EP0542713B1 - Verfahren und Apparat zur Vermischung von Fluiden - Google Patents

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EP0542713B1
EP0542713B1 EP92890242A EP92890242A EP0542713B1 EP 0542713 B1 EP0542713 B1 EP 0542713B1 EP 92890242 A EP92890242 A EP 92890242A EP 92890242 A EP92890242 A EP 92890242A EP 0542713 B1 EP0542713 B1 EP 0542713B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vessel
mixing
flow
blade
container
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92890242A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0542713A1 (de
Inventor
Jouko Haavisto
Kimmo Von Weissenberg
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.)
Ahlstrom Pumput Oy
Original Assignee
Ahlstrom Pumput Oy
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ahlstrom Pumput Oy filed Critical Ahlstrom Pumput Oy
Publication of EP0542713A1 publication Critical patent/EP0542713A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0542713B1 publication Critical patent/EP0542713B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05Stirrers
    • B01F27/11Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/113Propeller-shaped stirrers for producing an axial flow, e.g. shaped like a ship or aircraft propeller

Definitions

  • the present invention relates to a method for mixing fluids in a cylindrical mixing container, in which a mixing mechanism is arranged which rotates essentially around the container axis and with which the fluid is set in motion, and a device for mixing fluids.
  • Fluids are understood to be liquid media.
  • a generally used method for increasing the mixing effectiveness consists in causing vortex formation in the fluid streams by means of flow guide surfaces.
  • the most common type of flow guide surface is a band-shaped metal plate, which is arranged on the inner wall of the mixing container at a distance therefrom in the direction of the mixer shaft.
  • the plane of the flow guide plate is located on a plane formed by the radius and vertical line of the mixing container, as a result of which it causes turbulence in the fluid when the fluid flow impinges on the plate in the circumferential direction.
  • Such a flow guide surface causes strong turbulence, but has the disadvantage of a high power requirement.
  • no vortex formation is required, but the rising and falling currents that occur in the container keep the contents homogeneous.
  • DE-A-21 25 698 shows a mixing mechanism in which relatively large guide flaps are mounted on the wall of the mixing container and extend into the interior of the container in such a way that the fluid flow is inclined upwards due to their adjustment or can be directed down.
  • the inclined position of the flow control surfaces reduces the power requirement while maintaining the mixing effectiveness, which means that the mixer, according to the publication mentioned, is more economical to operate than the standard version mentioned above.
  • a solution is known from FI-C-77 384 in which the flow guide surface is still arranged in a band and at a distance from the wall of the mixing container, but is wound around its axis.
  • This solution has the advantage that the fluid flows impinging on the flow guide surface are deflected in different directions depending on the point at which they hit the flow guide surface. As a result, the flow guide surface causes a large number of flows in different directions, which promote mixing.
  • the mixing effectiveness of the apparatus described is of a high level, the energy consumption of the apparatus is remarkably high because the flow guide surfaces represent a very high flow resistance.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method and a device for mixing fluids which meet the requirements in terms of energy efficiency and mixing effectiveness better than the devices according to the prior art and which are also completely insensitive to the amount of Container or the fluid level in the container.
  • the method according to the invention is characterized in that the fluid in the upper part of the container is circulated by the application of an axial force, so that a first part of the flow is a columnar flow around the container axis, mainly in the longitudinal direction of the container, and a second part of the flow is a opposite upwardly moving, surrounding the column or annular flow forms and that the fluid in the lower part of the container is conveyed by radial force in the direction of the container wall.
  • the device according to the invention for mixing fluids from mixing elements introduced concentrically on a rotating shaft, which shaft is introduced concentrically to the container axis in an essentially cylindrical mixing container is in turn characterized in that a mixing element arranged in the upper part of the container has a shovel or a blade
  • the tip of which has a guide flap that is essentially parallel to the container axis, that the substantially parallel guide flap points towards the bottom of the container, and that a further mixing element is provided in the vicinity of the bottom of the mixing container, which is designed as a shovel or blade Point is aligned in a plane mainly parallel to the container axis.
  • the longitudinal axis of the blade or of the blade of the mixing element advantageously forms an angle different from 90 ° with the axis of the container.
  • the guide flap is advantageously designed such that it comes to rest on the back of the blade or blade.
  • the guide flap advantageously comes to rest mainly on an imaginary surface, concentric with the mixing container, at the tip of the blade or blade or on a surface which mainly touches it.
  • flow guide surfaces are attached to the container wall.
