EP1857172A1

EP1857172A1 - Statikmischer

Info

Publication number: EP1857172A1
Application number: EP07106488A
Authority: EP
Inventors: Marcel Suhner
Original assignee: Sulzer Chemtech AG
Current assignee: Sulzer Chemtech AG
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2027-04-19
Also published as: EP1857172B1

Abstract

Ein Mischelement (12) für den Einbau in ein fluidleitendes Mittel (1) umfasst eine Eintrittsöffnung (9) für zumindest zwei Komponenten mit einem ersten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung (11) in der Eintrittsöffnung (9) liegt, und eine Austrittsöffnung (10) für ein Gemisch mit einem zweiten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung (11) in der Austrittsöffnung (10) liegt, wobei das Mischelement (12) einen Querschnittsverlauf aufweist, der im wesentlichen kontinuierlich vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt ansteigt. In dem Mischelement sind stromteilende Lagen (2,3,4) derart angeordnet, dass eine präzise Einpassung des Mischelements (12) in das sich im wesentlichen kontinuierlich erweiternde fluidleitende Mittel (1) ermöglicht wird. Ein Statikmischer mit einem derartigen Mischelement (12) findet insbesondere Verwendung in der Erdgasverarbeitung, im Fahrzeubau sowie in der chemischen Reaktionstechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mischelement für einen Statikmischer gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie Verwendungen eines solchen Mischelements sowie eines Statikmischers mit einem derartigen Mischelement. Statikmischer werden zur Mischung zwei oder mehr fluiden Komponenten, insbesondere von gas-flüssig Gemischen, eingesetzt. Insbesondere soll das Mischelement Verwendung in einem als Diffusorabschnitt ausgebildeten fluidleitenden Mittel finden. Das Mischelement trägt zumindest zur Aufrecherhaltung eines gleichmässigen Mischungszustandes im Diffusor bei, indem es durch seine konstruktive Ausgestaltung allfälligen Entmischungseffekten entgegenwirkt und/oder eine gleichmässige Vermischung der durch den Diffusorabschnitt strömenden Komponenten bewirkt. Der Statikmischer umfasst somit das fluidleitende Mittel mit einer Eintrittsöffnung für die Komponenten von einem ersten Durchmesser und einer Austrittsöffnung für das Gemisch von einem zweiten Durchmesser, wobei das fluidleitende Mittel einen Durchmesserverlauf aufweist, der im wesentlichen kontinuierlich vom ersten Durchmesser zum zweiten Durchmesser ansteigt, sowie zumindest ein im Diffusorabschnitt angeordnetes Mischelement. Das fluidleitende Mittel kann insbesondere ein sich im wesentlichen kontinuierlich erweiterndes Leitungsstück ausgestaltet sein.
Aus dem Stand der Technik ist gemäss EP-A-918146 bekannt, Einbauten in ein sich als Diffusor erweiterndes Mischergehäuse vorzusehen. Diese Einbauten sind aus konzentrischen kegelstumpfförmigen Mantelflächen gebildet. Die Kegelspitzen liegen zumindest angenähert auf einem Punkt und die Eintrittsquerschnitte der Einbauten spannen mit ihren Rändern jeweils eine Fläche auf, die eine gegen die Strömungsrichtung sich verjüngende Form hat. Durch die Einbauten werden durch den Diffuser strömende Gase, in dem Fall der EP-A- 918146 Schadstoffe, gleichmässiger in einen nachgeschalteten Katalysator geleitet.
In der Einrichtung zum Abbau von Schadstoffen gemäss EP-A-918146 treten beim Durchtritt der Gase sogenannte Randeffekte auf, die auch als Channeling bezeichnet werden. Diese Randeffekte werden durch Randströmungen verursacht, durch welche sich eine Verlangsamung der Strömung relativ zur Mitte ergibt. Diese Randströmungen entstehen hauptsächlich durch Reibungseffekte an der Innenwand des Diffusors. Bei der Aufweitung im Konus kann es durch den Bremseffekt, hervorgerufen durch obengenannte Reibungseffekte, zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit im wandnahen Bereich kommen, was sogar dazu führen kann, dass die tropfenresp. blasenförmige, d.h. disperse Phase, insbesondere flüssige Bestandteile, sich nicht mehr mit der kontinuierlichen Phase, insbesondere einem Gas) in der Schwebe halten können und separieren.
Derartige Gas-Flüssiggemische werden beispielsweise bei der LNG (liquid natural gas) Verarbeitung als Kühlmittel eingesetzt. Dieses Kühlmittel besteht aus verschiedenen gasförmigen und flüssigen Bestandteilen, wobei der Anteil insbesondere leichtflüchtige aliphatische Kohlenwasserstoffe, bevorzugt Methan, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Zur Abkühlung wird das Kühlmittel in einen Wärmetauscher eingeleitet, der im allgemeinen als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist. Der Wärmetauscher ist für eine Kühlleistung ausgelegt, die ein homogenes Kühlmittelgemisch erfordert, andernfalls kann die Kühlleistung nicht optimal genutzt werden. Wenn es demnach zu einer Separierung des Kühlmittelgemisches kommt, kann die gewünschte Kühlleistung möglicherweise nicht mehr erreicht und die geforderten Kapazitäten nicht eingehalten werden. Bisher musste man daher den Wärmetauscher entsprechend überdimensionieren.
Bislang stellte sich der Lösung des Problems mit statischen Mischern die Tatsache entgegen, dass gängige statische Mischer nicht auf ein sich im wesentlichen kontinuierlich erweiterndes Leitungsstück angepasst werden konnten.
Als Ausweg hat sich angeboten, einen statischen Mischer aus zwei zylinderförmigen Mischelementen einzusetzen, wobei eines dieser Mischelemente jeweils den Durchmesser der Zufuhrleitung, also einer Rohrleitung, und das zweite Mischelement den Durchmesser des Wärmetauschereintritts aufweist. Messungen an einem derartigen statischen Mischer haben ergeben, dass auch in diesem Fall die gasförmigen und flüssigen Komponenten nicht gleichmässig verteilt werden. Die Mischstrecke ist für diesen Zweck zu kurz bemessen, zudem liegt bei dieser Mischeranordnung ein abrupter Übergang an der Stelle vor, an der das zylinderförmige Mischelement mit dem Durchmesser der Zufuhrleitung an das Mischelement mit dem Durchmesser des Wärmetauschereintritts angrenzt. Im vorliegenden Fall sind die beiden Mischelemente bevorzugt in gleicher Länge ausgeführt, sodass der Übergang in der Mitte liegt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mischelement für einen Statikmischer zu schaffen, mittels dessen sich ein mehrphasiger Fluidstrom, insbesondere ein mit Flüssigkeitströpfchen befrachteter Gasstrom oder ein mit Gasblasen befrachteter Flüssigkeitsstrom, mischend durch ein sich im wesentlichen kontinuierlich erweiterndes Leitungsstück unter Beibehaltung einer gleichmässigen Verteilung der Fluide fördern lässt.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 definierte Mischelement gelöst. Ein Mischelement für den Einbau in ein fluidleitendes Mittel, das insbesondere als Gehäuse oder Behältermantel ausgebildet sein kann, umfasst eine Eintrittsöffnung für zumindest zwei Komponenten mit einem ersten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung in der Eintrittsöffnung liegt und einer Austrittsöffnung für ein Gemisch mit einem zweiten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung in der Austrittsöffnung liegt, wobei das Mischelement einen Querschnittsverlauf aufweist, der im wesentlichen kontinuierlich vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt ansteigt. In dem Mischelement sind stromteilende Lagen derart angeordnet, dass eine präzise Einpassung des Mischelements in das sich im wesentlichen kontinuierlich erweiternde fluidleitende Mittel ermöglicht wird. Das Mischelement ist zumindest teilweise in dem Bereich zwischen Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung vorgesehen. Durch die präzise Einpassung wird erreicht, dass Randströmungen von der Innenwand des fluidleitenden Mittels in Richtung der Hauptströmung abgelenkt werden und zusammen mit der Hauptströmung mit zumindest annähernd gleicher Geschwindigkeitsverteilung über den betrachteten Durchflussquerschnitt durch den Diffusor geleitet werden, sowie Fluid höherer Flussgeschwindigkeit als Ausgleichsströmung von einem Zentralbereich des Querschnitts in Richtung des Wandbereichs strömt, wodurch es zu Quervermischung und folglich zu einer Verbesserung der Durchmischung der fluiden Komponenten kommt. Die stromteilenden Lagen umfassen Strömungskanäle, die insbesondere diffusorartig ausgebildet sind, vorteilhafterweise mit sich offen kreuzenden Strömungskanälen, wie sie beispielsweise in der CH 547 120 offenbart werden. In einem derartigen Mischelement sind zumindest über einen Teil des Querschnitts Einbauelemente oder Lagen vorgesehen, mittels welcher die Komponenten derart lenkbar sind, dass durch sich kreuzende Strömungswege Scherströmungen erzeugbar sind, sodass bei Überlagerung der Strömungen fortlaufende Wirbel entstehen, wodurch eine fortlaufende Durchmischung des Gemisches sowie eine gleichzeitige Strömung in Richtung des Mischerausgangs erzielbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst ein Mischelement zumindest zwei Lagen aus einem dünnwandigen Material. Im einfachsten Fall kann eine derartige Lage aus ebenen, dünnwandigen Blechen aufgebaut sein, die in dem sich erweiternden Querschnitt des fluidleitenden Mittels derart eingepasst sind, dass die einzelnen Lagen in jedem Querschnitt als zueinander parallele Schnittflächen erscheinen, der Abstand der Schnittflächen der Lagen aber in Strömungsrichtung kontinuierlich zunimmt. Derartige sich aufweitende, ebene Lagen werden durch ein Gerüst von mit Klemm- oder Steckverbindern ausgestatteten Befestigungsmitteln in Position gehalten. Zumindest im Bereich des Eintrittsquerschnitts, also der Eintrittsöffnung des Statikmischers sowie im Bereich des Austrittsquerschnitts, also der Austrittsöffnung des Statikmischers, besteht eine Befestigungsmöglichkeit für jede der Lagen. Die zwischen zwei benachbarten Lagen und dem fluidleitenden Mittel aufgespannte Fläche, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung liegt, nimmt daher diffusorartig zu. Das zwischen den einzelnen Lagen strömende Gemisch durchströmt dann im wesentlichen einen schmalen Kanal, der sich entsprechend der Querschnittszunahme des Mischers erweitert.
