DE2531540A1

DE2531540A1 - METHOD AND DEVICE FOR MIXING AT LEAST TWO MEDIA

Info

Publication number: DE2531540A1
Application number: DE19752531540
Authority: DE
Inventors: Paul Prof Dr Ing Profos
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1975-07-15
Publication date: 1976-04-15
Also published as: FR2281158B1; FR2281158A1; IT1040395B; CH580442A5

Description

zum Patentgesuchto the patent application

der Firma Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweizof the company Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur / Switzerland

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"Verfahren und Vorrichtung zum Mischen mindestens zweier Medien""Method and device for mixing at least two media"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen mindestens zweier Medien gleichartiger Phase und mindestens annähernd gleicher Dichte sowie eine statische Mischvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for mixing at least two media of the same phase and at least approximately the same density and a static mixing device for carrying out the method.

In der Verfahrens- und Energietechnik stellt sich häufig die Aufgabe, zwei oder mehrere Teilstörme von Medien gleichartiger Phasen und mindestens annähernd gleicher Dichte (flüssig bzw. gasförmig) zu mischen. Dazu werden oft sogenannte statische Mischvorrichtungen benutzt, welche ohne bewegte mechanische Elemente (Rührer etc.) arbeiten. Die zur Durchmischung notwendige Energie wird dabei den zu mischenden Medien entnommen (Druckabfall. Durch eine solcheIn process and energy technology, the task often arises of two or more partial flows of media to mix similar phases and at least approximately the same density (liquid or gaseous). These are often so-called static mixing devices are used, which work without moving mechanical elements (stirrers, etc.). the The energy required for mixing becomes the too mixed media taken (pressure drop. Due to such

Mischvorrichtung soll nun immer erreicht werden, daß dieMixing device should now always be achieved that the

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bestimmenden Mischgrößen (Konzentration, Temperatur, Wärmeleitfähigkeit etc.) an jedem Punkt des Austrittsquerschnitts der Vorrichtung dem Wert bei idealer Durchmischung möglichst nahekomme. Das bedeutet, daß im Austrittsquerschnitt sowohl die Abweichungen des örtlichen Mittelwertes vom idealen Wert als auch die zeitlichen Schwankungen um den lokalen Mittelwert möglichst klein sein sollen. Diesen Anforderungen kommt besonderes Gewicht zu, wenn die Mischgröße gemessen werden soll. Lokale Mittelwert-Abweichungen bewirken dann systematische Meßfehler, die zeitlichen Schwankungen zufällige Meßfehler.determining mixed quantities (concentration, temperature, thermal conductivity etc.) at each point of the outlet cross-section of the device the value with ideal mixing as possible come close. This means that in the exit cross-section both the deviations of the local mean value from the ideal value as well as the temporal fluctuations around the local mean value should be as small as possible. These requirements come special weight is given when the mixed size is to be measured. Local deviations from the mean then result in systematic deviations Measurement errors, the temporal fluctuations are random measurement errors.

Soll die Mischgröße rieht nur gemessen, sondern auch geregelt werden, gewinnt neben den erwähnten Meßfehlern noch das dynamische Verhalten der Mischvorrichtung Bedeutung. Kennzeichnend dafür ist die Durchlauf zeit T, die sich aus der Beziehung ergibt:Should the mixed size only be measured, but also regulated In addition to the measurement errors mentioned, the dynamic behavior of the mixing device is also important. This is characterized by the lead time T, which results from the relationship:

τ = Xτ = X

^vtot ^v dead

V = Rauminhalt der MischvorrichtungV = volume of the mixing device

V. . = Gesamtdurchfluß pro Zeiteinheit (Volumenstrom). Zur Erzielung günstiger Regeleigenschaften ist dabei eine möglichst kleine Durchlaufzeit anzustreben.V. = Total flow per unit of time (volume flow). In order to achieve favorable control properties, the shortest possible throughput time should be aimed for.

Für die praktische Beurteilung von Mischvorrichtungen ist natürlich in jedem Fall noch der Energieverbrauch (Druck verlust) in Betracht zu ziehen.For the practical assessment of mixing devices, of course, the energy consumption (pressure loss).

Schließlich sollen solche Mischapparate sich i.A. auch für weitgehend wartungsfreien Dauerbetrieb eignen. Dieser Forderung kommt besondere Bedeutung zu, wenn die Gefahr der Verstopfung durch in den zu vermischenden KomponentenUltimately, such mixing devices should generally also be suitable for largely maintenance-free continuous operation. This Requirement is of particular importance when there is a risk of clogging in the components to be mixed

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mitgeführte Feststoffe bestäit (Abwasser usw.). Es sind nun verschiedene statische Mischvorrichtungen bekannt, mit denen sich eine oder mehrere der anzustrebenden Eigenschaften erreichen lassen, aber nicht alle zugleich.entrained solids resistant (waste water, etc.). There are now various static mixing devices known, with which one or more of the desired properties can be achieved, but not all at the same time.

