DE4313393A1 - Statischer Mischer - Google Patents

Statischer Mischer

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer mit mehreren, in einem Strömungskanal angeordneten Auslenkelementen.
Ein statischer Mischer wird im allgemeinen in einer Rohrleitung oder in einem an­ deren Strömungskanal eingebaut und dient dazu, zuvor in die Rohrleitung bzw. in den Strömungskanal eingebrachte Stoffe möglichst homogen im Strömungsmedium zu verteilen. Mittels eines statischen Mischers können damit z. B. verschiedene zu­ vor 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.
Eine bevorzugte Anwendungsform für einen statischen Mischer ist die Vermi­ schung von Stickoxid-haltigem Rauchgas und mit einem Reduktionsmittel, z. B. Ammoniak, das nachfolgend in einen bekannten DeNOx-Katalysator geleitet wird. Dort werden die Stickoxide und das Ammoniak nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion katalytisch in Wasser und Stickstoff umgesetzt.
Aus der DE-OS 41 23 161 ist ein statischer Mischer bekannt, der auf einer relativ kurzen Durchmischungsstrecke sowohl großräumige als auch lokale Konzentra­ tionsunterschiede der zu vermischenden Medien ausgleicht. Der Abstand zu einer vollständigen Durchmischung der Komponenten beträgt jedoch auch bei diesem Mischer in gasförmigen Medien etwa das Ein- bis Dreifache des Rohrquerschnitts. Dies führt dazu, daß hinter dem statischen Mischer oder seinen Auslenkelementen hinreichend viel Platz vorhanden sein muß, bevor die nachfolgenden Bauelemen­ te,wie z. B. DeNOx-Katalysatoren, denen die Mischung zugeführt werden soll, an­ geschlossen werden können. Bei vielen industriellen Anlagen ist dieser Platz jedoch nur sehr knapp bemessen und in nicht ausreichendem Maße verfügbar. Dies gilt in besonderem Maß für die Anordnung eines statischen Mischers in Strömungsrich­ tung des Rauchgases vor einer DeNOx-Anlage.
Eine mögliche Problemlösung deutete sich in der Druckschrift der Fa. Sulzer Chemtech, Winterthur, Schweiz, 1991 an, in der Katalysatoren und Katalysatorträ­ ger mit Kreuzkanalstruktur vorgestellt sind, und die unter dem Namen "Katapak" im Handel erhältlich sind. Bei der Erprobung des Katapak stellte sich heraus, daß aufgrund der Kreuzkanalstruktur der Gaskanäle sowohl eine gute Vermischung der gasförmigen Komponenten als auch eine bereits einsetzende katalytische Umset­ zung der gasförmigen Komponenten erzielt wurde. Es zeigte sich jedoch auch, daß der Katapak einen relativ hohen Druckabfall in dem Strömungskanal und bei seiner Herstellung einen hohen Kostenaufwand verursacht. Außerdem wird durch den Ein­ satz des Katapaks wohl eine sehr homogene Vermischung der Komponenten er­ reicht, zu einer hinreichend hohen katalytischen Umsetzung der Komponenten sind jedoch sehr lange Wegstrecken erforderlich. Darüber hinaus verstopft der Katapak relativ schnell, wenn das Rauchgas beispielsweise einer Verbrennungsanlage mit Flugstaub und anderen Partikeln beladen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer anzuge­ ben, der eine gute Vermischung der Komponenten eines Strömungsmediums er­ möglicht, der für die Vermischung der Komponenten eine kurze Wegstrecke be­ nötigt und der sich zusammen mit einer nachgeschalteten Einrichtung, beispielswei­ se eine DeNOx-Anlage oder ein Adsorber, durch geringen Platzbedarf auszeichnet. Außerdem soll der statische Mischer preiswert herzustellen sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein statischer Mischer mit mehreren, in einem Strömungskanal angeordneten Auslenkelementen, deren Abmessungen in bezug zum Durchmesser des Strömungskanals klein sind, verwen­ det wird, wobei die Auslenkelemente mit einer Funktionsschicht beschichtet sind.