  • a mixing container 10 there is a mixing mechanism 12, which is composed of a shaft 14 and an upper 16 and lower mixing element 18 attached to it. It is essential that the lower mixing element 18 is structurally different from the upper element 16. Depending on the height of the mixing container, one or more upper organs can thus be present.
  • the upper mixing element 16 consists of shafts, at the ends of which in one blades are attached to the shaft plane inclined direction, which should shift the flow in an axial flow direction. When generating the axial movement component mentioned, however, the blades also expose the fluid to a movement component in the circumferential direction, which directs the flow more or less obliquely towards the container wall.
  • the lower mixing element 18 in turn consists of blades arranged in planes parallel to the shaft, which move the fluid in a mainly radial direction of flow. In addition, said blades produce a vigorous rotational movement in the fluid.
  • the upper mixing element is not able to give the fluid a columnar flow direction, apart from a relatively small diameter area in the very center of the container, but the fluid flow moving obliquely downward mixes with the at the edges of the container upward flow and creates local turbulence areas between the mixing elements, the energy being lost without contributing to the mixing of the entire fluid volume.
  • the lower mixing element produces an effective radial flow, but also generates useless turbulence below which the fluid does not necessarily mix with the fluid higher in the container.
  • FIG. 2 A solution is shown in FIG. 2, the lower mixing element according to the solution of FIG. 1 being replaced by a mixing element 16 ′ identical to the upper mixing element.
  • a local turbulence area is created halfway between the mixing elements, which wastes energy unnecessarily and makes it difficult to keep the fluid homogeneous.
  • a solution according to an embodiment of our invention is shown, the mixer consisting of a shaft 20 and mixing elements 22 and 32 attached to the shaft, the element 22 being of a type such that it is everywhere except in the immediate vicinity of the tank bottom can be used for what an organ 32 has been developed.
  • the mixing element 22 is a modification of the mixing element shown in FIGS. 1 and 2 in such a way that the element consists entirely of either a blade starting at the shaft 20 or a shaft 24 and a blade 26 attached to the end thereof and inclined with respect to the plane of rotation.
  • the sheet 26 is provided at least at the tip with a guide flap prevent the formation of a radial component and should direct the flow down as effectively as possible as a columnar plug.
  • Said additional guide flap 28 is located at the tip of sheet 26 such that the direction of flow of the fluid sliding radially along the sheet 26 is deflected axially by the action of guide flap 28 to form a boundary layer of the columnar downward flow.
  • a plug-shaped flow parallel to the container axis should be generated on each mixing element level.
  • several of the mentioned guide flaps can also be arranged in connection with each blade or each blade, whereby they also make the blade construction more stable.
  • the flow field generated by such a mixing element 22 is as close as possible to the optimal column, wherein a turbulent area can only be determined in the boundary layer of the opposite flows.
  • FIG. 4a shows the optimal shape of the blade 26 of the mixing element 22 in more detail.
  • a guide flap is arranged at the tip or the tip is bent into a guide flap 28 which extends from the blade in the direction of flow of the fluid.
  • the orientation of the guide flap 28 is essentially the same as the direction of movement of the flowing fluid column, the flow deflected by the guide flap 28 smoothly merging into the fluid flow.
  • a solution according to a second embodiment is shown, the blade 26 'of the mixing element being arranged obliquely such that a component of the force field generated when it rotates is directed obliquely towards the container axis, the direction of the resultant being from the above Force and the centrifugal force of the axial direction is closer than in the situation of Fig. 4a.
  • a baffle 28' which is still substantially parallel to the axis.
  • the guide flap 28, 28 ' comes to lie on an imaginary surface concentric with the container at the tip of the blade or blade or on a surface which touches it.
  • the orientation of the guide flap 28 or 28 ' is intentionally deflected from the directions mentioned, for example in order to impart the desired direction of movement to the fluid impinging on the blade. It is essential for this upper blade / blade that one wants to prevent through its / its construction that the radial components of the fluid flow disturb the ring flow flowing in the opposite direction.
  • the blades / blades can be produced by folding from a steel or other corresponding metal plate in such a way that the blade / blade consists of a number of planar surfaces. However, if it is considered appropriate in some cases to manufacture the blade or blade from plastic, for example, the blade can be cast directly into the final shape.
  • the mixing element 32 to be used at the lowest level of the mixing element (the flow is directed downwards in the middle of the container), which is shaped in such a way that the flows above the mixing element 32 are directed exclusively downwards, but at the level of the Mixing member flows laterally from it towards the wall of the container 10 and the outgoing flows from the central region of the mixing member are directed obliquely downwards and represent only a fraction of the flows above.
