EP1493485A1 - Statischer Mischer - Google Patents

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EP1493485A1
EP1493485A1 EP04405218A EP04405218A EP1493485A1 EP 1493485 A1 EP1493485 A1 EP 1493485A1 EP 04405218 A EP04405218 A EP 04405218A EP 04405218 A EP04405218 A EP 04405218A EP 1493485 A1 EP1493485 A1 EP 1493485A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow
obstacles
order
mixing
static mixer
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EP04405218A
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English (en)
French (fr)
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EP1493485B1 (de
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Peter Mathys
Robert Schaetti
Zdravko Mandic
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Sulzer Chemtech AG
Original Assignee
Sulzer Chemtech AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer Chemtech AG filed Critical Sulzer Chemtech AG
Priority to EP04405218A priority Critical patent/EP1493485B1/de
Publication of EP1493485A1 publication Critical patent/EP1493485A1/de
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Publication of EP1493485B1 publication Critical patent/EP1493485B1/de
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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
    • 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
    • B01F25/4315—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being deformed flat pieces of material
    • 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
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/314—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit
    • B01F25/3141—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit with additional mixing means other than injector mixers
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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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
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4322—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa essentially composed of stacks of sheets, e.g. corrugated sheets

Definitions

  • the invention relates to a static mixer according to the preamble of Claim 1 and a method for mixing with the inventive static mixer.
  • Installation length length in one
  • Piping which must be provided for the internals
  • mixing distance distance from the dosing point of a Additivs to the point in the pipeline, where the required mixing quality is reached.
  • a mixture of a static mixer is a measure of understood homogenization, referring to the radial Concentration distribution refers: the smaller inhomogeneities of these radial Distribution, the better the mixing quality.
  • concentration gradients given inhomogeneities can same size as the inhomogeneities regarding the radial concentration distributions. This could be done with a measuring method be determined, in which the mixing quality with a high frequency (20 Measurements per second) was detected.
  • axial inhomogeneities or temporal variations of be of considerable importance: For example, in a fast chemical Reaction between the components to be mixed, or at a Control of the flow rate of an additive with respect to the pipe measured concentrations.
  • the object of the invention is to provide a static mixer, the at Use of a single mixing element or a minimum number of Structural elements of the internals the disadvantages in terms of axial Inhomogeneities does not have and so - despite low installation costs - a ensures high quality of the mixture. This task is done by the im Claim 1 defined static mixer solved.
  • the static mixer for a low-viscosity fluid contains mixed effective Built-in in a pipe or a fluid conducting container are arranged.
  • the geometry of the internals is largely that of one Basic structure.
  • the internals comprise structural elements in the form of flat, folded or curved sheet-like flow obstacles as well as intermediate bottlenecks.
  • By internals in the form of The basic structure is a flow of the first order achievable, which in downstream mixing areas the pipe contents globally mixing flow is. Leave the structural elements of the basic structure describe themselves as segments, webs, plates and / or wings.
  • the Structural elements - hereinafter referred to as "primary flow obstacles" - are geometrically modified on surfaces and / or on edges.
  • a mixer 1 according to the invention which has a special configuration, is partially shown in FIG. 1.
  • This static mixer 1, with a low viscosity fluid 20 is homogenizable consists of a section a pipe 3 and mixing internals 10, which are arranged in the tube 3 are. Only one annular part 30 of the tube 3 is shown. This part 30 is mounted on a flange transition of the pipe 3, not shown.
  • the Mixable internals 10 of this embodiment can also in a pipe 3 may be arranged at a location that does not serve as a flange transition is trained.
  • the geometry of the internals 10 is largely that of a basic structure, the Structural elements 11, 11 'and 12 in the form of segment or wing-like Has flow obstacles. Through between the structural elements lying bottlenecks flows the fluid 20, the flow through arrows 21st is indicated.
  • the structural elements of the basic structure, posing as Segments, webs, plates and / or wings can be described hereinafter referred to as "primary flow obstacles”.
  • This primary Flow obstacles 11, 11 'and 12 are geometric at the edges modified, namely by secondary flow obstacles 11a, 11a 'and 12a, which are lamellar in the embodiment of FIG.
  • the secondary flow obstacles 11 a, 11 a 'and 12 a increase the Pressure loss.
  • the pressure loss increase is smaller, however, than if instead additional primary flow obstacles according to the obstacles 11, 11 'and 12 - ie additional mixing elements - would be used. Such would be necessary if the secondary flow obstacles 11 a, 11 a ' and 12a would be waived.
