DE3226420A1

DE3226420A1 - Vorrichtung zum homogenen mischen von gasen, fluessigkeiten und feststoffen in ein- oder mehr-phasigen systemen

Info

Publication number: DE3226420A1
Application number: DE19823226420
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: CEM INGENIEURGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: CEM INGENIEURGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 1982-07-15
Filing date: 1982-07-15
Publication date: 1984-01-26
Also published as: DE3226420C2

Description

VORRICHTUNG ZUM HOMOGENEN MISCHEN
VON GASEN, FLÜSSIGKEITEN UND FESTSTOFFEN IN EIN- ODER MEHR-PHASIGEN SYSTEMEN.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Mischungen fließfähiger Stoffe wie Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe in ein- oder mehr-phasigen Systemen mit Hilfe von in Rohrleitungen einzubauenden Mischelementen.
In der Technik sind Vorrichtungen analog der Erfindung bekannt als sogenannte "Statische Mischer". In den meisten Fällen bestehen derartige Mischer aus in Rohrleitungen angeordneten Einbauteilen.
Die Wirkung dieser Mischer beruht in der Regel auf Strömungsteilung der zu mischenden Phasen, derart, daß ein Hauptstrom in mehrere Teilströme getrennt wird, diese verformt und gegeneinander versetzt wieder zusammengeführt werden.
Die Strömungsteilung kann so oft wiederholt werden bis ein gewünschter Mischeffekt erreicht ist.
Die in der Literatur beschriebenen Vorrichtungen haben unter anderem folgende Ausführungen: In der DOS 2525020 ist eine Vorrichtung beschrieben, in der Mischelemente gleicher Raumform in einem zylindrischen Rohr aneinandergereiht sind. Jedes von ihnen besteht aus einer inneren und äußeren Leitfläche.
Die äußere Leitfläche liegt dabei mit ihrer Kante an der Rohrinnenkante weitgehend an und ist mit einer zentralen Durchtrittsöffnung versehen. In dieser Durchtrittsöffnung ist die innere Leitfläche so angeordnet, daß die gemeinsame Querachse beider Leitflächen senkrecht zur Rohrachse liegt, wobei beide Leitflächen einen Winkel bilden.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung sind die Mischelemente jeweils paarweise mit den Leitflächen einander zugewandt und um die Rohrachse um 1800 zueinander versetzt angeordnet. Dabei steht eine äußere Leitfläche einer inneren gegenüber.
Weiterhin sind statische Mischer bekannt, die aus räumlich versetzt und schräg angeordneten Teilungsrohrstücken innerhalb eines Hüllrohres bestehen.
Andere Bauformen von Mischelementen sind plattenförmige Einbauten mit rechteckigen Nuten und konischen Bohrungen.
Bekannt sind ferner Mischer mit abwechselnd links- und rechtsgängigen Wendeln mit einem Verdrillungswinkel von 1800.
Weitere Mischer enthalten z. B. jeweils 4 verdrillte Leitbleche, abwechselnd links- und rechtsgängig auf einem Innenkörper verschweißt.
Außerdem werden Mischer benutzt, die aufeinandergeschichtete Lamellen mit offenen, sich kreuzenden Kanälen aufweisen.
Eine andere Ausführungsform dieser Mischer besteht aus einem Gerüst gegeneinander geneigter Leitflächen (Stege), deren Hauptachse einmal senkrecht, zum anderen unter einem Winkel zur Rohrachse stehen.
Alle vorgenannt beschriebenen Mischer besitzen als gemeinsames Merkmal Einbauteile, die eine Teilung der zu mischenden Ströme bewirken, wobei die Teilungselemente (Wellplatten, Rohrstücke, Wendel, Kreuzstege, Leitflächen u. ä..) in allen Fällen die Hauptachse des einhüllenden Rohres kreuzen, bzw.
um diese gruppiert sind.
Die sich aus diesem Systemaufbau ergebenden Nachteile sind hoher Druckverlust über das Rohrsystem mit dem damit verbundenen hohen Energieaufwand und Verstopfungsgefahr bei der Behandlung korn- und faserhaltiger Medien.
Demgegenüber erbringt die vorliegende Erfindung bei kurzer Bauweise die vorgeschriebene Homogenität der zu mischenden Medien mit geringerem Energieaufwand bzw. Druckverlust im Mischsystem und schließt Verstopfungen weitestgehend aus.
Erfindungsgemäß wird dies durch Freihalten der Bereiche der Längsachsen der Mischelemente von Einbauteilen bewirkt.
