DE2437359C3 - Statischer Mischer für strömende Medien - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer für strömende Medien mit einem Hüllrohr und in diesem angeordneten, bis zum Hüllrohr reichenden, mehrere sich vereinende und wieder aufteilende, um die Mittelachse des Hüllrohres gewundene Strömungskanä-Ie bildenden, einander überlappenden schraubenflächenartigen Leitflächen, die an einer kreiszylindrischen, das Hüllrohr koaxial durchsetzenden Halterung befestigt sind.

Als statische Mischer bezeichnet man Mischer ohne bewegliche Teile. Die zu mischenden Medien (Gase, Flüssigkeiten oder Pasten niedriger Viskosität) werden im Gleichstrom, z. B. mittels Gebläsen, Pumpen oder Pressen, durch Hüllrohre getrieben, die Einsätze mit Leitflächen zum Vermischen der Medien enthalten. Die Wartung dieser Mischer beschränkt sich im wesentlichen auf die Demontage und Montage bei der Reinigung, die leicht durchzuführen sind. Auch sind Betriebs- und Herstellungskosten gering und die Einbaumöglichkeiten in Anlagen für chemische Prozesse vielfältig. Statische Mischer können z. B. eingesetzt werden zur Herstellung von Suspensionen oder Emulsionen, in der Kunststoffindustrie zum Zumischen von Härtern, Farbstoffen und anderen Additiven zu flüssigen Kunstharzen oder zum Vermischen von Polymeren und Copolymeren.

Bekannt sind bereks statische Mischer mit Einsätzen aus mehreren Leitflächen, die das strömende Medium in Schichten aufteilen und die in den Schichten fließenden Teilströme zu einem neuen Gesamtstrom so vereinen, daß ursprünglich benachbarte Teilströme entfernt voneinander zu liegen kommen. Es werden eine Vielzahl derartiger Einsätze so hintereinandergesetzt, daß die vom nachfolgenden Einsatz bewirkte Schichtbildung senkrecht zur am vorhergehenden Einsatz erzeugten Schichtbildung steht. Ein derartiger Mischer ist z. B. in der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik« 43 (1971), Seite 348 bis 354. beschrieben.

Bei einer weiteren, aus der gleichen Literaturstelle bekannten Ausführungsform eines statischen Mischers besteht der Einsatz aus mehreren jeweils um 180° drehenden, abwechselnd links- und rechtsgängigen, koaxial zum Hüllrohr angeordneten Wendeln, deren Schnittflächen senkrecht aufeinanderstehen. Die Mischwirkung einer solchen Wendel kommt zustande, indem der Medienstrom an dem einen Ende einer Wendel in zwei Teilströme aufgeteilt wird, diese Teilströme beim Durchlaufen der Wendel um 180° verdreht und am anderen Ende wieder zusammengeführt werden. An der nächsten Wendel wird der gerade zusammengeführte Strom senkrecht zur vorherigen Schnittfläche erneut in zwei Teilströnie aufgeteilt.

Aus der US-PS 37 43 250 ist ein statischer Mischer bekannt, der in einem zylindrischen Hüllrohr zwei Scharen paralleler, in Längsrichtung des Hüllrohres hintereinander angeordneter Leitflächen enthält, die jeweils die Hälfte des Hüllrohrquerschnittes ausfüllen und so angeordnet sind, daß der Medienstrom jeweils in Teilströme aufgeteilt und in einer spiralähnlichen halben Umdrehung um die Hüllrohrachse geleitet wird. Die Anströmkanten der einen Leitflächenschar sind dabei gegenüber den Endkanten der anderen Schar so geneigt, daß beim Übertritt des Medienstromes aus der einen Schar in die andere Scher jeweils eine andere Auf lulling in Teilströme vorgenommen wird.

Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen, bekannten statischen Mischer beruht demnach auf der sich an jedem Einsatz wiederholenden Aufteilung der strömenden Medien in Teilströme und der darauffolgenden Vereinigung. Durch Aneinanderreihung vieler Einsätze entsteht zwar eine gu'f Mischung, jedoch ist als Nachteil eine große Baulunge des Mischeis in Kauf zu nehmen.

Bei einem in der US-PS 32 23 388 beschriebenen Mischer ist in ein sich trichterförmig erweiterndes Hüllrohr ein sich verjüngender Konus koaxial eingesetzt, an dem schraubenflächenartige, bis zum Hüllrohr reichende Leitflächen befestigt sind, durch die ein Schraubengang gebildet wird, in dem die strömenden Medien aufgrund der iii ihnen auftretenden Scherkräfte turbulent vermischt werden.

Ein aus der US-PS Ib 26 487 bekannter Emulgator enthält ein Mischteil, das in ähnlicher Weise aus einem Hüllrohr mit einer koaxial eingesetzten Halterung und daran befestigten schraubenflächenartigen Leitflächen besteht. Die Leitflächen können beispielsweise zwei gleichläufige Schraubengäi.ge bilden und ihr an die Hüllrohrwand anschließender Rand mehrere Einkerbungen tragen. Bei einem ähnlichen, in der US-PS 37 09 468 beschriebenen Mischer sind in einer als eingängige Schraubenfläche ausgebildeten Leitfläche an Stelle der Einkerbungen auch Löcher vorgesehen, wobei diese Einkerbungen oder Löcher in der Weise etwas versetzt hintereinander angeordnet sein können, daß ein spiralartiger Strömungsweg durch das Hüllrohr gebildet wird, der kürzer ist als der von der Leitfläche gebildete Schraubengang und diesen mehrfach kreuzt.

Aus der OE-PS 42 206 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen statischen Mischer aus einem Hüllrohr, einer kreiszylindrischen, das Hüllrohr koaxial durchsetzenden Halterung und an der Halterung befestigten, bis zum Hüllrohr reichenden Leitflächen enthält. Die Leitflächen sind dabei als zwei gegenläufige, eingängige Schraubenflächen ausgebildet und an den Stellen, an denen sie sich kreuzen würden, jeweils unterbrochen. Dadurch werden zwu um die Hüllrohrachse sewundene

Strömungskanäle gebildet, in denen die zu mischenden Medien an den Kreuzungen aufeinander zugeleitet werden, aufeinanderprallen, umgelenkt und dabei turbulent vermischt werden. Die beiden Schraubenflächen besitzen dabei unterschiedliche Steigungen, so daß die Kreuzungen nicht hintereinander längs einer Geraden zu liegen kommen, sondern die Leitflächen sich gegenseitig überlappen und einen geradlinigen Durchgang durch das Hüllrohr verstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem statischen Mischer der eingangs erwähnten Art unter Beibehaltung einer guten Mischwirkung eine geringere Baulänge zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß tiie Leitflächen eine mehrgängige Schraube mit gleichläufigen Schraubengängen bilden und abwechselnd unterbrochen sind.

Die leitflächen bilden um die Mittelachse des Hüllrohres laufende Schraubengängt aus, wobei sich an den Unterbrechungen der Leitflächen in benachbarten Schraubengängen fließende Teilströme vorübergehend vereinen können. Die Leitflächen überlappen einander derart, daß in Achsrichtung des Hüllrohres unmittelbar hintereinanderliegende Leitflächenwindungen jeweils an unterschiedlichen Stellen unterbrochen sind, um einen direkten, zur Hüllrohrachse parallelen Stromweg zu versperren und die Teilströme auf schraubenartige Bahnen zu zwingen. Auf eine Unterbrechung einer Leitflächenwindung folgt also in Achsrichtung jeweils ein durchgehender Bereich der dahinte: liegenden nächsten Leitflächenwindung. An den Unterbrechungen der Leitflächen findet ein sich mehrfach wiederholendes Aufteilen und Vereinigen der Teilströme statt. Die besondere Mischwirksamkeit wird dadurch hervorgerufen, daß an den Unterbrechungen stets ein Teil eines Teilstromes in eine im Strömungssinn zurückliegende Windung abgelenkt wird und so ein kontinuierliches Rückführen stattfindet.

