EP3081285A1

EP3081285A1 - Statische mischvorrichtung für fliessfähige stoffe

Info

Publication number: EP3081285A1
Application number: EP15163858.2A
Authority: EP
Inventors: Adrian Eihozer; Daniel Altenburger; Silvano Andreoli; Alain Georg
Original assignee: FLUITEC INVEST AG
Current assignee: FLUITEC INVEST AG
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: EP3081285B1

Abstract

Eine statische Mischvorrichtung weist einen Strömungskanal mit mindestens einem im Strömungskanal angeordneten Mischelement auf. Jedes Mischelement weist eine Vielzahl von kreuzweise angeordneten, mit der Längsachse des Strömungskanals einen Winkel grösser 0° einschliessenden Stegen (14A, 14B) auf. Mindestens jeweils einer der Stege (14A, 14B) zwischen benachbarten Kreuzungsstellen sind tailliert ausgebildet. In der Mitte zwischen benachbarten Kreuzungsstellen (16) aufweisen die Stege (14A, 14B) ihre kleinste Breite (b) und einander benachbarte Stege (14A, 14B) ihren grössten Zwischenabstand (a). Die der Innenwand des Strömungskanals (10) benachbarten Randbereiche der Stege (14A, 14B) aufweisen eine gegenüber der Innenwand des Strömungskanals (10) bestehende Ausnehmung (122).

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine statische Mischvorrichtung mit einem rohrförmigen, eine Längsachse und einen Innendurchmesser aufweisenden Strömungskanal mit mindestens einem im Strömungskanal angeordneten Mischelement einer Länge und einem im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Strömungskanals entsprechenden Durchmesser, wobei jedes Mischelement eine Vielzahl von kreuzweise angeordneten, mit der Längsachse des Strömungskanals einen Winkel grösser 0° einschliessenden Stegen aufweist, wobei die Stege in zwei sich kreuzenden, eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, von einander durch einen gleichen Abstand getrennten Ebenen aufweisenden Ebenenscharen angeordnet sind und bei Projektion der beiden Ebenenscharen (A, B) auf eine senkrecht zur Längsachse (X) des Strömungskanals (10) liegende Projektionsebene einander benachbarte Stege zumindest teilweise einen Zwischenabstand aufweisen.

