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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenführen von zwei reaktiven Komponenten, die in einem Rohr transportiert vermischt werden.
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Beschreibung
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Bestimmte in Rohrleitungen transportierte Medien reagieren auf chemische Weise innerhalb sehr kurzer Zeit, wenn sie miteinander vermischt werden. Das Ergebnis der Reaktion kann eine Erhärtung des Gemisches sein.
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In der Regel ist diese Reaktion erst nach dem Verlassen einer Mischeinrichtung beabsichtigt. Erfolgt diese Reaktion innerhalb eines Aggregates durch zu langes Verweilen des Materials z. B. in Totzonen, so kann dies zu einer ungleichmäßigen Qualität des Reaktionsproduktes führen oder zu unerwünscht hohen Staudrücken kommen, die das Mischaggregat zerstören können.
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Für das Zusammenführen oder Vermengen von Stoffen, die beim Zusammentreffen chemisch reagieren, werden üblicherweise statische Mischer oder Mischer mit Rührern oder Wirblern verwendet.
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In
DE 10 2004 008 755 A1 wird eine statische Mischvorrichtung beschrieben, in der einer flüssigen reaktiven Mehrkomponenten-Zusammensetzungen ein Zusatzstoff zugeführt wird. Dabei soll die angestrebte Durchmischung erst beim Austritt aus dem Mischer erreicht werden. Der Zusatzstoff wird vorzugsweise in fester Form in eine im Mantelrohr vorgesehene Kammer eingebracht, so dass dieser vom vorbeiströmenden Mischgut aufgenommen wird und so zu einer Durchmischung beider Komponenten an der Austrittsöffnung führt.
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Eine Vorrichtung zum Mischen von zwei unterschiedlichen Komponenten wird auch in
DE 10 2004 052 986 beschrieben, bei dem der Mischkörper im Wesentlichen aus zwei Ventilen besteht, die in einem vordefinierten Verhältnis zueinander öffnen und die unter Druck stehenden Komponenten aus dem jeweiligen Behälter entweichen lassen und diese getrennt in ein Anschlussmittel leitet. In einer in Austrittsrichtung angeordneten Mischerspitze erfolgt die Durchmengung.
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Ein Durchmischungsreaktor wird in
DE 10 2005 009 322 beschrieben, wobei heterogene Phasengemische besonders gut durchmischt werden sollen ohne dass Totzonen im Reaktor auftreten und die Durchmischung mit möglichst geringen Scherkraftbeanspruchungen in der zu dispergierenden Mischung erfolgt. Der in Längsrichtung oszillierende Materialstrom kommt mit dem an der Innenwand angeordneten Mittel in Kontakt und beide Stoffe erfahren durch die helica in Längsrichtung gewundene Erhebung oder Furche der Reaktorwand eine rechtwinklige Zirkularbeschleunigung.
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Die Offenlegung
DE 10 2010 028 572 A1 beschreibt ein Verfahren zur Zumischung einer flüssigen Chemikalie zu einem Prozessstrom, wobei die Mischvorrichtung unabhängig vom Prozessstrom gereinigt werden kann. Dadurch können Ablagerungen in der Mischeinrichtung auch bei Stillstand der nachgeschalteten Maschine ausgespült werden.
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DE 10 2005 054 153 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum kontinuierlichen und dosierten Mischen, wobei der Dynamikmischer aus einer Kombination von Mischstufen besteht. Im Wesentlichen sind das ein Lochkranz, eine Kaskade von 3 bis 15 Mischpaddeln mit einem Anstellwinkel von 2° bis 10° und Schraubenschikanen mit variabler Eindringtiefe.
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Aus
WO 2012 139 921 A1 ist eine Düsenanordnung bekannt, die wenigstens eine Mischzone und eine variable Drosseleinrichtung besitzt. Ferner weist die Erfindung eine Misch- und/oder Reaktionszone sowie eine Turbulenz-erzeugende Querschnittserweiterung auf.
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Ein Mischkamin wird in
EP 1819 429 B1 beschrieben, wobei die Einlassrohre tangential so angeordnet sind, dass durch die Ausströmung eine kreisförmige Bewegung in der Mischkammer entsteht.
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Eine Mischeinrichtung zur Zudosierung eines Zusatzmittels in ein pumpfähiges Gemisch ist in
EP 2 621 698 B1 angegeben, die über eine Vorrichtung zum Dispergieren des Zusatzmittels in ein Trägermedium verfügt, wobei die Vorrichtung eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Spiraldüse ist. Die Zerstäuberdüse weist einen Sprühwinkel von 45 - 175° auf.
