ES2244117T3 - Mezclador estatico. - Google Patents
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Abstract
MODULO MEZCLADOR ESTATICO COMPUESTO POR UN DISCO DOTADO DE MULTITUD DE ORIFICIOS (6), QUE POR SU CARA ANTERIOR Y POR SU CARA POSTERIOR ESTA ESTRUCTURADO POR UNOS CANALES (4, 5), Y EN LA QUE LOS ORIFICIOS (6) ESTAN SITUADOS EN LOS FLANCOS (8) DE LOS CANALES DE ENTRADA (4), DESEMBOCANDO EN LOS FLANCOS (9) DE LOS CANALES MEZCLADORES (5). IGUALMENTE SE DESCRIBE UNA DISPOSICION DE MEZCLADOR QUE SE COMPONE POR LO MENOS DE DOS ELEMENTOS MEZCLADORES ESTATICOS DISPUESTOS UNO TRAS OTRO, DONDE POR LO MENOS UNO DE LOS ELEMENTOS MEZCLADORES ES UN MODULO MEZCLADOR ESTATICO EN FORMA DE DISCO. EL MODULO MEZCLADOR Y EL CONJUNTO MEZCLADOR SE UTILIZAN EN TUBERIAS Y CARCASAS ATRAVESADAS POR UN FLUJO.
Description
Mezclador estático.
La invención se refiere a un módulo de mezclador
estático en forma de disco con una serie de orificios que por la
cara delantera y trasera está estructurado mediante canales,
finalizando los orificios en los flancos de los canales en la cara
delantera y trasera. La invención se refiere además a un mezclador
que incluye, al menos, dos módulos de mezclador estático dispuestos
uno detrás de otro, siendo como mínimo uno de ellos, un módulo de
mezclador estático en forma de disco anteriormente descrito. El
módulo de mezclador y el mezclador se utilizan en tuberías con flujo
y carcasas.
La cara delantera del módulo de mezclador o del
mezclador es la cara en dirección opuesta al flujo.
Unos mezcladores estáticos de uso corriente son
descritos por M. H. Pahl y E. Muschelknautz en "Empleo y diseño de
mezcladores estáticos", Chem.-In.-Tech. 51, núm. 5, págs. 347 -
364 (1979) de Pahl y Muschelknautz en Mezcladores estáticos y su
aplicación, Chem.-Ing.-Tech. 52, núm. 4, págs. 285 - 291;
(1980).
Se diferencia entre mezcladores helicoidales y
otros mezcladores. El mezclador helicoidal más antiguo y empleado
con frecuencia es el mezclador de Kenics. Con mezcladores
helicoidales, la corriente producida se divide en dos a cuatro
corrientes parciales. Estas corrientes parciales se guían mediante
espirales en el tubo. Los cantos de las distintas espirales
sucesivas están torcidos unos frente a otros, de manera que con cada
espiral se produce una nueva distribución de la corriente del
producto. La mezcla con ayuda de mezcladores de espiral es muy
ineficaz, dado que son necesarios trayectos de mezcla muy
largos.
En el documento DT 23 28 795 se describe un
mezclador estático con almas y placas entrecruzadas. Este mezclador
estático se compone de varios discos entrecruzados que engranan
entre sí a modo de peine con almas y ranuras y que están montados
con una inclinación frente al eje de la carcasa, por ejemplo, a un
tubo o canal con flujo de material de mezcla (producto). Los discos
reparten la corriente de producto en un número de corrientes
parciales de acuerdo con el número de almas. A fin de obtener un
buen resultado de mezcla, se disponen varios mezcladores estáticos
de este tipo uno tras otro y, en este caso, mezcladores estáticos
sucesivos torsionados en un ángulo fijo unos frente a otros.
Los mezcladores de almas en cruz conocidos
presentan en lo que se refiere a su efecto de mezcla, los siguientes
inconvenientes: al pasar el material por el mezclador de almas en
cruz se forman en la corriente del producto, visto en dirección del
caudal, corrientes parciales a lo largo de las almas. Estas
corrientes parciales pueden fluir a lo largo de un trayecto mayor
que el diámetro de la carcasa que rodea al mezclador, de forma
prácticamente libre de obstáculos y sin mezclarse con otras
corrientes parciales. Estas corrientes parciales que fluyen sin
obstáculos por estos trayectos largos se denominan como "canales
de flujo preferencial"
Los "canales de flujo preferencial" impiden
la inclusión rápida y buena de un componente adicional en una
corriente de producto, en especial cuando se trata de líquidos
altamente viscosos. Los "canales de flujo preferencial" sólo
se bloquean en su paso al siguiente mezclador estático mediante un
desplazamiento angular exacto preestablecido de mezcladores
estáticos sucesivos, mezclándose mejor los componentes
adicionales.
Los requisitos que se formulan a un mezclador
estático a utilizar a escala industrial rebasan un buen resultado de
mezcla con un trayecto de mezcla corto: se exige además un reducido
coste de fabricación, un montaje sencillo, un desmontaje fácil en
caso de reparación, poca sensibilidad a las averías y un tratamiento
cuidadoso del material de mezcla gracias a un tiempo de permanencia
reducido en el mezclador, a fin de obtener una buena calidad del
producto.
Como consecuencia del efecto de mezcla
insuficiente de los distintos mezcladores estáticos, hay que
utilizar un gran número de elementos de mezcla individuales. Por
este motivo, el trayecto de mezcla resulta comparativamente largo.
