DE2438392A1 - Statischer mischer fuer stroemende gase oder fluessigkeiten - Google Patents

Statischer mischer fuer stroemende gase oder fluessigkeiten

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40Static mixers
    • B01F25/42Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/421Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions by moving the components in a convoluted or labyrinthine path

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Description

  • Statischer Mischer für strömende Gase oder Flüssigkeiten Die Erfindung betriff-t einen statischen Mischer für strömende Gase oder Flüssigkeiten mit einem die zu mischenden strömenden Medien führenden Rohr und wenigstens einem den Rohrquerschnitt ausfüllenden Einsatz.
  • In Laboratorien und Anlagen der chemischen Industrie steht man häufig vor der Aufgabe, gasförmige oder flüssige Komponenten homogen miteinander zu vermischen. Hierzu eignen sich insbesondere statische Mischer.
  • Als statische Mischer bezeichnet man Mischer ohne bewegliche Teile. Die zu mischenden Medien (Gase oder Flüssigkeiten) werden im Gleichstrom, z.B. mittels Gebläsen, Pumpen oder Pressen, durch Rohre getrieben, die Einsätze mit Leitflächen zum Vermischen der Medien enthalten. Da derartige Mischer verschleißarm sind und leicht in Rohrleitungen von Anlagen für chemische Prozesse eingebaut werden können, finden sie wachsendes Interesse.
  • Bekannte statische Mischer (siehe z.B. 11Ohemie-Ingenieur-Technik" 43. Jahrg., Seite 348 bis 354) arbeiten nach dem Teilungsprinzip, d.h. sie besitzen Einsätze aus Leitflächen, die den Medienstrom in Teilströme aufteilen und wieder so vereinen, daß benachbarte Teilströme entfernt voneinander zu liegen kommen. Eine gute Mischwirkung wird nur durch wiederholte Aufteilung an vielen hintereinander angeordneten Einsätzen erreicht, was eine erhebliche Baulänge des Mischers erfordert.
  • In dem Kapitel "Mischen und Lösen in "Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie" 3. Aufl., Bd. 1, München-Berlin 1951 sind weitere bekannte Mischverfahren beschrieben. Bei einem dieser Verfahren (Seite 695 f.) werden die zu vermischenden Medien durch Füllkörper enthaltende Rohre getrieben, die in den Medien Turbulenzen hervorrufen, ohne den Medienstrom aus der durch das Rohr bestimmten Richtung abzulenken. Eine andere, beschriebene Möglichkeit ist die Verwendung von Düsen, bei denen die zu mischenden Medien strahlförmig ineinandergeleitet werden, wobei durch die Formgebung der Düsen (z.B. durch Turbulenzen erzeugende Leitflächen oder durch Ablenkung der aus den Düsen austretenden Strahlen) ein besseres Durchmischen erreicht wird (Seite 701, 729 f.).
  • Eine gute Mischwirkung tritt hierbei erst in größerem Abstand hinter der Düsenöffnung auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem statischen Mischer kurzer Baulänge, der zudem billig herzustellen und leicht zu montieren ist, eine gute Mischwirkung zu erzielen.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch einen Mischer mit einem die zu mischenden strömenden Medien führenden Rohr und wenigstens einem den Rohrquerschnitt ausfüllenden Einsatz erreicht, der auf der dem Medienstrom zugewandten Seite einen zentralen Einlaß, einen von diesem zentralen Einlaß senkrecht zur Achse des Rohres spiralförmig zur Rohrwandung hin nach außen führenden Strömungskanal und auf der dem Medienstrom abgewandten Seite aus dem Strömungskanal herausführende Austrittsöffnungen besitzt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Mischers sind die Austrittsöffnungen nur an der äußersten Windung des spiralförmigen Strömungskanals vorgesehen. Dies ist besonders raumsparend, da dadurch eine lange Mischstrecke vom zentralen Einlaß bis zu den peripheren Austrittsöffnungen entsteht, die in einem kurzen Rohr untergebracht ist.