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In
DE 10 2010 028 577 wird ein Verfahren zur Zumischung eines Fluids zu einem Prozessstrom angegeben. Dabei wird ein Chemikalienstrom durch eine Düse beschleunigt und in einen Verdünnungsfluidstrom eingespritzt, sodass ein gemischter Fluidstrom an einer Auslauföffnung entsteht. Mit Hilfe von Prallflächen wird ein Drall erzeugt, sodass die Mischströmung eine zentrifugale Strömung aufweist, welche die Reinigung der Mischvorrichtung forcieren soll.
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Bisherige Lösungen haben den Nachteil, dass das Zusammenführen oder Vermengen der Stoff- bzw. Fluidströme über ein Aggregat mit Düse erfolgt. Bei längerem Betrieb entstehen Ablagerungen im Bereich der Düse.
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In Mischvorrichtungen sind Ablagerungen an Düsen kritisch, da die Querschnitte der Kanäle verringert werden und bereits geringe Ablagerungen aufgrund der sehr kleinen Querschnitte die Einmischung von Stoffen oder Fluiden erheblich beeinflussen können oder zu einer deutlichen Verringerung des Massenstroms führen können. Besonders kritisch sind ungeplante oder plötzliche Produktionsstillstände, bei denen die Stoffe in der Mischvorrichtung, insbesondere an der Düseneinrichtung, verweilen. Es können Ablagerungen oder ungewollte Reaktionsprodukte entstehen.
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Ziel der Erfindung ist es, zwei stoffliche Komponenten, insbesondere Schäume zusammenzuführen, wobei die Vermengung ohne Verzug stattfindet, Konzentrationsunterschiede verhindert bzw. umgehend aufgelöst werden, sich möglichst geringe Ablagerungen bilden können und somit eine hohe Mischqualität gewährleistet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anstelle der bekannten Vorrichtungen zum Mischen zweier Komponenten eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die durch ihre konstruktive Gestaltung so in der Lage ist, insbesondere keine Ablagerungen entstehen zu lassen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer Vorrichtung gelöst, mit der durch koaxiale Zusammenführung und umgehendes Vermischen der Eingangsmedien ein schnelles und schonendes Homogenisieren zweier getrennt erzeugter Medien, vorzugsweise Schäume zu einem Stoffstrom, insbesondere zu einem zweikomponentigen Schaum mit hoher Mischgüte erzeugt wird. Auf eine Verringerung des Querschnitts des Mischrohres wie z. B. Düsen wird verzichtet.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es auf verhältnismäßig einfache Weise gelungen ist, zwei unterschiedliche Volumenströme zu einem zwei-komponentigen Volumenstrom zusammenzuführen.
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Somit werden Konzentrationsunterschiede zwischen den beiden Schäumen verhindert, bzw. sehr schnell aufgelöst. Die Homogenisierung der beiden Eingangs-Schäume erfolgt ohne Verzug.
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Die schonende Homogenisierung ist dadurch gegeben, dass durch die konstruktive Gestaltung, einer Rohr-in-Rohr-Lösung, z.B. in Form eines Y-Rohres, oder einer Röhren-in-Rohr-Lösung, mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten, die Eingangsschäume bis zum Mischraum getrennt voneinander fließen und erst im Mischraum aufeinandertreffen.
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Die vorhandenen Mischwerkzeuge (6) im Mischraum, drehbar gelagert und ihre Drehachse in koaxialer Richtung ausgerichtet, sind so gestaltet, dass eine Drehung aller Mischwerkzeuge entgegengesetzt zur Förderrichtung der Eingangsschäume erfolgen kann.
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Weiterhin sind Mischwerkzeuge im Mischraum (10), drehbar gelagert und in koaxialer Richtung ausgerichtet, so gestaltet, dass sich verschiedene Mischwerkzeuge mit wechselnden Drehrichtungen in einer kaskadierten Anordnung im Mischraum drehen können.
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Die beabsichtigte Homogenisierung kann des Weiteren ebenfalls erreicht werden, in dem eine Kombination aus sich in gleicher oder auch wechselnder Drehrichtung drehender Mischwerkzeuge und statische Elemente, wie z.B. Leitbleche, angeordnet sind. Die Elemente befinden sich abwechselnd in einer kaskadierten Anordnung im Mischraum.
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Die sich im Mischraum drehenden Mischwerkzeuge werden durch eine Welle oder Wellenkombination angetrieben. Die Welle (9) wird zum Zwecke des Antriebs entweder aus dem Mischraum geführt oder die Welle wird mittels einer magnetischen Kopplung angetrieben. Wird die Welle aus dem Mischraum herausgeführt, wird die Drehmomentübertragung auf die Mischwerkzeuge insbesondere durch eine Wellendurchführung mit Dichtungskaskade (7) aus mindestens zwei nacheinander angeordneten Wellendichtungen in Kombination mit einer Indikatorbohrung (8) zur Detektion des Verschleißens der Hauptdichtung realisiert.