Para fijar las almas de las diferentes chapas que engranan a modo de
peine de este mezclador de forma exacta e inmovible, es necesario
que los puntos de intersección se unan mediante soldadura. En caso
de diámetros grandes, el número de puntos de soldadura aumenta de
manera tan importante que las razones de rentabilidad se oponen al
empleo de mezcladores de este tipo. En caso de elevados gradientes
de presión, se pueden producir deformaciones irreparables de las
almas. Un elemento de mezcla deformado por esta u otras razones
genera durante el servicio una resistencia al flujo que puede ser
tan elevada que el tubo de mezcla se obstruya o que el elemento de
mezcla sufra una destrucción aún mayor. Los elementos de mezcla
deben ser desmontados, limpiados, reparados e instalados de nuevo si
las placas a modo de peine se deforman. Con frecuencia, el
desmontaje complicado de dichos elementos del tubo de mezcla provoca
más deformaciones de los elementos, por lo que han de sustituirse
completamente.
El largo trayecto de mezcla provoca en ocasiones
una elevada pérdida de presión y un largo tiempo de permanencia del
líquido que fluye por el mezclador estático. Un largo tiempo de
permanencia puede tener, sin embargo, efectos perjudiciales sobre la
calidad del producto. Se pueden producir incrustaciones y daños en
el producto dentro del mezclador.
En caso de variación de la configuración técnica
de procedimiento, por ejemplo, de aumento del diámetro de la carcasa
o del tubo a causa de un caudal de producto incrementado, también es
necesario configurar de nuevo los elementos de mezcla. Un simple
aumento proporcional del mezclador con un número de división
constante de la corriente principal conduce a un aumento forzoso de
los distintos canales de flujo y, por consiguiente, a un peor
resultado de mezcla, especialmente si la corriente de producto a
mezclar es mucho menor que la corriente principal. Esto quiere decir
que, en este caso, la longitud debe aumentar proporcionalmente, a
fin de obtener un resultado de mezcla constante. Si las proporciones
varían, es preciso configurar de nuevo el trayecto de mezcla con un
gran esfuerzo con respecto a su efecto de mezcla.
En el documento DE 28 22 096 se publican
mezcladores de barra taladrados que se componen de un bloque
cilíndrico cuya longitud es mayor que su diámetro. En este bloque
están taladrados una serie de canales paralelos continuos que se
seccionan recíprocamente en un ángulo con respecto a la dirección de
flujo principal. El mezclador de barra taladrado es resistente a
gradientes de presión elevados. Tiene el inconveniente de que la
fabricación del mezclador de barra taladrado resulta muy costosa y
la concepción del mezclador no es variable. Así, no es posible, por
ejemplo, reducir el diámetro de los canales a voluntad, dado que
las brocas con un diámetro demasiado pequeño no pueden mantener la
dirección preestablecida en la fabricación de los canales, sino que
se desvían al taladrar. Por lo tanto, los mezcladores taladrados no
se pueden adaptar libremente a los requisitos técnicos de
procedimiento. Sólo es posible fabricar mezcladores de barra dentro
de unas dimensiones muy determinadas.
Al igual que en los mezcladores estáticos, en el
mezclador de barra taladrado también se forman "canales de flujo
preferencial" que impiden un buen efecto de mezcla. Varios
mezcladores de barra taladrados posicionados en serie deben
disponerse de forma torcida unos frente a otros en un ángulo
definido, a fin de conseguir un efecto de mezcla aceptable, lo que
dificulta el montaje.
Con el mezclador Komax conocido por el documento
EP 0 195 450 se intenta conseguir un montaje más sencillo y un mayor
efecto de mezcla, especialmente en caso de sustancias altamente
viscosas. El mezclador Komax se compone de varios discos cilíndricos
con varias perforaciones del mismo tamaño paralelamente al eje del
cilindro. Los discos se disponen de forma desplazada unos tras
otros, de manera que las perforaciones se solapan parcialmente en
dirección de flujo. Como consecuencia se forman cavidades en estado
montado. Por consiguiente, la mezcla radial se ha mejorado frente al
mezclador de barra taladrado y los mezcladores del documento DT 2
328 795, dado que no se pueden configurar "canales de flujo
preferencial". No obstante, también ha aumentado el tiempo de
parada a causa de la falta de un buen flujo en las cavidades.
En el documento CZ 1707 U (PUV
1428-93) también se publican mezcladores estáticos
que se parecen a los mezcladores de acuerdo con la invención, aunque
no presentan ningún tipo de segmentación, lo que conlleva problemas
considerables en la construcción de unidades de un tamaño reducidos
con altos rendimientos.
El objetivo de la invención consiste en reducir
considerablemente o bien en suprimir los inconvenientes de los
mezcladores estáticos conocidos. Entre otros aspectos especialmente
la obtención de un resultado de mezcla comparable o mejor en un
trayecto de mezcla más reducido, la disminución del tiempo de
permanencia del material de mezcla, el aumento de la estabilidad
contra gradientes de presión elevados, la facilidad del montaje, así
como una reducción del coste de fabricación.
Este objetivo se cumple gracias a un módulo de
mezclador estático en forma de disco con una serie de orificios que
por la cara delantera y trasera está estructurado mediante canales,
finalizando los orificios en los flancos de los canales en la cara
delantera y trasera. Los canales en la cara delantera del módulo se
denominan en lo sucesivo como canales de entrada y los canales en la
cara trasera como canales de mezcla. Preferiblemente se disponen en
serie varios módulos de mezcla, a fin de mejorar el efecto de
mezcla. Las secciones transversales de orificio pueden presentar una
geometría cualquiera. Éstas pueden ser, por ejemplo, cuadradas o
circulares. Los orificios están repartidos preferiblemente en una o
varias filas por la superficie de flancos.