  • the primary Flow obstacles 11, 11 ', 12 are therefore on surfaces and / or on Rims through the secondary flow obstacles 11 a, 11 a and 12 a geometrically modified so that by these modifications local Second order flows are inducible, which are the first flow Overlay order and thus improve the quality of mixing.
  • the mixing quality improves in that radial and axial inhomogeneities in the fluid better than being balanced by the flow of first order, without that at the same time an increase of the pressure drop by more than 100% results.
  • the secondary flow obstacles 11 a, 11 a and 12 a are on Edge portions of the primary flow obstacles 11, 11 'and 12 are arranged. They thus form modifications of the primary flow obstacles 11, 11 ' as well as 12 and locally intensify the turbulence and / or induce Backflows of the fluid 20, whereby the mixing is improved.
  • the secondary flow obstacles 11a, 11'a and 12a lamellar or rib-shaped and transverse to the local flow direction the flow of first order at or on the primary Flow obstacles arranged.
  • the pipe cross section is through a Normal projection of the primary flow obstacles 11, 11 'and 12 in Main flow direction largely completely covered.
  • the pipe cross section is through the Normal projections of the individual flow obstacles 11, 11 'and 12 not covered several times; or the projection is only marginal Overlap zones on.
  • the tube 3 is cylindrical and the Primary flow obstacles 11, 11 'and 12 form one mirror - symmetric arrangement, with a symmetry plane in which the Pipe axis is.
  • the pair 11, 11 'of segmental, largely in one common structure elements form a bottleneck, within the wing or web-shaped structural element 12, the plane of the two other structural elements 11, 11 'is arranged crossing.
  • the basic structure is a Cross-channel structure, in which a plurality of zigzag folded Sheets 13, 14 (and dash-dotted line indicated plates 13 ', 14') the form primary flow obstacles.
  • Ribs 13a and / or wire-like Elevations 13b are on the metal surfaces of the cross channel structure arranged. Of these secondary flow obstacles 13a, 13b only one example shown.
  • the ribs 13a are advantageous sharp-edged and serve as demolition edges on the overflowed Fold edges.
  • Fig. 3 shows internals 10 of an inventive mixer 1 with two segmental structural elements 15.
  • the secondary flow obstacles 15a of the structural elements 15 are lamellar.
  • the inside of the tube 3 is indicated by the dotted lines 31.
  • a cross section through the Structural elements 15 is shown in FIG. 4.
  • the arrows 21 indicate that How back flows form behind the structural elements 15.
  • Fig. 5 shows a built-in with two vanes 15 as structural elements. at one of the vanes 15 are secondary flow obstacles 15a shown.
  • Fig. 6 are secondary flow obstacles 16a in four fields shown in the first as a perspective view and in the other Partial images only as cross-sectional profiles. These obstacles 16a are ribbed and on an overflowed surface of a primary Flow obstruction 16 is arranged.
  • FIGS. 7 and 8 show secondary flow obstacles 17a and 18a, respectively; the linear elements form: one with toothed edge and one with separate teeth 19. Examples of other forms of the teeth 19 are in three Sub-images of Fig. 9 shown.
  • the linear element 17a may instead of a toothed edge also have a wavy edge. Such geometric modification at the edge of the primary flow obstacle gives an extension of the edge, which advantageously a reinforced Training turbulence entails.
  • FIG. 10 shows milled secondary flow obstacles (three partial images) which are shown in FIG Form of linear elements on one edge of the primary Flow obstruction are arranged.
  • Fig. 11 shows secondary flow obstacles, each at the primary Flow obstacle produced by forming its edges: slightly bent (first part), strongly bent (second part) and bent twice (third partial image), as indicated by arrows. Similar forms of flow obstacles may also be due Welding of metal strips to the primary flow obstacles will be realized.
  • the embodiment of FIG. 1 contains a feed point in the pipe section 30 100 for additives.
  • the feed 100 opens with advantage in a zone of Mixed areas, in which the influence of the flow through the geometric modifications is particularly strong. It can also, a plurality of feed 100 may be provided. Is more advantageous but a single feed 100, so with respect to the fixtures 10th can be optimally arranged. Experience has shown that one Multiple Feed Points 100 for a single additive with problems is connected, which are omitted at a single feed 100.
  • the mixer 1 according to the invention is used to carry out a Used mixing method in which the fluid to be mixed 50 in a Preferred direction is transported by the mixer 1. Regarding this Preferred direction is a better mixing quality than in the reverse Achieved direction.
