DE29601936U1 - Static mixer - Google Patents
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- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
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Description
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Statischer Mischer BeschreibungStatic mixer Description
Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer für den Einsatz in der Prozeßbzw. Umwelttechnik.The invention relates to a static mixer for use in process or environmental technology.
Statische Mischer werden in kontinuierlichen Verfahren für Operationen wie Mischen, Dispergieren, Wärme- und Stoffausstausch oder in der chemischen &iacgr;&ogr; Reaktiontechnik eingesetzt. Beispiele für den Einsatz sind das Mischen von Feststoffen, das kontinuierliche Mischen und Beheizen bzw. Abkühlen von Produkten, in der Wasseraufbereitung und Desinfektion in der Abwasseraufbereitung, bei der Rauchgasentschwefelung sowie bei der Rauchgasentstickung.Static mixers are used in continuous processes for operations such as mixing, dispersing, heat and mass transfer or in chemical reaction technology. Examples of use are the mixing of solids, the continuous mixing and heating or cooling of products, in water treatment and disinfection in wastewater treatment, in flue gas desulfurization and in flue gas denitrification.
Statische Mischer werden insbesondere in kontinuierlichen Prozessen eingesetzt, wobei als Ziel das Homogenisieren zweier Stoffe, insbesondere fließfähiger Stoffe, in Vorrichtungen ohne bewegliche Teile erreicht werden soll. Die für das Mischen benötigte Energie wird im allgemeinen von Pumpen 0 oder Gebläse geliefert, die die zu mischenden Stoffe bzw. Komponenten in vorgegebenen Durchsätzen zum statischen Mischerelement fördern. Neben dem reinen Mischen finden statische Mischer auch in verfahrenstechnischen Grundoperationen Verwendung, wo neben der homogenen Verteilung von einzelnen Stoffe oder Stoffanteilen eine große Stoffphasengrenzfiäche oder ein permanentes Mischen bei gegebener Verweilzeit erreicht werden soll. Die Dispersions- bzw. Kontaktvorgänge finden ihre Anwendung bei Stoffaustauschproblemen, bei dem Kühlen bzw. Erwärmen bei gleichzeitigem Mischen sowie bei der Durchführung von chemischen Reaktionen.Static mixers are used in particular in continuous processes, where the aim is to homogenize two substances, especially flowable substances, in devices without moving parts. The energy required for mixing is generally supplied by pumps or blowers, which convey the substances or components to be mixed to the static mixer element at specified throughputs. In addition to pure mixing, static mixers are also used in basic process engineering operations, where in addition to the homogeneous distribution of individual substances or substance fractions, a large substance phase interface or permanent mixing with a given residence time is to be achieved. The dispersion or contact processes are used in mass transfer problems, in cooling or heating with simultaneous mixing, and in carrying out chemical reactions.
Ein statischer Mischer besteht aus einem oder mehreren Mischereiementen, die als Leiteiemente bewirken, daß die durch einen Strömungskanal, der rund oder mehreckig sein kann, strömenden Medien, insbesondere in radialer Richtung systematisch durchmischt werden. Da die Strömungsführung durch die Leitelemente nach einem geometrischen Schema vollzogen wird, sind Zufallsmischungen ausgeschlossen.A static mixer consists of one or more mixing elements, which act as guide elements to ensure that the media flowing through a flow channel, which can be round or polygonal, are systematically mixed, particularly in a radial direction. Since the flow is guided by the guide elements according to a geometric pattern, random mixing is excluded.
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Bei Gas-Wasser-Gemischen, &zgr;. B. bei der Anreicherung von Abwässern mit Sauerstoff, entsteht zwischen den Phasen des Gemisches ein intensiver Kontakt durch die Bildung feiner Gasblasen. Daraus resultiert ein gewoliter hoher Stoffübergang nach kurzer Fließstrecke.In gas-water mixtures, e.g. when enriching waste water with oxygen, intensive contact occurs between the phases of the mixture through the formation of fine gas bubbles. This results in a high mass transfer after a short flow distance.
In der DE 41 29 248 C2 ist ein statischer Mischer beschrieben, der aus in einem Rohr angeordneten ruhenden Einbauten besteht, die Fluidströme in zur Rohrachse geneigten und nach kurzen Abständen wechselndenDE 41 29 248 C2 describes a static mixer that consists of stationary components arranged in a pipe that direct fluid flows in directions that are inclined to the pipe axis and change at short intervals.
