DE2644326A1 - Mischerkopfstueck - Google Patents

Mischerkopfstueck

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Robert H Caulk
Jerry E Hankins
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Exxon Research and Engineering Co
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Description

Mischerkopfstück
Die Erfindung betrifft ein Mischerkopfstück für einen Turbinenmischer mit starker Scherwirkung.
Aus der US-PS 3 215 409 ist bereits ein schnell und intensiv
vermischender Mischer bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten
Mischer zu schaffen, mit dem eine stärkere örtliche Durchmischung je eingegebener Leistungseinheit erzielbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Mischerkopfstück für einen Turbinenmischer mit starker Scherwirkung, welches gekennzeichnet ist durch zwei im Abstand übereinander liegende erste
und' zweite Scheiben, die jeweils eine Anzahl von im wesentlichen radial verlaufenden Schlitzen mit jeweils einer Vorderkante und einer Hinterkante aufweisen, und wobei jeder Schlitz der ersten Scheibe mit einem Schlitz der zweiten Scheibe
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fluchtet, durch sich an den Hinterkanten jedes Schlitzes zwischen den Scheiben radial erstreckende erste Messer, und durch sich von den Vorderkanten der Schlitze im rechten Winkel zum Rand der Scheibe sowie zwischen den Scheiben erstreckende zweite Messer.
Dadurch wird erreicht, daß die zwischen den beiden Scheiben angeordneten Messer Abteilungen mit Schlitzen für den Austritt des Mischgutes bilden, wobei die hervorragende Durchmischung insbesondere durch die Schlitze und die senkrecht zu den Schlitzen verlaufenden Messer erreicht wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sich keine Messer über den Rand der Scheiben hinaus erstrecken.
Vorzugsweise liegen die radial verlaufenden Messer auf einem Radius der Scheiben, während die Schlitze parallel zu einem Radius angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß das Mischerkopfstück leicht auswuchtbar ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Mischerkopfstück eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung an einer drehbaren Welle auf. Die drehbare Welle ist zum Antrieb des Mischerkopfstücks an einen Motor gekoppelt. Das erfindungsgemäße Mischerkopfstück weist vorzugsweise zumindest vier, insbesondere sechs gleichmäßig über den Umfang der Scheiben verteilte Schlitze auf.
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— O —
Es hat sich ferner überraschenderweise gezeigt, daß die Schlitze für ein günstigstes Gleichgewicht zwischen Durchwirbelung und Strömung bestimmte Abmessungen haben müssen. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Länge zu Breite jedes Schlitzes zumindest 3, insbesondere 3 bis 4, wobei die Länge jedes Schlitzes 1/8 bis 1/12 des Scheibendurchmessers beträgt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Schlitze in radialer Richtung zum Scheibenmittelpunkt hin nicht über die zugehörigen Messer hinausragen.
Die zwischen den Scheiben angeordneten Messer haben ebenfalls wie die Schlitze die gleiche Form. Das Mischerkopfstück besitzt zumindest vier Paar Messer, vorzugsweise sechs Paar, die alle auf die erwähnte Weise fluchten. Die Messer erstrecken sich im wesentlichen von Umfang der Scheiben auf einem Radius bis zu 1/2 bis 4/5 des Radius.
Das erfindungsgemäße Mischerkopfstück ist insbesondere zum Emulgieren von zwei unmischbaren Flüssigkeiten geeignet. So zeigt beispielsweise die US-PS 3 470 265, daß die Reaktionsgeschwindigkeit bei Alkylierungsprozessen von der Tropfengröße der durch Vermischen von Isoparaffin/0lefin (Kohlenwasser stoff phase) mit Schwefelsäure (wässrige Phase) gebildeten Emulsion abhängt. In der erwähnten US-Patentschrift wird ferner
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darauf hingewiesen, daß die Schaffung zahlreicher Scherflächen bei geringem Mischenergxeaufwand aus Wirtschaftlichkeitsgründen hoch erwünscht ist.
Die Erfinciiang wird im folgenden anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Mischer kopfstück?