  • Ferner kann vorteilhaft der zentrale Einlaß als auf der dem Medienstrom zugewandten Seite offenes und auf der dem Medienstrom abgewandten Seite geschlossenes Rohrstück mit seitlichen, in den spiralförmigen Strömungskanal führenden Öffnungen ausgebildet sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Abschlußteil des Rohrstückes über den Umfang des Rohrstückes hinausragt, der Strömungskanal von zwei kreisförmigen, auf das Rohrstück aufgeschobenen Abdeckplatten und einer senkrecht zu den Abdeckplatten angeordneten, spiralförmig zur Rohrwand führenden, die Abdeckplatten in Abstand haltenden Trennwand gebildet ist und Trennwand und Abdeckplatten durch das Abschlußteil und einen am Rohrstück befestigbaren Haltering zusammengehalten sind.
  • Die Mischwirksamkeit ist noch gesteigert, wenn die spiralförmigen Wandungen des Strömungskanals so gewellt sind, daß auf einem senkrecht zur Rohrachse und entlang der Wand des Strömungskanals spiralförmig nach außen führenden Weg Wellenberg auf Wellental folgt.
  • Weiterhin können auch in dem die strömenden Medien führenden Rohr mehrere Einsatz in Richtung des Medienstromes hintereinander angeordnet sein. Das ist dann vorteilhaft, wenn die durch einen ersten Einsatz erreichte Güte der Mischung noch nicht den Anforderungen bei speziellen Anwendungen genügt und eine weitere Mischung erforderlich ist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers erweitert sich der Querschnitt des die zu mischenden Medien führenden Rohres in Richtung des Medienstromes. Ein derartig ausgebildeter Mischer kann vorteilhaft verwendet werden als Mischer und Verteiler für ein aus einem engen Zuleitungsrohr strömendes, einer zylindrischen, mit Katalysator gefüllten Kammer größeren Querschnittes zuzuführendes Gemisch von miteinander umzusetzenden Gasen. Im spiralförmigen Strömungskanal erhalten die Medien einen zusätzlichen Drall, der die Wirbelablösung hinter den Austrittsöffnungen des Einsatzes erleichtert und bewirkt, daß die Medien über den Ausgangsquerschnitt des Mischers gleichmäßig verteilt werden. Ferner besitzt der Gesamtstrom der Medien nach Verlassen des Einsatzes eine Gesamtrotation, die Abscheidungen an den Wandungen verhindert.
  • Die Erfindung soll nun anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren erläutert werden.
  • Fig. 1 zeigt den Längsschnitt, Pig. 2 den Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Längsechnitte durch weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit mehreren hintereinander angeordneten Einsätzen.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Mischer besteht im wesentlichen aus einem die zu mischenden Medien führenden Rohr 1 und einem Einsatz mit einem zentralen Einlaß 2, einem Strömungskanal 3 und Austrittsöffnungen 4.
  • Der zentrale, den anströmenden Medien zugewandte Einlaß 2 befindet sich in einem zum Rohr koaxialen Rohrstück 5, das zum Strömungskanal 3 führende Öffnungen 6 und auf der dem Medienstrom abgewandten Seite ein über den Umfang des Rohrstückes 5 hinausragenden Abschlußteil 7 besitzt. Der Strömungskanal 3 wird gebildet von zwei Abdeckplatten 8 und 9, die auf das Rohrstück 5 geschoben sind, und von einer senkrecht zu diesen stehenden, spiralförmig nach außen führenden Trennwand 10 in Abstand gehalten werden. Trennwand 10 und Abdeckplatten 8, 9 liegen auf dem überstehenden Abschlußteil 7 des Rohrstückes 5 auf und sind mit einem als Haltering dienenden Sprengring 11 dicht am Rohrstück 5 befestigt.
  • Der Einsatz ist in das an seinen Öffnungen zwei Flansche 12, 13 aufweisende, die Medien führende Rohr eingeführt und wird durch zwei Abstandsringe 14, 15 und zwei an den Rohrenden befestigte Sprengringe 16, 17 in seiner Lage festgehalten. Die mit AA bezeichnete Linle-zeigt die Schnittfläche und Blickrichtung des in Fig. 2 gezeigten Querschnitts.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, besitzt die Abdeckplatte 9 bei dieser Ausführungsform des Mischers nur an der Peripherie vom Strömungskanal 3 nach außen führende Austrittsöffnungen 4.
