DE2323930A1

DE2323930A1 - Vorrichtung zum erzeugen von um eine achse verlaufenden wendelfoermigen stroemungen

Info

Publication number: DE2323930A1
Application number: DE2323930A
Authority: DE
Inventors: Jun Edward F Fitzhugh
Original assignee: FITZHUGH JUN
Current assignee: FITZHUGH JUN
Priority date: 1972-05-12
Filing date: 1973-05-11
Publication date: 1973-11-22
Also published as: JPS504647A; CA973540A; JPS5226624B2; US3743250A

Description

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Herr Edward F.FITZHUGH,Jr. , 2256 N.St. James Parkway,CLEVELAND HEIGHTS, Ohio (USA)

Herr Barring COUGHLIN, Jr., 12380 Snow Road, BURTON, Ohio (USA)

Herr William E. FITZHUGH, 1058 13th Street, BOULDER, Colorado (USA)

Vorrichtung zum Erzeugen von um eine Achse verlaufenden wendeiförmigen Strömungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von um eine gemeinsame Achse verlaufenden spiralförmigen oder wendeiförmigen Strömungen, insbesondere Flüssigkeitsströmen , ohne hierzu bewegbare Teile zu verwenden.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht in einer Mischvorrichtung ohne bewegbare Teile, mit der wenigstens zwei Flüssigkeiten, die im Gleichstrom in vorbestimmten Proportionen in die

ORlQiNAL INSPECTBO

Vorrichtung eingespeist werden und wendelförmig oder spiralförmig in axialer Richtung durch die Vorrichtung hindurchströmen , die Vorrichtung als ein einziger homogen vermischter Strom verlassen. Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Wärmetauscher, bei dem eine Vielzahl von Teilströmen eines verhältnismäßig heißen ersten Stromes parallel und spiralförmig axial durch den Wärmetauscher hindurchströmt und wobei ein Wärmetausch mit einer Vielzahl von parallel und spiralförmig in axialer Richtung durch den Wärmetauscher hindurchströmenden Teilströmen eines verhältnismäßig kalten' zweiten Stromes stattfindet, ohne daß sich der erste und der zweite Strom miteinander vermischen.

Durch das Einleiten von Mais- oder Getreidesirup als eine Komponente eines FlUssigkeitsstromes von Lebensmittelverarbeitungsanlagen und durch die Notwendigkeit zum Vermischen von verschiedenen Sirupströmen in der Obst- und der Konservenindustrie wurde das Interesse an Flüssigkeitsmischvorrichtungen, insbesondere solchen ohne bewegbaren Teilen, geweckt und deren Entwicklung ausgelöst. Kurze Zeit danach wurde die Entwicklung von speziellen Vorrichtungen zum Mischen und Vermischen von Flüssigkeiten durch die Technologie der Polymerverfahren, die zum Herstellen von Fasern und anderen synthetischen Kunstharzprodukten dienen, weiter angeregt. Die meisten dieser Vorrichtungen beruhen auf der Verwendung eines mechanisch betriebenen Rührers od. dgl., der in dem zu vermischenden Material bewegt wird, wo-

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bei diese Vorrichtungen nach der Annahme konstruiert sind, daß die durch den Rührer erzeugten Scherbewegungen oder Scherkräfte ein verhältnismäßig homogenes Gemisch erzeugen.

Auf Scherwirkungen beruhende Verfahren, insbesondere wenn sie bei hochviskosen Flüssigkeiten angewendet werden, besitzen einen sehr geringen Wirkungsgrad. In diesen Fällen benötigt man eine große Energiemenge, um das Rührwerk anzutreiben, wobei ein großer Teil der Energie unvermeidbar in eine Erwärmung des Gemisches umgesetzt wird, die in keiner Weise zum Mischvorgang beiträgt. Wenn man wärmeempfindliche Materialien vermischt, muß die erzeugte Wärme abgeführt werden, um eine schädliche Überhitzung des Gemisches zu vermeiden.

Bei anderen Vorrichtungen wird das Mischen durch Aufbauen von Druck und Gegendruck bewirkt, wobei sich der vom Druck erzeugten parabolischen Transportbewegung eine auf Reibung beruhende Quer- und Rückbewegung des zu vermischenden Materials überlagert. Das zu vermischende Material wird heftig in jeder und allen Richtungen unkontrolliert bewegt. Hierzu ist wiederum ein hoher Energiebedarf erforderlich, was zu einer Erwärmung des zu vermischenden Materials führt, was Schaden an temperaturempfindlichen Materialien hervorrufen kann.

Man hat versucht, diese Probleme dadurch zu überwinden, daß man eine Vorrichtung mit einer

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einzigen Wendel in einer zylindrischen Mischkammer (US-PS 2 847 649) oder einer doppelten Wendel in einer zylindrischen Mischkammer (US-PS 2 847 vorsieht. Eine andere als Generator mit einander gegenüberliegenden Oberflächen bezeichnete Vorrichtung ist in den US-PS 3 239 197, 3 195 865 und 3 583 678 beschrieben. Ein weitere Vorrichtung zum Überwinden der oben aufgeführten Probleme ist in der US-PS 3 286 992 offenbart.