Eine derartige Lage kann eine gefaltete, in eine Ebene abwickelbare Struktur aus einem dünnwandigen Plattenmaterial umfassen, wobei die Faltung insbesondere als Rippen ausgebildet sein kann. Eine Lage kann offene Kanäle ausbildende Strukturen umfassen, insbesondere können gefaltete, wellenförmige oder zackenförmige Strukturen vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination dazu sind geschlossene Kanäle ausbildende Strukturen, wie insbesondere waben- oder röhrchenartige Strukturen einsetzbar. Insbesondere kann zumindest eine Lage zumindest einen Strömungskanal umfassen. Die Strukturen bestehen aus einem metallischen Werkstoff, vorteilhafterweise kann Blech und/oder ein Stahl und/oder Stahllegierung zum Einsatz kommen, was nicht zuletzt von der Temperatur, dem Druck, und/oder der Natur des strömenden Mediums abhängig ist. Auch hochtemperaturbeständige Stähle können zum Einsatz kommen, wenn es die Temperatur des zu fördernden Mediums erfordert. Die Förderung und Mischung korrosiver Gemische erfordert den Einsatz von korrosionsbeständigen Materialien, insbesondere korrosionsbeständigen Stählen, aber auch Keramik, Silicium-Verbindungen, Carbon und/oder Beschichtungen umfassend PTFE, Epoxy, Halar, TNi - Legierungen und/oder Carbidschichten und/oder galvanische Beschichtungen, insbesondere durch Verchromen oder Vernickeln angebrachte Beschichtungen. Enthält das Gemisch auch Feststoffanteile, wie beispielsweise Staub, werden hohe Anforderungen an die Kratzbeständigkeit der Einbauten der Mischelemente gestellt. Mit einer kratzbeständigen Beschichtung der Lagen des Mischelements und/oder des fluidleitenden Mittels wird die Standzeit des Statikmischers erhöht. Im Einzelfall kann auch die Anbringung einer schmutzabweisenden Schicht vorteilhaft sein. Für eine Anwendung in Kühl- oder Kälteanlagen wird der Statikmischer aus Material 304 L und/oder in SS 316, und/oder 904 L, und/oder Duplex und/oder 1.4878 gefertigt, die sich bei tiefen Temperaturen durch geringen Verzug, Korrosionsbeständigkeit, sowie Kaltzähigkeit auszeichnen. Kunststoffe kommen für nicht stark temperaturbelastete Statikmischer zum Einsatz, insbesondere Polypropylen, PVDF oder Polyethylen. Eine weitere Anwendung eines Mischelements gemäss eines der Ansprüche kann in einem Statikmischer, in welchem eine chemische Reaktion ablaufen kann, vorgesehen sein. Zur Durchführung einer chemischen Reaktion soll eine rasche und gleichmässige Mischung der miteinander in Kontakt zu bringenden fluiden Komponenten herbeigeführt werden. Zu diesem Zweck ist es möglich, die die Strömung leitenden Lagen entweder selbst aus einem Katalysatormaterial herzustellen, oder auf die Lagen, die vorzugsweise aus einem undurchbrochenen Material, wie beispielsweise einem Blech, oder aus aus einem Gewebe, oder Gewirk oder einem zumindest teilweise porösen Material bestehen, ein Katalysatormaterial aufzubringen. In einem weiteren Anwendungsbeispiel kann eine Lage, die nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet sein kann, Mittel zur Anlagerung von Mikroorganismen, insbesondere Bakterien umfassen.
Ein Statikmischer ist nach einem weiteren Ausführungsbeispiel mit fluidleitenden Mitteln mit abschnittsweise ebenen Mantelflächen, insbesondere mit rechteckigen oder quadratischen Querschnittsflächen ausgestattet, welche trapezförmige Mantelflächen aufspannen, die in ihrer Gesamtheit das fluidleitende Mittel ergeben. Ein derartiger Statikmischer enthält zumindest ein Mischelement nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Mischelements. Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Mischelements, insbesondere in einem Statikmischer sind jeweils Gegenstand der Ansprüche 9 und 10.
Zumindest eine Lage des Mischelements umfasst eine oberflächenvergrössernde Struktur, insbesondere einen Strömungskanal. Im nachfolgenden Text wird stellvertretend für eine Lage mit einer oberflächenvergrössernden Struktur eine Lage mit einem Zick-Zackprofil verwendet. Derartige oberflächenvergrössernde Strukturen umfassen wellenförmige Profile, gerippte Profile, Profile mit Vorsprüngen beliebiger Geometrie und/oder Winkellage zur Strömungsrichtung. Ein Zick-Zackprofil besteht bei Betrachtung mit der Blickrichtung auf die Querschnittsfläche der Kanalstruktur aus einer Folge von Kanten. Jede dieser Kanten spannt in der dreidimensionalen Lage im Mischelement vom Anfangsquerschnitt bis zum Endquerschnitt eine Linie auf. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Linie um eine Gerade, kann aber eine beliebige, insbesondere sich periodisch wiederholende, Kurvenform aufweisen. Eine derartige Lage mit Kanten mit einer Kurvenform kann beispielsweise bei einem Mischelement für ein fluidleitendes Mittel mit einer Änderung der Hauptströmungsrichtung, durch welche es zu einer Richtungsänderung des strömenden Gemischs neben der Aufweitung des Strömungsquerschnitts kommt, zum Einsatz kommen.
Bei einer Lage mit einem symmetrischen Profil, wie einem Zick-Zack-Profil, liegt wischen zwei benachbarten Kanten ein offener Kanal, dessen Wände durch zumindest zwei ebene und/oder der Krümmung der Kanten folgende Profilflächen ausgebildet sind. Der Kanal hat in diesem Anwendungsbeispiel v-förmigen Querschnitt, da die untere Begrenzung des Kanals ebenfalls durch eine in die entgegengesetzte Richtung weisende Kante ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind somit benachbarte Profilflächen in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet, der kleiner als 180° ist.
