EP1857172A1 - Static mixer - Google Patents
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- EP1857172A1 EP1857172A1 EP07106488A EP07106488A EP1857172A1 EP 1857172 A1 EP1857172 A1 EP 1857172A1 EP 07106488 A EP07106488 A EP 07106488A EP 07106488 A EP07106488 A EP 07106488A EP 1857172 A1 EP1857172 A1 EP 1857172A1
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Images
Classifications
-
- 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
- B01F25/432—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 mixing element for a static mixer according to the preamble of claim 1 and uses of such a mixing element and a static mixer with such a mixing element.
- Static mixers are used for mixing two or more fluid components, in particular of gas-liquid mixtures.
- the mixing element should find use in a designed as a diffuser section fluid conducting means.
- the mixing element contributes at least to the maintenance of a uniform state of mixing in the diffuser, by counteracting any possible demixing effects through its structural design and / or effecting a uniform mixing of the components flowing through the diffuser section.
- the static mixer thus comprises the fluid-conducting means having an inlet opening for the components of a first diameter and an outlet opening for the mixture of a second diameter, wherein the fluid-conducting means has a diameter profile which increases substantially continuously from the first diameter to the second diameter, and at least a mixing element arranged in the diffuser section.
- the fluid-conducting means can be configured as a line piece that widens substantially continuously.
- EP-A-918 146 known to provide internals in a diffuser expanding as a mixer housing. These installations are formed of concentric frustoconical lateral surfaces. The conical tips are at least approximately at a point and the inlet cross sections of the internals span with their edges in each case a surface which has a shape that tapers against the flow direction. Through the internals through the diffuser flowing gases, in the case of EP-A-918146 Pollutants, passed more evenly into a downstream catalyst.
- edge effects occur, which are also referred to as channeling. These edge effects are caused by edge currents, which cause a slowing of the flow relative to the center. These edge flows are mainly due to frictional effects on the inner wall of the diffuser. When widening in the cone, the braking effect, caused by the above-mentioned frictional effects, can lead to a reduction of the velocity in the area close to the wall, which can even lead to the drop response. bubble-shaped, ie disperse phase, in particular liquid constituents, can no longer keep in suspension with the continuous phase, in particular a gas) and separate.
- Such gas-liquid mixtures are used for example in the LNG (liquid natural gas) processing as a coolant.
- This coolant consists of various gaseous and liquid components, the proportion in particular volatile aliphatic hydrocarbons, preferably methane, ethane, propane and / or butane comprises.
- the coolant is introduced into a heat exchanger, which is generally designed as a tube bundle heat exchanger.
- the heat exchanger is designed for a cooling capacity that requires a homogeneous coolant mixture, otherwise the cooling capacity can not be optimally utilized. Accordingly, if there is a separation of the coolant mixture, the desired cooling capacity may not be reached and the required capacity can not be maintained. So far, you had to oversize the heat exchanger accordingly.
- a static mixer of two cylindrical mixing elements wherein one of these mixing elements respectively the diameter of the supply line, ie a pipe, and the second mixing element, the diameter of the Having heat exchanger inlet. Measurements on such a static mixer have shown that even in this case, the gaseous and liquid components are not evenly distributed.
- the mixing section is dimensioned too short for this purpose, also in this mixer arrangement, there is an abrupt transition at the point where the cylindrical mixing element with the diameter of the supply line adjoins the mixing element with the diameter of the heat exchanger inlet.
- the two mixing elements are preferably made in the same length, so that the transition is in the middle.
- the object of the invention is to provide a mixing element for a static mixer, by means of which a multiphase fluid flow, in particular a charged with liquid droplets gas stream or a gas bubbles laden liquid stream, mixing by a substantially continuously expanding line piece while maintaining a uniform distribution of fluids can be promoted.
- a mixing element for installation in a fluid-conducting means which may be formed in particular as a housing or container shell, comprises an inlet opening for at least two components with a first cross-section, which is arranged in a plane which is substantially normal to the main flow direction in the inlet opening and an outlet opening for a mixture having a second cross-section, which is arranged in a plane which is substantially normal to the main flow direction in the outlet opening, wherein the mixing element has a cross-sectional profile which increases substantially continuously from the first cross section to the second cross section.
- flow dividing layers are arranged such that a precise fitting of the mixing element into the substantially continuously expanding fluid conducting means is made possible.
- the mixing element is at least partially provided in the region between the inlet opening and the outlet opening.
- the precise fitting ensures that edge flows are deflected from the inner wall of the fluid-conducting means in the direction of the main flow and together with the main flow with at least approximately the same velocity distribution over the considered Flow cross-section are passed through the diffuser, as well as higher flow rate fluid as a compensating flow from a central region of the cross section in the direction of the wall region, thereby causing cross-mixing and thus improving the mixing of the fluid components.
- the stream-dividing layers comprise flow channels, which are in particular of a diffuser-like design, advantageously with flow channels that intersect openly, as shown, for example, in FIGS CH 547 120 be revealed.
- installation elements or layers are provided over at least part of the cross-section, by means of which the shear flow can be generated by intersecting flow paths, so that continuous turbulence arises when the flows are superimposed, whereby a continuous mixing of the mixture and a simultaneous flow in the direction of the mixer output can be achieved.
- a mixing element comprises at least two layers of a thin-walled material.
- a layer of flat, thin-walled sheets may be constructed, which are fitted in the widening cross-section of the fluid-conducting means such that the individual layers appear in each cross-section as mutually parallel cut surfaces, the distance of the cut surfaces of the layers but in the flow direction continuously increases.
- Such widening, flat layers are held in position by a framework of fasteners equipped with clamps or connectors.
- the area spanned between two adjacent layers and the fluid conducting means which is substantially normal to the main flow direction, therefore increases in a diffuser-like manner.
- the mixture flowing between the individual layers then flows essentially through a narrow channel, which widens in accordance with the cross-sectional increase of the mixer.
- Such a layer may comprise a folded, unwound in a plane structure of a thin-walled plate material, wherein the fold may be formed in particular as ribs.
- a layer may comprise open channel-forming structures, in particular folded, wavy or jagged structures may be provided.
- closed channels forming structures in particular honeycomb or tube-like structures can be used.
- at least one layer may comprise at least one flow channel.
- the structures are made of a metallic material, advantageously sheet metal and / or a steel and / or steel alloy can be used, which is not least dependent on the temperature, the pressure, and / or the nature of the flowing medium. High-temperature-resistant steels can also be used if it requires the temperature of the medium to be pumped.
- the production and mixing of corrosive mixtures requires the use of corrosion-resistant materials, in particular corrosion-resistant steels, but also ceramics, silicon compounds, carbon and / or coatings comprising PTFE, epoxy, halar, TNi alloys and / or carbide layers and / or galvanic coatings, especially by chromium plating or nickel plating applied coatings. If the mixture also contains solids, such as dust, high demands are placed on the scratch resistance of the internals of the mixing elements. With a scratch-resistant coating of the layers of the mixing element and / or the fluid-conducting agent, the service life of the static mixer is increased. In individual cases, the attachment of a dirt-repellent layer may be advantageous.
- the static mixer is made of 304 L material and / or SS 316, and / or 904 L, and / or Duplex and / or 1.4878 low temperature, low distortion, corrosion resistant, as well as Characterize cold toughness.
- Plastics are used for static mixers which are not subject to high temperatures, in particular polypropylene, PVDF or polyethylene.
