EP0472491A1 - Statische Laminar-Mischeinrichtung, Zumischvorrichtung, sowie Verwendung von Mischeinrichtung und Zumischvorrichtung - Google Patents

Statische Laminar-Mischeinrichtung, Zumischvorrichtung, sowie Verwendung von Mischeinrichtung und Zumischvorrichtung Download PDF

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EP0472491A1 EP91810565A EP91810565A EP0472491A1 EP 0472491 A1 EP0472491 A1 EP 0472491A1 EP 91810565 A EP91810565 A EP 91810565A EP 91810565 A EP91810565 A EP 91810565A EP 0472491 A1 EP0472491 A1 EP 0472491A1
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mixer
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admixing
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
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    • B01F23/471—Mixing liquids with liquids; Emulsifying involving high-viscosity liquids, e.g. asphalt using a very viscous liquid and a liquid of low viscosity
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Definitions

  • the invention relates to a static laminar mixing device for mixing media of different viscosities, to a mixing device for supplying a medium, and to the use of the mixing device and the mixing device.
  • Static laminar mixing devices are systems built from so-called static mixers, in which the flow of the media to be mixed, e.g. Liquid with liquid or liquid with gas, remains laminar.
  • Such laminar mixers are used in mixing devices for mixing e.g. Liquids of widely differing viscosities, such as those used when admixing low-viscosity, soluble additives to high-viscosity liquids.
  • the low-viscosity (low-viscosity) liquid becomes the main stream of the high-viscosity (Viscous) liquid supplied, for example, via a tube which can be arranged in front of or directly at the entrance to the mixer element and opens into the main stream of the highly viscous liquid.
  • the object of the invention is to provide laminar mixing devices which have improved mixing properties when mixing components of substantially different viscosities. This can be achieved on the one hand by a laminar mixing device with the features of claim 1 or by using the admixing arrangement with the features of claim 4 in connection with static mixers.
  • a laminar mixing device for polystyrene which has a single mixing column of about 1.5 m in length and which is equipped with thirty mixing elements of the SULZER type SMX DN50, only 1 to 2% mineral oil / paraffin oil additives are dissolved in the polystyrene a laminar mixing device according to the invention considerable 4 to 6% of the additive, which are dissolved and even more while using the new mixing nozzle.
  • the mixer device has a first mixing column equipped with twelve SULZER-type SMX DN17 mixing elements, also known as a pre-mixer, and a second mixing column equipped with eighteen SULZER-SMX DN50 mixing elements, also called a main mixer.
  • the two mixing columns of the new mixing device according to the invention together have a length of only 1.1 m with a substantially improved, at least doubled, amount of admixture of the additive.
  • the number of mixing elements in the first mixing column should be at least four, but less than half the total number of mixing elements in the two mixing columns.
  • the new admixing device with the constricting orifice in the main flow of the highly viscous liquid and which is arranged in the region of the mouth of the feed pipe for the low-viscosity medium can achieve the maximum possible, homogeneously miscible amount of the additive or the low-viscous medium compared to conventional admixing devices or metering devices increase by up to about a third.
  • the cross section of mixing columns is practically always circular and the diameter of the likewise expediently circular orifice should generally be at most 2/3 of the diameter of the main stream, ie the mixer column.
  • a mixing device also called a metering point, can also comprise several orifices which are arranged next to one another.
  • several orifices with a feed pipe for the additive would also be distributed over the cross section of the main flow.
  • the total cross section of the plurality of orifices should advantageously be less than half the cross section of the main flow. It should be noted that the flow is always laminar even in the area of the restricting orifices.
  • the flow velocities in the pre-mixer and main mixer are typically in the range from one to a hundred mmsec ⁇ 1, for example from about 50 mmsec ⁇ 1 in the pre-mixer and 1 to 10 mmsec ⁇ 1 in the main mixer.
  • the static laminar mixing device for mixing media with very different viscosities has two consecutively arranged mixers with different cross sections.
  • the cross section of the first mixer is smaller.