  • the mixing element 32 can thus consist of a shaft 34 and a sheet 36 fastened to the end thereof, the orientation of its flat surface / s at the axial end being at least almost radial, then some fluid being conducted downwards and angled back again in such a way that the Blade tip 38 already clearly guides fluid in a radial-peripheral direction.
  • the first, shaft-side plane deviates approximately 30 degrees from the plane drawn over shaft 20 and shaft 34 in the direction downward of the fluid and the other Level about 60 degrees in the same direction. Then the tip of the blade begins to rotate in an increasingly fluid direction towards the container wall.
  • the orientation of the blade tip forms an angle of approximately 45 degrees with the shaft, the blade thus causing the fluid to make a vigorous radial movement.
  • the blade end on the shaft side gives the fluid a low axial flow velocity, the central flow being conducted as an annular flow over the bottom of the mixing / storage container and ascending along the wall.
  • the mixing element can of course also be a blade, the tip of which is strongly bent almost in an axial plane, the direction of flow of the fluid flowing into the influence area of the mixing element being largely deflected into the radial direction.
  • flow control surfaces can be attached to the wall of the mixing container in such a way that at least two inclined flow control surfaces are arranged at the level of the lowermost mixing element.
  • the inclination of these flow control surfaces should be at least approximately 30 to 75 degrees.
  • the flow guide surfaces are intended to redirect the flow circulating along the container wall to a component which raises the flow.
  • the most advantageous flow guide surface is a straight flow guide surface at an angle of 45 degrees, but the most advantageous functionally is a flow guide surface whose angle becomes steeper as the container bottom rises.
  • the flow guide surface can either consist of a curved flow guide surface or several straight flow guide surfaces be made, the inclination of which should change step by step, for example three flow control surfaces (FIG.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermischung von Fluiden in einem zylindrischen Mischbehälter, in dem ein im wesentlichen um die Behälterachse umlaufendes Mischwerk angeordnet ist, mit dem das Fluid in eine Bewegung versetzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Vermischung von Fluiden. Unter Fluiden sind flüssige Medien zu verstehen.
  • Es sind bisher mehrere solcher Verfahren und Apparate bekannt, und sie werden allgemein in der Papier-, Farben- und Lebensmittelindustrie zur Vermischung von verschiedenen Fluiden untereinander oder zur Vermischung von festen Stoffen mit Fluiden benutzt. Die Apparate und Verfahren will man in der Regel so entwickeln, daß dabei eine möglichst hohe Mischeffektivität mit einer möglichst kleinen Leistung erreicht wird.
  • Eine allgemein angewendete Methode zur Erhöhung der Mischeffektivität besteht darin, in den Fluidströmen mittels Strömungsleitflächen Wirbelbildung zu bewirken. Der gewöhnlichste Typ von Strömungsleitflächen ist eine bandförmige Metallplatte, die an der Innenwand des Mischbehälters in einem Abstand davon in der Richtung der Mischwerkswelle angeordnet ist. Meistens sind zwei oder mehrere Strömungsleitflächen vorhanden. Die Ebene der Strömungsleitplatte befindet sich auf einer von Radius und Vertikallinie des Mischbehälters gebildeten Ebene, wodurch sie im Fluid Turbulenzen bewirkt, wenn die Fluidströmung in der Umfangsrichtung auf die Platte auftrifft. Solch eine Strömungsleitfläche bewirkt starke Verwirbelung, weist aber als Nachteil einen hohen Leistungsbedarf auf. Wenn man im allgemeinen Lagerung aber weniger Vermischung anstrebt, wird keine Wirbelbildung benötigt, sondern die im Behälter entstehenden steigenden und sinkenden Strömungen halten den Inhalt homogen.
  • In der DE-A-21 25 698 wird ein Mischwerk dargestellt, bei dem an der Wandung des Mischbehälters sich in das Behälterinnere erstreckende, relativ große Leitklappen derart gelagert sind, daß die Fluidströmung durch deren Verstellung schräg nach oben oder nach unten geleitet werden kann. Die Schräglage der Strömungsleitflächen vermindert den Leistungsbedarf bei gleichbleibender Mischeffektivität, womit das Mischwerk gemäß der genannten Veröffentlichung im Betrieb ökonomischer ist als die obengenannte Standardausführung.