STAND DER TECHNIK

Eine solche Mischvorrichtung ist aus der EP 2 286 904 der Anmelderin bekannt, wie weiter unten erläutert wird.
Statische Mischer werden heute in allen Bereichen des Chemie-Ingenieur-Wesens eingesetzt. Charakteristisch für statische Mischer ist, dass nur die zu mischenden Flüssigkeiten oder Gase bewegt werden. Im Gegensatz zu dynamischen Mischsystemen findet kein Rühren statt, sondern Pumpen, Gebläse oder Kompressoren fördern kontinuierlich die zu mischenden Medien zum Mischrohr, welches mit den Mischelementen ausgerüstet ist. Statische Mischer können in vielen Anwendungsbereichen wie dem Vermischen von pumpbaren Flüssigkeiten, dem Dispergieren und Emulgieren von ineinander unlöslichen Komponenten, dem Mischen von reaktiven Flüssigkeiten, dem Mischen und Homogenisieren von Kunststoffschmelzen, dem Gas-Flüssig-Kontaktieren, dem Mischen von Gasen, dem Wärmeaustausch von viskosen Stoffen und dem Einsatz als Verweilzeitstrecke mit engen Verweilzeitverhalten eingesetzt werden, um einige wesentliche Einsatzgebiete zu nennen.
Aus der US 3 286 992 A ist ein Wendelmischer bekannt und weist schraubenförmig gekrümmte, blattartige, abwechselnd links- und rechtsgängige Platten bzw. Mischelemente auf, die mit sich kreuzenden Stirnkanten aneinandergereiht den Strom der zu mischenden Stoffe beim Eintritt in jedes Element aufteilen. Der Strömungskanal ist in jedem der Elemente in Form und Querschnitt gleich bleibend. Der Wendelmischer dient insbesondere zum Mischen im turbulenten Bereich. Im laminaren Bereich ist der Wendelmischer wegen seiner mässigen Mischleistung nur bedingt einsetzbar.
Eine spezielle Familie der statischen Mischer sind die so genannten X-Mischer. Diese bestehen aus sich kreuzenden Stegen oder Platten. Ein aus AT 330 135 B bekannter X-Mischer weist in einem Rohr mindestens einen Mischeinsatz in Form eines Steges und Schlitze aufweisenden Plattenpaares auf. Dabei erstrecken sich jeweils die Stege der einen Platte durch die Schlitze der anderen Platte kreuzend hindurch. Die Platten sind zueinander und zur Achse des Rohres geneigt angeordnet. Der zugeführte Strom der zu mischenden Stoffe wird durch die Stege infolge der Schrägstellung der Platten zeitlich und örtlich versetzt in Teilströme aufgespaltet. Bei diesem bekannten Mischer bilden die Stegansätze starke Totzonen, die die Verweilzeit unnötig erhöhen und kritische Flüssigkeiten beschädigen können. Zudem müssen die Platten mit unzähligen Schweissnähten positioniert werden, was zu erhöhter Korrosion führen kann. Das Zusammenstellen der Platten ist sehr zeitaufwändig und daher kostenintensiv. Diese bekannte Vorrichtung dient insbesondere zum Mischen im laminaren Bereich. Im turbulenten Bereich ist sie wegen ihres hohen Druckverlustes nur bedingt einsetzbar.
Die Entwicklung des Mischers gemäss CH 642 564 A5 im Jahr 1979 stellte eine Verbesserung der statischen Mischtechnik für laminar strömende Medien dar. Seither hat sich dieser Mischer bewährt und er wird in einem sehr breiten Feld von Anwendungen mit meist hochviskosen Medien erfolgreich eingesetzt. Er ist in CH 642 564 A5 in Fig. 1 dargestellt als Mischer mit 8 Steglagen, auch als 8-Steg-Mischer bezeichnet, mit einem L/D-Verhältnis von 1. Der Mischer besitzt einen sehr hohen Druckverlust.
Die als CSE-X Mischer bekannte Geometrie ist in CH 693 560 A5 beschrieben. Diese Patentschrift zeigt eine Vorrichtung zum statischen Mischen, bestehend aus einem rohrartigen Gehäuse mit mindestens einem darin angeordneten Mischeinsatz in Form einer Stege und Schlitze aufweisenden Platte, welche gebogen wird. Vorzugsweise weisen die Platten an den Stegkanten Vorsprünge auf und besitzen elliptische Umfangsformen. Zwei gebogene Platten, bei denen jeweils die Stege der einen Platte durch die Schlitze der anderen Platte hindurchreichen, werden an den Vorsprüngen befestigt. Die Mischeinsätze können im rohrartigen Gehäuse hintereinander positioniert werden, wobei sich die Mischeinsätze direkt berühren oder auch Abstände zwischen den Einsätzen aufweisen können. Die Vorrichtung kann mit dieser einfachen Geometrie in sämtlichen Strömungsbereichen hervorragend mischen. Die Mischgüte wird nur durch die Anzahl der Mischeinsätze und deren Einbaulage bestimmt. Der Mischeinsatz wurde am Markt insbesondere als 4-, 6- und 8-Steg-Konstruktion bekannt und weist ebenfalls einen mit steigender Anzahl Stege zunehmenden, hohen Druckverlust auf.
EP 2 286 904 B1 zeigt eine besonders innovative Mischvorrichtung mit taillierten Mischstegen. Zudem sind die Randzonen des Mischer erheblich geöffnet, so dass eine zusätzliche Reduktion des Druckverlustes eintritt. Insbesondere Typ V weist eine sehr hohe Mischleistung bei sehr geringem Druckverlust auf.
Die Fachzeitschrift Pharma und Food 2/2004 beschreibt die mikromakro^® Technologie mit statischen Mischern. Unter Mikromakromischen versteht man den gezielten Einsatz von Statikmischern verschiedener Geometrien und Nennweiten. Grundsätzlich muss zuerst eine gleichmäßige Vorverteilung im Makro-Mischer erreicht werden, danach wird im Mikro-Mischer eine bestmögliche Feinverteilung erzielt. Als Grundlagen werden typischerweise die CSE-X Mischer eingesetzt.
