DE1801626C3

DE1801626C3 - Vorrichtung zum Mischen einer Flüssigkeit mit wenigstens einer anderen Flüssigkeit, einem Gas oder einem feinverteilten Feststoff

Info

Publication number: DE1801626C3
Application number: DE1801626A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr.-Ing. 8026 Ebenhausen Schoppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1968-10-07
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE1801626A1; DE1801626B2; CA918144A; FR2020042A1; GB1280869A; US3685806A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen einer Flüssigkeit mit wenigstens einer anderen Flüssigkeit, einem Gas oder einem feinverteilten Feststoff, bestehend aus einem geschlossenen Behälter mit drehsymmetrischem, sich in Achsrichtung erweiterndem oder im Grenzfall zylindrischem Mantel, einem am Ende geringeren Durchmessers rasch umlaufenden Förderorgan, dessen Form der des Behälterbodens und des angrenzenden Behältermantelteils angepaßt ist und welches derart ausgebildet ist, daß es das Mischgut zentral ansaugt und entlang dem Behältermantel unter Aufprägung eines Dralls in Richtung auf das andere Behälterende zu fördert, sowie festen Leitorganen, welche an dem dem Förderotgan entgegengesetzten Ende des Mischbehälters angeordnet sind,

Mischvorrichtungen mit der in Betracht kommenden Zweckbestimmung sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekanntgeworden; beispielsweise solche, die Rühranne mit Blättern oder Widerstandskörpern durch die Flüssigkeit bewegen, um die Flüssigkeit in Rotation zu versetzen oder infolge Strömungsabriß eine Turbulenz zu erzeugen. Bei anderen Vorrichtungen sind Propeller oder Schraubenwedel vorgesehen, um die Flüssigkeit in Bewegung zu versetzen. Auch sind Mischvorrichtungen bekannt, bei welchen schnelle Flüssigkeitsstrahlen oder Gasblasen durch die Flüssigkeit im Rührbchälter bewegt v/erden, um auf diese Weise eine Durchmischung zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung zu schaffen, die eine wesentlich bessere Mischleistung zu erbringen vermag als alle bisher bekannten Mischer der in Betracht kommenden Art. Angestrebt ist insbesondere die Verbesserung der Mischleistung bis zum etwa Zehnfachen der Mischleistung bekannter Vorrichtungen und nicht nur eine geringfügige, wenn auch schon beachtliche Verbesserung. Eingehende strömungstechnische Untersuchungen haben gezeigt, daß eine angestrebte Verbesserung der Mischleistur.g und damit eine Einsparung an Mischzeit und Energieaufwand dann erreicht werden kann, wenn man die Strömungsverhältnisse im Mischer derart gestaltet, daß zwei im wesentlichen gegenläufige Strömungen entstehen, die sich längs einer ausreichend lang bemessenen Strecke berühren; die Länge der Berührungsstrecke muß dabei groß gegenüber der Dicke der beiden Strömungsschichten sein. Wenn die gegenläufigen Strömungen von anderen, kleineren Uewegungskomponenten überlagert sind, so spielt dies für das angestrebte Ziel keine Rolle.

Der vorgenannte Verlauf zweier gegenläufiger Strömungen stellt sich normalerweise nicht ein, da er, als Begleiterscheinung der hohen Mischleistung,

mit einem erhöhten Impulsaustausch verbunden ist. Die Strömung sucht von sich aus jedoch zunächst den Weg des geringsten Widerstandes. Es müssen daher beiden gegenläufigen Strömungen zusätzliche Kräfte aufgeprägt werden, weiche diese zwingen, den Weg des größten Widerstandes rvi gehen, wodurch sich dann die größte Mischleistung ergibt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die axiale Länge des Behälters größer ist als sein größter Durchmesser, das Förderorgan die Gestalt eines kreiselpumpenähnlichen Laufrades mit zentraler Ansaugöffnung und radialen Austrittsöffnungen aufweist und die Leitorgane als in etwa radial angeordnete Leitbleche angeordnet sind, so daß sie der auftreffenden Strömung ihren Drall entziehen.

