DE4123161A1 - Statischer mischer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer mit mehreren in einem Strömungskanal angeordneten Auslenkelemen­ ten.

Statische Mischer werden im allgemeinen in Rohrleitungen oder in anderen Strömungskanälen eingebaut und dienen dazu, zuvor in die Rohrleitung bzw. in den Strömungskanal eingebrachte Stoffe möglichst homogen im Strömungsmedium zu verteilen. So können damit zum Beispiel verschiedene zuvor eingebrachte Gase miteinander vermischt werden. Auch können damit flüssige oder staubförmige Stoffe in einem Gasstrom gleichmäßig verteilt werden. Darüber hinaus ist der Einsatz statischer Mischer auch in Flüssigkeiten möglich.

Bekannte statische Mischer bestehen aus einem oder zwei Aus­ lenkelementen - meist dreieckige Bleche - die mehr oder weni­ ger schräg im Strömungsweg verankert sind (vergleiche Balke Dürr, Sonderdruck C56, aus VGB Kraftwerkstechnik H8/1983, Sei­ ten 676 bis 678. Diese Auslenkelemente erzeugen heftige Wirbel, die stromab zu einer intensiven Durchmischung des Gasstroms und aller zugegebenen Komponenten führt. Es ist jedoch eine Eigenart solcher statischer Mischer, daß die vollständige Durchmischung der Komponenten erst in einem hinreichend großen Abstand hinter dem statischen Mischer bzw. hinter den Auslenk­ elementen erreicht wird. Dieser Abstand beträgt in gasförmi­ gen Medien etwa das 10- bis 20fache des Rohrquerschnitts. Dies führt dazu, daß hinter den Auslenkelementen hinreichend viel Platz vorhanden sein muß, bevor die nachfolgenden Bauelemente, denen die Mischung zugeführt werden soll, angeschlossen werden können. Bei vielen industriellen Anlagen ist dieser Platz je doch nur sehr knapp bemessen und in nicht ausreichendem Maße verfügbar.

Es ist auch schon ein statischer Mischer bekannt geworden, bei dem in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Gaskanals mehrere kleine Auslenkelemente nebeneinander angeordnet sind. Mit solchen statischen Mischern läßt sich in relativ geringem Abstand von den Auslenkelementen bereits eine gute Vermischung der zuvor in den Gasstrom eingedüsten Gase bzw. eingebrachten Stoffe erreichen. Es ist jedoch eine Eigenart solcher stati­ scher Mischer mit verhältnismäßig kleinen Auslenkelementen, daß lokale Konzentrationsunterschiede verhältnismäßig gut und auch schnell ausgeglichen werden können. Leider können dabei aber großräumige Konzentrationsunterschiede, etwa zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals, nur sehr unzureichend ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mi­ scher zu entwickeln, der bei verkürzter Durchmischungsstrecke sowohl in der Lage ist, großräumige als auch lokale Konzentra­ tionsunterschiede gleichermaßen auszugleichen.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 12 zu entnehmen.

Dadurch, daß erfindungsgemäß eine Vielzahl von im Bezug zum Durchmesser des Strömungskanals kleinen Auslenkelementen ver­ wendet sind, die Auslenkelemente in untereinander parallelen, quer zur Symmetrieachse des Strömungskanals ausgerichteten Reihen angeordnet und die Auslenkelemente einer jeden Reihe gleichsinnig in Richtung parallel zur jeweiligen Reihe und ge­ gensinnig zu den Auslenkelementen der jeweils unmittelbar be­ nachbarten Reihen geneigt sind wird erreicht, daß sowohl groß­ räumige Konzentrationsunterschiede als auch lokale Konzentra­ tionsunterschiede gleichermaßen gut ausgeglichen werden. Dabei werden großräumige Konzentrationsunterschiede durch die längs der Reihen verlaufenden, den gesamten Strömungskanal durchque­ renden Gasströme abgebaut. Lokale Konzentrationsunterschiede gleichen sich hingegen an den Grenzen der gegenläufig verlau­ fenden Strömungsrichtungen über die Randwirbel aus. Das führt insgesamt dazu, daß die Wegstrecke des Gases bis zur vollstän­ digen Vermischung der einzelnen Komponenten in Strömungsrich­ tung hinter den Auslenkelementen minimiert wird.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Auslenkelemente um Achsen senkrecht zur Richtung der Rei­ hen und senkrecht zur Symmetrieachse des Strömungskanals um ca. 10° bis 45° geneigt sein. Diese Maßnahme trägt zu einer schnelleren Durchmischung bei.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung können die Reihen von der einen Begrenzungswand zur gegenüberliegenden Begren­ zungswand des Strömungskanals reichen. Hierdurch wird ein großräumiger Konzentrationsausgleich gefördert.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Auslenkelemente in Ausgestaltung der Erfindung auf einem sich quer zur Symmetrieachse des Gaskanals erstreckenden Traggitter befestigt sind. Diese Konstruktion ist relativ einfach, stabil und platzsparend einzubauen.