Fasst man die Untersuchungen an X-Mischern der letzten Jahre zusammen, so wurden jeweils folgende mögliche Parameter variiert: das L/D-Verhältnis eines Mischelementes, die Anzahl an Steglagen, die Dicke der Stege, die Winkellage der Stege, die Form der Stege und die Breite der Stege.
Seit vielen Jahren werden statische Mischer auch als Wärmetauscher eingesetzt. Dabei werden statische Mischer mit einem Doppelmantel ausgerüstet. Statische Mischer, welche als Wärmetauscher eingesetzt werden, bezeichnet man heute als Mischer-Wärmetauscher. Eine typische Ausführung ist in der DE 2'808'854 beschrieben. Weitere Mischer-Wärmetauscher sind in den EP 2'113'732 , EP 1'067'352 , WO2008/141472 und DE 2'839'564 beschrieben, wobei der Wärmeübergang an kleinen Rohren im Mischerrohr stattfindet. Mischer-Wärmetauscher zeichnen sich generell mit einem hohen Wärmeübergangsvermögen bei gleichzeitig engem Verweilzeitverhalten aus. Dies führt dazu, dass statische Mischer-Wärmetauscher vermehrt in der Reaktionstechnik eingesetzt werden. Der Einsatz von statischen Mischer-Wärmetauschern als Reaktoren wird ausführlich in der Zeitschrift Chemie Ingenieur Technik 2005,77. No. 6 beschrieben. Statische Mischer mit einem Doppelmantel werden dabei vorzugsweise als Verweilzeitreaktoren oder als Verweiler verwendet. Die mögliche schlanke Bauform des Mischer-Wärmetauschers bewirkt ein enges Verweilzeitverhalten, was sich besonders positiv auf die Produktqualität des im Rohr strömenden Produktes auswirkt. Eine enge Bauform bewirkt aber auch wiederum kürzere Verweilzeiten oder sehr lange Mischer. Das Verweilzeitverhalten in statischen Mischern kann mittels der Bodenstein-Zahl beschrieben werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine statische Mischvorrichtung mit guter Mischwirkung und geringem Druckabfall zu schaffen, welche zusätzlich ein engeres und definierteres Verweilzeitverhalten als bekannte Mischer aufweist.
Die Mischvorrichtung soll dabei vorzugsweise im laminaren Strömungsbereich und im Übergangsbereich eingesetzt werden können und eine weitgehend vollständige Durchmischung gewährleisten. Die Mischelemente sollen einfach und kostengünstig gefertigt werden können, einen geringen Druckverlust aufweisen und mechanisch stabil zu Mischerstangen zusammengestellt werden können. Die Mischelemente sollen als möglichst kurze wie auch als lange Bauformen im Strömungskanal positioniert werden können. Der Strömungskanal soll dabei einen runden, rechteckigen, oder quadratischen Querschnitt aufweisen können.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass unterschiedlich zur EP 2 286 904 B1 die Stege zwischen den benachbarten Kreuzungsstellen zumindest teilweise tailliert ausgebildet sind und in der Mitte zwischen benachbarten Kreuzungsstellen die Stege ihre kleinste Breite und einander benachbarte Stege ihren grössten Zwischenabstand aufweisen, und die der Innenwand des Strömungskanals benachbarten Stege zwischen stirnseitigen Stosskanten eine der Taillierung der Stege entsprechende Ausnehmung mit der kleinsten Breite unter Bildung eines in der Mitte zwischen den stirnseitigen Stosskanten grössten Wandabstandes aufweisen. Dabei beträgt vorteilhafterweise die über den Durchmesser des Mischelementes gemessene Summe der kleinsten Breite der Stege mindestens 40 % des Durchmessers des Mischelementes.
Insbesondere weisen die Stege des inneren Kreuzes 14A,14B keine verjüngten Stege auf, so dass ein laminares Strömungsprofil weitestgehend verhindert wird. Die restlichen taillierten Stege führen zur nötigen Druckverlustreduktion.
Am Ende der Stege, dort wo sich bei der Berührung der Rohrwand eine ellipsenförmige Kontur bilden würde, werden neu die Stege die Rohrwand, unter Berücksichtigung von Toleranzen, nur noch punktuell berühren, so dass die Randgängigkeit auf ein Minimum reduziert wird. Die Stege werden beispielsweise an der Rohrinnenwand zugespitzt, so dass der Mischer nur noch an kleinen Punkten aufliegt. Ein Verbinden der Mischelemente, beispielsweise mit einer Schweissverbindung, muss aus Stabilitätsgründen gewährleistet sein.
Überraschend wurde festgestellt, dass das nahezu vollständige Öffnen der Randzone zu keinen oder nur zu sehr geringen Randgängigkeiten führt. Letztendlich wird die hohe Mischleistung des Mischelementes durch die neuen konstruktiven Massnahmen nicht negativ beeinflusst.
Eine statische Mischvorrichtung weist einen Strömungskanal mit mindestens einem im Strömungskanal angeordneten Mischelement auf. Jedes Mischelement weist eine Vielzahl von kreuzweise angeordneten, mit der Längsachse des Strömungskanals einen Winkel grösser 0° einschliessenden Stegen auf. Die Stege zwischen benachbarten Kreuzungsstellen sind tailliert ausgebildet. Die der Innenwand des Strömungskanals benachbarten Stege weisen zwischen stirnseitigen Stosskanten eine der Taillierung der Stege entsprechende Ausnehmung unter Bildung eines in der Mitte zwischen den stirnseitigen Stosskanten grössten Wandabstandes auf. Dabei kann die über den Durchmesser des Mischelementes gemessene Summe der kleinsten Breiten der Stege mindestens 40 % des Durchmessers des Mischelementes betragen.
Bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemässen statischen Mischvorrichtung weisen eine oder mehrere der nachfolgend angeführten Merkmale auf:

