DE2900083C2 - Staustrahlmischer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Staustrahlmischer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Vermischung mehrerer fluider Phasen wird üblicherweise in einem geschlossene·.! Gefäß vorgenommen, dessen Durchmesser etwa gleich seiner Höhe ist. Üblicherweise ist in der Längsachse des Gefäßes ein rotierendes Element angeordnet, das die Durchmischung der Phasen herbeiführen soll. Dieses Element erfüllt zwei Funktionen, nämlich die eines Förderorgans und die eines Mischorgans.

Als Förderorgan zwingt das rotierende Element dem Fluidgemisch eine Primär- und eine Sekundärbewegung auf. Die Primärbewegung des Fluidgemisches ist eine reine Rotationsströmung, die konzentrisch zum rotierenden Element erfolgt. Die Sekundärströmung erfolgt in einer Ebene, die senkrecht auf der Ebene steht, in welcher die Rotationsbewegung erfolgt. Die zur Aufrechterhaltung der Sekundärbewegung notwendige Energie wird aus der Primärbewegung nachgeliefert. Im Vergleich zu der in der Primärbewegung enthaltenen Energie ist der in der Sekundärbewegung enthaltene Energieanteil nur sehr gering. Für die Durchmischung der im Gefäß enthaltenen Phasen ist indes nur die Sekundärströmung von Bedeutung. Der größte Anteil der dem Fluidgemisch zugeführten Energie ist daher für die Durchmischung wertlos. Zur Erzielung einer guten und schnellen Durchmischung müßte das rotierende Förderorgan also vornehmlich eine Sekundärströmung erzeugen. Das ist bei üblichen Förderorganen aber nicht der Fall.

Neben seiner Funktion als Förderorgan erfüllt das rotierende Element noch seine Funktion als Mischorgan. Durch die Rotation des Elementes wird in unmittelbarer Nähe seiner Oberfläche in dem Fluidgemisch eine dünne Zone mit großem Geschwindigkeitsgefälle bzw. mit großer Schubspannung erzeugt In dieser Zone bilden sich sehr dünne Schichten der zu mischenden Phasen, zwischen denen ein sehr schneller Ausgleich der Phaseneigenschaften herbeigeführt wird. Das in der Zone hoher Schubspannung befindliche Flüssigkeitsvolumen ist jedoch sehr klein im Vergleich zu dem insgesamt im Gefäß befindlichen Flüssigkeitsvolumen. Die Funktion als Mischorgan wird von den üblichen rotierenden Elementen nur in sehr unvollkommener Weise erfüllt

Zur Verbesserung der Eigenschaften rotierender Elemente als Mischorgane müßte man deren Oberfläche vergrößern. Dieses findet jedoch sehr schnell eine Grenze, die durch den Energieaufwand bedingt ist