So erfüllen etwa Mischer, welche die Wirkung plötzlicher Querschnittsänderungen nutzen (Fig. 1) bei guten Mischeigenschaften auch die Anforderungen mäßigen Energieverbrauchs. Dagegen ist ihre Durchlaufzeit vergleichsweise sehr groß. Andererseits haben sich Mischer mit Einbauten (Fig. 2) unter entsprechenden Bedingungen (fibröse Begleitstoffe usw.) als besonders verschmutzungsanfällig erwiesen.For example, mixers that use the effect of sudden changes in cross-section (Fig. 1) with good ones meet Mixing properties also meet the requirements of moderate energy consumption. On the other hand, their lead time is comparative very large. On the other hand, mixers with internals (Fig. 2) under appropriate conditions (fibrous accompanying substances etc.) have proven to be particularly susceptible to soiling.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft diesbezüglich einen optimalen Kompromiß unter den sich teilweise widersprechenden Anforderungen. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß man mindestens dem einen Medium eine Drallströmung erteilt und die anderen, mit oder ohne eigenen Dra.ll, zumischt.In this regard, the method according to the invention creates an optimal compromise among the partially contradicting one another Requirements. This method is characterized in that at least one medium is subjected to a swirl flow granted and the others, with or without their own Dra.ll, mixes.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen ferner in rein schemaüscher Darstellung:The invention will then be explained using figures, for example. It also shows in a purely schemaüscher way Depiction:

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine zylindrische Drallkammer mit zwei koaxial ineinander angeordneten Zuströmleitungen,3 shows a plan view of a cylindrical swirl chamber with two coaxially arranged one inside the other Inflow lines,

Fig. 4 die Drallkammer nach Fig. 3 in Seitenansicht mit zentralem Abströmrohr,4 shows the swirl chamber according to FIG. 3 in a side view with a central outflow pipe,

Fig. 5 eine zylindrische Qrallkammer in Aufsicht, mitFig. 5 shows a cylindrical Qrallkammer in plan view, with

vier symmetrischen, in gleicher Ebene liegendenfour symmetrical, in the same plane

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Achsen der Mediumzuführstutzen,Axes of the medium supply nozzle,

Fig. 6 eine zylindrische Drallkammer mit im Querschnitt abnehmendem Medium zuführenden Stutzen, in Aufsicht, 6 shows a cylindrical swirl chamber with a connecting piece supplying the medium with a decreasing cross-section, in a plan view,

Fig. 7 die DräLLkammer nach Fig. 6 in Seitenansicht,7 shows the swirl chamber according to FIG. 6 in a side view,

Fig. 8 eine Geschwindigkeitsverteilung nach dem Querschnitt einer Drallkammer mit kreisrundem Querschnitt, aufgetragen über dem Kammerradius.8 shows a speed distribution according to the cross section of a swirl chamber with a circular Cross-section, plotted against the chamber radius.

Während die Figuren 1 und 2 zum Stand der Technik gehören, zeigen die Figuren 3 und 4 eine kreiszylindrische Drallkammer 1 mit einem inneren Einlaufstutzen 3 für ein Erstmedium M1 und einen koaxial dazu angeordneten äußeren Einlaufstutzen 5 für ein zweites Medium M2. Die beiden Medien M1 und M2 weisen gleiche Phase auf und mindestens annähernd gleiche Dichte. Aus der Drallkammer 1 führt, koaxial mit dieser, ein Abströmstutzen 7 bzw. 8 nach der einen und/oder nach der anderen Seite.While FIGS. 1 and 2 belong to the prior art, FIGS. 3 and 4 show a circular cylindrical swirl chamber 1 with an inner inlet connection 3 for an initial medium M1 and an outer inlet connection 5 arranged coaxially with it for a second medium M2. The two media M1 and M2 have the same phase and at least approximately the same density. the end the swirl chamber 1 leads, coaxially therewith, an outflow nozzle 7 or 8 after one and / or after the other Page.

