EP2422873A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenführen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenführen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen Download PDF

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EP2422873A1
EP2422873A1 EP10075365A EP10075365A EP2422873A1 EP 2422873 A1 EP2422873 A1 EP 2422873A1 EP 10075365 A EP10075365 A EP 10075365A EP 10075365 A EP10075365 A EP 10075365A EP 2422873 A1 EP2422873 A1 EP 2422873A1
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    • B01F25/31242—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof characterised by the place of introduction of the main flow the main flow being injected in the central area of the venturi, creating an aspiration in the circumferential part of the conduit
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    • B01F25/3125—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof characteristics of the Venturi parts
    • B01F25/31251—Throats
    • B01F25/312511—Adjustable Venturi throat

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for merging and mixing or dissolving liquid, solid and gaseous substances in which the venturi principle is realized by means of a variable cross-sectional constriction.
  • the inventive method allows in particular the high-precision, pressure-independent control of the supply of substances and the avoidance of special control devices in the Zugarwegen the materials to be supplied.
  • a disadvantage of this method and the device is that caused by the constriction with a ball valve turbulence and disturbances of flow, which do not allow a controlled pressure curve in the narrowed area and impede the subsequent supply of materials in the expansion area in the steady flow by vortex. As a result, an exact supply and dosage without further rule installations is impossible.
  • a disadvantage of this method is that the cross-sectional constriction can be made due to the execution only in a narrow control range which only allows a small power range. Different flow pressures also influence the control behavior. Because the supply of the one Substance takes place centrally in the flow of the second substance, it does not come here to ideal mixing and hinders a subsequent rapid solution of the substances.
  • the structure of the device is costly due to the complexity of the design.
  • the embodiment can not be used for hygienic purposes, especially for the food and pharmaceutical industries. A dead space-free cleaning is not possible. More than 2 substances can not be introduced simultaneously.
  • Another disadvantage is that the 2nd fabric is supplied at the circumference of the control needle and thus not in the optimal cross-sectional constriction. The Venturi effect is therefore not finely adjustable. With a considerable narrowing of the cross section of the back pressure increases without the second fabric can be sucked by a venturi effect. A subsequent turbulence for mixing and solution of the substances is not given.
  • the method and the device according to the invention avoid these disadvantages in which one or more streams, which may also be mixtures of other materials, enter a housing, one or more built-in parts narrow the cross section of this pipe in the axial direction and the material supply in the region or the Constrictions or immediately after the narrowing (s). Furthermore, a desired turbulence, based on the flow from outside to inside, bring about a high mixing and solution of the substances, without the supply of these substances being disturbed.
  • the stroke of this component is variable.
  • the stroke can be varied over a wide range via a continuously regulating stroke adjustment or a non-continuously regulating stroke adjustment and adapted to the desired result.
  • Embodiment here is the continuous control by means of a positioner which is controlled by a setpoint / actual value comparison of the feed stream, the desired exit parameter or the desired control target
  • FIG. 1 An embodiment with a main flow (1.1), a housing with positioner (1.2) and a control of the feed stream (1.3) (measurement 2) or the quality of the total current (1.4) (result measurement) is shown in Figure 1.
  • the cross-sectional constriction can be maintained consistently. Large volume flow areas are possible due to the variable cross-sectional constriction without disturbing the flow and the pressure curve in the constriction by separation vortices in this constriction.
  • a defined detachment and turbulence of the assembled substances after the narrowed cross-section may be due to the variable shape of the cone or cone with intentionally different heights
  • the vertebrae do not interfere with the steady supply since the demolition vortices of the main flow lead from the outside to the inside and not from the inside to the outside.
  • this method allows the delivery of substances across different interfaces, e.g. Sintered inserts, membrane inserts, bores, with different passage rates. Due to the method according to the invention, an aseptic or hygienic design, which can be cleaned and sterilized without a dead space, can take place. The simplicity of the possible embodiments allows a cost-effective production.