Nach einem Ausführungsbeispiel kommen die Kanten benachbarter Lagen linienförmig aufeinander zu liegen, sodass zwei benachbarte Lagen mit Kanten, die in entgegengesetzte Richtungen weisen, aufeinander zu liegen kommen. Zwischen den beiden benachbarten Lagen bilden sich dann geschlossene Kanäle aus, durch welche das strömende Gemisch hindurchgeleitet wird. Nach diesem Ausführungsbeispiel verbleiben die Komponenten des Gemischs von der Eintrittsöffnung in den Mischer bis zur Austrittsöffnung in demselben Kanal, der sich diffusorartig, entsprechend der Erweiterung des fluidleitenden Mittels in Hauptströmungsrichtung, erweitert. Der Abstand zweier benachbarter Lagen nimmt vom Querschnitt der Eintrittsöffnung zum Querschnitt der Austrittsöffnung zu, entsprechend der Erweiterung des fluidleitenden Mittels senkrecht zur Hauptströmungsrichtung. Jede Lage ist aus einem ebenen Plattenmaterial herstellbar, welches derart gefaltet wird, dass die Höhe der Kanten und der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanten in Richtung des sich erweiternden, also diffusorartig gestalteten Mischelements zunehmen. Dabei kommen Kanten benachbarter Lagen aufeinander zu liegen, sodass eine linienförmige Berührung benachbarter Lagen entlang der gemeinsamen Kante erfolgt. Durch diese Konstruktion bildet sich ein Strömungskanal aus, dessen Querschnitt von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung kontinuierlich zunimmt, wenn der gesamte Diffusorquerschnitt erfasst werden soll. Die Lagen können aus zumindest zwei ebenen und/oder der Krümmung der Kanten folgenden Profilflächen aufgebaut sein und/oder die Profilflächen selbst weisen eine zusätzliche Strukturierung auf, die insbesondere als wellen- oder zackenförmige Rippen oder Lamellen ausgebildet sind und eine Serie offener Kanäle, die sich zwischen den Rippen oder Lamellen erstrecken, umfassen kann. Eine derartige Strukturierung wird beispielsweise in der CH 547 120 offenbart. Es ist auch möglich, nach einem weiteren Ausführungsbeispiel Lagen mit einer Profilfläche mit Lagen mit oberflächenvergrössernden Strukturen derart zu kombinieren, dass abwechselnd eine ebene Lage und eine Lage mit oberflächenvergrössernden Strukturen aufeinander folgen. Hierdurch entstehen geschlossene Kanäle, die einerseits von der ebenen Lage und andererseits von der Lage mit der oberflächenvergrössernden Struktur begrenzt werden.
In einem Mischelement nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Strömungskanäle benachbarter Lagen sich offen kreuzend und/oder diffusorartig ausgebildet. Durch diese Anordnung wird eine besonders rasche und gute Durchmischung der zu mischenden Komponenten erreicht. Nach einer weiteren Variante kann zur besseren Durchmischung vorgesehen werden, dass es nicht zu einer linienförmigen Berührung zweier benachbarter Lagen mit oberflächenvergrössernden Strukturen kommt, sondern sich die Kanten der benachbarten Lagen nur punktförmig berühren. Diese punktförmige Berührung wird dadurch erreicht, dass zwei benachbarte Lagen in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Dadurch wird bewirkt, dass die Kante, die zu einer ersten Lage gehört, nur eine punktförmige Berührung mit einer Anzahl von entsprechenden Kanten der benachbarten Lage aufweist. Der wesentliche Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin begründet, dass das strömende Medium nicht, wie bei den vorhin gezeigten Varianten, immer im selben Kanal strömt, sondern sich zu jedem Zeitpunkt in einem anderen Kanal befindet, also kontinuierlich den Kanal wechselt. In diesem Fall wird das strömende Medium wesentlich stärker umgelenkt als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, was eine zusätzliche Verbesserung der Durchmischung zur Folge hat. Alternativ dazu können auch zwei benachbarte Lagen mit unterschiedlichen Profilen kombiniert werden, die zur Verbesserung der Durchmischung ebenfalls in einem Winkel zwischen 0 und 180° zueinander angeordnet werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet jede Lage einen Hohlkörper mit oberflächenvergrössernden Strukturen aus, ist insbesondere mit einer gerippten, gezackten oder gewellten Oberfläche ausgestaltet. Die Kanten der oberflächenvergrössernden Strukturen spannen demanch eine Grenzfläche auf, die als Hohlkörper denkbar ist, der insbesondere konische Form aufweist. Die oberflächenvergrössernden Strukturen sind in einem Winkel von 0 bis 180° zur Strömungsrichtung geneigt. Mehrere derartige Hohlkörper können ineinander einsteckbar sein. Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Winkel der oberflächenvergrössernden Strukturen von zwei benachbarten, als Hohlkörper ausgestalteten Lagen, sodass die Strömung mehrfach über die oberflächenvergrössernden Strukturen umlenkbar ist.
Ein Strömungskanal wird von zumindest zwei Profilflächen begrenzt, wobei je zwei benachbarte Profilflächen einer Lage eine gemeinsame Kante ausbilden. Insbesondere Strömungskanäle mit ebenen Profilflächen sind kostengünstig und einfach herstellbar. Durch die Kanten einer Lage wird eine Grenzfläche aufgespannt, die eben und/oder zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Wenn eine Lage mehrere Kanten aufweist, die gemeinsam eine derartige Grenzfläche aufspannen, ist mittels ebenen Profilflächen beispielsweise eine ebene oder konische Grenzfläche einfach herstellbar, da die ebenen Profilflächen mit engen Toleranzen gefertigt werden können, da die notwendigen Abmessungen einfach einstellbar und überprüfbar sind. Die Form der Grenzfläche erlangt insbesondere dann Bedeutung, wenn zur Herstellung eines Mischelements eine Vielzahl von übereinander angeordneten Lagen erforderlich sind, bei welchen sich die Kanten benachbarter Lagen zumindest punktweise berühren.
In einem Mischelement wird durch die Kanten einer Lage eine Grenzfläche aufgespannt, die eben und/oder zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist. Als Grenzfläche wird dabei die Verbindungsfläche aller Kanten bezeichnet. Die meisten der vorhergenannten Ausführungsbeispiele für Lagen mit oberflächenvergrössernden Strukturen weisen ebene Grenzflächen auf, sodass benachbarte Lagen je eine dieser ebenen Grenzflächen gemeinsam haben. Bei einer Lage ohne oberflächenvergrössernde Struktur fällt die Grenzfläche mit der Oberfläche der Lage zusammen. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Grenzfläche auch eine im Raum beliebig gekrümmte Fläche darstellen. Bei einer Lage mit oberflächenvergrössernder Struktur spannen die Kanten der oberflächenvergrössernden Strukturen ebenfalls eine im Raum gekrümmte Fläche auf. Für einen Statikmischer mit konischer Erweiterung des fluidleitenden Mittels ist die Verwendung einer Lage mit konischer Grenzfläche geeignet, sodass die Lagen Grenzflächen aufweisen, die zwischen den Lagen konisch ausgebildet sind.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zu einer Lage eines Mischelements gehörigen Kanten um einen Winkel alpha in einem Bereich von 0 bis 120°, insbesondere von 60 bis 90 gegeneinander geneigt ausgebildet. Vorteilhafterweise schliessen sich kreuzende Kanten von benachbarten Lagen mit der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzt gleich grosse Winkel alpha/2 ein.