Eine besonders innige Vermischung wird erreicht, wenn in Wei­ terbildung der Erfindung jeweils zwei unmittelbar benachbarte Reihen von Auslenkelementen paarweise dicht nebeneinander an­ geordnet sind. Hierdurch wird die Verwirbelung im Bereich die­ ser Auslenkelemente stark intensiviert, was einer weiteren Ver­ stärkung der lokalen innigen Vermischung gleichkommt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von vier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen in einem rechteckigen Strömungs­ kanal eingebauten statischen Mischer,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen in einem Rohr eingebauten stati­ schen Mischer,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 4,

Fig. 7 eine Aufsicht auf einen in einem rechteckigen Strömungs­ kanal eingesetzten statischen Mischer mit verstärkter lo­ kaler Verwirbelung,

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7,

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 7

Fig. 10 eine Aufsicht auf einen Mischer mit diagonal zum Trag­ gitter angeordneten Reihen von Auslenkelementen und

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 10.

Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen in einem rechtecki­ gen Strömungskanal, hier einem Gaskanal 1, eingebauten erfin­ dungsgemäßen statischen Mischer 2. In der Darstellung der Fig. 1 ist die Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung des Gasstroms 4 gewählt. Diese Strömungsrichtung erkennt man in den Seitenansichten, das heißt den Fig. 2 und 3. In der Aufsicht der Fig. 1 erkennt man auch, daß im Gaskanal 1, senkrecht zu dessen Symmetrieachse 6, ein Traggitter 8 einge­ setzt ist, das aus rechtwinklig zueinander stehenden Streben 10, 11, im Ausführungsbeispiel aus Flachstahl, besteht. An den Kreuzungspunkten der Streben 10, 11 des Traggitters 8 sind dreieckige Auslenkelemente 12 aus Blech aufgeschweißt. Wie die Darstellungen der Fig. 2 und 3 zeigen, sind diese Aus­ lenkelemente 12 auf der Abströmseite des Traggitters 8 ange­ schweißt. Den Fig. 1 und 2 ist zu entnehmen, daß die Aus­ lenkelemente 8 gegenüber der Symmetrieachse 6 des Gaskanals 1 um ca. 30° geneigt sind. Dabei zeigt die Fig. 1, daß die Aus­ lenkelemente 12 reihenweise auf dem Traggitter 8 angeordnet sind und die Auslenkelemente einer jeden Reihe 14, 15, 16, 17, 18 gleichsinnig in Richtung der Reihe gegenüber der Hauptströ­ mungsrichtung 4 geneigt sind. Die Auslenkelemente der jeweils benachbarten Reihen sind in entgegengesetzter Richtung, jedoch um den gleichen Neigungswinkel geneigt. Des weiteren fällt auf, daß die Auslenkelemente in ihren Abmessungen bzw. mit ihrer Kantenlänge sehr viel kleiner sind als die Abmessungen des Gaskanals 1. Im Ausführungsbeispiel sind die Kantenlängen der Auslenkelemente 12 kleiner als ein Zehntel der Breite oder Länge des Gaskanals 1.