- a further application of a mixing element according to one of the claims can be provided in a static mixer in which a chemical reaction can take place. To carry out a chemical reaction, a rapid and uniform mixing of the fluid components to be brought into contact with one another is to be brought about become.
- a layer which may be formed according to one of the preceding embodiments, comprises means for attaching microorganisms, in particular bacteria.
- a static mixer is equipped according to a further embodiment with fluid-conducting means with partially planar lateral surfaces, in particular with rectangular or square cross-sectional areas which span trapezoidal lateral surfaces, which in their entirety result in the fluid-conducting agent.
- Such a static mixer includes at least one mixing element according to one of the preceding embodiments.
- the dependent claims 2 to 8 relate to advantageous embodiments of the inventive mixing element.
- Uses of the inventive mixing element, in particular in a static mixer are each the subject of claims 9 and 10th
- At least one layer of the mixing element comprises a surface-enlarging structure, in particular a flow channel.
- a layer with a zig-zag profile is used to represent a layer with a surface-enlarging structure.
- Such strainnvergrössernde structures include wavy profiles, ribbed profiles, profiles with projections of any geometry and / or angular position to the flow direction.
- a zig-zag profile consists of a series of edges when viewed with the cross-sectional area of the channel structure. Each of these edges forms a line in the three-dimensional position in the mixing element from the initial cross-section to the end cross-section.
- the line is a straight line, but may have any, in particular periodically repeating, curve shape.
- Such a situation with edges with a curve shape can be used, for example, in a mixing element for a fluid-conducting medium with a change in the main flow direction, which leads to a change in direction of the flowing mixture in addition to the widening of the flow cross-section.
- a layer with a symmetrical profile such as a zig-zag profile
- two adjacent edges are adjacent to an open channel whose walls are formed by at least two planar and / or the curvature of the edges following profile surfaces.
- the channel has a V-shaped cross-section in this application example, since the lower boundary of the channel is also formed by an edge pointing in the opposite direction.
- adjacent profile surfaces are arranged at an acute angle to each other, which is smaller than 180 °.
- the edges of adjacent layers come to rest on one another in a line, so that two adjacent layers with edges facing in opposite directions come to lie on one another. Closed channels then form between the two adjacent layers, through which the flowing mixture is passed.
- the components of the mixture from the inlet opening into the mixer to the outlet opening remain in the same channel, which widens diffusely, corresponding to the expansion of the fluid-conducting means in the main flow direction.
- the distance between two adjacent layers increases from the cross section of the inlet opening to the cross section of the outlet opening, corresponding to the widening of the fluid-conducting means perpendicular to the main flow direction.
- Each layer can be produced from a flat plate material which is folded in such a way that the height of the edges and the distance between two adjacent edges increase in the direction of the widening, ie diffuser-like, mixing element.
- edges of adjacent layers come to rest on each other, so that a linear contact of adjacent layers takes place along the common edge.
- a flow channel forms, the cross section of the inlet opening to the outlet opening continuously increases when the entire diffuser cross section is to be detected.
- the layers may consist of at least two planar and / or the curvature of the edges following profile surfaces be constructed and / or the profile surfaces themselves have an additional structuring, which are in particular formed as a wave or jagged ribs or fins and may include a series of open channels extending between the ribs or fins.
- additional structuring is described, for example, in US Pat CH 547 120 disclosed.
- the flow channels of adjacent layers are openly crossing and / or diffuser-like.
- a particularly rapid and good mixing of the components to be mixed is achieved.
- it does not come to a linear contact two adjacent layers with surface-enlarging structures, but touch the edges of the adjacent layers only punctiform.
- This punctiform contact is achieved in that two adjacent layers are arranged at an angle to each other. This causes the edge belonging to a first layer to have only a punctiform contact with a number of corresponding edges of the adjacent layer.
- the main advantage of this embodiment is due to the fact that the flowing medium does not always flow in the same channel as in the previously shown variants, but is always in a different channel at all times, ie continuously changes channels. In this case, the flowing medium is much more deflected than in the previous embodiments, resulting in an additional improvement of the mixing result.
- two adjacent layers can be combined with different profiles, which are also arranged to improve the mixing at an angle between 0 and 180 ° to each other.
- each layer forms a hollow body with surface-enlarging structures, is designed in particular with a ribbed, serrated or wavy surface.
- the edges of the surface-enlarging structures clamp demanch an interface, which is conceivable as a hollow body, which in particular has a conical shape.
- the endurenvergrössernden structures are inclined at an angle of 0 to 180 ° to the flow direction. Several such hollow body can be inserted into each other.
- the angles of the surface-enlarging structures differ from two adjacent layers designed as hollow bodies, so that the flow can be deflected several times over the surface-enlarging structures.
- a flow channel is delimited by at least two profile surfaces, wherein each two adjacent profile surfaces of a layer form a common edge.
- flow channels with flat profile surfaces are inexpensive and easy to produce.
- Through the edges of a layer an interface is spanned, which is planar and / or at least partially conical. If a layer has multiple edges that jointly span such an interface, flat planar surfaces, for example, can easily be produced by flat profile surfaces, since the planar profile surfaces can be manufactured with close tolerances since the necessary dimensions are easily adjustable and verifiable.
- the shape of the interface acquires significance, in particular, when a multiplicity of layers arranged one above the other are required for producing a mixing element, in which the edges of adjacent layers touch at least pointwise.
- an interface is formed by the edges of a layer, which is flat and / or at least partially conical.
- the interface is the connecting surface of all edges.
- Most of the aforementioned embodiments for layers with surface-enlarging structures have planar boundary surfaces, so that adjacent layers each have one of these planar boundary surfaces in common.
- the interface with the surface falls the situation together.
- the interface may also represent an arbitrarily curved surface in space.
- the edges of the surface-enlarging structures likewise span a surface curved in space.
- the use of a layer with a conical interface is suitable so that the layers have boundary surfaces which are conically formed between the layers.
- the edges belonging to a layer of a mixing element are inclined relative to one another by an angle alpha in a range from 0 to 120 °, in particular from 60 to 90.
- the cross section of the mixing element widens in particular conically from the first cross section to the second cross section, wherein in particular the diameter of the outlet cross section increases by a factor of 2 to 5 relative to the diameter of the inlet cross section, which equates to a cross sectional enlargement by a factor of 4 up to a factor of 25.
- the mixing element widens conically from the first cross section to the second cross section, in particular the diameter of the inlet cross section widens by a factor of 2 to 5. Since the fluid conducting means in this embodiment widens conically, an abrupt transition from a cross section of a Supply line, which opens into the inlet opening, so usually a pipe to the cross section of the outlet opening, avoided.
- the outlet opening can be designed as an inlet opening in a heat exchanger or reactor.
- the mixture is already largely homogeneous.
- gaseous, liquid and / or solid components of the mixture are suspended.
- the mixing state is maintained by means of the mixing element (s) in a cone - which would otherwise contribute to the segregation as a diffuser.
- even an improvement of the mixing of the components is achieved, in particular by means of Mixing elements with intersecting flow channels, so that the components are distributed homogeneously over each cross-section of the cone downstream of the inlet cross-section.
- the conical shape also offers considerable advantages for the installation of layers, since the conical shape of the fluid-conducting agent acts as a centering device for the installation of a conical mixing element.