  • Aus der FI-C-77 384 ist eine Lösung bekannt, bei der die Strömungsleitfläche nach wie vor bandförmig und in einem Abstand von der Wandung des Mischbehälters angeordnet, jedoch um ihre Achse gewunden ist. Durch diese Lösung wird der Vorteil erreicht, daß die auf die Strömungsleitfläche auftreffenden Fluidströmungen in verschiedene Richtungen umgelenkt werden je nach dem, an welcher Stelle sie auf die Strömungsleitfläche aufgetroffen sind. Dadurch bewirkt die Strömungsleitfläche eine große Anzahl Strömungen in verschiedene Richtungen, die das Durchmischen begünstigen. Obwohl die Mischeffektivität des beschriebenen Apparats von hohem Niveau ist, ist der Energieverbrauch des Apparats bemerkenswert hoch, weil die Strömungsleitflächen einen sehr hohen Strömungswiderstand darstellen.
  • Bei den konventionellen Mischwerkslösungen können u.a. folgende Probleme festgestellt werden:
    • Bei einem relativ hohen Behälter, d.h. wenn die Höhe mehr als ein Anderthalbfaches gegenüber dem Behälterdurchmesser beträgt, reicht ein Mischorgan nicht aus, sondern man ist gezwungen, mehrere Organe einzusetzen. Dabei weist das Strömungsbild anderer als des untersten Organs auch eine bedeutende radiale Strömungskomponente auf, wobei die Strömungen im äußersten Zylinder gestört werden.
    • Man ist gezwungen, die untersten Mischorgane möglichst dicht am Mischbehälterboden anzuordnen, wobei der Abstand rund 0.1 - 0.2 * Behälterdurchmesser ist, damit im Behälter auch kleine Mengen des betreffenden Fluids gelagert werden können. Bei den typischen untersten Mischorganen handelt es sich um Turbine, Propeller und Blatt, von denen
    • die Turbine typischerweise ein symmetrisches Bild bildet, wobei die unterhalb des Mischorgans entstehenden Strömungen für das Endergebnis der betreffenden Mischung nutzlos sind, und
    • Propeller und Blätter wiederum eine wesentliche axiale Komponente erzeugen, die gegen den Boden gedrückt nur eine örtliche Turbulenz bewirkt, die die obengenannte Makroströmung nicht begünstigt.
    • Darüber hinaus versetzen die umlaufenden Mischorgane das einzulagernde Gut in eine Drehbewegung, die beim Anstreben der obengenannten Vertikalbewegung nutzlos, d.h. Energieverschwendung ist.
  • Weil keine der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik unter allen Verhältnissen, vor allem bei der Behandlung von sich absetzendem Fluid ausreichend wirksam funktioniert, wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung eines neuen Typs zur Vermischung von Fluiden entwickelt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vermischung von Fluiden zu schaffen, die den Anforderungen in Hinsicht auf die Energiewirtschaftlichkeit sowie Mischeffektivität besser gerecht werden als die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik und die außerdem völlig unempfindlich gegenüber der Höhe des Behälters oder dem Fluidstand im Behälter sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im oberen Teil des Behälters durch axiale Krafteinbringung umgewälzt wird, sodaß ein erster Teil der Strömung eine hauptsächlich in der Längserstreckung des Behälters abwärts bewegte säulenförmige Strömung um die Behälterachse herum, und ein zweiter Teil der Strömung eine entgegengesetzte aufwärts bewegte, die genannte Säule umgebende Ringströmung bzw. Randströmung bildet und daß das Fluid im unteren Teil des Behälters durch radiale Krafteinbringung in Richtung zur Behälterwand gefördert wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermischung von Fluiden aus konzentrisch an einer rotierenden Welle eingebrachten Mischorganen, welche Welle in einem im wesentlichen zylindrischen Mischbehälter konzentrisch zur Behälterachse eingebracht ist, ist seinerseits dadurch gekennzeichnet, daß ein im oberen Teil des Behälters angeordnetes Mischorgan eine Schaufel oder ein Blatt aufweist, deren/dessen Spitze eine zur Behälterachse im wesentlichen parallele Leitklappe aufweist, daß die im wesentlichen parallele Leitklappe in Richtung zum Behälterboden weist und daß ein in der Nähe des Mischbehälterbodens angeordnetes weiteres Mischorgan vorgesehen ist, welches als Schaufel oder Blatt ausgebildet ist, deren/dessen Spitze in einer zur Behälterachse hauptsächlich parallelen Ebene ausgerichtet ist.