El módulo de mezclador de acuerdo con la
invención está dividido en zonas o segmentos, de manera que la
longitud de su extensión, visto en dirección de flujo del material
de mezcla, es diferente en las distintas zonas o segmentos. Esto
significa que la distancia de los planos de la cara delantera y los
planos de la cara trasera del mezclador no es la misma en las
distintas zonas o segmentos.
En el módulo de mezclador estático de acuerdo con
la invención, la proporción entre la longitud axial, la longitud del
mezclador en dirección de flujo, y el diámetro es preferiblemente
menor de 1, preferiblemente menor de 0,75, de una forma
especialmente preferible menor de 0,25.
La distancia del límite exterior de la cara
delantera y la cara trasera del módulo de mezclador se denomina
aquí longitud axial del módulo.
Los canales en las caras delantera y trasera
pueden presentar cualquier forma independientemente entre sí. En una
forma preferida del módulo de mezclador, los canales presentan un
perfil de sección transversal en forma de V, de U, rectangular o
trapecial.
En una forma preferible, especialmente en una
realización con un perfil de los canales en forma de V, de U,
rectangular o trapecial, los canales presentan en las caras
delantera y trasera independientemente entre sí, flancos rectos que
forman un ángulo \alpha de 5 grados a 85 grados con el plano de
disco de la cara delantera o bien con el plano de disco de la cara
trasera del módulo de mezclador.
En este caso, por plano de disco se entiende el
plano geométrico que forma el límite exterior de la cara delantera
orientado hacia el material de mezcla que fluye o bien el límite
exterior opuesto de la cara trasera.
En una variante del módulo de mezclador estático,
especialmente en una realización con un perfil de los canales en
forma de V, de U, rectangular o trapecial, los flancos de los
canales en la cara delantera y/o trasera del módulo son rectos y
forman un ángulo \alpha menor de 15 grados con el plano de disco
de la cara delantera y/o de su cara trasera, presentando el módulo
de mezclador contornos distanciadores adicionales, especialmente
botones, dientes o salientes en la cara delantera y/o su cara
trasera. Por consiguiente, en caso de una inclinación de hasta 15
grados, se colocan contornos distanciadores adicionales, por
ejemplo, botones, dientes o salientes en la cara delantera o bien la
cara trasera del mezclador, para que también en este caso estén
disponibles cavidades lo suficientemente grandes para una mezcla de
la corriente de material de mezcla entre, por ejemplo, dos módulos
de mezclador sucesivos del mismo tipo.
Normalmente, los orificios en los flancos del
módulo de mezclador están practicados de manera que su eje central o
su pared está situado aproximadamente de forma perpendicular al
plano de los flancos de los canales. Sin embargo, el eje central o
la pared de los orificios en los flancos o bien de los canales
también puede formar preferiblemente un ángulo \beta de \pm 30
grados con el plano de flanco.
Según el perfil de flujo del material de mezcla
que fluye por el módulo de mezclador, puede resultar ventajoso,
visto sobre la sección transversal de flujo, obtener un efecto o
una intensidad de mezcla diferente en la zona marginal o en la zona
interior de la sección transversal de flujo. Para ello, el módulo de
mezclador se divide preferiblemente en dos o más zonas o segmentos
que pueden presentar canales en la cara delantera y/o trasera del
módulo de mezclador dispuestos de distinta forma y/o estructurados
de distinta forma.
Una estructuración diferente quiere decir que las
estructuras de las zonas o de los segmentos del tipo del perfil de
los canales, se diferencian en el ángulo de flancos \alpha, en el
desarrollo de los canales (recto, paralelo, concéntrico) y/o en la
disposición, las distancias y las superficies de sección transversal
de los orificios en los flancos. Los segmentos se han de entender
aquí como piezas parciales del módulo fabricadas por separado.
En una realización preferible, por ejemplo, para
el montaje en tuberías redondas, los límites de las zonas o
segmentos están dispuestos de forma concéntrica con respecto al
centro del módulo de mezclador.
El módulo de mezclador presenta preferiblemente
en su cara delantera superficies de choque en el plano de discos,
especialmente aplanamientos o elevaciones planas entre los canales,
cuya superficie está situada perpendicularmente a la dirección de
flujo del material de mezcla.
El módulo de mezclador estático se puede fabricar
de cualquier material como metal, plástico, cerámica o vidrio. Los
materiales preferidos son acero aleado, metal no férrico, plástico
termoplástico, vidrio, cerámica o materiales de efecto catalítico.
El módulo de mezclador también puede estar recubierto con un
material de efecto catalítico.
Sobre todo en la mezcla de fluidos altamente
viscosos se ha demostrado que resulta especialmente ventajoso
disponer más de un módulo de mezclador estático en el recorrido de
flujo del material de mezcla, a fin de conseguir un buen resultado
de mezcla. La disposición de mezcladores se compone, entonces, de al
menos dos módulos de mezclador estático dispuestos en serie de
acuerdo con la invención o de la combinación de, como mínimo, un
módulo de mezclador estático de acuerdo con la invención y de un
mezclador estático convencional.
Por lo tanto, otro objeto de la invención también
consiste en una disposición de mezcladores compuesta de, al menos,
dos elementos de mezcla estáticos dispuestos en serie, siendo como
mínimo un elemento de mezcla un módulo de mezclador estático en
forma de disco de acuerdo con la invención.
En una disposición de mezclador preferible, al
menos dos módulos de mezclador estático en forma de disco de acuerdo
con la invención están dispuestos directamente uno detrás de
otro.