Der Querschnitt des Mischelements erweitert sich vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt insbesondere konisch, wobei sich insbesondere der Durchmesser des Austrittsquerschnitts bezogen auf den Durchmesser des Eintrittsquerschnitts um einen Faktor 2 bis 5 vergrössert, was einer Querschnittsvergrösserung um einen Faktor 4 bis zu einem Faktor 25 gleichkommt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erweitert sich das Mischelement vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt konisch, insbesondere erweitert sich der Durchmesser des Eintrittsquerschnitts um einen Faktor 2 bis 5. Da sich auch das fluidleitende Mittel in diesem Ausführungsbeispiel konisch aufweitet, wird ein abrupter Übergang von einem Querschnitt einer Zuleitung, die in die Eintrittsöffnung mündet, also zumeist einer Rohrleitung, auf den Querschnitt der Austrittsöffnung, vermieden. Die Austrittsöffnung kann als Eintrittsöffnung in einen Wärmetauscher oder Reaktor ausgestaltet sein. In diesen Reaktor soll das Gemisch schon weitgehend homogen eintreten. Insbesondere werden gasförmige, flüssige und/oder feste Komponenten des Gemischs in der Schwebe gehalten. Der Mischungszustand wird mittels des oder der Mischelemente in einem Konus - der ansonsten als Diffusor zur Entmischung beitragen würde - aufrecht erhalten. In den meisten Fällen wird sogar eine Verbesserung der Durchmischung der Komponenten erzielt, insbesondere mittels Mischelementen mit sich kreuzenden Strömungskanälen, sodass die Komponenten homogen über jeden Querschnitt des Konus stromabwärts des Eintrittsquerschnitts verteilbar sind. Die konische Form bietet des weiteren beträchtliche Vorteile für den Einbau von Lagen, da die konische Form des fluidleitenden Mittels als Zentriermittel für den Einbau eines konischen Mischelements fungiert. Dadurch, dass das Mischelement in ein konisches fluidleitendes Mittel eingepasst wird, ist für den Einbau nur ein minimaler Schweissaufwand nötig. Die Mischelemente sind vorteilhafterweise diffusorartig ausgebildet, das heisst, dass die Mischelemente dem sich erweiternden Querschnitt anpassen, also insbesondere selbst konische Form aufweisen. Die Einpassung erfolgt aufgrund der konischen Form des Mischelements durch die Positionierung des oder der Mischelemente im Konus, wodurch die Position des Mischelements im konischen fluidleitenden Mittel eindeutig festgelegt ist.
Die Lagen sollen, wenn möglich, direkt an das fluidleitende Mittel, also die Innenwand des Mischers angrenzen. Bei einer linienförmigen Berührung ergeben sich als Schnittkurven einer ebenen Lage oder einer Lage mit oberflächenvergrössernder Struktur, insbesondere einer aus ebenen Segmenten aufgebauten oberflächenvergrössernden Struktur, wie eines Zick-Zack Profils, mit einer konischen Innenwand Kegelschnitte, also je nach Neigung der Lage zum Konus elliptische, parabolische oder hyperbolische Begrenzungslinien. Jede der oben beschriebenen Lagen ist in eine Ebene abwickelbar, daher kann mittels Zeichenprogrammen aus der gewünschten Position der Lage im Mischer eine Abwicklung generiert werden. Diese Abwicklungen enthalten neben den Begrenzungslinien der Lage auch die Biegelinien, sodass auch in den Fällen, in welchen jeder Winkel verschieden ist, und daher sehr komplexe Biegvorgänge erforderlich sind, eine wirtschaftliche Herstellung der Lagen möglich ist.
Ein mögliches Verfahren zur Herstellung des Mischers umfasst die folgenden Schritte: Herstellung eines fluidleitenden Mittels mit einer Eintrittsöffnung mit einem ersten Querschnitt und einer Austrittsöffnung mit einem zweiten Querschnitt, wobei das fluidleitende Mittel einen Querschnittsverlauf aufweist, der kontinuierlich vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt ansteigt. In einem weiteren Schritt wird das Mischelement hergestellt. Das Mischelement umfasst eine Vielzahl von Lagen, welche einzeln vorgefertigt werden und mittels Verbindungsmitteln zu einem Mischelement zusammengefügt werden. Wenn die Oberflächenstrukturen der Lagen in eine Ebene abwickelbar sind, vereinfacht sich die Herstellung, da die Abwicklung jeder Lage aus ebenem plattenförmigem Grundmaterial mittels Schneidmitteln ausschneidbar ist, und sodann mittels Biegemitteln zur Erzeugung der Oberflächenstruktur faltbar ist. Diese Herstellung eignet sich insbesondere für Lagen aus einem metallischen Werkstoff. Lagen aus Kunststoff werden in ihrer gefalteten Form in einem Extrusionsverfahren oder im Spritzgussverfahren hergestellt und nachträglich auf die Form zugeschnitten, die zur Ausbildung eines sich erweiternden, also insbesondere konischen Mischelements erforderlich ist. In einem nächsten Schritt werden die zu einem Mischelement zusammengefügten Lagen im Mischer positioniert. Wenn das Mischelement in bereits zusammengebautem Zustand in ein konisches fluidleitendes Mittel eingepasst wird, ist nur ein minimaler Schweissaufwand nötig. In einem konischen Mischer erfolgt eine Zentrierung der Lagen durch den Konus, sodass der Zusammenbau der Lagen, die aus den Abwicklungen gefaltet wurden, auch direkt in das fluidleitende Mittel erfolgen kann, da die Positionierung der Lagen durch die konische Form des fluidleitenden Mittels selbst erfolgt, die Ausrichtung der Lagen zueinander vorgegeben ist. Alternativ dazu kann das gesamte Mischelement auch im Spritzgussverfahren oder in einer verlorenen Form hergestellt werden.
Verwendet man den der Kreuzkanalstruktur entsprechenden Aufbau der Lagen, ist es möglich, dass Toträume entstehen, weil die Lage am Eintrittsquerschnitt Strömungswege durch die Winkelausrichtung des Teils der Lage, welcher der Innenwand benachbart ist, blockiert sind. Deshalb werden nach der Produktion die Kanäle auf der Gehäuseseite überprüft und wenn nötig geöffnet. Der Wandspalt zwischen Mischelementen und Innenwand des Gehäuses beträgt nicht mehr als 2 % vom jeweiligen Querschnitt, insbesondere nicht mehr als 1 % vom jeweiligen Querschnitt, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,5% vom jeweiligen Querschnitt, sodass ein sogenannter "Channelingeffekt" nachweislich ausbleibt.
Der Wandspalt zum fluidleitenden Mittel soll kleiner der Normalabstand zweier benachbarter Grenzflächen, insbesondere als die Höhe eines Strömungskanals einer oberflächenvergrössernden Struktur ausgebildet sein. Als Höhe des Strömungskanals wird der Normalabstand zwischen den beiden Grenzflächen, die von den Kanten der oberflächenvergrössernden Struktur aufgespannt werden, definiert. Insbesondere soll der Wandspalt maximal die Hälfte der Höhe des Strömungskanals betragen.
Bei leichten Entmischungen im Bereich der Eintrittsöffnung kann die flüssige Phase über ein so genanntes "Riserplate" wieder ins Zentrum geführt und im Mischer über den Querschnitt verteilt werden. Ein "Riserplate" wird dabei als Einbauelement definiert, die an der Innenseite des fluidleitenden Mittels befestigt ist, insbesondere an die Innenseite des fluidleitenden Mittels angeschweisst ist. Dieses Einbauelement dient dazu, Komponenten, die sich an der tiefstgelegenen Stelle des fluidleitenden Mittels angesammelt haben, wieder in ein Mischelement zurückzuleiten. Einbauelement soll dabei stellvertretend für spezielle Ausführungsformen, wie beispielsweise ein Profil, eine Rampe, eine Platte oder dergleichen stehen.
Neben guter Verteilwirkung und/oder Mischwirkung wird nach jeder der vorgenannten Lösungen nur ein kleiner Druckverlust erzeugt.
In einer vorteilhaften Anordnung sind Mischelemente, die in einem Rohrabschnitt konstanten Querschnitts eingebaut sind und Mischelemente gemäss eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar. Zur Erzielung einer verbesserten Mischwirkung befindet sich ein konventionelles Mischelement in einem Rohrabschnitt vor Eintritt in den Statikmischer mit einem fluidleitenden Mittel mit sich erweiterndem Querschnitt. Nach jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele können zwei benachbarte Mischelemente in einem Winkel zwischen 0 und 90°, insbesondere zwischen 60 und 90° gegeneinander verdreht angeordnet werden. Durch die Verdrehung kann eine weitere Umlenkung der Strömung erzielt werden, was sich insbesondere für die genannten Ausführungsbeispiele mit zumindest abschnittweiser Kanalströmung als vorteilhaft erwiesen hat.
Die Anordnung eines Mischelements kann stromaufwärts eines Wärmetauschers erfolgen, insbesondere im Eintrittsbereich eines Wärmetauschers. Mit dem sich erweiternden Mischelement wird die Strömung bei Vergrösserung des Durchschnittsquerschnitts in Strömungsrichtung gleichmässig auf den sich erweiterten Querschnitt verteilt, sowie eine Homogenität der Strömung über dem gesamten Querschnitt gewährleistet.