  • In vorteilhafter Weise schließt die Längsachse der Schaufel oder des Blattes des Mischorganes mit der Achse des Behälters einen von 90° verschiedenen Winkel ein.
  • Mit Vorteil ist die Leitklappe derart ausgeführt, daß sie auf der Rückseite von Schaufel oder Blatt zu liegen kommt. Vorteilhaft kommt die Leitklappe hauptsächlich auf einer imaginären, mit dem Mischbehälter konzentrischen Fläche an der Spitze von Schaufel oder Blatt oder einer diese hauptsächlich tangierenden Fläche zu liegen.
  • Weiters ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß an der Behälterwandung Strömungsleitflächen befestigt sind.
  • Aus der DE-C-921 927 ist bereits eine Mischwerkslösung bekannt, wobei an der Schaufelspitze des Mischorgans eine zum Umfang parallele Leitklappe oder sogar ein ganzer zylinderförmiger flacher Ring ausgeführt ist, wobei der Zweck der Leitklappe lediglich darin besteht, Laufvibrationen zu verhindern und die Turbulenzen an der Spitze zu beseitigen. Die genannte Lösung kann nicht darauf abzielen, eine zylinderförmige Strömung hervorzurufen, weil die genannte Leitklappe an der Schaufelspitze ausdrücklich auf der untersten Mischorganebene, d.h. dicht am Behälterboden eingesetzt wird, wo es unter keinen Umständen notwendig wäre, die Strömung zylinderförmig zu halten, sondern sie bereits ins Radiale umgelenkt werden sollte.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden im folgenden durch einen Vergleich mit Lösungen gemäß dem Stand der Technik und unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt dabei
    • Fig. 1 eine Lösung gemäß dem Stand der Technik und das dadurch hervorgerufene Strömungsfeld,
    • Fig. 2 eine zweite Lösung gemäß dein Stand der Technik und das dadurch hervorgerufene Strömungsfeld,
    • Fig. 3 ein Mischwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und das dadurch hervorgerufene Strömungsfeld,
    • Fig. 4a und 4b Schaufel- bzw. Blattkonstruktionen zweier vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung detailliert,
    • Fig. 5 eine dritte Schaufel-/Blattlösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
    • Fig. 6a und 6b eine an der Wandung des Mischbehälters einzusetzende Strömungsleitfläche.
  • In Fig. 1 sind eine Lösung gemäß dem Stand der Technik sowie das dadurch erzeugte Strömungsfeld dargestellt. In einem Mischbehälter 10 befindet sich ein Mischwerk 12, das sich aus einer Welle 14 sowie einem daran befestigten oberen 16 und unteren Mischorgan 18 zusammensetzt. Wesentlich ist, daß das untere Mischorgan 18 konstruktionell vom oberen Organ 16 abweichend ist. Somit können, je nach der Höhe des Mischbehälters, ein oder mehrere obere Organe vorhanden sein. Das obere Mischorgan 16 besteht aus Schaften, an deren Enden in einer gegenüber der Schaftebene geneigten Richtung Blätter angebracht sind, die die Strömung in eine axiale Strömungsrichtung versetzen sollen. Beim Erzeugen der genannten axialen Bewegungskomponente setzen die Blätter das Fluid jedoch auch einer Bewegungskomponente in der Umfangsrichtung aus, die die Strömung mehr oder weniger schräg zur Behälterwandung hin leitet. Das untere Mischorgan 18 wiederum besteht aus in zur Welle parallelen Ebenen angeordneten Schaufeln, die das Fluid in eine hauptsächlich radiale Strömungsrichtung versetzen. Außerdem erzeugen besagte Schaufeln eine kräftige Drehbewegung im Fluid.
  • Gemäß der Figur ist das obere Mischorgan nicht in der Lage, dem Fluid eine säulenförmige Strömungsrichtung zu verleihen, abgesehen von einem im Durchmesser relativ kleinen Bereich ganz in der Behältermitte, sondern die sich schräg nach unten bewegende Fluidströmung vermischt sich an den Rändern des Behälters mit der aufwärts gerichteten Strömung und erzeugt zwischen den Mischorganen örtliche Turbulenzbereiche, wobei die Energie verlorengeht, ohne zur Durchmischung des gesamten Fluidvolumens beizutragen. Das untere Mischorgan erzeugt dagegen eine effektive radiale Strömung, erzeugt aber unter sich auch eine nutzlose Turbulenz, aus der das Fluid nicht unbedingt zur Vermischung mit dem höher im Behälter befindlichen Fluid gelangt.