&iacgr;&ogr; Richtungen lenken und aus wenigstens zwei, jeweils einteiligen Einbauteilen bestehen. Diese weisen jeweils lameilenartige Form auf. Ein jedes Einbauteil besteht aus mehreren Wirkelementen, die sich bandförmig und im Wechsel zwischen gegenüberliegenden Rohrwänden und rohrachsiai erstrecken, wobei in Erstreckungsrichtung eines Bauteiles in gleicher Weise orientierte&iacgr;&ogr; directions and consist of at least two, one-piece built-in parts. These each have a lamellar shape. Each built-in part consists of several active elements that extend in a band-like manner and alternately between opposite pipe walls and pipe axes, with the same oriented elements in the direction of extension of a component.
is Erstreckungsebenen einen Anordnungswinkel bilden. Die beiden Einbauteiie sind zopfartig miteinander verflochten. Nachteilig eines derartig konstruierten statischen Mischerelements ist die kostenintensive und aufwendige Fertigung.is extension planes form an arrangement angle. The two built-in parts are interwoven like a braid. The disadvantage of a static mixer element constructed in this way is the costly and complex production.
Aus dem Prospekt der Sulzer Chemtech AG 23.83.06.20-IV.93 sind statische Mischer für die Wasser- und Abwassertechnik bekannt, in dem Mischerelemente von statischen Mischern abgebildet werden, die aus mehreren zusammenhängenden Blechen, die vor dem Einbau verformt werden und zu Paketen zusammengeschweißt oder geheftet werden, dargestellt sind. Von Nachteil bei derart ausgebildeten Mischelementen ist die kostenintensive und aufwendige Fertigung solcher Elemente. Nach dem Einbau dieser Elemente ist die Möglichkeit der Korrektur des Strömungswiderstandes bzw. der Einstellung des Strömungswiderstandes nicht oder nur unter hohen Aufwendungen möglich.Static mixers for water and wastewater technology are known from the Sulzer Chemtech AG brochure 23.83.06.20-IV.93, in which mixing elements of static mixers are shown, which are made of several connected sheets that are deformed before installation and welded or stapled together to form packages. The disadvantage of mixing elements designed in this way is the costly and complex production of such elements. After these elements have been installed, the possibility of correcting the flow resistance or adjusting the flow resistance is not possible or only possible at great expense.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen statischen Mischer zum Vermischen von Fluidströmen innerhalb eines Gehäuses anzugeben, der bezogen auf die Intensität der Durchmischung der Fluidphasen bzw. des erreichbaren Stoffüberganges die gleichen Wirkungen wie statische Mischer nach dem Stand der Technik erreicht, jedoch einen einfacheren und damit kostengünstigeren Aufbau aufweist.The object of the present invention is to provide a static mixer for mixing fluid flows within a housing, which achieves the same effects as static mixers according to the prior art in terms of the intensity of the mixing of the fluid phases or the achievable mass transfer, but has a simpler and therefore more cost-effective structure.
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Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.The problem is solved by the characterizing part of claim 1.
Der statische Mischer zum Vermischen von Fluidströmen innerhalb eines Gehäuses besteht aus mindestens einem Mischerelement, welches sind zwischen den Gehäusewänden erstreckt. Dieses Mischerelement weist eine rechteckige oder vieleckige oder elliptoide, in mindestens zwei Abschnitte in Längsrichtung geschnittene Scheibe auf, wobei die Abschnitte um ihre Querachse in abwechselnder Richtung in einem Winkel beta zueinander &iacgr;&ogr; versteilt in mindestens zwei Ebenen angeordnet sind. Diese Abschnitte sind jeweils in der Mitte ihrer Schnittlängskante miteinander verbunden, im Gehäuse ist mindestens ein Fixierbiech angeordnet, welches zum Fixieren des oder der Mischerelemente dient.The static mixer for mixing fluid flows within a housing consists of at least one mixer element which extends between the housing walls. This mixer element has a rectangular or polygonal or elliptical disk cut into at least two sections in the longitudinal direction, the sections being arranged in at least two planes around their transverse axis in alternating directions at an angle beta to one another. These sections are each connected to one another in the middle of their cut longitudinal edge, and at least one fixing plate is arranged in the housing, which serves to fix the mixer element(s).