Die obengenannten Generatoren mit einander angrenzenden Oberflächen, d.h. die obengenannten Grenzflächen-Generatoren sind ebenso wie viele der keine bewegbaren Teile aufweisenden Mischvorrichtungen schwierig herzustellen, enthalten komplizierte Bauelemente, die schwierig einzubauen sind, und sind nach dem Zusammenbau umständlich zu reinigen. Ein Versuch zum Überwinden einiger dieser Probleme ist bei der in der US-PS 3 190 618 offenbarten Vorrichtung gemacht worden, bei der zwei Flüssigkeiten im Gegenstrom (Spalte 3, Zeile 16) in einen ringförmigen Raum eingeleitet werden, in welchem sich halbelliptische geneigte Prallplatten befinden, welche im großen und ganzen eine Umlenkung und Richtungsänderung des Flüssigkeitetromes (Spalte 3, Zeilen 33 bis 34) durch wiederholtes Auftreffen und Umlenken der Masse der Flüssigkeit während des Durchtrittes durch diesen Raum hervorrufen. Diese Anordnung erfordert, daß die im Strömungsweg hintereinander angeordneten Prallplatten unterschiedliche Anordnungen im ringförmigen Raum auf dem Umfang desselben gesehen aufweisen, so daß es nicht mög-

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lieh ist, daß "zwei oder mehr parallele Strömungen entstehen, welche den Mischvorgang ungünstig beeinflussen" (Spalte 3, Zeilen 56 bis 57).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die geschildeten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung ohne bewegbare Teile zuschaffen, durch welche Flüssigkeitsströme spiralförmig hindurchgeleitet werden können und dabei entweder innig miteinander vermischt werden oder in wärmetauschende indirekte Relation zueinander treten, ohne daß für eine äußerst wirksame Vermischung oder einen äußerst wirksamen Wärmetausch bewegbare Element wie Rührwerke notwendig wären.

Zur Läsung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung eine kompakte, preiswerte und leicht herzustellende Vorrichtung geschaffen, die für viskose Flüssigkeiten oder fließfähig gemachte Materialien mit sich ändernden Viskositäten, einschließlich solchen, die temperaturempfindlich sind,bestimmt ist. Es ergibt sich praktisch keine Notwendigkeit zur Wärmeabfuhr wie bei bekannten Mischvorrichtungen, die mit einem hohen Energiebedarf arbeiten, da die Wirksamkeit der vorliegenden Vorrichtung auf geneigt angeordneten identischen Strömungsleitelementen , die in identischer Anordnung auf den Umfang der Mischkammer verteilt angeordnet sind, beruht, wobei die Ausrichtung und Anordnung der Strömungsleitelemente derart gewählt ist, daß eine Vielzahl von parallelen,

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spiralförmigen bzw. wendeiförmigen in gleicher Richtung verlaufenden axial gerichteten Strömen oder Teilströmen entsteht, welche wiederholt entstehen und dazwischen immer wieder jeweils in einer ver hältnismäßig engen Mischzone miteinander vermischt werden. Beim Verlassen einer Mischzone wird die aus derselben austretende Flüssigkeit erneut in eine Vielzahl von wendelförmig oder spiralförmig in axialer Richtung fließenden einzelnen Strömen unterteilt, wobei keine Entmischung stattfindet und kein direktes Hindernis, auf welche diese Teilströme auftreffen, vorhanden ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung erfo ein Vermischen von strömenden Medien mittels einer Vielzahl von die Strömung leitenden und teilenden Elementen oder Leitelementen bzw. Leitflächen, welche ohne einen spürbaren Rückstau- oder Blockiereffekt eine Vielzahl von kleinen Teilströmen erzeugen, die parallel zueinander wendelförmig oder spiralförmig durch die Vorrichtung hindurchströmen und in verschiedenen Mischzonen zwischen aufeinanderfolgenden einzelnen Leitzonen, in denen die Teilströme jeweils in derselben Umfangsrichtung strömen, zusammengeführt werden, wobei das dort entstandene Flüssigkeitsgemjsch beim Verlassen dieser Mischzonen immer wieder in einzelnen Teilströme unterteilt wird.

Diese Vorrichtung ist auch als Mischreaktor für verhältnismäßig viskose Flüssigkeiten geeignet, die im wesentlichen in ein und derselben Richtung strömen

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sollen, d.h. die keinen abrupten Änderungen der Strömungsrichtung unterworfen werden dürfen.