Beim Betrieb des statischen Mischers 2, das heißt, wenn das Gas mit den zu mischenden Komponenten den statischen Mischer, wie anhand der Pfeile 4 in den Fig. 2 und 3 angedeutet ist, durchströmt, induzieren die Auslenkelemente 12 einer jeder Rei­ he 14, 15, 16, 17, 18 eine Querströmung 22 im Gaskanal 1, die von der einen Begrenzung derselben bis zur gegenüberliegenden Begrenzung reicht. Die hierzu jeweils unmittelbar benachbarten Reihen von Auslenkelementen 12 erzeugen eine eben solche Quer­ strömung 22 von der einen Begrenzung des Gaskanals 1 zur ge­ genüberliegenden, jedoch mit umgekehrter Strömungsrichtung. Hierdurch wird ein großräumiger Stoffaustausch quer durch den gesamten Gaskanal 1 auf kürzestmöglicher Distanz erreicht. Zugleich bewirken die gegenläufigen Strömungsrichtungen des Gases an ihren Begrenzungen Ringwirbel 20, die für eine in­ nige lokale Durchmischung sorgen. Die für die großräumige Durchmischung verantwortlichen Gasströme quer durch den Gas­ kanal sind in der Fig. 1 mit geraden Pfeilen 22, die für die lokale innige Vermischung verantwortlichen Wirbel sind in der Fig. 1 durch kreisförmige Pfeile 20 angedeutet.

Die Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen anderen, in einem rohrförmigen Gaskanal 30 eingebauten erfindungsgemäßen stati­ schen Mischer 32. Auch hier umfaßt der statische Mischer ein senkrecht zur Symmetrieachse 33 des Gaskanals 30 eingebautes Traggitter 34 aus senkrecht zueinanderstehenden Streben 36, 37 und auf diesen Streben befestige Auslenkelemente 38. Im Un­ terschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 sind hier die Querstreben 36 unter die Längsstreben 37 geschweißt und sind die Auslenkelemente 38 nicht an den Kreuzungsstellen der Streben der Traggitters, sondern dazwischen an den Längs­ streben 37 angeschweißt. Auch hier sind die Auslenkelemente 38 reihenweise angeordnet und sind die Auslenkelemente einer je­ den Reihe untereinander gleich und zu den Auslenkelementen der jeweils benachbarten Reihe in der entgegengesetzten Richtung geneigt.

Beim Betrieb dieses statischen Mischers 32 wird, wenn die Aus­ lenkelemente 38 vom Gasstrom 39 angeströmt werden, - ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 durch jede Reihe gleich geneigter Auslenkelemente 38 ein quer zum Gaska­ nal gerichteter, den ganzen Gaskanal 30 überquerender Quer­ strom erzeugt, der genau entgegengesetzt zum jeweils benach­ barten Querstrom verläuft. Man vergleiche hierzu die geraden Pfeile 40 in der Fig. 4. Zwischen jeweils zwei einander be­ nachbarten Querströmen 40 entstehen, wie die kreisförmigen Pfeile 42 zeigen, lokale kleine Wirbel, die für eine innige lokale Durchmischung sorgen. Die Anordnung der Auslenkelemen­ te zwischen den Kreuzungsstellen der Streben 36, 37 ist ferti­ gungstechnisch etwas einfacher als jene nach dem Ausführungs­ beispiel gemäß den Fig. 1 bis 3. Hinsichtlich der Mischfunk­ tion besteht zwischen beiden Variationen kein nennenswerter Unterschied. Auch lassen sich beide statische Mischer 2, 32 anstatt in einem rohrförmigen Gaskanals 30 auch in einem recht­ eckigen Gaskanal 1 und umgekehrt einbauen.

Fig. 7 zeigt eine Aufsicht auf einen anderen in einem recht­ eckigen Gaskanal 50 senkrecht zu dessen Symmetrieachse 52 ein­ gebauten erfindungsgemäßen statischen Mischer 54. Auch hier sind die Auslenkelemente 56, 57 auf einem Traggitter 58 aus senkrecht zueinander ausgerichteten Streben 60 befestigt. Auch hier sind die Auslenkelemente 56, 57 in Reihen angeordnet, wo­ bei die Auslenkelemente ein und derselben Reihe alle in glei­ cher Richtung quer zum Gasstrom 62 geneigt sind und die Auslenk­ element 56, 57 der jeweils benachbarten Reihe alle in der je­ weils entgegengesetzten Richtung zur Gasströmung geneigt sind.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 sind jedoch die Auslenkelemente 56, 57 jeweils zweier benach­ barter Reihen dicht aneinandergerückt und dabei zugleich in Auslenkrichtung des Gasstromes 62 etwas gegeneinander verscho­ ben. Die Neigung jeweils zweier dicht aneinandergerückter Aus­ lenkelemente 56, 57 benachbarter Reihen sind voneinander weg­ gerichtet. Die Anordnung läßt sich am besten unter Zuhilfenah­ me der Fig. 7, 8 und 9 ersehen.