Aus der GB-PS 7 31 815 ist ein Staustrahlmischer zum Mischen mehrerer fluider Phasen, in denen sich auch sehr feinkörnige Feststoffe befinden können, mit wenigstens einem Förderorgan zur Bildung von aus entgegengesetzten Richtungen kommenden, in einer gemeinsamen Staufläche aufeinanderprallenden Fluidstrahlen in einem schlanken, zylindrischen Gefäß, in dem die Fluidstrahlen entlang der Längsachse des Gefäßes gebildet werden, bekannt Im einzelnen weist dieser Staustrahlmischer eine Pumpe auf, welche Flüssigkeit über eine Leitung aus dem zylindrischen Gefäß absaugt, in dem die aufeinanderprallenden Fluidstrahlen erzeugt werden. Diese rufeinanderprallenden Fluidstrahlen werden durch einander gegenüberstehende und aufeinander zu gerichtete Düsen erzeugt welche in der Längsachse des zylindrischen Gefäßes innerhalb des von Strömungsmittel erfüllten Bereichs dieses Gefäßes angeordnet und über Rohrleitungen mit der Druckseite der Pumpe verbunden sind. Ein solcher Staustrahlmischer ist verhältnismäßig aufwendig im Aufbau und zwar insbesondere dann betriebsmäßig ungünstig, wenn sehr feinkörnige Feststoffe in den zu mischenden Fluidenphasen vorhanden sind, weil sich diese Feststoffe in den Rohrleitungen des äußeren Kreislaufs an gewissen Stellen, insbesondere an Strömungstotstellen, absetzen können, wodurch eine Reinigung dieses Kreislaufs, die erforderlich ist, wenn der Staustrahlmischer allgemein für die verschiedensten Misch vorgänge angewandt werden soll, verhältnismäßig schwierig durchführbar ist Auch von der Funktionsweise her ist dieser Staustrahlmischer insofern nachteilig, als die Mischung durch das Aufeinanderprallen von Druckstrahlen verhältnismäßig hohen Druckes bewirkt wird, indem die aufeinanderprallenden Flüssigkeitsstrahlen durch Druckdüsen erzeugt werden, wozu der erforderliche, relativ hohe Druck mittels einer außerhalb des Mischgefäßes befindlichen Pumpe aufrechterhalten werden muß. Pumpen, die zum Erzeugen des für die Druckstrahlen erforderlichen, relativ hohen Druckes notwendig sind, können praktisch nicht innerhalb des Mischgefäßes angeordnet werden, und auf gar keinen Fall ist es möglich, die benötigten relativ hohen Drücke mittels Axialpumpen, wie es beispielsweise Propeller sind, innerhalb des Mischgefäßes zu erzeugen. Aufgrund des großen Energiebedarfs für das Erzeugen derartiger Druckstrahlen sind nur Flüssigkeitsstrahlen mit sehr kleinem Durchmesser möglich, so daß große, miteinander zu vermischende Volumina verhältnismäßig lange Mischzeiten erfordern und der Wirkungsgrad der Durchmischung infolge des hohen Strömungswider-Stands, der sich aus dem geringen Durchmesser der Druckdüsen ergibt, relativ klein ist. Wegen der Beschränkung auf Druckstrahlen von verhältnismäßig sehr geringem Durchmesser einerseits und der Forderung,

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relativ große Volumina an Flüssigkeit miteinander zu vermischen, wie sie normalerweise bei industriellen Anwendungen besteht, müssen im allgemeinen viele Druckdüsenpaare im Parallelbetrieb innerhalb eines größeren Behälters vorgesehen sein, um die angestrebte Mischwirkung bei einer größeren Flüssigkeitsmasse zu erzielen. Zudem ist der Düsenabstand zwischen einander gegenüberliegenden Druckdüsen sehr klein, weil der günstigste Druckdüsenabstand nach experimentellen Untersuchungen etwa das 2,5fache des Druckdüscndurchmessers beträgt, wodurch sich ein effektiver Mischraum, der nur in der Größenordnung von einigen Kubikzentimetern liegt, also verschwindend klein im Vergleich zum normalerweise notwendigen wesentlich größeren Volumen des Mischbehälters ist ergibt Trotzdem bleibt dabei die Umwälzgeschwindigkeit der im Mischbehälter befindlichen Flüssigkeit vernachlässigbar klein im Vergleich zur Druckstrahlgeschwindigkeit so daß der Mischbehälter lediglich als Aufnahmegefäß für die Druckdüsenpaare und als Speichervolumen für die Flüssigkeit dient zu einer großräumigen Vermischungsströmung jedoch nicht beiträgt da es eine solche großräumige Vermischungsströmung aufgrund des Mischprinzips, das der GB-PS 7 31 815 zugrundeliegt nicht gibt

Weiter ist eine ganze Reihe von Fluidmischern bekannt in denen mehrere rotierende Elemente übereinander angeordnet sind, und zwar sind solche Fluidmischer beispielsweise in dem DE-GM 69 64 105, der US-PS 27 36 537 sowie der Zeitschrift Chem. Engng. Progress, Band 43 (1947), Nr. 12, Seite 649 bis 658 beschrieben. Diese Fluidmischer beruhen alle auf der oben dargelegten Überlegung, die Funktion eines rotierenden Elements als Mischorgan durch Vervielfachung der eingangs erörterten dünnen Zonen sowie gegebenenfalls das Ineinandergreifen dieser dünnen Zonen zu verbessern, indem man mehrere rotierende Elemente übereinander anordnet Dadurch wird gewissermaßen die Oberfläche der Mischorgane vergrößert, was jedoch eine entsprechende Vergrößerung des Energieaufwands erfordert wodurch dieser Oberflächenvergrößerung sehr schnell eine Grenze gesetzt wird. Bei den mehrere übereinander angeordnete rotierende Elemente aufweisenden bekannten Fluidmischern wird zwar die Funktion des rotierenden Elements als Mischorgan verbessert, jedoch unter hohem Energieaufwand, wobei gleichzeitig die Funktion des rotierenden Elements als Förderorgan beeinträchtigt wird, letzteres ist aber von Nachteil, weil die Sekundärströmung für den Mischvorgang von Vorteil ist Bei übereinander angeordneten rotierenden Elementen wird also insbesondere die Ausbildung der für den Mischvorgang wesentlichen Sekundärströmung behindert