Gemäß einer anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung als Wärmetauscher dient, strömt eine Flüssigkeit oder ein sonstiges Strömungsmittel oder strömfähig gemachtes Material durch ein inneres Gehäuse, das sich koaxial in einem äußeren Gehäuse, durch den ein äußerer Strömungsmittelstrom strömt, befindet und sich in Längsrichtung teilweise oder ganz durch dieses äußere Gehäuse erstreckt. Das innere Gehäuse ist mit einer Vielzahl von geneigt angeordneten inneren Strömungsleitelementen versehen, welche eine spiralförmige oder wendelfrmige axiale Strömung wie bei der vorstehend genannten Mischvorrichtung erzeugen. Auf der Außenseite des inneren Gehäuses ist eine Vielzahl von weiteren Strömungsleitelementen angeordnet, die schräg gestellt oder geneigt auf der Außenseite des Gehäuses befestigt sind und an die Innenwand des äußeren Gehäuses flüssigkeitsdicht anstoßen, so daß auch die zweite Flüssigkeit durch einen spiralförmigen axialen Weg strömt.

In überraschender Weise wird gemäß der Erfindung ein sehr wirksamer Mischvorgang mit Hilfe von aufeinanderfolgenden Strömungsleitelementen mit - auf den Umfang der Vorrichtung bezogen - identischer Orientierung erreicht, wobei zwei oder mehr parallele spiralförmig oder wendelförmig und in derselben Strömungsrichtung koaxial durch die Vorrichtung hindurchströmende Teilströme derart

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ein Vermischen erzeugt werden, daß/diese Teilströme in einer engen Mischzone zwischen aufeinanderfolgenden Strömungsleitabschnitten.erfolgt, Dabei sind hintereinander mehrere von Leitzonen getrennte Mischz-onen vorgesehen. In keiner dieser Mischzonen erfolgt eine Entmischung oder ein Aufprallen der Flüssigkeitströme auf ein Hindernis. Das jede Mischzone verlassende Strömungsmittel wird wieder in eine Vielzahl von Teilströmen unterteilt, die nicht unbedingt gleiche Volumina besitzen müssen, wobei jeder dieser Teilströme wiederum.im Gleichstrom mit den anderen Teilströmen wendelförmig durch die Vorrichtung- hindurchfließt.

Zweckmäßig verläßt die Flüssigkeit jede Mischzone in.einer gleichen Anzahl von Teilströmen wie sie in diese Mischzone eintritt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, wie für den speziellen Mischvorgang erforderlich. Die Wärmeentwicklung ist auf die zum Vermischen von Bissigkeiten erforderliche theoretische Menge begrenzt, während der Druckabfall im wesentlichen derselbe wie bei einer spiralförmigen oder wendeiförmigen Strömung in eine Leitung ist. Außerdem tritt praktisch kein Energieverlust auf. Andererseits.ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine einfache Herstellung und eine vielfältige Anwendung , nicht nur für Mischvorrichtungen und nicht nur für die Verarbeitung oder Behandlung von temperaturunempfindlichen Materialien.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und

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	2323930 - 9 -	zeigt	einen senkrechten Schnitt durch eine
zwar	1	als Mischvorrichtung dienende erfindungs
Fig.		gemäße Vorrichtung,
		eine Draufsicht auf das obere Ende der
	2	Mischvorrichtung aus Fig. 1 in ver
Fig.		größertem Maßstab,
		einen senkrechten Schnitt durch das
	3	obere Ende der Mischvorrichtung aus Fig.
Fig.		1 und 2,
		eine andere Seitenansicht der Mischvor
	4	richtung aas Fig. 1 bis 3, woraus in
Fig.		schaubildlicher Darstellung die ineinander
		greifenden halbelliptischen geneigt ange
		ordneten Ströraungsleitelemente zu erkennen
		sind,
		eine Draufsicht auf ein einzelnes Strömungs
	5	leitelement der Vorrichtung aus Fig. 1 bis
Fig.		4,
		einen senkrechten Schnitt durch eine
	6	andere Ausführungsform der als Mischvor
Fig.		richtung ausgebildeten erfindungsgemäßen
		Vorrichtung,
		eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus
	7	Fig. 6 und 8 nach Linie 7-7 aus Fig. 8
Fig.		in gegenüber Fig. 6 vergrößertem Maßstab,
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Fig. 8 einen senkrechten Teilschnitt durch das obereEnde der Mischvorrichtung aus Fig.6,

Fig. 9 eine andere Darstellung des Schnittes aus Fig. 8, woraus die mit ihren Enden aneinanderstoßenden geneigt angeordneten Führungsleitelemente schaubildlich zu erkennen sind, und