  • the mixing quality improves when the Flow on the inlet side is turbulent. It can therefore also for the inventive mixing method be advantageous if the fluid 20, before it is passed into the mixing internals 10, in one hydrodynamic state is brought in which it is turbulent Having flow components or increased turbulence.

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Abstract

Der statische Mischer (1) für ein niedrigviskoses Fluid (20) enthält mischwirksame Einbauten (10), die in einem Rohr (3) oder einem das Fluid leitenden Behälter angeordnet sind. Die Geometrie der Einbauten ist weitgehend jene einer Grundstruktur. Die Einbauten umfassen Strukturelemente (11, 11', 12) in Form von flachen, gefalteten oder gekrümmten blechartigen Strömungshindernissen sowie dazwischen liegende Engpässe. Durch Einbauten in Form der Grundstruktur ist eine Strömung erster Ordnung erzielbar, welche in stromabwärts liegenden Mischbereichen eine den Rohrinhalt global durchmischende Strömung ist. Die Strukturelemente der Grundstruktur lassen sich als Segmente, Stege, Platten und/oder Flügel beschreiben Die Strukturelemente - nachfolgend "primäre Strömungshindernisse" (11, 11', 12) genannt - sind auf Oberflächen und/oder an Rändern geometrisch modifiziert. Durch diese Modifikationen sind lokale Strömungen zweiter Ordnung induzierbar, die sich der Strömung erster Ordnung überlagern und so die Mischgüte verbessern. Es werden nämlich radiale und axiale Inhomogenitäten im Fluid besser als durch die Strömung erster Ordnung ausgeglichen. Sekundäre Strömungshindernisse (11a, 11a', 12a) bilden die Modifikationen, durch welche die Turbulenz lokal intensiviert wird und/oder Rückströmungen induziert werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Mischen mit dem erfindungsgemässen statischen Mischer.
Die Entwicklung von statischen Mischern hat zu einer sehr grossen Mannigfaltigkeit von solchen Mischeinrichtungen geführt. Zu einer Mischaufgabe, gemäss der eine bestimmte Mischgüte bei einem vorgegebenen, maximal zulässigen Druckverlust zu erreichen ist, lassen sich sehr viele Lösungen realisieren. Diese Lösungen unterscheiden sich aber ganz erheblich im konstruktiven Aufwand, der Auswirkungen auf die Herstellkosten und auch die Kosten für die Installation des Mischers in einer Anlage hat. Mischeinrichtungen, welche die genannte Mischaufgabe mit einfachen Einbauten und zugleich mit einer minimalen Anzahl an Strukturelementen der Einbauten lösen, werden bevorzugt. Solche Mischeinrichtungen, die sich voraussichtlich immer mehr durchsetzen werden, weisen eine kurze Einbaulänge auf (Einbaulänge = Länge in einer Rohrleitung, die für die Einbauten vorgesehen sein muss); und sie erfordern ausserdem eine kurze Mischstrecke (= Distanz von der Eindosierstelle eines Additivs bis zu der Stelle in der Rohrleitung, wo die erforderliche Mischgüte erreicht ist).
Für das Mischen eines Fluids im turbulenten Strömungsbereich werden Lösungen angeboten, bei denen die Rohrleitung eine Struktur enthält, die aus nur einem einzigen, kurzen Mischelement, d.h. einer minimalen Anzahl an Strukturelementen der Einbauten, besteht (siehe z.B. US-A- 5 839 828). Eine solche Lösung ist, soweit sie die Einbaulänge der Struktur betrifft, optimal. Es hat sich aber gezeigt, dass diese bekannten, jeweils nur ein Mischelement umfassende Strukturen wegen erheblichen Mängeln verbessert werden müssen.
Es gibt Strukturen, bei welchen die kurze Einbaulänge mit einem grossen Druckverlust und/oder mit einer langen Mischstrecke verbunden ist. Ein weiteres, überraschend festgestelltes Problem ist das Folgende: Die Einbauten bekannter statischer Mischer sind Strömungshindernisse, die vom Fluid umströmt werden und durch die das Fluid in Wirbelbewegungen versetzt wird. Hinter jedem Hindernis lösen sich Wirbel mit einer bestimmten Frequenz ab. Ein ähnliches Phänomen kann bei einem umströmten Zylinder in Form der "Karmanschen Wirbelstrasse" beobachtet werden. Bei statischen Mischern bilden die Wirbelbewegungen in der Regel einen wesentlich komplizierteren Vorgang. Mit der "Karmanschen Wirbelstrasse" gemeinsam ist aber die Periodizität des Vorgangs. Die Wirbelballen, die sich an den Hindernissen periodisch ablösen, werden von der Strömung in axialen, gleich bleibenden Abständen mitgetragen. Ein dem Mischer zugegebenes Additiv wird von den sich ablösenden Wirbeln erfasst und mit diesen im Rohr fortgetragen. Es entstehen Inhomogenitäten in Form von axialen Konzentrationsunterschieden, die im Rohr an festen Beobachtungsstellen als zeitliche Schwankungen erscheinen. Dieses zeitliche Phänomen ist im Mischer, der in dem oben genannten US-A- 5 839 828 beschrieben ist, deutlich feststellbar. Auch bei einem Mischer, der aus der EP-A- 1 153 650 (= P.7032) bekannt ist, erscheinen entsprechende Inhomogenitäten.