Especialmente ventajoso con respecto al efecto de
mezcla ha resultado la elección de una disposición de mezcladores en
la que los módulos de mezclador estático en forma de disco
dispuestos en serie están posicionados de modo que los canales de
mezcla del primer módulo de mezclador están dispuestos de forma
desplazada o torcida contra los canales de entrada del siguiente
módulo de mezclador.
Una disposición de mezcladores preferible está
caracterizada porque los módulos de mezclador estático adyacentes en
forma de disco presentan en su cara delantera y/o trasera, haces
paralelos de canales rectos y porque los canales orientados unos
hacia otros de los módulos de mezclador adyacentes están girados
unos respecto a otros en un ángulo \gamma de 5 grados a 175
grados. El giro evita que se formen canales de flujo preferencial
que, en caso de un material de mezcla altamente viscoso, impiden una
equipartición del material de mezcla a través de la sección
transversal de flujo.
Se obtienen propiedades especiales de
disposiciones de mezcladores que están estructuradas de manera que a
como mínimo un módulo de mezclador estático de acuerdo con la
invención con zonas o segmentos le sigue directamente un elemento
de mezcla estático que es un mezclador estático convencional o un
módulo de mezclador estático en forma de disco de acuerdo con la
invención, cuyo contorno exterior o interior está adaptado a los
límites de las zonas o los segmentos, y que engrana en las zonas o
segmentos del módulo de mezclador estático en forma de disco que
presentan una distancia menor entre el plano de disco de la cara
delantera y el plano de disco de la cara trasera que las demás
zonas o segmentos.
La sucesión del mezclador estático y del módulo
de mezclador estático en forma de disco dividido en zonas o
segmentos es arbitraria.
Una realización especialmente preferible del
mezclador antes citado está configurada de modo que el mezclador
estático que engrana termina con el extremo o bien con el principio
del módulo de mezclador dividido. Esto quiere decir que la unidad
compuesta de un módulo de mezclador estático en forma de disco y de
un mezclador estático que engrana está realizada de manera que el
mezclador estático que engrana termina con el plano de disco de la
cara delantera o con el plano de disco de la cara trasera de los
segmentos o zonas que presentan una distancia máxima entre los
planos de la cara delantera o bien de la cara trasera.
Otro objeto de la invención consiste en un
mezclador que se compone, al menos, de dos módulos de mezclador
estático de acuerdo con la invención o, al menos, de una disposición
de mezcladores de acuerdo con la invención, en el que el módulo de
mezclador o bien la disposición de mezcladores está montado en un
tubo con flujo de material de mezcla, de manera que la cara
delantera de un módulo de mezclador o bien del módulo de mezclador
de la disposición de mezcladores señala contra la dirección de flujo
del material de mezcla.
Los módulos de mezclador de acuerdo con la
invención o bien las disposiciones de mezcladores estructuradas a
partir de los mismos, permiten un tipo de construcción reducido y
compacto de un mezclador estático que se puede integrar mejor en
plantas de producción que los mezcladores del estado de la técnica.
Como consecuencia del menor trayecto de mezcla, el tiempo de parada
del producto en el trayecto de mezcla también es más reducido, lo
que actúa positivamente en la calidad del producto.
Unos trayectos de mezcla más cortos conllevan
unas pérdidas de presión más reducidas. La propensión a las averías
de los módulos de mezclador o bien de los mezcladores de acuerdo con
la invención, especialmente su sensibilidad a la presión se han
reducido claramente, dado que para la estructura de los módulos de
mezclador no son necesarias soldaduras por unión o similares. Los
distintos módulos de mezclador se pueden fabricar de una pieza, por
ejemplo, mediante técnica de colada o técnica de conformación de
metales. Los módulos se pueden juntar, para un montaje más sencillo,
en las unidades de montaje deseadas con varillas de montaje con la
longitud correspondiente o con alambres de montaje que se
introducen a través de perforaciones adicionales. Es posible una
simplificación del montaje, por ejemplo, mediante soldadura o simple
colocación en fila de los módulos de mezclador con una pequeña
perforación axial en un alambre de montaje, y fijación del
alambre.
En caso de un desmontaje de los mezcladores, se
evita un deterioro de los distintos módulos, gracias a que éstos son
estables a la rotura frente a un punzón de moldeo en acción para la
expulsión de los mezcladores de una tubería. El montaje y también el
nuevo montaje es muy sencillo, dado que no es necesario un
posicionamiento exacto ni un giro de los módulos entre sí, a fin de
obtener un resultado de mezcla determinado. Un giro cualquiera de
varios módulos de mezclador estático en un mezclador evita canales
de flujo preferencial y conduce a un buen resultado de mezcla. Una
ventaja especial de los módulos de mezclador estático de acuerdo con
la invención consiste en el aumento sin problemas de los módulos de
mezclador con un diámetro hidráulico creciente del canal de flujo.
Conservando la estructuración de las caras delantera y trasera de
los módulos se continúa en la misma estructuración sólo en una
superficie mayor. El número de los orificios por superficie y, por
consiguiente, las proporciones locales de mezcla en cada punto de la
sección transversal del canal de flujo no sufren ningún cambio.
Las disposiciones de mezcladores estáticos de
acuerdo con la invención se pueden adaptar de forma flexible, rápida
y económica a las tareas de mezcla más diversas. Por una parte, los
mezcladores preestablecidos se pueden combinar de cualquier forma
entre sí. Por otra parte, los distintos módulos se pueden
estructurar sin un gran coste conforme a los requisitos, de manera
que cabe la posibilidad de generar gradientes de presión y
velocidades diferentes del material de mezcla que fluye en
distintos módulos. El número de las corrientes parciales generadas
se puede regular a voluntad dentro de unos límites amplios. Estos
parámetros se pueden adaptar a las relaciones en el material de
mezcla con respecto a la viscosidad, las relaciones volumétricas de
las corrientes de producto a mezclar y sus diámetros de flujo, a fin
de conseguir un resultado de mezcla óptimo.
