EP0800857B1 - Mischrohr für niedrigviskose Fluide - Google Patents

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EP0800857B1
EP0800857B1 EP96810224A EP96810224A EP0800857B1 EP 0800857 B1 EP0800857 B1 EP 0800857B1 EP 96810224 A EP96810224 A EP 96810224A EP 96810224 A EP96810224 A EP 96810224A EP 0800857 B1 EP0800857 B1 EP 0800857B1
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tube
accordance
mixer
constriction
mixing
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Markus Fleischli
Gottlieb Schneider
Marc Bruno Dr. Wehrli
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Sulzer Chemtech AG
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Sulzer Chemtech AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • 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
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/4316—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod
    • B01F25/43161—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod composed of consecutive sections of flat pieces of material

Definitions

  • the invention relates to a mixing tube for low viscosity Fluids, in particular for fluids with suspended contained solids, according to the preamble of claim 1.
  • This device includes Mixing elements in a tube, each consisting of two outer segments and at least one inner segment consist. The segments are at one end or sides with the housing gap-free connected while their other ends are at a distance end in front of the pipe wall. Adjacent segments intersect with a gap at each intersection remains. The mixing takes place essentially within the mixing elements by a crosswise deflection individual partial flows.
  • the object of the invention is to provide a mixing tube to create static internals in terms of known static mixing device cheaper can be produced.
  • This task is claimed by the 1 defined mixing tube solved, in which the mixture due to the bottlenecks mentioned in the claim and the subsequent bottlenecks of mixed routes.
  • a Such a mixing device is also for low-viscosity Liquids that do not contain solids can be used.
  • the mixing tube according to the invention for low-viscosity fluids contains plate-shaped elements attached to or on individual parts of the tube, its cross section partially cover.
  • the bottlenecks left open by the elements each comprise at least one gap-shaped area, with a longitudinal extension of this gap, that of Pipe wall to pipe wall through the pipe axis or from the Pipe wall through the pipe axis to a second section runs.
  • the gap closes with the pipe axis Angles in the range between around 20 and 60 °, preferably between 35 and 45 °, a.
  • the one Length in the range of 1 to 10 pipe diameters.
  • the bottleneck or bottlenecks of the invention Mixing devices are shaped and arranged such that in the flowing fluid as it passes through a Bottleneck two opposite vortices form. While of the flow through the mixing section results in Whirl a partial mixing. Compared to the known mixing device are fewer mixing elements and for each mixing element only two segments are required to create one to achieve largely the same good mixing effect. However, a longer pipe is required. Further causes the mixing device according to the invention lower pressure drop.
  • the dependent claims 2 to 11 relate to advantageous Embodiments of the mixing tube according to the invention.
  • the Claim 12 relates to the use of Mixing tube.
  • Figures 1 and 2 represent an inventive Mixing tube 1 for low-viscosity fluids.
  • the tube wall 10 is only indicated by dash-dotted lines.
  • the circular Pipe has a diameter D.
  • the mixing pipe 1 contains plate-shaped elements 2 as internals, the individual Place the tube 1 partially cover its cross section and create bottlenecks 3.
  • the elements 2 are in elliptical surfaces with the main axes d and e arranged.
  • the bottleneck 3 released in the elements 2 includes two sections 31 and 32: a wide gap 31, the from the pipe wall 10 through the pipe axis c to the second portion 32 extends along the axis e, and a flow opening 32 adjoining the tube wall 10 of an elongated, here crescent-like shape, the is arranged transversely to the first partial region 31.
  • the shape of the second partial area 32 can also be, for example be lenticular.
  • the axis e (or the gap 31) closes with the Pipe axis c an angle ⁇ in the range between around 20 and 60 °, preferably between 35 and 45 °.
  • the second section 32 is downstream after the gap 31 arranged. After the bottleneck 3 there is a mixed section 4th
  • edges these segments essentially include the following Sections: an edge piece a with the shape of a elliptical arc adjacent to tube wall 10; on straight edge piece s, which forms a boundary with the gap 31; and an edge piece b that connects to the second partial area 32 of the bottleneck 3.
  • Between the tube wall 10 and the arcuate edge a can be a small gap located at individual points Connecting means, for example welding material, are bridged.
  • the elliptical border can, for example be approximated by straight pieces.
  • Edge piece s can also be a curved one.