Üblicherweise wird unter Mischgüte eines statischen Mischers ein Mass für die Homogenisierung verstanden, das sich auf die radiale Konzentrationsverteilung bezieht: Je kleiner Inhomogenitäten dieser radialen Verteilung sind, desto besser ist die Mischgüte. Die durch die axialen Konzentrationsgradienten gegebenen Inhomogenitäten können aber die gleiche Grössenordnung haben wie die Inhomogenitäten bezüglich den radialen Konzentrationsverteilungen. Dies konnte mit einem Messverfahren festgestellt werden, bei dem die Mischgüte mit einer hohen Frequenz (20 Messungen pro Sekunde) erfasst wurde. In einigen Anwendungsfällen können diese axialen Inhomogenitäten oder zeitlichen Schwankungen von erheblicher Bedeutung sein: Beispielsweise bei einer schnellen chemischen Reaktion zwischen den zu mischenden Komponenten, oder bei einer Regelung der Fördermenge eines Additivs, die bezüglich im Rohr gemessenen Konzentrationen vorgenommen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen statischen Mischer zu schaffen, der bei Einsatz eines einzigen Mischelements oder bei einer minimalen Anzahl von Strukturelementen der Einbauten die Nachteile hinsichtlich axialen Inhomogenitäten nicht aufweist und so - trotz geringen Einbaukosten - eine hohe Qualität der Mischung sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten statischen Mischer gelöst.
Der statische Mischer für ein niedrigviskoses Fluid enthält mischwirksame Einbauten, die in einem Rohr oder einem das Fluid leitenden Behälter angeordnet sind. Die Geometrie der Einbauten ist weitgehend jene einer Grundstruktur. Die Einbauten umfassen Strukturelemente in Form von flachen, gefalteten oder gekrümmten blechartigen Strömungshindernissen sowie dazwischen liegende Engpässe. Durch Einbauten in Form der Grundstruktur ist eine Strömung erster Ordnung erzielbar, welche in stromabwärts liegenden Mischbereichen eine den Rohrinhalt global durchmischende Strömung ist. Die Strukturelemente der Grundstruktur lassen sich als Segmente, Stege, Platten und/oder Flügel beschreiben. Die Strukturelemente - nachfolgend "primäre Strömungshindernisse" genannt - sind auf Oberflächen und/oder an Rändern geometrisch modifiziert. Durch diese Modifikationen sind lokale Strömungen zweiter Ordnung induzierbar, die sich der Strömung erster Ordnung überlagern und so die Mischgüte verbessern. Es werden nämlich radiale und axiale Inhomogenitäten im Fluid besser als durch die Strömung erster Ordnung ausgeglichen. Sekundäre Strömungshindernisse bilden die Modifikationen, durch welche die Turbulenz lokal intensiviert wird und/oder Rückströmungen induziert werden.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Mischers. Verfahren zum Mischen mit einem statischen Mischer gemäss der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 9 und 10.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen ringförmigen Teil eines erfindungsgemässen Mischers mit Einbauten, deren Strukturelemente lamellenförmige sekundäre Strömungshindernisse aufweisen,
Fig. 2
eine Kreuzkanalstruktur mit zwei weiteren Beispielen von sekundären Strömungshindernissen,
Fig. 3
Einbauten eines erfindungsgemässen Mischers mit zwei segmentartigen Strukturelementen,
Fig. 4
ein Detail zur Struktur der Fig. 3,
Fig. 5
eine Einbaute mit zwei Leitschaufeln als Strukturelementen,
Fig. 6
sekundäre Strömungshindernisse (vier Teilbilder), die rippenförmig sind und auf einer überströmten Oberfläche eines primären Strömungshindernisses angeordnet sind,
Fig. 7, 8
sekundäre Strömungshindernisse in Form von linearen Elementen, die gezahnte Kanten bilden bzw. aus separaten Zähnen zusammen gesetzt sind,
Fig. 9
diverse Zahnformen (drei Teilbilder),
Fig. 10
gefräste sekundäre Strömungshindernisse (drei Teilbilder), die in Form von linearen Elementen an einem Rand des primären Strömungshindernisses angeordnet sind, und
Fig. 11
sekundäre Strömungshindernisse (drei Teilbilder), die jeweils am primären Strömungshindernis durch Biegen der Ränder hergestellt sind.
