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Misch-oder Chemoreaktionseinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
eine Einrichtung zur Mischung oder zusätzlich zur chemischen Reaktion hydraulischer
medien, die einen mit ihnen füllbaren Behälter und eine in diesem angeordnete Mischvorrichtung
aufweist. Eine solche Einrichtung ist in der chemischen Verfahrenstechnik bekannt.
Bei der bekannten Einrichtung weist die Mischvorrichtung, die Rührwerk genannt wird,
Mischwerkzeuge auf, die z. B. pendeln oder sich drehen oder auch umlaufen (Planetenrührwerk).
Diese Mischwerkzeuge haben die Aufgabe, Wirbel und mithin Geschwindigkeitsunterschiede
und eine hohe Turbulenz zwischen den zu durchmischenden Schichten zu erzeugen. Die
Rührwerkwelle ist durch einen Deckel des Behälters geführt und reicht bis zum Behälterboden.
Ihr Antrieb erfolgt über ein auf dem Behälterdeckel angeordnetes Motorgetriebe.
Dadurch sind aber die Lagerungen der Ruhrwerkwelle äuBerst schwierig zu beherrschen.
Darüberhinaus muB die Durchführung der Rührwerkwelle durhc den Behälterdeckel im
Falle der Mischung mit Gas äußerst gut gegen Gasdurchtritt abgedichtet werden. Dies
erfordert einen großeren Aufwand. Das Gas wird z. B. über einen Siebboden in das
Behälterinnere eingeführt. Desweiteren ist die Durchmischung der Medien in dem relativ
groBräumigen Behälterinneren, also Mischraum, meist nicht genügend gut, weil der
Mischvorgang an den verschiedenen Stellen des Mischraumes infolge der nicht steuerbaren
Wirbelbildung unterschiedlich ist, es sei denn, daß man sehr lange rührt. Sehr langes
Rühren bedeutet aber Zeitverlust. erner ergibt eine langsame und ungleichmäßige
Durchmischung ein schlechtes chemisches Reatkionsprodukt. Weiterhin besteht die
Gefahr, daB durch das sich drehende Mischwerkzeug die gesamte Behälterfüllung in
Drehung versetzt wird und so eine Mischwirkung nicht oder kaum auftritt.
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Um diese Nachteile zu verhindern,wirdgemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß die Mischvorrichtung ein Strahlmischer ist, eine Umwälzpumpe zur Absaugung von
Behälterfüllung und Beaufschlagung der Treibdüse des Strahlmischers mit Behälterfüllung
vorgesehen ist und der Strahlmischer mindestens eine von der Behälterfüllung erreichbare
Saug-oder saugleitungsöffnung@aufweist. Der Strahlmischer hat keine drehbaren Teile
und somit entfallen die genannten Wellenlagerungen und das genannte Abdichten und
kann die Behälterfüllung nicht in Drehung versetzt werden. Mit einer solchen Einrichtung
können die Medien weitaus besser und schneller durchmischt werden und ein weitaus
besseres chemisches Reaktionsprodukt erzielt werden als mit den bekannten Rührwerken.
Die Einrichtung kann der Mischung von Flüssigkeiten oder PlüssigkeiXerJ und Gas
(en) miteinander oder zusätzlich der chemischen Reaktion dieser Medien bzw. bei
mehr als drei Medien von mindestens zwei dieser Medien miteinander dienen.
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Wird der Behälter mit zu mischenden bzw. in chemische Reaktion zu
bringenden Flüssigkeiten oder mit zu begasender oder mit Gas in chemische Reaktion
zu bringender Flüssigkeit gefüllt und die Umwälzpumpe in Tätigkeit gesetzt, dann
wird Behälterfüllung durch die Umwälzpumpe aus dem Behälter abgesaugt und zur Treibdüse
des Strahlmischers gefordert und in diesem als Treibmittel benutzt, das über die
Saug-oder Saugleitungsöffnung ebenfalls Behälterfüllung in den Strahlmischer saugt,
wo sich die beiden Ströme im Inneren des Mischrohres des Strahlmischers mischen,
um dann aus dem Austritt des Mischrohres in den Behälter auszutreten.
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Dieses Umpumpen bzw. diese Kreislaufströmung wird durch Laufenlassen
der Umwälzpumpe solange aufrechterhalten, bis die gewünschte Güte der Mischung bzw.
des Reaktionsproduktes erzielt ist. Die Durchmischung bzw. Reaktion findet in erster
Linie im Inneren des Mischrohres statt. Sie ist weitaus besser und geht weitaus
schneller vor sich als bei den genannten bekannten Einrichtungen, weil sie im Mischrohr,
also auf eng begrenztem, definierbarem und kontrollierbarem Raum, stattfindet. Die
Wirbelbildung ist hier gesteuert. Zusatzlich findet noch eine Nachdurchmischung
der
Medien im Behälterinneren statt, wenn die Medien den Strahlmischer verlassen haben.
