DE3611589A1 - Statische mischvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung für flüssige und/oder gasförmige Strömungsmittel in einem von den Strömungsmitteln in gleicher Richtung durchströmten Rohr, das eine Injektionsvorrichtung aufweist, mit der Strömungsmittel in den Prozeßstrom der Mischvorrichtung injiziert werden kann.

Es ist allgemein üblich, Gase oder andere Strömungsmittel in den Prozeßstrom einer statischen Mischvorrichtung einzuführen, um das Gas oder andere Strömungsmittel mit den Materialien in der Mischvorrichtung in Kontakt zu bringen, die mit einer Flüssigkeit in einem Prozeßstrom in Längsrichtung der Mischvor­ richtung bewegt werden.

Ein typisches Beispiel, bei dem diese Praxis verwendet wird, ist die Bewegung von Bierwürze mit Sterilluft.

Um einen guten Kontakt zwischen dem Inhalt der Mischvorrichtung (beispielsweise Bierwürze) und dem Gas (beispielsweise Steril­ luft) zu erhalten, ist es erwünscht, daß das Gas viele kleine Bläschen bildet, so daß es eine große Oberfläche erhält, um einen effektiven Kontakt mit dem Lösungsmittel (Bierwürze) herzustellen.

Bei den heute bekannten Verfahren zur Würzebelüftung wird die Sterilluft zumeist über Sinterkerzen aus Metall, Glas oder Keramik in die Würze eingeblasen. Die dabei entstehenden Gas­ blasen sind relativ groß, wobei zusätzlich nach ihrer Entste­ hung eine Expansion im Prozeßstrom erfolgt, so daß große Blasen gebildet werden, die koalieren, das heißt zusammenwachsen oder sich zu einem Ganzen vereinigen, ehe ausreichender Kontakt mit dem Inhalt der Mischvorrichtung hergestellt ist. Das resultiert in einer Herabsetzung des Kontaktwirkungsgrades des Gases (Sterilluft) mit der Flüssigkeit (Bierwürze) oder dem Material in der statischen Mischvorrichtung. Dieses unerwünschte Resul­ tat ergibt sich, wenn sich eine Verzögerung zwischen dem Zeit­ punkt ergibt, in dem das Gas in den Prozeßstrom eintritt und dem Zeitpunkt, in dem es Kontakt mit dem Inhalt der Mischvor­ richtung erhält.

Die Brautechnologie fordert heute als weiteren bestimmbaren Parameter für einen exakten und reproduzierbaren Gärverlauf die genau definierte Menge an gelöstem Sauerstoff je Volumeneinheit Bierwürze. Neben der eindeutig bestimmbaren Zahl von Hefe­ zellen, die in der Bierwürze suspendiert sind, ist die Löslich­ keit von Luftsauerstoff bzw. die Löslichkeit eines Gases schlechthin von der Temperatur und dem Druck des Lösungsmittels abhängig. Der Löslichkeitskoeffizient eines Gases nimmt mit steigender Temperatur ab und mit steigendem Druck zu. Diese Parameter sind in der Regel verfahrenstechnisch ohne weiteres beherrschbar. Für die Lösungsgeschwindigkeit demgegenüber ist die Anzahl und damit die Oberfläche der Gasblasen, die aus der injizierten Gasmenge entsteht, von entscheidender Bedeutung. Je kleiner die Blasen, desto größer ist die wirksame, den Stoff­ austausch zwischen Gas und Flüssigkeit bestimmende, Oberfläche des injizierten Gases.

