63 wird in diesem
Fall Gas gefördert und von der Flüssigkeit des ersten Strahlmischers absorbiert.
Es werden also zwei Flüssigkeiten und ein Gas - also drei Komponenten -gemischt.
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Werden mehrere gasfördernde Strahlmischer angeordnet, so kann diesen
das Gas aus einem zentralen Zuführungsrohr entsprechend A b b. 7 gemeinsam zugeführt
werden. Das doppelwandige Rohr 66 mündet wiederum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels.
An dem gasführenden Ringraum 67 sind die Strahlmischer angeschlossen. Solche Systeme
können auch in einem Mischbehälter mit Überdruck arbeiten. Das zu absorbierende
Gas muß stetig dem Mischbehälter 10 (A b b. 1) zugeführt werden. Die Verbindungs-
rohre
68 dienen zum Ausgleich des inneren und äußeren Flüssigkeitsspiegels.
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Die Mischkammer des Strahlmischers kann aber auch gleichzeitig als
Reaktionskammer benutzt werden. Soll beispielsweise eine Reaktion zwischen der Treibfiüssigkeit
und dem geförderten Gas erfolgen, so geschieht dies in der Mischkammer. Hier können
die günstigsten Verhältnisse für eine schnelle Reaktion als stetiger Vorgang, bedingt
durch den dort vorliegenden Strömungszustand, verwirklicht werden.
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A b b. 8 zeigt eine Anordnung für das kontinuierliche Mischen zweier
oder mehrerer Flüssigkeiten im Durchlaufverfahren. Die zu mischenden Flüssigkeiten
treten bei 69 und 70 in den Mischbehälter 71 ein und durchlaufen die Strahlmischergruppen
72 und 73 und zum Teil auch 74. Bei 75 wird zwischen den Strahlmischergruppen 73
und 74 stetig die gemischte Flüssigkeit entnommen.
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Bei den üblichen Mischern und Rührwerken beginnt nach Einleitung
der Drehbewegung des Mischvorgangs der gesamte Behälterinhalt im Drehsinn des Rührwerkes
sich mitzudrehen. Von einer Durchmischung kann dann nicht mehr gesprochen werden.
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Bei der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung tritt dieser Nachteil
nicht oder in vermindertem Maße auf. Besteht die Gefahr, daß er auftritt, so kann
man ihr dadurch begegnen, daß mehrere Strahlmischergruppen übereinander angeordnet
sind und die Drehrichtung dieser Gruppen unterschiedlich ist. Insbesondere weist
jede Strahlmischergruppe gegenüber der folgenden eine andere Drehrichtung auf. Somit
hebt sich der Einfluß auf die Mischflüssigkeit auf. In Ab b. 8 dreht sich z. B.
die Strahlmischergruppe 72 links herum, die Strahlmischergruppe 73 rechts herum
und die Strahlmischergruppe 74 wieder links herum.
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Strahlmischer haben die Eigenheit, daß mit abnehmender Eintauchtiefe
in die Flüssigkeit die angesaugte Flüssigkeitsmenge zunimmt und umgekehrt. Soll
also eine möglichst große Menge angesaugt werden, so ist ein kleiner Flüssigkeitsstand
»t« entsprechend A b b. 9 zu wählen. A b b. 9 zeigt einen beckenartigen, flachen
Mischbehälter 76 mit vergleichsweise großem Durchmesser und geringer Flüssigkeitshöhe.
Er wird insbesondere zur Belüftung von Schlamm bei der Abwasserbehandlung angewendet.
In der Mitte des Mischbehälters 76 befindet sich ein Zuführungsrohr 77, das durch
den Mischbehälterboden geführt ist und als Tragrohr nach oben zu frei tragend und
oben geschlossen ist.
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Diesem Tragrohr wird Treibwasser zugeleitet. Die Strahlmischer 78
drehen sich mit den Zuführungsrohren 79 mit Verstrebungen 80 um das Rohr 77.
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Die Strahlmischer stehen unter einem bestimmten Winkel schräg zur
Drehebene; sie sind in an sich bekannter Weise entgegen der Drehrichtung schräg
nach unten gerichtet. Hierdurch wird infolge des austretenden Strahles der Schlamm
auf dem Boden des Beckens 76 aufgewirbelt und besser durchlüftet.
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Die Luftansaugrohre 81 enden oberhalb des Flüssigkeitsspiegels. Das
Luft-Wasser-Gemisch wird also schräg in das Becken 76 ausgestoßen. Die horizontale
Kraftkomponente (siehe das Kräftedreieck) bewirkt die Drehung des gesamten Systems
um das Rohr 77.
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Die Schrägstellung der Strahlmischer ergibt aber noch eine weitere
Wirkung. Entsprechend dem eingezeichneten Kräftedreieck in A b b. 9 entsteht eine
Kraftkomponente entgegengesetzt der Wirkungsrichtung
des Eigengewichts
des Systems. Um den Betrag der senkrechten Kraftkomponente wird die Wirkung des
Gewichtes vermindert und dasAxiallager entlastet.