Bei einer derart ausgebildeten Mischvorrichtung wird der einen Strömung eine gewisse Rotation aufgeprägt, wodurch diese aus Fliehkraftgründen entlang den Wänden eines beispielsweise konischen oder zylindrischen Mischbehälters strömt, während die entgegengesetzte Komponente ein derart hohes Druckgefälle aufweist, welches ausreicht, auch die entgegengesetzt gerichtete Strömung gegen den Weg des größeren Widerstandes zu treiben.

Aus der deutschen Patentschrift 637 353, der USA.-Patcntschrift 2 436 767 sowie der Veröffentlichungin »Chemie-Ingenieur-Technik«, 1963, S. 512, sind Mischvorrichtungen bekanntgeworden, die je für sich einzelne Merkmale der die Erfindung kennzeichnenden Merkmalskombinationen bereits aufweisen Nicht bekannt ist jedoch die spezifische Merkmalskombination, die allein das mit der Erfindung angestrebte Ziel erreichen läßt. Hieraus ergibt sich auch bereits, daß der Gegenstand der Erfindung keine Verbesserung bekannter Mischvorrichtungen darstellt, sondern daß es sich bei ihm um eine neuartige Mischvorrichtung handelt, weiche wegen ihrer überragenden Mischleistung in neue Dimensionen der Mischtechnik vorstößt.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Mischvorrichtung gemäß der Erfindung herausgestellt, bei welcher der Behälter eine konische Gestalt aufweist, deren größter Durchmesser näherungsweise doppelt so groß ist wie der kleinere Durchmesser und bei welcher die axiale Länge in etwa das 1,5- bis 2fache des größten Durchmessers beträgt.

Bei Mischerbehällern mit zylindrischer Gestalt hat sich ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser mit 1.4 bis 1,8 : 1 als vorteilhaft erwiesen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen von Einzelteilen der erfindungsgemäß ausgebildeten Mischvorrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele hervor. Die Figuren zeigen je einen Axialschnitt durch eine schematisch dargestellte Mischvorrichtung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht die erfindungsgemäß ausgebildete Mischvorrichtung aus einem konischen Behälter I mit einem unteren gewölbten Boden 2 und einem oberen gewölbten Deckel 3. Über dem Boden 2 ist das kreiselpumpenähnliche Laufrad gelagert, welches aus einer der Bodenform angepaßten Tragschale 4 besteht, welche auf der Antriebswelle S sitzt und an welcher am äußeren Umfang die Leitschaufcln 6 angeordnet sind. An dem dem Laufrad entgegengesetzten Ende des Behälters befinden sich die feststehenden, in radialer Richtung angeordneten Leitbleche 7, welche der Strömung den ihr erteilten Drall wieder entziehen. Die Zufuhr der zu mischenden Komponenten erfoigt durch die Anschlußrohre 8 und 9, welche auch als Entlüftungs- und Entgasungsrohre dienen können. Die Entleerung des Mischbehälters erfolgt durch dis Ablaufleitung 10. Bei Rotation des Laufrades 4,6 wirkt dieses wie eine Kreiselpumpe und fördert die Strömung mit einem

ίο mäßigen Drall entlang den Wänden des Behälters 1 zu dem gegenüberliegenden Behälterende. Hier wird durch die feststehenden Leitbleche 7 der rotierenden Strömung der Drall entzogen, wodurch sich über den gesamten Querschnitt im Bereich der Leitbleche 7 ein näherungsweise gleicher statischer Druck einstellt. Von hierher saugt das Laufrad 4, 6 entlang der Achse des Behälters 1 seine Durchsatzströmung an, so daß sich zwei Strömungskomponenten einstellen, nämlich eine aus dem Bereich des Zentrums der Leitbleche 7 entlang der Kammerachse zum Eintritt des Laufrades, und eine zweite, mit schwacher Rotation überlagerte Strömung vom Austritt der Leitschaufeln 6 des Laufrades bis in die feststehenden Leitbleche 7 hinein.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufbau der Mischvorrichtung grundsätzlich der gleiche wie bei derjenigen nach Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Antriebswelle 5' nicht durch den Boden 2, sondern durch den Deckel 3 hindurchgeführt ist und den Mischbehälter in seiner ganzen Länge durchsetzt. Diese Ausführungsform kann dann Vorteile haben, wenn Feststoffe oder andere aggressive Komponenten die Wellendurchführung durch den Boden 2 beeinträchtigen könnten.