is Der Vorteil derart ausgebildeter Mischerelemente liegt in ihrem geringen Materialaufwand und Gewicht sowie der leichteren Austauschbarkeit und Reinigung sowie in der Möglichkeit der Variierung des Winkeis zwischen den Abschnitten des Mischerelementes. Die Mischerelemente können vor Einbau vollständig gefertigt werden und mittels einer Steckfixierung im Gehäuse loziert werden. In einer derartigen Ausführung treten vorteilhaft Toträume innerhalb der Mischzone nicht auf.The advantage of mixer elements designed in this way is their low material consumption and weight, as well as their ease of replacement and cleaning, and the possibility of varying the angle between the sections of the mixer element. The mixer elements can be completely manufactured before installation and located in the housing using a plug-in fixing. In such a design, dead spaces within the mixing zone are advantageously avoided.
In einer bevorzugten Ausführung besteht das Gehäuse aus einem Rohr und die Mischerelemente werden aus jeweils einer ellipsenförmigen Scheibe hergestellt.In a preferred embodiment, the housing consists of a tube and the mixer elements are each made of an elliptical disk.
Der Winkel alpha zwischen der Längsrichtung der Abschnitte des Mischelementes und der Gehäuse- oder Rohrlängsachse liegt zwischen 2,5 und 45 Grad, vorzugsweise zwischen 20 und 40. Der Winkel beta zwischen 0 den Ebenen zweier Abschnitte beträgt zwischen 5 und 90 Grad. Der Winkel wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von den geforderten Turbulenzen, die eine Funktion des Strömungswiderstandes darstellen, eingestellt.The angle alpha between the longitudinal direction of the sections of the mixing element and the housing or pipe longitudinal axis is between 2.5 and 45 degrees, preferably between 20 and 40. The angle beta between the planes of two sections is between 5 and 90 degrees. The angle is advantageously set depending on the required turbulence, which is a function of the flow resistance.
Die Anordnung von zwei oder mehr Mischerelementen im Gehäuse, welche miteinander verschränkt sind, wobei die Elemente jeweils hintereinander, jeweils 90 Grad um die Rohrlängsachse bzw. zueinander verdreht und/oderThe arrangement of two or more mixer elements in the housing, which are interlocked with each other, whereby the elements are each arranged one behind the other, each rotated 90 degrees around the longitudinal axis of the pipe or to each other and/or
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sich im Bereich der Spitzen der längsten Abschnitte der jeweiligen Mischerelemente berührend, angeordnet sind, hat den Vorteil, daß hier die Mischerelemente im Baukastensystem einsetzbar sind und entsprechend ihrem Anforderungsprofil ausgewählt werden können. Hierdurch wird es zum Beispiel möglich, einen bestimmten Druckverlust im statischen Mischer einzustellen wie auch die Turbulenzstrecke zu variieren. Auch kann ein höherer Wirkungsgrad bezogen auf die Mischstrecke erreicht werden.are arranged in the area of the tips of the longest sections of the respective mixer elements, touching each other, has the advantage that the mixer elements can be used in a modular system and can be selected according to their requirements. This makes it possible, for example, to set a certain pressure loss in the static mixer and to vary the turbulence distance. A higher level of efficiency can also be achieved in relation to the mixing distance.
In einer vorteilhaften Ausführung wird parallel zur Querachse eines &iacgr;&ogr; Mischerelementes, vorzugsweise des in Strömungsrichtung ersten Mischerelementes, eine Impflanze angeordnet, womit in vorteilhafter Weise ein weiteres Medium, insbesondere ein gasförmiges Medium wie Luft, in den im Rohr bzw. Gehäuse befindlichen Fluidstrom eingebracht werden kann.In an advantageous embodiment, an implant is arranged parallel to the transverse axis of a mixer element, preferably the first mixer element in the flow direction, whereby an additional medium, in particular a gaseous medium such as air, can advantageously be introduced into the fluid flow in the pipe or housing.
is In der Impflanze befinden sich ein oder mehrere Öffnungen, insbesondere auf der der Strömungsrichtung entgegengerichteten Seite, wobei die Gesamtfläche der Öffnungen kleiner ist als die Querschnittsfläche der Lanzenzuführung. Dadurch erfolgt die Beschleunigung der gasförmigen Phase beim Eintritt in das andere Medium.is There are one or more openings in the implant, in particular on the side opposite to the flow direction, whereby the total area of the openings is smaller than the cross-sectional area of the lance feed. This causes the gaseous phase to accelerate when it enters the other medium.
