DE2205371B2 - Vorrichtung mit einem Mantelrohr, in das ein oder mehrere Einbauelemente, die aus mehreren parallel zur Achse des Mantelrohres liegenden, sich berührenden ebenen Lagen bestehen - Google Patents
Vorrichtung mit einem Mantelrohr, in das ein oder mehrere Einbauelemente, die aus mehreren parallel zur Achse des Mantelrohres liegenden, sich berührenden ebenen Lagen bestehenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Mantelrohr, in das ein oder mehrere Einbauelemente,
die aus mehreren parallel zur Achse des Mantelrohres liegenden, sich berührenden ebenen Lagen bestehen,
querschnittsausfüllend eingesetzt sind, wobei jede der ebenen Lagen des Einbauelementes sich im wesentlichen
in Längsrichtung des Mantelrohres erstreckende, geradlinige Strömungskanäle aufweist und wobei die
Strömungskanäle in jeder Lage mindestens gruppenweise im wesentlichen gleichgerichtet zueinander verlaufen
und weiterhin die Strömungskanäle zweier benachbarter Lagen sich kreuzen und im Bereich der
Kreuzungsstellen mindestens teilweise gegeneinander geöffnet sind und aufeinanderfolgende Einbauelemente
gegeneinander um einen Winkel um die Rohrachse verschwenkt sind.
Vorrichtungen dieser Art haben bisher in Stoffaustauschkolonnen - z. B. Rektifikationskolonnen,
Kühltürmen oder Luftbefeuchtern - in welchen ein Gas und eine Flüssigkeit zum Zwecke eines Stoffaustausches,
einer Kühlung und/oder einer Befeuchtung im Gegenstrom geführt und in Kontakt gebracht werden,
Verwendung gefunden (CH-PS 398503).
Die Aufgabe der bekannten Einbauelemente bestand hierbei darin, einen möglichst guten, vorübergehenden
Kontakt der beiden sich im Gegenstrom oder im Kreuzstrom begegnenden Phasen herbeizuführen,
die die Einbauelemente an verschiedenen Seiten wieder verlassen.
Bei in Stoffaustauschkolonnen angeordneten Einbauelementen handelt es sich stets um Körper, die
dazu dienen, möglichst große Trägerflächen für die darüber als Film unter dein Einfluß der Schwerkraft
herabrieselnde flüssige Phase zu schaffen, die mit der die Lücken der Packungskörper im Gegenstrom zur
flüssigen Phase ausfüllenden Gasphase in Flächenkontakt gebracht wird.
Bei in Gegenstromkolonnen durchgeführten Stoffaustauschverfahren finden Konvektionsvorgänge
statt, die in dem Bereich der sich berührenden Grenzschichten der flüssigen und der gasförmigen Phase er
an
folgen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zwei oder mehrere im Gleichstrom fließende
Stoffe homogen zu mischen, d. h. bei jedem Mengenverhältnis und jedem Zähigkeitsverhältnis der
zu .tischenden Komponenten eine hochwertige Mischgüte des Endproduktes über den-gesamten
Strömungsquerschnitt zu erreichen-
Die Erfindung besteht in der Verwendung der vorskizzierten,
für andere Einsatzzwecke bekannten Vorrichtung als statischer Mischer für im Gleichstrom
fließende Medien.
Abweichend von Stoffaustauschverfahren findet nämlich bei Mischprozessen eine Phasendurchdringung
statt. Die Wände des Mischers dienen nicht als Trägerfläcben für einen Rieselfilm, sondern als Leitflächen
für die Strömungsvorgänge der zu mischenden Medien in den Kanälen des Mischers.
Eine möglichst gleichmäßige räumliche Verteilung mehrerer Medien wird durch ein fortlaufendes Verlagern,
Auflösen uiid Vermengen einer Vielzahl von
Teilströmen bewirkt. Während des Fortschreitens in Strömungsrichtung unterliegen die Stromfäden der zu
mischenden Medien zwei unterschiedlichen Beeinflussungen. Diese lassen sich charakterisieren als
»Verlagern« und als »Auflösen und Vermengen der Stromfäden«. Unter »Verlagern« versteht man, daß
ein Stromfaden als Ganzes von einem bestimmten Bereich
des Stromquerschnittes während seines Axialflusses zwangsweise in einen anderen Querschnittsbereich
geführt wird, in dem im allgemeinen eine andere Konzentration der Stoffe herrscht.