Los módulos de mezclador o bien las disposiciones
de mezcladores de acuerdo con la invención se pueden utilizar para
la mezcla de líquido - líquido de colorantes o bien aditivos en
masas fundidas de polímero para la mezcla de componentes con una
viscosidad igual o distinta. También se pueden emplear para la
mezcla de corrientes de sustancias líquidas y gaseosas, pudiendo ser
los componentes gaseosos un agente arrastrador para la separación de
componentes secundarios volátiles no deseados. En caso de
utilización de módulos o disposiciones de mezcladores con
superficies de efecto catalítico, se pueden preparar grandes
superficies de reacción para la catálisis heterogénea. En caso de
tuberías calentadas se puede mejorar la transmisión térmica de los
módulos o bien disposiciones de mezcladores que se encuentran en la
tubería al material de mezcla, especialmente en caso de sustancias
altamente viscosas, si se coloca en el mezclador estático un anillo
exterior cerrado que permite una fácil adaptación al interior del
tubo a través de una pequeña hendidura definida.
Los módulos de mezclador o bien las disposiciones
de mezcladores de acuerdo con la invención también son apropiadas
para la trituración de aglomerados de sustancias sólidas en una fase
líquida. Los mezcladores estáticos de acuerdo con la invención se
pueden utilizar como paquetes en columnas de separación e impulsar
el proceso térmico de transferencia de materia. Los módulos de
mezclador estático también se pueden fabricar mediante técnica de
microestructura y aplicarse en el campo de la técnica de
microestructura.
A continuación, la invención se explica con más
detalle por medio de las figuras. Las distintas figuras
muestran:
Fig. 1a-c vista cenital y
secciones transversales de un módulo de mezclador estático;
Fig. 2 sección transversal de un módulo de
mezclador estático con flancos planos y botones distanciadores,
salientes y dientes;
Fig. 3a-c vista sobre módulos de
mezclador estático de acuerdo con la invención con contornos
exteriores diferentes que están divididos en varias zonas o
segmentos con distinta estructuración;
Fig. 4a, b mezcladores de acuerdo con la
invención con grosores diferentes en distintas zonas/segmentos;
Fig. 5a-d mezcladores de acuerdo
con la invención de cuatro módulos de mezclador;
Fig. 6 muestra un corte de un módulo de
mezclador con canales rectos y cantos delanteros planos;
Fig. 6b muestra una forma de construcción,
comparable con la figura 6a, con nervios en las caras delantera y
trasera.
La figura 1a muestra la vista sobre un módulo de
mezclador estático 10 para el montaje en un tubo 30 con una
superficie de sección transversal circular. Los canales 4, 5 se
desarrollan paralelamente. Los orificios redondos 6 están dispuestos
a distancias regulares. La figura 1b muestra el módulo de mezclador
10 en la sección transversal montado en un tubo 30. La sección
transversal del módulo de mezclador estático en la figura 1c muestra
un perfil en forma de V de los canales 4, 5. En los flancos 8 de los
canales de entrada 4 en la cara delantera 2 y en los flancos 9 de
los canales de mezcla 5 en la cara trasera 3 del módulo de
mezclador 10 se encuentran los orificios 6. \alpha denomina el
ángulo entre el plano de disco 13 y el plano de flanco 17.
La figura 2 muestra la sección transversal de un
módulo de mezclador estático, en el que los flancos 8 de los canales
de entrada en la cara delantera 2 y los flancos 9 de los canales de
mezcla 9 en la cara trasera 3 están situados en línea recta y
paralelos entre sí. El plano de flanco 17 está situado en un ángulo
\alpha menor de 15 grados con el plano de disco 13. El módulo de
mezclador presenta adicionalmente botones 15a, dientes 15b y
salientes 15c como contornos distanciadores en la cara delantera 2 y
la cara trasera 3. El eje central 16 de los orificios 6 forma el
ángulo \beta = 90º con el plano de flanco 17.
Las figuras 3a-c muestra una
vista sobre distintos módulos de mezclador estático
103a-c en una representación esquemática. El módulo
de mezclador 103a en la figura 3a tiene una base rectangular. Dicho
módulo está dividido en tres zonas que encajan entre sí 111a, 111b,
111c que están estructuradas respectivamente de forma distinta. El
módulo de mezclador 103b en la figura 3b también tiene una base
rectangular y está compuesto por los dos segmentos 121a, 121c y un
segmento central 121b. Los tres segmentos 121a-c
están estructurados de forma diferente. El módulo de mezclador 103c
en la figura 3c posee una base circular. Está compuesto por dos
segmentos de módulo de mezclador concéntricos 122a, 122b que encajan
entre sí con distinta estructuración, y por un modelo convencional
de mezclador estático 123 en el centro.
La figura 4a muestra simplificado un módulo de
mezclador estático 104a que está dividido en dos zonas 114a, 114b
concéntricas alrededor de su centro y en el que la distancia entre
el plano 131a de la cara delantera 2 y el plano 181a de la cara
trasera 3 del módulo de mezclador es mayor que la distancia entre el
plano 131b de la cara delantera 2 y el plano 181b de la cara trasera
3.
