DE3032132C2

DE3032132C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Stoffen

Info

Publication number: DE3032132C2
Application number: DE3032132A
Authority: DE
Inventors: Jenö Baratossy; Tibor Blickle; Oszkar Budapest Borlai; György Balatonalmadi Bucsky; Pal Veszprem Mercsönyi; Jenö Budapest Nemeth; Gyula Mosonmagyarova Odor; Jozsef Balatonfüred Pazmany; Kazmer Budapest Puskas; Aurel Veszprem Ujhidy
Original assignee: MTA MUESZAKI KEMIAI KUTATO INTEZET VESZPREM HU
Current assignee: MTA MUESZAKI KEMIAI KUTATO INTEZET VESZPREM HU
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1986-08-14
Also published as: GB2057282A; GB2057282B; YU209780A; DE3032132A1; CH653567A5; HU179046B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Stoffen in einem statischen Mischer, bei dem die Strömung der dem Mischer zugeführten Stoffe in mindestens zwei voneinander getrennte Teilströme unterteilt wird, wobei die Summe der Querschnitte der Teilströme im wesentlichen gleich dem Gesamtquerschnitt der Strömung vor ihrer Unterteilung oder kleiner als dieser ist und wobei die Teilströme nach Austritt aus einer zur Achse des Mischers senkrecht stehenden Ebene wieder vereinigt werden.

Bei bekannten Verfahren und den zugehörigen Mischern (DE-OS 27 23 056, CH-PS 3 76 476, US-PS 36 52 061 und US-PS 40 68 830) liegt das Prinzip zugrunde, den gewünschten Mischeffekt durch mehrfach hintereinander erfolgendes, d. h. wiederholtes Unterteilen, Verdrehen und anschließendes Wiedervereinigen der Stoffströme in gegeneinander verdrehter Anordnung zu erreichen. Das heißt, es sollen die Stoffströme möglichst häufig in Einzelströme unterteilt, diese Einzelströme verdreht und im verdrehten Zustand wieder zusammengeführt werden.
Es ist auch ein Verfahren der einleitend genannten Art (DE-OS 26 29 293) bekannt, bei welchem in Fließrichtung der Stoffströme ein Übertritt eines Teilstromes zu einem anderen Teilstrom, d. h. von einem Kanal zu einem anderen Kanal möglich ist. Als Folge davon ergeben sich keine Differenzgeschwindigkeiten am Ende der Kanäle. Auch dieses Verfahren beruht grundsätzlich auf dem Prinzip, den gewünschten Mischeffekt durch mehrfach hintereinander erfolgendes, d. h. wiederholtes Unterteilen. Verdrehen und anschließendes Wiedervereini-

gen der Stoffströme in gegeneinander verdrehter Anordnung zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Mischen von Stoffen in einem statischen Mischer derart zu gestalten, daß gegenüber den bekannten Verfahren ein noch besseres Mischen in einfacher Weise erzielt wird. Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß nach der Unterteilung mindestens einer der Teilströme gegenüber mindestens einem anderen Teilstrom beschleunigt oder verzögert wird und daß die Teilströme, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit derart vereinigt werden, daß vom Teilstrom mit der größeren Geschwindigkeit auf den unmittelbar benachbarten Teilstrom mit der kleineren Geschwindigkeit eine Saugwirkung ausgeübt wird.

Es ist überraschend gefunden worden, daß mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ein besseres und innigeres Mischen erzielt wird, und zwar sogar mit einem in seiner Länge verkürzten Mischer. Für das Ausführen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind lediglich ein Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsabschnitt und ein sich daran anschließender Vereinigungsabschnitt erforderlich.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit einem langgestreckten Gehäuse, in das die zu vermischenden Stoffe eingeleitet werden, mit mindestens einer Trennwand zum Unterteilen des Strömungsquerschnittes des Gehäuses in mindestens zwei voneinander getrennte Fließkanäle, wobei die Summe der Querschnitte der Fließkanäle im wesentlichen gleich dem Gesamtquerschnitt der Strömung vor ihrer Unterteilung oder kleiner als dieser ist, die Trennwand in einer zur Achse des Gehäuses senkrecht stehenden Ebene endet und dort die Fließkanäle wieder vereinigt werden. Gemäß der Erfindung ist ein solcher Mischer dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand und/oder die Innenwandung des Gehäuses so angeordnet bzw. ausgebildet sind, daß die Querschnitte der Fließkanäle sich in Fließrichtung vereinigen oder erweitern.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung stellen die F i g. 1 bis 7 Schnitte von Ausführungsformen der Erfindung dar.