  • In Fig. 2 wird eine Lösung dargestellt, wobei das untere Mischorgan gemäß der Lösung von Fig. 1 durch ein mit dem oberen Mischorgan identischen Mischorgan 16' ersetzt ist. Bei dieser Lösung entsteht auf halber Höhe zwischen den Mischorganen ein örtlicher Turbulenzbereich, der unnötig Energie vergeudet und das Homogenhalten des Fluids erschwert. Je nach der Ausrichtung der Blätter des Mischorgans kann das Organ 16' eine unnötig starke Strömungskomponente gegen den Behälterboden ausüben.
  • Wie aus den oben dargestellten konventionellen Lösungen und den dadurch erzeugten Strömungsfeldern hervorgeht, besteht das schwierigste Problem beim Anstreben einer optimalen Durchmischung in der von den Mischorganen im oberen und mittleren Teil des Behälters erzeugten nichtaxialen Strömung, die die Aufwärts- und Abwärtsströmung die Behälterwandungen entlang abbremst und die Durchmischung verhindert.
  • Beim Betrachten der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik und Testen vom Typ her unterschiedlichen neuen Konstruktionslösungen hat man festgestellt, daß die wirksamste Methode, das Fluid homogen zu halten, keineswegs darin besteht, eine große Anzahl von örtlichen Turbulenzzentralisationen aufrechtzuerhalten, sondern die Strömungsrichtung im Behälter möglichst parallel zur Behälterachse, im allgemeinen also senkrecht und in der Behältermitte sinkend, zu halten. Bei Versuchen stellte sich heraus, daß örtliche Turbulenzen weit mehr Energie verbrauchen als nach ihrer Mischwirkung zu erwarten wäre. Somit besteht die deutlichste Ausführung zur Aufrechterhaltung einer effektiven Durchmischung in einem zylindrischen Behälter in einer senkrechten heilen zylinderförmigen Säule, die sich im Kern der Strömung nach unten und an den Rändern nach oben bewegt.
  • In Fig. 3 wird eine Lösung gemäß einer Ausführungsform unserer Erfindung dargestellt, wobei das Mischwerk aus einer Welle 20 und an der Welle befestigten Mischorganen 22 und 32 besteht, wobei das Organ 22 eines solchen Typs ist, daß es überall außer in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens eingesetzt werden kann, wofür ein Organ 32 entwickelt worden ist. Das Mischorgan 22 ist eine Modifikation des in Fig. 1 und 2 dargestellten Mischorgans auf solche Weise, daß das Organ entweder ganz aus einer an der Welle 20 beginnenden Schaufel oder einem Schaft 24 und einem an dessen Ende befestigten gegenüber der Rotationsebene geneigten Blatt 26 besteht. Das Blatt 26 ist mindestens an der Spitze mit einer Leitklappe versehen, die die Entstehung einer radialen Komponente verhindern und die Strömung möglichst wirksam als säulenförmiger Pfropfen nach unten richten soll. Die genannte zusätzliche Leitklappe 28 befindet sich derart an der Spitze von Blatt 26, daß die Strömungsrichtung des das Blatt 26 radial entlang gleitenden Fluids durch die Wirkung von Leitklappe 28 ins Axiale umgelenkt wird, um eine Grenzschicht der säulenförmig nach unten gerichteten Strömung zu bilden. Mit Ausnahme des untersten Mischorgans soll auf jeder Mischorgansebene eine möglichst pfropfenförmige zur Behälterachse parallele Strömung erzeugt werden. Bei Bedarf können auch mehrere der genannten Leitklappen in Verbindung mit einer jeden Schaufel oder einem jeden Blatt angeordnet werden, wobei sie auch die Schaufelkonstruktion stabiler machen.
  • Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist das durch solch ein Mischorgan 22 erzeugte Strömungsfeld möglichst nah an der optimalen Säule, wobei nur in der Grenzschicht der entgegengesetzten Strömungen ein turbulenter Bereich festgestellt werden kann.
