DE2438392C3 - Statischer Mischer für strömende Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer für strömende Gase, insbesondere zum Verteilen des erzeugten Gemisches auf einen gegebenen Strömungsquerschnitt, mit einem die zu mischenden Gase füh- renden Rohr, einer den Rohrquerschnitt ausfüllenden, einen zentralen Einlaß aufweisenden Abdeckplatte auf der dem Gasstrom zugewandten Seite, einer 392

zweiten Abdeckplatte auf der dem Gasstrom abgewandten Seite mit über die Abdeckplatte verteilten Äustrittsöffnungen und einem zwischen den Abdeckplatten vom zentralen Einlaß spiralförmig nach außen führenden Strömungskanal.

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 and leicht in Rohrleitungen von Anlagen für chemische Prozesse eingebaut werden können, finden sie wachsendes Interesse.

Bekannte statische Mischer (siehe z. B. »Chemie-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.

Derartige Einsätze sind z. B. im Strömungskanal eines aus der US-PS 3806097 bekannten Mischers enthalten und dienen dort zum Mischen hochviskoser Flüssigkeiten, insbesondere heißer Schmelzen. Dieser Mischer besitzt eine erste Abdeckplatte mit einem zentralen Einlaß, eine zweite Abdeckplatte mit darüber verteilten Durchtrittsöffnungen und einen gewundenen Strömungskanal zwischen diesen Platten. Der eigentliche Mischteil besteht aus der ersten Abdeckplatte und zwei parallelen, dahinterliegenden Platten mit Bohrungen und Einfräsungen, die den Strömungskanal bilden. Dieser besteht aus zwei in zur Anströmrichtung der Medien senkrechten Ebenen angeordneten, als Kreisbögen konzentrisch um den Einlaß verlaufenden Gängen, die über Stichkanäle miteinander und mit dem Einlaß verbunden sind, und mündet in einen den Austrittsöffnungen der zweiten Abschlußplatte vorgelagerten, zur Verteilung der Medien über die Austrittsöffnungen dienenden Sammelraum. Der Mischer weist zwar eine geringe Baulänge auf, ist aber als massiver, thermostatierbarer Block ausgebildet und benötigt zu seinem Betrieb spezielle Pumpen. Außerdem muß die Krümmung des Strömungskanals wegen der Einsätze einen gewissen Mindestradius aufweisen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 1782493 ist ein weiterer Mischer für Flüssigkeiten, insbesondere zur Klebstoffaufbereitung, dargestellt und beschrieben, der auf der dem Medienstrom zugewandten Seite eine erste Abdeckplatte mit einem zentralen Einlaß, auf der dem Medienstrom abgewandten Seite eine zweite Abdeckplatte mit über die Abdeckplatte verteilten Austrittsöffnungen und eine zwischen diesen Abdeckplatten vom zentralen Einlaß spiralförmig nach außen führenden Strömungskanal aufweist. Der Strömungskanal wird hierbei von der ersten Abdeckplatte, zwei gelochten Platten, deren Löcher einander geeignet überlappen, und einer eine einzige Durchtrittsöffnung aufweisenden Dichtplatte gebildet, und

ist über eine Durchtrittsöffnung in der Dichtplatte mit einem der zweiten Abdeckplatte vorgelagerten Sammelraum verbunden, der zur gleichmäßigen Verteiijng des Gemisches über die als Spritzdüsen ausgebildeten Austrittsöffnungen dient. Der Mischer ist als 5 Aufsatz auf ein die zu mischenden Flüssigkeiten führendes Rohr aufgeschraubt. Da sich der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals an den Überlappungen der Löcher stark verengt, werden die durchströmenden Medien zwar gut durchknetet und dabei i vermischt. Jedoch entsteht im Strömungskanal ein hoher Druckveriust, so daß zum Betrieb des Mischers Zuteüpumpen benötigt werden. Auch dieser Mischer weist einen im Vergleich zum Durchmesser des Strömungsquerschnittes großen Querschnitt auf und ragt »5 über die Außenmaße des die Medien führenden Rohres erheblich hinaus.

Medien mit niedrigerer Viskosität können mit den im Kapitel »Mischen und Lösen« in »Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie« 3. Aufl., Band 1, ^o München-Berlin 1951 beschriebenen Verfahren vermischt werden. 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 Me- ²S dienstrom 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 701,729f.). Eine gute Mischwirkung tritt hierbei erst in größerem Abstand hinter der Düsenöffnung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen statischen Mischer der eingangs erwähnten Art zum Mischen strömender Gase derart auszugestalten, daß er ein geringes Bauvolumen aufweist, daher leicht in Kleinanlagen für chemische Prozesse eingebaut werden kann, billig herzustellen und leicht zu montieren ist. Ferner soll der Mischer das erzeugte Gemisch unmittelbar auf den strömungsmäßig hinter dem Mischer liegenden Querschnitt des das Gas führenden Rohres verteilen.