Der Mischer weist Stege auf, die zwischen den benachbarten Kreuzungsstellen nur teilweise tailliert ausgebildet sind.
Das innere Kreuz des Mischelementes wird nicht tailliert ausgeführt, um eine hohe radiale Mischung zu gewährleisten.
Die Stege weisen unterschiedliche Breiten auf.
Die Stege werden an der Rohrwand zugespitzt, so dass das Mischelement keine Totwasserzonen aufweist.
Das Mischelement weist sechs Steglagen auf.

Der Mischer gemäss der Erfindung weist ein engeres Verweilzeitspektrum im Vergleich zu handelsüblichen statischen Mischern auf.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verweilzeitspektrum in einem statischen Mischer ist generell wichtig. Insbesondere müssen Totzonen verhindert werden, da durch die längere Verweildauer die Produktqualität geschädigt oder der Prozess erheblich gestört werden kann. Es ist einerseits bekannt, dass Strömungen mit Reynolds-Zahl > 10'000 turbulent sind. Dies gilt für statische Mischer sowie für das Leerrohr. Andererseits werden Strömungen mit Reynolds-Zahlen < 20 als laminar bezeichnet. Dazwischen befindet sich ein Übergangsbereich.
Fig. 5 zeigt schematisch die turbulente und laminare Strömung. Bei der laminaren Strömung bildet sich eine Parabelströmung 85 im Strömungskanal 10, welche ein sehr schlechtes Verweilzeitspektrum aufweist. Das Verweilzeitspektrum wird üblicherweise mit einem Dirac-Stoss gemessen. Das Messen und Erfassen eines Verweilzeitspektrums ist dem Fachmann ausreichend bekannt und wird nicht detailliert beschrieben. Es ist auch bekannt, dass das Messen eines Dirac-Stosses im laminaren Strömungsbereich schwierig ist, da Einlauf- und Auslaufstörungen die Resultate erheblich beeinflussen können. Die typisch gemessenen Verschiebungen des Verweilzeitspektrums und das leichte Tailing in der Kurve sind charakteristisch für eine Verweilzeitverteilung in einem statischen Mischer im laminaren Strömungsbereich.
Fig. 6 zeigt im Vergleich die Verweilzeitverteilung eines statischen Mischers gemäss Patentschrift CH 642 564 und CH 693 560 zum 1D-Dispersionsmodell. Die Bodenstein-Zahl (auch kurz Bo genannt) ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Reaktionstechnik und beschreibt das Verhältnis des Konvektionsstroms zum Dispersionsstrom. Damit charakterisiert die Bodenstein-Zahl die Rückvermischung innerhalb eines Systems und ermöglicht somit Aussagen darüber, ob und wie stark sich Volumenelemente oder Stoffe innerhalb des Verweilers durch die herrschenden Strömungen vermischen. Die Bodenstein-Zahl wird üblicherweise mit dem 1-d Dispersionsmodell beschrieben. Diese Modellvorstellung nimmt den 1-dimensionalen Vorgang in einem Strömungsrohr (Pfropfenströmung) als Ansatzpunkt. In Richtung z erfolgt eine Strömungsgeschwindigkeit u_z, die bei dem jeweiligen Mischerquerschnitt A praktisch konstant ist. Durch molekulare Diffusion, turbulente Konvektion und durch das durch Randreibung (Rauheit) bewirkte parabolische Geschwindigkeitsprofil (bsp. laminare Rohrströmung) wird es zu Abweichungen von der idealen Rohrströmung kommen. Als Größe zur Erfassung dieser Effekte wird der axiale Dispersionskoeffizient D_ax verwendet, der somit ein Mass für die Rückvermischung ist. Die Ansatzgleichung für das 1-d Dispersionsmodell lautet: $\frac{\partial c}{\partial t} = - u_{z} \cdot \frac{\partial c}{\partial z} + D_{ax} \cdot \frac{\partial^{2} c}{\partial z^{2}}$

und wird, um eine Lösung zu erleichtern, in dimensionsloser Form angeschrieben. Für den stationären Fall entsteht dann: $\frac{\partial (\frac{c}{c_{0}})}{\partial (\frac{t}{τ})} = - \frac{\partial (\frac{c}{c_{0}})}{\partial (\frac{z}{L})} + (\frac{D_{ax}}{u_{z} \cdot L}) \cdot \frac{\partial^{2} (\frac{c}{c_{0}})}{\partial {(\frac{z}{L})}^{2}} = 0$
Darin ist die dimensionslose Kenngröße enthalten, nämlich die so genannte Bodenstein-Zahl, $Bo = \frac{u_{z} \cdot L}{D_{ax}}$

die mit einer "charakteristischen Länge" L des Mischer-Wärmetauscher Gehäuses definiert ist. Die exakte Lösung der stationären und dimensionslosen Gleichung lautet (nach Levenspiel und Smith): $c_{i} \{θ, Bo\} = h (θ) = \sqrt{\frac{Bo}{4 \cdot π \cdot θ}} \cdot e^{⌊ - \frac{{(1 - θ)}^{2} \cdot Bo}{4 \cdot θ} ⌋}$
Als Grenzfälle des Dispersionsmodells ergeben sich das Verdrängungs-Modell ohne axiale Dispersion für Bo = ∞ (ideale Rohrströmung) und das Rückvermischungsmodell mit axialer Dispersion für Bo = 0 (idealer Rührkessel). In der Fig. 6 entsprechen der Peak einem idealen Strömungsrohr 100, die weiteren Kurven 109 Bo=7, 108 Bo=20, 107 Bo= 60, 106 Bo=120 und 105 Bo=400. Die CFD-Berechnung ist mit der Kurve 110 eingezeichnet.
Die Auswertung von Fig. 6 zeigt überraschenderweise, dass auch bei einer CFD Berechnung 110 einerseits die Verschiebung und anderseits das Tailing deutlich ersichtlich wird. Die Kurvenverschiebung weist somit nach der Theorie der realen Strömung deutlich auf Totzonen hin. Diese weisen gemäss Fig. 6 eine geschätzten Betrag von 30% auf, was wiederum sehr unwahrscheinlich ist. Es muss also eine weiterer Effekt diese Verschiebung verursachen. Detaillierte Untersuchungen von instationären CFD Berechnungen ergaben überraschenderweise folgende Effekte:

herkömmliche statische Mischer weisen auch eine Parabelströmung auf, allerdings ist diese weniger ausgeprägt als beim Leerrohr
je kleiner der Widerstandsfaktor ist, desto ausgeprägter die Parabelströmung
Statische Mischer weisen an den Randzonen generell schwach durchströmte Zonen auf, insbesondere dort, wo die Stege in einem Winkel zur Achse an der Rohrwand anliegen. Dies führt zu zusätzlichen längeren Verweilzeiten.