  • the flowing fluid is in Fig.1 by arrows 5, 5 ' indicated.
  • the bottleneck 3 induces two in the flow opposite vortices that are projected onto a Cross-sectional area are indicated with arrows 6, 6 '.
  • the gap 31 is essentially trapezoidal (corner points A, B, B 'and A'); it widens towards the second Subarea 32 of the bottleneck 3. With this slit shape creates an optimal pair of vertebrae 6, 6 '. So that two Bottleneck is 3 mirror-symmetrical; the plane of symmetry lies on the pipe axis c.
  • the plate-shaped elements associated with a bottleneck 3 2 are in the embodiment of Figures 1 and 2 in arranged on one level. You can be together with the Manufacture connecting web 23 from a piece of sheet metal. Figure 3 shows how these elements 2 material-saving from one Strips of sheet metal can be cut out.
  • the plate-shaped elements 2 can instead of just be curved or kinked.
  • bottlenecks 3 in the mixing tube 1 there are at least two bottlenecks 3 in the mixing tube 1 provided, one each to a first bottleneck 3 adjacent, downstream bottleneck 3 ' outside the mixing section 4 at a distance m of around 3 to 5 pipe diameters D is arranged.
  • the free space between adjacent bottlenecks 3, 3 ' thus has a length of around 2 to 4 pipe diameters D. on.
  • the gaps 31 of adjacent bottlenecks 3, 3 ' are transverse arranged to each other.
  • Figures 4 to 8 represent further embodiments possible bottlenecks 3.
  • the two are in Fig.4 Segments 21 and 22, which have the same shape, are angular arranged to each other.
  • the shape of the segment 21 or 22 can be seen in Fig. 5.
  • the segments 21 and 22 can of course also by a web 23 - for example, as shown in dashed lines - connected his.
  • Figures 6 and 7 show bottlenecks 3 for Mixing tubes 1 according to the invention, their cross sections are square or rectangular.
  • Fig. 6 also shows that a web 23 at a different location than at the Border between the two sections of the bottleneck 3 can be arranged.
  • the web 23 can be, for example Be a rod with a circular cross-section.
  • the fifth exemplary embodiment according to FIG. 8 shows one Bottleneck 3, which only consists of a gap-shaped area 31 consists.
  • the area 31 can be trapezoidal (with two curved sides AA ', BB') and thereby in or against expand the direction of flow.
  • the mixing tube 1 according to the invention can mix a Fluids with suspended solids are used become. Especially if the solids are fibrous, this use is advantageous.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Mischrohr für niedrigviskose Fluide, insbesondere für Fluide mit suspendiert enthaltenen Feststoffen, gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der CH-PS 669 336 (= P.6005) ist eine statische Mischvorrichtung bekannt, mit der Feststoffteilchen enthaltende Fluide vermischt werden können, ohne dass Verstopfungen entstehen. Diese Vorrichtung umfasst Mischelemente in einem Rohr, die jeweils aus zwei äusseren Segmenten und mindestens einem inneren Segment bestehen. Die Segmente sind an ihren einen Enden beziehungsweise Seiten mit dem Gehäuse spaltfrei verbunden, während ihre anderen Enden in einem Abstand vor der Rohrwand enden. Benachbarte Segmente kreuzen sich, wobei an jeder Kreuzungsstelle ein Zwischenraum frei bleibt. Die Mischung erfolgt im wesentlichen innerhalb der Mischelemente durch ein kreuzweises Umlenken einzelner Teilströme.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mischrohr mit statischen Einbauten zu schaffen, das hinsichtlich der bekannten statischen Mischvorrichtung kostengünstiger herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 definierte Mischrohr gelöst, bei dem die Mischung aufgrund der im Anspruch genannten Engpässe und der an die Engpässe anschliessenden Mischstrecken erfolgt. Eine derartige Mischvorrichtung ist auch für niedrigviskose Flüssigkeiten verwendbar, die keine Feststoffe enthalten.