La figura 4b muestra un módulo de mezclador
estático 104b que está dividido en dos segmentos 124a, 124b
concéntricos alrededor de su centro y en el que la distancia entre
el plano 132a de la cara delantera 2 y el plano 182a de la cara
trasera 3 del módulo de mezclador es menor que la distancia entre el
plano 132b de la cara delantera 2 y el plano 182b de la cara trasera
3.
La figura 5a muestra una vista lateral de una
disposición de mezcladores 20 que está montada en un tubo 30,
compuesta de cuatro módulos de mezclador 105b, 105c, 105d, 105c. En
las figuras 5b-d están representados en una vista
cenital y en una sección transversal, los cuatro módulos de
mezclador distintos que se emplean en la disposición de mezcladores
20, estando asignados en la vista cenital los canales
correspondientes del perfil de sección transversal con líneas
auxiliares estrechas, a los canales correspondientes. En la figura
5b está representado el módulo de mezclador estático 105b. Éste
tiene un diámetro exterior que corresponde al diámetro del tubo 30 y
orificios redondos 6b. La figura 5c muestra la geometría del módulo
de mezclador 105c que se utiliza dos veces en la disposición de
mezcladores 20. Tiene un diámetro exterior más reducido que el
diámetro del tubo y está estructurado de forma diferente a los
módulos de mezclador 105 y 105d. Los orificios 6c son rectangulares.
Cerca del módulo de mezclador 105c que se monta entre los módulos de
mezclador 105b y 105d en la disposición de mezcladores 20, se forma
una cavidad 31. En la figura 5d está representado el módulo de
mezclador 105d. Ésta presenta la misma estructura que el módulo de
mezclador 105 y tiene el mismo diámetro exterior. A diferencia del
105b, éste es menos grueso en una zona interior 115b que en la zona
exterior 115a. En la disposición de mezcladores 20 montada de la
figura 5a, uno de los dos módulos de mezclador 105c engrana en esta
escotadura 115b. Por otra parte, el módulo de mezclador 105d se
monta en la disposición de mezcladores 20, de manera que los canales
4d están torcidos en el ángulo \gamma contra los canales 4b del
módulo de mezclador 105b.
En la figura 6a se reproduce un corte de un
módulo de mezclador en el que por la cara delantera 2, los cantos
que se encuentran entre los canales de entrada adyacentes están
aplanados. De este modo se reduce la longitud axial del módulo. Con
el aplanamiento se forma en la cara delantera del módulo, una
superficie de choque 18 para el material de mezcla que sale.
En la figura 6b, el módulo de mezclador está
elevado por las caras delantera y trasera con nervios adicionales
19, formando la cara delantera de los nervios 19, una superficie de
choque para el material de mezcla que fluye.
Para la valoración de la calidad de mezcla de los
módulos de mezclador estático (SMM) de acuerdo con la invención
según la figura 1a se llevaron a cabo ensayos comparativos.
El diámetro exterior de los módulos de mezclador
empleados en el ensayo comparativo era de 20 mm, el ángulo de flanco
\alpha de 45 grados, el diámetro de los orificios de 3 mm y el
número total de orificios en cada módulo ascendía a 24,5. Se
dispusieron en serie 86 de estos módulos de mezclador, habiéndose
torcido módulos sucesivos con sus canales de mezcla respectivamente
en un ángulo \gamma de 90 grados aproximadamente. La longitud del
trayecto de mezcla compuesto de 86 módulos de mezclador era de 300
mm aproximadamente.
Para la comparación se emplearon para la misma
tarea de mezcla, un mezclador de espiral (WM), un mezclador Kenics y
un mezclador de almas en cruz (X-SM).
La tarea de mezcla consistía en mezclar en un
tubo con 20 mm de diámetro, dos masas fundidas de plástico
(temperatura > 250ºC) con una viscosidad de 600 Pa\cdots. Se
trataba de un polímero termoplástico frágil (policarbonato), que se
debía mezclar con un componente de polímero elástico (mezcla de
caucho), a fin de aumentar la flexibilidad del termoplástico. Cuanto
mejor y más homogénea sea la mezcla del componente elástico en el
plástico frágil, tanto mayor es el efecto sobre la propiedad del
material de la mezcla plástica, en este caso, la flexibilidad.
Con las mezclas plásticas resultantes de los
ensayos de mezcla, se moldearon por inyección 10 probetas
respectivamente. Las probetas fueron sometidas en una máquina de
comprobación bajo condiciones normales a una prueba de resiliencia
según Izod. En el caso del empleo del mezclador del tipo WM, todas
las probetas fueron destruidas, en los otros dos casos sólo una de
10. Esto quiere decir que el mezclador WM no ha logrado el objetivo
de mezcla. La longitud del mezclador WM era de 1000 mm, la longitud
del tipo X-SM era de 350 mm y la longitud del módulo
de mezclador estático SMM era de 300 mm. El coste de fabricación
para los distintos mezcladores se refleja en los costes relativos
para la fabricación del mezclador y para el tipo
X-SM es el más alto. La diferencia se debe a que el
mezclador X-SM se debe soldar como pieza individual,
mientras que los módulos del mezclador del tipo SMM se podían
fabricar mediante simple técnica de colada.
La tabla contiene los resultados del ensayo
comparativo. Las longitudes de mezclador se normalizaron para el
mezclador más largo de los probados (1000 mm - 100%) y los costes se
normalizaron en los mezcladores más complicados y, por consiguiente,
más caros con un 100%.
| Mezclador | Longitud de mezclador (%) | Objetivo de mezcla | Costes (%) |
| WM | 100 | no | 30 |
| X-SM | 35 | sí | 100 |
| SMM | 30 | sí | 30 |
En un trayecto de mezcla piloto se comprobaron
módulos de mezclador estático con distintas formas de realización
con respecto a la pérdida de presión y los materiales de mezcla.
