EP0815929A1

EP0815929A1 - Statischer Mischer

Info

Publication number: EP0815929A1
Application number: EP96810441A
Authority: EP
Inventors: Markus Fleischli; Rolf Heusser; Felix Streiff
Original assignee: Sulzer Chemtech AG
Current assignee: Sulzer Chemtech AG
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1998-01-07
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: US5851067A; ES2151650T3; EP0815929B1; DE59605822D1; JPH1057791A; ATE195889T1; JP4031556B2

Abstract

Der statische Mischer enthält ein Bündel von gekammerten Strängen (A, B, ...), die zumindest zu einem Teil mischwirksame Kammern (A1, A2, ...) umfassen. Das Bündel ist in einem Rohr (10) angeordnet. Die mischwirksamen Kammern erstrecken sich in Richtung (5) des Rohrs jeweils zwischen zwei geschlossenen Enden (e1, e2). Zwei zueinander benachbarte Seitenwände der mischwirksamen Kammer (C2) enthalten vier wechselständig angeordnete Durchgänge (a1, b1, a2, b2), welche Verbindungen zu zwei stromaufwärts (A1, B1) beziehungsweise zu zwei stromabwärts liegenden Kammern (A2, B2) herstellen. Zwischen mindestens zwei Abschnitten des Mischers, die mischwirksame Kammer enthalten, sind Umlagerungskammern (S1, S1', S2, S2') angeordnet, die jeweils zwei geschlossene Enden und drei seitliche Durchgänge zu benachbarten Kammern aufweisen. Die Umlagerungskammern treten paarweise verbunden auf, wobei über jeweils einen der Durchgänge eine direkte oder indirekte Verbindung gegeben ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer mit einem Bündel von gekammerten Strängen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

In der europäischen Anmeldung Nr. 95810418.4 (= P.6689) ist ein gattungsgemässer Mischer beschrieben. Er funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die bekannten Multiflux- und ISG-Mischer; für seine Herstellung wird aber wesentlich weniger Material benötigt. Ein derartiger Mischer, der mit Vorteil zur Behandlung von hochviskosen Medien verwendet wird, besteht aus einem Rohr und einer Vielzahl von in diesem Rohr angeordneten Mischelementen. Jedes der Mischelemente umfasst zwei axiale Abschnitte, wobei jedem Abschnitt mindestens ein den Abschnitt unterteilender Trennsteg zugeordnet ist. Die Trennstege der beiden Abschnitte kreuzen sich und unterteilen den Rohrquerschnitt in Teilflächen, die im wesentlichen gleich gross sind. Bei der Grenze zwischen den Abschnitten sind offene sowie durch Umlenkscheiben abgedeckte Teilfächen vorgesehen und zwar so, dass auf beiden Seiten jedes Trennstegs genau eine offene Teilfläche angeordnet ist. Bezüglich aufeinander folgender Mischelemente bestehen die Beziehungen, dass einerseits benachbarte Trennstege sich kreuzen und andererseits die offenen Teilflächen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Die in der genannten Anmeldung (P.6689) beschriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen auch der alternativen Definition des Oberbegriffs von Anspruch 1. Dabei ist jeweils eine mischaktive Kammer gemäss alternativer Definition einer offenen Teilfläche zuzuordnen. Die zwei geschlossenen Kammerenden und die benachbarten Seitenwände, die Durchgänge zu weiteren Kammern enthalten, werden durch die Umlenkscheiben beziehungsweise durch die Trennstege gebildet.

Die durch die beiden Definitionen gegebenen Mengen von statischen Mischern sind nicht identisch. Es gibt aber Teilmengen dieser Mengen, für deren Mischer beide Definitionen gelten. Die genannten Ausführungsbeispiele sind Elemente der Teilmengen.

Multiflux-Mischer enthalten eine lineare Anordnung von Mischelementen, die jeweils zwei Kanäle aufweisen. Jeder dieser Kanäle verengt sich kontinuierlich in Strömungsrichtung bis zur Mitte des Mischelements (Konfusor); hinter der engsten Stelle erweitert er sich wieder kontinuierlich (Diffusor) und zwar in einer um 90° gedrehten Ebene. Ein durch das Mischelement fliessendes Medium erfährt eine Umformung, durch die sich die Anzahl von Teilschichten verdoppelt. Diese Umformung setzt sich zusammen aus einem "Schneiden" des Mediums am Eintritt in das Mischelement in zwei Teilströme, einem "Stauchen" (im Konfusor), einem "Ausbreiten" (im Diffusor) sowie einem Zusammenführen der Teilströme. Im Idealfall erfolgt das "Schneiden" jeweils so, dass ein Strom mit einer gleichmässigen Schichtung senkrecht zu den Schichten geschnitten wird, so dass nach der Umformung weiterhin eine gleichmässige Schichtung - mit verdoppelter Anzahl Teilschichten - vorliegt.

