DE3333195A1 - Verfahren zum mischen und mischanordnung - Google Patents

Description

S 443 M t.

Verfahren zum Mischen und Mischanordnung

Mischer mit Fluideinlässen am Ende und im Abstand davon angeordneten, entgegengesetzten Fluidauslässen und einer zentral vorgesehenen Abgabe zwischen ihnen sind allgemein bekannt und werden in oben offenen Becken oder Behältern zum Mischen von Pulvern mit Flüssigkeiten, Flüssigkeiten mit Flüssigkeiten oder Gasen mit Flüssigkeiten verwendet. Allerdings bilden Mischanordnungen in oben offenen Behältern Wirbel in den Behältern, wodurch Luft in die im Mischprozeß befindlichen fluiden oder flüssigen Stoffe z.B. durch Injektionswirkung eindringt, was in vielen Fällen äußerst unerwünscht ist. Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, diese Schwierigkeit durch Anordnung von Umlenkorganen im Behälter oder durch Verlagerung der Mischanordnung aus der Mitte zur Vermeidung der Wirbelbildung zu umgehen. Außerdem entstehen bei den genannten Mischanordnungen Wärmesenken, und daraus resultiert Energieverlust.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mischverfahren und eine Mischanordnung zu schaffen, in dem bzw. in der die zu mischenden fluiden Stoffe so in eine und aus einer Mischkammer gepumpt oder unter Druck ein- bzw. ausgeleitet werden, daß die flüssigen Stoffe ständig unter Druck gehalten werden, um der Bildung eines strudelartigen Wirbels in der Mischkammer und der daraus resultierenden Einführung von Luft in das Flüssigkeitsgemisch entgegenzuwirken.

Bei einem solchen Mischverfahren werden die zu mischenden fluiden Stoffe in eine Mischkammer in der Nähe jedes Einlaßendes eines drehbaren Mischers eingeführt, der mit zentraler Abgabe versehen ist, so daß das Material jedem Ende des Mischers zugeführt und dann aus der Mitte desselben abgegeben wird, wobei der Auslaß aus der Mischkammer mit der zentralen Abgabe des Mischers ausgerichtet wird, um die gemischten fluiden Stoffe unmittelbar bei Abgabe aus dem Mischer unter Druck aufzunehmen.

Bei einer entsprechend diesem Verfahren ausgelegten bevorzug-

ten Mischanordnung gemäß der Erfindung ist der Durchmesser des Mischers so gewählt, daß er etwa der Hälfte des Durchmessers der Mischkammer entspricht, und die Länge des Mischers entspricht etwa einem Drittel der Länge der Mischkammer, wobei der Mischer im wesentlichen in gleichen Abständen von den Seiten und von den Enden der Mischkammer angeordnet ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Mischanordnung 5 gemäß der Erfindung auf einem Schlitten 6 für Transportzwecke abgestützt gezeigt. Der Schlitten kann von beliebiger Gestalt sein und weist im vorliegenden Fall sich in Längsrichtung erstreckende horizontale Kufen 7 und 8 aus beliebigen Elementen, beispielsweise I-Trägern oder dergleichen auf, die in seitlichem Abstand voneinander beispielsweise mittels sich seitlich erstreckender, rohrförmiger Stützen oder Streben 9 aneinander befestigt sind. Zwischen den Kufen 7 und 8 erstreckt sich seitlich und in horizontaler Richtung eine Stützfläche 10 für die Mischanordnung gemäß der Erfindung, die auf beliebige Weise an den Kufen befestigt ist.

Auf einer senkrecht ausgerichteten, an der Oberseite der Stützfläche 10 befestigten und von dieser nach oben vorstehenden Stütze 13 ist ein Gehäuse 12 gemäß der Erfindung abgestützt, wobei sich die Stütze 13 in Längsrichtung des Gehäuses 12 erstreckt, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Ähnlich ist auf einer senkrecht ausgerichteten Stütze 14, die an der Stützfläche 10 befestigt ist und sich von dieser nach oben

erstreckt, eine Gehäuseeinlaßleitungseinrichtung 17 abgestützt, wie Fig. 1 zeigt. Auf der Stützfläche 10 können in ähnlicher Weise weitere Bauelemente 18 und 19 abgestützt sein.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat das Gehäuse 12 in seiner bevorzugten Ausführungsform zylindrische Gestalt. Jedes Ende des Gehäuses 12 ist mit einem ringförmigen Vorsprung oder Endflansch 12a und 12b zur Aufnahme von Endabschlüssen oder Deckeln 21 bzw. 22 versehen, die beispielsweise mittels einer Bolzen- und Mutternanordnung 23 an den Vorsprüngen 12a bzw. 12b befestigt sind.