Es wurden etliche Berechnungen durchgeführt, um das Verweilzeitspektrum der Mischer, ohne Ein- und Auslaufstörungen, zu vergleichen. Zum Vergleich der Verweilzeitspektren kann vorzugsweise die Verweilzeitsummenkurve heran gezogen werden. Fig. 7 zeigt einen Vergleich verschiedener Mischelemente. Die Kurve 200 zeigt das ideale Verhalten; keinerlei Anteile der durch das Mischelement fliessenden Fluide hat eine Verweilzeit t zur mittleren Verweilzeit τ (Tau) von kleiner 1. Bei einem grösseren Verhältnis q als 1 sind es 100 %, was als H(q)=1 angegeben wird. Der Mischer gemäss CH 693 560 weist ein Verhältnis mit der gestrichelten Kurve 202 auf, der Mischer gemäss EP 2 286 904 B1 ein Verhältnis gemäss Kurve 201. Die durchgezogene Kurve 203 schliesslich zeigt das Verweilzeitverhalten für einen Mischer gemäss einem Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung. Es fällt auf, dass bei diesem Mischer zum einen die Kurve den Wert H(q) = 0,5 bei q=1 schneidet; 50% der Fluidanteile weisen eine überdurchschnittliche Verweilzeit (q<=1) und 50% eine unterdurchschnittliche Verweilzeit (q>=1) auf. Es besteht also eine Kompensation von schnelleren durch langsamere Anteile in symmetrischer Art und Weise, während beim Stand der Technik einige schnell durch den Mischer hindurchtretende Fluidanteile einem grösseren Anteil von langsameren Fluidanteilen gegenüberstehen. Die Geschwindigkeitsspreizung ist bei der Erfindung viel geringer. Dies ist verbunden mit dem zweiten Unterschied, der darin liegt, dass die langsameren Fluidanteile, auf die mit dem Bezugszeichen 210 hingewiesen wird, eine weniger geringe Verweilzeit als der Schnitt haben; es gibt fast keine Anteile mit einem q < 0.75 und im wesentlichen befinden sich die Fluidanteile mit einem q > 0,85.
Durch die erfindungsgemässen Merkmale gelingt es bei einem solchen Mischer, ein deutlich verbessertes Verweilzeitverhalten zu erzielen. Der Vergleich basiert auf identischen Strömungsverhältnissen, gleichem Durchmesser und gleichen Mischerlängen. Somit kann der Widerstandsfaktor als Leistungsvergleich herangezogen werden. Dabei wird der Widerstandsfaktor des Mischers 1 mit 100% normiert. Wie erwartet weist der Mischer nach EP 2 286 904 B1 mit 38% das schlechtere Verweilzeitverhalten als der Mischer nach der CH 693 560 auf. Es ist daher umso erstaunlicher, dass der Mischer gemäss der Erfindung mit 60% im Vergleich zum Mischer nach CH 693 560 ein erheblich besseres Verweilzeitverhalten aufweist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Erklärungen, Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen ist. Die Zeichnungen zeigen schematisch in