Dies wird erlindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Mischer als Einsatz für das die zu mischenden strömenden Gase führende Rohr ausgebildet ist und der Strömungskanal von den Abdeckplatten und einer dazu senkrechten, die Abdeckplatten in Abstand haltenden, vom zentralen Einlaß aus in mehreren Windungen nach außen führenden Trennwand gebildet wird.

Der erfindungsgemäße Mischer ist also als Einsatz ausgebildet, wobei der in mehreren Windungen nach außen führende Strömungskanal eine verhältnismäßig lange Mischstrecke darstellt und die Trennwand und die Abdeckplatten nur einen geringen Teil des Mischervolumens ausfüllen. Im Strömungskanal erhalten die Gase eine Rotation und werden - ohne einen Sammelraum zu durchlaufen - unmittelbar den über die Abschlußplatte verteilten Auslaßöffnungen zugeleitet. Durch diese Auslaßöffnungen wird das Gasgemisch in gewünschter Wtise über den Austrittsquerschnitt des Mischers verteilt und verläßt den Mischer mit einer durch die Rotation hervorgerufenen erhöhten Strömungsgeschwindigkeit.

Dies ist besonders vorteilhaft, wenn miteinander umzusetzende Gase vermischt und einer Katalysatorkammer zugeführt werden sollen. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten bestünde nämlich die Gefahr, daß die Umsetzung des reaktionsfähigen Gasgemisches bereits vor der Katalysatorkammer in Gang kommt. Den Austrittsöffnungen vorgelagerte Sammelräume würden hierbei bevorzugte Reaktionsräume für derartige unerwünschte Umsetzungen darstellen. Auch könnten sich an dea Wandungen von Sammelräumen Verunreinigungen abscheiden, die beispielsweise durch die unerwünschte Umsetzung selbst entstehen können. Im spiralförmigen Strömungskanal des erfindungsgemäßen Mischers erhalten die Medien jedoch einen zusätzlichen Drall, der eine Wirbelablösung hinter den Austrittsöffnungen des Einsatzes erleichtert und bewirkt, daß die Medien über den Ausgangsquerschnitt des Mischers gleichmäßig verteilt und Abscheidungen an den Wandungen

ι »lorViinrlprt WP.rden.

verhindert werden.

Ferner tritt bei Mischern der erfindungsgemäßen Bauart kein so wesentlicher Druckverlust auf, daß er die Verwendung von zusätzlichen Gebläsen oder Pumpen erforderlich machen würde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Mischers sird 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 in den zentralen Einlaß ein auf der dem Gasstrom zugewandten Seite offenes und auf der dem Gasstrom abgewandten Seite geschlossenes Rohrstück mit seitlichen, in den spiralförmigen Strömungskanal führenden öffnungen eingesetzt sein.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Abschlußteil des Rohrstückes über den Umfang des Rohrstückes hinausragt und die Abdeckplatten mit der sie in Abstand haltenden Trennwand auf das Rohrstück aufgeschoben und durch das Abschlußteil und einen am Rohrstück befestigbaren Haltering zusammengehalten sind.

Die Mischwirksamkeit wird 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 strömenoen Gase führenden Rohr mehrere Einsätze in Richtung des Gasstromes hintereinander angeordnet sein. Das ist dann vorteilhaft, wenn die durch einen ersten Einsatz erreichte Güte der Mischung noch nicht den Anforderungen bei speziellen Anforderungen genügt und eine weitere Mischung erforderlich ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers erweitert sich der Querschnitt des die Gase führenden Rohres in Richtung des Gasstromes. 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 Querschnitts zuzuführendes Gemisch von miteinander umzusetzenden Gasen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele

erläutert. Es zeigt, '

Flg. 1 dfen Langssohriitt,

Fig. 2 i&h Querschnitt einer beispielhaften Aüsführutigsform des erfiridüngsgemäßen Mischers,

Fi^!g.3'und Fig. 4 Längsschnitte durch weitere vorteilhafte Äüsf ^

"Figl, S : schematisch eine Ausführungsform mit mehireren hintereihändef angeordneten Einsätzen. ^uf>dr im:Plgvtdargestellte Mischer besteht im wesentlichen aus einem die zil mischenden Gase führenden Rohr 1 und einem Einsatz mit einem zentralen Einlaß 2, einem Strömungskanal 3 und Austrittsöffhungen 4.