Die Verwendung des Mischelements erfolgt in einem Verfahren zur Entstickung von Abgasen, zur Verteilung von Abgasen auf eine Katalysatoroberfläche, in einem Verfahren zur Herstellung von LNG (liquid natural gas), insbesondere zur Einleitung eines Gas-flüssig Gemisches wie eines Kühlmittels zur LNG Gasverarbeitung in eine Wärmeaustauschvorrichtung. Die Wärmeaustauschvorrichtung kann insbesondere einen Wärmetauscher, vorteilhafterweise einen Rohrbündelwärmetauscher umfassen.
Zur Entstickung von Abgasen wird flüssiger Harnstoff verdampft und mit dem Gasstrom vermischt. Sowohl die Verdampfung als auch die Mischung können gleichzeitig im Statikmischer erfolgen. Durch die kombinierte Verfahrensführung besteht die Notwendigkeit, das Harnstoff-Gasgemisch zur Weiterverarbeitung dem nachfolgenden Prozessschritt bereits im gemischten Zustand zuzuleiten. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, Flüssigkeiten in einem Statikmischer mit sich erweiterndem Querschnitt zu verdampfen und gleichzeitig zu vermischen. Insbesondere in Anlagen mit geringem Platzangebot ist der Einsatz eines derartigen Mischers von Vorteil, um ein Gemisch bei Aufweitung auf grössere Durchmesser in gemischtem Zustand zu erhalten.
Bei der Erdgasverarbeitung muss Kühlmittel für die weitere Verwendung abgekühlt werden. Das Kühlmittel besteht aus verschiedenen, gasförmigen und flüssigen Bestandteilen, wobei der grösste Anteil Methan und Ethan umfasst. Das Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Kühlmittel wird meist in einer Rohrleitung zu einem Wärmetauscher, insbesondere einem Rohrbündelwärmetauscher geführt, wo es dann über ein Mehrpass-System abgekühlt wird. Der Eintritt des Rohrbündelwärmetauschers hat in der Regel eine Grösse DN1500 bis DN2400 (1,5 bis 2,4 m), was bedeutet, dass das Gemisch in der Rohrleitung von im wesentlichen DN600 (0,6 m) über einen Konus in den Eintritt des Rohrbündelwärmetauschers aufgeweitet werden muss. Damit der Wärmetauscher seine volle Leistung erreichen kann, müssen die gasförmigen und flüssigen Bestandteile gleichmässig über den Querschnitt vermischt und in gleichen Anteilen den einzelnen Rohren zugeführt werden. Der Wärmetauscher ist im wesentlichen für Gas-Flüssiggemische ausgelegt, das heisst, das Gas-Flüssiggemisch soll eine über den Eintrittsquerschnitt in den Wärmetauscher gleichmässige Verteilung aufweisen.
Eine weitere mögliche Anwendung des Mischelements im Fahrzeugbau betrifft den Eintritt eines Motorabgases in einen Katalysator zur katalytischen Abtrennung von Schadstoffen, insbesondere Stickoxiden (NOx) und Bindung derselben durch katalytische Reaktion on der Katalysatoroberfläche. Da in Fahrzeugen, insbesondere bei Lastwagen der Platzbedarf für einen Statikmischer in einem Auspuff relativ klein ist, sind Statikmischer mit dem oben beschriebenen sich erweiternden Querschnitt für solche Zwecke von grossem Vorteil, da kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Auch bei einem Auspuffsystem, in welchem die Abgase von einem relativ kleinen Abgasrohr in ein grösseres Katalysatorgehäuse münden, tritt das Problem der Entmischung von Abgas und flüssigen und/oder festen Komponenten auf. Damit der Katalysator nicht einseitig abgenützt wird, ist eine vollständige Verdampfung und gleichzeitig eine gute Homogenisierung nötig, welche mit einem Statikmischer nach einem der oben genannten Ausführungsbeispiele bei geringen Druckverlusten erreicht werden kann.
Eine weitere mögliche Verwendung des Mischelements nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele besteht in der chemischen Reaktionstechnik zur Durchführung von katalytischen und/oder biogenen Reaktionen, insbesondere bei sich erweiternden Querschnitten für den Eintritt eines ein- oder mehrphasigen Fluidgemisches in einen Reaktor. Gasförmige und flüssige Komponenten müssen oft vor einem Reaktor dispergiert werden. Nach Erzeugung des Blasenbetts und der gleichmässigen Verteilung der Komponenten wird der Strom oft aufgeweitet, weil der Strom mit einem gegenüber dem Leitungsdurchmesser vergrösserten Durchmesser in einen Reaktor, der einen Katalysator enthält, eintritt. Der Statikmischer wird eingesetzt, um die Homogenität des Gemischs aufrecht zu erhalten. Der geringere Abbremseffekt im Statikmischer im Vergleich zu einem abrupten Querschnittsübergang von Zuleitung auf den Eintrittsquerschnitt in den Reaktorbehälter trägt dazu bei, die Blasen weniger rasch koaleszieren zu lassen.
Eine weitere Verwendung des Statikmischers bietet sich auf dem Gebiet der Gasverflüssigung. Bei der Gasverflüssigung werden verschiedene Gasströme vermischt und dann in ein Mehrrohrsystem geführt. In einem vorgesehenen Anwendungsfall wird das Gas in einem Rohr DN 600 (0,6 m) vermischt und soll dann gleichmässig auf die verschiedenen Rohre in einem Gehäusedurchmesser DN 12000 (12 m) aufgeteilt werden. Im zum Zeitpunkt der Anmeldung bekannten Stand der Technik werden zu diesem Zweck Leitbleche eingesetzt. Damit jedes Rohr denselben Gasanteil erhält, bietet sich die Verwendung eines Statikmischers gemäss eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele an.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für den Statikmischer liegt auf dem Gebiet von Reaktoren, in welchen eine Kolbenströmung aufrecht erhalten werden soll, sogenannten Plug-Flow Reaktoren. Bei Plug-Flow Reaktoren wird mit Mischelementen dafür gesorgt, dass das Fluid in einer Kolbenströmung durch ein zylinderförmiges Gehäuse geführt wird. Wenn der Durchmesser geändert werden muss, wird die Kolbenströmung im konischen Abschnitt aufgrund der fehlenden Mischelemente gestört. Mit der Verwendung von konischen Mischelementen können die Fliesseigenschaften im konischen Abschnitt aufrecht erhalten werden.
Wie oben erwähnt, kann ein Statikmischer der obengenannten Bauart auch mit einem als Vormischer arbeitenden Statikmischer mit konstanten, insbesondere hohlzylindrischen, Querschnittsverlauf kombiniert werden. Die Vermischung der einzelnen Fluidkomponenten erfolgt im Statikmischer zylindrischer Bauweise, der Statikmischer mit sich erweiterndem Querschnitt hat primär die Funktion, das Gemisch gleichmässig aufzuweiten und/oder zu verteilen.
