DE2652849A1

DE2652849A1 - Verfahren zur durchfuehrung von mischvorgaengen o.dgl. sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2652849A1
Application number: DE19762652849
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof Brauer
Original assignee: Luwa Ltd
Current assignee: Luwa Ltd
Priority date: 1976-11-20
Filing date: 1976-11-20
Publication date: 1978-05-24
Also published as: FR2371222A1; NL7712815A; BE860897A

Description

Bezeichnung: Verfahren zur Durchführung von Mischvorgängen

o. dgl. sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Mischvorgängen, Wärme- und/oder Stoffaustauschprozessen o. dgl. zwischen wenigstens einer Flüssigkeit und einem weiteren Stoff, mit oder ohne chemische Reaktion zwischen den beteiligten Stoffen.

Mit Hilfe eines solchen Verfahrens sollen Stoffe in nahezu beliebiger Phasenkombination miteinander vermischt werden, wie beispielsweise zwei oder mehrere Flüssigkeiten miteinander, Flüssigkeiten mit Gasen, wobei die Flüssigkeit als kontinuierliche und die Gase als diskontinuierliche Phasen auftreten, flüssigkeiten und partikelförmige Feststoffe oder Flüssigkeiten mit Gasen

Telefon: (02 21) 38 02 38 · R^Tfi'^9^rSⁿ?^:^l^nv/⁶ⁿ(!?^l3^r0°& " Telex: 8 883 555 max d Postscheckkonto Köln (BLZ 370 100 50) Kto.-Nr. 1ffii251-500· Deutsche Bank AQ Köln (BLZ37070060) Kto.-Nr. 123 6181

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und Feststoffpartikeln. Diese Vorgänge können satzweise oder auch in der Weise kontinuierlich erfolgen, daß jede oder nur eine ausgewählte Stoffphase als kontinuierlicher Strom geführt wird.

Aus der DT-AS 24 24 411 ist beispielsweise eine nach dem eingangs beschriebenen Verfahren arbeitende Vorrichtung bekannt, die jedoch wegen der nur ungenügenden Phasenvermischung der einzelnen Mischungsteilnehmer praktisch nur im satzweisen Betrieb bei längerer Mischungszeit einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem bei derartigen Kontaktprozessen zwischen den verschiedenen Stoffen die jeweiligen Phasengrenzflächen so erhöht werden, daß ein hoher Stoffdurchsatz pro Zeiteinheit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit periodisch jeweils unter Umkehr der Strömungsrichtung in eine Vielzahl von Einzelstrahlen zerlegt und wieder zusammengeführt wird und daß der Strömungsquerschnitt eines jeden Einzelstrahles wenigstens einmal erweitert und wieder verengt wird. Durch die periodische Richtungsumkehr der Einzelstrahlen gelingt es einmal, die zur Erzeugung großer Phasengrenzflächen erforderlichen hohen Schubspannungen aufzubringen und zum andern durch die innerhalb eines jeden Einzelstrahles/relativ geringen Querbewegungen der Reaktionsteilnehmer diese unter Aufrechterhaltung der großen Phasengrenzflächen innig miteinander zu vermischen. Auf diese Weise ist es möglich, bei kontinuierlichen

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Prozessen die Durchsatzleistung erheblich zu erhöhen bzw. bei satzweise arbeitenden Prozessen die Behandlungszeit je Füllung erheblich zu verkürzen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen, daß die Flüssigkeit je Periode wenigstens zweimal hintereinander in Einzelstrahlen zerlegt und wieder zusammengeführt wird. Hierdurch wird der Flüssigkeit eine quer zur Strömungsrichtung der Einzelstrahlen verlaufende Strömungsbewegung aufgezwungen, die zu einem Ausgleich etwaiger Konzentrationsunterschiede über den Ges amt qu e r s chni11 führt.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist . vorgesehen, daß die Frequenz und/oder die Zeitdauer zwischen jeder Richtungsumkehr so eingestellt wird, daß die Stoffe ausschließlich beschleunigten und verzögerten Bewegungen unterliegen. Hierdurch lassen sich sehr hohe Schubspannungen zur Erzeugung und zur periodischen Erneuerung großer Phasengrenzflächen bewirken, wobei die aufzuwendende Energie verhältnismäßig gering ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die ein vorzugsweise zylindrisches Mischgefäß aufweist, in dem eine in Richtung der Gefäßachse hin- und her bewegbare, mit einem Antrieb verbundene Stange angeordnet ist, an der wenigstens ein scheibenförmiges Mischelement befestigt ist, das mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Flüsägkeitsdurchtritte aufweist.

