EP0404107A1 - Statische Mischvorrichtung für Fluide - Google Patents

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Publication number
EP0404107A1
EP0404107A1 EP90111665A EP90111665A EP0404107A1 EP 0404107 A1 EP0404107 A1 EP 0404107A1 EP 90111665 A EP90111665 A EP 90111665A EP 90111665 A EP90111665 A EP 90111665A EP 0404107 A1 EP0404107 A1 EP 0404107A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mixing device
static mixing
mixing
channels
rows
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90111665A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Gröbner
Hanspeter Widler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0404107A1 publication Critical patent/EP0404107A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa

Definitions

  • the invention relates to a static mixing device for fluids, in particular gases and / or liquids, with at least two grid-shaped mixing elements which can be inserted one behind the other in a line.
  • a grating that can be inserted into a line for mixing a fluid flowing through it is known from DE-A-23 40 483.
  • the inclined walls of each channel are not inclined over the entire length of the channel. Rather, the flow in the channel is initially guided parallel to the axis and only then kinks.
  • the formation of such a mixing element for mixing a fluid flowing through leads to a uniform speed distribution across the line cross section, with a low pressure drop.
  • this grating or grating-shaped mixing element is relatively large, so that you have a relatively long mixing distance to Homogenization, ie intensive mixing, is required because the through-channels and the partial flows of the incoming fluid stream generated thereby are initially divided only in the main flow direction and only deflected in the exit direction of the mixing element and mixed in the area behind the grating in the form of a kind of post-mixing effect.
  • the invention aims to provide a static mixing device for fluids of the generic type with improved mixing effect over a short mixing distance while overcoming the difficulties described above.
  • the partial flows at the second mixing element are subdivided again in comparison to the first, so that, overall, the inhomogeneity can be reduced by a factor of about two with two mixing elements arranged one behind the other on an extremely short mixing section.
  • the grating-shaped mixing element not only divides the fluid flow arriving in the main flow direction into partial flows onto the passageways, but it is also deflected in adjacent rows in opposite directions at the same time, so that intensive mixing and homogenization with the aid of the mixing element according to the invention with a much shorter mixing distance.
  • the length of the mixing element is approximately a quarter of the line diameter.
  • the length specification of the mixing element in the static mixing device according to the invention means that the larger the line diameter, the smaller the length of the mixing device.
  • the passage channels are preferably to the main flow direction arranged at an angle of 30 ° to 60 ° or larger. In the case of average fluids to be mixed without special treatment, this angle is approximately 45 °, so that the greatest possible mixing efficiency is achieved with the smallest possible pressure drop. To reduce the pressure drop, the angle can be reduced further and be approximately 30 °, such a configuration being particularly suitable as the fluids to be mixed when mixing gases.
  • angles in a range of 60 ° or greater can be used to increase the shear forces in order to increase the dispersing action.
  • the design of the grid-shaped mixing element in the static mixing device according to the invention is such that the number of passage channels per row is different.
  • the design is preferably such that the number of passage channels of the row or rows lying approximately in the cross-sectional center is greatest.
  • the number of passage channels decreases in rows, starting from the central area to the line wall.
  • the design is preferably such that the number of through channels of the rows adjacent to the row or rows assigned to the central region is the same, so that a symmetrical layout of the respective mixing element with respect to the cross-sectional central axis is obtained.
  • the mixing element in the static mixing device according to the invention is designed in such a way that the number of through channels of two adjacent rows differs by at least two through channels in order to obtain a gradation of the degree of mixing from mixing element to mixing element.
  • the design of the mixing element can also be made in such a way that the same number of passage channels is present per row. This gives a uniform distraction and mixing across the line cross-section.
  • the passageways formed by the grate-shaped mixing element are substantially rhomboidal, i.e. they have a rectangular or square cross section.
  • a simplified manufacture of such a lattice-shaped mixing element for a static mixing device can be achieved.
  • the transverse webs of the mixing element arranged between each two adjacent rows of passage channels are at least partially flowed through by coolant or heating medium, so that the fluids to be mixed can be conditioned directly in the region of the mixing element.
  • Heating is desirable in particular in the application in the field of the petroindustry, for which purpose water can be passed through the crossbars as a heating medium.
  • the transverse webs arranged between two adjacent rows of passage channels can at least partially be designed as steam inlet channels.
  • the steam can be added in a metered manner directly in front of or in the region of the mixing element.
  • the passage channels e.g. by vapor deposition of ceramic or plastic material
  • perforating the walls of the guide surfaces and / or transverse webs it is preferred to roughen the surface of the passage channels (e.g. by vapor deposition of ceramic or plastic material) or by perforating the walls of the guide surfaces and / or transverse webs.
  • the static mixing device according to the invention can preferably also be provided, for example, in a heat exchanger or in a rectification column.