Um Druckverluste zu reduzieren, ist es auch möglich, zwischen einzelnen Mischelementen Abstände vorzusehen, in welchen Strömungsverhältnisse wie in einer Rohrleitung herrschen. Kurze Distanzen zwischen den einzelnen konischen Mischelementen bewirken keine bemerkenswerte Entmischung, dienen hingegen dazu, den Strom ohne zusätzlichen Druckverlust neu aufzuteilen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mischelements aus ebenen Lagen
Fig. 2: zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mischelements aus Lagen mit Zick-Zack Profil
Fig. 3: zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Mischelements aus einer Kombination aus ebenen Lagen mit Lagen mit Zick-Zack Profil
Fig. 4a: zeigt den Einbau von Lagen mit Zick-Zackprofil in konisches Mischergehäuse
Fig. 4b: zeigt den Schnitt durch eine Serie von Lagen mit Zick-Zackprofil
Fig. 4c: zeigt zwei sich kreuzende Lagen mit Zick-Zack Profil
Fig. 5a: zeigt eine erste Lage mit einem Zick-Zackprofil, welches einen konischen Hohlkörper ausbildet
Fig. 5b: zeigt eine zweite Lage mit einem Zick-Zackprofil, welches einen konischen Hohlkörper ausbildet
Fig. 6a: zeigt den Einbau einer Lage mit Zick-Zack Profil aus Fig. 6a in ein konisches Mischergehäuse
Fig. 6b: zeigt eine relativ zur Strömungshauptrichtung geneigte Randlage mit Zick-Zack Profil
Fig. 7: zeigt eine Anordnung von zwei Mischelementen für einen konischen Statikmischer
Fig. 8a: zeigt ein fluidleitendes Mittel mit quadratischem Querschnitt
Fig. 8b: zeigt ein fluidleitendes Mittel mit rechteckigem Querschnitt
Fig. 8c: zeigt zwei benachbarte Lagen eines Mischelements mit sich offen kreuzenden Strömungskanälen

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Mischelement gezeigt. Das fluidleitende Mittel oder Gehäuse 1 hat im wesentlichen konische Form und ist in der Fig. 1 nur angedeutet. Das Mischelement umfasst eine Anzahl von trapezförmigen Einbauten oder Lagen 2. Jede der Lagen ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer ebenen Oberfläche dargestellt, wobei aber beliebige oberflächenvergrössernde Strukturen nach zumindest einem der vorhin erwähnten Ausführungsbeispiele auf zumindest einigen der dargestellten Lagen vorgesehen sein können. In der dargestellten Konfiguration wird eine Strömung eines fluiden Gemisches in den Bereich zwischen den Lagen vom Eintrittsquerschnitt 9 zum Austrittsquerschnitt 10 geführt, wobei Pfeil 11 die Hauptströmungsrichtung angibt. Unter fluidem Gemisch soll insbesondere ein gas-flüssig Gemisch oder ein Gemisch von Gasen oder ein Gemisch von Flüssigkeiten verstanden werden. Jede der Phasen kann zusätzlich noch einen Feststoffanteil enthalten. Die Strömung wird durch die an die Form des fluidleitenden Mittels angepasste Ausrichtung der Lagen 2 gleichmässig erweitert und verteilt. Die Anzahl und der Abstand der Lagen hängen im wesentlichen vom Durchmischungseffekt in jeder Lage ab. Dieser wiederum wird durch die Strömungsgeschwindigkeit, sowie nicht zuletzt durch die Eigenschaften der strömenden Komponenten, wie insbesondere deren Dichte oder Viskosität, beeinflusst. An jeder der Wände der Lagen sowie des Gehäuses kann es zur Entstehung von Reibungseffekten kommen, sodass die Randströmungen entstehen, die zu einem geringeren Durchsatz in Rand- und Wandbereichen führen, weil die wandnahe Strömung durch die Reibungseffekte eine geringere Geschwindigkeit als die Hauptströmung aufweist. Im dargestellten Beispiel werden die Lagen 2 durch Haltevorrichtungen 7, 8 in Abständen zusammengehalten. Nach einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Lagen auch an der Innenwand des fluidleitenden Mittels selbst mittels Steck- oder Klemmverbindungen befestigt werden. Die Montage von Lagen in ein konisch ausgestaltetes fluidleitendes Mittel kann dergestalt erfolgen, dass die Lagen mit den Haltevorrichtungen vorab zusammengebaut werden, um sodann als vorgefertigtes Mischelement 12 in das Gehäuse eingesetzt zu werden. Die konische Form des Gehäuses 1 bewirkt somit auch die Zentrierung eines derartig vorgefertigten Mischelements 12.
In Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Mischelement aus Lagen mit Zick-Zack Profil gezeigt. In der Fig. 2 sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei derartige Lagen (3, 4) gezeigt. Das strömende Gemisch wird durch die Lagen, die V-förmige Strömungskanäle ausbilden, geleitet. Im dargestellten Fall stützt sich die Lage 3 entlang der gemeinsamen Kanten 15 auf der Lage 4 ab. Eine Kante 15 gehört der Lage 4 an und weist normal zur Hauptströmungsrichtung, dargestellt durch Pfeil 11 in Richtung des in der Figur als obere Gehäusewand dargestellten fluidleitenden Mittels. Eine Kante 15 gehört der Lage 3 an und steht mit der Kante 15 der Lage 4 in linienförmigem Kontakt. An den Kanten laufen die Profilflächen (13,14) des die jeweilige Lage bildenden Zick-Zack Profils zusammen, welche einen Strömungskanal ausbilden, durch welchen die zu mischenden Komponenten strömen. Der Strömungskanal wird somit durch die Profilflächen (13,14) begrenzt. Wenn sich die Kanten benachbarter Lagen über die gesamte Länge zwischen Eintrittsquerschnitt 9 und Austrittsquerschnitt 10 berühren, werden durch benachbarte Lagen geschlossene Strömungskanäle ausgebildet, die aus jeweils zwei offenen Strömungskanälen (5, 6) aufgebaut sind. Ein derartiger geschlossener Strömungskanal hat im wesentlichen rautenförmigen Querschnitt. Aus Gründen vereinfachter Montage oder verbesserter Durchmischung der einzelnen Teilströme ist es möglich, einen Abstand zwischen den Lagen (3, 4) vorzusehen, in analoger Weise, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Kanten 15 der beiden benachbarten, übereinander angeordneten Lagen berühren sich dann nicht mehr, sodass keine gemeinsame Kante 15 mehr ausgebildet wird. Von den Profilflächen (13,14) wird dann ein offener Strömungskanal ausgebildet.
Die Befestigung der Lagen (3,4) sowie weiterer, nicht dargestellter Lagen in Fig. 2 zur Ausbildung eines Mischelements kann mittels derselben Befestigungsmittel, wie in Fig. 1 dargestellt worden ist, erfolgen, wobei auch die Möglichkeit besteht, eine Schweissverbindung, insbesondere eine Punktschweissung, und/oder eine Lötverbindung und/oder eine Klebeverbindung oder dergleichen vorzusehen.
Zusätzliche Möglichkeiten der Strömungsumlenkung und der Verbesserung der Durchmischung ergeben sich, indem die Kanäle mit nicht dargestellten strömungsumlenkenden Mitteln versehen werden. Insbesondere sind dazu Lochbleche, Vorsprünge in den Kanalwänden, Laschen oder in die Strömungskanäle eingelegte, schüttgutartig verteilte, oberfächenvergrössernde Strukturen vorzusehen. Derartige Strukturen werden in der Gas-flüssig Absorption und als Kolonneneinbauten verwendet, insbesondere Raschig-Ringe, Berl Sättel, Intalox Sättel, Pall Ringe, Tellerette Strukturen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Lage selbst mit strömungsumlenkenden Strukturen zu versehen, insbesondere mit einem Aufbau, der mit einem Streckmetall vergleichbar ist, sowie mit einer der Strukturen, die bereits in der allgemeinen Beschreibung des Mischelements erwähnt wurden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 umfasst ein Mischelement aus einer Kombination aus ebenen Lagen 2 mit Lagen mit Profilflächen (13,14), insbesondere mit einem Zick-Zack Profil. Auf die Darstellung von weiteren Lagen wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Anstatt der ebenen Lage 2 ist auch eine Lage mit Profilflächen verwendbar, die sich von Profilfächen mit Zick-Zack-Profil unterscheiden. Durch die Lage 4, sowie die beiden Lagen 2 werden geschlossene Strömungskanäle gebildet. Die Kante 15 der Lage 4 berührt die Lage 2, aber nicht die Kante 15 der Lage 3. Die Strömungskanäle haben somit im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt. In Analogie zum sich erweiternden Querschnitt des Mischelements nimmt der Querschnitt der Strömungskanäle, die von den benachbarten Lagen (2,3,4) ausgebildet werden, in Hauptströmungsrichtung kontinuierlich zu. Der Vorteil eines Mischelements mit Lagen, die Strömungskanäle ausbilden, liegt in ihrem geringen Druckverlust und in ihrem Beitrag zur Erzeugung und/oder Aufrechterhaltung eines homogenen Gemisches bei einfacher konstruktiver Ausgestaltung. Das strömende Medium muss dem Verlauf des durch das fluidleitende Mittel vorgegebenen Stömungswegs folgen, daher bleibt die Zusammensetzung des strömenden Gemischs gemäss des Kontinuitätssatzes durch den Strömungskanal konstant, solange im Statikmischer keine chemische Reaktion abläuft. Die Strömung befindet sich nur während einer kurzen Zeit im fluidleitenden Mittel, da das fluidleitende Mittel meist nur als Übergang von einem ersten Querschnitt kleineren Durchmessers zu einem zweiten Querschnitt grösseren Durchmessers dient. Die Wegstrecke ist daher zu kurz, als dass sich im beim Durchfluss durch das fluidleitende Mittel nennenswerte Entmischungseffekte entlang der Strömungskanäle bemerkbar machen können. Im Austrittsquerschnitt 10, der im allgemeinen mit einem Ende eines Strömungskanals zusammenfällt, werden alle Teilströme zusammengeführt.
Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es an den Enden der Strömungskanäle der Lagen, die in der Ebene des Austrittsquerschnitts 10 liegen, zur Ablösung von Wirbeln nach dem Prinzip der Karman'schen Wirbelstrasse kommen, wodurch die Durchmischung sogar noch verbessert werden kann.
Nach einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a kann zur besseren Durchmischung vorgesehen werden, dass es nicht zu einer linienförmigen Berührung zweier benachbarter Kanten 15 gemäss Fig. 2 oder von je einer der Kanten 15 mit der dazwischen angeordneten Lage 2 gemäss Fig. 3 kommt, sondern zwei sich kreuzende benachbarte Lagen (3, 4) mit Zick-Zack Profil vorgesehen sind, wie sie exemplarisch in Fig. 4c dargestellt sind, bei welchen sich die Kanten 15 nur in einem Punkt berühren. Diese punktförmige Berührung erfolgt für die Kanten 15 im Berührungspunkt 17 wird dadurch erreicht, dass zwei benachbarte Lagen (3,4) in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Dadurch wird bewirkt, dass die Kante 15, die zu einer ersten Lage 3 gehört, nur einen Berührungspunkt 17 mit der Kante 15 der Lage 4 aufweist. Der Winkel alpha zwischen zwei Kanten 15 von benachbarten Lagen liegt zwischen 0 und 120°, insbesondere zwischen 60 und 90°. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine Kante 15 der Lage 3 um alpha/2 zur einen Seite, eine Kante der benachbarten Lage 4 um alpha/2 zur anderen Seite bezogen auf die Hauptströmungsrichtung geneigt. Diese Anordnung ergibt die später erwähnte "Kreuzkanalstruktur", wie sie CH 547 120 beschrieben ist. Die Kanten der Lage 3 spannen in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a, 4b oder 4c eine Ebene auf, die als Grenzfläche 16 der Lage bezeichnet wird. Die Grenzfläche enthält alle Berührungspunkte benachbarter Lagen, wenn benachbarte Lagen derart angeordnet sind, dass sie eine gemeinsame Grenzfläche ausbilden. Der wesentliche Vorteil dieser auch als Kreuzkanalstruktur bezeichneten Anordnung gemäss dieses Ausführungsbeispiels liegt darin begründet, dass das strömende Gemisch nicht, wie bei den vorhin gezeigten Varianten, immer im selben Strömungskanal strömt, sondern sich zu jedem Zeitpunkt in einem anderen Strömungskanal befindet, also kontinuierlich den Strömungskanal wechselt. In diesem Fall wird das strömende Gemisch wesentlich stärker umgelenkt als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, was eine zusätzliche Verbesserung der Durchmischung zur Folge hat. In Fig. 4a ist die Einpassung von Lagen (3, 4) mit Zick-Zack Profil und ebenen Grenzflächen dargestellt, wobei nur jede zweite Lage 3 dargestellt ist, während die angrenzenden Lagen 4 zur Erhöhung der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen wurden. Die Lagen sind derart ausgestaltet, dass der kürzestmögliche Abstand von zwei benachbarten Kanten gemessen in einem Querschnitt normal zur Hauptströmungsrichtung vom Eintrittsquerschnitt 9 zum Austrittsquerschnitt 10 kontinuierlich zunimmt. Gleichweise ist es möglich, dass der Normalabstand zwischen zwei benachbarten Grenzflächen 16 gemessen in einem Querschnitt normal zur Hauptströmungsrichtung vom Eintrittsquerschnitt 9 zum Austrittsquerschnitt 10 kontinuierlich zunimmt oder auch konstant gehalten wird, wodurch die Grenzflächen der Lagen parallel zueinander zu liegen kommen. Nach dem in Fig. 4a dargestellten Ausführungsbeispiel werden benachbarte Grenzflächen vom Eintrittsquerschnitt 9 zum Austrittsquerschnitt 10 diffusorartig erweitert.
Zumindest einige dieser Berührungspunkte 17 können als Schweisspunkte ausgebildet sein, um benachbarte Lagen (3,4) zu einem Mischelement zusammenzufügen.
Nach einer weiteren Variante fallen die Grenzflächen 16 benachbarter Kanten (3,4) nicht zusammen, sondern weisen einen geringen Abstand voneinander auf, sodass sich benachbarte Lagen nicht berühren. Durch diese Massnahme wird ein Teil des strömenden Gemisches nicht vollständig umgelenkt, sodass die Strömung weniger verlangsamt wird. Die Auswirkungen auf die Durchmischung sind abhängig von den zu mischenden Komponenten, dem Anteil der verschiedenen Phasen sowie der Tendenz zur Entmischung. Durch die Veränderung des Abstands der Lagen voneinander wird auch der Druckverlust des Statikmischers beeinflusst.
Die Lagen sollen, wenn möglich, direkt an die Innenwand des fluidleitenden Mittels angrenzen, wie es in Fig. 4a angedeutet ist, sodass allenfalls ein geringer Abstand zwischen Lage 3 und Innenwand bestehen bleibt. Bei einer linienförmigen Berührung der Lage 3 ergeben sich als Schnittkurven einer ebenen oder beliebig gefalteten, aus ebenen Segmenten aufgebauten Lage mit einer konischen Innenwand Kegelschnitte, also je nach Neigung der Lage zur Innenwand elliptische, parabolische oder hyperbolische Begrenzungslinien, was in Fig. 5a und Fig. 5b dargestellt ist. Jede der oben beschriebenen Lagen, von denen eine in Fig. 5a dargestellt ist, ist in eine Ebene abwickelbar, daher kann mittels Zeichenprogrammen aus der gewünschten Position der Lage im Mischer eine Abwicklung generiert werden. Diese Abwicklungen enthalten neben den Begrenzungslinien der Lage auch die Biegelinien, sodass auch in den Fällen, in welchen jeder Winkel verschieden ist, und daher sehr komplexe Biegvorgänge erforderlich sind, eine wirtschaftliche Herstellung der Lagen möglich ist. In der Fig. 5a ist ein Querschnitt durch so eine Kreuzkanalstruktur dargestellt, wobei wie in Fig. 4a nur jede zweite Lage 3 dargestellt ist. Verwendet man den der Kreuzkanalstruktur entsprechenden Aufbau der Lagen, ist es möglich, dass Toträume entstehen, weil die Lage am Eintrittsquerschnitt 10 Strömungswege durch die Winkelausrichtung des Teils der Lage, welcher der Innenwand benachbart ist, blockiert sind. Deshalb werden nach dem Zusammenbau der Lagen zu einem Mischelement die Kanäle auf der Gehäuseseite, das heisst der Innenwand, überprüft und wenn nötig geöffnet. Der Wandspalt zwischen Mischelementen und Innenwand des fluidleitenden Mittels 1 ist kleiner als der Normalabstand zweier benachbarter Grenzflächen 16, insbesondere kleiner als die Höhe eines Strömungskanals (5,6) einer oberflächenvergrössernden Struktur, insbesondere des dargestellten Zick-Zack Profils, ausgebildet, sodass ein sogenannter "Channelingeffekt" nachweislich ausbleibt.