  • Wie der Einfachheit halber nur bei einem Ausschnitt 18 der spiralförmig zur Rohrwand führenden Trennwand 10 gezeigt ist, ist die Trennwand wellenförmig so, daß, senkrecht zur Rohrachse nach außen fortschreitend, Wellenberg auf Wellental folgt.
  • Um die Wirkungsweise des Mischvorganges zu verdeutlichen, sind in Fig. 1 durch Pfeile 19 Strömungslinien der den Mischer durchsetzenden Medien gezeichnet. Wegen der Verengung des Strömungsquerschnittes im Einlaß und im Strömungskanal durchströmen die Medien den Einsatz mit erhöhter Geschwindigkeit. Beim Eintritt in den Strömungskanal werden sie aus ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung senkrecht abgelenkt; dadurch entsteht eine Verwirbelung, die sich längs des Strömungskanals fortsetzt und bei einer Wellenform der Trennwand durch die Bildung zusätzlicher Turbulenzen noch verstärkt wird. Trotz der kurzen Baulänge des Mischers durchlaufen dabei die Medien in dem spiralförmig gewundenen Strömungskanal eine längere Mischstrecke vor dem Verlassen des Mischers. Wegen der spiralförmigen Führung erhalten die Medien einen zusätzlichen Drall und bei der an der Austrittsöffnung erfolgenden erneuten Ablenkung um 90° entsteht eine weitere heftige Verwirbelung.
  • Hinzu kommt, daß an einem beliebigen Ort im Strömungskanal, z.B. dem mit 41 bezeichneten Punkt in Fig. 2, Teilströme miteinander verwirbelt werden, die zu verschiedenen Zeiten aus den seitlichen Öffnungen 6 des Rohrstückes 5 ausgetreten sind.
  • Die an Hand von Fig. 1 und 2 erläuterte Bauweise des aus Rohrstück, Abdeckplatten und Trennwand bestehenden Einsatzes ist besonders günstig, wenn dieser aus Edelstahl hergestellt wird, wie dies beispielsweise zur Vermischung aggressiver Medien und/oder zur Verwendung bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Bei inerten Medien und niedrigen Temperaturen kann der Einsatz auch aus Kunststoff und in Spritzguß hergestellt werden. Besonders billig ist dann eine Bauweise, bei der das Rohrstück 5, die Abdeckplatte 9 und die Trennwand 10 als ein Teil, die Abdeckplatte 8 als ein auf das Rohrstück dicht aufschraubbares anderes Teil ausgebildet ist.
  • In den in Fig. 3 und 4 schematisch gezeigten weiteren Ausführungsformen des Mischers erweitert sich das die strömenden Medien führende Rohr 20 bzw. 30 in Strömungsrichtung, um die aus einem engen Zuleitungsrohr kommenden Medien in guter Mischung auf einen gröberen Querschnitt zu verteilen. Die Einsätze 21 bzw. 31 sind in der gleichen Weise ausgebildet wie bei Fig. 1 beschrieben und durch Sprengringe 22 bzw. 32 gehalten.
  • In Fig. 5 ist schematisch ein Mischer mit einem trichterförmig erweiterten Hüllrohr 50 dargestellt, in welches mehrere, von Sprengringen 51, 52 und 57 gehaltene Einsätze 54, 55 und 56 eingeführt sind. Die Aneinanderreihung mehrerer Einsätze ist dann zweckmäßig, wenn unter extremen Bedingungen die Mischwirkung eines Einsatzes zur Erzeugung einer besonders homogenen Mischung nicht ausreicht.