Das »Auflösen und Vermengen« der Stromfäden beinhaltet, daß jeder einzelne Stromfaden auf seinem
axialen Wege zerschnitten - oder Teilmengen von ihm abgetrennt - und mit benachbarten, ebenfalls möglichst
häufig zerteilten Stromfäden wieder innig vermischt wird.
Mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Vorrichtung kann eine kurze Homogenisierungsstrecke
erreicht werden, weiche insbesondere bei größeren Rohrdurchmessern einen wesentlichen Vorteil bietet.
Weiterhin weist der statische Mischer ein enges Verweilzeitspektrum auf, d. h. jedes Volumenstromelement
hat mindestens annähernd die gleiche Aufenthaltszeit im Mischer.
Der Mischer kann zur Mischung von im Gleichstrom geführten Flüssigkeiten, Gasen und pulverisierten
Feststoffen untereinander und miteinander verwendet werden. Unter strömenden Medien sollen
daher Flüssigkeiten, Gase bzw. Gasgemische, niedrig - oder hochviskose Massen sowie fließfähige, pulverisierte
Festkörperteilchen verstanden werden. Eine einwandfreie Mischung von zu mischenden Stoffen
wird unabhängig von der Strömungsform erreicht, d. h. unabhängig davon, ob in der Mischeinrichtung
eine laminare oder turbulente Strömung herrscht. Weiterhin ist der Mischeffekt unabhängig von dem
Mengenverhältnis der zu mischenden Stoffe.
Einige Anwendungsbeispiele für Prozesse, die in einem solchen Mischer durchgeführt werden sollen,
sind folgende:
a) Für die Mischung von zwei Flüssigkeiten:
Neutralisation einer Säure, z. B. einer Abfallsäure aus Beizbädern mit Hilfe einer Lauge, wobei die Lagen der Einbauelemente beispielsweise aus Kunststoff bestehen können.
Neutralisation einer Säure, z. B. einer Abfallsäure aus Beizbädern mit Hilfe einer Lauge, wobei die Lagen der Einbauelemente beispielsweise aus Kunststoff bestehen können.
b) Für die Mischung eines Gases mit einer Flüssig-
keit
Wasser.
c) Für die Mischung von zwei Gasen:
Sauerstoff und Ammoniak zur Heistellung von Salpetersäure.
Sauerstoff und Ammoniak zur Heistellung von Salpetersäure.
d) Für katalytische Reaktionen:
z. B. Ammoniak-Synthese.
z. B. Ammoniak-Synthese.
e) Für die Mischung von hochviskosen Medien:
z. B. für Kunststoffe oder teigartige Massen.
z. B. für Kunststoffe oder teigartige Massen.
Gegebenenfalls kann der Mischer dazu verwendet werden, zusätzlich zu einer raschen, gleichmäßigen
Mischung der die Einrichtung im Gleichstrom durchsetzenden Medien während der Mischung auch eine
chemische Reaktion der miteinander gemischten Medien herbeizuführen. Zu diesem Zweck ist es möglich,
soweit erforderlich, die die Strömungskanäle bildenden Lagen entweder selbst aus einem Katalysatormateiial
herzustellen bzw. auf die Lagen, die vorzugsweise aus einem undurchbrochenen Material — z. B.
einem Blech, jedoch gegebenenfalls auch aus einem Metallgewebe oder -gewirk - bestehen können, ein
Katalysatormaterial aufzubringen.