- the mixing elements are advantageously designed in the manner of a diffuser, that is to say that the mixing elements adapt to the widening cross-section, ie in particular have a conical shape of their own.
- the fit is due to the conical shape of the mixing element by the positioning of the mixing elements or in the cone, whereby the position of the mixing element in the conical fluid-conducting means is clearly defined.
- the layers should, if possible, directly adjacent to the fluid-conducting means, so the inner wall of the mixer.
- the result is sectional curves of a flat layer or a layer having a surface-enlarging structure, in particular a surface-enlarging structure constructed from planar segments, such as a zig-zag profile, with conical inner wall conic sections, ie elliptical, depending on the inclination of the layer to the cone. parabolic or hyperbolic boundary lines.
- Each of the layers described above can be developed in one plane, therefore a processing can be generated by means of drawing programs from the desired position of the layer in the mixer.
- a possible method for producing the mixer comprises the following steps: producing a fluid-conducting means having an inlet opening with a first cross-section and an outlet opening with a second cross-section, wherein the fluid-conducting means has a cross-sectional profile which increases continuously from the first cross section to the second cross section.
- the mixing element is produced.
- the Mixing element comprises a plurality of layers, which are individually prefabricated and joined together by means of connecting means to a mixing element. If the surface structures of the layers can be unwound in one plane, the production is simplified, since the unwinding of each layer of planar plate-shaped base material can be cut by means of cutting means, and then foldable by means of bending means for producing the surface structure.
- This production is particularly suitable for layers of a metallic material.
- Layers of plastic are produced in their folded form in an extrusion process or by injection molding and subsequently cut to the shape that is required to form a flared, ie in particular conical mixing element.
- the layers assembled into a mixing element are positioned in the mixer.
- the mixing element is already fitted in a conical state in a conical fluid-conducting means, only a minimal amount of welding is necessary.
- the layers are centered by the cone, so that the assembly of the layers which have been folded out of the unwindments can also be carried out directly into the fluid-conducting means, since the positioning of the layers is effected by the conical shape of the fluid-conducting medium itself. the orientation of the layers is given to each other.
- the entire mixing element can also be produced by injection molding or in a lost form.
- the wall gap between the mixing elements and the inner wall of the housing is not more than 2% of the respective cross section, in particular not more than 1% of the respective cross section, particularly preferably not more than 0.5% of the respective cross section, so that a so-called "channeling effect" is demonstrably absent.
- the wall gap to the fluid-conducting means should be smaller than the normal distance between two adjacent boundary surfaces, in particular as the height of a flow channel of a surface-enlarging structure.
- the height of the flow channel is defined as the normal distance between the two boundary surfaces, which are defined by the edges of the surface-enlarging structure.
- the wall gap should be at most half the height of the flow channel.
- the liquid phase can be returned to the center via a so-called “riser plate” and distributed in the mixer over the cross section.
- a “riser plate” is defined as a built-in element, which is attached to the inside of the fluid-conducting means, in particular welded to the inside of the fluid-conducting means. This mounting element serves to return components that have accumulated at the lowest point of the fluid-conducting agent back into a mixing element.
- Built-in element should be representative of specific embodiments, such as a profile, a ramp, a plate or the like.
- mixing elements which are installed in a pipe section of constant cross-section and mixing elements according to one of the preceding embodiments can be combined with one another.
- two adjacent mixing elements can be arranged rotated at an angle between 0 and 90 °, in particular between 60 and 90 °. As a result of the rotation, a further deflection of the flow can be achieved, which has proved to be advantageous, in particular for the exemplary embodiments mentioned, with at least section-wise channel flow.
- the arrangement of a mixing element can take place upstream of a heat exchanger, in particular in the inlet region of a heat exchanger.
- the flow is evenly distributed in the flow direction at increasing the average cross section to the expanded cross section, and ensures a homogeneity of the flow over the entire cross section.
- the use of the mixing element takes place in a method for denitrification of exhaust gases, for the distribution of exhaust gases on a catalyst surface, in a method for producing LNG (liquid natural gas), in particular for introducing a gas-liquid mixture such as a coolant for LNG gas processing in one heat exchange device.
- the heat exchange device may in particular comprise a heat exchanger, advantageously a shell-and-tube heat exchanger.
- liquid urea is vaporized and mixed with the gas stream. Both the evaporation and the mixture can be done simultaneously in the static mixer. Due to the combined process management, there is a need to supply the urea gas mixture for further processing to the subsequent process step already in the mixed state.
- Another application is to evaporate liquids in a static mixer with widening cross section and mix at the same time. In particular, in systems with limited space, the use of such a mixer is advantageous to obtain a mixture when expanded to larger diameter in a mixed state.
- coolant In natural gas processing, coolant must be cooled for further use.
- the coolant consists of various gaseous and liquid components, the largest being methane and ethane.
- the mixture of gaseous and liquid coolant is usually passed in a pipeline to a heat exchanger, in particular a shell and tube heat exchanger, where it is then cooled by a multi-pass system.
- the entrance of the shell and tube heat exchanger usually has a size DN1500 to DN2400 (1.5 to 2.4 m), which means that the mixture in the pipeline of essentially DN600 (0.6 m) must be expanded via a cone into the inlet of the shell and tube heat exchanger.
- the gaseous and liquid components In order for the heat exchanger to reach its full capacity, the gaseous and liquid components must be uniformly mixed over the cross section and fed in equal proportions to the individual tubes.
- the heat exchanger is designed essentially for gas-liquid mixtures, that is, the gas-liquid mixture should have a uniform over the inlet cross section in the heat exchanger distribution.
- Another possible application of the mixing element in vehicle construction relates to the entry of an engine exhaust gas into a catalytic converter for the catalytic separation of pollutants, in particular nitrogen oxides (NOx) and their binding by catalytic reaction on the catalyst surface.
- pollutants in particular nitrogen oxides (NOx)
- NOx nitrogen oxides
- Another possible use of the mixing element according to one of the preceding embodiments consists in the chemical reaction technique for carrying out catalytic and / or biogenic reactions, in particular in widening cross sections for the entry of a single- or multi-phase fluid mixture in a reactor.
- Gaseous and liquid components often have to be dispersed in front of a reactor. After generation of the bubble bed and the uniform distribution of the components, the current is often widened, because the current with a diameter larger than the diameter diameter in a Reactor containing a catalyst occurs.
- the static mixer is used to maintain the homogeneity of the mixture.
- the lower Abbrems in comparison to an abrupt cross-sectional transition of supply line to the inlet cross section in the reactor vessel helps to make the bubbles coalesce less rapidly.
- Another use of the static mixer is in the field of gas liquefaction.
- gas liquefaction various gas streams are mixed and then fed into a multi-pipe system.
- the gas is mixed in a DN 600 (0.6 m) pipe and then evenly distributed over the various pipes in a housing diameter DN 12000 (12 m).
- baffles are used for this purpose. So that each tube receives the same proportion of gas, the use of a static mixer according to one of the preceding embodiments lends itself.
- plug-flow reactors Another field of application for the static mixer is in the field of reactors in which a piston flow is to be maintained, so-called plug-flow reactors.
- mixing elements are used to direct the fluid in a piston flow through a cylindrical housing. If the diameter needs to be changed, the piston flow in the conical section will be disturbed due to the lack of mixing elements. With the use of conical mixing elements, the flow properties can be maintained in the conical section.