(Figuren 1 und 4) Die Erfindung sieht die Anordnung von Mischorganen in Form von Teilungsflügeln vor, die aus einem Hauptflügel und einer entsprechend der Mischaufgabe zu wählenden Anzahl von Leitflügeln bestehen.
(Figur 2: Beispiele für die Anordnung von Teilungsflügeln) Innerhalb eines Gehäuses beliebigen Querschnittes sind die Teilungsflügel gehäuseseitig angebracht und in einem geeigneten Winkel zur Mittelachse des Mischergehäuses angestellt.
(Figuren 1 und 3) In ihren Breiten sind sie so aufeinander abgestimmt, daß ein außermittig liegender, freier Durchgang in Strömmungsrichtung besteht (Figuren 1, 2, 4).
Die Summe der Breiten von je zwei Flügeln, wobei der Hauptflügel die größte Breite hat, ist immer kleiner als der Innendurchmesser des Mischergehäuses. Die Breiten und Längen, die Anzahl und der Anstellwinkel der Teilungsflügel und damit die Form und Größe des außermittigen freien Durchgangs können den jeweiligen Betriebsbedingungen entsprechend gewählt werden (Figuren 2, 3, 4).
Die Form der Teilungsflügel ist vorzugsweise viereckig. Für die Behandlung von faserhaltigen Medien haben die Teilungsflügel strömmungsgünstige Profile, bzw. sind sie an der Einströmseite abgerundet oder abgeschrägt.
Die Teilungsflügel sind zu einem Mischelement zusammengefügt, das der Innenform des Mischergehäuses entspricht. Die angestellten Teilungsflügel bilden im Winkel zur Mischgehäuseachse verlaufende Strömmungskanäle (Figuren 3, 4).
Bedingt durch die angestellten Teilungsflügel verengt sich der außermittige freie Durchgang vom Eingang bis zur Mitte des Mischelements und erweitert sich wieder bis zu dessen Ausgang.
Die Querschnittsformen der Strömmungskanäle und des außermittigen freien Durchganges wechseln auf dieser Strecke jeweils in ihr Spiegelbild (Figur 5: Beispiel eines 3-flügligen Mischelementes) Die zu mischenden Medienströme beliebiger Anzahl werden in den Mischelementen entsprechend der Anzahl der Teilungsflügel in Teilströme zerlegt.
Bedingt durch die Anstellung der Teilungsflügel bildet sich in der Mischeinheit zusätzlich zu den Teilungen eine rotierende Strömung aus, die den Drehsinn der Anstellung hat.
In den durch die Teilungsflügel gebildeten Kanälen mit sich von der Eintritts- zur Austrittsseite der Mischelemente zum Spiegelbild ändernden Querschnitten, dem sich verengenden und erweiternden, wendelartigen freien Durchgang werden durch einen als Walkprozeß zu bezeichnenden Vorgang Querströme erzeugt, die in Verbindung mit dem Teilungseffekt und der Rotation eine intensive Mischung der Einzel ströme bewirken.
Die Ausbildung des Strömungsverlaufes innerhalb eines dreiflügligen Mischelementes ist aus der Darstellung in Figur 1 zu ersehen.
Die Mischelemente sind zu Mischeinheiten zusammengebaut.
Dabei sind sie jeweils gleichlaufend rechts bzw. links angestellt und um einen der Mischaufgabe angepassten Winkel gegeneinander verdreht angeordnet (Figur 3: Abwicklung von 3-flügligen Mischelementen).
Die außermittigen freien Durchgänge der Mischelemente bilden dadurch eine mit der Anstellung laufende Wendel mit im Wechsel kleiner und größer werdenden Querschnitten (Figuren 5 und 6).
Wenn der Mischprozess es erfordert, sind im Wechsel rechts/ links angestellte Mischelemente zu einer Mischeinheit zusammengebaut.
Die Mischeinheit ist in das Mischergehäuse eingesetzt und dort gegen axiale und radiale Verschiebungen gesichert.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Mischelemente und deren Zusammenbau zu Mischeinheiten bringt technische und wirtschaftliche Vorteile durch den einfachen Aufbau der Mischelemente und deren große Variationsmöglichkeiten zum Anpassen an den Mischprozess.
Die Mindestanzahl der Teilungen (Teilungszahl ZT) der zu mischenden Medienströme in einer Mischeinheit (Mischstrecke) ergibt sich aus der Formel ZT = FN . 2(N-1) darin bedeuten F = Anzahl der Teilungsflügel pro Element N = Anzahl der Mischelemente je Mischstrecke.