Ein erfindungsgemässer Mischer 1, der eine besondere Ausgestaltung hat, ist teilweise in der Fig. 1 dargestellt. Dieser statische Mischer 1, mit dem ein niedrigviskoses Fluid 20 homogenisierbar ist, besteht aus einem Abschnitt eines Rohrs 3 und mischwirksamen Einbauten 10, die im Rohr 3 angeordnet sind. Es ist nur ein ringförmiger Teil 30 des Rohrs 3 abgebildet. Dieser Teil 30 wird an einem Flanschübergang des nicht dargestellten Rohrs 3 montiert. Die mischwirksamen Einbauten 10 dieses Ausführungsbeispiels können auch in einem Rohr 3 an einer Stelle angeordnet sein, der nicht als Flanschübergang ausgebildet ist.
Die Geometrie der Einbauten 10 ist weitgehend jene einer Grundstruktur, die Strukturelemente 11, 11' und 12 in Form von segment- bzw. flügelartigen Strömungshindernissen aufweist. Durch zwischen den Strukturelementen liegende Engpässe strömt das Fluid 20, dessen Strömung durch Pfeile 21 angedeutet ist. Die Strukturelemente der Grundstruktur, die sich als Segmente, Stege, Platten und/oder Flügel beschreiben lassen, werden nachfolgend "primäre Strömungshindernisse" genannt. Diese primären Strömungshindernisse 11, 11' und 12 sind an den Rändern geometrisch modifiziert, nämlich durch sekundäre Strömungshindernisse 11a, 11a' und 12a, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 lamellenförmig sind.
Durch Einbauten 10, die in der Form der Grundstruktur ausgebildet sind, ergibt sich eine Strömung erster Ordnung, welche eine Strömung ist, die in stromabwärts liegenden Mischbereichen den Rohrinhalt global durchmischt. Es erfolgt in diesen Bereichen eine Durchmischung über den ganzen Rohrquerschnitt durch grossräumige Bewegungen, insbesondere durch periodisch sich ablösende und sich fortpflanzende Wirbelbewegungen. Aufgrund der Modifikationen der Grundstruktur mittels der sekundären Strömungshindernisse werden lokale Strömungen zweiter Ordnung induziert, welche die Effektivität des Mischvorgangs durch folgende Effekte positiv beeinflussen:
  • a) Durch die Modifikation wird der Turbulenzgrad der Strömung erhöht. Wie bereits bei bekannten Mischern beobachtet worden ist, verbessert sich die Mischgüte, wenn die Strömung auf der Eintrittssseite eine hohe Turbulenz aufweist. Eine solche erhöhte Turbulenz kann beispielsweise die Folge eines stromaufwärts angeordneten Krümmers mit Leitblechen sein. Ein ähnlicher oder noch stärkerer positiver Effekt kann erzielt werden, wenn im Mischer selber durch sekundäre Strömungshindernisse der Turbulenzgrad lokal gezielt erhöht wird. Besonders wirkungsvoll sind die Hindernisse, wenn sie in der Nähe der Stelle angeordnet sind, wo das Additiv zugegeben wird. Dort sind die Konzentrationsgradienten noch vergleichsweise stark ausgeprägt, und eine Verbesserung der Mischungwirkung in diesen Bereichen wirkt sich besonders positiv auf die Effektivität des Mischers aus.
  • b) Mit Hilfe der sekundären Strömungshindernisse 11a, 11'a und 12a können gezielt Rückströmungen erzeugt werden, in denen ein Additiv verdünnt wird, bevor es ausgewaschen und in den sich ablösenden Wirbeln fortgetragen wird. Dadurch werden die zeitlichen Konzentrationsschwankungen reduziert. Generell können durch Rückströmungen axiale Unterschiede ausgeglichen werden, auch solche, die durch eine nicht zeitkonstante Zugabe der zu mischenden Komponenten bedingt sind.