In Fig. 1 hat eine um die Längsachse angeordnete Trennwand 1 einen kreisförmigen Querschnitt. Trennwände 2 schließen dabei mit der Längsachse (z. B. mit der Richtung eines Pfeiles AB) abwechselnd eine spitzen Winkel χ und einen stumpfen Winkel β ein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Winkel tx und β Nebenwinkel.

Ein Raumteil I engt sich in Richtung Längsachse (Pfeil AB) ein. Zugleich weitet sich ein Raumteil II und ein durch die Begrenzungswand begrenzter Raumteil III hat einen konstanten Querschnitt. Der Raumteil IV wiederum weitet sich in Richtung der Längsachse. Der Raumteil V engt sich dabei ein. Somit engen und weiten sich die Raumteile abwechselnd (Raumteil I und danach Raumteil IV und VII sowie II, V, VIII usw.).

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung engen und weiten sich abwechselnd die Raumteile I, IV₁ VII usw., wobei die Raumteile II, V, VIII usw. einen ständigen Querschnitt haben. Die Trennwände in F i g. 2 können als eine einzige Trennwand angesehen werden, die Diskontinuitäten 5 hat. In F i g. 2 deuten ein Pfeil A das Einführung des einen Mittels, ein Pfeil β das Einführen des anderen Mittels an. Der Pfeil AB wiederum kennzeichnet das aus der Einrichtung austretende gemischte Mittel.

Fig. ta stellt einen Schnitt in der Ebene C-C von F i g. 1 dar. Hier ist eine einzige Trennwand 2 innerhalb der Begrenzungswand 1 angeordnet Dadurch ist der Raum in zwei Teile aufgeteilt In F i g. Ib sind drei einander unter einem Winkel berührende Trennwände 2 dargestellt, wodurch der Raum innerhalb der Begrenzungswand 1 in drei Raumteile aufgeteilt ist In Fi g. Ic wird der Raum innerhalb der Begrenzungswand 1 durch sechs einander in der Achse berührende Trennwände 2 aufgeteilt

In Fig.2 hat die Begrenzungswand 1 einen quadratischen Querschnitt. Die Trennwände 2, 3, 4 haben bei diesem Ausführungsbeispiel verschiedene Längen. Die Trennwand 3 reicht mit einer Seite bis zu der Begrenzungswand 1. Dadurch wird eine Seiteneinführung des Mittels B ermöglicht Durch Trennwände 2 und 4 wird eine zusammenhängende, einzige Trennwand ausgebildet die eine Diskontinuität 5 hat. In F i g. 2 ist die Diskontinuität 5 durch perforierte Löcher oder durch ein Siebgewebe gebildet, oc und/?sind hier keine Nebenwinkel.

In den F i g. 3a und 3b ist die Trennwand 2 wechselweise unter einem spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber einer über die Längsachse gelegten Ebene a-b angeordnet. In Fig.3a steht die ausgewählte Ebene a-b senkrecht zur Ebene der Zeichnung. Die Trennwände 2 schließen mit dieser Ebene abwechselnd einen spitzen oder stumpfen Winkel ein. Sie weisen gleichzeitig auch einen spitzen oder stumpfen Winkel zur Längsachse auf. In F i g. 3b ist ein Extremfall der obigen Anordnung dargestellt, wobei die ausgewählte Ebene a-b einen beliebigen Winkel mit der Ebene der Zeichnung einschließt und die Trennwände 2 abwechselnd einen spitzen oder stumpfen Winkel zu der Ebene a-b aufweisen. Da die Ebene a-b in die Ebene der Zeichnung gedreht ist. steht die Hälfte der Trennwände 2 senkrecht zur gedrehten Ebene a-b.