  • the mixing device according to the invention can be used both in the turbulent flow area and in the laminar flow area.
  • the mixing device for example, viewed in the main flow direction, comprises two consecutive mixing elements and is followed by a post-mixing section which can be, for example, two to three times the line diameter.
  • a set consisting of one or more mixing elements can in turn be arranged, so that the inhomogeneity is reduced by a factor of 2 in each case of set of arranged mixing elements and the inhomogeneities in the area of the post-mixing section in turn by a factor of approximately 2 to 4 be dismantled.
  • a mixing element is sufficient to intensify the mixing process again.
  • the mixing element 1 of the static mixing device for fluids has five parallel rows I to III of passage channels 2, with a cross bar 3 being arranged between two adjacent rows I to III.
  • the design is designed symmetrically with respect to the central axis X lying in the line cross-sectional plane. Approximately in the center of the cross-section on both sides of the central axis X is the central row of passages, designated I, which in the example shown has the largest number of passages.
  • the rows II and II respectively adjacent to this middle row I have an equal number of through channels, the number of through channels of the rows II, II being smaller than the number of through channels of the row I.
  • This mixing element 1 is particularly suitable for a turbulent flow, the main flow direction of which is denoted by V ⁇ in FIG. 4.
  • an identical mixing element 1 can follow (although not shown) seen in the main flow direction, but is arranged with respect to its orientation rotated by 90 ° to the mixing element shown in FIG. 1.
  • the inhomogeneity can thus be reduced by a factor of about 2 in the case of the static mixing device with the two mixing elements 1 with the aid of the two mixing elements arranged offset by 90 ° to one another.
  • this first set of two mixing elements 1 can then be followed by a post-mixing section in the line section, which can be, for example, two to three times the line diameter.
  • a set of one or more mixing elements can be provided in accordance with the arrangement described above, so that the inhomogeneity is then reduced by a factor of about 2.
  • the length of the mixing element 1 amounts to approximately a quarter of the line diameter.
  • the mixing element for example shown in FIG. 1, initiates the mixing approximately from the center in the area of the row I, and intensive mixing takes place in this area, while in the further rows lying in the direction of the line wall 4 II and III a less intensive mixing of the fluids takes place. Seen overall, intensive mixing and homogenization across the line cross section is achieved with the help of the mixing element according to the invention.
  • Fig. 1 the deflection directions of the partial flows are indicated schematically with arrows. As shown, the flows in adjacent rows I, II, III are deflected in opposite directions.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a section of two adjacent rows I and II of through-channels 2.
  • the passage channels 2 are arranged inclined to the main flow direction V ⁇ (see FIG. 4) at an angle of approximately 45 °.
  • the passages can be arranged at an angle of 30 ° to 60 ° or greater, which depends on the particular application.
  • the angle of the passage channels 2 to the main flow direction V ⁇ should be arranged at an angle of 60 ° or greater in order to increase the shear forces.
  • the angle of the passages 2 to the main flow direction V ⁇ can be, for example, 30 °.
  • the post-mixing section can then be extended accordingly, in which the mixing process is continued without a noticeable drop in pressure.
  • a first mixing element is designated by A in FIG. 2a.
  • This mixing element A comprises four rows of through-channels, the two rows IV and IV lying in the middle each having an equal number of through-channels.
  • the rows V and V adjoining this in the direction of the line wall 4 likewise have an equal number of through-channels, the number being reduced to half the number of rows IV.
  • a mixing element B is shown, which comprises three parallel rows of passages VI, each having an equal number of passages.
  • FIG. 2c shows an arrangement in which the mixing elements A and B according to FIGS. 2a and 2b are arranged one behind the other as seen in the main flow direction.
  • the mixing element A according to FIG. 2a is shown in a solid line and behind it in a broken line the mixing element B according to FIG. 2b is shown.
  • the two mixing elements A and B are arranged rotated by 90 ° with respect to one another, so that the number of partial flows generated at mixing element A is increased again in the area of mixing element B.
  • the mixing elements A and B are arranged one behind the other, the greatest possible mixing efficiency is obtained with the smallest possible pressure drop, whereby the fluids to be mixed are distributed over the line cross-section.
  • FIG. 5 shows a further embodiment variant of a mixing element 1 ', which is arranged in a line cross section.
  • the pipe wall is designated 4 '.
  • the mixing element 1 comprises five parallel rows VII to IX of passage channels 2', the rows VII to IX each having a different number of passage channels 2 '.
  • the design of this mixing element 1 ' is also made axially symmetrical to the central axis designated X.
  • the middle row VII is on both sides of the central axis X.
  • the rows VIII and VIII adjoining this in the direction of the line wall 4 ' have an equal number of through-channels 2', but at least two through-channels 2 'smaller than the number of through-channels 2'.
  • the middle row is VII.