Halbiert sich beispielsweise bei gleichem Gasvolumen der Durchmesser der Gasblasen, so verdoppelt sich die Oberfläche des Blasenschwarmes.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist der Kontaktwirkungsgrad zwischen zu lösendem Gas und Lösungsmittel eine Zeit- und Kontaktfrage. So wurde beispielsweise eine Vorrichtung zum Mischen von gasförmigen und/oder flüssigen Medien in einem von den Medien in gleicher Richtung durchströmten Rohr vorgeschla­ gen (DE-PS 24 30 487), das eine eine Öffnung aufweisende Misch­ scheibe enthält, an deren etwa dem Rohrinnendurchmesser ent­ sprechendem Umfang in Strömungsrichtung verlaufende, jedoch gegen diese geneigte Flächen angeordnet sind, wobei die geneigten Flächen Spiralnuten zwischen dem dem Rohrinnendurch­ messer entsprechenden Umfang und der Öffnung, die als zentrale Mittelöffnung ausgebildet ist, sind.

Ein Ausführungsbeispiel der bekannten Vorrichtung zeigt in Fig. 1 eine Rohrleitungsstrecke 6, in die ein Medium 8 mittels einer Pumpe 4 über eine Einspeisestelle 3 eingeführt wird. Der Abstand zwischen der Einspeisestelle 3 und der ersten Misch­ scheibe 5 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel das Sechsfache des Rohrdurchmessers der Rohrleitungsstrecke 6 und sollte allgemein mindestens das Vierfache des Rohrdurchmessers der durchströmten Leitung sein. Eine derartige Dimensionierung ergibt zwangsläufig eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, in dem das Gas in den Prozeßstrom eintritt und dem Zeitpunkt, in dem es intensiven Kontakt über die Mischscheibe 5 mit dem Inhalt der Mischvorrichtung erhält. Dadurch können die Gas­ blasen koalieren oder sich zu einem Ganzen vereinigen, ehe ausreichender Kontakt mit dem Mischerinhalt hergestellt ist. Eine Herabsetzung des Kontaktwirkungsgrades des Gases mit der Flüssigkeit ist die zwangsläufige Folge.

Eine andere bekanntgewordene statische Mischvorrichtung (DE-OS 29 07 981) mit wenigstens zwei Mischelementen vermeidet diesen vorstehend geschilderten Nachteil, indem das erste Mischelement eine Strömungsmittel-Injektionsvorrichtung auf­ weist, mit der Strömungsmittel in den Prozeßstrom des Misch­ gerätes im Bereich der obersten und der untersten Oberflächen des ersten Mischelementes injiziert werden kann.

Aber auch diese bekannte Vorrichtung ist nicht ohne Nachteile und ist insbesondere beim Einsatz in nahrungsmitteltechnolo­ gischen Prozeßanlagen bedenklich. Durch die relativ großen Oberflächen der Mischblätter der Mischelemente ergibt sich zum einen ein relativ großer Druckverlust, zum anderen sind diese inneren Oberflächen nicht ohne weiteres im Durchfluß einwand­ frei reinigbar, da die Mischblätter in Verbindung mit dem sie aufnehmenden Mischrohr unzureichend durchströmbare Toträume bilden. Darüber hinaus ist nicht auszuschließen, daß die Injek­ tionspforte mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen, über die das zu injizierende Strömungsmittel herangeführt wird, durch den Prozeßstrom verschmutzt, ohne daß eine einwandfreie Reini­ gung sichergestellt werden kann.