Beim Betrieb dieses statischen Mischers 54 durchströmen die zu mischenden Gase das Traggitter 58 mit den Auslenkelementen 56, 57 in der Darstellung der Fig. 7 von unterhalb der Zeichen­ ebene nach oben und werden diese Gasströmung 62 im Bereich der Auslenkelemente 56, 57, d. h. im Bereich der Gitterkreuzungs­ stellen, beidseitig derselben in entgegengesetzter Richtung quer zum Gasstrom 62 ausgelenkt. Man vergleiche hierzu die ge­ raden Pfeile 68. Dadurch, daß die Auslenkelemente zu beiden Seiten der Kreuzungsstellen des Traggitters 58 voneinander weggeneigt sind, gelangt ein Teil des Querstroms in den Sogbe­ reich des jeweils unmittelbar benachbarten Auslenkelements. Das bewirkt zwischen diesen beiden Auslenkelementen eine in­ tensive Verwirbelung, die oberhalb der Auslenkelemente in ei­ nem Spiralwirbel 64 zum Ausdruck kommt. Dieser Spiralwirbel ist gut in den Fig. 8 und 9 zu erkennen. Im übrigen ent­ stehen auch hier analog zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 4 weitere Drehwirbel 66 zwischen den entgegenge­ setzten Querströmungen 68 an der Begrenzung derselben.

Während bezüglich der großräumigen Durchmischung des Gasstroms keine nennenswerten Unterschiede zu den beiden Ausführungsbei­ spielen nach den Fig. 1 und 4 bestehen, ist hinsichtlich der lokalen Vermischung eine starke Intensivierung beim Aus­ führungsbeispiel der Fig. 7 festzustellen. Diese Intensivie­ rung der lokalen Vermischung durch Erzeugung vieler kleiner, sehr intensiver Spiralwirbel 64 äußert sich in einer ganz ge­ ringfügigen Zunahme des Strömungswiderstands dieses statischen Mischers 54. Dafür aber ist hier die Nachlaufstrecke, hinter der man von einer vollständigen Durchmischung des Gasstroms sprechen kann, gegenüber den beiden ersten Ausführungsbeispie­ len noch etwas weiter verkürzt worden.

Die Fig. 10 zeigt in Aufsicht, die Fig. 11 in Seitenansicht eine Abwandlung des statischen Mischers 54 der Fig. 7. Auch hier ist ein ebenes Traggitter 70 aus senkrecht zueinander ausgerichteten Streben 72 in einem rechteckigen Gaskanal 74 senkrecht zu dessen Symmetrieachse 76 angeordnet. Auch hier sind die gleichen Auslenkelemente 78, 79 wie in Fig. 7 in Reihen angeordnet und sind jeweils zwei Auslenkelemente 78, 79 unmittelbar benachbarter Reihen dicht aneinandergedrückt und entgegengesetzt zur primären Gasströmung 75 geneigt. Jedoch sind die längs der gleichen Streben 72 befestigten Paare von Auslenkelementen 78, 79 jeweils spiegelbildlich angeordnet, so daß nicht spiegelbildliche Paare von Auslenkelementen nur in Reihen diagonal zum Traggitter 70 zu finden sind.