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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Flüssigkeitsdurchtritte als Kanäle ausgebildet sind und daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden Kanals zwischen den beiden Kanalenden wenigstens einmal erweitert ist. Durch die Ausbildung der Durchtritte als Kanäle gelingt es, die Einzelstrahlen mit großer Phasengrenzfläche über eine relativ lange Zeit aufrechtzuerhalten, wobei durch die Anordnungvenigstens einer Erweiterung des freien Strömungsquerschnittes in jedem Kanal der Kontakt der einzelnen Stoffe bei großer Phasengrenzfläche noch verbessert wird. Je nach Viskosität bzw. Konsistenz des zu behandelnden Stoffgemisches ist nur eine Erweiterung je Kanal oder aber gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden Kanals zwischen den beiden Kanalenden mehrfach erweitert und wieder verengt ausgebildet ist.

In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß bei nur einer Querschnittserweiterung je Kanal die Querschnittserweiterung jeweils im Bereich eines Kanalendes angeordnet ist und daß im Mischelement die Kanäle so angeordnet sind, daß sich bei jeweils zwei benachbarten Kanälen die Querschnittserweiterung am entgegengesetzten Kanalende befindet. Hierdurch wird erreicht, daß,trotz des in Strömungsrichtung gesehen unsymmetrischen Kanalverlaufs, bei der periodischen Richtungsumkehr die Bewegungsabläufe der Stoffe innerhalb der Kanäle insgesamt gesehen gleich sind.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge-

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sehen, daß das Mischelement aus wenigstens zwei übereinanderliegenden Scheiben zusammengesetzt ist und daß jede Scheibe eine Vielzahl von konischen Bohrungen aufweist, die den ebenfalls konischen Bohrungen der anderen Scheibe zuordenbar sind. Durch eine derartige Konstruktion lassen sich Mischelemente mit einer beliebigen Zahl von Erweiterungen und/oder unterschiedlichen Kegelwinkeln der einzelnen konischen Bohrungen mit entsprechend unterschiedlich sich erweiterndem bzw. verengendem Kanalverlauf herstellen. Außerdem ist es möglich, bei einer mehrstufigen Ausbildung der Vorrichtung noch nachträglich durch den Zusatz einer oder mehrerer Scheiben die einzelnen Mischelemente den Betriebserfordernissen anzupassen, was insbesondere bei Vorgängen mit einer chemischen Reaktion zwischen den einzelnen Stoffen erforderlich sein kann, wenn sich hierdurch beispielsweise die Viskosität bzw. Konsistenz des Stoffes im Verlauf des Mischvorganges bei einer im Durchlaufbetrieb arbeit_enden Vorrichtung ändert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß in an sich bekannter Weise mehrere Mischelemente hintereinander und mit Abstand zueinander an der Stange angeordnet sind und daß der lichte Abstand zwischen den Mischelementen etwa deren Kanallänge entspricht. Hierdurch wird gewährleistet, daß eine ausreichende .Querbewegung zwischen den einzelnen Mischelementen stattfindet und so über den Gesamtquerschnitt des Misehgefäßes eine Vergleichmäßigung erreicht wird. Vorteilhaft ist hierbei ferner, daß bei der Anordnung mehrerer Mischelemente hintereinander diese so angeordnet sind, daß die Kanäle jeweils benachbarter Mischele-

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mente nicht miteinander fluchten. Hierdurch werden Strähnenbildungen innerhalb des Mischgefäßes vermieden.