  • the admixing device for dosing the additive with a lower viscosity than the medium of the main flow has an orifice in the opening of which the nozzle opens.
  • the mixer 1 of FIG. 1A has, for example, thirty mixing elements 11 which are arranged alternately in a crosswise manner in the column 10.
  • the main viscous medium 12, for example a plastic is mixed with the low-viscosity additive 13, e.g. a mineral oil / paraffin.
  • the admixing device 1213 comprises an orifice 14 for the main flow 12, in the opening of which the nozzle 15 opens.
  • the additive 12 supplied is dissolved in the plastic and / or homogeneously distributed.
  • any other known admixer could also be provided instead of the new admixing device 1213; for example one as shown in Fig. 1B.
  • the laminar mixer device 1 'of Fig. 1B consists of the premixer 1a (the main flow experiences relatively high shear / shear rate in the order of magnitude ⁇ ⁇ 20-200 s ⁇ 1) and the main mixer 1b (the main flow experiences relatively low shear therein / Shear rate in the order of magnitude ⁇ ⁇ 1-5 s ⁇ 1), which has a larger cross-section than the premixer 1a.
  • the mixer 1a is equipped with, for example, twelve mixer elements 11a arranged crosswise.
  • the mixer Ib comprises, for example, eighteen mixer elements 11b which are likewise arranged in a crosswise manner.
  • the low-viscosity medium / additive 13 ' (eg paraffin oil) is added to the main flow 12' of the viscous medium (eg a plastic such as polystyrene) in the admixing arrangement or metering device 1213 '.
  • the viscous medium eg a plastic such as polystyrene
  • a new one with metering device with orifice could also be provided. It would be too conceivable to arrange a transition piece with a transition section without mixing elements between the two mixers 1a and 1b of the mixing device 1 '.
  • the additive flow 21 is fed via the nozzle 22 with the nozzle channel 220 to the main flow 23 in the region of the opening 20 of the orifice 24.
  • the additive 21 is supplied laterally to the nozzle 22, which is mounted in the web 25.
  • the nozzle channel 220 and the aperture 20 open directly into the mixer 26 with the mixing elements 27.
  • the main stream 33 of the viscous component is deflected and fed to the mixer column 36 with the mixing elements 37 via the channel 30 of the aperture 34.
  • the nozzle 32 with the nozzle channel 320 for the more fluid additive stream 31 is not angled in this example, directed in the direction of the mixer column 36.
  • the admixing device 4 of FIGS. 4A and 4B has two nozzles 42 and 42 'for additive 41.
  • the main stream 430 of the higher-viscosity agent is divided into the two parallel partial main streams 43 and 43 ', which flow through the mixer 46 and 46' equipped with mixing elements 47 and 47 '.
  • the two aperture openings 40 and 40 ' are present, in which the nozzle tubes 42 and 42' open concentrically.
  • the parallel mixer 46 and 46 'with the partial main streams 43 and 43' could, which is not shown here, form the premixer for a common main mixer of a static laminar mixing device.
  • the SULZER type SMX mixer elements are suitable as mixer elements.
  • the low-viscosity additive could also be a gas such as N2, CO2 or H2O vapor.

Abstract

Die statische Laminar-Mischeinrichtung (1') für das Mischen von Medien mit stark unterschiedlicher Viskosität, weist zwei nacheinander angeordnete Mischer (1a, 1b) mit unterschiedlichem querschnitt auf. Der querschnitt des ersten Mischers (1a) ist kleiner. Die Zumischvorrichtung (1213) für das Dosieren des Additivs (13) mit niedrigerer Viskosität als das Medium des Hauptstroms (12), weist eine Blende (14) auf, in deren Öffnung die Düse mündet. Sowohl mit der Laminar-Mischeinrichtung (1') allein, als auch mit der Zumischvorrichtung (1213) allein, besonders aber in kombination, werden deutlich verbesserte Mischergebnisse erreicht. Mit der Mischeinrichtungen (1') werden beim Zumischen und Lösen von Additiven, wie Mineralöl/Paraffin zu kunstoffschmelzen und Polystyrol, ausgezeichnete Resultate erzielt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine statische Laminar-Mischeinrichtung zum Mischen von Medien unterschiedlicher Viskosität, auf eine Zumischvorrichtung für das Zuführen eines Mediums, sowie auf die Verwendung der Mischeinrichtung und der Zumischvorrichtung.
