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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.
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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.
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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.
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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.
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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.).
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Eine gute Mischwirkung tritt hierbei erst in größerem Abstand hinter
der Düsenöffnung auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung soll nun anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren
erläutert werden.
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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.
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Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit mehreren hintereinander
angeordneten Einsätzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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8 Patentansprüche 5 Figuren