Die Zahl der von den Leitflächen gebildeten Schraubengänge entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers der Zahl der zu mischenden Medien bzw. Komponenten.

Besonders vorteilhaft ist es, die Halterui.g mit den daran befestigten Leitflächen als herausnehmbaren Einsatz auszubilden. Ein derartiger Einsatz kann einfach und billig hergestellt und leicht montiert, demontiert und gereinigt werden.

Der erfindungsgemäße Mischer kann auch leicht in Rohrleitungen mit sich verringerndem oder erweiterndem Querschnitt eingesetzt werden. Der Übergang vom Durchmesser eines die zu mischenden Medien führenden Zuleitungsrohres auf den Durchmesser eines in einer Anlage für chemische Prozesse folgenden Bauteiles wird vorteilhafterweise erreicht, indem das Hüllrohr sich in Strömungsrichtung trichterförmig erweiternd oder verjüngend ausgebildet ist.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele und einiger Figuren soll die Erfindung nun näher erläutert werden. Die

F i g. 1 und 2 /eigen schematisch /wci Seitenansichten einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers;

Fig.3 zeigt den Mischer nach Fig. 1 und 2 in Draufsicht;

F i g. 4 und 5 zeigen .schematisch zwei Seitenansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers.

Der Übersicht wegen ist bei den Seitenansichten das

Hüllrohr aufgeschritten dargestellt.

Der Mischer nach Fig. 1 bis 3 besteht aus dem Hüllrohr 1 und den hier als doppelgär.gige unterbrochene Schraubenflächen ausgebildeten Leitflächen 2 und J. Das Hüllrohr 1 ist an den Lnden mit je einem Flansch 4 und 5 versehen. Die innere Wandung des Hüllrohres trägt bei dem auslaßseitigen Flansch 5 einen ringförmigen Wulst 6, auf welchem der aus den Leitflächen 2 und 3 und der sie tragenden Halterung 7 gebildete Einsatz aufliegt. Die Anströmkanten 8 und 9 der beiden schraubenartigen Leitflächen 2 und 3 teilen die anströmenden Medien in zwei Teilströme 10 und 11. Jede Leitfläche beschreibt eine schraubenartige Windung um 270° und ist längs einer weiteren Umdrehung von 90° unierbiochen. Die von der Kante 8 ausgehende Leitfläche 2 würde, ohne Unterbrechungen ausgebildet, eine durchgehende Schraubenfläche, die von der Kante 9 ausgehende Fläche 3 eine zweite durchgehende Schraubenfläche bilden. In Fig. 1 sind die Unterbrechungen der Fläche 2 von der zylindrischen Halterung 7 weggehend verdeckt; die Fläche 2 erscheint ah- nahezu durchgehende Schraubenflächc, während die Unterbrechungen der Fläche 3 voll sichtbar sind. Das wechselseitige Überlappen der Leitflächen ist auch in F i g. 2 deutlich, wo rechts auf die Unterbrechungen der Fläche 3 durchgehende Flächen 2 folgen, während in der linken Hälfte die durchgehenden Flächen 3 und die Unterbrechungen der Flächen 2 sichtbar sind. Die Pfeile A und B in F i g. 3 zeigen die Blickrichtungen der F i g. 1 bzw. 2.