Vorzugsweise bestehen die Mischereiemente aus Stahl, beschichtetem Stahl oder Edelstahl bzw. aus thermoplastischem Kunststoff. Allerdings sind auch andere feste Werkstoffe denkbar.The mixing elements are preferably made of steel, coated steel or stainless steel or thermoplastic. However, other solid materials are also conceivable.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigtAn embodiment is explained using the drawings.
Fig. 1 die Ansicht eines statischen Mischers,Fig. 1 the view of a static mixer,
Fig. 2 eine in dem statischen Mischer einsetzbare Impflanze,Fig. 2 an implant that can be used in the static mixer,
Fig. 3 und 6 Mischerelemente im Schnitt mit unterschiedlichen Winkeln,Fig. 3 and 6 Mixer elements in section with different angles,
0 Fig. 4 und 5 Schnitte des Mischerelementes in Figur 3,0 Fig. 4 and 5 sections of the mixer element in Figure 3,
In Figur 1 ist ein statischer Mischer 1 in einer Gesamtansicht dargestellt. Dabei bezeichnet 2 den Anschluß für die Einführung der Impflanze. Ziffern 3 und 6 bezeichnen zwei Ebenen, in denen die Abschnitte eines Mischerelementes liegen, die Ziffer 5 das Fixierbiech. Der Pfeil 4 gibt die Strömungsrichtung des in den Mischer eintretenden Mediums an. Der WinkelFigure 1 shows a static mixer 1 in an overall view. 2 indicates the connection for the introduction of the implant. Numbers 3 and 6 indicate two levels in which the sections of a mixer element are located, number 5 the fixing plate. Arrow 4 indicates the flow direction of the medium entering the mixer. The angle
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alpha 30 gibt den Winkel zwischen der Ebene 32 eines Mischerelementes und der Rohrlängsachse an. Die Mischerelemente, die in diesem Beispiel aus jeweils zwei Ebenen 3, 6 und 33, 34 bzw. 31, 32 von in Längsrichtung geschnittenen Abschnitten bestehen, berühren sich in diesem Beispiel im Bereich der Spitzen der längsten Abschnitte der jeweiligen Mischerelemente. Dabei sind die Querachsen 10 (Fig. 5) der Mischerelemente parallel zueinander angeordnet. Durch den Anschluß 2 wird die Impflanze in den statischen Mischer eingeführt. Dort wird zum Beispiel Luft durch diese Impflanze über den gesamten Rohrquerschnitt entgegen der Fließrichtung 4alpha 30 indicates the angle between the plane 32 of a mixer element and the longitudinal axis of the pipe. The mixer elements, which in this example consist of two planes 3, 6 and 33, 34 or 31, 32 of sections cut in the longitudinal direction, touch each other in this example in the area of the tips of the longest sections of the respective mixer elements. The transverse axes 10 (Fig. 5) of the mixer elements are arranged parallel to each other. The implant is introduced into the static mixer through connection 2. There, for example, air is fed through this implant across the entire pipe cross-section against the flow direction 4
&iacgr;&ogr; des einen Fluides, zum Beispiel Wasser, verteilt. Der Luft- bzw. Gasstrom wird bei diesem Medienübergang, bedingt durch die hohen Scherkräfte, in kleine Gasblasen zerrissen. Die kleinen Gasblasen werden nach Umkehrung der Bewegungsrichtung mit der flüssigen Phase mitgerissen und prallen als Luft-Wasser-Gemisch auf die Oberfläche der Mischerelementebenen 33, 34.γ of one fluid, for example water. During this media transfer, the air or gas flow is torn into small gas bubbles due to the high shear forces. After reversing the direction of movement, the small gas bubbles are carried along with the liquid phase and collide as an air-water mixture with the surface of the mixer element levels 33, 34.
is An den Rückseiten der Mischerelementebenen entstehen durch Unterdruckzonen hohe Turbulenzen, so daß Gasbiasen mit noch kleineren Durchmessern und hohe Stoffübergangsflächen zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase erzeugt werden.is High turbulences are created on the back sides of the mixer element levels by negative pressure zones, so that gas bubbles with even smaller diameters and high mass transfer areas between the gaseous and liquid phase are generated.