Eine Variante der erfindungsgemäß ausgebildeten Mischvorrichtung geht aus Fig. 3 hervor. Bei dieser sind die radialen Leitbleche 7 im gewölbten und im Zentrum nach innen eingezogenen Deckel 3' des Behälters 1 angeordnet, wobei sie um -inen Füllkörperring 11 herumgezogen sind, so daß sich um diesen herum eine ordnungsgemäße Umströmung einstellt. Bei einer derartigen Ausübung der festen Leitschaufeln 7 läßt sich ein Teil der Antriebsenergie einsparen.

Die Mischvorrichtung nach F i g. 4 weist einen zylindrischen Mischbehälter auf, der zwar den Vorteil der einfacheren Herstellung hat, jedoch mit dem Nachteil behaftet ist, daß der Druckgradient der Rückströmung von den Leitblechen 7 zum Lauf rad 4, 6 etwas schwächer ist als bei einem konischen Mischbehälter.

Die Ausbildung des Laufrades 4, 6 geht insbesondere auch aus F i g. 5 hervor. Es kann vorteilhaft sein, in der Tragschale 4 Bohrungen 1?. anzubringen, durch die eine geringe Menge Flüssigkeit in den Zwischenraum zwischen der Tragschale4 und dem Behälterboden 2 eintreten kann, um diesen stets frei zu halten und Ablagerungen zu verhindern.

Bei hinreichend gefülltem Behälter ist es gleichgült^;«, in welcher Lage das Gerät angeordnet ist. So kann es auf der Seite liegen oder auch auf dem Kopf stehen. Dementsprechend sind dann die Entlüftungsleitungen und die Zuführungs- und Ablaufrohre zu vertauschen.

Das Strömungsbild des erfindungsgemäßen FIüssigkcitsrührers ist unabhängig von der Reynoldszahl, d. h. unabhängig von Abmessung, Strömungsge-

ichwindigkeit und Zähigkeit der Flüssigkeit, sofern gewisse Mindestwerte der Reynoldszahl überschritten werden. Die spezifischen Mischleistungen kleiner und großer Geräte sind daher gleich; aus diesem Grunde können für günstigere Formgebungen nur relative Angaben gemacht werden.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, den Behälter 1 konisch auszuführen, wobei der größere Durchmesser des Behälters 1 doppelt so groß ist wie der kleine Durchmesser, während die axiale Länge des Behälters 1 das 3,5fache des kleinen Durchmessers beträgt. Diese entspricht einer Gestaltung nach F i g. 1. Bei einer zylindrischen Ausführung nach F i g. 4, die den Grenzfall der konischen Ausführung darstellt, entsprechen Länge und größter Durchmesser des Behälters 1 den Abmessungen des Behälters 1 nach Fig. 1 bis3. Bei gleichem Durchmesser und gleicher axialer Länge reduziert sich damit das Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf den Wert 1,75.

Versuche zeigen, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser die angegebenen Werte durchaus um 30 bis 40 °/o überschreiten kann. Allerdings ist dieser zusätzliche Volumenaufwand dann schlecht ausgenutzt, weil die Geschwindigkeit in dem dem Laufrad gegenüberliegenden Teil des Behälters gering und die dortige Durchmischung entsprechend kleiner ist.

Bei einer Unterschreitung des angegebenen vorteilhaften Verhältnisses von Länge zu Durchmesser läßt die Intensität der röhrenförmigen Turbulenzzone immer weiter nach; bei Annäherung des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser an die Größenordnung von 1 : 1 bilden die Durchsatzkomponenten bereits einen toroidalen Wirbelring, wobei die röhrenförmige Turbulenzzone zu einem Torus wird, dessen MischleisUing nur gering ist. Bei Abweichung von den günstigsten Werten des Verhältnisses Länge zu Durchmesser gegen den Wert 1 : 1 sinkt auch die spezifische Mischleistung entsprechend ab, während Energieverbrauch und Mischzeit zunehmen.