Hierdurch entsteht innerhalb des Gehäuses 12 eine geschlossene Mischkammer 25, in der ein Gemisch aus Flüssigkeiten oder ein Gemisch aus Flüssigkeiten und Pulvern oder sonstigen Stoffen gemischt wird, die die fluiden Stoffe im Sinne der Erfindung darstellen. Der Endabschluß 22 weist auch eine als Zwischenlage zentral angeordnete Dichtungs- und Lagerungskombination 23" auf, in der eine sich axial durch die Mischkammer erstrekkende Welle 28 drehbar aufgenommen und abgestützt ist, die an einem Ende einen Mischer 30 trägt, um diesen in seine Lage in der geschlossenen Mischkammer 22 zu bringen. Der Mischer 30 hat zwei im Abstand voneinander angeordnete, kegelstumpfförmige Glieder 31 und 32, die jeweils eine zentrale Nabe 33 aufweisen, sowie mit der Nabe 33 und dem jeweiligen kegeistumpfförmigen Glied 31 bzw. 3 2 verbundene, in Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnete Schaufeln 34. Die Naben 33 stützen jeweils das kegelstumpfförmige Glied 31 bzw. 3 2 auf der Welle 28 ab, und auf ein Ende der Welle 28 ist eine Mutter 35 aufgeschraubt, die den Mischer 3 0 drehfest an der Welle 28 sichert. Jedes der kegelstumpfförmigen Glieder 31, 32 hat voll offene Endbereiche, von denen das jeweils kleinere Ende ein Fluideinlaßende 31a bzw. 3 2a an jedem Ende des Mischers 3 0 und das jeweils größere Ende ein Fluidauslaßende 31b bzw. 32b für die fluiden Stoffe bildet, die durch die Fluideinlaßenden 31a, 32a eintreten. Zwischen den Fluidauslaßenden 31b, 32b erstreckt sich ein an diesen befestigtes, zylindrisches Glied 36 mit Abgabeöffnungen 37 in seinem Umfang zwischen den kegel-

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stumpfförmigen Gliedern 31, 32, so daß der Mischer 30 mit Umfangsabgabeöffnungen versehen ist. Die Glieder 31/ 32 und 36 können miteinander und gegebenenfalls mit der Welle 28 verschweißt sein, so daß sie eine einteilige Anordnung bilden.

Durch eine Gehäuseeinlaßeinrichtung werden gepumpte oder druckbeaufschlagte fluide Stoffe, die ein Gemisch aus Flüssigkeiten oder ein Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoffen oder ein Gemisch aus Flüssigkeiten und Gasen aufweisen, in die geschlossene Mischkammer 25 eingeführt. Hierzu weist die Gehäuseeinlaßeinrichtung ein Paar Leitungen 38 und 3 9 auf, durch die die fluiden Stoffe durch öffnungen 38a, 39a, welche den Fluideinlaßenden 31a, 32a der beiden kegeistumpfförmigen Glieder 31, 32 mit Abstand benachbart sind, in die Mischkammer 25 abgegeben werden. Die Leitungen 38, 39 sind mit einer Haupteinlaßleitung 4o verbunden, von der sie, wie Fig. 1 zeigt, von jeder Seite so abzweigen, daß sich insgesamt eine Einlaßeinrichtung von Y-förmiger Gestalt ergibt, welche zu beiden Seiten der Enden des Mischers 30 in die Mischkammer 25 einmündet. Mit der Haupteinlaßleitung steht eine Zweigleitung 41 horizontal in Verbindung, durch die zusätzliche Stoffe in den durch die Haupteinlaßleitung 40 geleiteten Flüssigkeitsstrom eingeführt werden können, um die Stoffe aus der Zweigleitung 41 und der Haupteinlaßleitung 40 bei der Abgabe in die geschlossene Mischkammer 25 gemäß der Erfindung zu mischen. Die Zweigleitung 41, welche als Einlaßdüse ausgebildet sein kann, könnte auch an der Oberseite der Haupteinlaßleitung 40 angebracht sein, so daß sie sich senkrecht zu dieser erstreckt. Vorzugsweise erfolgt die Einführung trockener Feststoffe in unmittelbarer Nähe des Mischereinlasses, d.h. in einer Entfernung von ca. 3 m (10 Fuß) oder weniger. Gas kann entweder in die Zweigleitung kl oder in das eine oder andere Ende des Gehäuses 12 eingeführt werden.

