DE3330456A1

DE3330456A1 - Vorrichtung zum mischen von zwei oder mehr komponenten in einem fluessigkeitsstrom

Info

Publication number: DE3330456A1
Application number: DE3330456A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.-Ing. 4300 Essen Hohenhinnebusch
Original assignee: SCHWELM VERWALTUNGS GmbH
Current assignee: SCHWELM VERWALTUNGS GmbH
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1985-03-14

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten in einem Flüssigkeitsstrom, - mit

im wesentlichen zylindrischem Mischbehälter, in der Mischbehälterachse angeordneter Rührerwelle, im Bodenbereich des Mischbehälters angeordnetem Rührkreuz und zumindest einem Stromstörer,

wobei sich oberhalb des Rührkreuzes eine Drallströmung mit in der Mischbehälterachse liegendem Zentrum und einer Höhe H ausbildet und der durch die Mischbehälterwand eingeführte Stromstörer in die Drallströmung im wesentlichen radial hineinragt. Zumeist sind mehrere, über den Umfang des Mischbehälters äquidistant verteilte Stromstörer, z. B. deren drei, vier oder fünf, vorgesehen. Es mag sich um die Mischung zweier Flüssigkeiten oder um die Mischung einer Flüssigkeit mit einer Feststoffkomponente oder mehrere Feststoffkomponenten handeln, wobei während der Mischung stets auch eine Begasung erfolgen kann.

Bei den (aus der Praxis) bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen ist der Stromstörer ein zylindrischer Finger oder ein ebenes fingerförmiges Flachstahlelement. Der Stromstörer bewirkt keine Abschälung eines Teiles der Drallströmung. Hinter dem Stromstörer bilden sich in der Drallströmung vielmehr der Drallströmung überlagerte, Kärmänsche Wirbelstraßen. Man erwartet, daß deren Turbulenzballen Durchmischung der Komponenten in dem Flüssigkeitsstrom bewirken. Eine Drallströmung ist jedoch ein sehr stabiles, hydrodynamisches

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Phänomen. Die sich ausbildenden Wirbelstraßen machen die Drallströmung nicht instabil, sie bewirken vielmehr lediglich eine Störung in der Drallströmung. Zwar kann auf. diese Weise eine intensive Durchmischung erzielt werden, der Mischvorgang ist jedoch zeit- und damit energieaufwendig. Definiert man einen Durchmischungswirkungs- j grad. aus Quotient der aufgewandten zur durchmischungswirksamen Energie, so ist der Durchmischungswirkungsgrad gering, obgleich es · sich bei einem Mischvorgang grundsätzlich um einen thermodynamischen . Vorgang mit Entropiezunahme handelt, der gleichsam von selbst ablaufen müßte. Die Mischzeit und damit der Energieaufwand hängen im übrigen von der Viskosität und anderen physikalischen Parametern des Flüssigkeitsstromes ab. .

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung so' weiter auszubilden, daß bei reduziertem Energie- und Zeitaufwand eine intensive Durchmischung erreicht wird, und zwar selbst dann, wenn es sich um einen Flüssigkeitsstrom verhältnismäßig hoher Viskosität handelt.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß der Stromstörer als eine Schälschaufel ausgebildet ist, die in einer solchen Entfernung vom Boden des Mischbehälters angeordnet ist, daß die Schälschaufel aus der Drallströmung eine Teilströmung abschält, die zumindest etwa 1/5 bis 1/2 der Höhe H der Drallströmung ausmacht, und daß die Schälschaufel in ihren Querschnitten orthogonal zur Schälschaufelachse eine durchlaufende oder veränderliche Krümmung aufweist, deren Krümmungsachse im wesentlichen radial verläuft und die ihrerseits eine umlaufende Mischströmung mit hauptsächlich radialem Kern erzeugt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Mischung durch eine Kreuzung von energiereichen Drallströmungen, nämlich durch eine Kreuzung der axialen