Die beiden Medien M1 und M2 gelangen miteinander durch die Einlaufstutzen 3 und 5 in die Drallkammer 1. Hier werden sie durch deren zylindrische Wand kreisförmig geführt, so daß eine Drallströmung entsteht. Die beiden Medien strömen in gemischtem Zustand durch den Abströmstutzen 7 bzw. 8 axial ab. Auf diese Weise wird in der Drallkammer 1 eine sogenannte potentialwirbelähnliche Senke erzeugt, wobei an jedem Ort das Produkt aus dem Abstand von der Längsachse der Drallakmmer 1 und der am Ort herrschenden Geschwindigkeit mindestens annähernd konstant ist (abgesehen von den Sekundärströmungen). Tangentialer Zufluß der Medien und koaxilaer Abfluß ist die Grund-The two media M1 and M2 get together through the inlet connection 3 and 5 into the swirl chamber 1. Here are they are guided circularly through the cylindrical wall, so that a swirl flow is created. The two media flow in a mixed state through the discharge nozzle 7 or 8 axially. In this way, in the swirl chamber 1, a so-called potential vortex-like sink is generated, with the The product of the distance from the longitudinal axis of the twisting chamber 1 and the speed prevailing at the location is at least approximately is constant (apart from the secondary currents). Tangential inflow of the media and coaxial outflow is the basic

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bedingung für die Erzeugung eines derartigen Wirbels. Es hat sich nun gezeigt, daß derartige Wirbelströme, zusammengebracht in einer Drallkammer, sich außerordentlich schnell und gut mischen und ein weitgehend vollkommenes, homogenes Gemisch im Abströmstutzen 7 bzw. 8 erscheint.condition for the creation of such a vortex. It has now been shown that such eddy currents brought together in a swirl chamber, mix extremely quickly and well and a largely perfect, homogeneous one Mixture appears in outflow nozzle 7 or 8.

Ein derartiges Mischen kann sowohl für flüssige als auch für gasförmige Medien Verwendung finden.Mixing of this kind can be used for both liquid and gaseous media.

Fig. 5 zeigt eine Drallkammer 11 mit vier symmetrisch zueinander angeordneten, tangentialen Einlaufstutzen 13, 14, 15 und 16 sowie einen mittigen Abströmstutzen 18. Die Achsen der Stutzen 13 - 16 können in der gleichen oder in unterschiedlichen Ebenen liegen. Es können entweder alle vier Stutzen mit unterschiedlichen Medien oder paarweise zwei Stutzen mit dem gleichen Medium beaufschlagt werden. Die praktisch perfekte Mischung strömt wiederum durch den Abströmstutzen 18 ab.Fig. 5 shows a swirl chamber 11 with four symmetrically arranged, tangential inlet nozzles 13, 14, 15 and 16 and a central outflow nozzle 18. The axes of the nozzle 13-16 can be in the same or in different Levels lie. Either all four nozzles with different media or two in pairs The same medium can be applied to the nozzle. The practically perfect mixture in turn flows through the discharge nozzle 18 from.

In den Fig. 6 und 7 ist eine weitere Ausführung mit einer Drallkammer 21, einem Einlaufstutzen 23 und einem Abströmstutzen 25 ersichtlich. Der Einlaufstutzen 2 3 weist gegen die Drallkammer 21 hin einen zunehmend kleiner werdenden Querschnitt auf, zum Zweck, die Eintrittsgeschwindigkeit in die Drallkammer 21 und damit den Drall in der Kammer zu erhöhen, bei niedrigen Druckverlusten in der Zuströmleitung.6 and 7 shows a further embodiment with a swirl chamber 21, an inlet connection 23 and an outflow connection 25 can be seen. The inlet connection 2 3 has an increasingly smaller one towards the swirl chamber 21 Cross-section, for the purpose of increasing the entry speed into the swirl chamber 21 and thus the swirl in the chamber increase, with low pressure losses in the inflow line.

Alle diese Drallkammern sind ohne jegliche Einbauten, insbesondere auch ohne Mischbleche und dergleichen vorgesehen. Das freie Spiel der Kräfte in der Kammer ergibt, bedingt durch den großen radialen Geschwindigkeitsgradienten große Austauschgrößen für Konzentration, Temperatur, Wärmeleitfähgigkeit usw.All of these swirl chambers are provided without any internals, in particular without mixing plates and the like. The free play of the forces in the chamber results in a large one due to the large radial velocity gradient Exchange quantities for concentration, temperature, thermal conductivity, etc.

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In Fig. 8 ist der Geschwind!gkeitsverlauf über den Querschnitt einer zylinderförmigen Drallkammer 29 dargestellt, mit einem Zylindermantel 28, welcher die Drallkammer 29 außen begrenzt, sowie mit einem Abströmstutzenquerschnitt 31.In FIG. 8 the speed curve is over the Cross section of a cylindrical swirl chamber 29 is shown, with a cylinder jacket 28, which the swirl chamber 29 on the outside limited, as well as with an outflow nozzle cross-section 31.