In Figur 2 ist eine Lanze 7 dargestellt, wobei 9 den Anschlußflansch beziffert. Vorzugsweise sind an der der Fließrichtung 4 entgegengericheten Seite der Lanze 7 runde Öffnungen 8 angeordnet, deren Gesamtfläche kleiner ist als die Innenquerschnittsfläche der Lanzenzuführung oder der !mpflanze 7. Dadurch erfolgt eine Beschleunigung der gasförmigen Phase beim Eintritt in die wäßrige Phase. Allerdings können andere Öffnungsdurchmesser und formen sowie verschiedene Öffnungsraster gewählt werden.Figure 2 shows a lance 7, with 9 numbering the connection flange. Preferably, round openings 8 are arranged on the side of the lance 7 facing the opposite direction of flow 4, the total area of which is smaller than the inner cross-sectional area of the lance feed or the !mmillary 7. This causes the gaseous phase to accelerate when it enters the aqueous phase. However, other opening diameters and shapes as well as different opening grids can be selected.
Figur 3 zeigt die Ebenen A, A' 6 sowie die Ebene B, B' 3 eines Mischerelementes, in denen die Abschnitte angeordnet sind. Dabei beträgt der Winkel in diesem Beispiel zwischen der Rohrlängsachse und den Ebenen 3 bzw. 6 dreißig Grad.Figure 3 shows the planes A, A' 6 and the plane B, B' 3 of a mixer element in which the sections are arranged. In this example, the angle between the longitudinal axis of the pipe and the planes 3 and 6 is thirty degrees.
In Figur 4 ist der Schnitt A, A' der Ebene 6 der Fig. 3 dargestellt, die durch die Abschnitte 11, 13 und 15 aufgebaut wird.Figure 4 shows the section A, A' of the plane 6 of Figure 3, which is made up of the sections 11, 13 and 15.
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In Figur 5 ist ein Schnitt B, B' der Ebene 3 der Fig. 3 dargestellt, wobei diese Ebene durch die Abschnitte 12, 14 und 16 aufgebaut wird. Entlang der Querachse des Mischerelementes sind die Abschnitte 12, 14 und 16 mit den Abschnitten 11,13 und 14 in Figur 4 verbunden. Am Schweißpunkt 20 ist der Abschnitt 11 mit dem Abschnitt 12 verschweißt, im Bereich 21 ist der Abschnitt 12 mit dem Abschnitt 13 verschweißt, am Punkt 22 ist der Abschnitt 13 mit dem Abschnitt 14 verschweißt usw.Figure 5 shows a section B, B' of plane 3 of Figure 3, this plane being made up of sections 12, 14 and 16. Along the transverse axis of the mixer element, sections 12, 14 and 16 are connected to sections 11, 13 and 14 in Figure 4. At welding point 20, section 11 is welded to section 12, in area 21, section 12 is welded to section 13, at point 22, section 13 is welded to section 14, etc.
In diesem Beispie! ist also ein Mischerelement mit insgesamt sechs &iacgr;&ogr; Abschnitten 11, 12, 13, 14, 15, 16 (Fig.4, 5) dargestellt.In this example, a mixer element with a total of six sections 11, 12, 13, 14, 15, 16 (Fig. 4, 5) is shown.
In Figur 6 ist ein weiteres Mischereiement dargestellt, wobei hier der Winkel alpha zwischen der Rohrlängsachse und den Ebenen C, C bzw. D, D' 45 Grad beträgt, das heißt 90 Grad zwischen den Mischerelementebenen.Figure 6 shows another mixing element, where the angle alpha between the pipe longitudinal axis and the planes C, C or D, D' is 45 degrees, i.e. 90 degrees between the mixing element planes.
Die einzelnen Abschnitte weisen je nach Größe des Mischerelementes und des Anströmungsdruckes eine Dicke von 0,3 bis 20 mm auf, bevorzugt zwischen 1 und 5 mm.Depending on the size of the mixer element and the flow pressure, the individual sections have a thickness of 0.3 to 20 mm, preferably between 1 and 5 mm.
Claims (8)
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