  • the rows IX, IX also include an equal number of through-channels 2 ', the number of which, however, is again reduced by two through-channels in comparison to the rows VIII, VIII.
  • FIG. 6 finally, a further embodiment of a mixing element 2 'is shown, which is designed similar to the mixing element A in Fig. 2a.
  • the same or similar parts in Fig. 2a and the embodiment of Fig. 1 are denoted by the same reference numerals, but with an addition ' ⁇ '.
  • This mixing element 1 ⁇ comprises four rows IV to V, the number of passages of the two rows IV and IV adjacent in the central region being the same and also the number of passages of the rows V and V being the same size.
  • the number of passages in rows V and V is half the number of passages in rows IV and IV.
  • the respective passage channels 2, 2 ', 2 ⁇ formed substantially rhomboidal, that is, they have a rectangular or square cross section.
  • This rhomboidal configuration of the passage channels 2, 2 ', 2 ⁇ is realized in all of the previously described embodiments of the mixing elements.
  • the mixing device according to the invention with the mixing elements explained above can be arranged in a heat exchanger or a rectification column.
  • the static mixing device according to the invention is also suitable for other fields of application in which the most intensive possible mixing and homogenization of fluids to be mixed, such as gases and / or liquids, is to be achieved over the shortest possible mixing section.
  • the transverse webs 3, 3 ', 3' arranged between two adjacent rows I to IX of through-channels can be at least partially flowed through by coolant or heating medium.
  • these crosspieces 3, 3 ', 3 ⁇ can also be designed as steam inlet channels, with these measures achieving a conditioning of the fluids or liquids to be mixed precisely in the area of the mixing element.
  • Water heating is particularly desirable in the petroindustry and, for example, in the sterilization of milk, heating by means of a heating medium may be desirable.
  • This form of training allows the medium used for conditioning to be metered in directly in front of the mixing element, so that the production and the respective treatment can be made inexpensively and more effectively.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)

Abstract

Es wird eine statische Mischvorrichtung für Fluide, insbesondere Gase und/oder Flüssigkeiten angegeben, die wenigstens ein, in eine Leitung, wie eine Rohrleitung einsetzbares, gitterrostförmiges Mischelement (1) hat. Das Mischelement hat in der Leitungsquerschnittsebene mehrere, in parallelen Reihen angeordnete Durchlaßkanäle (2), deren Wände derart reihenweise nach mit Bezug auf die Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Seiten geneigt sind, daß die Strömung in benachbarten Reihen nach entgegengesetzten Richtungen abgelenkt wird. Die Länge des Mischelemente beträgt etwa ein Viertel des Leitungsdurchmessers. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können zwei oder mehrere Mischelemente in Hauptströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnet sein, wobei die jeweils aufeinanderfolgenden Mischelemente 45 bis 90° zueinander verdreht angeordnet sind, um die Vermischung und Homogenisierung zu fördern. Die Winkel der Durchlaßkanäle zur Hauptströmungsrichtung können in Abhängigkeit von dem Bedarfsfall gewählt werden und liegen zweckmäßigerweise innerhalb eines Bereiches von 30° bis 60° oder größer. Die Anzahl der Durchlaßkanäle in den jeweiligen Reihen kann unterschiedlich gewählt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung für Fluide, insbesondere Gase und/oder Flüssigkeiten mit minde­stens zwei hintereinander in eine Leitung einsetzbaren, git­terröstformigen Mischelementen gemäß dem Oberbegriff des An­spruchs 1.
  • Ein in eine Leitung einsetzbarer Gitterrost zur Durchmi­schung eines hindurchströmenden Fluids ist aus der DE-A-23 40 483 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind die geneigten Wände jedes Kanals nicht über die gesamte Länge des Kanals geneigt. Die Strömung im Kanal wird dort vielmehr zunächst achsparallel geführt und knickt erst dann ab. Die Ausbildung eines derartigen Mischelements zur Durchmischung eines hin­durchströmenden Fluids führt zwar zu einer gleichmäßigen Ge­schwindigkeitsverteilung über den Leitungsquerschnitt hinweg gesehen bei geringem Druckabfall. Die Baulänge dieses Git­terrostes oder gitterrostförmigen Mischelements jedoch ist relativ groß, so daß man eine relativ lange Mischstrecke zur Homogenisierung, d.h. intensiven Vermischung benötigt, da die Durchlaßkanäle und die hierdurch erzeugten Teilströme des ankommenden Fluidstroms zu Beginn nur in Hauptströmungs­richtung aufgeteilt und erst in Austrittsrichtung des Misch­elements abgelenkt und im Bereich hinter dem Gitterrost in Form eines Art Nachmischeffektes vermischt werden.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten eine statische Mischvorrich­tung für Fluide der gattungsgemäßen Art mit verbesserter Mischwirkung bei kurzer Mischstrecke bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß werden in der Querschnittsebene gesehen die Teilströme an dem zweiten Mischelement im Vergleich zum ersten nochmals unterteilt werden, so daß insgesamt gesehen die Inhomogenität etwa um den Faktor 2 bei zwei hintereinan­der angeordneten Mischelementen auf einer äußerst kurzen Mischstrecke abgebaut werden kann.