  • c) Die sekundären Strömungshindernisse 12a bewirken eine Kanalisierung der Strömung. Dadurch wird der Quertransport hinter dem zentralen Flügel 12 verbessert, wodurch die radialen Konzentrationsgradienten im Nachlauf der Einbauten 10 reduziert werden.
  • d) Durch die verstärkte Turbulenz und dadurch bedingte erhöhte turbulente Viskosität wird ausserdem die Strömung stabilisiert, d.h. Fluktuationen werden unterdrückt. Die sekundären Strömungshindernisse 11 a, 11 a' und 12a sind auch mit Vorteil so angeordnet und ausgeführt, dass der Strömungsabriss klar lokalisiert wird und somit nicht von der Reynoldszahl abhängt. Die Ausprägung der Strömung ist somit nicht von der Durchflussmenge abhängig und besser kontrollierbar.
    • Die Kombination dieser Effekte a) bis d) ergibt eine verbesserte radiale und axiale Homogenisierung.
    Die sekundären Strömungshindernisse 11 a, 11 a' und 12a erhöhen zwar den Druckverlust. Die Druckverlusterhöhung ist aber kleiner, als wenn stattdessen zusätzliche primäre Strömungshindernisse entsprechend den Hindernissen 11, 11' und 12 - also zusätzliche Mischelemente - eingesetzt würden. Solche wären notwendig, wenn auf die sekundären Strömungshindernisse 11 a, 11 a' und 12a verzichtet würde. Somit sind die sekundären Hindernisse auch hinsichtlich des Energieeinsatzes positiv zu bewerten. Die primären Strömungshindernisse 11, 11', 12 sind also auf Oberflächen und/oder an Rändern durch die sekundären Strömungshindernisse 11 a, 11'a und 12a geometrisch so modifiziert, dass durch diese Modifikationen lokale Strömungen zweiter Ordnung induzierbar sind, die sich der Strömung erster Ordnung überlagern und so die Mischgüte verbessern. Die Mischgüte verbessert sich dadurch, dass radiale und axiale Inhomogenitäten im Fluid besser als durch die Strömung erster Ordnung ausgeglichen werden, ohne dass sich zugleich eine Erhöhung des Druckabfalls um mehr als rund 100 % ergibt.
    Die sekundären Strömungshindernisse 11 a, 11'a und 12a sind an Randpartien der primären Strömungshindernisse 11, 11' und 12 angeordnet. Sie bilden so Modifikationen der primären Strömungshindernisse 11, 11' sowie 12 und intensivieren lokal die Turbulenz und/oder induzieren Rückströmungen des Fluids 20, wodurch die Durchmischung verbessert wird.
    Mit Vorteil sind die sekundären Strömungshindernisse 11a, 11'a und 12a lamellen- oder rippenförmig ausgebildet und quer zur lokalen Fliessrichtung der Strömung erster Ordnung an oder auf den primären Strömungshindernissen angeordnet.
    Durch das Rohr 3 ist eine Hauptströmungsrichtung senkrecht zum Rohrquerschnitt definiert. Der Rohrquerschnitt wird durch eine Normalprojektion der primären Strömungshindernisse 11, 11' und 12 in Hauptströmungsrichtung weitgehend vollständig abgedeckt. Als Folge des Erfordernisses, dass die mischwirksamen Einbauten eine minimale Anzahl von Strukturelementen umfassen sollen, wird der Rohrquerschnitt durch die Normalprojektionen der einzelnen Strömungshindernisse 11, 11' und 12 nicht mehrfach abgedeckt; oder die Projektion weist lediglich marginale Überlappungszonen auf.
    Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist das Rohr 3 zylindrisch und die primären Strömungshindernisse 11, 11' und 12 bilden eine spiegelsymmetrische Anordnung, mit einer Symmetrieebene, in der die Rohrachse liegt. Das Paar 11, 11' von segmentförmigen, weitgehend in einer gemeinsamen Ebene liegenden Strukturelementen bilden einen Engpass, innerhalb dem das flügel- oder stegförmige Strukturelement 12 die Ebene der beiden anderen Strukturelemente 11, 11' kreuzend angeordnet ist.
    Bei der in Fig. 2 abgebildeten Einbaute 10 ist die Grundstruktur eine Kreuzkanalstruktur, bei der eine Mehrzahl von zickzackartig gefalteten Blechen 13, 14 (und strichpunktiert angedeuteten Blechen 13', 14') die primären Strömungshindernisse bilden. Rippen 13a und/oder drahtartige Erhebungen 13b sind auf den Blechoberflächen der Kreuzkanalstruktur angeordnet. Von diesen sekundären Strömungshindernissen 13a, 13b ist jeweils nur ein Beispiel dargestellt. Die Rippen 13a sind mit Vorteil scharfkantig ausgebildet und dienen als Abrisskanten an den überströmten Faltkanten.