Das erfindungsgemässe Mischrohr für niedrigviskose Fluide enthält plattenförmige Elemente, die an einer oder an einzelnen Stellen des Rohrs dessen Querschnitt teilweise abdecken. Die durch die Elemente freigelassenen Engpässe umfassen jeweils mindestens einen spaltförmigen Bereich, mit einer Längserstreckung dieses Spalts, die von Rohrwand zu Rohrwand durch die Rohrachse oder von der Rohrwand durch die Rohrachse zu einem zweiten Teilbereich verläuft. Der Spalt schliesst mit der Rohrachse einen Winkel im Bereich zwischen rund 20 und 60°, vorzugsweise zwischen 35 und 45°, ein. Nach dem Engpass ist in Strömungsrichtung eine Mischstrecke vorgesehen, die eine Länge im Bereich von 1 bis 10 Rohrdurchmessern aufweist.
Der Engpass oder die Engpässe der erfindungsgemässen Mischvorrichtung sind derart geformt und angeordnet, dass in dem strömenden Fluid beim Durchtritt durch einen Engpass sich zwei gegenläufige Wirbel ausbilden. Während des Durchströmens der Mischstrecke ergibt sich in den Wirbeln eine teilweise Durchmischung. Verglichen mit der bekannten Mischeinrichtung sind weniger Mischelemente und pro Mischelement jeweils nur zwei Segmente nötig, um eine weitgehend gleich gute Mischwirkung zu erzielen. Allerdings wird ein längeres Rohr benötigt. Ferner verursacht die erfindungsgemässe Mischvorrichtung einen niedrigeren Druckverlust.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 11 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Mischrohrs. Der Anspruch 12 bezieht sich auf die Verwendung des Mischrohrs.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein erstes Ausführungsbeispiel der Einbaute eines erfindungsgemässen Mischrohrs mit einem kreisförmigen Rohrquerschnitt,
Fig. 2
zwei benachbarte Einbauten des Typs gemäss Fig.1,
Fig. 3
mehrere, aus einem Blechstreifen herausgeschnittene Einbauten,
Fig. 4
ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 5
ein Segment zu der Einbaute der Fig.4,
Fig. 6
ein drittes Ausführungsbeispiel, nämlich ein Rohr mit rechteckigem Querschnitt,
Fig. 7
eine Variante zu dem Beispiel der Fig.6 und
Fig. 8
ein fünftes Ausführungsbeispiel.
Die Figuren 1 un 2 stellen ein erfindungsgemässes Mischrohr 1 für niedrigviskose Fluide dar. Die Rohrwand 10 ist nur strichpunktiert angedeutet. Das kreisförmige Rohr hat einen Durchmesser D. Das Mischrohr 1 enthält plattenförmige Elemente 2 als Einbauten, die an einzelnen Stellen des Rohrs 1 dessen Querschnitt teilweise abdecken und so Engpässe 3 herstellen. Die Elemente 2 sind in elliptischen Flächen mit den Hauptachsen d und e angeordnet.
Der in den Elementen 2 freigelassene Engpass 3 umfasst zwei Teilbereiche 31 und 32: einen breiten Spalt 31, der sich von der Rohrwand 10 durch die Rohrachse c zu dem zweiten Teilbereich 32 längs der Achse e erstreckt, und eine an die Rohrwand 10 angrenzende Durchflussöffnung 32 von einer länglichen, hier halbmondähnlichen Form, die quer zu dem ersten Teilbereich 31 angeordnet ist. Die Form des zweiten Teilbereichs 32 kann auch beispielsweise linsenförmig sein.
Die Achse e (oder der Spalt 31) schliesst mit der Rohrachse c einen Winkel ϕ ein, der im Bereich zwischen rund 20 und 60°, vorzugsweise zwischen 35 und 45°, liegt. Der zweite Teilbereich 32 ist stromabwärts nach dem Spalt 31 angeordnet. Nach dem Engpass 3 folgt eine Mischstrecke 4.
In der Normalprojektion auf einen Rohrquerschnitt beträgt die offene Fläche des Engpasses 3 rund 50 - 70% der Rohrquerschnittsfläche, wobei dem Spalt rund 60 - 70% der offenen Fläche zugeordnet ist. Bei diesen Verhältnissen ist der Materialbedarf gering und die Strömung des zu mischenden Fluids erleidet lediglich kleine Druckverluste.