Como líquido de prueba altamente viscoso se utilizó
polidimetilsiloxano (aceite de silicona Baysilone M10.000 de Bayer
AG) con una viscosidad dinámica de 10 Pa\cdots a temperatura
ambiente. Una parte del aceite de silicona se coloró con un
pigmento negro inorgánico. Se añadió aceite de silicona no colorado
y colorado al trayecto de mezcla como dos corrientes parciales
separadas en una proporción de mezcla de 5 a 1. El caudal total era
de 9 kg/h. Después de pasar por el trayecto de mezcla, el material
de mezcla fue guiado a través de una tobera ranurada transparente
con una sección transversal de flujo de 4 por 110 mm. La tobera fue
iluminada desde una cara con una fuente de luz homogénea. El cuadro
de mezcla se observó desde la otra cara con una cámara de vídeo. Se
digitalizó la señal de vídeo de la cámara y aplicando una función
de calibrado, se utilizó para el cálculo de la concentración local
en el pigmento. Esta distribución tridimensional de concentración
fue valorada estáticamente en relación con el valor medio y las
divergencias estándar.
En muchas aplicaciones prácticas de mezcladores
estáticos y dinámicos, los materiales de mezcla son cuantificados
mediante los, así llamados, coeficientes de variación. El
coeficiente de variación está definido como la relación entre la
divergencia estándar y el valor medio de una distribución de
concentración. A menudo se parte de la base de que las mezclas se
pueden considerar lo suficientemente homogéneas para fines prácticos
cuando el coeficiente de variación presenta un valor menor del
5%.
La tabla 1 contiene un listado de diferentes
disposiciones de mezcladores estáticas de acuerdo con la invención
que son examinadas en el trayecto de mezcla piloto. La geometría de
los distintos módulos de mezclador estático corresponde
fundamentalmente a la estructura mostrada en las figuras 1a a 1c y,
al igual que su disposición y número en el mezclador montado, se
describe especialmente a través de una serie de parámetros que están
especificados en la tabla. El significado de los distintos
parámetros geométricos se deduce de la figura 1c. Como resultado de
los ensayos de mezcla, en la tabla 1 se reproduce el número de
módulos de mezclador estático de acuerdo con la invención, la
pérdida de presión al pasar por el trayecto de mezcla piloto, así
como el coeficiente de variación medido.
En este caso también se puede ver claramente que
se puede elegir por separado una disposición de los módulos de
mezclador con giros estáticos frente a una composición ordenada con
pocos giros exactos de 90º (eje central) con respecto a la función
de mezcla. El tipo de construcción del módulo del mezclador permite
una adaptación sencilla y rápida del mezclador.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
D: Diámetro interior de tubo
Orificio de producto: orificios de producto 6 en
los flancos 8 de los canales de entrada 4.
Distancia de los orificios de producto 6:
distancia horizontal entre los orificios de producto adyacentes 6 en
un flanco 8 (distancia de los puntos centrales de orificio).
Desplazamiento de los orificios de producto 6:
desplazamiento central de los orificios de producto de hileras de
orificios de producto que están dispuestas en flancos opuestos
8.
Hileras de orificios por flanco: número de las
hileras de orificios de producto por flanco.
Grosor de flancos: grosor de material, longitud
axial del orificio de producto.
Altura de módulo: longitud axial del módulo en
dirección de flujo.
\alpha: ángulo de inclinación del flanco 8.
\gamma: ángulo de torsión de módulos de
mezclador adyacentes por el punto central axial.
Número de módulos: número de los módulos de
mezclador dispuestos directamente en serie en el trayecto de mezcla
(mezclador).
1*) En este caso, cada 10 módulos de mezclador se
ha formado un paquete, siendo el ángulo de giro \gamma = 90º entre
los paquetes de módulo adyacentes.
2*) Disposición estática de módulos de mezclador
adyacentes con un ángulo de giro \gamma de 5 - 175º.
3*) El mezclador está dividido en paquetes con 5
módulos de mezclador. Los paquetes de módulo adyacentes están
girados unos frente a otros en un ángulo \gamma = 90º por el
punto central de los módulos.
4*) El mezclador está dividido en 4 paquetes con
4 módulos de mezclador. Los módulos de paquete adyacentes están
girados unos frente a otros en un ángulo \gamma = 90º.
5*) El mezclador está dividido en 5 paquetes con
4 módulos de mezclador. Los módulos de paquete adyacentes están
girados unos frente a otros en un ángulo \gamma = 90º.
Aparte de una geometría diferente de los
orificios 6 (orificios redondos en lugar de orificios cuadrados),
los módulos de mezclador según los ejemplos SM números 1 y 2
presentan además, frente a los ejemplos comparativos números 6 y 7,
otra particularidad.
Los cantos superior e inferior están aplanados en
los módulos de acuerdo con los números 1 y 2 (ver figura 6a),
resultando una altura de módulo menor. Las superficies de choque en
la cara delantera opuestas a la corriente de producto mejoran
sorprendentemente los coeficientes de variación frente a módulos con
la misma construcción sin aplanamiento de los cantos (como se
muestra esquemáticamente en la figura 1b) en un giro estático de los
módulos (ver en el ejemplo número 2).