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Der Strahlmischer ist insbesondere zweistufig, indem er zwei Mischrohre
aufweist, die dieselbe ideelle Achse haben und axial aufeinanderfolgen, wobei mindestens
die eine Stufe die genannte (n) Saug-oder Saugleitungsöffnungßn)aufweist. Das Mischrohr
der ersten Stufe dient gleichzeitig als Treibdüse für die zweite Stufe. Mit einem
solchen Strahlmischer treten die genannten Vorteile noch mehr in Erscheinung. AuBerdem
können mehr hydraulische Medien miteinander vermischt oder in chemische Reaktion
gebracht werden. Es bestehen mehr Ansaugmöglichkeiten. Der Innendurchmesser des
Mischrohres der zweiten Stufe ist insbesondere gröBer als der Innendurchmesser des
Mischrohres bzw. Mischrohraustritts der ersten Stufe. Die Treibstrahlmenge der zweiten
Stufe ist gober als die der ersten Stufe ; sie kann-z. B. zehnmal größer sein. Es
kann also eine sehr große Fördermenge und damit Umwälzmenge erreicht werden, wobei
die Umwälzpumpe relativ kleine Leistung hat und klein und billig ist. Es dient die
erste Stufe der Mischung oder zusätzlich der chemischen Reaktion von Flüssigkeiten
oder von Flüssigkeit (en) und Gas (en) und die zweite Stufe ebenfalls dieser Mischung
oder zusätzlich Reaktion. Es kann die erste Stufe die genannte (n) Saug-oder Saugleitungsöffnung
(en) und die zweite Stufe mindestens eine Gassaug-oder Gassaugleitungsöffnung aufweisen.
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Es ist sehr von Vorteil, den Strahlmischer im Kavitationsgebiet zu
betiben, also als Eavitationsgenerator zu benutzen. Hierdurch wird die Flüssigkeitsdurchmischung
oder die chemische Reaktion noch mehr verbessert und beschleunigt. Dabei wird, wie
sich herausgestellt hat, weder die Treibdüse noch die Innenbewandung des Mischrohres
zerstört. Die größte Druckabsenkung tritt nicht an der Mundung der Treibdüse, sondern
in Strömungsrichtung gesehen ganz grob gesagt nach einem Vierbi der Mischrohrlange
im Mischrohr auf. Ein im Inneren des Mischrohres, also im Mischraum, in der in Strömungsrichtung
ersten Hälfte desselben
gebildeter Kavitationskern berührt die Innenbewandung
des Mischrohres nicht, insbesondere wenn der Innendurchmesser des Mischrohres größer
ist als der Außendurchmesser des aus der Treibdüse -austretenden Strahls. Bei den
bekannten Rührwerken dagegen werden die Mischwerkzeuge durch Kavitation in Kiirze
zuerstört und d treten außerdem die abgelösten Werkstoffteilchen in die zu vermischenden
Medien ein. Im Falle des zweistufigen Strahlmischers wird vorzugsweise die erste
Stufe im Kavitationsgebiet betrieben. Eine Kavitation in der Mischkammer kann hervorgerufen
werden durch Drosselung des Ansaugstromes, der durch die genannte Saug-oder Saugleitungsöffnung
führt, durch Erzeugung eines Vakuums im Behälter oder durch Erhöhung des Umwälzpumpendrucks
und somit der Geschwindigkeit des die Treibdüse verlassenden Strahls.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß
der Erfindung in einem Längsschnitt dargestellt.
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Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem zylinderförmigen
Behälter lo mit vertikaler ideeller Achse 22 und einem in ihm angeordneten zweistufigen
Strahlmischer 11 und ferner aus einer Umwälzpumpe 12, die eine Kreiselpumpe ist,
uud einem länglichen Wärmetauscher 13, die beide außerhalb des Behälters 1o vorgesehen
sind. Die erste Stufe des Strahlmischers11 besteht im wesentlichen aus einer Treibdüse
14, einem Einströmgehäuse 15 und einem Mischrohr 16, die zweite im wesentlichen
aus einem Einströmgehäuse 17 und einem Mischrohr mit Strahlmischeraustritt 39. Das
Mischrohr 16 dient gleichzeitig als Treibdüse für die zweite Stufe. Im Gebiet des
Einströmgehäuses 15 ist an die erste Stufe eine nach unten führende Saugleitung
19 angeschlossen, die eine Saugleitungsöffnung 2o und ferner ein Ventil 26 zur Änderung
der Ansaugmenge aufweist. Vom Einströmgehäuse 17 führt eine Gassaugleitung 21 mit
Gassaugleitungsöffnung 38 nach oben. Ein Deckel 23 des Behälters lo weist einen
Gaszuführungsstutzen 24 auf. An dem Behälter lo ist unten die Umwälzpumpe 12 über
einen Saugstutzen 25 angeschlossen. Ihre ideelle Achse deckt sich mit der Achse
22.