    Fig. 3 zeigt Einbauten 10 eines erfindungsgemässen Mischers 1 mit zwei segmentartigen Strukturelementen 15. Die sekundären Strömungshindernisse 15a der Strukturelemente 15 sind lamellenförmig. Die Innenseite des Rohrs 3 ist durch die strichpunktierten Linien 31 angedeutet. Ein Querschnitt durch die Strukturelemente 15 ist in Fig. 4 gezeigt. Durch die Pfeile 21 ist angedeutet, wie sich hinter den Strukturelementen 15 Rückströmungen ausbilden.
    Fig. 5 zeigt eine Einbaute mit zwei Leitschaufeln 15 als Strukturelemente. Bei der einen der Leitschaufeln 15 sind sekundäre Strömungshindernisse 15a dargestellt.
    In Fig. 6 sind sekundäre Strömungshindernisse 16a in vier Teilbildern dargestellt, im ersten als perspektivische Darstellung und in den weiteren Teilbildern nur noch als Querschnittsprofile. Diese Hindernisse 16a sind rippenförmig und auf einer überströmten Oberfläche eines primären Strömungshindernisses 16 angeordnet.
    Die Figuren 7 und 8 zeigen sekundäre Strömungshindernisse 17a bzw. 18a, die lineare Elemente bilden: eines mit gezahnter Kante und eines mit separaten Zähnen 19. Beispiele zu weiteren Formen der Zähne 19 sind in drei Teilbildern der Fig. 9 gezeigt. Das lineare Element 17a kann statt eines gezahnten Randes auch einen wellenförmigen Rand aufweisen. Eine solche geometrische Modifikation am Rand des primären Strömungshindernisses ergibt eine Verlängerung der Kante, was vorteilhafterweise eine verstärkte Ausbildung von Turbulenz zur Folge hat.
    Fig. 10 zeigt gefräste sekundäre Strömungshindernisse (drei Teilbilder), die in Form von linearen Elementen an einem Rand des primären Strömungshindernisses angeordnet sind.
    Fig. 11 zeigt sekundäre Strömungshindernisse, die jeweils am primären Strömungshindernis durch Umformen dessen Rands hergestellt sind: schwach gebogen (erstes Teilbild), stark gebogen (zweites Teilbild) und zweifach gebogen (drittes Teilbild), wie jeweils durch Pfeile angedeutet ist. Ähnliche Formen von Strömungshindernissen können auch durch Anschweissen von Blechstreifen an die primären Strömungshindernisse realisiert werden.
    Die Ausführungsform der Fig. 1 enthält im Rohrstück 30 eine Einspeisestelle 100 für Additive. Die Einspeisestelle 100 mündet mit Vorteil in eine Zone der Mischbereiche, in der die Beeinflussung der Strömung durch die geometrischen Modifikationen besonders stark ausgebildet ist. Es können auch eine Mehrzahl von Einspeisestelle 100 vorgesehen sein. Vorteilhafter ist aber eine einzige Einspeisestelle 100, die so bezüglich den Einbauten 10 optimal angeordnet werden kann. Die Erfahrung hat ergeben, dass eine Mehrzahl von Einspeisestellen 100 für ein einziges Additiv mit Problemen verbunden ist, die bei einer einzigen Einspeisestelle 100 wegfallen.
    Der erfindungsgemässe Mischer 1 wird zum Durchführen eines Mischverfahrens verwendet, bei dem das zu mischende Fluid 50 in einer Vorzugsrichtung durch den Mischer 1 transportiert wird. Bezüglich dieser Vorzugsrichtung wird eine bessere Mischgüte als in der umgekehrten Richtung erzielt.
    Wie bereits erwähnt worden ist, verbessert sich die Mischgüte, wenn die Strömung auf der Eintrittsseite turbulent ist. Es kann daher auch für das erfindungsgemässe Mischverfahren vorteilhaft sein, wenn das Fluid 20, bevor es in die mischwirksamen Einbauten 10 geleitet wird, in einen hydrodynamischen Zustand gebracht wird, in dem es turbulente Strömungskomponenten oder eine verstärkte Turbulenz aufweist.