In den mischaktiven Kammern der gattungsgemässen Mischern erfolgt eine entsprechende Umformung der zu behandelnden Medien, allerdings ohne dass dabei Konfusoren und Diffusoren für diese Umformung nötig sind.

Bei der Mischung zweier Medien, die verschiedene Werte der Viskosität aufweisen, beobachtet man Abweichungen von dem idealen Mischmechanismus: Nach Durchlauf mehrerer Mischelemente sind Teilschichten, die am Rand der Schichtung liegen, wesentlich dicker als die übrigen Teilschichten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den gattungsgemässen Mischer derart zu ändern, dass Abweichungen von der idealen Mischwirkung zumindest teilweise beseitigt werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Mischer "Umlagerungskammern" vorgesehen sind, durch die erreicht wird, dass randständige Teilschichten in das Innere der Schichtung umgelagert werden. Anspruch 1 definiert einen derartigen Mischer mit Umlagerungszellen. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 11 beziehen sich auf verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Mischers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Abschnitt einer Mischerstruktur, die nur mischwirksame Kammern aufweist,
Fig. 2: den geometrische Aufbau der Mischerstruktur gemäss Fig.1,
Fig. 2a: einen Querschnitt durch die Struktur der Fig.2,
Fig. 3: eine erste Modifikation der in Fig.1 gezeigten Mischerstruktur,
Fig. 4: eine zweite Modifikation,
Fig. 5: eine erste erfindungsgemässe Mischerstruktur mit Umlagerungskammern,
Fig. 6: eine zweite erfindungsgemässe Mischerstruktur mit Umlagerungskammern,
Fig. 7: eine Abwicklung der an der Peripherie gelegenen Kanten der Mischerstruktur gemäss Fig.1 in die Ebene,
Fig. 8: eine entsprechende Abwicklung für eine Mischerstruktur gemäss Fig.5,
Fig. 9: eine Abwicklung für eine Mischerstruktur gemäss Fig.6,
Fig. 10: eine Mischerstruktur mit einem zusätzlichen vorteilhaften Strukturelement,
Fig. 11: eine erste seitlich verstärkte Mischerstruktur,
Fig. 12: eine zweite Mischerstruktur mit seitlicher Verstärkung,
Fig. 13: eine schematische Darstellung zu einer Mischerstruktur mit einem Bündel von vier gekammerten Strängen,
Fig. 14: eine schematische Darstellung zu einer Mischerstruktur mit neun gekammerten Strängen und
Fig. 15: eine schematische Darstellung zu einer Mischerstruktur mit sechzehn gekammerten Strängen.

Der in Fig.1 dargestellte statische Mischer besteht aus einer Mischerstruktur 1, die in einem Rohr 10 angeordnet ist. Die Mischerstruktur 1 setzt sich aus Mischelementen 1' zusammen, die jeweils aus zwei Trennstegen 2, 2' und zwei Umlenkscheiben 3, 3' bestehen. In der Ebene der Umlenkscheiben 3, 3' befinden sich zwei offene Teilflächen 4, 4' (äussere Grenzen 4a, 4a'), die auch als Durchgangslöcher bezeichnet worden sind (siehe P.6689).

Der geometrische Aufbau der Mischerstruktur 1 - siehe Figuren 2 und 2a - lässt sich als ein in Richtung der z-Achse orientiertes Bündel von gekammerten Strängen A, B, C und D beschreiben. Die Bezeichnungen für die Kammern sind A1, A2, ... B1, B2, ... C1, C2, ... und D1, D2, ... Diese Kammern sind "mischwirksam"; sie erstrecken sich in Richtung des Rohrs 10 jeweils zwischen zwei geschlossenen Enden e1, e2, und zwei zueinander benachbarte Seitenwände der mischwirksamen Kammer enthalten vier wechselständig angeordnete Durchgänge a1, b1, a2 und b2 (mit jeweils einem Kreuz gekennzeichnete Flächen in Fig.2). Die Kammer C2 ist über die Durchgänge a1 und b1 mit den zwei stromaufwärts liegenden Kammern A1, B1 sowie über die Durchgänge a2 und b2 mit den zwei stromabwärts liegenden Kammern A2, B2 verbunden. Im Mischer der Fig.1 sind alle Kammern mischwirksam. Im allgemeinen kann jedoch eine mischwirksame Kammer auch mit anderen Kammern (Umlagerungs- oder Zwischenkammern, siehe weiter unten) verbunden sein.