In F i g. 4 sind die Trennwände 2 in einer Ebene angeordnet. Sie können als eine einzige Trennwand 2 angesehen werden, die Diskontinuitäten aufweist. In der Begrenzungswand 1, die im vorliegenden Beispiel einen quadratischen Querschnitt hat, werden durch eckige Einbuchtungen 6 und kreisförmige Einbuchtungen 7 Verengungen erzeugt. Die Verengungen bilden zusammen mit der Trennwand 2 einen zuerst sich einengenden und dann erweiternden Raum in Richtung der Strömung. In F i g. 5 ist eine Einrichtung dargestellt, die durch zwei zueinander senkrechte Trennwände 2 in vier Raumteile aufgeteilt ist.
In F i g. 6 sind die Trennwände 2 in einer Schraubenform angeordnet, deren Achse einen bestimmten Winkel mit der Längsachse einschließt. So haben die Trennwände 2 zu einer über die Längsachse gelegten, vorgewählten Ebene a-b einen ständig ändernden Winkel. Die aufeinander folgenden Trennwände 2 haben eine gegensinnige Schraubenform. Die Enden der Trennwände 2 sind mit einem vorgegebenen Winkel gegenüber dem Beginn der nächsten Trennwand 2 verdreht angeordnet. In F ι g. 7 sind in sich schließende Trennwände 8 dargestellt, die durch die Trennwände 2 gehen und einengende oder sich erweiternde Raumteile bilden. Diese Trennwände 8 sind im Gegensatz zu den Trennwänden 2 unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel angeordnet.

Bei der Arbeit der Einrichtung bewegen sich die Elemente und die Einrichtung selbst nicht. In der Einrichtung strömen mindestens zwei Mittel. Diese zwei Mittel können aus dem gleichen Material sein. Sie haben in diesem Falle in irgendeinem physischen Kennwert einen Unterschied (z. B. in bezug auf die Temperatur). In der Zeichnung sind meistens zwei Mittel dargestellt und mit A und B gekennzeichnet. Die Mittel A und B strömen in die Einrichtung — wie durch die Pfeile gezeigt — hinein. Am anderen Ende der Einrichtung tritt ein vollkommen durchgemischtes Mittel AB aus.

Die Anwendung des Verfahrens und der Einrichtung wird im folgenden durch Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

In die Einrichtung werden Luft mit einem Ammoniakgehalt von 4 Vol.-% und einer Temperatur von 25° C und eine Ammoniakflüssigkeit mit einer Konzentration von 0,05 Kmol/m³ und einer Temperatur von 20° C unter atmosphärischem Druck eingeführt. Der Einrichtung können dann Luft mit einem Ammoniakgehalt von 0,8 Vol.-% und ein Salmiakgeist mit einer Konzentration von 0,25 Kmol/m³ entnommen werden.

Die Menge /der in die Einrichtung eintretenden wäßrigen Lösung entspricht dem l,3fachen des prinzipiellen Wertes I_mm nach der Materialbilanz. Die mittlere Treibkraft beträgt c=2100f_a. Die Materialübergabekonstante hat bei einer Gasgeschwindigkeit von v=2m/s einen Wert von 1,7 —1,75 Kmol/m²h. Das Austrittsgas hat eine Temperatur von 25° C und das Austrittswasser eine Temperatur von 21 °C.

In einer Raschig-Ring-Füllung sind unter den gleichen Umständen die Menge der Eintrittslösung /=2,17/„,,„, die mittlere Treibkraft c=1400 P_a, die Materialübergabekonstante bei einer Gasgeschwindigkeit von v= 2 m/s/?= 0,9— 1 Kmol/m²h, und die Temperatur des Austrittsgases 32° C.

In einer Einrichtung mit Sulzer-Einsatz unter noch immer gleichen Umständen: /=1— 6/_m,„, c= 1700 P_d, ß= 1,2 Kmol/m²h. ί_ΛιΒ,,«,*.« = 31 -32°C.

Bei konstanten Fördermengen von Lösung-Gas-Mischung ist der Wert des Absorbtionsfaktors bei Eintrittskonzentrationen, Temperatur und Druck wie oben, wie folgt:

bei Raschig-Ring-Füllung

bei Sulzer-Einsatz
bei der Erfindung

75-76%
φ 84-85%
φ = 91-92%.

Beispiel 2

Die Homogenisierung von Zylinderölen aus zwei Behältern mit einer Dichte von 95=920—940 kg/m³, einer Viskosität von ä?= 17 — 18 kp/mp wird in einer Einrichtung nach der Erfindung gemäß den Fig. 1, 2 oder 4 ausgeführt, wobei die Anordnung der Trennwände den Fig. la oder Ib entspricht Zum Erreichen einer vorgegebenen Homogenität wird bei einer Mischung in einem leeren Rohr eine Leistung von 5 W pro 1 m Rohrlänge, in der statischen Mischeinrichtung gemäß der US-PS 32 86 992 1 bis 1,1 W, in der Einrichtung nach der Erfindung jedoch nur 0,7 W für eine bestimmte Stoffmenge benötigt.