Claims (16)
1. Módulo de mezclador estático (10) que se
compone de un disco dotado de una serie de orificios (6) y de una
tubería que rodea el borde exterior del disco o de una carcasa que
lo rodea, caracterizado porque el disco está estructurado en
su cara delantera (2) orientada hacia el material de mezcla, por
canales de entrada (4) y en su cara trasera (3) por canales de
mezcla (5), extendiéndose los canales de entrada (4) y los canales
de mezcla (5) de forma paralela o concéntrica entre sí, porque los
orificios (6) están practicado en los flancos (8) de los canales de
entrada (4) y desembocan en los flancos (9) de los canales de mezcla
(5), porque los canales de entrada (4) y/o los canales de mezcla (5)
presentan flancos rectos con respecto a una sección transversal
geométrica perpendicularmente al plano de disco (13) y
perpendicularmente a la extensión longitudinal de los canales de
entrada (4) ó bien de los canales de mezcla (5), que forman un
ángulo \alpha de 5 a 85 grados con el plano de disco (13) de la
cara delantera (2) y/o de la cara trasera (3), y porque los
orificios están repartidos en una o varias hileras por la superficie
de flancos, así como porque el módulo de mezclador está dividido en
dos o varias zonas o segmentos que poseen canales de entrada (4) y/o
canales de mezcla (5) dispuestos de distinta forma y/o estructurados
de manera diferente.
2. Módulo de mezclador estático según la
reivindicación 1, caracterizado porque los flancos (8) de
los canales de entrada (4) y/o los flancos (9) de los canales de
mezcla (5) son rectos y forman un ángulo \alpha menor de 15 grados
con el plano de disco (13) de la cara delantera (2) y/o de la cara
trasera (3), y porque el módulo de mezclador presenta contornos
distanciadores adicionales, especialmente botones (15a), dientes
(15b) o salientes (15c) en la cara delantera (2) y/o la cara trasera
(3).
3. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el eje
central (16) o la pared de los orificios (6) forma en los flancos de
los canales un ángulo \beta de \pm 30 grados con el plano de
flanco (17).
4. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los
canales de entrada (4) y/o los canales de mezcla (5) presentan un
perfil de sección transversal en forma de V, de U, rectangular o
trapecial.
5. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el módulo
de mezclador está dividido en dos o varias zonas o segmentos que
presentan distancias diferentes de los orificios entre sí y/o una
superficie de sección transversal de los orificios distinta.
6. Módulo de mezclador estático según cualquiera
la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque los límites de
las zonas o los segmentos están dispuestos concéntricamente
alrededor del punto central del módulo de mezclador.
7. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la
distancia entre los planos de la cara delantera y los planos de la
cara trasera del mezclador no es la misma en las distintas zonas o
segmentos.
8. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el módulo
presenta por la cara delantera (2) superficies de choque (18, 19) en
el plano de disco, especialmente aplanamientos (18) o elevaciones
planas (19).
9. Módulo de mezclador estático según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el
mezclador se compone de un acero aleado, metal no férrico, plástico,
vidrio, cerámica o aleaciones de efecto catalítico.
10. Disposición de mezcladores que se compone de,
como mínimo, dos elementos de mezcla estáticos dispuestos en serie,
caracterizada porque al menos un elemento de mezcla es un
módulo de mezclador estático en forma de disco según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9.
11. Disposición de mezcladores según la
reivindicación 10, caracterizada porque en la disposición de
mezcladores están dispuestos directamente uno detrás de otro, como
mínimo, dos módulos de mezclador estático en forma de disco según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
12. Disposición de mezcladores según la
reivindicación 10, caracterizada porque los módulos de
mezclador estático en forma de disco están posicionados de tal
manera que los canales de mezcla del primer módulo de mezclador
están dispuestos de forma desplazada o girada frente a los canales
de entrada del segundo módulo de mezclador.
13. Disposición de mezcladores según la
reivindicación 12, caracterizada porque los módulos de
mezclador estático adyacentes en forma de disco presentan haces
paralelos de canales de entrada y canales de mezcla rectos y porque
los canales de mezcla y los canales de entrada orientados unos hacia
otros de los módulos de mezcla adyacentes están girados unos
respecto a otros en un ángulo \gamma de 5 grados a 175 grados.
14. Disposición de mezcladores según cualquiera
de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque la
disposición de mezcladores presenta, al menos, un módulo de
mezclador estático en forma de disco según la reivindicación 7,
siguiendo directamente al módulo de mezclador estático con zonas o
segmentos, un elemento de mezcla estático que es un mezclador
estático convencional o un módulo de mezclador estático en forma de
disco, cuyo contorno exterior o interior está adaptado a los límites
de las zonas o segmentos y que engrana en las zonas o segmentos del
módulo de mezclador estático en forma de disco que presentan una
distancia menor entre el plano de disco de la cara delantera y el
plano de disco de la cara trasera que las demás zonas o
segmentos.
15. Disposición de mezcladores según la
reivindicación 14, caracterizada porque la unidad compuesta
de un módulo de mezclador estático en forma de disco y de un
mezclador estático que engrana, está realizada de manera que el
mezclador estático que engrana termina al nivel de la cara delantera
o al nivel de la cara trasera de los segmentos o zonas que presentan
una distancia máxima con respecto a los planos de la cara delantera
o bien de la cara trasera.
16. Mezclador con, como mínimo, dos módulos de
mezclador estático según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 ó
con una disposición de mezcladores según cualquiera de las
reivindicaciones 10 a 15, en el que los módulos de mezclador o la
disposición de mezcladores están montados en un tubo con flujo de
material de mezcla, de modo que la cara delantera de un módulo de
mezclador individual o bien de un módulo de mezclador de la
disposición de mezcladores señala en contra de la dirección de flujo
del material de mezcla.
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