Die Stränge A und B - als Querschnitte in Fig.2a zu sehen - haben den gleichen Aufbau; durch eine 180°-Drehung um die z-Achse (oder Mittellinie 5) kann der Strang A mit dem Strang B zur Deckung gebracht werden. Die gleiche Beziehung besteht zwischen den Strängen C und D. Die Stränge des einen Paares A, B sind jeweils mit dem anderen Strangpaar C, D über die Kammerdurchgänge a1, ... verbunden. Die beiden Strangpaare unterscheiden sich dadurch, dass die Kammern des einen gegenüber jenen des anderen in z-Richtung um eine halbe Kammerlänge versetzt angeordnet sind.

Durch Pfeile 6a, 6b, 7a und 7b in Fig.1 ist angedeutet, wie das zu mischende Medium in der Kammer C2 umgeformt wird. Zwei Medienströme treten aus den Strängen A und B durch die Eintrittsdurchgänge a1 (Pfeile 6a, 6b) und a2 (Pfeile 7a, 7b) in die Kammer C2 und damit in den Strang C ein, vereinigen sich dort und beeinflussen sich dabei gleichzeitig in ihrer Bewegung durch die Kammer C2. An der Kante 20 bei dem Austrittsdurchgang a2 erfolgt eine Abtrennung eines ersten Teilstroms (Pfeile 6a, 7a), der in den Strang A übertritt. Der verbleibende Teilstrom (Pfeile 6b, 7b) gelangt über den Austrittsdurchgang b2 in den Strang B. Im Idealfall gibt es eine gleichmässige Umverteilung, wie sie durch die Pfeile angedeutet ist, wobei jedem Pfeil eine gleich grosse Menge an transportiertem Mischgut entspricht.

Die Kammern der Mischerstruktur 1 sind im wesentlichen quaderförmig und die Durchgänge rechteckig. Die Wände sind plattenförmig ausgebildet. Die Wände müssen aber nicht konstante Wandstärken aufweisen. Sie können beispielsweise keilförmig ausgebildet sein, wie dies in Fig.3 illustriert ist.

Damit der im Mischgut durch die Mischerstruktur erzeugte Druckabfall kleiner ist als bei der Mischerstruktur der Fig.1, können für die Wände auch gebogene Formen vorgesehen werden, wie dies in Fig.4 dargestellt ist.

Zusätzlich zu den mischwirksamen Kammern enthält die Mischerstruktur 1 erfindungsgemäss "Umlagerungskammern" S1, S2 - siehe Fig.5 - und S1', S2' (in Fig.5 nicht sichtbar). Die Kammer S1 hat zwei Eintrittsdurchgänge a1 und b1 sowie einen Austrittsdurchgang t1. Der Durchgang t1 bildet die Verbindung zu einer Zwischenkammer T (oder Transferkammer), die nur einen Eintritt, nämlich den Durchgang t1, und einen Austritt t2 (nicht sichtbar) aufweist. Diametral zu T angeordnet ist eine entsprechende Zwischenkammer T' mit einem Zutritt t1' und einem Austritt t2'. Die Zwischenkammern T und T' führen weiter zu Umlagerungskammern S2' (nicht sichtbar) beziehungsweise S2, die jeweils einen Eintrittsdurchgang und zwei Austrittsdurchgänge enthalten. Für S2 sind diese Durchgänge die mit t2' beziehungsweise a2 und b2 bezeichneten Durchgänge. Die Kammern S1 und S2' beziehungsweise S1' und S2 bilden jeweils ein durch eine Transferkammer T, T' verbundenes Paar. In diesen Kammerpaaren findet eine Umlagerung der Schichtung statt, die zu der erfindungsgemässen Verbesserung der Mischgüte führt. In der zweiten Umlagerungskammer S2, S2' findet gleichzeitig ein weiterer Mischschritt statt.