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Abstract

Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenführen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen bei welchem das Venturiprinzip mittels einer variablen Querschnittsverengung realisiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die hochgenaue Regelung der Zufuhr von Stoffen und die Vermeidung von besonderen Regeleinrichtungen in den Zuführwegen der zuzuführenden Stoffe. Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenfügen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen, bei dem a) ein oder mehrere Stoffe über ein oder mehrere Einlässe (2.2) in ein Gehäuse (2.1) fließen, b) in dem Gehäuse (2.1) ein oder mehrere Querschnittsverengungen (2.3) des Hauptstoffflusses (nachfolgende Querschnittsverengung genannt) herbeigefügt werden, c) an der Stelle der Querschnittsverengung (2.3), respektive Querschnittsverengungen oder in einem Bereich unmittelbar nach der Querschnittsverengung oder den Querschnittsverengungen ein weiterer Stoff oder weitere Stoffe (2.4) zugeführt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenführen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen bei welchem das Venturiprinzip mittels einer variablen Querschnittsverengung realisiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere die hochgenaue, druckunabhängige Regelung der Zufuhr von Stoffen und die Vermeidung von besonderen Regeleinrichtungen in den Zuführwegen der zuzuführenden Stoffe.
  • Es ist bekannt, dass nach Bernoulli die Summe des statischen und des kinematischen Druckes konstant ist, so dass bei einem definierten Fluss und einer folgenden Querschnittverengung im Fluss der kinematische Druck durch die höhere Fließgeschwindigkeit ansteigt und der statische Druck im Verhältnis sinkt. Hierdurch können Stoffe erleichtert und geregelt eingetragen werden. Technische Anwendung findet hier die Venturidüse nach Giovanni Battista Venturi welcher im Vorfeld erkannte, dass in einem verengten Rohr der Druck erniedrigt und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird.
  • Aus der Patentveröffentlichung US20006219967 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem in einem Gehäuse der Querschnitt konisch verengt wird und nach einer Strecke mit, im Vergleich zum Eintritt, kleinerem Querschnitt folgenden Erweiterung die Zufuhr eines zweiten Stoffes erfolgt Die Verengung des Querschnittes erfolgt hier durch einen elektrisch- oder handverstellten Kugelhahn im Bereich des verengten Querschnitt.
  • Nachteilig an diesem Verfahren und der Vorrichtung ist, dass durch die Verengung mit einem Kugelhahn Turbulenzen und Störungen der Strömung entstehen, welche keinen kontrollierten Druckverlauf im verengten Bereich erlauben und durch Wirbel die nachfolgende Zufuhr von Stoffen im Expansionsbereich im gleichmäßigem Fluss behindern. Hierdurch wird eine exakte Zufuhr und Dosierung ohne weitere Regeleinbauten unmöglich.
  • Aus der Patentveröffentlichung NZ258910 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem eine Mischbatterie für die Mischung von heißem mit kaltem Wasser mit einem zentralen Rohr, einer Mischdüse und einer beweglichen Regelnadel eingesetzt wird. Über die Regelnadel wird der Zufluss des heißen Wasser derart verengt, dass kaltes Wasser in diesen Bereich einfließt.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Querschnittverengung aufgrund der Ausführung nur in einem engen Regelbereich erfolgen kann welches nur einen geringen Leistungsbereich zulässt. Unterschiedliche Vorlaufdrücke beeinflussen zudem das Regelverhalten. Da die Zufuhr des einen Stoffes zentral in den Fluss des zweiten Stoffes erfolgt, kommt es hier nicht zur idealen Vermischung und behindert eine nachfolgende rasche Lösung der Stoffe. Der Aufbau der Einrichtung ist durch die Kompliziertheit der Formgebung kostenintensiv. Die Ausführungsform ist für hygienische Zwecke, insbesondere für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie nicht einsetzbar. Eine totraumfreie Reinigung ist nicht möglich. Mehr als 2 Stoffe können nicht gleichzeitig eingebracht werden. Weiterhin nachteilig ist, dass der 2te Stoff am Umfang der Regelnadel zugeführt wird und somit nicht in der optimalen Querschnittsverengung. Der Venturieffekt ist hierdurch nicht fein regelbar. Bei einer weitgehenden Verengung des Querschnitts steigt der Rückstaudruck an ohne das der 2te Stoff durch einen Venturieffekt angesaugt werden kann. Eine nachfolgende Turbulenzbildung zur Mischung und Lösung der Stoffe ist nicht gegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung vermeiden diese Nachteile in dem ein oder mehrere Stoffströme, welche auch Mischungen aus weiteren Stoffen sein können, in ein Gehäuse gelangen, ein oder mehrere Einbauteile den Querschnitt dieses Rohres in axialer Richtung verengen und die Stoffzufuhr im Bereich der oder den Verengungen oder unmittelbar nach der oder den Verengungen erfolgt. Weiterhin kann ein gewollte Turbulenz, bezogen auf die Strömung von außen nach innen, eine hohe Durchmischung und Lösung der Stoffe herbeiführen, ohne dass die Zufuhr dieser Stoffe gestört wird.
  • Der Hub dieses Einbauteils ist variabel. Der Hub kann über eine kontinuierlich regelnde Hubverstellung oder eine nicht kontinuierlich regelnde Hubeinstellung über einen weiten Bereich verändert und dem gewünschten Ergebnis angepasst werden. Ausführungsbeispiel ist hier die kontinuierliche Regelung mittels eines Stellungsregler welcher über einen Soll/Istwertvergleich des Zufuhrstromes, der gewünschten Austrittsparameter oder des gewünschten Regelziels gesteuert wird
  • Ein Ausführungsbeispiel mit einem Hauptstrom (1.1), einem Gehäuse mit Stellungsregler (1.2) und einer Regelung des Zufuhrstroms (1.3) (Messung 2) oder der Qualität des Gesamtstromes (1.4) (Ergebnismessung) wird in Bild 1 gezeigt.
    Im Bereich der Querschnittsverengung, auch bei mehreren folgenden Querschnittsverengungen, können weitere Stoffe über den Venturieffekt eingetragen werden. Durch den Hub des Einbauteils ist die Eintragung der weiteren Stoffe ohne zusätzliche Zutragregeleinrichtungen möglich. Über eine definierte Länge kann die Querschnittverengung gleichbleibend aufrecht erhalten werden. Große Volumenflussbereiche sind durch die variable Querschnittsverengung möglich ohne den Fluss und den Druckverlauf in der Verengung durch Ablösewirbel in dieser Verengung zu stören. Eine definierte Ablösung und Turbulenz der zusammengefügten Stoffe nach dem verengten Querschnitt kann durch die variable Formgestaltung des oder der Kegel mit gewollt unterschiedlich hohen
  • Drucksprüngen erfolgen. Hierdurch ist der für eine rasche Mischung oder Lösung notwendige Stoffaustausch durch eine hohe Turbulenz gegeben.
  • Erfolgt die Stoffzufuhr unmittelbar nach der Querschnittsverengung so stören die Wirbel die stete Zufuhr nicht, da die Abrisswirbel des Hauptstromes von außen nach innen und nicht von innen nach außen führen.
  • Weiterhin ermöglicht dieses Verfahren aufgrund der definiert langen Querschnittsverengung die Zufuhr von Stoffen über verschiedene Grenzflächen, z.B. Sintereinsätze, Membraneinsätze, Bohrungen, mit unterschiedlichen Durchlassraten. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahren kann eine aseptische oder hygienische Ausführung, welche totraumfrei reinigbar und sterilisierbar ist, erfolgen. Die Einfachheit der möglichen Ausführungsformen lässt eine kostengünstige Fertigung zu.
  • Ein Beispiel mit einer veränderbaren Querschnittsverengung wird in Bild 2 gezeigt.