Aus dem zentralen, den anströmenden Gasen zugewandten Einlaß 2 ragt ein zum Rohr koaxiales Rohrstück 5 heraus, das eine dem Gasstrom zugewandte öffnung 23, weitere, zum Strömungskana! 3 führende öffnungen 6 sowie auf der dem Gasstrom 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 Hegen 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 Gase 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 Linie 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 Gase gezeichnet. Wegen der Verengung des Strömungsquerschnitts im Einlaß und im Strömungskanal durchströmen die GasedenEinsatznriterhölhterGeschwindigkeit. Beim Eintritt in den Strömungskana] 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 Gase in dem spii eiförmig gewundenen Strömungskanal eine längere Mischstrecke vor dem Verlassen des Mischers. Wegen der spiralförmigen Führung erhalten die Gase 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 Gase und/ ίο oder zur Verwendung bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Bei inerten Gasen 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 ' s 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 Gase führende Rohr 20 bzw. 30 in Strömungsrichtung, um die aus einem engen Zuleitungsrohr kommenden Gase in guter Mischung auf einen größeren Querschnitt zu verteilen. Die Einsätze 21 bzw. 31 sind in der gleichen Weise ausgebildet wie beiFig. 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 53 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 am Eingang von Reaktionskammem verwendet werden. Als Beispiel für eine Reaktionskammer sei ein Spaltgasgenerator genannt, in dem die katalytische Umsetzung von gasförmigen Brennstoffen, wie verdampftem bleifreiem Benzin niedriger Oktanzahl, mit sauerstoffhaltigen Gasen, wie Luft oder Abgas, zur Erzeugung von Brenngas (Spaltgas) mit hervorragenden Brenneigenschaften erfolgt. Die aus einem engen Zuleitungsrohr kommenden reaktionsfähigen Gase müssen homogen vermischt einer zylindrischen, mit Katalysator gefüllten Kammer größeren Eingangsquerschnitts zugeführt werden. Um so 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 erfin-SS dungsgemäßer Mischer mit sich erweiterndem Rohr und auf die äußerste Windung des Strömungskanals beschränkten Austrittsöffntmgen bewirkt bei kurzer Baulänge eine gute Mischung und gleichmäßige Verteilung des Medienstromes.

Durch die kompakte und billige Ausführung eignet sich der erfindungsgemäße Mischer besonders zur massenweisen Herstellung und zum Einbau in Kleinanlagen für chemische Prozesse, z. B. in Anlagen zur Erzeugung von Spaltgas für Kraftfahrzeug-Verbren-6s nungsmaschinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche: 24

1. Statischer Mischer für strömende Gase, insbesondere zum Verteilen des erzeugten Gemi- sches auf einen gegebenen Strömungsquerschnitt, mit einem die zu mischenden Gase führenden Rohr, einer den Rohrquerschnitt ausfüllenden, einen zentralen Einlaß aufweisenden Abdeckplatte auf der dem Gasstrom zugewandten Seite, einer zweiten Abdeckplatte auf der dem Gasstrom abgewandten Seite mit über die Abdeckplatte verteilten Austrittsöffnungen und einem zwischen den Abdeckplatten vom zentralen Einlaß spiralförmig nach außen führenden Strömungskanal, ¹S dadurch gekennzeichnet,daß der Mischer als Einsatz für das die zu mischenden strömenden Gaje führende Rohr ausgebildet ist und der Strömungskanal (3) von den Abdeckplatten (8,9) und einer dazu senkrechten, die Abdeckplatten in Abstand haltenden, vom zentralen Einlaß aus in mehreren Windungen nach außen führenden Trennwand (10) gebildet wird.

2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (4) nur an der äußersten Windung des spiralförmigen Strömungskanals (3) vorgesehen sind.

3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den zentralen Einlaß (2) ein auf der dem Gasstrom zugewandten Seite offenes und auf der dem Gasstrom abgewandten Seite geschlossenes Rohrstück (5) mit seitlichen, in den spiralförmigen Strömungskanal (3) führenden Offnungen (6) eingesetzt ist.

4. Statischer Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußteil (7) des Rohrstückes (5) über den Umfang des Rohrstükkes hinausragt und daß die Abdeckplatten (8, 9) mit der sie in Abstand haltenden Trennwand (10) auf das Rohrstück (5) aufgeschoben und durch das Abschlußteil (7) und einen am Rohrstück befestigbaren Haltering (11) zusammengehalten sind.

5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Wandungen (10) des Strömungska- nals (3) gewellt sind.

6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des die zu mischenden Gase führenden Rohres (30) in Richtung des Gasstromes er- weiten.

7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem die strömenden Gase führenden Rohr (50) mehrere Einsätze (54, 55, 56) in Richtung des Gas- stromes hintereinander angeordnet sind.