Fig.6 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Mischerstruktur, bei der paarweise vorliegende Umlagerungskammern S1, S2' und S1', S2 unmittelbar benachbart sind.

Anhand der Schrägbilder der Figuren 1, 5 und 6 ist die Vernetzung der einzelnen Kammern nur schwer oder gar nicht in ihrer Gesamtheit ersichtlich. Diese Vernetzung lässt sich gut erkennbar machen, in dem man die Mischerstrukturen 1 über deren Umfang in die Ebene abwickelt. Solche Abwicklungen sind in den Figuren 7 bis 9 dargestellt. Die beiden seitlichen Ränder, die parallel zur z-Achse verlaufen, werden jeweils durch den Strang B mit den Kammern B1, B2, B3, ... in Fig.7, B1, T', B2, ... in Fig.8 und B1, S1', B2 ... in Fig.9 gebildet.

Die mäanderartigen Linien in den Figuren 7 bis 9 stellen die äusseren Wandkanten der Mischerstrukturen 1 dar. Die äusseren Ecken der Umlenkscheiben 3, 3' (Fig.1) sind nicht markiert; sie liegen jeweils in der Mitte der horizontalen Strecken der mäanderartigen Linien. Durch Pfeile ist der Fluss des Mischgutes angedeutet: schräg stehende Pfeile bei den Eintrittsstellen der Kammern, horizontale bei den Austrittsstellen. In Fig.7 (vgl. Fig.1) sind alle Kammern äquivalent; es sind mischwirksame Kammern. In Fig.8 sind besonders die Kammeranordnungen S1 - T - S2' und S1' - T' - S2 zu beachten (vgl. Fig.5). In Fig.9 sind besonders die Kammeranordnungen S1 - S2' und S1' - S2 zu beachten (vgl. Fig.6).

Fig.10 zeigt ein weiteres Mittel, mit dem ein Beitrag zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe geleistet werden kann. Es handelt sich um folgendes: die meisten der Durchgänge zwischen benachbarten mischaktiven Kammern sind seitlich durch das Rohr 10 begrenzt; zur Strömungslenkung sind einzelne der Durchgänge jeweils durch eine bei dem Rohr 10 angeordneten Rippe 11 begrenzt. Durch diese Rippe 11 wird Mischgut, das entlang der Rohrwand fliesst, in das Innere des Rohrs 10 umgelenkt. Dadurch verbessert sich die Mischgüte.

Da mit dem erfindungsgemässen Mischer in der Regel hochviskose Medien behandelt werden, entstehen grosse Druckgradienten in Richtung der z-Achse entlang der Mischerstruktur 1. Diese Druckgradienten verringern sich, wenn die Wandstärken verkleinert werden. Bei dünnen Wänden der Mischerstruktur 1 besteht allerdings die Gefahr, dass die Struktur zerdrückt wird. Mit geeigneten Verstärkungsmitteln lässt sich die Mischerstruktur 1 in eine stabilere Form bringen. Die Figuren 11 und 12 zeigen Verstärkungen durch Streifen 12 und 13, die an der Peripherie der Mischerstruktur 1 in z-Richtung angeordnet sind. Solche Verstärkungen lassen sich natürlich auch für Mischerstrukturen vorsehen, die keine erfindungsgemässen Umlagerungskammern enthalten.

Die Figuren 1 bis 12 beziehen sich auf Mischer, deren mischwirksamen Kammern in vier Strängen angeordnet sind. Ein derartiger Mischer entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, das in der eingangs genannten Anmeldung (P.6689) beschrieben worden ist; er ist in der dort gewählten schematischen Darstellungsform nochmals in Fig.13 gezeigt. Die beiden anderen Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 14 und 15 dargestellt.

In Fig.13 stellen die zwei oberen Ebenen die Grenzen zwischen benachbarten axialen Abschnitten dar, welche die Mischelemente aufweisen. Dabei liegen jeweils zwei offene sowie zwei durch Umlenkscheiben 3, 3' abgedeckte Teilfächen vor; und die offenen Teilflächen 4, 4' sind gegeneinander versetzt angeordnet. Die untere Ebene gibt die Bezeichnungen A, B, C und D der vier gekammerten Stränge an. Entsprechendes gilt für die Mischer der Figuren 14 und 15.