Die plattenförmigen Elemente 2 eines Engpasses 3 bilden eine Anordnung mit zwei Segmenten 21 und 22. Die Ränder dieser Segmente umfassen im wesentlichen jeweils folgende Teilstücke: ein Randstück a mit der Form eines elliptischen Bogens, das an die Rohrwand 10 angrenzt; ein gerades Randstück s, das eine Grenze zum Spalt 31 bildet; und ein Randstück b, das an den zweiten Teilbereich 32 des Engpasses 3 angrenzt. Zwischen der Rohrwand 10 und dem bogenförmigen Rand a kann sich eine kleine Lücke befinden, die an einzelnen Stellen durch Verbindungsmittel, beispielsweise Schweissmaterial, überbrückt sind. Der elliptische Rand kann beispielsweise durch gerade Stücke angenähert sein. Anstelle des geraden Randstücks s kann auch ein gekrümmtes vorliegen.
Relativ gute Mischwirkungen erhält man auch, wenn die Segmente 21 und 22 stark verkürzt sind und die offene Fläche des Engpasses 75% beträgt. Für solche Segmente 21, 22 ist die Mischwirkung weniger gut; dafür ist der Druckverlust geringer. Dies gilt generell: grössere offene Fläche bedeutet einen geringen Druckverlust und umgekehrt.
In der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 sind die beiden Segmente 21 und 22 durch einen schmalen Steg 23 miteinander verbunden, der auf der Grenze zwischen den zwei Teilbereichen 31 und 32 des Engpasses 3 liegt. Mit diesem Steg 23 ergibt sich eine hinsichtlich der Konstruktion günstige Stabilisierung, die es erlaubt, für die plattenförmigen Elemente 2 eine kleinere Plattendicke zu wählen, als wenn der Steg 23 nicht vorhanden wäre.
Das strömende Fluid ist in Fig.1 durch Pfeile 5, 5' angedeutet. Der Engpass 3 induziert in der Strömung zwei gegenläufige Wirbel, die in der Projektion auf eine Querschnittsfläche mit Pfeilen 6, 6' angedeutet sind.
Der Spalt 31 ist im wesentlichen trapezförmig (Eckpunkte A, B, B' und A'); er erweitert sich gegen den zweiten Teilbereich 32 des Engpasses 3 hin. Mit dieser Spaltform entsteht ein optimales Wirbelpaar 6, 6'. Damit sich zwei gleich starke Wirbel ergeben, ist der Engpass 3 spiegelsymmetrisch ausgebildet; die Symmetrieebene liegt auf der Rohrachse c.
Die einem Engpass 3 zugeordneten plattenförmigen Elemente 2 sind beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 in einer Ebene angeordnet. Sie lassen sich zusammen mit dem Verbindungssteg 23 aus einem Stück Blech fertigen. Fig.3 zeigt, wie diese Elemente 2 materialsparend aus einem Streifen Blech ausgeschnitten werden können.
Die plattenförmigen Elemente 2 können statt eben auch gekrümmt oder geknickt sein.
Im Mischrohr 1 sind mindestens zwei Engpässe 3 vorgesehen, wobei jeweils ein zu einem ersten Engpass 3 benachbarter, stromabwärts liegender Engpass 3' ausserhalb der Mischstrecke 4 in einem Abstand m von rund 3 bis 5 Rohrdurchmessern D angeordnet ist. Der einbautenfreie Raum zwischen benachbarten Engpässen 3, 3' weist somit ein Länge von rund 2 bis 4 Rohrdurchmesser D auf. Die Spalte 31 benachbarter Engpässe 3, 3' sind quer zueinander angeordnet.
Die Figuren 4 bis 8 stellen weitere Ausführungsformen möglicher Engpässe 3 dar. In Fig.4 sind die beiden Segmente 21 und 22, die gleich geformt sind, winkelig zueinander angeordnet. Die Form des Segments 21 bzw. 22 ist in Fig.5 zu sehen. Die Segmente 21 und 22 können selbstverständlich auch durch einen Steg 23 - beispielsweise wie gestrichelt dargestellt - verbunden sein.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Engpässe 3 für erfindungsgemässe Mischrohre 1, deren Querschnitte quadratisch oder rechteckig sind. Fig.6 zeigt zusätzlich, dass ein Steg 23 an einer anderen Stelle als an der Grenze zwischen den beiden Teilbereichen des Engpasses 3 angeordnet sein kann. Der Steg 23 kann beispielsweise ein Stab mit kreisförmigem Querschnitt sein.