Fig.10 eine Draufsicht auf ein halbelliptisches Leitelement der Vorrichtung aus Fig. 6 bis 9.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum kontinuierlichen homogenen Vermischen von fließfähigen Substanzen wie viskosen Flüssigkeiten und Flüssigkeiten, die pulverförmige Materialien enthalten, geeignet. Sie ist insbesondere für das wirksame Vermischen von temperatürempfindlichen Materialien unterschiedlicher Viskositäten geeignet, wobei die von verbrauchter Scherenergie erzeugte Wärme auf einem Minimum gehalten werden muß. Eine andere Anwendungsmöglichkeit, für welche die erfindungsgemäße Vorrichtung besondersn brauchbar ist, umfaßt Flüssigkeits-Flüssigkeits-Extraktionsverfahren, für welche das in der US-PS 3 428 449 beschriebene Verfahren zum Gewinnen von Kupfer typisch ist. Es sei jedoch darai f hingewiesen, daß die vorgeschlagene Vorrichtung zum Vermischen aller Flüssigkeiten oder fließfähigen bzw. strömfähigen Materialien geeignet ist, die durch Zusammenführen und Trennen in

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parallele, spiralförmig bzw.wendelförmig verlaufende axiale Ströme zusammengebracht und vermischt werden sollen.

Die nachfolgende Beschreibung betrifft insbesondere das Zusammenführen und Vermischen von zwei Flüssigkeiten.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung besitzt die Mischvorrichtung ein rohrförmiges Gehäuse, in welchem eine Vielzahl von gleichen Führungsleitelementen geneigt oder

schräggestellt angeordnet ist, wobei jedes Strömungsleitelement eine elliptische Form aufweist, wobei diese Ellipse etwa entlang ihrer Hauptachse oder giäßeren Achse getrennt ist. Jedes dieser Leitelemente besitzt auf den Umfang gesehen im wesentlichen dieselbe Anordnung innerhalb des rohrförmigen Gehäuses, in welches alle Leitelemente so eingepaßt sind, daß sie eine Vielzahl von parallelen spiraligen bzw. wendeiförmigen Kanälen bilden, die in einer eng begrenzten Misch zone, die durch aufeinanderfolgende in Längsrichtung gegeneinander versetzte Leitelemente definiert ist, zusammen-laufen. Hinter dieser Mischzone wird die Strömung wieder in dieselbe Anzahl von parallelen wendeiförmigen oder schraubenlinienförmigen Teilströmen wie vor der Mischzone unterteilt. Dieses Vermischen und Unterteilen der durchströmenden Flüssigkeit wird so oft wiederholt, als für eine gewünschte oder vorbestimmte Homogenität des vermischten Materials notwendig ist.

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Aus der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von zwei bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung geht hervor, daß di Anzahl der verwendeten Flüssigkeitsleitelemente, der Neigungswinkel und der gegenseitige Abstand derselben und die Länge des Gehäuses durch die physikalischen Eigenschaften jeder der verarbeiteten Flüssigkeiten und die Mischcharakteristiken der Flüssigkeiten bestimmt werden. In Abhängigkeit von diesen Eigenschaften und Charakteristiken kann die Strömung während des Mischvorganges laminar oder turbulent oder auch nahe dem einen Ende der Vorrichtung laminar und nahe dem anderen Ende der Vorrichtung turbulent sein. Obwohl die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Vermischen von. zwei Flüssigkeiten behandelt, können, wie schon oben gesagt, auch mehr als zwei Flüssigkeiten oder sonstige strömfähige Medien miteinander vermischt werden. Die Flüssigkeiten werden beispielsweise zusammen an einem Ende in das Gehäuse der Vorrichtung eingegeben, jedoch ist es auch möglich, die Flüssigkeiten getrennt voneinander an unterschiedlichen Stellen des Gehäuses zuzuführen. Auch sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung nicht, wie in der Zeichnung dargestellt, ein zylhdrisches Gehäuse aufweisen muß, in welches eine Vielzahl von identischen halbelliptischen Flüssigkeitsleitelementen eingebaut ist. Vielmehr können das Gehäuse und auch die Flüssigkeitsleitelemente andere geometrische Formen besitzen, mit denen es möglich ist, in gleicher Weise ein Vermischen und Zerlegen des Flüssigkeitsstromes in einzelne

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wendelförmige oder schraubehlinienförmige Teilströme zu erzielen,.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 5 werden, wie Fig. 1 zeigt, gemäß den Pfeilen A und B zwei Flüssigkeiten vorzugsweise unter gleichen Drücken durch Einlaßstutzen 10 und 12 zugeführt, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Mischkopfes 14 angeordnet sind und in den selben führen. Dieser Mischkopf 14 ist lösbar am oberen Ende eines zylindrischen Gehäuses 16 angebracht. Zwischen dem Mischkopf 14 und dem oberen Ende des zylindrischen Gehäuses 16 ist vorzugsweise ein Dichtungsring 18 angeordnet, der eine Abdichtung zwischen dem Mischkopf und dem Gehäuse bewirkt.