  • Statische Laminar-Mischeinrichtungen sind aus sogenannten statischen Mischern aufgebaute Anlagen, in denen die Strömung der zu mischenden Medien, z.B. Flüssigkeit mit Flüssigkeit oder Flüssigkeit mit Gas, laminar bleibt. Derartige Laminar-Mischer werden in Mischeinrichtungen zum Mischen von z.B. Flüssigkeiten stark verschiedener Viskosität, wie beim Zumischen niedrigviskoser, löslicher Additive zu hochviskosen Flüssigkeiten verwendet.
  • Beim Mischen wird die niedrigviskose (leichtflüssige) Flüssigkeit dem Hauptstrom der hochviskosen (zähflüssigen) Flüssigkeit z.B. über ein Rohr zugeführt, das vor dem oder direkt am Eingang zum Mischerelement angeordnet sein kann und in den Hauptstrom der hochviskosen Flüssigkeit mündet.
  • Wenn die Viskositäten der zu mischenden Flüssigkeiten um Grössenordnungen (Unterschied 5 x 10³ bis 10⁶ oder mehr) verschieden sind, sind für das Erreichen genügender Auflösung und/oder Durch-Mischung relativ grosse Mischerlängen in den Mischereinrichtungen notwendig. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, hat zur Aufgabe Laminar-Mischeinrichtungen zu schaffen, die verbesserte Mischeigenschaften beim Mischen von Komponenten wesentlich verschiedener Viskositäten haben. Dies kann einerseits durch eine Laminar-Mischeinrichtungen mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch die Verwendung der Zumischanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 4 in Verbindung mit statischen Mischern erreicht werden.
  • Andererseits bringt natürlich auch die Verwendung von Mischern mit Zumischanordnungen in Laminar-Mischeinrichtungen nach Anspruch 1 merklich verbesserte Mischresultate.
  • Die Verwendungsansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Anwendungen der Mischereinrichtung und/oder der Zumischeinrichtung. Die abhängigen Ansprüche schliesslich beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Mit der Laminar-Mischeinrichtung kann mit der gleichen Gesamt-Zahl von Mischeinsätzen in den beiden Mischern mit unterschiedlichem Querschnitt nicht nur eine verbesserte Durchmischung erzielt, sondern eine wesentlich verbesserte Auflösung der zugemischten Flüssigkeit bzw. des zugemischten Gases in der hochviskosen Flüssigkeit des Hauptstroms erzielt werden.
  • Werden z.B. in einer Laminar-Mischeinrichtung für Polystyrol, die eine einzige Mischkolonne von etwa 1.5 m Länge aufweist, und die mit dreissig Mischelementen vom SULZER-Typ SMX DN50 bestückt ist, nur 1 bis 2 % Mineralöl/Paraffinöl-Additivs im Polystyrol gelöst, sind es mit einer Laminar-Mischeinrichtung nach der Erfindung beträchtliche 4 bis 6 % des Additivs, die gelöst sind und bei gleichzeitiger Verwendung der neuen Mischdüse noch mehr. Die Mischereinrichtung weist eine erste, mit zwölf Mischelementen vom SULZER-Typ SMX DN17 bestückte Mischkolonne, auch Vormischer genannt, und eine zweite, mit achtzehn Mischelementen vom SULZER-Typ SMX DN50 bestückte Mischkolonne, auch Hauptmischer genannt, auf. Die beiden Mischkolonnen der neuen Mischeinrichtung nach der Erfindung, weisen zusammen eine Länge von lediglich 1.1 m auf bei wesentlich verbesserter, mindestens verdoppelter Zumischmenge des Additivs. Die Zahl der Mischelemente in der ersten Mischkolonne sollte wenigstens vier, aber weniger als die Hälfte der Gesamtzahl der Mischelemente in den beiden Mischkolonnen sein.