Beispiel 3
Zur Herstellung eines Schönheitsmittels wird eine stabile Emulsion aus einem wäßrigen Mittel mit einer Viskosität von ^=l,1cp und einer Temperatur von 30°C, aus einem anderen Fettmittel mit einer Viskosität von ?/=70cp und einer Temperatur von 70°C und aus einem Zuschlagstoff im auf Raumtemperatur Festzustand gebildet. Die Viskosität der Lösung beträgt bei dieser Temperatur 138 cp.

Die Emulsion wird in einer Einrichtung hergestellt, die z. B. gemäß Fig. 6 ausgebildet ist. Die Anordnung der Trennwände entspricht z. B. der Ausbildung in Fig. Ic. Den Mengenverhältnissen entsprechend werden die wäßrige Fase in den ersten, dritten und fünften Sektor, die Fettfase in den zweiten, vierten und sechsten Sektor eingeführt. Zur Erzielung einer Emulsion mit gleicher Homogenität und Stabilität müssen in einem 4 m langen leeren Rohr Ae=IOOO erreicht werden. In einer Einrichtung gemäß US-PS 38 71 624 genügen bei der gleichen Rohrenlänge Re=IO-20. In der erfindungsgemäßen Einrichtung muß der /?e-Wert nur 6—10 betragen.

Bei einem Wert von Re- 1000 ist nach der Erfindung schon eine Rohrenlänge von 0,8—1 m ausreichend. Mit der Einrichtung nach der Erfindung kann die gleiche Wirkung mit 8—10 Elementen erreicht werden. Bei der Einrichtung nach der US-PS 39 18 688 werden 10-12 Elemente benötigt.

Bei einem Wert von Re-1000 ist die für die Wärmeübergabe charakteristische Nu-Zahl in einem leeren Rohr /Vu=6—7, bei den vorbekannten statischen Mischern Nu=30, bei der erfindungsgemäßen Einrichtung Nu=36 -40.

Beispiel 4

Aus einem 50%-Azeton wird das Azeton durch Chlorbenzol extrahiert (z. B. mit der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig.3 oder 7 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 —1,3 cm/s). Die Austrittskonzentration des Azeton beträgt 20%.

In einer mit Raschig-Ringen gefüllten Säule beträgt der Wert der Materialübergabekonstante 0.5—1.0 cm/s. In der erfindungsgemäßen Einrichtung beträgt dieser Wert 2,2-5,6 ■ 10-³cm/s. Dieser Wert kann z.B. mit einer Einrichtung nach F i g. 7 erreicht werden.

Beispiel 5

In einer erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig. 5 strömt Wasser mit einer Geschwindigkeit von 0,5—2 m/s. In einem in Fig. 5 nicht gezeigten äußeren Mantel wird Wasserdampf mit einer Geschwindigkeit von 5—10 cm/s eingeleitet Mit dem konventionellen Rohr-im-Rohr-System kann lediglich eine Wärmeübergabekonstante von K = 200—600 Kcal/m²hC° erzielt werden. Mit den vorbekannten statischen Mischern wird K= 1000-1200 Kcal/m²hC° erreicht. Mit der Einrichtung gemäß F i g. 5 werden dagegen K =1200 -1500 Kcal/m²hC° erreicht
In einen Rippenwärmeaustauscher wird Wasserdampf in einen äußeren Mantel Luft eingeleitet. Mit einer derartigen Anordnung wird eine Wärmeübergabekonstante von 10—50 Kcal/m²hC° erreicht. Mit den vorbekannten statischen Mischanlagen wird K = 80-150Kcal/m²hC° erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird dagegen ein /C--=80-225 Kcal/m²hC° erzielt