- a static mixer of the above-mentioned design can also be combined with a static mixer operating as a premixer with a constant, in particular hollow cylindrical, cross-sectional profile.
- the mixing of the individual fluid components takes place in the static mixer cylindrical design, the static mixer with expanding cross-section has primarily the function of uniformly expand the mixture and / or distribute.
- a first embodiment of a mixing element is shown.
- the fluid-conducting means or housing 1 has a substantially conical shape and is indicated in Fig. 1 only.
- Each of the layers is shown in the illustrated embodiment with a flat surface, but any shenvergrössernde structures can be provided according to at least one of the aforementioned embodiments on at least some of the layers shown.
- a flow of a fluid mixture is directed into the region between the layers from the inlet section 9 to the outlet section 10, arrow 11 indicating the main flow direction.
- fluid mixture is meant in particular a gas-liquid mixture or a mixture of gases or a mixture of liquids.
- Each of the phases may additionally contain a solids content.
- the flow is uniformly expanded and distributed by the alignment of the layers 2 adapted to the shape of the fluid-conducting means.
- the number and spacing of the layers depend essentially on the mixing effect in each layer. This in turn is influenced by the flow rate, and not least by the properties of the flowing components, in particular their density or viscosity.
- the layers 2 can also be attached to the inner wall of the fluid-conducting agent itself by means of plug or clamp connections.
- the assembly of layers into a conically configured fluid-conducting means can be carried out in such a way that the layers are pre-assembled with the holding devices, in order then to be inserted as a prefabricated mixing element 12 into the housing.
- the conical shape of the housing 1 thus also causes the centering of such a prefabricated mixing element 12th
- Fig. 2 shows a second embodiment with a mixing element of layers with zig-zag profile shown.
- the flowing mixture is passed through the layers that form V-shaped flow channels.
- the layer 3 is supported along the common edges 15 on the layer 4.
- An edge 15 is part of the layer 4 and has normal to the main flow direction, represented by arrow 11 in the direction of the fluid-conducting means shown in the figure as the upper housing wall.
- An edge 15 belongs to the layer 3 and is in line contact with the edge 15 of the layer 4.
- the profile surfaces (13, 14) of the zig-zag profile forming the respective layer converge at the edges, forming a flow channel through which the components to be mixed flow.
- the flow channel is thus limited by the profile surfaces (13,14). If the edges of adjacent layers over the entire length between inlet cross-section 9 and outlet cross-section 10 touch, closed flow channels are formed by adjacent layers, which are each constructed of two open flow channels (5, 6). Such a closed flow channel has a substantially diamond-shaped cross-section. For reasons of simplified assembly or improved mixing of the individual partial flows, it is possible to provide a distance between the layers (3, 4), in an analogous manner, as shown in Fig. 1. The edges 15 of the two adjacent, superimposed layers then no longer touch, so that no common edge 15 is formed more. From the profile surfaces (13,14) then an open flow channel is formed.
- the attachment of the layers (3,4) and other, not shown, layers in Fig. 2 for forming a mixing element can by means of the same fastening means, as shown in Fig. 1, take place, with the possibility of a welded joint, in particular a Spot welding, and / or provide a solder joint and / or an adhesive bond or the like.
- flow-deflecting means Additional possibilities of the flow deflection and the improvement of the mixing result by the channels are provided with not shown flow-deflecting means.
- perforated plates, projections in the channel walls, tabs or inserted into the flow channels, bulk-like distributed, devisf kauenvergrössernde structures are provided.
- Such structures are used in gas-liquid absorption and as column internals, especially Raschig rings, Berl saddles, Intalox saddles, Pall rings, Tellerette structures.
- Another possibility is to provide the layer itself with flow-deflecting structures, in particular with a structure that is comparable to an expanded metal, as well as with one of the structures that have already been mentioned in the general description of the mixing element.
- a third embodiment according to FIG. 3 comprises a mixing element made of a combination of planar layers 2 with layers with profile surfaces (13, 14), in particular with a zig-zag profile.
- the presentation of further layers has been omitted for clarity.
- a layer with profile surfaces is used, which differ from Profilfownen with zig-zag profile.
- the edge 15 of the layer 4 touches the layer 2, but not the edge 15 of the layer 3.
- the flow channels thus have a substantially triangular cross-section.
- the cross section of the flow channels formed by the adjacent layers (2, 3, 4) increases continuously in the main flow direction.
- the advantage of a mixing element with layers which form flow channels lies in their low pressure loss and their contribution to the generation and / or maintenance of a homogeneous mixture in a simpler constructive Design.
- the flowing medium must follow the course of the flow path defined by the fluid-conducting means, therefore the composition of the flowing mixture remains constant in accordance with the continuity theorem through the flow channel as long as no chemical reaction takes place in the static mixer.
- the flow is only for a short time in the fluid-conducting means, since the fluid-conducting means usually serves only as a transition from a first cross section of smaller diameter to a second cross section of larger diameter. The distance is therefore too short for appreciable demixing effects along the flow channels to be noticeable in the flow through the fluid-conducting means.
- the outlet section 10 which generally coincides with one end of a flow channel, all partial flows are brought together.
- FIG. 4 a for better mixing it can be provided that there is no linear contact of two adjacent edges 15 according to FIG. 2 or one of the edges 15 with the layer 2 according to FIG. 3 arranged therebetween, but two intersecting adjacent layers (3, 4) are provided with zig-zag profile, as shown by way of example in Fig. 4c, in which the edges 15 touch only in one point.
- This punctiform contact takes place for the edges 15 in the contact point 17 is achieved in that two adjacent layers (3,4) are arranged at an angle to each other. This causes that the edge 15, which belongs to a first layer 3, has only one point of contact 17 with the edge 15 of the layer 4.
- the angle alpha between two edges 15 of adjacent layers is between 0 and 120 °, in particular between 60 and 90 °.
- an edge 15 of the layer 3 is alpha / 2 to one side, an edge of the adjacent layer 4 by alpha / 2 to the other side with respect to the main flow direction inclined.
- This arrangement yields the later-mentioned "cross-channel structure" as they CH 547 120 is described.
- the edges of the layer 3 span in the embodiment of Fig. 4a, 4b or 4c on a plane which is referred to as the interface 16 of the layer.
- the interface contains all points of contact of adjacent layers when adjacent layers are arranged to form a common interface.
- the main advantage of this arrangement is that the flowing mixture does not always flow in the same flow channel, as in the previously described variants, but is in a different flow channel at all times, ie continuously the flow channel replaced. In this case, the flowing mixture is much more deflected than in the previous embodiments, which has an additional improvement of the mixing result.
- Fig. 4a the fitting of layers (3, 4) is shown with zig-zag profile and flat boundary surfaces, with only every other layer 3 is shown, while the adjacent layers 4 have been omitted for clarity of illustration.
- the layers are configured such that the shortest possible distance from two adjacent edges, measured continuously in a cross section normal to the main flow direction, continuously increases from the inlet cross section 9 to the outlet cross section 10. Equally, it is possible that the normal distance between two adjacent boundary surfaces 16 as measured in a cross section normal to the main flow direction from the inlet cross section 9 to the outlet cross section 10 continuously increases or is kept constant, whereby the boundary surfaces of the layers come to lie parallel to each other. According to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4a, adjacent boundary surfaces are widened in a diffuser-like manner from the inlet cross-section 9 to the outlet cross-section 10.