Die Mischvorrichtung besteht bei diesem Ausführurgsbeispiel aus dem Mischkopf 14, der eine Mischkammer enthält, und dem zylindrischen Gehäuse 16, welches eine weitere Mischkammer 22 umschließt. Innerhalb des zylindrischen Gehäuses 16 ist koaxial und zentrisch zu demselben eine Stange 20 angeordnet. Das eine Ende dieser Stange 20 ist mit Hilfe einer Mutter 24 in der oberen Wand des Mischkopfes 14 befestigt, wodurch die axiale Lage und die genaue Anordnung der Stange 20 im Gehäuse 16 gewährleistet wird. Der im zylindrischen Gehäuse 16 liegende Abschnitt der Stange 20 besitzt vorzugsweise einen ausreichenden Durchmesser, um zu ermöglichen, daß eine Vielzahl von Strömungsleitelementen 30 auf dieser Stange befestigt werden kann.

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Jedes Strömungsleitelement 30 besitzt, wie Fig. zeigt* eine halbelliptische Form, die etwa in Richtung der Hauptachse der Ellipse getrennt ist. In diesem Trennbereich ist jedes Strömungsleitelement 30 mit zwei zungenartigen Vorsprüngen 32 und 34 und einer Aussparung 36 versehen, wobei die Vorsprünge 32 und 34 dazu dienen, mit entsprechenden Vorsprüngen identischer Strömungsleitelemente 30a zusammenzuwirken, während die Aussparung 36 in eine Nut 38 der Stange 20 eingesteckt werden kann, um das Strömungsleitelement an der Stange 20 zu befestigen. Die Stange 20 besitzt eine Vielzahl derartiger Nuten 38, die , wie insbesondere Fig. 3 zeigt, schräg angeordnet sind.

Die Vorsprünge 32 und 34 können auch weggelassen werden, so daß jedes Strömungsleitelement 30 auf beiden Seiten ek* Stange 20 eine gerade verlaufende Kante aufweist. Strömungsleitelement mit gerade verlaufenden Kanten kommen mit diesen Kanten in Kontakt mit den gerade laufenden Kanten gegenüberliegend angebrachter Strömungsleitäemente 30a, wobei beispielsweise eine Punktschweißung vorgesehen sein kann, um diese beiden aneinanderstoßenden Strömungsleitelemente 30 und 30a fest mit der StrömungsIeitanordnung zu verbinden und die vorgeschriebene genaue schraubenlinienförmige Strömung zu erzeugen.

Vorzugsweise werden die halbelliptischen Strömungsleitelemente 30 und 30a auch fest in den Nuten verankert, beispielsweise durch Schweißung. Wie Fig. 3 zeigt, werden die in senkrechter Richtung

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hintereLnander angeordneten Strömungsleitelemente 30 in geneigter Anordnung auf der Stange 20 mit gleichförmigen Abständen festgeschweißt , um einen 3 : 3 Mischer zu erzeugen, d.h. einen Mischer , bei dem drei parallele schraubenlinienförmig fließende Ströme in einer engen Mischzone zwischen aufeinanderfolgenden und in einem senkrechten Abstand voneinander liegenden Strömungsleitelementen zusammengeführt und nach dem Verlassen der engen oder kurzen Mischzone wieder in drei voneinander getrennte parallele schraubenlinienförmige Teilströme unterteilt werden. Jedem auf der Stange 20 befestigten Strömungsleitelement 30 ist ein gegenüberliegendes Strömungsleitelement 30a zugeordnet, das auf- der jeweils anderen Seite der Stange 20 mit genau demselben spitzen Winkel zur Längsachse des Gehäuses 20 angeordnet ist wie das Strömungsleitelement 30. Aufgrund der abwechselnden Anordnung von Strömungsleitelementen 30 und 30a auf einander gegenüberliegenden Seiten der Stange 20 werden die Vorsprünge 32, soweit die Strömungsleitelemente überhaupt Vorsprünge besitzen, an der Innenseite des nächstfolgenden gegenüberliegenden Strömungsleitelementes anliegen, während der andere Vorsprung 34 ebenfalls gegen ein gegenüberliegendes Strömungsleitelement gedrückt wird, wobei beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Strömungsleitelement , auf dem der Vorsprung 32 aufliegt, und dem Strömungsleitelement, gegen das der Vorsprung 34 gedrückt wird, zwei weitere Strömungsleitelemente liegen, die von den Vorsprüngen anderer Strömungsleitelemente erfaßt werden. Wenn man eine Vermischung von vier, fünf oder einer anderen Anzahl von Teilströmen

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wünscht, werden die aneinanderstoßenen Stiö mungsleitelemente bezüglich ihrer Winkelstellung und ihres axialen Abstandes entsprechend gewählt.