Der Nachteil üblicher rotierender Elemente, auch wenn sie in Mehrfachanordnung entsprechend den genannten Druckschriften vorgesehen sind, sofern diese rotierenden Elemente zum Zwecke der Vermischung mehrerer fluider Phasen verwendet werden, besteht darin, daß erstens zu schwache, für den Mischprozeß wesentliche Sekundärströmungen, von denen das gesamte Fluidgemisch erfaßt werden sollte, erzeugt werden, und zweitens nur ein zu geringes Fluidvolumen in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des jeweiligen rotierenden Elements günstige Bedingungen für die Durchmischung vorfindet.

Schließlich ist aus der CH-PS 13 913 ein Staustrahlmischer zum Mischen mehrerer fluider Phasen, in denen sich auch sehr feinkörnige Feststoffe befinden können, mit einem schlanken, zylindrischen Gefäß, mit je einem Gefäßdeckel an den Enden des Gefäßes, mit zwei Propellerrührern zur Erzeugung zweier Di'allstrahlen entlang der Längsachse des Gefäßes, wobei in jeder Hälfte des Gefäßes je ein Propellerrührer angeordnet ist und wobe^; die Drallstrahlen gegeneinander gerichtet sind und in einer gemeinsamen Staustrahlfläche aufeinanderprallen, bekannt Dieser Staustrahlmischer bewirkt jedoch nur eine relativ schwache Durchmischung. da die Drallstrahlen strömungsmäßig völlig unkontrolliert aufeinandertreffen und den gleichen Rotationssinn haben.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Staustrahlmischer der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß bei verhältnismäßig geringem baulichen Aufwand eine günstige Durchmischung in verhältnismäßig ktarer Zeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Drallstrahlen mit entgegengesetzter Rotationsbewegung erzeugt werden, daß jeder Propellerrührer von einem Leitrohr umgeben ist und daß die jeweiligen Antriebswellen der Propellerrührer durch die ihnen benachbarten Gefäßdeckel geführt sind.

Durch die entgegengesetzte Rotationsbewegung der Drallstrahlen in Verbindung mit der Strömungsführung durch die Leitrohre ist die zur Erzeugung eines bestimmten Mischzustands erforderliche Mischzeit bei verhältnismäßig einfachem Aufbau des Staustrahlmischers erheblich kürzer als im konventionellen Mischer, insbesondere ist diese Mischzeit auch erheblich kürzer als in einem Staustrahlmischer der Art, wie er in der CH-PS13 913 beschrieben ist

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnung anhand von einigen Ausführungsformen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Staustrahlmischers; und

Fig.2a und b Längsschnitte durch eine zweite und dritte Ausführungsform eines Staustrahlmischers nach der Erfindung.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Staustrahlmischer besteht im wesentlichen aus einem schlanken zylindrischen Gefäß 1, in dessen Längsachse zwei Propel lerrührer 2 angeordnet sind, die der im Gefäß 1 befindlichen Flüssigkeit eine Strahlbewegung; aufzwingen, so daß Drallstrahlen der Flüssigkeit entstehen. Die Drallstrahlen treffen in einer Staufläche 8 aufeinander. Die so Bewegung der Drallstrahlen ist sowohl translatorisch als auch rotatorisch. Für den Mischprozeß wird nicht nur die translatorische, sondern auch die rotatorische Bewegung genutzt

Der Staustrahlmischer kann sowohl stehend als auch liegend angeordnet werden. In F i g. 1 ist als Beispiel die liegende Anordnung gewählt. In jeder Hälfte des schlanken zylindrischen Gefäßes 1 mit dem Zylindermantel la und den Deckeln 1 ft befindet sich ein Antriebssystem für die Flüssigkeit. Dieses Antriebssystem besteht aus dem Propellerrührer 2 und einem Leitrohr 3. Die Antriebswelle 4 der Propellerrührer 2 ist durch den Gefäßdeckel 16 geführt und mit einem Antriebsmotor verbunden, der jedoch nicht dargestellt ist.