Hierdurch wird eine homogene Vermischung der Komponenten des Strömungsme­ diums durch die Wechselwirkung des Strömungsmediums mit den räumlich wenig ausgedehnten Auslenkelementen des Mischers erreicht. Gleichzeitig können mittels der Funktionsschicht auf den Auslenkelementen bereits im Mischer Aufgaben wahrgenommen werden, die im allgemeinen auf die dem Mischer folgende Anlagen­ komponente beschränkt waren.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Auslenkelemente mit un­ tereinander parallelen, quer zu einer Symmetrieachse des Strömungskanals ausge­ richteten Reihen angeordnet sein und die Auslenkelemente einer jeden Reihe gleichsinnig in Richtung parallel zur Reihe und gegensinnig zu den Auslenkelemen­ ten der jeweils unmittelbar benachbarten Reihe geneigt sein. Diese Ausgestaltung trägt entscheidend dazu bei, daß einerseits durch die jeweils in einer Reihe ange­ ordneten Auslenkelemente eine mikroskopische Vermischung des Strömungsmedi­ ums erreicht wird. Andererseits bewirkt diese Ausgestaltung auch, daß sich ein Strömungssystem einstellt, welches eine Vermischung der Komponenten des Strö­ mungsmediums über den gesamten Querschnitt des Strömungskanals bewirkt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Auslenkelemente um Achsen senkrecht zur Rich­ tung der Reihen und senkrecht zur Symmetrieachse des Strömungskanals um etwa 10 bis 45° geneigt sind. Mit dieser Anordnung wird eine hohe Verwirbelung und damit auch eine hohe Vermischung der Komponenten des Strömungsmediums so­ wie ein weitgehend vernachlässigbarer Druckabfall in dem Strömungskanal er­ reicht.
Es hat sich gezeigt, daß eine besonders gute Vermischung der Komponenten des Strömungsmediums erreicht wird, wenn die Auslenkelemente trapezförmig und be­ züglich benachbarter Reihen versetzt angeordnet sind, so daß zumindest ein Teil der Auslenkelemente jeweils in einen Zwischenraum zwischen zwei in einer unmittel­ bar benachbarten Reihe benachbart angeordneten Auslenkelemente eingreift.
Eine sehr platzsparende Variante mit einem hohen Maß an beschichteter Oberfläche ergibt sich, wenn die Auslenkelemente auf einer sich quer zur Symmetrieachse des Strömungskanals erstreckenden Trägerstruktur befestigt sind, wobei auch die Trä­ gerstruktur mit der Funktionsschicht beschichtet ist.
Zur weiteren Erhöhung der Oberfläche des statischen Mischers und zur Steigerung der Festigkeit der Funktionsschicht auf dem statischen Mischer kann es vorgesehen sein, keramische Fasern, die die Funktionsschicht umfaßt, auf die Trägerstruktur aufzusintern. Dabei wirkt sich die hohe Oberfläche von keramischen Fasern aus beispielsweise Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Aluminiumsilikat, Zirkonoxid oder Asbest, stark oberflächenvergrößernd aus. Darüber hinaus bewirken die auf den statischen Mischer aufgesinterten keramischen Fasern, daß die Funktionsschicht auch an den mechanisch stark beanspruchten Flanken der Auslenkelemente gut haftet.
Zur Erfüllung der Aufgaben eines Katalysators ist es zweckmäßig, wenn die Funk­ tionsschicht katalytisches Material umfaßt. Um in dem statischen Mischer bereits eine Reaktion nach dem SCR-Verfahren durchzuführen, ist es besonders zweck­ mäßig, wenn das katalytische Material Titanoxid (TiO₂) und einen oder mehrere der Zusätze Wolframoxid (WO₃), Molybdänoxid (MoO₃) und Vanadinpentoxid (V₂O₅) umfaßt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das katalytische Material min­ destens ebensogut eine Phase der Summenformel MoxVyO32-z mit x + y = 12; x, y 1; z 1 umfassen.
Zur besonders homogenen Vermischung der Komponenten des Strömungsmediums können im Strömungskanal mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeord­ nete Mischebenen vorgesehen sein, wobei die quer zur Symmetrieachse in einer Ebene angeordneten Auslenkelemente eine Mischebene bilden.