Die verwendete Vorrichtung wird anhand von einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform im
folgenden erläutert, wobei die bauliche Ausbildung der Vorrichtung nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen
Mischer mit zwei übereinander angeordneten Einbauelementen, wobei die aus geriffelten Lamellen
gebildeten Lagen gegeneinander um einen Winkel von 90° verdreht angeordnet sind;
Fig. la zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung
nach Fig. 1 längs der Linie A-B;
Fig. 1 b zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 längs der Linie C-D;
F i g. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung die einzelnen als Lamellen ausgebildeten Lagen eines Einbauelementes.
Der in Fig. 1 gezeigte Mischer weist ein kreiszylindrisches Mantelrohr 1 auf. Selbstverständlich kann
der Querschnitt auch eine andere Formgebung haben, z. B. quadratisch oder rechteckig sein. Die Einrichtung
selbst kann sowohl senkrecht als auch waagerecht im Raum angeordnet sein.
Das Mantelrohr 1 weist einen unteren Flansch 2 für
die Verbindung mit der Zuführungsleitung eines strömenden Mediums α und einen oberen Flansch 3 für
die Verbindung mit der Abführungsleitung des Gemisches
c auf, wobei c aus der Komponente α und einem durch ein in die Mischeinrichtung eingeführtes Rohr 4
zugeführten Medium b gebildet ist.
In dem Mantelrohr 1 sind zwei Einbauelenente 5a und Sb übereinander angeordnet, die gegeneinander
um einen Winkel von 90° verdreht sind (Fig. 1 a und 1 b). Die Lagen 6 in der Fig. 2 sind in der Reihenfolge
dargestellt, wie sie anschließend aufeinandergelegt und zu einem Einbauelement vereinigt werden, ehe
das Element in das Mantelrohr 1 der Mischeinrichtung eingeschoben wird.
Aus der Zeichnung wird die unterschiedliche Größe der einzelnen Lagen 6 ersichtlich, die von den beiden
Außenseiten her zur Mitte zunimmt, derart, daß sich beim Zusammenfügen ein zylindrischer an den Querschnitt
des Mantelrohres 1 angepaßter Körper ergibt.
Die Lagen 6, von denen nur vier genau und die übrigen
schematisch wiedergegeben sind, sind eben und bestehen aus Blech; sie sind mit einer geradlinigen
Riffelung versehen, durch die die Strömungskanäle für das Mischgut gebildet werden. Weiterhin weisen
sie in Abständen Löcher auf, die für einen Durchtritt
> von strömendem Medium durc& die Lage hindurch zur Verbesserung der Durchmischung dienen. Wie aus
der Zeichnung weiterbin hervorgeht, verlaufen die Riffelungen benachbarter Lagen 6 derart, daß die
Riffelungen und damit die Strömungskanäle von je
in zwei benachbarten Lagen 6 gegeneinander geneigt sind und sich schneiden, wodurch je zwei Kanäle an
ihren Schnitt- oder Kreuzungsstellen gegeneinander geöffnet sind.
i~> tung kann es zweckmäßig sein, jedes Einbauelement
aus mehreren, im Querschnitt parallel zueinander angeordneten Teilkörpern herzustellen. Im allgemeinen
sind die Einbauelemente jedoch dem inneren Querschnitt des Mantelrohres angepaßt. Dadurch, daß je-
2Ii weils zwei benachbarte, in Strömungsrichtung hintereinander
angeordnete Einbauelemente gegeneinander verdreht, zweckmäßig um einen Winkel von 90°,
angeordnet sind, wird die Verteilung und hierdurch die Vermischung der strömenden Medien, welche die
->> Einrichtung im Gleichstrom durchsetzen, bei einer
Aufeinanderfolge mehrerer Einbauelemente verbessert. Erfolgt bei gewissen Mischprozessen gleichzeitig
eine chemische Reaktion, so werden durch eine gute und schnelle, seitliche Vermischung Ungleichheiten,
»ι die durch örtliche Konzentrationsunterschiede oder
einen ungleichmäßigen Reaktionsablauf entstehen können, sofort ausgeglichen.