- At least some of these points of contact 17 may be formed as welding points to join together adjacent layers (3, 4) to form a mixing element.
- the boundary surfaces 16 of adjacent edges (3, 4) do not coincide, but are at a small distance from one another, so that adjacent layers do not touch one another. Through this As a result, a portion of the flowing mixture is not completely redirected, so that the flow is slowed down less.
- the effects on the mixing depend on the components to be mixed, the proportion of the different phases and the tendency for segregation. By changing the distance of the layers from each other, the pressure loss of the static mixer is also affected.
- the layers should, if possible, directly adjoin the inner wall of the fluid-conducting agent, as indicated in FIG. 4a, so that at most a small distance between layer 3 and inner wall remains.
- Each of the layers described above, one of which is shown in Fig. 5a is developable in a plane, therefore, by means of drawing programs from the desired position of the situation in the mixer, a settlement can be generated.
- FIG. 5 a shows a cross section through such a cross channel structure, whereby only every second layer 3 is shown, as in FIG. 4 a.
- the wall gap between mixing elements and the inner wall of the fluid-conducting means 1 is smaller than the normal distance between two adjacent boundary surfaces 16, in particular smaller than the height of a flow channel (5, 6) of a surface-enlarging structure, in particular of the illustrated zig-zag profile, so that a so-called " Channeling effect "demonstrably fails.
- a layer 3 is shown in the edge region of the mixing element.
- the layer 3 has sectional curves 18, which adjoin the inner wall of the fluid-conducting agent. If the profile surfaces (13,14) of the layers directly adjacent to the inner wall, flow channel 5 would not flow through. Therefore, these profile surfaces are at least partially arranged at a distance from the inner wall, or opened after assembly of the mixing element for the flow.
- each layer forms a hollow body 19 with surface-enlarging structures.
- the surface-enlarging structure of the hollow body 19, in particular the ribs, serrations or waves, are inclined at an angle of 0 to 180 ° relative to the main flow direction.
- hollow bodies can be designed such that they can be inserted into one another.
- hollow body 19 can be completely integrated into hollow body 20 by inserting hollow body 19 into hollow body 20.
- hollow bodies (19, 20) have a zig-zag profile. The outward as well as the inwardly directed edges each span an interface which is conically shaped.
- a retaining device may be provided in the region of the outlet cross-section 11.
- Fig. 7 shows two mixing elements 12 for a conical static mixer, which are arranged directly adjacent to each other. These mixing elements are constructed of layers 3, which in particular have a zig-zag profile according to one of the preceding embodiments, wherein adjacent layers are inclined relative to one another by an angle different from 0 °. Each mixing element 12 has high stability because the layers are supported against each other and against the inner wall of the fluid-conducting agent.
- the main flow direction is represented by the arrow 11.
- the two mixing elements 12 may also be arranged at a distance from each other.
- FIG. 8 a shows a fluid-conducting medium with a square cross-section. From the inlet cross-section 9, the cross-sectional area increases continuously to the outlet cross-section 10. Each side of the square increases continuously.
- Fig. 8b shows a fluid conducting means of rectangular cross section. From the inlet cross-section 9, the cross-sectional area increases continuously to the outlet cross-section 10. In this case, only every second side length of the rectangular cross-section continuously increases, in FIG. 8b is the side length 21. In Fig. 8b, the boundary surfaces 16 of the layers of the mixing element are indicated.
- Fig. 8c shows the arrangement of two adjacent layers (3,4) with zig-zag profile for one of the embodiments shown in Fig. 8a or Fig. 8b.
- Other layers are indicated only by their interfaces 16, not to overload the Fig. 8c.
- no special processing steps are required for the execution of the adjoining the inner wall of the fluid-conducting means 1 peripheral layers, so that the production cost for a mixing element with a fluid-conducting means 1 with sections flat lateral surfaces is lower.
- the possibilities of expanding the channels of the individual layers from the inlet cross-section 9 to Exit cross-section 10 is referred to the possibilities shown in Fig. 4a to Fig. 4c for zig-zag profiles, which are again exemplary of all other, mentioned in the text versions of the layers.
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Abstract
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.The invention relates to a mixing element for a static mixer according to the preamble of
Aus dem Stand der Technik ist gemäss
In der Einrichtung zum Abbau von Schadstoffen gemäss
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.Such gas-liquid mixtures are used for example in the LNG (liquid natural gas) processing as a coolant. This coolant consists of various gaseous and liquid components, the proportion in particular volatile aliphatic hydrocarbons, preferably methane, ethane, propane and / or butane comprises. For cooling, the coolant is introduced into a heat exchanger, which is generally designed as a tube bundle heat exchanger. The heat exchanger is designed for a cooling capacity that requires a homogeneous coolant mixture, otherwise the cooling capacity can not be optimally utilized. Accordingly, if there is a separation of the coolant mixture, the desired cooling capacity may not be reached and the required capacity can not be maintained. So far, you had to oversize the heat exchanger accordingly.
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.So far, the solution to the problem with static mixers was the fact that common static mixers could not be adapted to a substantially continuously expanding piece of duct.
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.As a solution has offered to use a static mixer of two cylindrical mixing elements, wherein one of these mixing elements respectively the diameter of the supply line, ie a pipe, and the second mixing element, the diameter of the Having heat exchanger inlet. Measurements on such a static mixer have shown that even in this case, the gaseous and liquid components are not evenly distributed. The mixing section is dimensioned too short for this purpose, also in this mixer arrangement, there is an abrupt transition at the point where the cylindrical mixing element with the diameter of the supply line adjoins the mixing element with the diameter of the heat exchanger inlet. In the present case, the two mixing elements are preferably made in the same length, so that the transition is in the middle.
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.The object of the invention is to provide a mixing element for a static mixer, by means of which a multiphase fluid flow, in particular a charged with liquid droplets gas stream or a gas bubbles laden liquid stream, mixing by a substantially continuously expanding line piece while maintaining a uniform distribution of fluids can be promoted.
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
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.In an advantageous embodiment, a mixing element comprises at least two layers of a thin-walled material. In the simplest case, such a layer of flat, thin-walled sheets may be constructed, which are fitted in the widening cross-section of the fluid-conducting means such that the individual layers appear in each cross-section as mutually parallel cut surfaces, the distance of the cut surfaces of the layers but in the flow direction continuously increases. Such widening, flat layers are held in position by a framework of fasteners equipped with clamps or connectors. At least in the region of the inlet cross section, ie the inlet opening of the static mixer and in the region of the outlet cross section, ie the outlet opening of the static mixer, there is a possibility of attachment for each of the layers. The area spanned between two adjacent layers and the fluid conducting means, which is substantially normal to the main flow direction, therefore increases in a diffuser-like manner. The mixture flowing between the individual layers then flows essentially through a narrow channel, which widens in accordance with the cross-sectional increase of the mixer.