Claims (25)

  1. Verfahren und Vorrichtung zum Zusammenfügen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen, bei dem
    a) ein oder mehrere Stoffe über ein oder mehrere Einlässe in ein Gehäuse fließen,
    b) in dem Gehäuse ein oder mehrere Querschnittsverengungen des Hauptstoffflusses (nachfolgende Querschnittsverengung genannt) herbeigefügt werden,
    c) an der Stelle der Querschnittsverengung, respektive Querschnittsverengungen oder in einem Bereich unmittelbar nach der Querschnittsverengung oder den Querschnittsverengungen ein weiterer Stoffe oder weitere Stoffe zugeführt werden.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung veränderbar ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung stetig veränderbar ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung im Gehäuse von innen nach außen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung durch eine Verschiebung eines im Gehäuse liegenden Bauteils herbeigeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung über eine definierte Länge erfolgt welche mindestens 10% des Durchmesser der mittleren Querschnittsverengung beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante Querschnittverengung über eine definierte Weglänge erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Stoffzufuhr, respektive den Stoffzufuhren der freie Querschnitt, respektive die freien Querschnitte, um das mindestens 1,2 fache vergrößert werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffzufuhr, respektive die Stoffzufuhren von außen nach innen in den Hauptstrom erfolgen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrom von 2 Seiten in das Gehäuse erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittverengung derart reduziert werden kann, dass die Strömungsgeschwindigkeit maximal 50% der Sollströmungsgeschwindigkeit beträgt.
  12. Vorrichtung zum Zusammenfügen und Mischen oder Lösen von flüssigen, festen und gasförmigen Stoffen, bestehend aus
    1. einem Gehäuse (2.1) mit
    a) einem oder mehreren Hauptstromeinläufen (2.2)
    b) einer oder mehreren Gehäuse- oder Rohr-Verengungen (2.3)
    c) einem oder mehreren zuzuführenden Stoffströmen (2.4)
    d) einem Gesamtstromaustritt (2.5)
    2. einem veränderbaren Einbauteil (2.6) mit
    a) einem den Strömungsquerschnitt verengenden Körper (2.7)
    b) einer Führungsspindel (2.8) des Körpers (2.7)
  13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der verengende Körper (2.7) ein kegelförmiges Einbauteil ist
  14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der verengende Körper (2.7) ein Kegelstumpfteil ist
  15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse- oder Rohr-Verengung (2.3) konisch verläuft
  16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der verengende Körper (2.7) ein kegelförmiges Einbauteil ist
  17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Position des Körpers (2.7) über automatische Stellungsregler in Abhängigkeit von Sollwerten erfolgt.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Position des Körpers (2.7) über die Führungsspindel (2.8) von Hand erfolgt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Position des Körpers (2.7) über die Führungsspindel (2.8) von einem automatischen Stellungsregler erfolgt
  20. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere auf einander folgende Querschnittsverengungen ausgeführt sind
  21. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stoffe (2.4) in den Hauptstrom an einer Stelle der Querschnittsverengung (2.3) oder der jeweiligen Querschnittsverengungen erfolgt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stoffe (2.4) in den Hauptstrom unmittelbar nach der Stelle der Querschnittsverengung oder der jeweiligen Querschnittsverengungen erfolgt.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stoffe (2.4) in den Hauptstrom über Bohrungen in Gehäuse oder im Rohr des Hauptstromes erfolgen.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stoffe (2.4) in den Hauptstrom über Sintermaterial am Gehäuse oder am Rohr des Hauptstromes erfolgen.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stoffe (2.4) in den Hauptstrom über teildurchlässige Membranen am Gehäuse oder am Rohr des Hauptstromes erfolgen.
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