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Drallströmung, die das Rührkreuz erzeugt, mit der gleichsam radialen Drallströmung, die an der Schälschaufel oder an den Schälschaufeln entsteht. Das ist im Ergebnis eine Stoff austausch und damit ein Stoffaustadsch im Kreuzstrom. Das gleichsam abgeschälte Volumen des Flüssigkeitsstromes wird im Bereich von 1/5 bis 1/2 der Höhe H der Drallströmung vorzugsweise so gewählt, daß nicht nur eine Störung der ursprünglichen, axialen Drallströmung erfolgt,, die deren Stabilität nicht beeinträchtigt, sondern vielmehr hydrodynamisch instabile Verhältnisse eintreten. Das bewirkt eine innige Durchmischung in Mischzonen, in denen sich die Energie der beiden Drallströmungen in ein Spektrum homogener, weitgehend isotroper Turbulenz umsetzt, indem alle Komponenten wirksam durchmischt werden. Man kommt daher mit kleinen Mischzeiten und geringem Energieaufwand zum angestrebten Mischeffekt. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß die Schälschaufel aus der Drallströmung eine Teilströmung abschält, die im Bereich der Schälschaufel nach oben (d. h. vom Rest der Drallströmung weg) gerichtet ist, wobei sich oberhalb der Schälschaufel ein Kreuzstrom-Mischbereich ausbildet. Nach einem anderen Vorschlag der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Schälschaufel aus der Drallströmung eine Teilströmung abschält, die im Bereich der Schälschaufel nach unten Cd. h. zum Rest der Drallströmung hin) gerichtet ist, wobei sich unterhalb der Schälschaufel ein Kreuzstrom-Mischbereich ausbildet. Es versteht sich, daß man zur Reduzierung des Strömungswiderstandes der Schälschaufel zweckmäßigerweise ein tragflügelartig stromlinienförmiges Profil verleiht.

Wie weit die Schälschaufel in die von dem Rührkreuz erzeugte Drallströmung und damit in den Querschnitt des Mischbehälters hineinragt,

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; hängt von den physikalischen Bedingungen insgesamt, insbesondere - auch von der Viskosität des Flüssigkeitsstromes, ab. Eine" bevorzugte i Ausführungsform der Erfindung, die sich in der Praxis bei den ver- ^;. schiedensten Betriebsbedingungen bewährt, hat, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schälschaufel über eine Länge, die etwa 1/4 bis 1/2 . der Radiuslänge des Mischbehälters entspricht, in den Mischbehälter ; hineinragt. Die Schälschaufel kann in ihrer Längsrichtung und/oder ι Krümmungsrichtung wellenförmig ausgebildet sein. Im Rahmen der i Erfindung liegt es, die Anordnung so zu treffen, daß die Schälschaufel ι zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen um ihre Achse ! geschwenkt oder gegebenenfalls auch unterschiedlich weit in den ¹ Mischbehälter hineingeführt werden kann.

j Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Aus-

: führungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es

: zeigen in schematischer Darstellung
j

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine zum Stand der Technik gehörende ; Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten in

^: einem Flüssigkeitsstrom,

Fig. 2 entsprechend der Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 2,

Fig. 4 in gegenüber den Fig. 1 bis 3 vergrößertem Maßstab Schnitte Al/Al, A2/A2 und" A3/A3 durch den Gegenstand nach der Fig. und

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Fig. 5 entsprechend, der JFig. 4 Schnitte durch eine andere Aus-

führungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung dient zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten in einem Flüssigkeitsstrom. Zur Vorrichtung gehören . .

ein im wesentlichen zylindrischer Mischbehälter 1,

eine in der Mischbehälterachse 2 angeordnete Rührerwelle 3,

ein im Bodenbereich des Mischbehälters 1 angeordnetes Rührkreuz 4j und .

zumindest ein Stromstörer 5.

Der beschriebene Aufbau führt ohne weiteres dazu, daß sich oberhalb des Rührerkreuzes 4 eine Drallströmung 6 mit in der Mischbehälterachse 2 liegendem Zentrum und einer Höhe H ausbildet. Diese Verhältnisse sind in der Fig. 1 angedeutet worden. Die Drallströmung 6 rotiert, wie es die ausgezogen gezeichnete Schlangenlinie andeutet. Die Drallströmung 6 führt dazu, daß sich im zeitlichen Mittel auch Strömungs Verhältnisse ausbilden, wie sie in der Fig. 1 strichpunktiert angedeutet worden sind und zu denen gehört, daß der Flüssigkeitsstrom einerseits im äußeren Bereich des Mischbehälters von unten nach oben und im Zentrum zurückströmt. Es bildet sich mit anderen Worten ein sogenannter Kranzwirbel aus.