  • Die neue Zumischvorrichtung mit der verengenden Blende im Hauptstroms der hochviskosen Flüssigkeit und die im Bereich der Einmündung des Zufuhrrohrs für das niedrigviskose Medium angeordnet ist, kann die maximal mögliche, homogen einmischbare Menge des Additivs bzw. des niedrigviskosen Mediums im Vergleich zu herkömmlichen Zumischvorrichtungen bzw. Dosiervorrichtungen um bis zu etwa einen Drittel erhöhen. Mit dem Einbringen der verengenden Blende ergibt sich auch bei laminaren Strömungsverhältnissen ein verbessertes Ablösen kleinerer Tropfen der niederviskosen Komponente aus der Zuleitungsdüse. Der Querschnitt von Mischkolonnen ist praktisch immer kreisförmig und der Durchmesser der ebenfalls zweckmässigerweise kreisförmigen Blende sollte in der Regel höchstens 2/3 des Durchmessers des Hauptstroms, d.h. der Mischerkolonne, sein. Eine Zumischvorichtung, auch Dosierstelle genannt, kann auch mehrere Blenden, die nebeneinander angeordnet sind, umfassen. In diesem Fall wären auch mehrere Blenden mit Zufuhrrohr für das Additiv über den Querschnitt des Hauptstroms verteilt. Der Gesamtquerschnitt der mehreren Blendenöffnungen sollte in diesem Fall mit Vorteil kleiner als die Hälfte des Querschnitts des Hauptstroms sein. Es ist festzuhalten, dass die Strömung auch im Bereich der verengenden Blenden immer laminar ist.
  • Die Verwendung einer derartigen neuen Dosiervorrichtung ist an sich schon vorteilhaft in der Verwendung mit einer Mischkolonne. In Verbindung mit einer verbesserten Laminar-Mischeinrichtung nach der Erfindung kommt die Leistungsfähigkeit der neuen Dosiervorrichtung zur Unterstützung der erhöhten Mischleistung der Mischeinrichtung besonders gut zur Geltung.
  • Die Strömungsgeschwindigkeiten im Vor- und Hauptmischer liegen typisch im Bereich von einem bis hundert mmsec⁻¹, beispielsweise von etwa 50 mmsec⁻¹ im Vor- bzw. 1 bis 10 mmsec⁻¹ im Hauptmischer.
  • Die statische Laminar-Mischeinrichtung für das Mischen von Medien mit stark unterschiedlicher Viskosität, weist zwei nacheinander angeordnete Mischer mit unterschiedlichem Querschnitt auf. Der Querschnitt des ersten Mischers ist kleiner. Die Zumischvorrichtung für das Dosieren des Additivs mit niedrigerer Viskosität als das Medium des Hauptstroms, weist eine Blende auf, in deren Öffnung die Düse mündet. Sowohl mit der Laminar-Mischeinrichtung allein, als auch mit der Zumischvorrichtung allein, besonders aber in Kombination, werden deutlich verbesserte Mischergebnisse erreicht. Mit der Mischeinrichtung werden beim Zumischen und Lösen von Additiven, wie Mineralöl/Paraffin zu Kunstoffschmelzen und Polystyrol, ausgezeichnete Resultate erzielt.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den schematischen Schnitt-Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1A Eine Laminar-Mischeinrichtung bisheriger Bauart, die nur aus einer einzigen Mischkolonne besteht. Die Mischkolonne weist aber eine neue Zumischvorrichtung auf;
    • Fig. 1 eine Laminar-Mischeinrichtung nach der Erfindung, mit zwei Mischkolonnen von unterschiedlichem Querschnitt;
    • Fig. 2 eine Zumischvorrichtung, bei der das niederviskose Additiv dem hochviskosen Hauptstrom von der Seite zugeführt wird;
    • Fig. 3 Eine andere Zumischvorrichtung, bei welcher der hochviskose Hauptstrom von der Seite dem Mischdüsenbereich der Zumischvorrichtung zugeführt wird;
    • Fig. 4A eine Zumischvorrichtung, in welcher der hochviskose Hauptstrom in zwei Teil-Hauptströme aufgeteilt wird. Jedem Teilhauptstrom wird mit einer Düse das niederviskose Additiv für jeden der Teilhauptströme den statischen Mischern zugeführt;
    • Fig. 4B der Schnitt nach IV B - IV B von Fig. 4A durch die beiden Mischer für die Teil-Hauptströme.