Fig. 1: eine Seitenansicht eines Teils eines Strömungskanals mit zwei aneinander grenzenden Mischelementen mit sechs Stegen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2: die Sicht auf ein Mischelement im Strömungskanal von Fig. 1 in Blickrichtung der Längsachse des Strömungskanals;
Fig. 3: die Draufsicht auf Stegplatten vor dem Schweissen zu einem Mischelement mit zu verbindenden Stegen;
Fig. 4: die Draufsicht auf eine Stegplatte eines Mischelementes mit sechs Stegteilen vor dem Schweissen zu einem Mischelement;
Fig. 5: eine schematische Darstellung von turbulenter und laminarer Strömung in einem Lehrrohr, in einer Prinzipdarstellung und an Mischern gemäss dem Stand der Technik und gemäss der Erfindung;
Fig. 6: die Verweilzeitverteilung von statischen Mischern gemäss CH 642 564 und CH 693 560 im Vergleich zu verschiedenen Bodenstein-Zahlen nach dem 1D Dispersionsmodell;
Fig. 7: Verweilzeitsummenkurven von verschiedenen Mischern des Standes der Technik und gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8: eine perspektivische Darstellung eines statischen Mischers gemäss Fig. 1;
Fig. 9: die Draufsicht auf eine Stegplatte eines Mischelementes mit vier Stegteilen vor dem Schweissen zu einem Element nach Fig, 10;
Fig. 10: die Draufsicht auf die Stegplatten von Fig. 9 vor dem Biegen zu einem Mischelement mit zu verbindenden Stegen und
Fig. 11: eine perspektivische Darstellung eines statischen Mischer gemäss Fig. 1 mit zusätzlichen Rohr oder Profilelement zur Verstärkung resp. zum verbesserten Wärmeübergang.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines Strömungskanals 10 mit zwei aneinander grenzenden Mischelementen 12 mit sechs Stegen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die folgende Beschreibung stützt sich gleichfalls ab auf die Fig. 2 mit einer Sicht auf das Mischelement 12 von Fig. 1 im Strömungskanal 10 in Blickrichtung der Längsachse des Strömungskanals 10; auf die Fig. 3 mit einer Draufsicht auf Stegplatten vor dem Schweissen zu einem Mischelement 12 mit zu verbindenden Stegen, auf die Fig. 4 mit einer Draufsicht auf eine Stegplatte eines Mischelementes 12 mit sechs Stegteilen vor dem Schweissen zu einem Mischelement, auf die Fig. 9 mit einer Sicht auf eine Stegplatte eines Mischelementes mit vier Stegteilen vor dem Schweissen zu einem Mischelement und schliesslich auf die Fig. 10 mit einer Draufsicht auf die Stegplatten von Fig. 9 vor dem Biegen zu einem Mischelement mit zu verbindenden Stegen. Die Fig. 8 schliesslich zeigt eine perspektivische Ansicht eines Mischers nach Fig. 1.
Ein in Fig. 1 gezeigter, rohrförmiger Strömungskanal 10 mit einer Längsachse x und einem Innendurchmesser D weist zwei aneinander grenzende, eine Länge L aufweisende identische Mischelemente 12 mit einem im Wesentlichen dem Innendurchmesser D des Strömungskanals 10 entsprechenden Umhüllungsdurchmesser auf. Die beiden Mischelemente 12 sind bezüglich der Längsachse x des Strömungskanals 10 um einen Winkel von 90° gegeneinander verdreht angeordnet. Das Mischelement 12 besteht aus einer Vielzahl von sich kreuzenden Stegen 14A, 14B. Die Stege 14A, 14B liegen in parallel zueinander angeordneten, von einander durch einen gleichen Abstand getrennten Ebenen, die zwei sich kreuzende Ebenenscharen A, B bilden. Die beiden Ebenenscharen A, B schliessen mit der Längsachse x des Strömungskanals einen Winkel α von 45° und untereinander einen Winkel von 90° ein. Das in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Mischelement 12 weist sechs Steglagen mit je zwei sich alternierend kreuzenden Stegen 14A, 14B auf und entspricht somit einem 6-Steg-Mischer. Eine übliche andere Anzahl von Stegen ist vier oder acht.
Aus der in Fig. 2 dargestellten Projektion der beiden Ebenenscharen A, B auf eine senkrecht zur Längsachse x des Strömungskanals 10 liegende Projektionsebene ist erkennbar, dass die Stege 14A, 14B zwischen Kreuzungsstellen 16 symmetrisch tailliert ausgebildet sind und alle eine in der Mitte zwischen benachbarten Kreuzungsstellen 16 gleiche kleinste Breite b aufweisen, die 50% der Breite b' an den Kreuzungsstellen 16 beträgt. Alle Stege 14A, 14B sind in gleicher Weise tailliert und weisen gleiche Dimensionen auf. Im vorliegenden Fall entspricht der grösste Zwischenabstand a benachbarter Stege 14A, 14B dem Ort der kleinsten Stegbreite b.
Sämtliche Stege 14A, 14B erstrecken sich innerhalb des Mischelements 12 über jeweils ihre durch die Stirnseiten des Mischelements 12 und durch die Innenwand des Strömungskanals 10 begrenzte, maximal mögliche Länge, wobei die Kontur der wandnahen Stege 14A, 14B zur Wahrung eines Wandabstandes dem kreisförmigen Querschnitt des Strömungskanals 10 nur teilweise so angepasst ist, dass bei den wandnahen Stegen 14A, 14B -- wie bei den übrigen Stegen -- nur stirnseitige Endbereiche 22 mit kleinem Spiel an die Innenwand des Strömungskanals 10 angrenzen. Die an die Innenwand des Strömungskanals 10 angrenzenden Stege 14A, 14B sind auf der gegen die Innenwand gerichteten Seite mit einer Ausnehmung 24 versehen, die sich zwischen den stirnseitigen Endbereichen oder Stosskanten 22 mit der Innenwand des Strömungskanals 10 erstreckt und entsprechend der Taillierung der Stege einen grössten Wandabstand c aufweisen, der im vorliegenden Fall 50% des grössten Zwischenabstandes a benachbarter Stege 14A, 14B beträgt.