Die Verteilung der Komponenten im Strömungsmedium läßt sich weiter homoge­ nisieren, wenn die Auslenkelemente in untereinander parallelen oder antiparallelen, quer zu einer Symmetrieachse des Strömungskanals ausgerichteten Reihen ange­ ordnet sind, wobei die Reihen unmittelbar benachbarter Mischebenen zueinander senkrecht angeordnet sind. Dies bedeutet, daß beispielsweise die zuerst im Strö­ mungskanal angeordnete Mischebene eine im wesentlichen vertikale Durchmi­ schung der Komponenten bewirkt, und die darauf folgende Mischebene eine vor­ wiegend horizontale Mischung bewirkt. Eine daran anschließende weitere Misch­ ebene kann dann beispielsweise wieder eine überwiegend vertikale Mischung be­ wirken.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann zwischen zwei Mischebenen ein Waben- oder Plattenkatalysator angeordnet sein. Hierdurch ist auch eine Ausgestal­ tung der Erfindung gemeint, bei der beispielsweise einem DeNOx-Plattenkatalysa­ tor mehrere erfindungsgemäße statische Mischer vorgeschaltet sind. Diese Vor­ schaltung mehrerer erfindungsgemäßer statischer Mischer kann auch bewirken, daß der Katalysator verkleinert werden kann. Hierdurch können die Kosten für Platten­ und/oder Wabenkatalysatoren gesenkt und das Volumen der DeNOx-Anlage bei gleichzeitig hoher Homogenität des Strömungsmediums und hohen Abscheideraten für Stickoxide verkleinert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprü­ chen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von drei Figuren erläutert. Da­ bei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht auf die Mischebene eines statischen Mischers,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Mischebene von Fig. 1 entlang der Linie II-II; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung von mehreren in einem Rauchgaskanal angeordneten Mischebenen mit einem nachgeschalteten DeNOx-Platten­ katalysator.
Fig. 1 zeigt die Mischebene eines statischen Mischers 1, der in Reihen 2 bis 16 an­ geordnete trapezförmige Auslenkelemente 18 umfaßt. Die Reihen 2 bis 16 sind in ein metallisches Trägergitter 20 parallel zueinander eingebaut. Die Auslenkelemente 18 ragen in Strömungsrichtung eines Rauchgases 22 aus der Trägergitterebene her­ aus. Die Auslenkelemente 18 sind innerhalb einer jeden Reihe 2 bis 16 parallel zueinander angeordnet, bezüglich benachbarter Reihen jedoch versetzt angeordnet und um etwa 45° gegenüber der Strömungsrichtung des Rauchgases 22 geneigt (vgl. auch Fig. 2). Die Auslenkelemente 18 benachbarter Reihen 2 bis 16 sind gegenläufig geneigt. Die Reihen 2 bis 16 sind gleichzeitig Bestandteil des Trä­ gergitters 20. Im Ausführungsbeispiel sind sowohl die Auslenkelemente 18 als auch das Trägergitter 20 mit katalytisch aktivem Material 24 beschichtet, was aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in Fig. 2 dargestellt worden ist. Hierdurch steht die gesamte Oberfläche der Mischebene des statischen Mischers 1 zur katalytischen Umsetzung bereit. Im Ausführungsbeispiel und zwar bei der Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak, umfaßt das katalytische Material 24 als Grundbestand­ teil Titandioxid mit den Zusätzen Wolframtrioxid, Molybdäntrioxid und Vanadinpentoxid, die im wesentlichen die katalytische Aktivität des katalytischen Materials 24 bestimmen. Gleichzeitig oder auch alternativ kann das katalytische Material 24 eine Phase der Summenformel MoxVyO32-z mit x + y 12; x, y 1; z 1 umfassen. Das katalytische Material 24 unterscheidet sich dabei kaum oder nicht von dem katalytischen Material, wie es zur Fertigung von Platten­ katalysatoren für die Stickoxidminderung in einem Rauchgas 22 verwendet wird.