  • Der Mischer 1 von Fig. 1A weist beispielsweise dreissig Mischelemente 11 auf, die abwechselnd kreuzweise zueinander in der Kolonne 10 aneinandergereiht sind. Dem Hauptstrom 12 des hochviskosen Mediums, beispielsweise eines Kunststoffs wird in der Zumischvorrichtung 1213 das niederviskose Additiv 13, z.B. ein Mineralöl/Paraffin, zugeführt. Die Zumischvorrichtung 1213 umfasst eine Blende 14 für den Hauptstrom 12, in deren Öffnung die Düse 15 mündet. Am Ausgang des Mischers 1 ist das zugeführte Additiv 12 im Kunststoff gelöst und/oder homogen verteilt. Nach herkömmlicher Bauart könnte anstelle der neuen Zumischvorrichtung 1213 auch irgendein anderer bekannter Zumischer vorgesehen sein; beispielsweise einer, wie in Fig. 1B gezeigt.
  • Die Laminar-Mischereinrichtung 1′ von Fig. 1B besteht aus dem Vormischer 1a (der Hauptstrom erfährt darin relativ hohe Scherung/Schergeschwindigkeit in der Grössenordnung τ ≈ 20-200 s⁻¹) und dem Hauptmischer 1b (der Hauptstrom erfährt darin relativ niedrige Scherung/Schergeschwindigkeit in der Grössenordnung τ ≈ 1-5 s⁻¹), der einen grösseren Querschnitt als der Vormischer 1a aufweist. Der Mischer 1a ist mit z.B. zwölf kreuzweise angeordnete Mischeremente 11a bestückt. Der Mischer Ib umfasst beispielsweise achtzehn, ebenfalls kreuzweise angeordnete Mischerelemente 11b. Das niedrigviskose Medium/Additiv 13′ (z.B. Paraffinöl) wird in der Zumischanordnung bzw. Dosiervorrichtung 1213′ dem Hauptstrom 12′ des zähflüssigen Mediums (z.B. ein Kunststoff wie Polystyrol) zugemischt. Anstelle der als konventionell dargestellten Zumischvorrichtung könnte auch eine neue mit Dosiervorrichtung mit Blende vorgesehen sein. Es wäre auch denkbar, zwischen den beiden Mischern 1a und 1b der Mischvorrichtung 1′ ein Übergangsstück mit einer Uebergangsstrecke ohne Mischelemente anzuordnen.
  • Mit der neuen Einrichtung von Fig. 1B ist es z.B. bei praktisch gleicher Verweilzeit, bei allerdings höherem Druckverlust (etwa 62 bar gegenüber etwa 36 bar) möglich, auf einer kürzeren Strecke eine etwa doppelte bis dreifache Menge Additiv zuzumischen und im Hauptstrom zu lösen.
  • In der Zumisch- oder Dosiervorrichtung 2 von Fig. 2 wird der Additivstrom 21 über die Düse 22 mit dem Düsenkanal 220 dem Hauptstrom 23 im Bereich der Öffnung 20 der Blende 24 zugeführt. Die Zuführung des Additivs 21 erfolgt seitlich zur Düse 22, die im Steg 25 montiert ist. Der Düsenkanal 220 und die Blendenöffnung 20 münden direkt in den Mischer 26 mit den Mischelementen 27.