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.Such a layer may comprise a folded, unwound in a plane structure of a thin-walled plate material, wherein the fold may be formed in particular as ribs. A layer may comprise open channel-forming structures, in particular folded, wavy or jagged structures may be provided. Alternatively or in combination, closed channels forming structures, in particular honeycomb or tube-like structures can be used. In particular, at least one layer may comprise at least one flow channel. The structures are made of a metallic material, advantageously sheet metal and / or a steel and / or steel alloy can be used, which is not least dependent on the temperature, the pressure, and / or the nature of the flowing medium. High-temperature-resistant steels can also be used if it requires the temperature of the medium to be pumped. The production and mixing of corrosive mixtures requires the use of corrosion-resistant materials, in particular corrosion-resistant steels, but also ceramics, silicon compounds, carbon and / or coatings comprising PTFE, epoxy, halar, TNi alloys and / or carbide layers and / or galvanic coatings, especially by chromium plating or nickel plating applied coatings. If the mixture also contains solids, such as dust, high demands are placed on the scratch resistance of the internals of the mixing elements. With a scratch-resistant coating of the layers of the mixing element and / or the fluid-conducting agent, the service life of the static mixer is increased. In individual cases, the attachment of a dirt-repellent layer may be advantageous. For use in refrigeration or refrigeration systems, the static mixer is made of 304 L material and / or SS 316, and / or 904 L, and / or Duplex and / or 1.4878 low temperature, low distortion, corrosion resistant, as well as Characterize cold toughness. Plastics are used for static mixers which are not subject to high temperatures, in particular polypropylene, PVDF or polyethylene. A further application of a mixing element according to one of the claims can be provided in a static mixer in which a chemical reaction can take place. To carry out a chemical reaction, a rapid and uniform mixing of the fluid components to be brought into contact with one another is to be brought about become. For this purpose, it is possible to produce the flow-conducting layers either themselves from a catalyst material, or to the layers, which are preferably of an open-worked material, such as a sheet, or of a woven or knitted fabric or an at least partially porous material exist to apply a catalyst material. In a further example of application, a layer, which may be formed according to one of the preceding embodiments, comprises means for attaching microorganisms, in particular bacteria.
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.A static mixer is equipped according to a further embodiment with fluid-conducting means with partially planar lateral surfaces, in particular with rectangular or square cross-sectional areas which span trapezoidal lateral surfaces, which in their entirety result in the fluid-conducting agent. Such a static mixer includes at least one mixing element according to one of the preceding embodiments.
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.The dependent claims 2 to 8 relate to advantageous embodiments of the inventive mixing element. Uses of the inventive mixing element, in particular in a static mixer are each the subject of
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.At least one layer of the mixing element comprises a surface-enlarging structure, in particular a flow channel. In the following text, a layer with a zig-zag profile is used to represent a layer with a surface-enlarging structure. Such Oberflächenvergrössernde structures include wavy profiles, ribbed profiles, profiles with projections of any geometry and / or angular position to the flow direction. A zig-zag profile consists of a series of edges when viewed with the cross-sectional area of the channel structure. Each of these edges forms a line in the three-dimensional position in the mixing element from the initial cross-section to the end cross-section. In the simplest case, the line is a straight line, but may have any, in particular periodically repeating, curve shape. Such a situation with edges with a curve shape can be used, for example, in a mixing element for a fluid-conducting medium with a change in the main flow direction, which leads to a change in direction of the flowing mixture in addition to the widening of the flow cross-section.
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.In a layer with a symmetrical profile, such as a zig-zag profile, two adjacent edges are adjacent to an open channel whose walls are formed by at least two planar and / or the curvature of the edges following profile surfaces. The channel has a V-shaped cross-section in this application example, since the lower boundary of the channel is also formed by an edge pointing in the opposite direction. In this embodiment, thus adjacent profile surfaces are arranged at an acute angle to each other, which is smaller than 180 °.
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
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.In a mixing element according to a preferred embodiment, the flow channels of adjacent layers are openly crossing and / or diffuser-like. By this arrangement, a particularly rapid and good mixing of the components to be mixed is achieved. According to a further variant can be provided for better mixing that it does not come to a linear contact two adjacent layers with surface-enlarging structures, but touch the edges of the adjacent layers only punctiform. This punctiform contact is achieved in that two adjacent layers are arranged at an angle to each other. This causes the edge belonging to a first layer to have only a punctiform contact with a number of corresponding edges of the adjacent layer. The main advantage of this embodiment is due to the fact that the flowing medium does not always flow in the same channel as in the previously shown variants, but is always in a different channel at all times, ie continuously changes channels. In this case, the flowing medium is much more deflected than in the previous embodiments, resulting in an additional improvement of the mixing result. Alternatively, two adjacent layers can be combined with different profiles, which are also arranged to improve the mixing at an angle between 0 and 180 ° to each other.
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.According to a further embodiment, each layer forms a hollow body with surface-enlarging structures, is designed in particular with a ribbed, serrated or wavy surface. The edges of the surface-enlarging structures clamp demanch an interface, which is conceivable as a hollow body, which in particular has a conical shape. The Oberflächenvergrössernden structures are inclined at an angle of 0 to 180 ° to the flow direction. Several such hollow body can be inserted into each other. Advantageously, the angles of the surface-enlarging structures differ from two adjacent layers designed as hollow bodies, so that the flow can be deflected several times over the surface-enlarging structures.
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.A flow channel is delimited by at least two profile surfaces, wherein each two adjacent profile surfaces of a layer form a common edge. In particular flow channels with flat profile surfaces are inexpensive and easy to produce. Through the edges of a layer an interface is spanned, which is planar and / or at least partially conical. If a layer has multiple edges that jointly span such an interface, flat planar surfaces, for example, can easily be produced by flat profile surfaces, since the planar profile surfaces can be manufactured with close tolerances since the necessary dimensions are easily adjustable and verifiable. The shape of the interface acquires significance, in particular, when a multiplicity of layers arranged one above the other are required for producing a mixing element, in which the edges of adjacent layers touch at least pointwise.
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.In a mixing element, an interface is formed by the edges of a layer, which is flat and / or at least partially conical. The interface is the connecting surface of all edges. Most of the aforementioned embodiments for layers with surface-enlarging structures have planar boundary surfaces, so that adjacent layers each have one of these planar boundary surfaces in common. In a layer without surface-enlarging structure, the interface with the surface falls the situation together. According to a further embodiment, the interface may also represent an arbitrarily curved surface in space. In the case of a layer with a surface-enlarging structure, the edges of the surface-enlarging structures likewise span a surface curved in space. For a static mixer with a conical extension of the fluid-conducting means, the use of a layer with a conical interface is suitable so that the layers have boundary surfaces which are conically formed between the layers.
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.According to a preferred embodiment, the edges belonging to a layer of a mixing element are inclined relative to one another by an angle alpha in a range from 0 to 120 °, in particular from 60 to 90. Advantageously, intersecting edges of adjacent layers with the main flow direction opposite equal equal angle alpha / 2.
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.The cross section of the mixing element widens in particular conically from the first cross section to the second cross section, wherein in particular the diameter of the outlet cross section increases by a factor of 2 to 5 relative to the diameter of the inlet cross section, which equates to a cross sectional enlargement by a factor of 4 up to a factor of 25. In an advantageous embodiment, the mixing element widens conically from the first cross section to the second cross section, in particular the diameter of the inlet cross section widens by a factor of 2 to 5. Since the fluid conducting means in this embodiment widens conically, an abrupt transition from a cross section of a Supply line, which opens into the inlet opening, so usually a pipe to the cross section of the outlet opening, avoided. The outlet opening can be designed as an inlet opening in a heat exchanger or reactor. In this reactor, the mixture is already largely homogeneous. In particular, gaseous, liquid and / or solid components of the mixture are suspended. The mixing state is maintained by means of the mixing element (s) in a cone - which would otherwise contribute to the segregation as a diffuser. In most cases, even an improvement of the mixing of the components is achieved, in particular by means of Mixing elements with intersecting flow channels, so that the components are distributed homogeneously over each cross-section of the cone downstream of the inlet cross-section. The conical shape also offers considerable advantages for the installation of layers, since the conical shape of the fluid-conducting agent acts as a centering device for the installation of a conical mixing element. The fact that the mixing element is fitted in a conical fluid-conducting means, only a minimal amount of welding is required for installation. The mixing elements are advantageously designed in the manner of a diffuser, that is to say that the mixing elements adapt to the widening cross-section, ie in particular have a conical shape of their own. The fit is due to the conical shape of the mixing element by the positioning of the mixing elements or in the cone, whereby the position of the mixing element in the conical fluid-conducting means is clearly defined.