  • Bei der erfindungsgemäßen statischen Mischvorrichtung werden mit Hilfe des gitterrostförmigen Mischelements der in Haupt­strömungsrichtung ankommende Fluidstrom nicht nur auf die Durchlaßkanäle in Teilströme unterteilt, sondern er wird auch zugleich in benachbarten Reihen jeweils nach entgegenge­setzten Richtungen abgelenkt, so daß man eine intensive Mi­schung und Homogenisierung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Mischelements bei einer wesentlich kürzeren Mischstrecke erhält. Hierdurch erhält man eine gedrängte Bauweise einer derartigen statischen Mischvorrichtung oder anders ausgedrückt läßt sich die Mischeffizienz im Vergleich zum Stand der Technik bei je­weils gleicher Mischstrecke verbessern, da sich bei der erfin­dungsgemäßen statischen Mischvorrichtung eine größere Anzahl von Mischelementen bei ein und derselben Mischstrecke hinter­einander in Hauptströmungsrichtung gesehen anordnen läßt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung be­trägt die Länge des Mischelements etwa ein Viertel des Lei­tungsdurchmessers. Anders ausgedrückt bedeutet die Längenanga­be des Mischelements bei der erfindungsgemäßen statischen Misch­vorrichtung, daß die Länge der Mischvorrichtung umso geringer ist, je größer der Leitungsdurchmesser ist.
  • Vorzugsweise sind die Durchlaßkanäle zur Hauptströmungsrichtung unter einem Winkel von 30° bis 60° oder größer angeordnet. Bei durchschnittlichen zu vermischenden Fluiden ohne besondere Behandlung beträgt dieser Winkel etwa 45°, so daß man eine möglichst große Mischeffizienz bei einem möglichst kleinen Druck­abfall erhält. Zur Reduktion des Druckabfalls kann der Winkel noch verkleinert werden und etwa 30° betragen, wobei eine sol­che Auslegung insbesondere beim Mischen von Gasen als zu mischen­de Fluide geeignet ist.
  • Bei einer Dispergierbehandlung hingegen können zur Erhöhung der Scherkräfte Winkel in einem Bereich von 60° oder größer verwen­det werden, um die Dispergierwirkung zu erhöhen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform nach der Erfindung ist die Auslegung des gitterförmigen Mischelements bei der statischen Mischvorrichtung nach der Erfindung derart getroffen, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle pro Reihe unterschiedlich ist. Hierbei ist vorzugsweise die Auslegung derart getroffen, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle der etwa in der Querschnittsmitte liegenden Reihe oder Reihen am größten ist. Insbesondere nimmt die Anzahl der Durchlaßkanäle, ausgehend vom Mittelbereich zur Leitungswand, reihenweise ab. Vorzugsweise ist die Auslegung derart getroffen, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle der zur jeweils dem Mittelbereich zugeordneten Reihe oder Reihen be­nachbarten Reihen gleich groß ist, so daß man eine symmetrische Auslegung des jeweiligen Mischelements, bezogen auf die Quer­schnittsmittelachse, erhält. Bei einer statischen Mischvorrich­tung mit einem Mischelement, bei der die Anzahl der Durchlaß­kanäle pro Reihe unterschiedlich ist, wird erreicht, daß die Vermischung der Fluide insbesondere von der Mitte des Misch­elements aus eingeleitet wird. Insbesondere in Verbindung mit einer Dispergierbehandlung erreicht man bei einer größe­ren Anzahl von Durchlaßkanälen pro Reihe größere Scher­ kräfte, die am Mischelement erzeugt werden, wodurch sich die Dispergierwirkung erhöhen läßt, da ein größerer Druckabfall durch die größere Anzahl von Durchlaßkanälen mit entsprechen­der Verkleinerung des Leerrohranteils und hierdurch erzeugten Teilströmen auftritt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mischelement bei der erfindungsgemäßen statischen Mischvorrichtung derart ausgelegt, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle zweier benach­barter Reihen sich um wenigstens zwei Durchlaßkanäle unter­scheidet, um eine Abstufung des Vermischungsgrades von Mischelement zu Mischelement zu erhalten. Natürlich kann die Auslegung des Misch­elements auch derart getroffen werden, daß pro Reihe eine je­weils gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen vorhanden ist. Hier­bei erhält man eine gleichmäßige Ablenkung und Durchmischung über den Leitungsquerschnitt hinweg gesehen.