Die Anordnung der einander abwechselnden und gegenüberliegenden geneigten Strömungsleitelemente auf der axial verlaufenden Stange 20 erfordert, daß die halbelliptischen Strömungsleitelemente so ausgebildet sind, daß jedes derselben genau an der Innenwand des zylindrischen Gehäuses 16 mit dem durch die Anordnung auf der Stange 20 vorbestimmten spitzen Winkel anliegt. Wenn alle Strömungsleitelemente an der Stange 20 befestigt sind, kann man diese Stange 20 mit den Strömungsleitelementen für Reinigungs- und Inspektionszwecke aus der Vorrichtung herausnehmen. Dies erreicht man einfach dadurch, daß man die Mutter 24 löst und den Mischkopf 14 vom zylindrischen Gehäuse 16 absdaraubt, so daß die die Strömungsleitelemente enthaltende Mischkammer 22 freigelegt wird. Die auf der Stange 20 befestigten Strömungsleitelemente 30 können dann einfach in einem Stück herausgezogen werden. Falls erwünscht, kann man die Stange 20 mit den darauf befestigten Strömungsleitelementen 30 und 30a auch durch das Auslaßende des zylindrischen Gehäuses 16 herausziehen. Zu diesem Zweck ist es lediglich gegenüber der Darstellung aus Fig. 1 erforderlich, am Auslaßende des Gehäuses 16 einen AuslaßkopT aufzuschrauben, der abgeschraubt werden muß, wenn das Ausbauen der Stange 20 und der darauf sitzenden Strömungsleitelemente 30 und 30a durch dieses Ende des Gehäuses günstiger erscheint, Da die Strömungsleitelemente 30 und 30a passend an der

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Innenwand des zylindrischen Gehäuses 16 anliegen, muß das Herausziehen und Einschieben der Anordnung sorgfältig und vorsichtigt durchgeführt werden*

Es ergibt sich , daß getrennte Mischvorrichtungen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der Strömungsleitelemente zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses gebaut werden können, solange die Strömungsleitelemente nicht rechtwinklig zur Achse der Stange 20 auf derselben angebracht sind. Außerdem ist ersichtlich, daß der Neigungswinkel der Strömungsleitelemente die Steigung des schraubenlinienförmigen axialen Durchstromes durch die Vorrichtung bestimmt. Beste Ergebnisse erzielt man in einem Winkelbereich von etwa 20° bis etwa 60°, wobei der Druckabfall über die gesamte Vorrichtung geringer ist, wenn der Steigungswinkel des schraubenlinienförmigen Durchstromes verhältnismäßig steil, wie bei einem Neigungswinkel von etwa 20°, ist als wenn die Steigung verhältnismäßig flach ist, d.h. wenn der Winkel zwischen den Strömungsleitelementen und der Längsachse des Gehäuses etwa 60°beträgt. In ähnlicher Weise kann der Abstand der aufeinanderfolgenden Strömungsleitelemente in Längsrichtung des Gehäuses gesehen bei den verschiedensten Mischvorrichtungen unterschiedlich sein. Geringere Abstände wird man nehmen, wenn eine größere Anzahl von Teilströmen in Jede Mischzone gelangt und dementsprechend auch jede Mischzone verläßt, während bei größeren Abständen die Anzahl der Teilströme geringer ist. Ein geringerer Abstand der aufeinanderfolgenden Strömungsleitelemente erzeugt einen größeren Druckabfall in der Vorrichtung als ein

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größerer Abstand.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß , wenigstens wenn viskose Flüssigkeiten verarbeitet werden, die Strömung in der vorliegenden Vorrichtung laminar ist. Da es sich bei dieser Vorrichtung um eine kontinuierlich arbeitende Mischvorrichtung handelt, kann angenommen werden, daß der Durchstrom gleichförmig ist und die Strömung in allen Teilströmen gleich ist, wobei auch in einer Flüssigkeit mitgenommene Feststoffpartikel gleichförmig durch die Vorrichtung transportiert werden.

Wenn sehr viskose Flüssigkeiten verarbeitet werden, muß man den Konzentrations- und Temperatürgradienten durch die Massenbewegung des Materials steuern, d.h. indem man systematisch zunächst die Flüssigkeit unterteilt und dann die Strömungslinien wieder verteilt, ohne irgendwelche Einschränkung vorzusehen, was der systematischen zonenweisen Vermischung und erneuten Aufteilung der Flüssigkeit entgegenstehen würde, welche das Hauptziel der vorliegenden Mischvorrichtung ist.

Die Länge der Mischvorrichtung wird durch den Neigungswinkel und den für eine laminare Strömung von viskosen Flüssigkeiten oder eine turbulente Strömung von nicht viskosen Flüssigkeiten ohne größeren Energieverlust benötigten Abstand aufeinanderfolgenden Strömungsleitelemente 30 bzw,30a und auch dadurch bestimmt, wie oft die schrauben-