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.The layers should, if possible, directly adjacent to the fluid-conducting means, so the inner wall of the mixer. In the case of a line-shaped contact, the result is sectional curves of a flat layer or a layer having a surface-enlarging structure, in particular a surface-enlarging structure constructed from planar segments, such as a zig-zag profile, with conical inner wall conic sections, ie elliptical, depending on the inclination of the layer to the cone. parabolic or hyperbolic boundary lines. Each of the layers described above can be developed in one plane, therefore a processing can be generated by means of drawing programs from the desired position of the layer in the mixer. These developments contain not only the boundary lines of the situation but also the bending lines, so that an economical production of the layers is also possible in cases in which each angle is different, and therefore very complex bending operations are required.
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.A possible method for producing the mixer comprises the following steps: producing a fluid-conducting means having an inlet opening with a first cross-section and an outlet opening with a second cross-section, wherein the fluid-conducting means has a cross-sectional profile which increases continuously from the first cross section to the second cross section. In a further step, the mixing element is produced. The Mixing element comprises a plurality of layers, which are individually prefabricated and joined together by means of connecting means to a mixing element. If the surface structures of the layers can be unwound in one plane, the production is simplified, since the unwinding of each layer of planar plate-shaped base material can be cut by means of cutting means, and then foldable by means of bending means for producing the surface structure. This production is particularly suitable for layers of a metallic material. Layers of plastic are produced in their folded form in an extrusion process or by injection molding and subsequently cut to the shape that is required to form a flared, ie in particular conical mixing element. In a next step, the layers assembled into a mixing element are positioned in the mixer. When the mixing element is already fitted in a conical state in a conical fluid-conducting means, only a minimal amount of welding is necessary. In a conical mixer, the layers are centered by the cone, so that the assembly of the layers which have been folded out of the unwindments can also be carried out directly into the fluid-conducting means, since the positioning of the layers is effected by the conical shape of the fluid-conducting medium itself. the orientation of the layers is given to each other. Alternatively, the entire mixing element can also be produced by injection molding or in a lost form.
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.Using the structure of the layers corresponding to the cross-channel structure, it is possible that dead spaces arise because the position at the inlet cross-section flow paths through the angular orientation of the part of the layer adjacent to the inner wall are blocked. Therefore, after production, the channels on the side of the housing are checked and opened if necessary. The wall gap between the mixing elements and the inner wall of the housing is not more than 2% of the respective cross section, in particular not more than 1% of the respective cross section, particularly preferably not more than 0.5% of the respective cross section, so that a so-called "channeling effect" is demonstrably absent.
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.The wall gap to the fluid-conducting means should be smaller than the normal distance between two adjacent boundary surfaces, in particular as the height of a flow channel of a surface-enlarging structure. The height of the flow channel is defined as the normal distance between the two boundary surfaces, which are defined by the edges of the surface-enlarging structure. In particular, the wall gap should be at most half the height of the flow channel.
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.In the case of slight segregation in the area of the inlet opening, the liquid phase can be returned to the center via a so-called "riser plate" and distributed in the mixer over the cross section. A "riser plate" is defined as a built-in element, which is attached to the inside of the fluid-conducting means, in particular welded to the inside of the fluid-conducting means. This mounting element serves to return components that have accumulated at the lowest point of the fluid-conducting agent back into a mixing element. Built-in element should be representative of specific embodiments, such as a profile, a ramp, a plate or the like.
Neben guter Verteilwirkung und/oder Mischwirkung wird nach jeder der vorgenannten Lösungen nur ein kleiner Druckverlust erzeugt.In addition to good distribution effect and / or mixing effect, only a small pressure loss is generated after each of the aforementioned solutions.
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.In an advantageous arrangement, mixing elements which are installed in a pipe section of constant cross-section and mixing elements according to one of the preceding embodiments can be combined with one another. To achieve an improved mixing effect is a conventional mixing element in a pipe section before entering the static mixer with a fluid conducting means with widening cross-section. According to each of the preceding embodiments, two adjacent mixing elements can be arranged rotated at an angle between 0 and 90 °, in particular between 60 and 90 °. As a result of the rotation, a further deflection of the flow can be achieved, which has proved to be advantageous, in particular for the exemplary embodiments mentioned, with at least section-wise channel flow.
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.The arrangement of a mixing element can take place upstream of a heat exchanger, in particular in the inlet region of a heat exchanger. With the expanding mixing element, the flow is evenly distributed in the flow direction at increasing the average cross section to the expanded cross section, and ensures a homogeneity of the flow over the entire cross section.
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.The use of the mixing element takes place in a method for denitrification of exhaust gases, for the distribution of exhaust gases on a catalyst surface, in a method for producing LNG (liquid natural gas), in particular for introducing a gas-liquid mixture such as a coolant for LNG gas processing in one heat exchange device. The heat exchange device may in particular comprise a heat exchanger, advantageously a shell-and-tube heat exchanger.
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.For denitrification of exhaust gases, liquid urea is vaporized and mixed with the gas stream. Both the evaporation and the mixture can be done simultaneously in the static mixer. Due to the combined process management, there is a need to supply the urea gas mixture for further processing to the subsequent process step already in the mixed state. Another application is to evaporate liquids in a static mixer with widening cross section and mix at the same time. In particular, in systems with limited space, the use of such a mixer is advantageous to obtain a mixture when expanded to larger diameter in a mixed state.
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.In natural gas processing, coolant must be cooled for further use. The coolant consists of various gaseous and liquid components, the largest being methane and ethane. The mixture of gaseous and liquid coolant is usually passed in a pipeline to a heat exchanger, in particular a shell and tube heat exchanger, where it is then cooled by a multi-pass system. The entrance of the shell and tube heat exchanger usually has a size DN1500 to DN2400 (1.5 to 2.4 m), which means that the mixture in the pipeline of essentially DN600 (0.6 m) must be expanded via a cone into the inlet of the shell and tube heat exchanger. In order for the heat exchanger to reach its full capacity, the gaseous and liquid components must be uniformly mixed over the cross section and fed in equal proportions to the individual tubes. The heat exchanger is designed essentially for gas-liquid mixtures, that is, the gas-liquid mixture should have a uniform over the inlet cross section in the heat exchanger distribution.