Die Fi μ 4 und 5 zeigen die Seitenansichten eines crfindiingsgemäßen Mischers mit kegelförmigem Hüllrohr 14 und an einer zylindrischen Halterung 15 befestigten Leitflächen 16 und 17. Das Hüllrohr weist _un der Einlaßöffnung einen Flansch 18, an der Auslaßöffnurig einen Flansch 19 auf. Auf einem an der Auslaßöffnung befindlichen Sprengring 20 sitzt der aus der Halterung 15 und den Leitflächen 16 und 17 gebildete Einsatz auf. Die Leitflächen 16 und 17 bilden eine doppelgängige Schraube mit konstanter Steighöhe der Schraubenflächen.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Mischers sei an einem von oben nach unten durchströmten vertikalen Mischer nach F i g. 1 bis 3 verdeutlicht. Die in zwei Teilströme 10 und 11 aufgeteilten anströmenden Medien vereinigen sich z. B. an einer Unterbrechung der sie trennenden Schraubenfläche 3. Bei der anschließenden Wiederaufteilung gelangt ein Teil 13 des Teilstronies 10 in die höhergelegene, vom Teilstrom 11 durchflossene Windung. Dadurch muß dieser Teil 13 auf seinem Weg zum Auslaß eine halbe Umdrehung mehr um die Mittelachse umlaufen als der unabgelenkte Teil 12 des Teilstromes 10.

Dieses zunächst geringfügige Rückführen überlagert sich der Mischwirkung, die schon mit Mischern mit durchgehenden schraubenflächenartigen Leitflächen cr/ielbar ist, und hat bereits nach wenigen Umläufen eine überraschend vollkommene Vermischung der Teilströme 10 und 11 zur Folge. Die Mischwirkung beruht demnach nicht auf der Ausbildung von Turbulenzen, und kann insbesondere auch bei Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden, bei denen, abgesehen von möglicherweise auftretenden geringfügigen Störungen beim Anströmen der Leitflächenkanten, keine Turbulenzen auftreten. Dadurch verringert sich auch der beim Durchströmen des Mischers u. ftretcnde Druckverlust.

Zur Erprobung der Mischwirkung wurde ein Mischer

nach Fig. 1 bis 3 mit Wasser beschickt und auf den Einlauf eines Windungsganges ein Strahl wäßriger Kristallviolettlösung gerichtet. Der Innendurchmesser des Hüllrohres betrug 50 mm, der Durchmesser der zylindrischen Halterung 20 mm. Bei einer Steighöhe von 20 mm besaßen die Leitflächen eine Dicke von 3 mm. Bei fünf Umdrehungen betrug die Länge des Mischers 100 mm. Das austretende Medium zeigte eine homogene Färbung ohne Schlieren oder andere Inhomogenitäten. Zum Vergleich wurde ein eingangs beschriebener, Einsätze aus Wendeln enthaltender käuflicher Mischer mit gleichem Innendurchmesser des Hüllrohres und doppelter Baulänge herangezogen. Die mit diesem Mischer erzielte Mischwirkung war jedoch geringer als die des erfindungsgemäß ausgebildeten Mischers.

Die Steighöhe der Schraubenflächen wird man bei größerer Zähigkeit der zu mischenden Medien etwas größer wählen. Um Pasten niedriger Viskosität ohne Gefahr des Verstopfens (Selbsthemmung) über einen erfindungsgemäßen Mischer zu schicken, wird man steilere Schraubenflächen ausbilden.

Ein Mischer mit sich trichterförmig erweiterndem oder verringerndem Hüllrohr gemäß F i g. 4 und 5 kann beispielsweise vorteilhaft verwendet werden als Reaktionskammer für miteinander unter Änderung des Gesamtvolumens reagierende Flüssigkeiten oder Gase. Dabei werden erstens die Reaktionspartner gut gemischt, zweitens kann durch Veränderung des Strömungsquerschnittes eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden, und drittens kann durch den guten konvcktiven Wärmeaustausch mit der Rohrwand die Reaktionstemperatur von außen aufrechterhalten werden.