Mit einem weiteren Nachteil, insbesondere bei Begasungsvor­ gängen, die an der Sättigungsgrenze des Lösungsmittels ablau­ fen, muß bei der bekannten statischen Mischvorrichtung gerechnet werden. Da sich hinter der Injektionsstelle Einbauten befinden, die der Intensivierung des Kontaktes zwischen Gas und Flüssigkeit dienen und damit druckverlustbehaftet sind, ist damit zu rechnen, daß wenigstens ein Teil des im Lösungsmittel gebundenen Gases hinter der Injektionsstelle bereits wieder infolge Druckabsenkung entbindet. Eine derartige, durch den Druckverlust der Mischvorrichtung bedingte, Entbindung des gelösten Gases (Luftsauerstoff) aus dem Lösungsmittel (Bier­ würze) ist in jedem Falle zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine statische Misch­ vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die möglichst wenig Einbauten aufweist aber dennoch mit hohem Kontaktwir­ kungsgrad arbeitet, die Toträume vermeidet und im Durchfluß reinigbar ist, und in der Druckverluste hinter der Injektions­ stelle zu keiner Entbindung des bereits gelösten Gases führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Durch die Anordnung der Injektionsvorrichtung im engsten Quer­ schnitt eines venturirohrförmig ausgebildeten Rohrleitungsab­ schnittes der Mischvorrichtung wird das zu injizierende Strö­ mungsmittel in einen Bereich des Prozeßstromes eingebracht, der einen gegenüber der vorgeordneten Rohrströmung erhöhten Turbulenzgrad aufweist. Die Turbulenz der Strömung, die Voraus­ setzung für eine innige Vermischung zwischen Gas und Flüssig­ keit ist, läßt sich durch die sogenannte Reynoldszahl be­ schreiben. Durch die Einschnürung der Rohrleitung im Bereich der Mischvorrichtung wird die Reynoldszahl im engsten Quer­ schnitt gegenüber dem vorgeordneten Rohrleitungsquerschnitt im Verhältnis der jeweils zugeordneten Durchmesser erhöht. Dieser wünschenswerte Effekt ist praktisch ohne Druckverlust und ohne reinigungsproblematische Einbauteile erreichbar. Der der Injektionsvorrichtung nachgeordnete Mischdiffusor sorgt gegenüber der Injektionsstelle für eine Druckerhöhung im Lösungsmittel, so daß von einer sogenannten Druckimprägnierung des gelösten Gases im Lösungsmittel gesprochen werden kann. Da wie vorstehend erläutert, die Löslichkeit eines Gases druck­ abhängig ist, wird durch diese sogenannte Druckimprägnierung einem teilweisen Entbinden des gelösten Gases infolge Druck­ verlust innerhalb der Mischvorrichtung vorgebeugt. Das haupt­ sächlich im Kreuzstrom zum Prozeßstrom der Mischvorrichtung über einen Ringspalt geführte, injizierte Strömungsmittel wird hinter seiner Austrittsstelle durch den Prozeßstrom quasi fein zerteilt, so daß ein ausreichender Kontakt mit letzterem - nicht zuletzt durch dessen hohe Turbulenz - hergestellt ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Ringspalt eine Spaltbreite zwischen 0,5 und 1,0 mm aufweist. Darüber hinaus werden besonders kleine Gasblasen erzeugt, wenn der Ringspalt einerseits von einer Stauscheibe und andererseits von dem stirnseitigen Ende einer Injektionsleitung gebildet, und wenn die Stauscheibe an ihrem Umfang von einer Scherkante begrenzt wird. Der an der Scherkante vorbeiströmende Prozeß­ strom zerteilt den im Kreuzstrom zu diesem durch den Ringspalt geführten Gasstrom (Sterilluft) in sehr kleine Gasblasen, die sofort von der Scherkante fortgetragen und durch die Turbulenz des Prozeßstromes mit diesem vermischt werden, und die somit keine Gelegenheit erhalten, mit den zeitlich nachfolgend ent­ stehenden Gasblasen zu koalieren oder sich zu einem Ganzen zu vereinigen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich teil­ weise aus der Zeichnung und teilweise aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Meridianschnitt durch die statische Mischvor­ richtung gemäß der Erfindung;

Fig. 1a den in Fig. 1 als Einzelheit "Z" gekennzeichneten Injektionsbereich gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht einer vorteilhaften Ausführungsform des Mischelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 2a einen Mittelschnitt durch das Mischelement gemäß Fig. 2 und

Fig. 2b einen weiteren Schnitt durch das Mischelement gemäß der Erfindung, wie er in Fig. 2 mit dem Schnittverlauf A-B gekennzeichnet ist.