Für F von 1 bis 7 und N von 1 bis 10 ergeben sich die in TABELLE I aufgeführten Teilungszahlen.

F = 1 2 3 4 5 6 7
N =
1 1 2 3 4 5 6 7
2 2 8 18 32 50 72 98
3 4 32 108 256 500 864 1372
4 8 128 648 2048 5000 10368 19208
5 16 512 3888 16348 50000 124416 268912
6 32 2048 23328 131072 500000 1,493 # 106 3,765 # 106
7 64 8129 139968 1,048 # 106 5 # 106 17,916 # 106 52,7 # 106
8 128 32768 839808 8,389 # 106 50 # 106 215,0 # 106 737,9 # 106
9 256 131072 5,039 # 106 67,109 # 106 500 # 106 2,58 # 109 10,33 # 109
10 512 524288 30,233 # 106 536,87 # 106 5 # 109 30,96 # 109 144,6 # 109

TABELLE I: Teilungszahlen (ZT) für F von 1 bis 7 und N von 1 bis 10 F = Anzahl der Teilungsflügel pro Element N = Anzahl der Mischelemente je Mischstrecke Daraus ergeben sich für Mischeinheiten mit großen Durchmessern bei Einsatz von vielflügligen Mischelementen niedrige Investionskosten durch kostensparende kurze Bauweise.

Durch Versuche wurde nachgewiesen, daß das Verhältnis der Druckverluste von Leerrohr zu Mischrohr durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Mischelemente wesentliche Vorteile durch geringen Energieaufwand (= Druckverlust) für den Mischvorgang bringt (gemäß Seite 9, Tabelle II). DURCHFLUSS- DURCHFLUSS- REYNOLDS- DRUCKVERLUST DRUCKVERLUST DRUCKVERLUST VOLUMEN GESCHWINDIGKETT ZAHL bei 3 Elementen bei 6 Elementen bei 10 Elementen V (m3/h) U (m/s) Re p(10-3 mbar) p(10-3 mbar) p(10-3 mbar) L M L M L M 1,5 0,163 9291 9,6 30,0 18,5 73,8 30,3 147,5 1,25 0,136 7743 7,0 21,8 13,5 53,8 22,1 107,6 1,0 0,109 6194 4,8 14,9 9,2 36,6 15,0 73,2 0,8 0,087 4955 3,2 10,1 6,2 25,0 10,2 49,9 0,4 0,044 2478 1,0 3,1 1,9 7,7 3,1 15,3 0,2 0,022 1239 0,3 0,9 0,5 2,1 0,9 4,3 0,1 0,011 619 0,1 0,4 0,3 1,1 0,4 2,1 L = Leerrohr pM M = Mischer = 3,12 3,99 4,87 PL TABELLE II: DRUCKVERLUSTE BEI 3, 66 UND 10 ELEMENTEN

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Mischen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen in ein- oder mehrphasigen Systemen dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung durch gehäuseseitig angebrachte und zur Längsachse des Mischergehäuses angestellte Teilungsflügel erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsflügel nach Anspruch 1 aus Leit- und/oder Hauptflügeln bestehen, wobei deren Anzahl entsprechend der Problemstellung frei gewählt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die Summe der Breiten von je 2 Flügeln nach den Ansprüchen 1 und 2 immer kleiner ist als der Innendurchmesser des Mischergehäuses.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Anordnung der Teilungsflügel entsprechend den Ansprüchen 1 bis 3 ein außermittig liegender, freier Durchgang im Mischelement besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der außermittig liegende, freie Durchgang im Mischelement nach den Ansprüchen 1 bis 4 sich vom Eingang bis zur Mitte des Mischelementes verengt und sich wieder bis zu dessen Ausgang erweitert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die gewählte Anstellung der Teilungsflügel nach den Ansprüchen 1 bis 5 die Querschnittsformen der durch die Teilungsflügel gebildeten Strömmungskanäle und des außermittig liegenden freien Durchganges im Mischelement von der Eintrittszur Austrittseite jeweils in das Spiegelbild wechseln und daß dadurch die strömenden Medien einem walkartigen Vorgang unterliegen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand durch die Wahl des Anstellwinkels eingestellt werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Gegebenheiten entsprechend Anspruch 6 Querströme erzeugt werden, die den Mischeffekt der nach Ansprüchen 1 bis 7 gekennzeichneten Teilungsflügel intensivieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von faserigen Stoffen die Teilungsflügel an der Einströmseite strömungsgünstig ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente nach den Ansprüchen 1 bis 9 in ihrer Form, Länge und Durchmesser derart gestaltet werden, daß sie für Vorgänge innerhalb von Reaktionssystemen, Destillations- und Rektifikations-Kolonnen, Absorber- und Desorber-Systemen und dergleichen eingesetzt werden können.

Dabei können einzelne Elemente in beliebiger Anzahl auf geeigneten Stützkonstruktionen geordnet oder ungeordnet in beliebigen Stufen angebracht werden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente gemäß Ansprüchen 1 bis 9 in ihrer Form, Länge und Durchmesser derart gestaltet werden, daß sie in Wärmeaustauschern zur Verbesserung des Wärmeüberganges eingesetzt werden können.