Die Achsen der Kanäle sind zweckmäßigerweise parallel zur Bewegungsrichtung der Stange ausgerichtet. Je nach Art der zu behandelnden Stoffe bzw. der zwischen den einzelnen Stoffen ablaufenden Vorgänge kann es zweckmäßig sein, die Achsen der Kanäle in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Stange geneigt anzuordnen. Die Neigung kann hierbei so verlaufen, daß bei der Anordnung mehrerer Mischelemente hintereinander die Achsen der Kanäle von Mischelement zu Mischelement jeweils abwechselnd radial nach innen bzw. nach außen gerichtet sind, um so die Querbewegung in dem Raum zwischen zwei Mischelementen noch zu erhöhen. Ebenso ist es möglich, die Kanäle so zu neigen, daß sie,bezogen auf ihre Projektion, tangential zur Stange verlaufen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß bei der Anordnung mehrerer Mischelemente hintereinander in Bezug auf die Durchflußrichtung eines der zu behandelnden Stoffe die Zahl der Erweiterungen je Kanal von Mischelement zu Mischelement zunimmt. Hierdurch ist es insbesondere im Durchlaufbetrieb und bei Prozessen, bei denen chemische Reaktionen zwischen einzelnen Stoffen stattfinden, möglich, die Mischelemente jeweils an die aufgrund der chemischen Reaktion sich ändernden Erfordernisse für den Mischvorgang anzupassen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorteilhaft, daß der Ab-

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stand zwischen je zwei Mischelementen veränderbar ist. Ebenso ist es vorteilhaft, daß die Mischelemente ganz oder teilweise so bemessen sind, daß sie jeweils den Querschnitt des Mischgefäßes nahezu überdecken. Hierbei ist es insbesondere für den Durchlaufbetrieb möglich, eine Randgängigkeit der Vorrichtung praktisch zu unterbinden und das gesamte Durchsatzvolumen jeweils von Stufe zu Stufe in Einzelstrahlen zu 2erlegen und wieder zusammenzuführen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Teil einer Vorrichtung im Vertikalschnitt gemäß
der Linie I -I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II - II in Fig. 1,

Fig. 3, verschiedene Kanalformen im Schnitt.
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Die in Fig. 1 nur als Ausschnitt dargestellte Vorrichtung weist ein vorzugsweise schlankes zylindrisches Gefäß 1 auf, das entweder für einen Durchlaufbetrieb rohrförmig ausgebildet sein kann oder aber für den satzweisen Betrieb als geschlossener Behälter mit
Boden und Deckel ausgebildet sein kann. Innerhalb des Gefäßes 1 verläuft eine Stange 2, die an einem Ende mit einem nicht näher dargestellten Antrieb bekannter Bauart zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung"entsprechend dem Pfeil 3 verbunden ist. An der

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Stange sind mit Abstand zueinander ein oder mehrere Mischelemente 4 befestigt, die je nach Einsatzfall hinsichtlich ihres Abstandes zueinander einstellbar mit der Stange 2 verbunden sind. Die Mischelemente sind vorzugsweise so bemessen, daß sie jeweils den Querschnitt des Mischgefäßes nahezu überdecken.

Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist jedes Mischelement scheibenförmig ausgebildet und mit einer Vielzahl von Kanälen 5 für den Durchtritt der zu behandelnden Stoffe versehen. Die Kanäle sind hierbei so ausgebildet, daß in Richtung der Kanalachse gesehen, sich ihr freier Strömungsquerschnitt mehrfach erweitert und wieder verengt. Um derartig ausgebildete Kanäle in einfacher Weise herstellen zu können, ist jedes Mischelement aus mehreren Platten 6 zusammengesetzt, die jeweils konische Bohrungen aufweisen, so daß durch ein entsprechendes Zusammensetzen derartiger, in sich gleichförmiger Platten, ein entsprechender Lauf der Kanalwandungen hergestellt werden kann.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind jeweils Kanäle mit unterschiedlichem "Verlauf der Kanalwandungen gezeigt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist der dargestellte Kanal 5 eines Mischelementes 4 Erweiterungen auf, während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 für den dargestellten Kanal nur eine Erweiterung vorgesehen ist, wobei der Öffnungswinkel der jeweiligen konischen Bohrung in der zugehörigen Scheibe 6' relativ schlank ausgebildet ist. Der Kanalverlauf ist hierbei so gebildet, daß die Erweiterung in der Mitte zwischen den beiden Kanalenden liegt.