  • In der Zumisch- und Dosiervorrichtung 3 von Fig. 3 wird der Hauptstrom 33 der zähflüssigen Komponente umgelenkt und der Mischerkolonne 36 mit den Mischelementen 37 über die kanalartig ausgebildete Öffnung 30 der Blende 34 zugeführt. Die Düse 32 mit dem Düsenkanal 320 für den leichterflüssigen Additivstrom 31, ist in diesem Beispiel nicht abgewinkelt, in Richtung der Mischerkolonne 36 gerichtet.
  • Die Zumischvorrichtung 4 von Fig. 4A und 4B weist zwei Düsen 42 und 42′ für Additiv 41 auf. Der Hauptstrom 430 des höherviskosen Mittels teilt sich in die beiden parallelen Teil-Hauptströme 43 und 43′, welche durch die mit Mischelementen 47 bzw. 47′ bestückten Mischer 46 bzw. 46′ fliessen. In der plattenförmigen Blende 44 sind die beiden Blendenöffnungen 40 bzw. 40′ vorhanden, in welche konzentrisch die Düsenrohre 42 bzw. 42′ münden.
  • Die parallel verlaufenden Mischer 46 und 46′ mit den Teil-Hauptströmen 43 und 43′ könnten, was hier nicht gezeichnet ist, den Vormischer für einen gemeinsamen Hauptmischer einer statischen Laminar-Mischeinrichtung bilden.
  • Als Mischerelemente sind beispielsweise die SULZER Typ SMX-Mischerelemente geeignet. Beim niedrigviskoses Additiv könnte es sich auch um ein Gas, wie etwa N₂, CO₂ oder H₂O-Dampf, handeln.

Claims (11)

  1. Statische Laminar-Mischeinrichtung (1′) zum Mischen von Medien stark unterschiedlicher Viskosität mit, in Flussrichtung betrachtet, einem ersten Mischer (1a) und einem zweiten Mischer (1b), dessen Querschnitt grösser ist als jener des ersten Mischers (1a) und einer Zumischvorrichtung (1213′) vor dem Eingang, oder am Eingang des ersten Mischers (1a), mit welcher niederviskoses Medium (13) dem Strom des höherviskosen Mediums (12) zugeführt wird.
  2. Statische Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach Anspruch 1 mit einem Verhältnis des Querschnitts des ersten Mischers (1a) zum Querschnitt des zweiten Mischers (1b) von kleiner oder gleich eins zu zwei (Verhältnis V ≦ 1:2).
  3. Statische Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der erste Mischer (1a) aus mehreren parallel angeordneten Mischkolonnen (46, 46′) besteht.
  4. Zumischvorrichtung (1213) zum Anordnen im Strom (12) eines ersten Mediums, vor oder in einem statischen Laminar-Mischer (1), mit einer verengenden blende (14) im Strom (12) des ersten Mediums, welche im bereich der Mündung der Zufuhrleitung für ein zweites Medium (13) in dem Strom (12) des ersten Mediums angeordnet ist.
  5. Zumischvorrichtung (1213) nach Anspruch 4 mit einem Querschnitt der Öffnung der blende (14) von höchstens dem halben Querschnitt des Stroms (12) des ersten Mediums.
  6. Zumischvorrichtung (4) nach Anspruch 4 oder 5 mit eirier blende (44), die mehrere Öffnungen (40, 40′) aufweist.
  7. Statische Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Zumischvorrichtung (2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 4 bis 6.
  8. Verwendung einer Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Mischen von Flüssigkeiten mit einem Viskositätsunterschied im Grössenordnungbereich von 5 x 10² bis 10⁷.
  9. Verwendung einer Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach Anspruch 6 zum Mischen von Flüssigkeiten mit einem Viskositätsunterschied im Grössenordnungbereich von 5 x 10² bis 10⁷.
  10. Verwendung einer Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum beimischen von Mineralöl zu Polystyrolschmelze.
  11. Verwendung einer Laminar-Mischeinrichtung (1′) nach Anspruch 7 zum beimischen von Mineralöl zu Polystyrolschmelze.
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