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^! Durch die Mischbehälterwandung 7 sind im Ausführungsbeispiel vier : Stromstörer 5 in die Drallströmung 6 eingeführt, die in diese im

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wesentlichen radial hineinragen. Die Stromstörer 5 sind in besonderer Weise, nämlich als Schälschaufel ausgebildet. Sie sind in einer solchen Entfernung vom Boden 8 des Mischbehälters angeordnet, daß die Stromstörer 5 aus der Drallströmung eine Teilströmung 9 abschälen, die zumindest etwa 1/5 bis 1/2, im Ausführungsbeispiel etwa 1/3 der Höhe H der Drallströmung 6 ausmacht. Die Schälschaufeln 5 sind ihrerseits in ihren Querschnitten orthogonal zur Schälschaufelachse 10 mit einer Krümmung versehen. Dazu wird insbesondere auf die Fig. 4 und 5 verwiesen. Man erkennt, daß die Krümmungsachse 11 im wesentlichen radial verläuft, wodurch erreicht wird, daß an den Schälschaufeln 5 eine zusätzliche, als Drallströmung umlaufende <

Mischströmung 12 entsteht, die jedoch einen hauptsächlich radialen Kern 13 aufweist. In der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 4 ist die Anordnung so getroffen, daß die Schälschaufeln 5 aus der Drallströmung eine Teilströmung 9 abschälen, die im Bereich der Schälschaufeln 5 nach oben, d. h. vom Rest der Drallströmung 6 weg, gerichtet ist. Das hat zur Folge, daß sich oberhalb der Schälschaufeln 5 ein Kreüzstrom-Mischbereich 14 ausbildet, in dem zwei Drall- . strömungen 6, 9 miteinander gekreuzt sind, die Drallströmungen 6,, 9 ihre Stabilität verlieren und sich eine Mischströmung 1-2 mit Turbulenzballen einstellt, die ein mehr oder weniger homogenes, isotropes Spektrum aufweisen. Man kann aber das Abschälen auch gleichsam nach unten hin vornehmen, wozu auf die Fig. 5 verwiesen wird. Man erkennt, daß hier die Schälschaufeln 5 aus der Drallströmung 6 eine Teilströmung 9 nach unten hin lenken, wobei sich unterhalb der Schälschaufeln 5 ein Kreuzstrommischbereich 11 ausbildet. In diesem Falle wird man die Schälschaufeln 5 möglichst weit nach oben verlagern. Über ihre Länge besitzen die Schälschaufeln 5 unterschiedlich Krümmung, im übrigen sind sie zur Reduzierung des Strömungswiderstandes aerodynamisch günstig, d. h. mehr oder weniger tragflügeiförmig, profiliert. ■

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Claims

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte 333045 Diplom-Physiker Dr. Walter Andreiewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch '.Anwaltsakte: 60 .507/Fe- 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 12. Juli 1983 Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung fiitiii»..-..· .'·■*/·■·"■■■ Schweim Verwaltungs-GmbH Loher Straße 1 - 5830 Schweim Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten in einem Flüssigkeitsstrom Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten in einen Flüssigkeitsstrom, - mit

wobei sich oberhalb des Rührkreuzes eine Drallströmung mit in der Mischbehälterachse liegendem Zentrum und einer Höhe H ausbildet unc durch die Mischbehälterwand eingeführte Stromstörer in die Drallströn

ORIGINAL INSPECTED

BAD ORIGINAL

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wesentlichen radial hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromstörer als Schälschaufel (5) ausgebildet, ist

und in einer solchen Entfernung vom Boden (8) des Mischbe- . : hälters (1) angeordnet ist, daß die Schälschaufel (5) aus der Drallströmung (6) eine Teilströmung (9) abschält, die zumindest etwa 1/5 bis 1/2 der Höhe H der Drallströmung (6) ausmacht,

und daß die Schälschaufel (5) in ihren Querschnitten orthogonal zur '· Schälschaufelachse (10) eine durchlaufende oder veränderliche Krümmung aufweist, deren Krümmungsachse (11) im wesentlichen radial verläuft und ihrerseits eine umlaufende Mischströmung (12) mit hauptsächlich· radialem Kern (13)·erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schälschaufel (5) aus der Drallströmung (6) eine Teilströmung (9) abschält, die im Bereich der-Schälschaufel (5) nach oben (d. h. vom Rest, der Drallströmung (6) weg) gerichtet ist, wobei sich oberhalb der Schälschaufel (5) im großen ein Kreuzstrom-Mischbereich (14) ausbildet; der im kleinen aus einer Vielzahl von Turbulenzballen besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schäl schaufel (5) aus der Drallströmung (6) eine Teilströmung (9) abschält, die im Bereich der Schälschaufel (5) nach unten (d. h. zum Rest der Drallströmung (6) hin) gerichtet ist, wobei sich unterhalb der Schälschaufel (5) im großen ein Kreuzstrom-Mischbereich (14) ausbildet, der aus einer Vielzahl von Turbulenzballen besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schälschaufel (5) über eine Länge (L), die etwa

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1/4 bis 1/2 der Radiuslänge des Mischbehälters (1) ausmacht, in der Mischbehälter (1) hineinragt.

\ 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schälschaufel (5) in ihrer Längsrichtung und/oder Krümmungsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.

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