Ein Prozeßstrom P (Fig. 1) wird in einer Rohrleitung 1 geführt. Letztere mündet in einen Rohrleitungsabschnitt einer statischen Mischvorrichtung, die venturirohrartig ausgebildet ist und aus einer Düse 1 a, einem im wesentlichen zylindrischen Mischrohr 1 b und einem nachgeordneten Mischdiffusor 1 c besteht. Zwischen der Düse 1 a und dem Mischrohr 1 b ist ein scheiben­ förmig ausgebildetes Mischelement 2 angeordnet, das eine den Innenabmessungen des Mischrohres 1 b entsprechende Öffnung 2 a aufweist, in der Verwirbelungsstege 2 b mit Ablösungskanten 2 e vorgesehen sind (siehe auch Fig. 2). Im Zentrum des Mischele­ mentes 2 und damit des Mischrohres 1 b und senkrecht zu dessen Symmetrieachse ist eine Stauscheibe 2 c angeordnet, die mit dem stirnseitigen Ende 4 c (siehe Fig. 1a) einer Injektionsleitung 4 einen Ringspalt 11 bildet. Im dargestellten Ausführungs­ beispiel ist das stirnseitige Ende 4 c als Ringschneide aus­ geführt. Annähernd durchmessergleich wie der Außendurchmesser der Injektionsleitung 4 oder geringfügig größer wird die Stauscheibe 2 c an ihrem Umfang von einer Scherkante 2 d be­ grenzt. Die Injektionsleitung 4 ist aus der Wandung des Mischrohres 1 b herausgeführt und mit einem Injektionsventil 8 verbunden. Zwecks Demontage des Mischrohres 1 b ist in der Injektionsleitung 4 ein Kupplungsstück 4 a vorgesehen. Die Injektionsleitung 4 kann über das Injektionsventil 8 wahlweise entweder mit einer Zuführungsleitung 3 für das zu injizierende Strömungsmittel S oder mit der der Mischvorrichtung vorge­ ordneten Rohrleitung 1 über eine durch ein Bypaß-Ventil 6 schaltbare Bypaß-Leitung 7 verbunden werden.

Das Bypaß-Ventil 6 ist über einen Abzweigstutzen 5 unmittelbar an der Rohrleitung 1 angeordnet. Eine Verbindungsleitung 10 stellt eine über das Injektionsventil 8 schaltbare Verbindung zwischen der Injektionsleitung 4 und einem Dampfauslaß-Ventil 9 her.

In den Fig. 2, 2a und 2b ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Mischelementes 2 dargestellt. Man erkennt, daß in diesem Falle vier Verwirbelungsstege 2 b radial nach innen geführt und mit der Stauscheibe 2 c verbunden sind. Die Verwirbelungs­ stege 2 b besitzen jeweils zwei Ablösungskanten 2 e , an denen das vorbeiströmende Prozeßmedium abgelöst und verwirbelt wird. Zwischen den Verwirbelungsstegen 2 b und der Wandung der Öffnung 2 a des Mischelementes 2 werden Durchtrittsöffnungen 2 f gebildet.

Für verschieden große Öffnungen 2 a des Mischelementes 2 (unterschiedliche Nennweiten der statischen Mischvorrichtung) ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis der in Prozeßströmungsrichtung projizierten Flächen der Verwirbelungsstege 2 b und der Quer­ schnittsflächen der Durchtrittsöffnungen 2 f annähernd konstant.

Optimale Zerteilungsbedingungen für den injizierten Gasstrom ergeben sich für eine Spaltbreite des Ringspaltes 11 zwischen 0,5 und 1,0 mm. Qualität und Quantität der über den Ringspalt 11 an der Scherkante 2 d der Stauscheibe 2 c gebildeten Gasblasen sind unabhängig davon, ob die Stauscheibe 2 c in Bezug auf das stirnseitige Ende 4 c prozeßstromauf- oder prozeßstromabwärts angeordnet ist.

Die Turbulenz des Prozeßstromes wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch erhöht, daß das Mischelement 2 mit seinen Verwirbelungsstegen 2 b in unmittelbarer Nähe des Ringspaltes 11 angeordnet ist.

Weitere Vorteile ergeben sich nach einer anderen Ausgestaltung der statischen Mischvorrichtung dadurch, daß jeweils das Mischelement 2 und das Mischrohr 1 b in Verbindung mit der Injektionsleitung 4 austauschbar in die Mischvorrichtung integriert sind.