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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist der Verlauf der dargestellten Kanäle 7 "bzw. 8 so gestaltet, daß die Querschnittserweiterung eines jeden Kanals jeweils im Bereich eines Kanalendes angeordnet ist und daß sich bei jeweils zwei benachbarten Kanälen die Querschnittserweiterung am entgegengesetzten Kanalende befindet .

Bevor das Verfahren bzw. die Arbeitsweise der Vorrichtung erläutert wird sei bemerkt, daß unter Flüssigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung eine reine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch oder auch eine mit Feststoffpartikeln versetzte Flüssigkeit verstanden werden soll. Als "Stoffe", die mit der "Flüssigkeit" miteinander in Kontakt gebracht werden sollen, kommen wiederum eine Flüssigkeit, Gase oder Feststoffpartikel in Betracht. Der Begriff "Reaktionsteilnehmer" ist in Bezug auf die nachstehende Beschreibung im weitesten Sinne zu verstehen, ungeachtet, ob bei dem betreffenden Verfahren eine Reaktion im chemischen Sinne zwischen den einzelnen "Reaktionsteilnehmern" stattfindet oder nur ein Wärme- oder Stoffaustausch bzw. ein Mischvorgang.

Da die dargestellte Vorrichtung sowohl als Vorrichtung für den Durchlaufbetrieb verwendet werden kann, wobei die einzelnen Reaktionsteilnehmer im Gleich- und/oder im Gegenstrom zueinander geführt werden können oder aber als satzweise arbeitendes geschlossenes Gefäß ausgebildet sein können, sei hier nur der Bewegungsablauf während einer Auf- und Abbewegung der Stange 2 geschildert.

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Die zu behandelnden Reaktionsteilnehmer füllen den ganzen Innenraum des Gefäßes 1 aus. Bewegt sich nun die Stange 2 nach oben, so werden die jeweils in dem Raum 9 zwischen z\^ei Mischelementen 4 befindlichen Reaktionsteilnehmer durch die Kanäle 5 der Mischelemente 4 hindurchgepreßt. Beim Austritt aus dem Kanalende der so zwangsweise gebildeten Einzelstrahlen, werden diese sich wieder vereinigen, wobei in jedem Falle eine querzum Verlauf der Kanalachsen ausgerichtete Bewegung der Reaktionsteilnehmer stattfindet und so eine Vergleichmäßigung über den gesamten Querschnitt des Gefäßes 1 erfolgt. Bei der anschlieikiden Umkehr des Hubes der Stange 2, also einer Bewegung nach unten, läuft dieser Vorgang in entgegengesetzter Richtung ab. Die Hubfrequenz und die Hubweite sind hierbei so auf die durch die Gesamtheit der Reaktionsteilnehmer vorgegebenen Bedingungen abzustimmen, daß sich keine stationäre Strömung einstellen kann, sondern immer eine beschleunigte bzw. verzögerte Strömung vorliegt.

Während bei einer satzweise arbeitenden Vorrichtung die in den einzelnen Zwischenräumen befindlichen Stoffmengen sich innerhalb der Zwischenräume jeweils nach dem Durchtritt durch die Kanäle austauschen, wobei durch einen entsprechenden Spalt 10 zwischen der Außenkante der Mischelemente und der Innenwandung des Gefäßes 1 eine gewisse, über mehrere Zwischenräume 9 hinausgehende Austauschbewegung stattfinden kann, muß bei einer im Durchlaufbetrieb arbeitenden Vorrichtung der Spalt 10 zwischen der Außenkante der Mischelemente und der Innenwandung des Gefäßes 1 möglichst klein gehalten werden, um eine Randgängigkeit zu vermeiden. Bei der Behandlung von Flüs-