  • In Fig. 4a ist detaillierter die optimale Form des Blatts 26 von Mischorgan 22 dargestellt. Der Figur zufolge ist an der Spitze eine Leitklappe angeordnet oder die Spitze zu einer Leitklappe 28 gebogen, die sich vom Blatt in die Strömungsrichtung des Fluids erstreckt. Im wesentlichen ist die Ausrichtung der Leitklappe 28 die gleiche wie die Bewegungsrichtung der strömenden Fluidsäule, wobei die von der Leitklappe 28 abgelenkte Strömung sanft in die Fluidströmung übergeht. In Fig. 4b ist dagegen eine Lösung gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, wobei das Blatt 26' des Mischorgans derart schräg angeordnet ist, daß eine Komponente des beim Umlaufen desselben erzeugten Kraftfeldes schräg zur Behälterachse hin gerichtet ist, wobei die Richtung der Resultante aus der genannten Kraft und der Fliehkraft der axialen Richtung näher ist als in der Situation von Fig. 4a. An der Spitze des Blattes 26' ist eine Leitklappe 28' angeordnet, die nach wie vor im wesentlichen parallel zur Achse ist. Die Leitklappe 28, 28' kommt auf einer imaginären, mit dem Behälter konzentrischen Fläche an der Spitze von Blatt oder Schaufel oder auf einer sie tangierenden Fläche zu liegen. Es ist natürlich auch möglich, daß die Ausrichtung von Leitklappe 28 oder 28' absichtlich von den genannten Richtungen abgelenkt wird, um z.B. dem auf die Schaufel auftreffenden Fluid die gewünschte Bewegungsrichtung zu verleihen. Wesentlich für diese/s obere Schaufel/Blatt ist, daß man durch ihre/seine Konstruktion verhindern will, daß die radialen Komponenten der Fluidströmung die in die entgegengesetzte Richtung fließende Ringströmung stören. Die Schaufeln/Blätter können durch Abkanten aus einer Stahl- oder sonstiger entsprechender Metallplatte derart hergestellt werden, daß die Schaufel/das Blatt aus einer Anzahl planförmiger Flächen besteht. Wird es jedoch in einigen Fällen für angebracht gehalten, die Schaufel oder das Blatt z.B. aus Kunststoff anzufertigen, kann die Schaufel dabei direkt in die endgültige Form gegossen werden.
  • In Fig. 5 ist das auf der untersten Mischorganebene einzusetzende Mischorgan 32 dargestellt (die Strömung ist in der Behältermitte abwärts gerichtet), das auf solche Weise geformt ist, daß die Strömungen oberhalb des Mischorgans 32 ausschließlich nach unten gerichtet sind, aber die auf Höhe des Mischorgans seitlich davon ausgehenden Strömungen zur Wandung des Behälters 10 hin und die vom mittleren Bereich des Mischorgans ausgehenden Strömungen schräg nach unten gerichtet sind und nur einen Bruchteil von den Strömungen oberhalb darstellen. Das Mischorgan 32 kann also aus einem Schaft 34 und einem an dessen Ende befestigten Blatt 36 bestehen, wobei die Ausrichtung von dessen Planfläche/n am achsseitigen Ende mindestens nahezu radial ist, dann etwas Fluid nach unten leitend und wieder zurück derart angewinkelt wird, daß die Blattspitze 38 bereits deutlich Fluid in eine radialperipherale Richtung leitet. Mit anderen Worten weicht bei der Ausführungsform der Figur die erste, schaftseitige Ebene von der über Welle 20 und Schaft 34 gezeichneten Ebene ungefähr 30 Grad in die Fluid nach unten führende Richtung und die andere Ebene rund 60 Grad in dieselbe Richtung ab. Danach beginnt sich die Blattspitze, in eine immer mehr Fluid zur Behälterwandung hin leitende Richtung zu drehen. Gemäß einer Ausführungsform bildet die Ausrichtung der Blattspitze einen Winkel von rund 45 Grad mit dem Schaft, wobei das Blatt das Fluid also in eine kräftige radiale Bewegung versetzt. Das schaftseitige Blattende verleiht dem Fluid eine niedrige axiale Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Zentralströmung als Ringströmung über den Boden des Misch-/Lagerbehälters und die Wandung entlang aufsteigend geleitet wird. Beim Mischorgan kann es sich natürlich auch um eine Schaufel handeln, deren Spitze stark nahezu in eine axiale Ebene gebogen ist, wobei die Strömungsrichtung des in den Einflußbereich des Mischorgans einströmenden Fluids größtenteils ins Radiale umgelenkt wird.
  • Es ist auch möglich, in der unmittelbaren Nähe des Bodenteils des Behälters ein dem Laufrad einer Kreiselpumpe ähnliches Schaufelrad ohne Gehäuse oder sogar mit einer Art Gehäuse anzuordnen, wobei das genannte Laufrad die Zentralströmung wirksam zunächst parallel zum Boden und anschließend zu einer Ringströmung die Wandungen entlang umlenkt.