Mit Hilfe der Beispiele wurde die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung nä-

her erläutert. Wie daraus hervorgeht, kann die Anwendung sehr vielfältig sein und eine Vielzahl von Gebieten betreffen, d. h. nicht nur in den als Beispiele erwähnten Fällen angewendet werden. Erfindungsgemäß werden wegen der größeren Berührungsfläche, der gesteigerten 5 Wärmeübergabe und der verbesserten Scherwirkung günstigere Betriebsparameter als bei vorbekannten Einrichtungen erreicht. Für ein gleiches Ergebnis genügt erfindungsgemäß eine erheblich kleinere Rohrlänge. An den Begrenzungs- und Trennwänden bildet sich erheb- 10 lieh weniger Absatz.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen ^

i5

20

25 30

35

40

45

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Mischen von Stoffen in einem statischen Mischer, bei dem die Strömung der dem Mischer zugeführten Stoffe in mindestens zwei voneinander getrennte Teilströme unterteilt wird, wobei die Summe der Querschnitte der Teilströme im wesentlichen gleich dem Gesamtquerschnitt der Strömung vor ihrer Unterteilung oder kleiner als dieser ist und wobei die Teilströme nach Austritt aus einer zur Achse des Mischers senkrecht stehenden Ebene wieder vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Unterteilung mindestens einer der Teilströme gegenüber mindestens einem anderen Teilstrom beschleunigt oder verzögert wird und daß die Teilströme mit unterschiedlicher Geschwindigkeit derart vereinigt werden, daß vom Teilstrom mit der größeren Geschwindigkeit auf den unmittelbar benachbarten Teilstrom mit der kleineren Geschwindigkeit eine Saugwirkung ausgeübt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Stoffen auch eine von der Hauptströmungsrichtung in Achsenrichtung abweichende, im Extremfall eine annähernd senkrechte Strömung mindestens in einem Teil des Intervalles der gegensinnigen Geschwindigkeitsänderung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hauptströmungsrichtung abweichende, im Extremfall senkrechte Strömung am Ende des Intervalles der gegensinnigen Geschwindigkeitsänderung oder danach variiert erzeugt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem langgestreckten Gehäuse, in das die zu vermischenden Stoffe eingeleitet werden, mit mindestens einer Trennwand zum Unterteilen des Strömungsqueischnittes des Gehäuses in mindestens zwei voneinander getrennte Fließkanäle, wobei die Summe der Querschnitte der Fließkanäle im wesentlichen gleich dem Gesamtquerschnitt der Strömung vor ihrer Unterteilung oder kleiner als dieser ist, die Trennwand in einer zur Achse des Gehäuses senkrecht stehenden Ebene endet und dort die Fließkanäle wieder vereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand und/oder die Innenwandung des Gehäuses so angeordnet bzw. ausgebildet sind, daß die Querschnitte der Fließkanäle sich in Fließrichtung vereinigen oder erweitern.

5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand zumindest im Bereich eines Trennwandstückes (2) gegenüber der Längsachse und/oder einer über die Längsachse gelegten vorgewählten Ebene (a-b) oder den Begrenzungswänden (1) um die Längsachse zumindest teilweise variiert einen spitzen oder einen stumpfen Winkel einschließt.

6. Mischer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand bzw. die Trennwände eine Diskontinuität (5) aufweisen.

7. Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskontinuität (5) der Trennwand bzw. Trennwände (2) in Form von perforierten Löchern ausgeführt ist.

8. Mischer nach Anspruch 6. dadurch gekenii-

zeichnet, daß die Diskontinuität (5) der Trennwand bzw. Trennwände (2) in Form von Löchern eines Siebgewebes ausgeführt ist.

9. Mischer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer schraubenförmigen Trennwand (2) versehen ist, die zur Längsachse variiert einen stumpfen oder spitzen Winkel und zu einer über die Längsachse gelegten vorgewählten Ebene (a-b) einen ständig ändernden Winkel aufweist.

Ί0. Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer in entgegengesetzter Richtung gedrehten schraubenförmigen Trennwand (2) versehen ist.

11. Mischer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Trennwänden (2) versehen ist, die zumindest teilweise im Bereich ihres Endes unter einem vorgegebenen Winkel versetzt sind.

12. Mischer nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer zum Teil in sich geschlossenen, jeweils einen selbständigen Raumteil abgrenzenden Trennwand (8) versehen ist.

13. Mischer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit in sich geschlossenen Trennwänden (8) versehen ist, die zur Längsachse oder gegenüber einer über die Längsachse gelegten vorgewählten Ebene (a-b) oder gegenüber der Begrenzungswand (1) um die Längsachse zumindest teilweise variiert und gegensinnig einen stumpfen oder spitzen Winkel einschließen und einen sich verengenden oder erweiternden Raumteil bilden.