  • Vorzugsweise sind die Durchlaßkanäle, die vom gitterrostförmi­gen Mischelement gebildet werden, im wesentlichen rhomboidför­mig ausgebildet, d.h. sie haben einen rechteckigen oder qua­dratischen Querschnitt. Bei einer solchen Ausbildung der Durch­laßkanäle kann man eine vereinfachte Herstellung eines derar­tigen gitterförmigen Mischelements für eine statische Misch­vorrichtung erzielen.
  • Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltungsform nach der Erfindung sind die zwischen jeweils zwei benachbarten Reihen von Durchlaßkanälen angeordneten Querstege des Mischelements wenigstens teilweise von Kühlmittel oder Heizmittel durch­strömt, so daß man unmittelbar im Bereich des Mischelements eine Konditionierung der zu vermischenden Fluide vornehmen kann. Insbesondere bei der Anwendung auf dem Gebiet der Petro­industrie ist eine Aufheizung erwünscht, wozu beispielsweise Wasser durch die Querstege als Heizmittel durchgeleitet wer­den kann.
  • Alternativ können die zwischen jeweils zwei benachbarten Rei­hen von Durchlaßkanälen angeordneten Querstege wenigstens teilweise als Dampfeinlaßkanäle ausgebildet sein. Bei der Ste­rilisation von Milch beispielsweise kann bei einer solchen Ausführungsform der Dampf direkt vor dem oder im Bereich des Mischelements dosiert zugegeben werden.
  • Um die Mischwirkung weiter zu verbessern ist es bevorzugt, die Oberfläche der Durchlaßkanäle aufzurauhen (z.B. durch Aufdampfen von Keramik- oder Kunststoffmaterial) oder durch Perforation der Wandungen der Leitflächen und/oder Querstege.
  • Die erfindungsgemäße statische Mischvorrichtung kann vorzugs­weise auch in einem Wärmetauscher oder in einer Rektifikations­kolonne beispielsweise vorgesehen sein.
  • Ferner ist die erfindungsgemäße Mischvorrichtung sowohl im tur­bulenten Strömungsbereich als auch im laminaren Strömungsbe­reich verwendbar. Beim turbulenten Strömungsbereich ist es zweckmäßig, wenn die Mischvorrichtung beispielsweise in Haupt­strömungsrichtung gesehen zwei hintereinanderliegende Misch­elemente umfaßt und sich daran eine Nachmischstrecke an­schließt, die sich beispielsweise auf das Zwei- bis Dreifache des Leitungsdurchmessers belaufen kann. Im Anschluß daran kann dann wiederum ein aus einem oder mehreren Mischelementen beste­hender Satz angeordnet werden, so daß pro Satz von angeordne­ten Mischelementen die Inhomogenität jeweils etwa um einen Faktor 2 abgebaut wird und im Bereich der Nachmischstrecke die Inhomogenitäten wiederum um einen Faktor von etwa 2 bis 4 ab­gebaut werden. Im Rahmen der Erfindung genügt jedoch ein Misch­element, um den Mischvorgang wieder zu intensivieren.
  • Die Erfindung wird nachstehend an bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • Darin zeigt:
    • Fig. 1 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispieles eines Mischelementes der Mischvorrichtung,
    • Fig. 2a-2c eine Ausführungsform einer Mischvorrichtung, bei der zwei mit A und B bezeichnete Mischele­mente in Hauptströmungsrichtung gesehen hinter­einander angeordnet sind, wobei in Fig. 2a und 2b jeweils die Mischelemente in einer Draufsicht als Einzeldarstellung gezeigt sind,
    • Fig. 3 eine perspektivische Ausschnittsansicht eines Mischelements, umfassend zwei parallele , benach­barte Reihen von Durchlaßkanälen , deren Anzahl unterschiedlich gewählt ist,
    • Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Durchlaß­kanales als Einzeldarstellung,
    • Fig. 5 und 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Mischelemente.
  • Anhand den Fig. 1, 3 und 4 wird ein einzelnes Mischelement, das insgesamt mit 1 bezeichnet ist, zur Verdeutlichung des Grundaufbaus näher erläutert.
  • Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß das Mischelement 1 der stati­schen Mischvorrichtung für Fluide fünf parallele Reihen I bis III von Durchlaßkanälen 2 hat, wobei zwischen jeweils zwei benach­barten Reihen I bis III ein Quersteg 3 angeordnet ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Mischelements 1 ist die Auslegung symmetrisch bezüglich der in der Leitungs­querschnittsebene liegenden Mittelachse X ausgelegt. Etwa in der Querschnittsmitte auf beiden Seiten der Mittelachse X ist die mit I bezeichnete mittlere Reihe von Durchlaßkanälen angeordnet, die beim dargestellten Beispiel die größte Anzahl von Durchlaßkanälen hat. Die dieser mittleren Reihe I jeweils benachbarten Reihen II und II haben eine gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen, wobei die Anzahl der Durchlaßkanäle der Rei­hen II , II kleiner als die Anzahl der Durchlaßkanäle der Rei­he I ist. In Richtung der Leitungswand 4 gesehen schliessen sich dann zwei weitere Reihen III, III an, deren Anzahl von Durchlaßkanälen ebenfalls übereinstimmt. Die Anzahl der Durch­laßkanäle der mit III bezeichneten Reihen von Durchlaßkanälen ist aber kleiner als die Anzahl der Durchlaßkanäle der mit II bezeichneten Reihen. Dieses Mischelement 1 ist insbesondere für eine turbulente Strömung geeignet, deren Hauptströmungsrichtung mit V̇ in Fig. 4 bezeichnet ist. Bei einer turbulenten Strö­mung kann (obgleich nicht gezeigt) sich ein gleiches Misch­element 1 in Hauptströmungsrichtung gesehen anschließen, das aber hinsichtlich seiner Ausrichtung um 90° verdreht zu dem in Fig. 1 gezeigten Mischelement angeordnet ist. Somit kann mit Hilfe der beiden um 90° zueinander versetzt angeordneten Mischelemente die Inhomogenität um einen Faktor von etwa 2 bei der statischen Mischvorrichtung mit den beiden Mischelementen 1 abgebaut werden. An diesen ersten Satz von zwei Mischele­menten 1 kann sich dann bei einer turbulenten Strömung eine Nachmischstrecke im Leitungsabschnitt anschließen, die beispiels­weise das Zwei-bis Dreifache des Leitungsdurchmessers betragen kann. Im Anschluß daran läßt sich dann wiederum ein Satz von einem oder mehreren Mischelementen entsprechend der vorstehend beschriebenen Anordnung vorsehen, so daß dann wiederum die Inhomogenität um einen Faktor von etwa 2 abgebaut wird.
  • Wie sich beispielsweise aus Fig. 1 ersehen läßt, beläuft sich die Länge des Mischelements 1 auf etwa ein Viertel des Lei­tungsdurchmessers.
  • Bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird mit Hilfe des in Fig. 1 beispielsweise gezeigten Mischelements 1 die Ver­mischung etwa von der Mitte im Bereich der Reihe I eingeleitet und in diesem Bereich findet eine intensive Durchmischung statt, während in den in Richtung zu der Leitungswand 4 liegenden wei­teren Reihen II und III eine weniger intensive Vermischung der Fluide stattfindet. Insgesamt gesehen wird mit Hilfe des er­findungsgemäßen Mischelements eine intensive Mischung und Homo­genisierung über den Leitungsquerschnitt hinweg gesehen er­zielt.
  • In Fig. 1 sind mit Pfeilen schematisch die Ablenkrichtungen der Teilströme angedeutet. Wie gezeigt werden die Strömungen in benachbarten Reihen I, II, III nach entgegengesetzten Rich­tungen abgelenkt.
  • In Fig. 3 sind in einer perspektivischen Ansicht ein Ausschnitt von zwei benachbarten Reihen I und II von Durchlaßkanälen 2 gezeigt. Die Durchlaßkanäle 2 sind zur Hauptströmungsrichtung V̇ (siehe Fig. 4) unter einem Winkel von etwa 45° geneigt ange­ordnet. Allerdings können die Durchlaßkanäle in Abweichung von dem dargestellten Beispiel zur Hauptströmungsrichtung unter einem Winkel von 30° bis 60° oder größer angeordnet sein, was vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig ist. Insbesondere bei einer Dispergierbehandlung sollte der Winkel der Durchlaßkanäle 2 zu der Hauptströmungsrichtung V̇ unter einem Winkel von 60° oder größer angeordnet sein, um die Scherkräfte zu erhöhen. Für einer Dispergierbehandlung hat es sich ferner als zweck­mäßig erwiesen, eine möglichst große Anzahl von Durchlaßkanälen 2 pro Reihe I bis III von Durchlaßkanälen 2 vorzusehen, um einen größeren Druckabfall am Mischelement 1 zu erzeugen und hierdurch größere Scherkräfte zur Förderung der Dispergierung zu erhalten.
  • Bei Vermischung von Gasen jedoch kann zur Reduktion des Druck­abfalls am Mischelement 1 der Winkel der Durchlaßkanäle 2 zur Hauptströmungsrichtung V̇ beispielsweise 30° betragen. In diesem Fall kann dann die Nachmischstrecke entsprechend ver­längert werden, in der der Mischvorgang ohne merklichen Druck­abfall weitergeführt wird.