Wie erwähnt wird die ausgezeichnete Mischwirkung bei kleiner Durchlaufzeit durch die durchwegs hohe radiale Geschwindigkeitsgradienten aufweisende Drallströmung erzielt. Es gilt, da sie ungefähr die Form einer Potentialwirbelsenke aufweist, für die Siiömung in einer Normalebene zur Längsachse der DrallkammerAs mentioned, the excellent mixing effect is achieved with short throughput time due to the consistently high radial velocity gradients having swirl flow achieved. It applies because it has roughly the shape of a potential vortex sink has, for the Siiömung in a plane normal to the longitudinal axis the swirl chamber

r . c - konstant für den Bereich <.r CRr. c - constant for the range <.r CR

Darin bedeuten: f den Radius des Abströmstutzenquerschnitts, r den Abstand eines Punktes im betrachteten Drallkammerquerschnitt von der Längsachse der Dra11kammer, R den Radius der Drallkammer und c die Geschwindigkeit im Punkte mit dem Abstand r.Here: f is the radius of the outlet cross-section, r is the distance of a point in the swirl chamber cross-section under consideration from the longitudinal axis of the swirl chamber, R is the radius of the swirl chamber and c is the speed at the point with the distance r.

Dieser Geschwindigkeitsverlauf ergibt einen Teil einer gleichseitigen Hyperbel.This speed curve results in part of an equilateral hyperbola.

Während die Drallkammer in den beschriebenen Beispielen ausnahmslos als Kreiszylinder ausgebildet ist, kann sie auch als Rotationskörper mit trapezförmiger, elliptischer oder kreisförmiger Erzeugenden konzipiert werden. Die Zuleitungen der Medien zur Drallakmmer sind mindestens annähernd tangential, wobei die Achsen der Einlaufstutzen vorzugsweise in den gleichen Ebenen liegen, gegebenenfalls in Parallelebenen.While the swirl chamber in the examples described is designed as a circular cylinder without exception, it can also be designed as a solid of revolution with trapezoidal, elliptical or circular generatrices. The supply lines of the media to the swirl chamber are at least approximately tangential, with the axes of the inlet nozzle preferably in lie on the same planes, possibly in parallel planes.

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diethe

Deratige statische Mischvorrichtungen, wie sie'beschriebenen Drallmischer darstellen, weisen bei richtiger Auslegung gleichzeitig die folgenden vorteilhaften Eigenschaften auf:Such static mixing devices as described Represent swirl mixers, if correctly designed, they also have the following advantageous properties on:

Am Austritt der Mischkammer sind nur noch kleine Abweichungen der örtlichen Austrittsmittelwerte vom idealen Mischwert feststellbar.At the outlet of the mixing chamber there are only small deviations of the local outlet mean values from the ideal Mixing value can be determined.

Ebenso sind nur noch kleine Abweichungen der zeitlichen Austrittswerte vom jeweiligen örtlichen Mittelwert feststellbar. Likewise, only small deviations of the temporal exit values from the respective local mean can be determined.

Die Durchlaufzeiten sind gering. Die Druckverluste sind mäßig.The throughput times are short. The pressure drops are moderate.

Die Verschmutzungsgefahr ist minimal,und die Reinigungsmöglichkeiten maximal gut. The risk of soiling is minimal, and the cleaning options are as good as possible.

Es ist grundsätzlich auch möglich, die zu mischenden Komponenten (alle oder nur eine Anzahl) vor der Drallkammer zu vereinen und sie gesamthaft durch einen Stutzen zuzuführen. Dadurch wird erreicht, daß, insbesondere bei konstanter Abflußmenge, der Drall auch bei wechselnder Größe der einzelnen Komponenten weniger ändert bzw. konstant bleibt und damit auchIn principle, it is also possible to place the components to be mixed (all or just a number) in front of the swirl chamber to unite and supply them as a whole through a nozzle. This ensures that, especially with a constant flow rate, the twist changes less or remains constant even with changing sizes of the individual components and thus also

die Güte der Mischung.the goodness of the mix.

(Patentansprüche) 609816/0639(Claims) 609816/0639

Claims

, λ. Process for mixing at least two media (with the same phase and at least approximately the same density, characterized in that at least one medium is given a swirl flow and the other is mixed in, with or without its own swirl.

2. The method according to claim 1, characterized in that the media are mixed with at least approximately in one plane velocity vectors.

-3. Method according to Claim 1, characterized in that a dip similar to a potential vortex is produced.

, 4. Static mixing device for carrying out the process according to claims 1-3, characterized in that it as a cyclone or swirl chamber with at least approximately tangential inlet is designed for the media to be mixed.

B. Apparatus according to claim 4, characterized in that it is free of elnbauten, in particular mixing baffles.

6. Apparatus according to claim 4, characterized in that the chamber as a body of revolution with a rectangular, trapezoidal, elliptical or circular generator is formed.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that for the supply of media at least two mutually guided, E.g. concentrically arranged inlets are provided.

8. Apparatus according to claim 4, characterized in that for the supply of media, their supply nozzle in a common, open into the swirl chamber leading nozzle.

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