Außerdem umfaßt das katalytische Material 24 im Ausführungsbeispiel keramische Fasern aus Aluminiumsilikaten, die auf die metallischen Auslenkelemente 18 und das metallische Trägergitter 20 aufgesintert sind. Die Fasern besitzen eine zylindri­ sche Form mit einer Länge von etwa 3 mm und einem Durchmesser von etwa 0,2 mm. Die Fasern tragen dazu bei, daß einerseits beim Vorbeiströmen des Rauch­ gases 22 an den Auslenkelementen 18 die mikroskopische Verwirbelung der Kom­ ponenten des Rauchgases 22 verbessert wird und andererseits die Verfestigung des katalytischen Materials 24 auf den Auslenkelementen 18 und dem Trägergitter 20 auch an den besonders beanspruchten Strömungsflanken verbessert wird gegenüber einer Beschichtung mit katalytischem Material 24 ohne die obengenannten Fasern.
In in einen Rauchgaskanal 26 eingebautem Zustand wird die Mischebene eines sta­ tischen Mischers 1 gemäß Fig. 1 und Fig. 2 parallel zu einer Symmetrieachse 21 durchströmt. Dabei wird das Rauchgas 22 an den Auslenkelementen 18 der einzel­ nen Reihen 2 bis 16 der Mischebene bezüglich benachbarter Zeilen gegensinnig und quer zur Symmetrieachse eines Rauchgaskanals 26 abgelenkt (vgl. Pfeile 28). Es ergibt sich also hinter jedem Tragergitter 20 ein quer zur Grundströmung des Rauchgases 22 ausgerichtetes Strömungssystem mit benachbarten, antiparallelen Strömungsfäden. Hierdurch wird das zuvor in das Rauchgas 22 eingedüste Ammo­ niak beim Durchströmen der Mischebene des statischen Mischers 1 weitgehend homogen mit dem Rauchgas vermischt. Aufgrund der Beschichtung der Misch­ ebene mit katalytisch aktivem Material 24 erfolgt bereits an dem statischen Mischer eine katalytische Umsetzung von Stickoxiden mit Ammoniak zu Wasser und Stick­ stoff.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem Rauchgaska­ nal 26 einer nicht weiter dargestellten Verbrennungsanlage. In dem Rauchgaskanal 26 ist ein statischer Mischer 1 eingebaut, der aus drei senkrecht zur Symmetrieachse 21 des Rauchgaskanals 26 angeordneten und sich über den gesamten Querschnitt des Rauchkanals erstreckenden Mischebenen 1A, 1B, 1C gebildet wird. Unmittelbar aufeinander folgende Mischebenen 1A, 1B, 1C sind um etwa den Querschnitt des Rauchgaskanals 26 beabstandet. Die Reihen 2-16 benachbarter Mischebenen 1A, 1B, 1C sind untereinander um die Symmetrieachse 21 des Rauchgaskanals 26 um 90° gedreht (vgl. Pfeile 28). Das vor dem Eintritt des Rauchgases 22 in die in Strö­ mungsrichtung zuerst angeordnete Mischebene 1A in das Rauchgas 22 eingedüste Ammoniak wird beim Durchströmen der Mischebenen 1A, 1B, 1C mit ihren um 90° gegeneinander verdrehten Strömungssystemen sehr homogen über den gesam­ ten Rauchgaskanal 26 verteilt. Die relative Abweichung der Ammoniakkonzentra­ tion im Rauchgas 22 liegt dabei unter 5% Abweichung von dem Mittelwert der Ammoniakkonzentration im Rauchgas 22. Das sehr homogen mit Ammoniak ver­ mischte Rauchgas 22 tritt dann in einen bekannten DeNOx-Katalysator 28 ein, der im Ausführungsbeispiel aus einem Katalysator in Plattenweise besteht (Katalysatorplatten nicht weiter dargestellt).