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.Another possible application of the mixing element in vehicle construction relates to the entry of an engine exhaust gas into a catalytic converter for the catalytic separation of pollutants, in particular nitrogen oxides (NOx) and their binding by catalytic reaction on the catalyst surface. Since in vehicles, especially in trucks, the space required for a static mixer in an exhaust is relatively small, static mixers with the above-described expanding cross section for such purposes are of great advantage, since no additional space is needed. Even with an exhaust system in which the exhaust gases from a relatively small exhaust pipe into a larger catalyst housing open, the problem of segregation of exhaust gas and liquid and / or solid components occurs. Thus, the catalyst is not unilaterally worn, a complete evaporation and at the same time a good homogenization is necessary, which can be achieved with a static mixer according to one of the above embodiments at low pressure drops.
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.Another possible use of the mixing element according to one of the preceding embodiments consists in the chemical reaction technique for carrying out catalytic and / or biogenic reactions, in particular in widening cross sections for the entry of a single- or multi-phase fluid mixture in a reactor. Gaseous and liquid components often have to be dispersed in front of a reactor. After generation of the bubble bed and the uniform distribution of the components, the current is often widened, because the current with a diameter larger than the diameter diameter in a Reactor containing a catalyst occurs. The static mixer is used to maintain the homogeneity of the mixture. The lower Abbremseffekt static mixer in comparison to an abrupt cross-sectional transition of supply line to the inlet cross section in the reactor vessel helps to make the bubbles coalesce less rapidly.
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.Another use of the static mixer is in the field of gas liquefaction. In gas liquefaction, various gas streams are mixed and then fed into a multi-pipe system. In an intended application, the gas is mixed in a DN 600 (0.6 m) pipe and then evenly distributed over the various pipes in a housing diameter DN 12000 (12 m). At the time of the application known prior art baffles are used for this purpose. So that each tube receives the same proportion of gas, the use of a static mixer according to one of the preceding embodiments lends itself.
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.Another field of application for the static mixer is in the field of reactors in which a piston flow is to be maintained, so-called plug-flow reactors. In plug-flow reactors, mixing elements are used to direct the fluid in a piston flow through a cylindrical housing. If the diameter needs to be changed, the piston flow in the conical section will be disturbed due to the lack of mixing elements. With the use of conical mixing elements, the flow properties can be maintained in the conical section.
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.As mentioned above, a static mixer of the above-mentioned design can also be combined with a static mixer operating as a premixer with a constant, in particular hollow cylindrical, cross-sectional profile. The mixing of the individual fluid components takes place in the static mixer cylindrical design, the static mixer with expanding cross-section has primarily the function of uniformly expand the mixture and / or distribute.
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.In order to reduce pressure losses, it is also possible to provide distances between individual mixing elements, in which flow conditions prevail, such as in a pipeline. Short distances between the individual conical mixing elements do not cause remarkable segregation, but serve to redistribute the flow without additional pressure loss.
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
- Fig. 1
- shows a first embodiment of a mixing element of flat layers
- Fig. 2
- shows a second embodiment of a mixing element of layers with zig-zag profile
- Fig. 3
- shows a third embodiment of a mixing element of a combination of flat layers with layers with zig-zag profile
- Fig. 4a
- shows the installation of layers with zigzag profile in conical mixer housing
- Fig. 4b
- shows the section through a series of layers with zigzag profile
- Fig. 4c
- shows two intersecting layers with zig-zag profile
- Fig. 5a
- shows a first layer with a zig-zag profile, which forms a conical hollow body
- Fig. 5b
- shows a second layer with a zig-zag profile, which forms a conical hollow body
- Fig. 6a
- shows the installation of a layer with zig-zag profile of Fig. 6a in a conical mixer housing
- Fig. 6b
- shows a tilted relative to the main flow direction edge layer zig-zag profile
- Fig. 7
- shows an arrangement of two mixing elements for a conical static mixer
- Fig. 8a
- shows a fluid conducting means with square cross-section
- Fig. 8b
- shows a fluid conducting means with rectangular cross-section
- Fig. 8c
- shows two adjacent layers of a mixing element with open-crossing flow channels
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. 1, a first embodiment of a mixing element is shown. The fluid-conducting means or
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.In Fig. 2 shows a second embodiment with a mixing element of layers with zig-zag profile shown. For the sake of clarity, only two such layers (3, 4) are shown in FIG. The flowing mixture is passed through the layers that form V-shaped flow channels. In the illustrated case, the
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.The attachment of the layers (3,4) and other, not shown, layers in Fig. 2 for forming a mixing element can by means of the same fastening means, as shown in Fig. 1, take place, with the possibility of a welded joint, in particular a Spot welding, and / or provide a solder joint and / or an adhesive bond or the like.
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.Additional possibilities of the flow deflection and the improvement of the mixing result by the channels are provided with not shown flow-deflecting means. In particular, perforated plates, projections in the channel walls, tabs or inserted into the flow channels, bulk-like distributed, oberfächenvergrössernde structures are provided. Such structures are used in gas-liquid absorption and as column internals, especially Raschig rings, Berl saddles, Intalox saddles, Pall rings, Tellerette structures. Another possibility is to provide the layer itself with flow-deflecting structures, in particular with a structure that is comparable to an expanded metal, as well as with one of the structures that have already been mentioned in the general description of the mixing element.
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.A third embodiment according to FIG. 3 comprises a mixing element made of a combination of
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.At high flow velocities, at the ends of the flow channels of the layers which lie in the plane of the
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
Zumindest einige dieser Berührungspunkte 17 können als Schweisspunkte ausgebildet sein, um benachbarte Lagen (3,4) zu einem Mischelement zusammenzufügen.At least some of these points of
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.According to a further variant, the boundary surfaces 16 of adjacent edges (3, 4) do not coincide, but are at a small distance from one another, so that adjacent layers do not touch one another. Through this As a result, a portion of the flowing mixture is not completely redirected, so that the flow is slowed down less. The effects on the mixing depend on the components to be mixed, the proportion of the different phases and the tendency for segregation. By changing the distance of the layers from each other, the pressure loss of the static mixer is also affected.
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.The layers should, if possible, directly adjoin the inner wall of the fluid-conducting agent, as indicated in FIG. 4a, so that at most a small distance between
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.In Fig. 5b, a
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.According to a further embodiment according to FIGS. 6a and 6b, each layer forms a
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.Fig. 7 shows two mixing
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Variante, können die beiden Mischelemente 12 auch in einem Abstand zueinander angeordnet sein.According to another variant, not shown, the two mixing
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. 8 a shows a fluid-conducting medium with a square cross-section. From the
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. 8b shows a fluid conducting means of rectangular cross section. From the
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.Fig. 8c shows the arrangement of two adjacent layers (3,4) with zig-zag profile for one of the embodiments shown in Fig. 8a or Fig. 8b. Other layers are indicated only by their
- 1.1.
- Fluidleitendes MittelFluid conducting agent
- 2.Second
- Lagelocation
- 3.Third
- Lagelocation
- 4.4th
- Lagelocation
- 5.5th
- Strömungskanalflow channel
- 6.6th
- Strömungskanalflow channel
- 7.7th
- Haltevorrichtungholder
- 8.8th.
- Haltevorrichtungholder
- 9.9th
- EintrittsquerschnittInlet cross-section
- 10.10th
- AustrittsquerschnittOutlet cross section
- 11.11th
- Pfeilarrow
- 12.12th
- Mischelementmixing element
- 13.13th
- Profilflächeprofile surface
- 14.14th
- Profilflächeprofile surface
- 15.15th
- Kanteedge
- 16.16th
- Grenzflächeinterface
- 17.17th
- Berührungspunktpoint of contact
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