Wie aus den Figs. 3 und 4 oder Figs. 9 und 10 erkennbar, weisen die Stege 14A, 14B an jeder vorgesehenen Kreuzungsstelle 16 eine Einkerbung 18 oder einen der Kerbtiefe der Einkerbung 18 entsprechenden, einen Vorsprung 20 erzeugenden Rückschnitt auf.
Der Zusammenbau des Mischelements 12 erfolgt auf einfache Weise aus zwei in Fig. 10 gezeigten Stegplatten 26 mit vier alternierend angeordneten, den vier in Fig. 9 dargestellten Stegen 14A, 14B entsprechenden halben Stegen 14A', 14B' und den vier in Fig. 9 dargestellten Stegen 14A, 14B. Hierbei werden zwei Stegplatten 26 um eine Achse um einen Winkel von 90° gebogen und in der in Fig. 1 gezeigten Art über Enden 28 der beiden mittleren Steghälften 14A', 14B' durch Schweissen miteinander verbunden. Die in Fig. 9 dargestellten vier Stege 14A, 14B werden über die Einkerbungen 18 und Vorsprünge 20 an den Kreuzungsstellen 16 auf die gebogenen und miteinander verschweissten Stegplatten 24 aufgesteckt und an den Kreuzungsstellen 16 teilweise verschweisst.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Bereiche der Enden 28, die bei bekannten Mischern im Rahmen des Spiels an der Innenwand des Strömungsrohrs anliegen, ausgeschnitten sind. Die Ausschnitte können, wie in Fig. 4 zu erkennen, geraden Schnitten 122 an den Enden entsprechen, die einen kleinen Endabschnitt übriglassen, der weiterhin an das Strömungsrohr angrenzt. Der Ausschnitt 122 am längsten Stegabschnitt ist steiler als der Ausschnitt 122 an einem kürzeren Steg.
In den Figs. 9 und 10 sind die Ausschnitte 122 gegenüber den üblichen nicht ausgeschnittenen Endbereichen 22 zu erkennen, wobei letztere strichliniert dargestellt sind. Diese Linien 22 entsprechen dem Innendurchmesser des Strömungsrohrs. Dabei sind einige Ausschnitte 122 konkav ausgestaltet, andere weisen einen Polygonzug auf, beispielsweise zwei sich an einem konkaven Punkt treffenden Streckenabschnitte. Dabei kann der Endbereich 28 einen an das Rohr angrenzenden Kantenbereich aufweisen, nur einen Punkt aufweisen oder, wie an dem Steg 14A' in Fig. 10 rechts unten, von beiden Seiten her angeschnitten sein, so dass selbst die Spitze des hier konvexen Polygonzuges die Wand des Strömungsrohrs nicht mehr berührt.
Fig. 5 zeigt schematisch die turbulente und laminare Strömung. Bei der laminaren Strömung bildet sich eine Parabelströmung 85 im Strömungskanal 10, welche ein sehr schlechtes Verweilzeitspektrum aufweist. Mit anderen Worten, an den Rohrrändern bestehen sehr langsame Fluidanteile 86, während in der Mitte schnelle Fluidanteile 87 bestehen. Für eine turbulente Strömung ergibt sich eine Verteilung nach Kurve 82, während mit einem Mischer nach der Erfindung eine Verteilung nach Kurve 81 erreichbar ist, bei der sowohl die Randströmung, als auch die Mittenströmung vergleichbare Geschwindigkeiten aufweisen.
Die Fig. 6 zeigt die Verweilzeitverteilung von statischen Mischern gemäss CH 642 564 und CH 693 560 im Vergleich zu verschiedenen Bodenstein-Zahlen nach dem 1D Dispersionsmodell und die Fig. 7 zeigt Verweilzeitsummenkurven von verschiedenen Mischern des Standes der Technik und einem Mischer gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei zeigt sich, dass das Öffnen der Randbereiche durch Ausnehmungen zwischen dem Innenrohrrand 22 und dem Stegende durch Abschneiden 122 der Randseitigen Endbereiche den Volumendurchfluss in den Randbereichen um ein Mass beschleunigt, dass sich eine hohe homogene Geschwindigkeitsverteilung wie die Strömung 81 nach Fig. 5 ergibt. In der Draufsicht entlang der Längsachse x sind die Mischelemente weiterhin im Wesentlichen vollflächig, insbesondere auf der Hauptachse entlang der Kreuzungsstelle 16, so dass eine gute Durchmischung stattfindet. Es wird neben den durch die Ausnehmungen 24 erzeugten Wandabstand c in der Breitenrichtung der Stege ein zusätzlicher seitlicher Wandabstand erzeugt, der durch den Winkel der geraden Schnitte, die Tiefe der konkaven runden Ausnehmungen oder die Tiefe der Polygonzüge mit einer Spitze definiert wird. Vorteilhaft ist das abwechselnde Anliegen von Randbereichen 22 und den weggenommenen Abschnitten 122, so dass auch in den Randbereichen eine Durchmischung stattfindet.
In Figur 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. In einem Mischer gemäss Figur 1 ist ein zusätzliches längliches, stabförmiges Profilelement 30 angeordnet, welches sich parallel zur Längsrichtung des Mischers erstreckt und diesen durchsetzt. Vorzugsweise ist genau ein Profilelement 30 vorhanden. Der Mischer kann jedoch auch von mehreren derartigen Profilelementen durchsetzt sein.
Das mindestens eine Profilelement 30 ist verschieblich im Mischer gehalten oder fest mit dem Mischer verbunden. Es besteht vorzugsweise aus Metall. Das mindestens Profilelement 30 ist je nach Ausführungsform hohl oder massiv, d.h. ausgefüllt ausgebildet. Es weist vorzugsweise einen runden Querschnitt auf. Ist es hohl, insbesondere als Rohr ausgebildet, so kann es leer sein. Vorzugsweise ist jedoch mindestens ein Temperatursensor im Rohr angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Rohr ein Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Thermoöl oder Wasser, beinhalten.
Das Profilelement dient als mechanische Verstärkung des Mischers und/oder verbessern den Wärmeübergang.