  • Zusätzlich können an der Wandung des Mischbehälters Strömungsleitflächen derart befestigt werden, daß auf Höhe des untersten Mischorgans mindestens zwei geneigte Strömungsleitflächen angeordnet sind. Die Schräglage dieser Strömungsleitflächen sollte mindestens ungefähr 30 bis 75 Grad sein. Die Strömungsleitflächen sollen die die Behälterwandung entlang zirkulierende Strömung zu einer die Strömung anhebende Komponente urgelenkt werden. Wirtschaftlich gesehen handelt es sich bei der vorteilhaftesten Strömungsleitfläche um eine gerade Strömungsleitfläche in einem Winkel von 45 Grad, funktionsmäßig ist aber eine Strömungsleitfläche am vorteilhaftesten, deren Winkel mit Hinaufsteigen vom Behälterboden steiler wird. Dabei kann die Strömungsleitfläche entweder aus einer geschwungenen Strömungsleitfläche oder mehreren geraden Strömungsleitflächen angefertigt sein, deren Schräglage sich also stufenweise verändern soll, z.B. drei Strömungsleitflächen (Fig. 6a) mit Schräglagen von rund 30, 60 und 90 Grad. Die Breite der Strömungsleitflächen sollte bei der Lösung gemäß unserer Erfindung ungefähr 1/8 bis 1/15 mal Behälterdurchmesser sein, und ihr Abstand von der Wandung sollte am größten rund 0.1 mal Behälterdurchmesser sein. Beim Vergleichen des mit Strömungsleitflächen gemäß Fig. 6a erreichten Strömungsfeldes mit einem durch konventionelle senkrechte, d.h. dem Stand der Technik entsprechende Strömungsleitflächen erreichten Strömungsfeld stellt sich heraus, daß die Strömung durch Strömungsleitflächen gemäß unserer Erfindung sehr sanft von einer peripheralen Strömung in eine senkrechte Ringströmung umgelenkt werden kann. Wie aus dem oben Angeführten hervorgeht, hat man ein vollkommen neues, die Nachteile des Standes der Technik behebendes Mischwerk und Mischverfahren entwickelt, von denen oben nur einige vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt sind.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Vermischung von Fluiden in einem zylindrischen Mischbehälter, in dem ein im wesentlichen um die Behälterachse umlaufendes Mischwerk angeordnet ist, mit dem das Fluid in eine Bewegung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im oberen Teil des Behälters durch axiale Krafteinbringung umgewälzt wird, sodaß ein erster Teil der Strömung eine hauptsächlich in der Längserstreckung des Behälters abwärts bewegte säulenförmige Strömung um die Behälterachse herum, und ein zweiter Teil der Strömung eine entgegengesetzte aufwärts bewegte, die genannte Säule umgebende Ringströmung bzw. Randströmung bildet und daß das Fluid im unteren Teil des Behälters durch radiale Krafteinbringung in Richtung zur Behälterwand gefördert wird.
  2. Vorrichtung zur Vermischung von Fluiden aus konzentrisch an einer rotierenden Welle eingebrachten Mischorgangen, welche Welle in einem im wesentlichen zylindrischen Mischbehälter konzentrisch zur Behälterachse eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein im oberen Teil des Behälters angeordnetes Mischorgan (22) eine Schaufel oder ein Blatt (26,26') aufweist, deren/dessen Spitze eine zur Behälterachse im wesentlichen parallele Leitklappe (28,28') aufweist, daß die im wesentlichen parallele Leitklappe (28,28') in Richtung zum Behälterboden weist und daß ein in der Nähe des Mischbehälterbodens angeordnetes weiteres Mischorgan (32) vorgesehen ist, welches als Schaufel oder Blatt (36) ausgebildet ist, deren/dessen Spitze (38) in einer zur Behälterachse hauptsächlich parallelen Ebene ausgerichtet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Schaufel oder des Blattes (26') des Mischorganes (22) mit der Achse des Behälters (10) einen von 90° verschiedenen Winkel einschließt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitklappe (28,28') auf der Rückseite von Schaufel oder Blatt (26,26') zu liegen kommt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitklappe (28,28') hauptsächlich auf einer imaginären, mit dem Mischbehälter konzentrischen Fläche an der Spitze von Schaufel oder Blatt (26,26') oder einer diese hauptsächlich tangierenden Fläche zu liegen kommt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Behälterwandung Strömungsleitflächen (40,42,44) befestigt sind.
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