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linienförmig geführten TeilstrÖme miteinander vermischt und wieder voneinander getrennt werden müssen, um die gewünschte Homogenität der Mischung zu erzielen. Wenn man den zu vermischenden Teilströmen eine zusätzliche Turbulenz erteilen will, muß die Stange 20 entsprechend ausgebildet sein, beispielsweise Vorsprünge auf ihrer Oberfläche tragen, die gegebenenfalls auch Wirbel erzeugen können. Andererseits kann die Stange 20 in diesem Falle auch einen vierkantigen oder mehrkantigen Querschnitt aufweisen, so daß die Kanten derselben eine zusätzliche Turbulenz erzeugen.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann das zylindrische Gehäuse 16 einen verhältnismäßig großen Druchmesser aufweisen und die Stange 20 durch ein im Gehäuse 16 angebrachtes inneres zylindrisches Gehäuse ersetzt sein, welches nicht nur auf seiner Außenseite befestigte Strömungsleitelemente trägt, sondern auch im Innere mit weiteren Strömungsleitelementen versehen ist. Eine derartige Vorrichtung kann als Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme von einem Strömungsmittel auf ein anderes verwendet werden, wobei ein beschleunigter Wärmeübergang sowohl durch den schaubenlinienförmig erfolgen/lwangsweise geführten Durchstrom und das immer wieder erfolgende Vermischen der TeilstrÖme als auch durch die Wärmeleitung der Strömungsleitelemente erzielt wird. Bei einer derartigen Ausführungsform, die als Mehrfachspiralströmungs-Wärmetauscher bezeichnet werden kann, können die durchströmenden Medien voneinander getrennt gehalten werden, wobei

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das äußere zylindrische Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß für ein Strömungsmedium und das innere zylindrische Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß für das andere Strömungsmedium versehen ist.

Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 bis 10 darge&ellt. Bei dieser Ausführungsform ist in das zylindrische Gehäuse 16 eine Vielzahl von glieigt angeordneten Strömungsleitelementen 40 und 40a eingepaßt, wobei jedes dieser Strömungsleitelemente praktisch die Form einer nach der Hauptachse geteilten Halbellipse aufweist, wie Fig. 10 zeigt. Hierbei ist keine in axialer Richtung verlaufende Stange vorgesehen, jedoch kann man auch sagen, daß die Stange einen unendlich kleinen Durchmesser aufweist. Die einander gegenüberliegenden Strömungsleitelemente 40 und 40a stehen mit ihren Innenkanten dort in punktförmigem Kontakt, wo sie einander überschneiden. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist auch hierbei der genaue Neigungswinkel und der Abstand der im Gehäuse 16 angeordneten Strömungsleitelemente nicht kritisch, solange unter Beachtung vorbestimmter Energieanforderungen für den Druckabfall ein ausreichender sehraubenliHienförmiger Durchstrom und eine ausreichende Unterteil-ung und Wiedervereinigung der durchströmenden Medien erzielt wird, um die entsprechend den Pfeilen A und B zuströmenden Medien oder Flüssigkeiten in der gewünschten Weise miteinander zu vermischen.

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Da es Ziel der Erfindung ist, eine leicht zusammenzubauende und auch wieder leicht auseinanderzunehmende Mischvorrichtung zu schaffen, die leicht zu reinigen ist, sind hei diesem Ausführungsbeispiel die Strömungsleitelemente 40 und 40a vorzugsweise durch Punktschweißung an den Kontaktstelen miteinander verbunden. Somit kann die aus den Strömungsleitelementen 40 und 40a bestehende Anordnung als Ganzes in das zylindrische Gehäuse 16 eingesetzt und auch als Ganzes aus diesem zylindrischen Gehäuse herausgenommen werden. Zu diesem Zweck sind auf die beiden obersten Strömungsleitelemente 40 und 40a hakenartige Ösen 42 aufgeschraubt.

Es ist einzusehen, daß der Durchstrom durch die Vorrichtung aus Fig. 6 bis 10 ähnlich wie durch die Vorrichtung aus Fig. 1 bis 5 ist. Wiederum gelangen mehrere Teilströme in die zwischen aneinanderstoßenden Strömungselementen gebildeten Mischzonen und werden, nachdem sie ohne direktes Auftreffen auf irgendein Leitelen ent oder ohne irgendwelches Entmischen innerhalb dieser Zone vermischt worden sind, wieder in Teilströme unterteilt, die nicht notwendig gleiche Volumina besitzen müssen. Dieses Zusammenführen und Vermischen der Teilströme und anschließende erneute Aufteilung des Gemisches in einzelne Teilströme wird über die gesamte Länge der Mishvorrichtung vielfach wiederholt, bis das endgültige Gemisch die Vorrichtung durch den am unteren Ende derselben befindlichen Auslaßstutzen verläßt· Wie die Zeichnung zeigt, kann das Gehäuse 16 sowohl

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beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 nahe dem iHrteren Ende eine Verengung aufweisen, um einen Anschlag für die im Gehäuse angebrachte Anordnung der Strömungsleitelemente zu bilden.