  • Die anhand den Fig. 2a bis 2c gezeigte Ausbildungsform einer statischen Mischvorrichtung ist insbesondere für den laminaren Strömungsbereich ohne Nachmischstrecke geeignet. In Fig. 2a ist ein erstes Mischelement mit A bezeichnet. Dieses Mischele­ment A umfaßt vier Reihen mit Durchlaßkanälen, wobei die je­weils in der Mitte liegenden beiden Reihen IV und IV eine gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen hat. Die daran sich in Richtung der Leitungswand 4 anschließenden Reihen V und V ha­ben ebenfalls eine gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen, wobei die Anzahl auf die Hälfte der Anzahl der Reihen IV vermindert ist. In Fig. 2b ist ein Mischelement B gezeigt, das drei paral­lele Reihen von Durchlaßkanälen VI umfaßt, die jeweils eine gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen haben.
  • Aus Fig. 2c ist eine Anordnung zu ersehen, bei der die Misch­elemente A und B nach den Fig. 2a und 2b in Hauptströmungs­richtung gesehen hintereinanderliegend angeordnet sind. In der in Fig. 2c gezeigten Draufsicht ist das Mischelement A nach Fig. 2a in durchgezogener Linie dargestellt und dahinter in gebrochener Linie ist das Mischelement B nach Fig. 2b gezeigt. Die beiden Mischelemente A und B sind um 90° verdreht zuein­ander angeordnet, so daß die Anzahl der am Mischelement A erzeugten Teilströme nochmals in dem Bereich des Mischelements B vergrößert wird. Bei einer hintereinanderliegenden Anordnung der Mischelemente A und B erhält man somit eine möglichst gros­se Mischeffizienz bei einem möglichst kleinen Druckabfall, wobei die zu vermischenden Fluide über den Leitungsquerschnitt ver­teilt werden.
  • In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Mischelements 1′ gezeigt, das in einem Leitungsquerschnitt an­geordnet ist. Die Leitungswand ist mit 4′ bezeichnet.
  • Das Mischelement 1′ umfaßt fünf parallele Reihen VII bis IX von Durchlaßkanälen 2′, wobei die Reihen VII bis IX je­weils eine unterschiedliche Anzahl von Durchlaßkanälen 2′ hat. Die Auslegung dieses Mischelements 1′ ist ebenfalls achssymme­trisch zu der mit X bezeichneten Mittelachse getroffen. Die mittlere Reihe VII liegt beidseitig zur Mittelachse X. Die hieran sich in Richtung zur Leitungswand 4′ nach außen anschliessen­den Reihen VIII und VIII haben eine gleiche Anzahl von Durchlaß­kanälen 2′, die aber wenigstens zwei Durchlaßkanäle 2′ kleiner als die Anzahl der Durchlaßkanäle 2′ der mittleren Reihe VII ist. Die Reihen IX, IX umfassen ebenfalls eine gleiche Anzahl von Durchlaßkanälen 2′, deren Anzahl aber wiederum um zwei Durch­laßkanäle im Vergleich zu den Reihen VIII, VIII vermindert ist.
  • In Fig. 6 schließlich ist eine weitere Ausführungsvariante eines Mischelements 2′ gezeigt, das ähnlich wie das Mischele­ment A in Fig. 2a ausgelegt ist. Gleiche oder ähnliche Teile in Fig. 2a sowie der Ausführungsform nach Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Zusatz ' ˝ ' bezeichnet. Dieses Mischelement 1˝ umfaßt vier Reihen IV bis V, wobei die Anzahl der Durchlaßkanäle der beiden im Mittelbereich be­nachbarten Reihen IV und IV gleich ist und auch die Anzahl der Durchlaßkanäle der Reihen V und V jeweils gleichgroß ist. Die Anzahl der Durchlaßkanäle der Reihen V und V ist halb so groß wie die Anzahl der Durchlaßkanäle der Reihen IV und IV.
  • Wie sich insbesondere aus Fig. 4 der Zeichnung ergibt, sind die jeweiligen Durchlaßkanäle 2, 2′, 2˝ im wesentlichen rhomboid­förmig ausgebildet, d.h. sie haben einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Diese rhomboidförmige Ausgestaltung der Durchlaßkanäle 2, 2′, 2˝ ist bei allen vorangehend erläu­terten Ausführungsformen der Mischelemente verwirklicht.
  • Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung mit den vorangehend erläuterten Mischelementen kann in einem Wärmetauscher oder einer Rektifikationskolonne angeordnet sein. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße statische Mischvorrichtung auch für weitere Anwendungsgebiete geeignet, bei denen auf einer mög­lichst kurzen Mischstrecke eine möglichst intensive Vermi­schung und Homogenisierung von zu vermischenden Fluiden, wie Gasen und/oder Flüssigkeiten, erzielt werden soll.