Durch den Propellerrührer 2 in Bewegung gesetzt, durchströmt die Flüssigkeit das Leitrohr 3 vom Eintrittsquerschnitt 5 in Richtung zum Austrittsquerschnitt 6. Der Rohrrand im Ein- und Austrittsquerschnitt kann entweder scharfkantig oder zur Verminderung der

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Energieverluste abgerundet sein. Die verlustarme Umströmung der Ein- und Austrittskanten kann aber auch durch besondere Umströmungselemente 7 erreicht werden.

Die von den Propellerrührern 2 erzeugten und von den Leitrohren 3 gebündelten Drallstrahlen treffen in der Staustrahlfläche 8 aufeinander. Der Verlauf der Stromlinien ist in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet. Er ist bestimmt durch die Überlagerung der Axialströmung mit einer Rotationsströmung. In der Staustrahlfläche treffen also zwei Drallstrahlen mit entgegengesetzter Rotationsbewegung aufeinander.

Sowohl die Axial- als auch die Rotationsbewegung der Drallstrahlen erzwingen eine Instabilität der Staustrahlfläche. Hieraus ergibt sich eine stochastische Deformaiion, die zu einer sehr starken Turbulenz führt. Diese für den Mischprozeß bedeutsame Turbulenz erfaßt einen Mischraum, der bei schematisierter Betrachtung das zwischen den Austrittsquerschnitten 6 der beiden Leitrohre 3 liegende Gefäßvolumen umfaßt.

Die Vermischung läßt sich in zwei Vorgänge untergliedern, nämlich erstens eine Vermischung der im Strahl befindlichen Flüssigkeit, ohne daß die Flüssigkeit den Strahl verläßt; und zweitens eine Vermischung durch Austausch der Flüssigkeit zwischen den beiden Strahlen.

Die Vermischung erfordert hohe örtliche Konzentrationsgefälle. Diese sind um so höher, je höher das örtliche Geschwindigkeitsgefälle ist. Diese Bedingungen werden sowohl durch die stochastische Deformation der Staustrahlfläche 8 als auch durch die entgegengesetzt rotierenden Drallstrahlen geschaffen. Die Wirkung der hohen örtlichen Geschwindigkeits- und Konzentrationsgefälle wird noch dadurch verstärkt, daß sie starken zeitlichen Schwankungen unterliegen.

Im Vergleich zu den herkömmlichen Mischern wird im vorliegenden Staustrahlmischer die Mischwirkung zusätzlich durch die deformierbare Staustrahlfläche erzielt. Im Staustrahlmischer ist daher die zur Erzeugung eines bestimmten Mischzustandes erforderliche Mischzeit erheblich kürzer als im konventionellen Mischer. Gleichzeitig ist wegen der geordneten Strömung der Leistungsbedarf des Staustrahlmischers geringer als der von konventionellen Mischern.

In den Fig.2a und 2b sind Ausführungsformen gezeigt, in denen die beiden Hälften des zylindrischen Gefäßes im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig.! spiegelbildlich zur Staustrahlfläche geneigt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche: 29 OO 033

1. Staustrahlmischer zum Mischen mehrerer fluider Phasen, in denen sich auch sehr feinkörnige Feststoffe befinden können, mit einem schlanken, zylindrischen Gefäß, mit je einem Gefäßdeckel an den Enden des Gefäßes, mit zwei Propellerrührern zur Erzeugung zweier Drallstrahlen entlang der Längsachse des Gefäßes, wobei in jeder Hälfte des Gefäßes je ein Propellerrührer angeordnet ist und wobei die Drallstrahlen gegeneinander gerichtet sind und in einer gemeinsamen Staustrahlfläche aufeinanderprallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallstrahlen mit entgegengesetzter Rotationsbewegung erzeugt werden, daß jeder Propellerrührer (2) von einem Leitrohr (3) umgeben ist und daß die jeweiligen Antriebswellen (4) der Propellerrührer (2) durch die ihnen benachbarten Gefäßdeckel (Xb) geführt sind.

2. Staustrahlmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Propellerrührer (2) in der Längsachse des Gefäßes (1) angeordnet sind.

3. Staustrahlmischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ein- und Austrittskanten der Leitrohre (3) gerundete Umströmungselemente (7) vorgesehen sind.

4. Staustrahlmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Hälften des zylindrischen Gefäßes (1) spiegelbildlich zur Staustrahlfläche (8) geneigt sind.