Die statische Mischvorrichtung gemäß der Erfindung ist auf einfache Weise im Durchfluß reinigbar. Hierzu wird, sobald Reinigungsflüssigkeit in der Rohrleitung 1 ansteht, das Bypaß-Ventil 6 geöffnet, so daß Reinigungsflüssigkeit über die Bypaß-Leitung 7 und das Injektionsventil 8 in die Injektions­ leitung 4 und damit über den Ringspalt 11 in das Mischrohr 1 b austreten kann. Auf diesem Wege werden sämtliche mit dem Injektionsmittel oder mit dem Prozeßstrom in Berührung gekommenen Flächen der statischen Mischvorrichtung gereinigt. Die Zuführungsleitung 3 für das zu injizierende Strömungs­ mittel, die mit ihren vorgeschalteten Rohrleitungsbereichen in der Regel nicht mit dem Reinigungsmittel in Berührung kommen darf, wird beispielsweise dadurch gereinigt und sterilisiert, daß über diese Leitung Dampf herangeführt wird, und die infrage kommenden Oberflächen gedämpft werden. Der Dampf strömt über das Injektionsventil 8 und die Verbindungsleitung 10 zum Dampfauslaßventil 9, um dort in geeigneter Weise abgeführt zu werden.

Claims (10)

1. Statische Mischvorrichtung für flüssige und/oder gasförmige Strömungsmittel in einem von den Strömungsmit­ teln in gleicher Richtung durchströmten Rohr, das eine Injektionsvorrichtung aufweist, mit der Strömungsmittel in den Prozeßstrom der Mischvorrichtung injiziert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsvorrichtung (3, 8, 4, 2 c) im engsten Querschnitt eines venturirohrartig ausgebildeten Rohrleitungsabschnittes (1 a, 1 b, 1 c) der Mischvor­ richtung ausmündet, und daß das injizierte Strömungs­ mittel über wenigstens einen Ringspalt (11) haupt­ sächlich im Kreuzstrom zum Prozeßstrom der Mischvor­ richtung geführt wird.

2. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (11) von einer im Zentrum eines Misch­ rohres (1 b) und senkrecht zu dessen Symmetrieachse angeordneten Stauscheibe (2 c) und dem stirnseitigen Ende (4 c) einer Injektionsleitung (4) gebildet, und daß die Stauscheibe an ihrem Umfang von einer Scher­ kante (2 d) begrenzt wird.

3. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (11) eine Spaltbreite zwischen 0,5 und 1,0 mm aufweist.

4. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauscheibe (2 c) in Bezug auf das stirnseitige Ende (4 c) prozeßstromauf- oder prozeßstromabwärts angeordnet ist.

5. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe des Ringspaltes (11) ein Mischelement (2) angeordnet ist, das eine den Innenabmessungen des Mischrohres (1 b) entsprechende Öffnung (2 a) aufweist, in der Verwirbelungsstege (2 b) mit Ablösungskanten (2 e) vorgesehen sind.

6. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungsstege (2 b) mit der Stauscheibe (2 c) verbunden sind.

7. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für verschieden große Öffnungen (2 a) des Mischelemen­ tes (2) das Verhältnis der in Prozeßströmungsrichtung projizierten Flächen der Verwirbelungsstege (2 b) und der Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen (2 f) annähernd konstant ist.

8. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischelement (2) austauschbar in die Mischvor­ richtung integriert ist.

9. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (1 b) in Verbindung mit der Injektions­ leitung (4) austauschbar in die Mischvorrichtung integriert ist.

10. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsleitung (4) über ein Injektions­ ventil (8) wahlweise entweder mit einer Zuführungs­ leitung (3) für das zu injizierende Strömungsmittel oder mit der der Mischvorrichtung vorgeordneten Rohrleitung (1) über eine durch ein Bypaß-Ventil (6) schaltbare Bypaß-Leitung (7) verbindbar ist.