Beim Betrieb dieses statischen Mischers 80 durchströmen die zu mischenden Gase das Traggitter 70 mit den Paaren von Auslenk­ elementen 78, 79 in der Darstellung der Fig. 10 von unterhalb der Zeichenebene nach oben. Durch die gegensätzliche Auslenkung des Gasstroms 75 an den Auslenkelementen 78, 79 eines jeden Paares, entsteht über diesen Paaren ein Spiralwirbel 82. Diese Spiralwirbel sind in der Fig. 10 durch die kreisförmigen Pfeile 84 angedeutet. Weil die diese Spiralwirbel an benach­ barten Traggitterplätzen spiegelbildlichen Drehsinn haben, induzieren sie zwischen sich diagonal zum Traggitter verlau­ fende Querströme 86, die durch gerade Pfeile 88 angedeutet sind. Gegenüber den anderen drei Ausführungsbeispielen ist bei diesem statischen Mischer 80 die Intensität der lokalen Durchmischung zu Lasten der großräumigen Durchmischung noch weiter verstärkt worden. Dieser statische Mischer 80 eignet sich daher besonders zur intensiven Durchmischung von Stof­ fen, die bereits einigermaßen gleichmäßig im anströmenden Gasstrom vermischt sind.

Diese hier gezeigten statischen Mischer lassen sich auch in flüssigen Medien einsetzen. In diesem Fall wird man jedoch die Neigung der Auslenkelemente gegenüber der Grundströmung etwas verringern. Sowohl bei flüssigen als auch bei gasförmigen Me­ dien ist es vorteilhaft, die Neigung der Auslenkelemente von ihrer Basisfläche, an der sie am Traggerüst befestigt ist, bis zu ihrem Kopfende allmählich zu steigen, das heißt die Auslenk­ elemente in sich zu krümmen. Dadurch können die Querströmungen verstärkt werden.

Claims (12)

1. Statischer Mischer (2, 32, 54, 80) mit mehreren in einem Strömungskanal angeordneten Auslenkelementen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von in Be­ zug zum Durchmesser des Strömungskanals (1, 30, 50, 74) klei­ nen Auslenkelementen (12, 38, 56, 57, 78, 79) verwendet sind, die Auslenkelemente in untereinander parallelen, quer zur Sym­ metrieachse (6, 33, 52, 76) des Strömungskanals ausgerichtete Reihen angeordnet und die Auslenkelemente einer jeden Reihe gleichsinnig in Richtung parallel zur Reihe und gegensinnig zu den Auslenkelementen der jeweils unmittelbar benachbarten Reihen geneigt sind.

2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auslenkelemente (12, 38, 56, 57, 78, 79) um Achsen senkrecht zur Richtung der Reihen und senkrecht zur Symmetrieachse (6, 33, 52, 76) des Strömungs­ kanals (1, 30, 50, 76) um ca. 10° bis 45° geneigt sind.

3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen von der einen Begrenzungswand zur gegenüberliegenden Begrenzungswand des Strömungskanals (1, 30, 50, 74) reichen.

4. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslenkele­ mente (12, 38, 56, 57, 78, 79) auf einem sich quer zur Symme­ trieachse (6, 33, 52, 76) des Gaskanals erstreckenden Träger­ gitter (8, 34, 58, 70) befestigt sind.

5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß jeweils zwei unmittelbar benachbarte Reihen von Auslenkelementen (56, 57, 78, 79) paarweise dicht nebeneinander angeordnet sind.

6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die unmittel­ bar benachbarten Auslenkelemente (56, 57, 78, 79) der paarwei­ se dicht nebeneinander angeordneten Reihen in Auslenkrichtung gegeneinander verschoben sind.

7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslenkele­ mente in sich eindimensional gebogen sind.

8. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslenkele­ mente (12) auf den Kreuzungsstellen des Traggitters (8) befe­ stigt sind.

9. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auslenkele­ mente (38, 56, 57, 78, 79) auf den Streben (37) zwischen den Kreuzungsstellen des Traggitters (34, 58, 70) befestigt sind.

10. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kantenlän­ ge der Auslenkelemente (12, 38, 56, 57, 78, 79) kleiner als ein Fünftel des mittleren Durchmessers des Strömungskanals (1, 30, 50, 74) sind.

11. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kantenlän­ ge der Auslenkelemente (12, 38, 56, 57, 78, 79) kleiner als ein Zehntel des mittleren Durchmessers des Strömungskanals (1, 30, 50) sind.

12. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen gleichsinnig geneigter Auslenkelemente (78, 79) diagonal zu dem Trägergitter ausgerichtet sind.