Mischer gemäss Fig.14 enthalten Bündel mit neun in Richtung des Rohrs angeordneten Strängen, wobei sechs dieser Stränge, nämlich A, C, B, D, B' und C', mischwirksame Kammern umfassen und die restlichen drei Stränge, die nicht bezeichnet sind, Zwischenkammern enthalten, die indirekte Verbindungen zwischen mischwirksamen Kammern herstellen. Die in den Ecksträngen angeordneten Zwischenkammern haben - wie die oben genannten Transferkammern T und T' - jeweils zwei Durchgänge zu benachbarten Kammern. Die Zwischenkammern des zentralen Strangs enthalten jeweils vier solche Durchgänge, die ringförmig angeordnet sind.

Mischer gemäss Fig.15 enthalten Bündel mit sechzehn in Richtung des Rohrs angeordneten Strängen, wobei acht dieser Stränge, nämlich A, C, B, D, A', B', C' und D', mischwirksame Kammern umfassen und die restlichen acht Stränge Zwischenkammern enthalten, die indirekte Verbindungen zwischen mischwirksamen Kammern herstellen. Die Zwischenkammern weisen wieder wie beim Beispiel der Fig.14 jeweils zwei oder vier Durchgänge zu benachbarten Kammern auf.

Claims

Statischer Mischer mit einem Bündel von gekammerten Strängen (A, B, ...), die zumindest zu einem Teil mischwirksame Kammern (A1, A2, ...) umfassen, wobei das Bündel in einem Rohr angeordnet ist, die mischwirksamen Kammern sich in Richtung (5) des Rohrs jeweils zwischen zwei geschlossenen Enden (e1, e2) erstrecken und zwei zueinander benachbarte Seitenwände der mischwirksamen Kammer (C2) vier wechselständig angeordnete Durchgänge (a1, b1, a2, b2) enthalten, welche Verbindungen zu zwei stromaufwärts (A1, B1) beziehungsweise zu zwei stromabwärts liegenden Kammern (A2, B2) herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Abschnitten des Mischers, die mischwirksame Kammer enthalten, Kammern angeordnet sind, nämlich Umlagerungskammern (S1, S1', S2, S2'), die zwei geschlossene Enden und drei seitliche Durchgänge zu benachbarten Kammern aufweisen.
Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlagerungskammern (S1, S1', S2, S2') paarweise verbunden auftreten und über jeweils einen der Durchgänge eine direkte oder indirekte Verbindung zwischen ihnen gegeben ist.
Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarverbindungen zumindest einzelner Umlagerungskammern indirekt über eine Zwischenkammer (T) gegeben ist, welche zwei geschlossene Enden und zwei seitliche Durchgänge aufweist.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel vier gekammerte Stränge (A, B, C, D) aufweist, alle mischwirksamen Kammern (A1, ...) im wesentlichen gleich ausgebildet sind und benachbarte, über Kammerdurchgänge verbundene Stränge Kammern enthalten, die jeweils in Richtung des Rohrs um eine halbe Kammerlänge gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel neun gekammerte Stränge (A, B, B', C, C', D, ...) aufweist, sechs dieser Stränge mischwirksame Kammern umfassen und die restlichen drei Stränge Zwischenkammern enthalten, die indirekte Verbindungen zwischen mischwirksamen Kammern herstellen.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel sechzehn gekammerte Stränge (A, A', B, B', C, C', D, D', ...) aufweist, acht dieser Stränge mischwirksame Kammern umfassen und die restlichen acht Stränge Zwischenkammern enthalten, die indirekte Verbindungen zwischen mischwirksamen Kammern herstellen.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die meisten der Durchgänge (a1, ...) zwischen benachbarten mischaktiven Kammern (A1, ...) seitlich durch das Rohr (10) begrenzt sind und dass zur Strömungslenkung einzelne der Durchgänge jeweils durch eine bei dem Rohr angeordnete Rippe (11) begrenzt sind.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (A1, ...) im wesentlichen quaderförmig und die Durchgänge (a1, ...) im wesentlichen rechteckig sind.
Mischer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände zwischen benachbarten Kammern (A1, ...) relativ dünn sind, so dass - in Bezug auf Mittelwerte - das Quadrat der Wandstärke wesentlich kleiner als die offene Fläche der Durchgänge (a1, ...) ist.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel der gekammerten Stränge (A, ...) durch Streifen (13) verstärkt sind, die an der Peripherie des Bündels in Richtung des Rohrs (10) angeordnet sind.
Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel der gekammerten Stränge (A, ...) in Form einer monolithischen, insbesondere durch Spritzguss hergestellten Struktur vorliegt.