  • Obgleich nicht näher dargestellt ist, können die zwischen je­weils zwei benachbarten Reihen I bis IX von Durchlaßkanälen angeordneten Querstege 3,3′, 3˝ wenigstens teilweise von Kühlmittel oder Heizmittel durchströmt sein. Andererseits kön­nen diese Querstege 3, 3′, 3˝ auch als Dampfeinlaßkanäle aus­gebildet sein, wobei durch diese Maßnahmen eine Konditionierung der zu vermischenden Fluide oder Flüssigkeiten gerade im Be­reich des Mischelements erreicht wird. Insbesondere bei der Petroindustrie ist eine Wasseraufheizung gewünscht und bei der Sterilisation von Milch kann beispielsweise eine Erwärmung mittels eines Heizmediums erwünscht sein. Durch diese Ausbil­dungsform kann das zur Konditionierung angewandte Medium un­mittelbar vor dem Mischelement zudosiert werden, so daß sich die Herstellung und die jeweilige Behandlung kostengünstig und effektiver gestalten lassen.

Claims (18)

1. Statische Mischvorrichtung für Fluide, insbesondere für Gase und/oder Flüssigkeiten,
mit wenigstens zwei hintereinander in eine Leitung einsetz­baren gitterrostförmigen Mischelementen,
wobei jedes Mischelement mehrere Kanäle hat,
die in parallelen Reihen angeordnet sind,
deren Eintrittsöffnungen in einer ersten Ebene quer zu der Leitung liegen,
deren Austrittsöffnungen in einer zweiten zu der ersten Ebene parallelen Ebene liegen,
wobei die Wände der Kanäle zwischen benachbarten Reihen eben und parallel zueinander sind,
und wobei die übrigen Wande jeder Reihe derart geneigt sind, daß die Strömungen benachbarter Reihen nach entgegengesetz­ten Richtungen abgelenkt werden,
und wobei die Mischelemente derart zueinander verdreht ange­ordnet sind, daß jedes Mischelement die Strömung in andere Richtungen ablenkt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Neigung der Wände eines Kanals sich über dessen ge­samte Länge erstreckt,
daß die beiden Mischelemente unmittelbar aneinander an­schließend angeordnet sind, und
daß die Länge jedes Mischelementes das 0,2 bis 0,4-fache des Durchmessers der Leitung beträgt.
2. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Mischelemente um 45° bis 90°, vorzugsweise um 90°, zueinander verdreht ange­ordnet sind.
3. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Mischelements (1, 1′, 1˝, A, B) das 0,25-fache des Leitungsdurchmessers be­trägt.
4. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßkanäle (2, 2′, 2˝) zur Hauptströmungsrichtung (V) unter einem Winkel von 30° bis 60. oder größer angeordnet sind.
5. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Winkel etwa 45° beträgt.
6. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Winkel bei einer Dispergierbehandlung 40° bis 60° beträgt.
7. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Winkel zur Reduktion des Druckabfalls etwa 30° beträgt.
8. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Winkel beim Mischen von Gasen etwa 30° betragt.
9. Statische Mischvorrichtung nach einem der vorangehen­den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle (2, 2′, 2˝) pro Reihe (I bis IX) unterschiedlich ist.
10. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle der etwa in der Querschnittsmitte liegenden Reihe (I, IV, VI, VII) oder Reihen am größten ist.
11. Statische Mischvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchlaßkanäle, ausgehend vom Mittelbereich zur Leitungswand (4, 4′, 4˝) reihenweise abnimmt.
12. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durch­laßkanäle der zur jeweils dem Mittelbereich zugeordneten Reihe (I, IV, VI, VII) benachbarten Reihen (II, III, V, VIII, IX) gleichgroß ist.
13. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durch­laßkanäle zweier benachbarter Reihen (I bis IX) sich um wenigstens zwei Durchlaßkanäle unterscheidet.
14. Statische Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen jeweils zwei benachbarten Reihen (I bis IX) von Durchlaßkanälen (2, 2′, 2˝) angeordneten Querstege (3, 3′, 3˝) wenigstens teil­weise von Kühlmittel oder Heizmittel durchströmt sind.
15. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen jeweils zwei benachbarten Reihen (I bis IX) von Durchlaßkanälen (2, 2′, 2˝) angeordneten Querstege (3, 3′, 3˝) wenigstens teil­weise als Dampfeinlaßkanäle ausgebildet sind.
16. Statische Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Misch­elemente oberflächenvergrößernd, beispielsweise durch Auf­rauhen oder durch Perforation, modifiziert ist.
17. Statische Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Misch­vorrichtung in einem Wärmetauscher vorgesehen ist.
18. Verwendung der statischen Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Trennvorrichtung in einer Rektifi­kationskolonne.
EP90111665A 1989-06-20 1990-06-20 Statische Mischvorrichtung für Fluide Withdrawn EP0404107A1 (de)

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