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Der Wärmetauscher 13 ist mit seiner Längserstreckung parallel zur
Achse 22 angeordnet und ebenfalls an den Behälter 1o angeschlossen. Bei nicht fördernder
Umwälzpumpe 12, aber fertig vorbereitetem Mischbetrieb kann der Behälter mit dem
Medium bzw. den Medien bis zum Spiegel 36 gefüllt sein. Die Behälterfüllung ist
mit 37 bezeichnet. Der Wärmetauscher 13 ist in einem Umwälzkreis zwischen der Umwälzpumpe
12 und der Treibdüse 14 vorgesehen und dient der Vergrößerung der Wärmeübertragung
von einem ihn durchströmenden Medium auf das im Umwälzkreis strömende Medium über
die bekannte Wärmeübertragung hinaus, die über einen Doppelmantel 32 des Behälters
1o mittels eines diesen durchströmenden heiz- oder Kühlmediums auf die Behälterfüllung
erfolgt. Diese Vergrößerung ist von Vorteil, weil die Wärmeübertragungsfläche durch
die Behälterabmessungen begrenzt ist. Der Druckverlust des Wärmetauschers 13 wird
durch die Umwälzpumpe 12 ausgeglichen.
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Die Räume des Umwälzkreises sind der Innenraum des Behälters 1o, der
Innenraum des Saugstutzens 25, der Strömungsraum der Umwälzpumpe 12, der Strömungskanal
einer Leitung 27, die Umwälzkreiskanäle im Wärmetauscher 13, der Strömungskanal
einer Leitung 28 und die axialen Strömungsräume des Strahlmischers 11. Im Umwälzkreis
ist zwischen der Umwälzpumpe 12 und der Treibdüse 14 weiterhin ein Regelventil 29
vorgesehen, mit dem die Umwälzpumpe geregelt werden kann.
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Ist der Behälter mit zu, mischenden Flüssigkeiten gefüllt worden und
ist die Umwälzpumpe 12 bei gefülltem Behälter 1o in Tätigkeit gesetzt, so wird die
Behälterfüllung laufend umgepumpt oder umgewälzt und gleichzeitig Behälterfüllung
laufend durch die Saugleitung 19 hindurch in die erste Stufe gesaugt. Gleichzeitig
wird auch laufend ein Gas oder Gasgemisch durch die Gassaugleitung 21 in die zweite
Stufe gesaugt. Im Mischrohr 16 findet die MischungderFlüssigkeitenmiteinanderstatt,
und im Mischrohr 18 findet eine weitere solche Mischung und eine Vermischung des
Gases
oder Gasgemisches mit diesen Flüssigkeiten, also eine Begasung der Flüssigkeiten,
statt. Im Mischrohr 18 kann auch chemische Reaktion zwischen den Flüssigkeiten oder
zwischen dem Gas oder mindestens einem der Gase des Gasgemisches und d mindestens
einer der Flüssigkeiten stattfinden. In der Mischkammer 18 herrscht eine hohe, auf
engstem Raum begrenzte Turbulenz, so daß eine schnelle, stetige und vollkommene
Durchmischung oder Reaktion stattfindet. Versuche haben ergeben, daB gegenüber einem
Propellerrührwerk die Reaktion in einem Sechstel der Zeit durchgeführt werden kann
und das Reaktionsprodukt erheblich verbessert ist.
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Von der von der Umwälzpumpe 12 zum Regelventil 29 führenden Leitung
27 des Umwälzkreises zweigt ein Entleerungskanal 32 mit einer Absperrvorrichtung
bzw. einem Absperrventil 31 ab. Wird das Regelventil 27 geschlossen und das Absperrventil
31 geöffnet, so kann die fertige Mischung und das fertige Reaktionsprodukt mittels
der Umwälzpumpe 12 aus dem Behälter lo zur weiteren Verwendung hinausgepumpt werden.
Anstelle der Gassaugleitung 21 können mehrere auf dem Umfang des Einstromgehäuses
17 verteilt angeordnete Ansaugleitungen angebracht sein, die z. B. der Ansaugung
einer sie umgebenden Behalterfiillung dienen können.
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Eine solche Ansaugleitung ist mit 33 bezeichnet.
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Im Behälterinneren ist in axialer Strahlmischerausstromrichtung gesehen
hinter dem Austritt 39 des Strahlmischers 11 eine Einrichtung zur Umlenkung des
Austrittsstrahls vorgesehen. Es handelt sich hier um eine Umlenkschale 34, die mittels
Tragstäben 35 am Mischrohr 18 gehalten ist und mittels der Wirbel 35 gebildet werden.