In Fig. 5b ist eine Lage 3 im Randbereich des Mischelements dargestellt. Die Lage 3 weist Schnittkurven 18 auf, die an die Innenwand des fluidleitenden Mittels angrenzen. Würden die Profilflächen (13,14) der Lagen direkt an die Innenwand angrenzen, würde Strömungskanal 5 nicht durchströmt. Daher werden diese Profilflächen zumindest teilweise in einem Abstand zu der Innenwand angeordnet, beziehungsweise nach Zusammenbau des Mischelements für die Strömung geöffnet.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6a und Fig. 6b bildet jede Lage einen Hohlkörper 19 mit oberflächenvergrössernden Strukturen aus. Die oberflächenvergrössernde Struktur des Hohlkörpers 19, insbesondere die Rippen, Zacken oder Wellen, sind in einem Winkel von 0 bis 180° relativ zur Hauptströmungsrichtung geneigt. Mehrere derartige Hohlkörper können derart ausgestaltet sein, dass sie ineinander einsteckbar sind. Im vorliegenden Fall ist Hohlkörper 19 vollständig in Hohlkörper 20 integrierbar, indem Hohlkörper 19 in den Hohlkörper 20 eingesteckt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen Hohlkörper (19,20) ein Zick-Zack Profil auf. Die nach aussen, sowie auch die nach innen gerichteten Kanten spannen je eine Grenzfläche auf, die konisch ausgebildet ist. Weist Hohlkörper 19 relativ zu Hohlkörper 20 ein Übermass auf, was nichts anderes bedeutet, als dass die innere Grenzfläche von Hohlkörper 20 innerhalb der äusseren Grenzfläche von Hohlkörper 19 zu liegen kommt, verkeilen sich die beiden Hohlkörper (19,20) beim Einbau derart, sodass bei nicht zu grossen Kräften durch das strömende Medium auf die Hohlkörper im eingebauten Zustand des Mischelements auf eine zusätzliche Fixierung der Hohlkörper, wie beispielsweise durch Schweisspunkte oder Befestigungsvorrichtungen, gänzlich verzichtet werden kann. Die Klemmkräfte bieten ausreichende Sicherheit gegen eine Positionsänderung der Lagen im Betrieb. Wenn es vom Einbauort her möglich ist, kann ein derartiges Mischelement in ein fluidleitendes Mittel, welches eine im wesentlichen vertikal angeordnete Hauptströmungsachse aufweist, eingebaut werden, sodass das Gemisch den Statikmischer von unten nach oben durchströmt. Sollte eine Gefahr bestehen, dass Lagen gegeneinander verschoben oder sogar mit der Strömung durch den Austrittsquerschnitt mitgerissen werden, weil sie aus einem leichten Werkstoff, wie Leichtmetall oder Kunststoff bestehen, kann gegebenenfalls eine Rückhaltevorrichtung im Bereich des Austrittsquerschnitts 11 vorgesehen sein.
Fig. 7 zeigt zwei Mischelemente 12 für einen konischen Statikmischer, welche unmittelbar angrenzend zueinander angeordnet sind. Diese Mischelemente sind aus Lagen 3 aufgebaut, welche insbesondere ein Zick-Zack Profil nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele aufweisen, wobei benachbarte Lagen um einen von 0° verschiedenen Winkel gegeneinander geneigt sind. Jedes Mischelement 12 weist hohe Stabilität auf, weil die Lagen sich untereinander und gegen die Innenwand des fluidleitenden Mittels abstützen. Die Hauptströmungsrichtung wird durch den Pfeil 11 dargestellt.
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Variante, können die beiden Mischelemente 12 auch in einem Abstand zueinander angeordnet sein.
In Fig. 8a ist ein fluidleitendes Mittel mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Vom Eintrittsquerschnitt 9 steigt die Querschnittsfläche kontinuierlich zum Austrittsquerschnitt 10 an. Dabei nimmt jede Seitenlänge des Quadrats kontinuierlich zu.
Fig. 8b ist ein fluidleitendes Mittel mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Vom Eintrittsquerschnitt 9 steigt die Querschnittsfläche kontinuierlich zum Austrittsquerschnitt 10 an. Dabei nimmt nur jede zweite Seitenlänge des Rechtecksquerschnitts kontinuierlich zu, in der Fig. 8b handelt es sich um die Seitenlänge 21. In Fig. 8b sind die Grenzflächen 16 der Lagen des Mischelements angedeutet.
Fig. 8c zeigt die Anordnung von zwei benachbarten Lagen (3,4) mit Zick-Zack Profil für eines der in Fig. 8a oder Fig. 8b dargestellten Ausführungsbeispiele. Weitere Lagen sind nur durch ihre Grenzflächen 16 angedeutet, um die Fig. 8c nicht zu überladen. In dieser Variante sind für die Ausführung der an die Innenwand des fluidleitenden Mittels 1 angrenzenden Randlagen keine speziellen Bearbeitungsschritte erforderlich, sodass der Herstellungsaufwand für ein Mischelement mit einem fluidleitenden Mittel 1 mit abschnittsweise ebenen Mantelflächen geringer ist. Bezüglich der Möglichkeiten der Erweiterung der Kanäle der einzelnen Lagen vom Eintrittsquerschnitt 9 zum Austrittsquerschnitt 10 sei auf die unter Fig. 4a bis Fig. 4c dargestellten Möglichkeiten für Zick-Zack Profile verwiesen, die wieder exemplarisch für alle anderen, im Text erwähnten Ausführungen der Lagen stehen sollen.

Bezugszeichenliste

1.: Fluidleitendes Mittel
2.: Lage
3.: Lage
4.: Lage
5.: Strömungskanal
6.: Strömungskanal
7.: Haltevorrichtung
8.: Haltevorrichtung
9.: Eintrittsquerschnitt
10.: Austrittsquerschnitt
11.: Pfeil
12.: Mischelement
13.: Profilfläche
14.: Profilfläche
15.: Kante
16.: Grenzfläche
17.: Berührungspunkt
18.: Schnittkurve
19.: Hohlkörper
20.: Hohlkörper
21.: Seitenlänge

Claims

Mischelement (12) für den Einbau in ein fluidleitendes Mittel (1) umfassend eine Eintrittsöffnung (9) für zumindest zwei Komponenten mit einem ersten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung (11) in der Eintrittsöffnung (9) liegt, und eine Austrittsöffnung (10) für ein Gemisch mit einem zweiten Querschnitt, der in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen normal zur Hauptströmungsrichtung (11) in der Austrittsöffnung (10) liegt, wobei das Mischelement (12) einen Querschnittsverlauf aufweist, der im wesentlichen kontinuierlich vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt ansteigt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mischelement stromteilende Lagen (2,3,4) derart angeordnet sind, dass eine präzise Einpassung des Mischelements (12) in das sich im wesentlichen kontinuierlich erweiternde fluidleitende Mittel
(1) ermöglicht wird.
Mischelement nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Lage (3,4) zumindest einen Strömungskanal (5,6) umfasst.
Mischelement nach Ansprüchen 1 oder 2, wobei Strömungskanäle (5,6) benachbarter Lagen (3,4) sich offen kreuzend und/oder diffusorartig ausgebildet sind.
Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strömungskanal von zumindest zwei Profilflächen (13,14) begrenzt wird, wobei je zwei benachbarte Profilflächen einer Lage (3,4) eine gemeinsame Kante (15) ausbilden.
Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Kanten (15) einer Lage (3,4) eine Grenzfläche (16) aufgespannt wird, die eben und/oder zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist.
Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu einer Lage gehörigen Kanten (15) um einen Winkel alpha einem Bereich von 0 bis 120°, insbesondere von 60 bis 90°, gegeneinander geneigt ausgebildet sind, wobei insbesondere sich kreuzende Kanten von benachbarten Lagen (3,4) mit der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzt gleich grosse Winkel alpha/2 einschliessen.
Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Querschnitt des Mischelements vom ersten Querschnitt zum zweiten Querschnitt insbesondere konisch erweitert, wobei sich insbesondere der Durchmesser des Austrittsquerschnitts bezogen auf den Durchmesser des Eintrittsquerschnitts um einen Faktor 2 bis 5 vergrössert.
Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wandspalt zum fluidleitenden Mittel (1) kleiner als der Normalabstand zweier benachbarter Grenzflächen (16), insbesondere kleiner als die Höhe eines Strömungskanals (5,6) einer oberflächenvergrössernden Struktur ausgebildet ist.
Anordnung mit einem konventionellen Mischelement und zumindest einem konischen Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei insbesondere benachbarte Mischelemente um 0 bis 90°, bevorzugt um 60 bis 90° gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Mischelemente in einem fluidleitenden Element (1) im Eintrittsbereich eines Wärmetauschers angeordnet sind.
Verwendung eines Mischelements nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Verfahren zur Erdgasverarbeitung und/oder zur Abgasentstickung.
Verwendung eines Mischelements zur Durchführung von katalytischen und/oder biogenen Reaktionen.
Statikmischer mit mindestens einem Mischelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.