Ferner läßt sich ein Mischer mit sich trichterförmig erweiterndem Hüllrohr auch vorteilhaft als Mischer und Verteiler für ein aus einem engen Zuleitungsrohr strömendes, einer zylindrischen, mit Katalysator gefüllten Kammer größeren Querschnitts zuzuführendes Gemisch von miteinander umzusetzenden Gasen verwenden. Nach den Berechnungen von Hagen und Poiseuille fällt die Geschwindigkeit eines in einem Rohr strömenden Mediums in der Nähe der Rohrwand stark ab. In den Leitungsrohren von chemischen Anlagen ist der Fluß der strömenden Medien daher weitgehend um die Mittelachse konzentriert. Soll ein Gemisch reaktionsfähiger Medien jedoch einer Kalalysatorkammer s so zugeführt werden, daß der Katalysator gleichmäßig belastet wird, so muß der Medienstrom auf den Eingangsquerschnitt der Kammer aufgeweitet und gleichmäßig verteilt werden.

Ein Anwendungsbeispiel ist die katalytische Umset-

[o zung von gasförmigen Brennstoffen, etwa verdampftem bleifreien Benzin niedriger Octanzahl, und sauerstoffhaltigen Gasen, etwa Luft oder Abgas, zu Brenngas (Spaltgas). Generatoren zur Erzeugung von Spaltgas sind beispielsweise in den deutschen Offenlegungs-Schriften 2103 008 und 2135 650 beschrieben. Beim Einsatz eines Mischers bei einem derartigen Generator werden die umzusetzenden Gase in die Einlaßöffnung des trichterförmigen Mischers geleitet, auf kurzer Strecke gut durchmischt und gleichmäßig über den ganzen Austrittsquerschnitt verteilt, der gleichzeitig Eintrittsquerschnitt der Generatorkammer ist. Durch die kompakte Bauweise und die billige Herstellung ist der Mischer gut geeignet für den Einbau in Spaltgasgeneratoren, insbesondere für Kraflfahrzeug-Brennkraftmaschinen.

Darüber hinaus kann das Gasgemisch wirksam vorgewärmt werden, wenn das Hüllrohr in Wärmeaustausch mit den Abgasen der Brennkraftmaschine steht.
Der an einem erfindungsgemäßen Mischer auftreten-

(o de Druckverlust wurde an einem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 und 6 gemessen. Das Hüllrohr wies bei einer Baulänge von 100 mm einen sich in Strömungsrichtung von 32 mm auf 100 mm erweiternden Innendurchmesser auf. Die zylinderförmige Halterung besaß einen Durchmesser von 20 mm, die Leitflächen zeigten bei einer Dicke von 3 mm eine konstante Steighöhe von 20 mm. Bei einem Durchsatz von 17,4 Nm³ Luft/h trat ein Druckverlust von 40 mm Wassersäule auf. Der erfindungsgemäße Mischer ist damit durch die Kombination von einfacher Bauweise, niedrigen Kosten, geringem Druckverlust und kleinen Ausmaßen den bekannten Mischvorrichtungen überlegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Statischer Mischer für strömende Medien, mit einem Hüllrohr und in diesem angeordneten, bis zum Hüllrohr reichenden, mehrere sich vereinende und wieder aufteilende, um die Mittelachse des Hüllrohres gewundene Strömungskanäle bildenden, einander überlappenden schraubenflächenartigen Leitflächen, die an einer kreiszylindrischen, das Hüllrohr koaxial durchsetzenden Halterung befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (2, 3) eine mehrgängige Schraube mit gleichläufigen Schraubengängen bilden und abwechselnd unterbrochen sind. '5

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl de.- Schraubengänge gleich der Zahl der zu mischenden Komponenten ist.

3. Mischer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (7) mit den Leitflächen (2, 3) einen aus dem Hüllrohr (T) herausnehmbaren Einsatz bildet.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein sich in Strömungsrichtung trichterförmig erweiterndes oder verjüngendes Hüllrohr (14).