  • Ein derartiger Mischer kann besonders vorteilhaft als Mischer und Verteiler für miteinander umzusetzende Gase oder Slüssigkeiten am Eingang von Reaktionskammern verwendet werden. Als Beispiel für eine Reaktionskammer sei ein Spaltgasgenerator genannt, in dem die katalytische Umsetzung von gasförmigen Brennstoffen, wie verdampftem bleifreiem Benzin niedriger Octanzahl, mit sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft oder Abgas, zur Erzeugung von Brenngas (Spaltgas) mit hervorragenden Brenneigenschaften erfolgt. Derartige Spaltgasgeneratoren zur Erzeugung von Spaltgas für die Einspeisung in Brennkraftmaschinen sind z.B. i den deutschen Offenlegungsschriften 2 103 008 und 2 135 650 beschrieben. Die aus einem engen Zuleitungsrohr kommenden reaktionsfähigen Gase müssen homogen vermischt einer zylindrischen, mit Katalysator gefüllten Kammer größeren Eingangsquerschnittes zugeführt werden. Um zudem den Katalysator gleichmäßig zu belasten, muß der bei Strömungen in Rohrleitungen, besonders in sich erweiternden Rohrleitungen, auftretende Geschwindigkeitsabfall an der Rohrwandung durch besondere Maßnahmen ausgeglichen werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Mischer mit sich erweiterndem Rohr und auf die äußerste Windung des Strömungskanals beschränkte Austrittsöffnungen bewirkt bei kurzer Baulänge eine gute Mischung und gleichmäßige Verteiluiia des Medienstroms.
  • Durch die kompakte und billige Ausführung eignet sich der erfindungsgemäße Mischer besonderes zur massenweisen Herstellung und zum Einbau in Kleinanlagen für chemische Prozesse, z.B. in Anlagen zur Erzeugung von Spaltgas für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmaschinen.
  • 8 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Statischer Mischer für strömende Gase oder Flüssigkeiten mit einem die zu mischenden strömenden Medien führenden Rohr und wenigstens einem den Rohrquerschnitt ausfüllenden Einsatz, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz auf der dem Medienstrom zugewandten Seite einen zentralen Einlaß (2), einen von diesem zentralen Einlaß (2) senkrecht zur Achse des Rohres spiralförmig zur Rohrwandung hin nach außen führenden Strömungskanal (3) und auf der dem Medienstrom abgewandten Seite aus dem Strömungskanal (3) herausführende Austrittsöffnungen (4) besitzt.
  2. 2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (4) nur an der äußersten Windung des spiralförmigen Strömungskanals (3) vorgesehen sind.
  3. 3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Einlaß (2) als auf der dem Medienstrom zugewandten Seite offenes und auf der dem Medienstrom abgewandten Seite geschlossenes Rohrstück (5) mit seitlichen, in den spiralförmigen Strömungskanal (3) führenden Öffnungen (6) ausgebildet ist.
  4. 4. Statischer Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußteil (7) des Rohrstückes (5) über den Umfang des Rohrstückes hinausragt, der Stömimgskanal (3) von zwei kreisförmigen, auf das Rohrstück (5) aufgeschobenen Abdeckt platten (8, 9) und einer senkrecht zu den Abdeckplatten (8, 9) angeordneten, spiralförmig zur Rohrwand (1) führenden die Abdeckplatten (8, 9) in Abstand haltenden Trennwand (10) gebildet ist und Trennwand (10) und Abdeckplatten (8, 9) durch das Abschlußteil (7) und einen aln Rohrstück (5) befestigbaren Haltering (11) zu>amnengehalterl ;j'rfl<
  5. 5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Wandungen (10) des Strömungskanals (3) gewellt sind.
  6. 6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des die zu mischenden Medien führenden Rohres (30) in Richtung des Medienstromes erweitert.
  7. 7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die strömenden Medien führenden Rohr (50) mehrere Einsätze (54, 55, 56) in Richtung des Medienstromes hintereinander angeordnet sind.
  8. 8. Statischer Mischer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mischer und Verteiler für ein aus einem engen Zuleitungsrohr strömendes, einer zylindrischen, mit Katalysator gefüllten Kammer größeren Querschnittes zuzuführendes Gemisch von miteinander umzusetzenden Gasen.
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EP0663236A1 (de) * 1994-01-12 1995-07-19 Haldor Topsoe A/S Verfahren und Apparat zum Mischen von Gasen
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