Die Riffelhöhe bzw. -breite der Lagen können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen einer Mi-
r> schaufgabe angepaßt werden. Sollen beispielsweise
zwei niedrigviskose, unmischbare Flüssigkeiten — mit einer Zähigkeit von z. B. 0,1 · 10~2-0,5 · 10"2 Pas
—dispergiert werden, so wird dieses vorteilhaft in Einbauelementen
mit Strömungskanälen von relativ klei-
4Ii nen Querschnitten durchgeführt, so daß die auftretenden
Scherkräfte für die Verteilung der fließenden Medien genügen, aber nicht so groß sind, daß stabile
Emulsionen entstehen.
4~> sehen, beispielsweise Warm- und Kaltluft in der Klimatechnik,
so sollen die Druckabfälle in den Mischern klein gehalten werden, um die erforderliche Ventilator-
bzw. Kompressorleistung möglichst zu reduzieren. Da das Mischen von Gasen meistens nicht annä-
w hemd solche Probleme wie das Mischen von Flüssigkeiten aufwirft, ist es bei Gasmischungen möglich,
Einbauelemente mit Strömungskanälen mit relativ großen Querschnitten zu verwenden. Außer der
Verteilung der Gase innerhalb der Einbauelemente
V) aufgrund einer Zwangsführung in den Strömungskanälen
wird die Mischwirkung dann weiter aufgrund der an den Kreuzungsstellen der Strömungskanäle benachbarter
Lagen auftretenden Turbulenzen verbessert.
mi Besondere Probleme stellen sich bei Mischverfahren für Flüssigkeiten stark verschiedener Viskositäten.
Als Beispiel sei etwa das Mischen von Wasser mit einer Zähigkeit von 0,1 · 10~2 Pas mit einem Strom von
Methylzellulose von 10~3 Pas erwähnt. Bei großen
t,5 Wasserkonzentrationen von beispielsweise 20% besteht
die Tendenz, daß das Wasser einen eigenen Strömungskanal bildet und im wesentlichen unvermischt
durch die auf das Einbauelement aufgegebene Me-
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5 6
thylzellulose hindurchströmt. Am Austritt aus dem erleichtert und die Gefahr von Wasserdurchbrüchen
Einbauelement äußert sich dieses in Wasserdurchbrü- weitgehend verhindert. Bei diesem Mischverfahren ist
chen. Es wurde bei dem Mischer für den vorgenannten es möglich, die Grobverteilung in den Einbauelemen-Verwendungszweck
experimentell ermittelt, daß ein ten mit relativ kleinen Kanälen, in denen hohe Seher-Hauptproblem
die anfängliche Grobverteilung des ■-> kräfte erzeugt werden, durchzuführen. Um aber den
beigemischten Wassers ist. Gelingt es, eine Grobver- genannten Druckabfall in den Einbauelementen mögteilung
rasch durchzuführen, d. h. das Wasser am An- liehst gering zu halten, kann die anschließende Weifang
der Mischstrecke auf möglichst viele Kanäle zu teraufteilung in Einbauelementen erfolgen, die Kaverteilen,
so wird eine nachfolgende Weiteraufteilung näle mit größeren Querschnitten aufweisen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung mit einem Mantelrohr, in das ein oder mehrere Einbauelemente, die aus mehreren "> parallel zur Achse des Mantelrohres liegenden, sich berührenden ebenen Lagen bestehen, querschnittsausfüllend eingesetzt sind, wobei jede der ebenen Lagen des Einbauelementes sich im wesentlichen in Längsrichtung des Mantelrohres er- i<> streckende, geradlinige Strömungskanäle aufweist und wobei die Strömungskanäle in jeder Lage mindestens gruppenweise im wesentlichen gleichgerichtet zueinander verlaufen und weiterhin die Strömungskanäle zweier benachbarter Lagen sich ι > kreuzen und im Bereich der Kreuzungsstellen mindestens teilweise gegeneinander geöffnet sind und aufeinanderfolgende Einbauelemente gegeneinander um einen Winkel um die Rohrachse verschwenkt sind, gekennzeichnet durch die Verwendung als statischer Mischer für im Gleichstrom fließende Medien.
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
OI | Miscellaneous see part 1 |