Fig. 2 eine Seitenansicht des MischerkopfStücks aus Fig. 1.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Mischerkopfstück besitzt zwei koaxial im Abstand angeordnete Scheiben 1O, 11 mit im wesentlichen gleicher Form. Jede der Scheiben besitzt eine Reihe von radial verlaufenden Schlitzen 13 sowie einen durch die Scheiben ragenden und an diesen befestigten Hohlzylinder 14 , der zur Befestigung der Scheiben an einer drehbaren Welle dient. An der Hinterkante jedes radialen Schlitzes ist ein radial verlaufendes erstes Messer 15 angeordnet, das an beiden Scheiben befestigt ist. Ferner gehört zu jedem Schlitz ein sich von der Vorderkante des Schlitzes im rechten Winkel erstreckendes zweites Messer 16. Alle ersten und" zweiten Messer liegen in dem zwischen den Scheiben gebildeten Raum und sind vorzugsweise sowohl an der oberen als auch an der unteren
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Scheibe verankert. Die Scheiben und der Hohlzylinder können einstückig geformt oder extra durch Schweißen oder Vernieten hergestellt sein. Die Messer können beispielsweise durch Schweißen verankert sein. Im allgemeinen wird der Fachmann die Art der Herstellung in Abhängigkeit vom Einsatz des Mischerkopfstücks wählen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind im Raum zwischen den Scheiben Abteilungen gebildet, in denen hauptsächlich die Durchwirbelung und die Pumpwirkung erzielt wird. Man erkennt aus dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, daß die Messer bezüglich der beiden Scheiben senkrecht stellende Ebenen bilden. Man erkennt aus den Fig. 1 und 2, daß sich die radialen, ersten Messer nicht vom Umfang der Scheiben bis zum Hohlzylinder erstrecken, obgleich dies keine notwendige Bedingung ist. Im allgemeinen erstrecken sich die radialen, ersten Messer vom Rand der Scheiben zumindest so weit, wie die radial innen liegenden Enden der Schlitze.
Im Betrieb wird bei einer Drehung des MischerkopfStücks Fluid von oben und unten durch die Schlitze der Scheiben gedrückt. Das Fluid wird vor der Vorderkante der zweiten Messer 16 radial nach innen gedrückt und von den an der Hinterkante der Schlitze sitzenden ersten Messern 15 radial zurückgeworfen. Durch diese erzwungene Strömung des Fluids durch die Scheiben wird eine starke Durchwirbelung und eine hervorragende Mischung von Flüssigkeiten erreicht. Die turbulent vermischten Flüssigkeiten
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werden vom Mischerkopfstück unter erträglicher Geschwindigkeit radial nach außen gefördert. Dadurch wird eine schnelle und intensive örtliche Vermischung des Fluids zusammen mit einer ausreichenden Förderwirkung erreicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Es wurden die Strömungseigenschaften und der Leistungsverbrauch eines Mischerkopfstücks gemäß Fig. 1 und 2 untersucht. Der Durchmesser des MischerkopfStücks betrug 66 mm. Die radialen Strömungseigenschaften wurden in der Mitte des vom Mischerkopfstück abgegebenen Radialstrahls nach einem Verfahren von R.J. Goldstein gemessen, das in Applied Mechanics Review, 27, Nr. 6, Juni 1974, unter "Measurement of Fluid Velocity by Laser-Doppler Techniques" beschrieben ist. In den Figuren 3, 4 und 5 wird ein üblicher Flachmesser-Turbinenmischer (FBT) nach Brumganin mit dem erfindungsgemäßen Mischerkopfstück verglichen. Entlang der Abszisse der Figuren 3 bis 5 ist die Entfernung vom Flügelrad zur Wand des Behälters als Verhältnis von r zu R aufgetragen, wobei r der radiale Abstand von der Mittellinie des Behälters und R der Radius des Flügelrades ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die mittlere Geschwindigkeit gemäß Fig. 3 in der Mitte zwischen den beiden von dem
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bekannten Flügelrad gelieferten Extremwerten liegt und daher zur Mischung im ganzen verwendeten Behälter ausreicht. In Fig. 3 gibt die Ordinate das Verhältnis der örtlichen Flüssigkeitsgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit an der Spitze des Flügelrades an. Dadurch wird der Einfluß der Umdrehungszahl (U/M) ausgeschaltet. Ferner ist gemäß Fig. 4 die Intensität (I) oder die Stärke des erfindungsgemäßen Flügelrades bzw. Mischerkopfstücks wesentlich größer als für bekannte Flügelräder. Somit erkennt man, daß das erfindungsgemäße Flügelrad für das Mischen von Zweiphasensystemen äußerst vorteilhaft ist, die die Bildung einer großen Oberfläche erfordern. Es wird darauf hingewiesen, daß entlang der Ordinate in Fig. 4 die Intensität I als Verhältnis der lokalen Durchwirbelung zur lokalen Geschwindigkeit aufgetragen ist. Dabei wurde ein Behälter mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Tiefe von 230 mm verwendet. Das verwendete Fluid war Wasser. Der Leistungsverbrauch des erfindungsgemäßen Mischerkopfstücks betrug 34 % des Leistungsverbrauchs des Flachmesser-Turbinenmischers FBT. Die Messungen wurden nach allgemein bekannten Verfahren unter Verwendung einer Drehmomententabelle durchgeführt. Der Abstand der koaxialen Scheiben des erfindungsgemäßen Mischerkopfstücks betrug 9,5 mm. Die Scheiben waren 1,6 mm stark. Das Mischerkopfstück enthielt vier Paar Messer, die an der oberen und unteren Scheibe befestigt waren und Rechtecke von den Abmessungen 9,5 χ 6,5 mm bildeten. Die Schlitze waren durch An-
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- sr -
einanderreihung von drei 5 mm Bohrungen wie im Fall (2) aus Beispiel 2 geformt.