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sigkeit und Flüssigkeiten mit Gasen wird man diesen Abstand sehr eng wählen können, während bei der Anwesenheit von Feststoffpartikeln mit Rücksicht auf ein Verklemmen oder übermäßigen Verschleiß der Abstand 10 etwas weiter zu halten ist. Im Gegensatz zur satzweise arbeitenden Vorrichtung, bei der ein Stoffpartikel u. U. mehrfach zwischen den beiden, einem Mischelement benachbarten Räumen hin-und herwandern kann, wird bei einer im Durchlaufbetrieb arbeitenden Vorrichtung praktisch jedes Stoffpartikel bei jedem Hub jeweils in einen anderen Zwischenraum 9 gelangen.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

Ci/ Verfahren zur Durchführung von Mischvorgängen, Wärme- und /oder Stoffaustauschprozessen o.dgl. zwischen wenigstens einer Flüssigkeit und einem weiteren Stoff, mit oder ohne ehemische Reaktion zwischen den beteiligten Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit periodisch jeweils unter Umkehr der Strömungsrichtung in eine Vielzahl von Einzelstrahlen zerlegt und wieder zusammengeführt wird und daß der Strömungsquerschnitt eines jeden Einzelstrahles wenigstens einmal erweitert und wieder verengt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit je Periode wenigstens zweimal hintereinander in Einzelstrahlen zerlegt und wieder zusammengeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz und/oder die Zeitdauer zv/ischen jeder Richtungsumkehr so eingestellt wird, daß die Stoffe ausschließlich beschleunigten und verzögerten Bewegungen unterliegen.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ein vorzugsweise zylindrisches Mischgefäß aufweist, in dem eine in Richtung der Gefäßachse hin- und her bewegbare, mit einem Antrieb verbundene Stange eingeordnet ist, an der wenigstens ein scheibenförmiges Mischelement befestigt ist, das mehrere mit Abstand zueinander angeordnete Durchtritte auf-

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weist, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchtritte als Kanäle (5, 7, 8) ausgebildet sind und daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden Kanals (5, 7, 8) zwischen den beiden Kanalenden wenigstens einmal erweitert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden Kanals zwischen den beiden Kanalenden mehrfach erweitert und wieder verengt ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei nur einer Querschnittserweiterung je Kanal die Querschnittserweiterung jeweils im Bereich eines Kanalendes angeordnet ist und daß im Mischelement (4) die Kanäle so angeordnet sind, daß sich bei jeweils zwei benachbarten Kanälen (5) die Querschnittserweiterungen am entgegengesetzten Kanalende befinden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Mischelement (4) aus wenigstens zv/ei aneinanderliegenden Scheiben (6) zusammengesetzt ist und daß jede Scheibe (6) eine Vielzahl von konischen Bohrungen aufweist, die den ebenfalls konischen Bohrungen der anderen Scheibe zuordenbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch g e kerinze ichne t , daß in an sich bekannter Weise mehrere Mischelemente (4) hintereinander und mit Abstand zueinander an der

Stange (2) angeordnet sind und daß der lichte Abstand zwischen den Mischelementen (4) etwa deren Kanallänge entspricht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Anordnung mehrere Mischelemente (4) hintereinander diese so angeordnet sind, daß die Kanäle jeweils benachbarter Mischelemente (4) nicht miteinander fluchten.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch g e kennzeichnet , daß der Hub des Mischelementes (4) etwa seiner Kanallänge entspricht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch g e. k ennz e ichne t , daß die Achsen der Kanäle (5) in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Stange (2) geneigt verlaufen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß bei der Anordnung mehrerer Mischelemente (4) hintereinander in Bezug auf die Durchflußrichtung eines der zu behandelnden Stoffe die Zahl der Erweiterungen je Kanal von Mischelement zu Mischelement zunimmt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen je zwei Mischelementen (4) veränderbar ist.
14. Vorrichtung" nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß das Mischelement (4) so bemessen ist, daß es den freien Querschnitt des Mischgefäßes (1) nahezu überdeckt.

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