Das fünfte Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 zeigt einen Engpass 3, der nur aus einem spaltförmigen Bereich 31 besteht. Der Bereich 31 kann trapezförmig sein (mit zwei gekrümmten Seiten AA', BB') und sich dabei in oder gegen die Strömungsrichtung erweitern.
Das erfindungsgemässe Mischrohr 1 kann das Mischen eines Fluids mit suspendiert enthaltenen Feststoffen verwendet werden. Besonders wenn die Feststoffe faserförmig sind, ist diese Verwendung vorteilhaft.

Claims (12)

  1. Mischrohr (1) für niedrigviskose Fluide, insbesondere für Fluide mit suspendiert enthaltenen Feststoffen, das Mischrohr mindestens ein Mischelement (2) enthält, welches aus zwei plattenförmigen Segmenten (21, 22) besteht, die gegebenenfalls durch mindestens einen schmalen Steg (23) verbunden sind, wobei durch die Segmente (21, 22) im Rohr (1) ein Engpaß (3) gebildet wird, der einen Spalt (31) zwischen den Segmenten umfaßt, mit einer Längserstreckung dieses Spalts (31), die von Rohrwand (10) zu Rohrwand durch die Rohrachse (c) oder von der Rohrwand durch die Rohrachse (c) zu einem zweiten, stromabwärts angeordneten Teilbereich (32) des Engpasses (3) verläuft, und der Spalt (31) mit der Rohrachse einen Winkel (ϕ) im Bereich zwischen 20° und 60° einschließt, wobei nach jedem Mischelement in Strömungsrichtung eine einbautenfreie Mischstrecke (4) angeordnet ist, die eine Länge im Bereich von 1 bis 10 Rohrdurchmessern (D) aufweist und in welcher ein durchströmendes Fluid zwei gegenläufige Wirbel ausbildet.
  2. Mischrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Engpass (3) zwei Teilbereiche umfasst, nämlich den Spalt (31), der durch die. Rohrachse (c) zu dem zweiten Teilbereich (32) verläuft, und den zweiten Teilbereich, der eine an die Rohrwand (10) angrenzende Durchflussöffnung von einer länglichen, beispielsweise halbmondähnlichen oder linsenartigen Form bildet, wobei diese Durchflussöffnung quer zu dem ersten Teilbereich angeordnet ist.
  3. Mischrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder dieser Segmente im wesentlichen jeweils folgende Teilstücke umfassen: ein Randstück (a), insbesondere in Form eines elliptischen Bogens, das dicht oder mit einem kleinen Abstand an die Rohrwand (10) angrenzt, ein Randstück (s), das eine Grenze zu dem Spalt (31) bildet, und ein Randstück (b), das an den zweiten Teilbereich (32) des Engpasses angrenzt.
  4. Mischrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder ein Steg auf der Grenze zwischen den zwei Teilbereichen (31, 32) des Enpasses (3) liegt.
  5. Mischrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (31) im wesentlichen trapezförmig ist und sich in Strömungsrichtung erweitert.
  6. Mischrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Engpass (3) spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Symmetrieebene auf der Rohrachse (c) liegt.
  7. Mischrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Engpass (3) zugeordneten plattenförmigen Segmente (21, 22) in einer Ebene angeordnet sind.
  8. Mischrohr nach den Ansprüchen 7 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Ebene angeordneten plattenförmigen Segmente (21, 22) zusammen mit dem Verbindungssteg (23) aus einem Stück Blech gefertigt sind.
  9. Mischrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Mischelemente (2) vorgesehen sind, wobei jeweils der benachbarte stromabwärts liegende Engpass (3') ausserhalb der Mischstrecke (4) in einem Abstand (m) von rund 3 bis 5 Rohrdurchmessern (D) angeordnet ist oder der einbautenfreie Raum zwischen benachbarten Engpässen ein Länge von rund 2 bis 4 Rohrdurchmesser aufweist.
  10. Mischrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (31) benachbarter Mischelemente (2) quer zueinander angeordnet sind.
  11. Mischrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Normalprojektion auf einen Rohrquerschnitt die offene Fläche des Engpasses (3) rund 50 - 75% der Rohrquerschnittsfläche beträgt.
  12. Verwendung eines Mischrohrs (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11 für das Mischen eines Fluids mit suspendiert enthaltenen Feststoffen, wobei insbesondere die Feststoffe faserförmig sind.
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