Beispiel 2
Es wurde die Veränderung der Durchwirbelung und der Strömung in Abhängigkeit von der Schlitzgröße untersucht (vgl. Fig. 5). Das Flügelrad war das gleiche wie in Beispiel 1. Die Schlitzgröße variierte jedoch in der folgenden Weise:
Fall (1); Der Schlitz war ein Loch mit einem Durchmesser von 5 mm, das auf der Achse zwischen den Messern zentriert war.
Fall (2): Der Schlitz war aus drei hintereinander liegenden Löchern mit einem Durchmesser von 5 mm gebildet, die sich parallel zum radialen Messer radial nach innen, d.h. vom Loch nach Fall 1 zum Mittelpunkt der Scheiben erstreckten.
Fall (3): Der wie im Fall (2) geformte Schlitz besaß an seinem in radialer Richtung innen liegenden Ende zusätzlich ein Loch von 12,6 mm Durchmesser.
Die Größe der Schlitze nahm somit entsprechend der Numerierung der Fälle zu.
Fig. 5 zeigt, daß die Pumpwirkung (v/v TIp) mit der Schlitzgröße zunahm, daß jedoch unterhalb einer kritischen Schlitz-
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größe die Durchwirbelungsintensität konstant blieb. Diese kritische Größe ist der Fall (2). Die bevorzugte Ausführung ist jene Schlitzgröße, die die größte Pumpwirkung bei gleichzeitig maximaler Durchwirbelungsintensität liefert. Vorzugsweise soll der Schlitz somit ein Längen/Breiten-Verhältnis von 3 bis 4 und eine Länge von 1/8 bis zu 1/12 des Flügelraddurchmessers haben.
Daraus folgt für den Fachmann, daß das erfindungsgemäße Mischerkopfstück für verschiedene bekannte Mischverfahren äußerst vorteilhaft ist, und zwar insbesondere wenn mehr als eine Phase zu vermischen ist, wie bei unmischbaren Flüssigkeiten, bei Fest-Flüssigphasen oder bei Flüssig-Gasphasen. Mit dem erfindungsgemäßen Mischerkopfstück lassen sich auch Mischvorgärige mit schnellen Reaktionen durchführen, bei denen falsche Mischgeschwindigkeiten unerwünschte Unreinheiten hervorrufen, wie dies beispielsweise in einem Artikel von Paul und Treybal im Aiche Journal, Mai 1971, Seite 718 bis 724 unter dem Titel "Mixing and Product Distribution for a Liquid-Phase, Second Order, Competitive-Consecutive Reaction" beschrieben wurde.
Das erfindungsgemäße Mischerkopfstück läßt sich äußerst vorteilhaft bei der Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen, beim Entwachsen von Rohöl, bei der biologischen Oxydation von Abwässern, bei der Neutralisierung von polymerhaltigen Säuren
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und Säureanhydriden, bei Polymerisierungsvorgangen, bei Sulfonierungsvorgangen, bei Nitrierungsvorgangen, bei der Verteilung von' Pigmenten beispielsweise bei der Herstellung von Farben oder Tinten, oder bei Fermentationsvorgängen einsetzen.
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Claims (5)

  1. Ansprüche
    Mischerkopfstück für einen Turbinenmischer mit starker Scherwirkung, gekennzeichnet durch zwei koaxial im Abstand übereinanderliegende erste und zweite Scheiben (10; 11.), die jeweils eine Anzahl von im wesentlichen radial verlaufenden Schlitzen (13) mit jeweils einer Vorderkante und einer Hinterkante aufweisen, und wobei jeder Schlitz
    (13) der ersten Scheibe (10) mit einem Schlitz (13) der zweiten Scheibe (11) fluchtet, durch sich an den Hinterkanten jedes Schlitzes (13) zwischen den Scheiben (10; 11) radial erstreckende erste Messer (15), und durch sich von den Vorderkanten der Schlitze (13) im rechten Winkel zum Rand der Scheiben (10; 11) sowie zwischen den Scheiben (10; 11) erstreckende zweite Messer (16).
  2. 2. Miseherkopfstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Scheibe (10; 11) mindestens vier gleichmäßig über den Umfang der Scheibe (10; 11) verteilte Schlitze (13) aufweist.
  3. 3. Mischerkopfstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Messer (15; 16) zur Bildung von Abteilungen in dem zwischen den Scheiben (10; 11) gebildeten Raum an beiden Scheiben (10; 11) befestigt sind.
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    - νί -
  4. 4. Mischerkopfstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen sich durch die Mitte der Scheiben (1O; 11) erstreckenden und an diesen befestigten Hohlzylinder (14) .
  5. 5. Mischerkopfstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die radial verlaufenden, ersten Messer (15) vom Umfang der Scheiben (10; 11) bis zum Hohlzylinder (14) er strecken.
    su:ah:kö
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