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Claims

G 48 889

Herr Edward F. FITZHUGH, Jr., 2256 N.St. James Parkway, CLEVELAND HEIGHTS, Ohio (USA)

Herr Barring COUGHLIN, Jr., 12380 Snow Road, BURTON, Ohio (USA)

Herr William E. FITZHUGH, 1058 13 th Street, BOULDER, Colorado (USA)

Patentansprüche:

Vorrichtung zum Erzeugen von um eine Achse verlaufenden wendeiförmigen Strömungen, insbesondere Mischvorrichtung ohne bewegbare Teile zum homogenen Vermischen oder Durchmischen und Umwälzen von strömungsfähigen Medien einschließlich viskoser Flüssigkeiten und Flüssigkeiten, die pulverförmige Materialien enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein rohrförmiges Gehäuse (16) mit mehreren aufeinanderfolgenden Mischzonen aufweist, fernr Einrichtungen (10,12) zum Einleiten der zu vermischenden Medien an einem Ende des Gehäuses und zum Ableiten des fertigen Gemisches am anderen Ende des Gehäuses, die beide mit den Mischzonen in Verbindung stehen, außerdem eine Vielzahl von Strömungs^elementen (30,30a;40,40a), die in dem Gehäuse an einander gegenüberliegenden Seiten desselben geneigt angeordnet sind, wobei jedes dieser Strömungsleitelemente etwa die Form der Hälfte des nach einer etwa demselben Winkel wie das Strömungs-

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leitelement geneigten Ebene verlaufenden Querschnittes des Gehäuses aufweist und mit einer Außenkante versehen ist, die an der Innenwand des Gehäuses im wesentlictPflüssigkeitsdicht anliegt, wobei die Strömungsleitelemente mit identischer Neigung auf den Umfang des Gehäuses verteilt im axialen Abstand voneinander angeordnet sind und eine entgegengesetzte Neigung an einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses aufweisen, so daß sie eine Vielzahl von Strömungspfaden für eine integrale oder gleiche Anzahl von ,Teilströmen bilden, die in jede der zwischen den benachbarten in Längsrichtung voneinander getrennten Strömungsleitelementen (30 und 30a bzw. 40 und 40a) gebildeten Mischzonen zusammengeführt und danach wieder in einzelnen Teilpfaden, durch welche das Strömungsmedium die einzelnen Mischzonen verläßt, in eine integrale Anzahl von Teilströmen unterteilt werden,. welche unter mischender Bewegung in parallelen schraubenlinienförmigen Pfaden in axialer Richtung durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Mischzonen hindurchströmen, um eine vorbestimmte Misch— homogenität der aus der Vorrichtung austretenden Flüssigkeiten zu erreichen.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial im Gehäuse (16) eine dieses Gehäuse weitgehend in Längsrichtung durchsetzende Stange (20) angeordnet ist, auf der eine Vielzahl von Strömungsleitelementen (30,30a) befestigt'ist.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 2_y dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (20) einen kreisförmigen oder zylindrischen Querschnitt aufweist.

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4.) VorcLchtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Stange (20) einen nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist.
5.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) zylinderförmig ist und daß die Strömungsleitelemente (30,3Oa) ellipsenförmig ausgebildet sind und etwa die Form einer entlang ihrer Hauptachse geteilten Ellipse besitzen.
6.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Strömungsleitelemente (30 und 30a; 40 und 40a) an ihren Kreuzungsstellen aneinander anliegen und fest miteinander verbunden sind.
7.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitelemente (30,3Oa) Vorsprünge (32,34) und Aussparungen (36) aufweisen, wobei die Vorsprünge einander überkreuzender Strömungs leitelemente miteinander zusammenwirkend zusammengesteckt sind und die Aussparungen in Nuten (38) der Stange (20) befestigt sind.
8.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie doppelwandig ausgeführt ist und ein mit einem Einlaß und einem Auslaß für ein Strömungsmedium versehenes äußeres Gehäuse und ko axial in demselben ein weiteres Gehäuse, das mit einem eigenen Einlaß und einem eigenen Auslaß für ein anderes Strömungsmedium versehen ist, aufweist, wobei dieses innere Gehäuse auf der Außenseite geneigt angeordnete Strömungsleitelemente trägt und

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in seinem Inneren weitere ähnliche Strömungsleitelemente angeordnet sind, so daß zwei voneinander getrembe Ströme durch die Vorrichtung hindurchgeführt werden, die von den Strömungleitelementen wiederholt in Teilströme aufgeteilt und in kurzen Mischzonen miteinander vermischt und dann sofort wieder in Teilströme aufgeteilt werden, wobei zwischeJi diesen beiden getrennten Strömen ein Wärmetausch stattfinden kann.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Gehäuse mit einer in Längsrichtung desselben verlaufenden zentralen bzw. koaxialen Stange (20) versehen ist, auf der die innenliegenden Strömungsleitelemente (30,3Oa) befestigt sind.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (20) mit den darauf befestigten Strömungsleitelementen (30,3Oa) herausnehmbar in das innere Gehäuse eingesetzt ist und daß das innere Gehäuse mit den auf demselben angeordneten Strömungsleitelementen herausnehmbar in das äußere Gehäuse eingesetzt ist.

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