Am Gehäuse 12 ist auch eine Gehäuseauslaßeinrichtung 50 angebracht, die so ausgerichtet ist, daß sie das aus dem Mischer 30 gemäß der Erfindung abgegebene Material aufnimmt. Im einzelnen ist im Gehäuse 12 eine Auslaßöffnung 50a vorgesehen,

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die mit den Abgabeöffnungen 37 im Umfang des Gliedes 36 ausgerichtet ist, so daß sie unmittelbar das aus diesen öffnungen abgegebene Material empfängt und es direkt von der Mischkammer in die Gehäuseauslaßeinrichtung 50 und aus der geschlossenen Mischkammer 25 heraus führt. Mit dem Mischer 30 gemäß der Erfindung werden also nicht nur die fluiden Stoffe gemischt und zerlegt, sondern der Mischer wirkt auch als Pumpe und erzeugt Druck in der Gehäuseauslaßeinrichtung 50, der etwas oberhalb des Drucks in der Haupteinlaßleitung 40 liegt, wodurch die Bildung eines strudelartigen Wirbels innerhalb der geschlossenen Mischkammer 25 gemäß der Erfindung wesentlich behindert, wenn nicht ganz unterbunden wird.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Gehäuse 12 horizontal abgestützt werden, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei auf der Stützfläche 10 eine entsprechende Antriebsvorrichtung M angeordnet ist. Die Antriebswelle ist mit der Welle 28 mittels einer insgesamt mit 55 bezeichneten, allgemein bekannten Einrichtung, z.B. einer Wellenkupplung, drehbar verbunden. Dadurch kann gemäß der Erfindung die Welle mit Geschwindigkeiten von 1750 U/min bis 10000 U/min, je nach dem Durchmesser des Mischers 30,angetrieben werden, um Umfangsgeschwindigkeiten des Mischers im Bereich von 1219 bis 2438 m/min (4000 bis 8000 Fuß/min) zu erreichen.

Die Einlaßöffnungen 38a, 39a in die geschlossene Mischkammer 25 sind zwar in diametral entgegengesetzter Anordnung zur Auslaßöffnung 50a an der anderen Seite des Gehäuses 12 gezeigt. Die Auslaßöffnung 50a kann aber auch um 90° oder weniger gegenüber den Einlaßöffnungen 38a, 39a versetzt angeordnet sein. Ferner liegen die Einlaßöffnungen 38a, 39a in dem Gehäuse 12 zwischen den Endverschlüssen 21, 22 und den Fluideinlaßenden 31a, 32a des Mischers 30 und haben jeweils einen Abstand von denselben. Der Mischer 30 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise so in der Mischkammer 25 angeordnet,

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daß er die gleichen Abstände von den Seiten und den Enden der Mischkammer 25 hat. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Einlaßöffnungen 38a, 3 9a im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden der Mischkammer 25 und den Enden des Mischers 30, und die Auslaßöffnung 50a ist im wesentlichen in der Mitte der Längserstreckung der Mischkammer vorgesehen. Allerdings ist die Länge der Mischkammer 25 nur insofern von Bedeutung, als die Einführung bzw. die Einlaßöffnung für das Produkt an einer Stelle jenseits der Fluideinlaßenden 31a, 32a des Mischers 30 erfolgen sollte.

Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend beschriebene, besondere Gestaltung der Mischanordnung gemäß der Erfindung mit dem beschriebenen Verhältnis zwischen den Einlaßöffnungen 38a, 3 9a und der Auslaßöffnung 50a, der relativen Anordnung der Ausläßöffnung 50a, die mit den Abgabeöffnungen 37 des Mischers 3 0 in der Mischkammer 25 unmittelbar ausgerichtet ist, und dem ■Verhältnis des Durchmessers der Mischkammer als Punktion des Durchmessers des Mischkopfes sowie mit den Möglichkeiten zur Produkthandhabung, die der Mischkopf bietet, Ergebnisse erbringen kann, die den mit einer gewöhnlichen Mischanordnung bisher für möglich gehaltenen weit überlegen sind. Ferner wird mit der erfindungsgemäßen Mischanordnung eine erwünschte Turbulenz in der geschlossenen Mischkammer 25 ohne Einführen von Luft in das Produkt erzeugt, und der Willkürfaktor, der sich auf das Aufeinandertreffen zwischen den zugefügten Flüssigkeiten oder Feststoffen bezieht, die die Scherwirkung der Feststoffe, der primären Flüssigkeit und des Mischkopfes verstärken oder erhöhen, wird scharf verringert im Vergleich zu dem, der bisher auftrat, wenn nan versuchte, in einem oben offenen Behälter großen Volumens zu mischen. In weiterer Ausgestaltung sollte der Durchmesser des Mischers JO etwa der Hälfte des Durchmessers der Mischkammer 25 und die Länge des Mischers 30 etwa einem Drittel der Längserstreckung der Mischkammer entsprechen, um die erfindungsgemäß erzielten Ergebnisse sicherzustellen..

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Eine starke Scherung bzw. Trennung von Feststoffen, insbesondere unter Auflösung von Agglomeraten, ist am wirksamsten über eine Entfernung von 25,4 bis 50,8 mm (1 bis 2 Zoll) vom Mischer 30. Wenn der Mischer 30 in einem normalen Behälter jenseits des Bereichs starker Scherung angeordnet wird, erfolgt die Flüssigkeit/Feststoff-Strömung in einem laminaren Zustand. Durch die Unterbringung des Mischers 30 in einer geschlossenen Mischkammer 25 tritt gemäß der Idee der Erfindung eine starke Scherwirkung gekoppelt mit turbulenter Strömung der unter Druck gesetzten Flüssigkeit/ Feststoffe um den Umfang des Mischers 30 und der Mischkammer 25 ein. Die Richtungen der starken Scherkraft und der turbulenten Strömung stehen rechtwinklig zueinander, wodurch die Scherkräfte verstärkt werden. Für die Verhältnisse zwischen dem Durchmesser des Kopfes und dem Durchmesser der Kammer muß berücksichtigt werden, daß die Strömung des Produktes zwischen dem Kopf und der Kammer im turbulenten Bereich sein sollte, d.h. von ca. 1,83 "bis 2,M4 m/s (6 bis 8 Fuß/s). Wenn die oben angegebenen allgemeinen Parameter beachtet werden, können die gewünschten Ergebnisse erzielt werden«

Es hat sich auch gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Mischanordnung ein homogenes Produkt für einen, großen Bereich von Produktgewichten erzielt wird. So liefert die Erfindung beispielsweise ein homogenes Produkt bei minimalem Verlust an teuren Zusatzstoffen auf dem Gebiet der Zumischung von Zusatzstoffen zu Bohrfluiden, bei denen die Produktdurchsätze gegenwärtig von l,0?8 kg/1 bis 2,636 kg/1 (9 bis 22 lbs/gal) reichen. Wenn höhere Gewichte pro Liter als die hier genannten erwünscht sind, werden mit der erfindungsgemäßen Anordnung die gewünschten Mischergebnisse erzielt, sofern das Endprodukt ein pumpfähiges Fluid ist. Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht außerdem die Erzielung eines höheren Wirkungsgrades der Energieeingabe in das Produkt als bei dem herkömmlichen vertikalen Tank mit Chargenbetrieb« Es wird also Energie und

die resultierende Wärme wirksam in das Produkt eingeführt. Bei Produkten, die durch Temperatursteigerungen nachträglich beeinflußt werden könnten, kann die Pumpenförderung geändert oder die Mischkammer von einer Kühlkammer umgeben werden.

Claims (11)

Verfahren zum Mischen und Mischanordnung Priorität: 2. Juni 1983 - V.St.A. - 500 580 Patentansprüche

1. Verfahren zum Mischen fluider Stoffe unter Verhinderung des Einfangens von Luft, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehbar abgestützter Mischer mit einem Fluideinlaß an jedem Ende und einer zentralen Abgabe aus dem Mischer zwischen den Einlaßenden auf einer drehbaren Welle in einem geschlossenen Gehäuse angebracht wird, daß in der Nähe jedes Einlaßendes des Mischers fluider Stoff in die geschlossene Mischkammer des Gehäuses eingeführt wird, daß die Abgabe des Mischers mit einem in dem geschlossenen Gehäuse vorgesehenen Auslaß ausgerichtet wird und daß das aus dem Mischer abgegebene Material zur Förderung aus dem geschlossenen Gehäuse zum Auslaß gepumpt wird.