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Es besteht außerdem zum Zwecke des Antriebs die Möglichkeit, dass eine magnetische Kopplung zwischen außenliegender Antriebseinheit und innenliegendem Mischwerkzeug durch eine geschlossene Wand hindurch gegeben ist.
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In einer Ausführungsform besteht das Mischwerkzeug (6) aus einem schraubenförmigen Körper, dessen Drehachse konzentrisch zu den übrigen Achsen des Mischergehäuses (11) und der Materialzuführung ausgerichtet ist und dessen Geometrie durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet ist. Der Zugkörper entlang einer Doppelspirale hat eine konstante oder variable Steigung, vorzugsweise mit 1,5 bis 4 Windungen. Der Querschnitt des Zugkörpers ist rechteckig mit einem Seiten-/Längenverhältnis von ca. 1,5 bis 5. Es existieren mehrere Verbindungspaddel, die mit einem Abstand in Achsenrichtung von 30 bis 50 mm, oder mit dem 1 bis 2-fachen Durchmesser der Mischwerkzeuge, zueinander zwischen den Einzelspiralen eingefügt sind und in einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Drehachse stehen. Die Kanten aller Konturen des Mischwerkzeugs sind mit R=0,5 mm bis 1 mm zur Reduzierung der Schaumbelastung abgerundet. Der Außendurchmesser der Mischwerkzeuge ist ca. 3 bis 5 mm kleiner als der Innendurchmesser des Mischergehäuses (11).
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Nachfolgend soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung weist mindestens zwei Zulauföffnungen (Einlässe) zum Zuführen der Masseströme auf. Dadurch, dass die Stoffzusammenführung einer ersten Trägermedium-Zulauföffnung (1) zum Zuführen eines ersten Massenstroms, dem Trägermedium, und einer mindestens einer zweiten Mischmedium-Zulauföffnung (2) zum Zuführen des zweiten Massestroms, dem Mischmedium aufweist, können einzumischende Medien jeweils getrennt in den Mischraum (10) zugeführt werden. Die getrennten Zulauföffnungen ermöglichen im Besonderen eine optimale Prozesssteuerung, da jede der beiden Komponenten unabhängig voneinander zugeführt in die für die Erzeugung der Dispersion vorgesehene Stoffzusammenführung zugegeben werden können - und dadurch ebenso getrennt in den Mischraum gelangen.
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Die Zusammenführung verfügt über zwei getrennte Zuläufe, wobei der erste Zulauf die Zuführung für den Trägermassestrom (3) und der zweite Zulauf die Zuführung für den einzumischenden Mischmassestrom (4) dient.
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Bevorzugt wird die Zusammenführung wie folgt ausgeführt. Im Verlauf der Fließrichtung weisen die beiden Zuführungen innerhalb der Zusammenführungsvorrichtung maximal zwei Richtungsänderungen auf, wobei die Richtungsänderung einen Winkel von 45°, bevorzugt 35° nicht überschreitet. Beide Richtungsänderungen sind mit Übergangsbögen versehen, um punktuelle Staudrücke oder Ablagerungen zu vermeiden.
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Der Leitungsquerschnitt beider Zuführungen bleibt nach der ersten Richtungsänderung konstant. Im weiteren Verlauf der Fließrichtung des Trägermediums überlagern sich beide Zuführungen in einer gemeinsamen Achse, wobei die Zuführung des Trägermediums die Zuführung des Mischmediums so umgibt, dass eine vollständige Umspülung des Zuführungskanals durch das Trägermedium erreicht wird. Die Querschnitte der Zuführungskanäle bleiben konstant.
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In der gemeinsamen Achse aller Zuführungskanäle befindet sich die Austrittsöffnungen (5) des Mischmediums und des Trägermediums, so dass ein zentraler oder gleichmäßig verteilter Eintrag in den Mischraum erfolgen kann. Dies verhindert Ablagerungen und eine einhergehende Querschnittsverkleinerung der Kanäle.
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Die Stoffzusammenführung kann so betrieben werden, dass die Massenströme einzeln steuerbar sind. Eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung gewährleistet das Hinzu- oder Abschalten einzelner Masseströme sowie das Einhalten des gewünschten Masse- bzw. Stoffstromverhältnisses. Die Vorrichtung weist eine kompakte und robuste Bauform auf, die leicht demontierbar ist. Dadurch kann sie schnell und einfach gereinigt werden. Durch die konstruktive Vermeidung von Hinterschneidungen sowie fehlende starke Winkelungen der Zuführungen wird der Reinigungsprozess entscheidend begünstigt. Ferner ist das Einbringen von Reinigungsmitteln in den Stoffstrom möglich, ohne dass diese in Mischkesseln vor der Zusammenführung einem Massestrom zugegeben werden müssen. Besonders vorteilhaft ist, dass das Reinigen der für die Zuführung der Stoffströme nötige Förderpumpen entfällt, da die kritischen Einsatzstoffe erst hinter diesen Pumpen zugeführt werden.