Aufgrund der katalytisch aktiven Beschichtung der Mischebenen 1A, 1B, 1C des statischen Mischers erfolgt bereits bei der Vermischung des Rauchgases mit Am­ moniak durch die Kontaktierung der Stickoxide und des Ammoniaks an den kata­ lytisch aktiven Oberflächen des katalytischen Materials 24 (vgl. Fig. 2), eine Um­ setzung der Stickoxide und des Ammoniaks zu Wasser und Stickstoff. Damit trägt der statische Mischer 1 schon entscheidend zur Stickoxidminderung bei und ersetzt in diesem Ausführungsbeispiel den üblicherweise sonst vor dem DeNOx-Platten­ katalysator 28 angeordneten DeNOx-Wabenkatalysator, der in der Regel über einen im Strömungsweg vorgeschalteten statischen Mischer verfügt. Hierdurch wird in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einerseits ein zusätzlicher Wabenkatalysator eingespart, und auch andererseits das Bauvolumen einer DeNOx- Anlage entsprechend verringert.
Im Ausführungsbeispiel ist der statische Mischer 1 somit ein integrierter Bestandteil einer DeNOx-Anlage. Weitere Anwendungen für den erfindungsgemäßen statischen Mischer sind prinzipiell die Vermischung beliebiger gasförmiger und/oder flüssiger Stoffe, die bereits bei ihrer Vermischung einem katalytischen und/oder einem Ad­ sorptionsprozeß unterzogen werden.

Claims (12)

1. Statischer Mischer (1) mit mehreren in einem Strömungskanal (26) angeordneten Auslenkelementen (18), deren Abmessungen in bezug zum Durchmesser des Strö­ mungskanals (26) klein sind, wobei die Auslenkelemente (18) mit einer Funktions­ schicht (24) beschichtet sind.
2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelemente (18) in unterein­ ander parallelen, quer zu einer Symmetrieachse (21) des Strömungskanals (26) aus­ gerichteten Reihen (2 bis 16) angeordnet und die Auslenkelemente (18) einer jeden Reihe (2 bis 16) gleichsinnig in Richtung parallel zur Reihe (2 bis 16) und gegen­ sinnig zu den Auslenkelementen (18) der jeweils unmittelbar benachbarten Reihe geneigt sind.
3. Statischer Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelemente (18) um Achsen senkrecht zur Richtung der Reihen (2 bis 16) und senkrecht zur Symmetrieachse (21) des Strömungskanals (26) um etwa 10 bis 45° geneigt sind.
4. Statischer Mischer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelemente (18) trapezför­ mig sind und bezüglich unmittelbar benachbarter Reihen (2 bis 16) versetzt ange­ ordnet sind, so daß zumindest ein Teil der Auslenkelemente (18) jeweils in einem Zwischenraum zwischen zwei in einer unmittelbar benachbarten Reihe benachbart angeordneten Auslenkelementen (18) eingreift.
5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelemente (18) auf einer sich quer zur Symmetrieachse (21) des Strömungskanals (26) erstreckenden Träger­ struktur, z. B. einem Trägergitter (20) mit Reihen (2 bis 16), gehalten sind, wobei auch die Trägerstruktur (20) mit der Funktionsschicht (24) beschichtet ist.
6. Statischer Mischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (24) keramische Fasern umfaßt, die auf die Trägerstruktur (20) aufgesintert sind.
7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (24) katalytisches Material umfaßt.
8. Statischer Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material Titandioxid (TiO₂) und einen oder mehrere der Zusätze Wolframoxid (WO₃), Molybdänoxid (MoO₃) und Vanadinpentoxid (V₂O₅) umfaßt.
9. Statischer Mischer nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material eine Phase der Summenformel MoxVyO32-z mit x + y 12; x, y 1; z 1 umfaßt.
10. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur Symmetrieachse (21) in einer Ebene angeordnete Auslenkelemente (18) eine Mischebene (1A, 1B, 1C) bilden, wobei im Strömungskanal (26) mehrere in Strömungsrichtung hintereinander ange­ ordnete Mischebenen (1A, 1B, 1C) vorgesehen sind.
11. Statischer Mischer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Mischebenen (1A, 1B, 1C) ein Plattenkatalysator (28) oder ein Wabenkatalysator angeordnet ist.
12. Statischer Mischer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkelemente (18) in unterein­ ander parallele, quer zur Symmetrieachse (21) des Strömungskanals (26) ausgerich­ teten Reihen (2 bis 16) angeordnet sind, wobei die Reihen (2 bis 16) unmittelbar benachbarter Mischebenen (1A, 1B, 1C) zueinander senkrecht angeordnet sind.
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