2. Mischanordnung, gekennzeichnet durch - ein sich in Längsrichtung erstreckendes Gehäuse (12) mit Endabschlüssen (21,22), die eine geschlossene Mischkammer

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(25) innerhalb des Gehäuses bilden, einen auf einer sich durch einen der Endabschlüsse erstreckenden Welle (28) drehbar abgestützten Mischer (30) mit zwei im Abstand voneinander angeordneten kegelstumpfförmigen Gliedern (31,32), die jeweils eine konzentrische Nabe (33) und Schaufeln (34) zwischen der Nabe und dem entsprechenden Glied zur Abstützung auf der Welle haben, wobei jedes der Glieder voll offene Endbereiche hat, von denen das kleine Ende ein Fluideinlaßende (31a,32a) und das größere Ende ein Fluidauslaßende (31b,32b) für das ins Einlaßende eintretende Fluid bildet, und mit einem zylindrischen Glied (36), welches sich zwischen den Fluidauslaßenden erstreckt und an diesen befestigt ist und im Umfang verteilte Öffnungen hat, die Abgabeöffnungen aus dem Mischer bilden,

eine Gehauseeinlaßeinrichtung, durch die fluide Stoffe in die geschlossene Mischkammer (25) in dem Gehäuse (12) einführbar sind und die ein Paar Leitungen (38,39) zur Abgabe fluider Stoffe in die Mischkammer in der Nähe des Fluideinlaßendes (31a,32a) jedes der beiden kegelstumpfförmigen Glieder (31,32) aufweist, und

durch eine Gehäuseauslaßeinrichtung (50), die das aus dem Mischer (30) und der geschlossenen Mischkammer (25) abgegebene Material aufnimmt.

3. Mischanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Pumpeinrichtung in der Mischkammer (25) des Gehäuses (12), die mit der Gehäuseauslaßeinrichtung (50) so ausgerichtet ist, daß das aus dem Mischer (30) abgegebene Material in die Auslaßeinrichtung aus der geschlossenen Mischkammer (25) unmittelbar abgegeben wird.

4. Mischanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehauseeinlaßeinrichtung eine Hauptein-

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laßleitung (40) aufweist, durch die fluide Stoffe einführbar sind, und die mit den beiden Leitungen (38,39) in Y-förmiger Gestalt verbunden ist.

5. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) horizontal abgestützt ist, daß sich die Welle (28) horizontal durch den Endabschluß (22) erstreckt, und daß der Endabschluß eine Dichtungs- und Lagerungskombination (23¹) aufweist, die die geschlossene Mischkammer (25) abdichtet und die Welle drehbar abstützt, und daß mit der sich horizontal erstreckenden Welle (28) eine Antriebsvorrichtung (M) zur Umdrehung derselben verbunden ist.

6. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung im Gehäuse (12) mit den Abgabeöffnungen (37) des Mischers (30) ausgerichtet ist.

7. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) zylindrisch ist, und daß die Einlaßreinrichtungen in die geschlossene Mischkammer (25) der Auslaßeinrichtung im Gehäuse (12) diametral entgegengesetzt sind.

8. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (30) im wesentlichen in der Mitte des sich in Längsrichtung erstreckenden Gehäuses (12) angeordnet ist und daß die Gehäuseeinlaßeinrichtungen zwischen jedem Endabschluß (21,22) des Gehäuses (12) und jedem Fluideinlaßende (31a,32a) des Mischers (30) angeordnet sind.

9. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseauslaßeinrichtung (50) mit der Abgabe aus dem Mischer (30) ausgerichtet ist.

10. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere maximale Durchmesser des Mischers (3 0) etwa der Hälfte des inneren Durchmessers der geschlossenen Mischkammer (25) und die Länge des Mischers (30) etwa einem Drittel der LängserStreckung der geschlossenen Mischkammer (25) entspricht.

11. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (30) im wesentlichen in gleichen Abständen von den Seiten und Enden der geschlossenen Mischkammer (25) angeordnet ist.