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In Abhängigkeit der Dosierverhältnisse beider Komponenten ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Zuführung des Mischmassestromes (4) gegenüber der Zuführung des Trägermassestromes (3) verringert ist.
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Das Trägermedium sowie das Mischmedium kann grundsätzlich gasförmige, flüssige und/oder feste Komponenten aufweisen.
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Das Trägermedium ist ein pumpfähiges Gemisch, vorzugsweise ein Schaum, unter dem im folgenden Zusammenhang insbesondere ein fließfähiges und/oder schüttfähiges Gemisch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Komponenten oder eine Flüssigkeit bzw. Fluid oder eine wässrige Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, verstanden wird.
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Das Mischmedium ist ein pumpfähiges Gemisch, vorzugsweise ein Schaum, unter dem im folgenden Zusammenhang insbesondere ein Gemisch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Komponenten oder eine Flüssigkeit bzw. Fluid oder eine wässrige Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, verstanden wird.
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Insbesondere enthält das Gemisch wenigstens einen Feststoff, welcher mit wenigstens einer Flüssigkeit bzw. wenigstens einem Fluid vermischt ist. Besonders bevorzugt besteht das Gemisch aus einem Trägermedium, dass ein hydraulisch abbindendes Gemisch ist. Dieses Gemisch kann zum Beispiel eine flüssige Frischzementzusammensetzung oder Frischmörtelzusammensatzung sein, die mindestens die Komponenten Zement und Wasser enthält. Das Gemisch kann im Zusammenhang mit einem hydraulisch abbindenden Gemisch auch ein mineralischer Schaum sein, der aus wenigstens einem Zement, Wasser, Schaumbildner- oder Luftporenbildner besteht. Im Besonderen liegt das Gemisch als eine flüssige Frischzementzusammensetzung oder Frischmörtelzusammensatzung bzw. als eine Beton- oder Mörtelzusammensetzung vor.
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Zwei bevorzugte stoffliche Zusammensetzungen werden nachfolgend kurz dargelegt. Das Trägermedium ist ein mineralischer Schaum, bestehend aus wenigstens den Komponenten Zement, Wasser, Schaum- oder Luftporenbildner und Zusatzstoff wie beispielsweise Kalksteinmehl. Das Mischmedium ist ebenfalls ein mineralischer Schaum, der aus wenigstens einem anderen als dem Trägermedium zugegebenen Zement, Wasser, Schaum- oder Luftporenbildner besteht und Zusatzstoff wie beispielsweise Kalksteinmehl enthält. Anderweitig kann das Trägermedium eine Zementsuspension sein, bestehend aus einem Gemisch aus einem Portlandzement und Hochofenzement, Wasser sowie Fließmittel als Zusatzmittel. Im Mischmedium sind Wasser, ein Schaumbildner sowie ein Stabilisator zu einem pumpfähigen Schaum vermengt.
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In der erfindungsgemäßen Stoffstromzusammenführung wird das Mischmedium zentrisch in das Trägermedium so eingemischt, dass ein zuvor durch Anpassung der Volumenströme eingestelltes Mischungsverhältnis erreicht wird.
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Ein ökonomischer Aspekt dieser Erfindung ist nicht zu unterschätzen, denn Mischer und Mischanlagen im Bestand können sehr einfach um die Stoffzuführung erweitert werden, ohne dass konstruktiv an der Bestandsanlage Veränderungen vorgenommen werden müssen.
- 1 zeigt die Vorrichtung in Schnittansicht.
- 2 zeigt den Detailbereich der Dichtungskaskade und Welle in Schnittansicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägermedium-Zulauföffnung
- 2
- Mischmedium-Zulauföffnung
- 3
- Trägermassestrom
- 4
- Mischmassestrom
- 5
- Austrittsöffnung
- 6
- Mischwerkzeug
- 7
- Dichtungskaskade
- 8
- Indikatorbohrung
- 9
- Welle
- 10
- Mischraum
- 11
- Mischergehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004008755 A1 [0005]
- DE 102004052986 [0006]
- DE 102005009322 [0007]
- DE 102010028572 A1 [0008]
- DE 102005054153 B4 [0009]
- WO 2012139921 A1 [0010]
- EP 1819429 B1 [0011]
- EP 2621698 B1 [0012]
- DE 102010028577 [0013]