    Claims (10)

    1. Statischer Mischer (1) für ein niedrigviskoses Fluid (20), mit mischwirksamen Einbauten (10), die in einem Rohr (3) oder einem das Fluid leitenden Behälter angeordnet sind und deren Geometrie weitgehend jene einer Grundstruktur ist, welche Einbauten Strukturelemente (11, 11', 12) in Form von flachen, gefalteten oder gekrümmten blechartigen Strömungshindernissen sowie dazwischen liegende Engpässe umfassen, wobei durch Einbauten in Form der Grundstruktur eine Strömung erster Ordnung erzielbar ist, welche in stromabwärts liegenden Mischbereichen eine den Rohrinhalt global durchmischende Strömung ist, und die Strukturelemente der Grundstruktur sich als Segmente, Stege, Platten und/oder Flügel beschreiben lassen,
         dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente - nachfolgend "primäre Strömungshindernisse" (11, 11', 12) genannt-auf Oberflächen und/oder an Rändern geometrisch modifiziert sind, so dass durch diese Modifikationen lokale Strömungen zweiter Ordnung induzierbar sind, die sich der Strömung erster Ordnung überlagern und so die Mischgüte verbessern, nämlich derart, dass radiale und axiale Inhomogenitäten im Fluid besser als durch die Strömung erster Ordnung ausgeglichen werden.
    2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sekundäre Strömungshindernisse (11 a, 11 a', 12a) die Modifikationen bilden, durch welche die Turbulenz lokal intensiviert wird und/oder Rückströmungen induziert werden, wobei die sekundären Hindernisse mit Vorteil an Randpartien der primären Strömungshindernisse (11, 11', 12) angeordnet sind.
    3. Statischer Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundären Strömungshindernisse (11 a, 11 a', 12a) lamellen- oder rippenförmig ausgebildet sind und quer zur lokalen Fliessrichtung der Strömung erster Ordnung an oder auf den primären Strömungshindernissen (11, 11', 12) angeordnet sind.
    4. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rohr (3) eine Hauptströmungsrichtung senkrecht zum Rohrquerschnitt definiert ist, dass der Rohrquerschnitt durch eine Normalprojektion der primären Strömungshindernisse in Hauptströmungsrichtung weitgehend vollständig (11, 11', 12) abgedeckt ist und dass der Rohrquerschnitt durch die Normalprojektionen der einzelnen Strömungshindernisse nicht mehrfach abgedeckt ist oder lediglich marginale Überlappungszonen aufweist.
    5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Folgendes zumindest angenähert gilt, dass das Rohr (3) zylindrisch ist und die primären Strömungshindernisse (11, 11', 12) eine spiegelsymmetrische Anordnung bilden, mit einer Symmetrieebene, in der die Rohrachse liegt, und dass ein Paar von segmentförmigen, in einer Ebene liegenden Strukturelementen (11, 11') einen Engpass bilden, innerhalb dem insbesondere ein flügel- oder stegförmiges Strukturelement (12) die Ebene der beiden anderen Strukturelemente kreuzend angeordnet ist.
    6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur eine Kreuzkanalstruktur ist, bei der eine Mehrzahl von zickzackartig gefalteten Blechen (13, 14) die primären Strömungshindernisse bilden, und dass Rippen (13a) und/oder drahtartige Erhebungen (13b) auf den Blechoberflächen der Kreuzkanalstruktur angeordnet sind, wobei die Rippen mit Vorteil scharfkantig ausgebildet sind und als Abrisskanten an überströmten Faltkanten dienen.
    7. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die geometrischen Modifikationen eine Verlängerung der Kanten an den primären Strömungshindernissen (11, 11', 12) ergibt, beispielsweise durch sekundäre Strömungshindernisse, die einen wellenförmigen oder gezahnten Rand aufweisen, oder dass die sekundären Strömungshindernisse (17a) einen wellenförmigen oder gezahnten Rand aufweisen und auf einer überströmten Oberfläche eines primären Strömungshindernisses (17) angeordnet sind.
    8. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine Einspeisestelle (100) für Additive enthält und dass die Einspeisestelle in eine Zone der Mischbereiche mündet, in der die Beeinflussung der Strömung durch die geometrischen Modifikationen besonders stark ausgebildet ist.
    9. Verfahren zum Mischen mit einem statischen Mischer (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu mischende Fluid (20) in einer Vorzugsrichtung durch den Mischer transportiert wird, wobei bezüglich dieser Vorzugsrichtung eine bessere Mischgüte als in der umgekehrten Richtung erzielt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (20), bevor es in die mischwirksamen Einbauten (10) geleitet wird, in einen hydrodynamischer Zustand gebracht wird, in dem es turbulente Strömungskomponenten oder eine verstärkte Turbulenz aufweist.
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