BEZUGSZEICHENLISTE

10	Strömungskanal	201	Verweilzeitsummenkurve von EP 2 286 904
12	Mischelement	201	Verweilzeitsummenkurve von EP 2 286 904
14A(')	Steg	202	Verweilzeitsummenkurve von CH 693 560
14B(')	Steg	202	Verweilzeitsummenkurve von CH 693 560
16	Kreuzungsstelle	203	Verweilzeitsummenkurve bei einem Mischer nach der Erfindung
18	Einkerbung
20	Vorsprung
22	stirnseitige Endbereiche	210	langsamere Fluidanteile
24	Ausnehmung	30	Profilelement
26	Stegplatte	a	grösster Zwischenabstand der Stege
28	Ende	a	grösster Zwischenabstand der Stege
81	turbulente Strömung	b	kleinste Breite der Stege
82	turbulente Strömung	b'	grösste Breite an einer Kreuzungsstelle der Stege
85	Parabelströmung	b'	grösste Breite an einer Kreuzungsstelle der Stege
86	langsame Randströmung	c	grösster Wandabstand der Stege
87	schnelle Zentralströmung	c	grösster Wandabstand der Stege
100	ideale Verweilzeit	A,B	Ebenenscharen der jeweiligen Stege 14A bzw. 14B
105	Verweilzeit bei Bo=400	A,B	Ebenenscharen der jeweiligen Stege 14A bzw. 14B
106	Verweilzeit bei Bo=120	X	Längsachse des Strömungskanals
107	Verweilzeit bei Bo=60	X	Längsachse des Strömungskanals
108	Verweilzeit bei Bo=20	D	Innendurchmesser des Strömungskanals
109	Verweilzeit bei Bo=7	D	Innendurchmesser des Strömungskanals
110	CFD berechnete Verweilzeit	L	Länge des Mischelements
122	abgeschnittene stirnseitige Endbereiche
200	ideale Verweilzeitsummenkurve

Claims

Statische Mischvorrichtung mit einem rohrförmigen, eine Längsachse und einen Innendurchmesser aufweisenden Strömungskanal (10) mit mindestens einem im Strömungskanal (10) angeordneten Mischelement (12) einer vorbestimmten Länge und einem im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Strömungskanals (10) entsprechenden Durchmesser (D), wobei jedes Mischelement (12) eine Vielzahl von kreuzweise angeordneten, mit der Längsachse (X) des Strömungskanals (10) einen Winkel grösser 0° einschliessenden Stegen (14A, 14B) aufweist, wobei die Stege (14A, 14B) in zwei sich kreuzenden, eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, von einander durch einen gleichen Abstand getrennten Ebenen aufweisenden Ebenenscharen (A, B) angeordnet sind und bei Projektion der beiden Ebenenscharen (A, B) auf eine senkrecht zur Längsachse (x) des Strömungskanals (10) liegende Projektionsebene einander benachbarte Stege (14A, 14B) zumindest teilweise einen Zwischenabstand aufweisen und dass die Stegenden an der Rohrwand nur noch punktuell anliegen, so dass trotzdem die Befestigung der Mischelemente zu einer Mischerstange gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens jeweils einer der Stege (14A, 14B) zwischen benachbarten Kreuzungsstellen (16) tailliert ausgebildet ist und in der Mitte zwischen benachbarten Kreuzungsstellen (16) die Stege (14A, 14B) ihre kleinste Breite (b) und einander benachbarte Stege (14A, 14B) ihren grössten Zwischenabstand (a) aufweisen, und die der Innenwand des Strömungskanals (10) benachbarten Randbereiche der Stege (14A, 14B) eine gegenüber der Innenwand des Strömungskanals (10) bestehende Ausnehmung (122) aufweisen.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung (122) der der Innenwand des Strömungskanals (10) benachbarten Randbereiche eine der Taillierung der Stege (14A, 14B) entsprechende Ausnehmung mit der kleinsten Breite (b) unter Bildung eines in der Mitte zwischen den stirnseitigen Stosskanten (22) grössten Wandabstandes (c) ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die über den Durchmesser des Mischelementes (12) gemessene Summe der kleinsten Breiten (b) der Stege (14A, 14B) mindestens 40 % des Durchmessers des Mischelementes (12) beträgt.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei angrenzend an die Ausnehmungsränder stirnseitige Stosskanten (22) der Stege (14A, 14B) bestehen, die an die Innenwand des Strömungskanals (10) angrenzen.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen gerade Schnitte oder konkave Ausnehmungen (122) der Stosskanten der Stege (14A, 14B) sind.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stege (14A, 14B) an der Innenwand des Strömungskanals (10) zugespitzt sind, so dass das Mischelement (12) keine Totwasserzonen aufweist, insbesondere dass die Stege (14A, 14B) die Innenwand des Strömungskanals (10) nicht berühren.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das innere Kreuz des Mischelementes (12) nicht tailliert ausgeführt wird.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stege (14A, 14B) unterschiedliche Breiten aufweisen, und/oder wobei alle Stege (14A, 14B) die gleiche kleinste Breite (b) aufweisen.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei alle Stege (14A, 14B) mit der Längsachse (x) des Strömungskanals (10) einen Winkel (α) von 45° einschliessen.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei. das Mischelement (12) vier, sechs oder acht Steglagen aufweist.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle einander benachbarten Stege (14A, 14B) den gleichen grössten Zwischenabstand (a) aufweisen.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kleinste Breite (b) der Stege (14A, 14B) 50 % ihrer Breite (b') an den Kreuzungsstellen (16) der Stege (14A, 14B) beträgt.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kleinste Breite (b) der Stege (14A, 14B) gleich gross ist wie der grösste Zwischenabstand (a) benachbarter Stege (14A, 14B).
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der grösste Wandabstand (c) 50% der kleinsten Breite (b) der Stege (14A, 14B) und 50% des grössten Zwischenabstandes (a) benachbarter Stege (14A, 14B) beträgt.
Mischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein längliches Profilelement vorhanden ist, welches den Mischer durchsetzt.
Verwendung einer statischen Mischvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Mischen von Medien, wobei mindestens eines davon ein laminar strömendes Medium, insbesondere eine Polymerschmelze oder ein anderes hochviskoses Fluid, ist.