Der Boden 2 und der Deckel 3 haben im günstigsten Fall die Gestalt einer, insbesondere im Zentrum eingezogenen Kugelkalotte oder eines Korb- oder

ίο Klopperbodens. Ungünstig ist es, dem Boden die Gestalt eines Kegels oder, im Grenzfall, die einer ebenen Platte zu geben.

Die schließlich weiterhin denkbare Formgebung, bei der der Boden 2 einen größeren Durchmesser als

»5 der Deckel 3 hat, wobei also der Behälter 1 eine umgekehrte Konizität als F i g. 1 aufweist, ist mischungstechnisch noch ungünstiger als die zylindrische Formgebung nach Fig. 4. Im Fall der umgekehrten Konizität nehmen nämlich die Durchmesser mit stei-

ao gender Entfernung vom Laufrad 4,6 ab; nach dem Drallsatz nehmen entsprechend die Umfangskomponenten der Strömung zu. Nach dem Satz von Bernoulli sinken damit die statischen Drücke. Damit wird aber auch das die Rückströmung treibende

»5 Druckgefälle entlang der Achse des Behälters 1 in Richtung auf das Laufrad 4,6 geschwächt. Mit schwächer werdender Rückströmung wird auch die Durchmischung schlechter.

Es sind auch Zwischenformen zwischen der strömungsgünstigsten konischen Form nach F i g. 1 und der vereinfachten zylindrischen Form nach F i g. 4 denkbar, z. B. der Art, daß die Innenkontur des Behälters aus wenigstens einem konischen und einerr zylindrischen Teil zusammengesetzt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Λ

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Mischen einer Flüssigkeit mit wenigstens einer anderen Flüssigkeit, einem Gas oder einem feinverteilten Feststoff, bestehend aus einem geschlossenen Behälter mit drehsymmetrischem, sich in Achsrichtung erweiterndem oder im Grenzfall zylindrischem Mantel, einem am Ende geringeren Durchmessers rasch umlaufenden Förderorgan, dessen Form der des Behälterbodens und des angrenzenden Behältermantelteils angepaßt ist und welches derart ausgebildet ist, daß es das Mischgut zentral ansaugt und entlang des Behältermantels unter Aufprägung eines Dralls in Richtung auf das andere Behälterende zu fördert, sowie festen Leitorganen, welche an dem dem Förderorgan entgegengesetzten Ende des Mischbehälters angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Behälters (1) größer ist als s*ein größter Durchmesser, das Förderorgan die Gestalt eines kreiselpumpenähnlichen Laufrades (4, 6) mit zentraler Ansaugöffnung und radialen Austrittsöffnungen aufweist und die Leitorgane als in etwa radial angeordnete Leitbleche (7) angeordnet sind, so daß sie der auftreffenden Strömung ihren Drall entziehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Behälter (1) mit konischer Gestalt der größte Durchmesser näherungsweise doppelt so groß ist wie der kleinere Durchmesser und die axiale Länge näherungsweise das 1,5- bis 2fache des größten Durchmessers ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Behälter (Γ) zylindrischer Gestalt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser 1,4 bis 1,8: 1 ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Leitblechc (7) in radialer Richtung um einen ringartigen Füllkörper (11) herumgezogen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad eine Tragschale (4) sowie darauf sitzende Leitschaufeln (6) aufweist, welche an ihrer dem Behälterinneren zugekehrten Stirnseite durch eine ringartige Platte oder einen strömungsgünstig geformten Ring abgedeckt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschale (4) Bohrungen (12) besitzt, durch welche Flüssigkeit hindurchtreten und den Raum zwischen Tragschale und Boden (2) ausspülen kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch geker.nzcichne', daß die -Form der Tragschalc (4) der Form des Bodens (2) angepaßt ist.

S. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschale (4) auf einer den Behälterboden (2) durchsetzenden Welle (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschale (4) an einer den Deckel (3) durchsetzenden Welle (5) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Boden (2) und Decke! (3) gewölbt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Boden (2) und Deckel (3) kegelige Gestalt haben.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Ii, dadurch gekennzeichnet, daß der Behältermantel (1) aus wenigstens einem konischen und einem zylindrischen Teil zusammengesetzt ist.