JP2004351414A - 静的ミキサ - Google Patents

Abstract

【課題】単一の混合要素が使用されるかまたは最少数の構造要素の組込み装置と共に使用されるときに、軸方向不均等性に関する欠点を持たず、低い組込み式装置コストで質の高い混合物を確保する、静的ミキサを提供する。
【解決手段】低粘性流体２０用の静的ミキサ１は、流体を導く管３の中または容器の中に配置された混合のために有効な組込み装置１０で、平坦な、または折り曲げられた、または湾曲した板金状の流れ障害物ならびにこれらの間にあるくびれ部の形で構造要素１１、１１’、１２を含む。一次の流れを基礎構造の形の組込み装置によって達成することができ、構造要素は、セグメント、ウェブ、プレート、および／または羽根として説明することができる。構造要素は、表面上でおよび／または縁部において幾何学的形状が変更される。二次の局部的流れを、この変更部によって誘発することができ、一次の流れの上に重ね、こうして混合の質を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１前文による静的ミキサ、ならびに本発明による静的ミキサを用いて混合する方法に関する。

静的ミキサの開発は、非常に多様なこの種の混合装置をもたらした。特定の混合品質を所定の最大許容圧力損失で達成しなければならないという混合の目的に関して、非常に多くの解決策を実現することができる。しかしながら、これらの解決策は、製造コストおよびプラントにおけるミキサの組込み装置のコストにも影響する構築努力において、極めて著しく異なっている。上記混合目的を、簡単な組込み式装置で、同時に最少数の構造要素で達成する混合装置が好ましい。おそらくはますます普及することになるこのような混合装置は、組込み装置の長さが短く（組込み式装置の長さ＝組込み式装置のために備えられるべき配管における長さ）、さらにこれらは短い混合経路（添加物の送り込み個所から必要な混合品質が達成される配管中の位置までの距離）を必要とする。

乱流領域中での流体混合については、単一の短い混合要素のみ、すなわち最少数の構造要素の組込み装置へのみで構成された構造を配管が含む解決策を利用できる。（例えばＵＳ−Ａ−５８３９８２８を参照）。このような解決策は、構造物の組込み装置長に関する限りでは最適である。しかしながら、各々が１つだけ混合要素を含むこれら周知の構造は、実質的な欠陥を改善されるべきであることがわかっている。

短い組込み装置長が大きな圧力低下を、そして／または長い混合経路を伴う構造がある。意外にもわかったさらに別の問題は次の通りである。すなわち、周知の静的ミキサの組込み装置は流れの障害物であり、この障害物の周りを流体が流れ、この障害物によって流体が渦運動状態になる。特定周波数のある渦流が、各障害物の後流中で分離する。同様な現象は、「カルマン渦列」の形で流れを受ける円筒によって観察することができる。静的ミキサでは、渦運動は概して実質的により複雑な過程を形成する。しかしながら、過程の周期性は「カルマン渦列」と同様である。障害物において周期的に分離する渦球は、軸方向の一定間隔で流れに沿って運ばれる。ミキサに加えられる添加物は分離する渦によって取り上げられ、これらの渦とともに管の中を前方に運ばれる。不均等性が、管の中において固定された観察位置で周期的変動として現れる軸方向の濃度差の形で発生する。この時間現象は、前述のＵＳ−Ａ−５８３９８２８に記載のミキサにおいては明白に見ることができる。対応する不均等性が、ＥＰ−Ａ１１５３６５０（＝７０３２）から周知のミキサにおいても発生する。

通常、静的ミキサの混合の質は、径方向の濃度分布に関係する均等性の尺度として理解される。この径方向分布の不均等性が小さいほど、混合の質は良い。しかしながら、軸方向の濃度勾配によって示される不均等性は、径方向の濃度分布に関する不均等性と同じ程度の大きさを有する。これは、混合の質が高周波（秒当り２０回の測定）で検出される測定法を使用して判定することが可能であった。ある適用例では、これらの軸方向の不均等性または時間変動は、例えば、混合しようとする構成要素間の速い化学反応に関して、または管内で測定された濃度に関して実施された添加物の搬送速度を調整するために、実質的に重要なものとなり得る。

本発明の目的は、単一の混合要素が使用されるかまたは最少数の構造要素の組込み装置と共に使用されるときに、軸方向不均等性に関する欠点がなく、したがって低い組込み装置コストにもかかわらず質の高い混合物を確保する、静的ミキサを提供することである。この目的は、請求項１に記載の静的ミキサによって果たされる。

低粘性流体用の静的ミキサは、流体を導く管の中または容器の中に配置された混合のために有効な組込み装置を含む。組込み装置の幾何学的形状は概ね基礎構造の幾何学的形状である。組込み装置は、平坦な、または折り曲げられた、または湾曲した板金状の流れ障害物の形の構造要素ならびにこれらの間にあるくびれ部を含む。一次の流れを基礎構造の形の組込み装置によって達成することができ、下流側の混合領域で全体的に管内容物を混合する流れである。基礎構造の構造要素は、セグメント、ウェブ、プレート、および／または羽根として説明することができる。構造要素は以下の説明の中で「一次流れ障害物」と呼ばれ、表面上でおよび／または縁部において幾何学的形状が変更される。二次の局部的流れを、この変更部によって誘発することができ、一次の流れの上に重ね、こうして混合の質を向上させる。すなわち、流体中の径方向および軸方向の不均等性は、一次の流れによるよりも良好に補償される。二次流れの障害物は変更部を形成し、変更部によって乱流が局部的に強められ、および／または逆流が誘発される。

従属請求項２から８までは、本発明によるミキサの有利な実施例に関するものである。静的ミキサを使用して混合するための方法は請求項９および１０の主題である。

本発明を、図面を参照して以下に説明する。

特殊な設計を有する本発明によるミキサ１が、図１に部分的に示されている。この静的ミキサ１は、低粘性の流体２０を均等化することができ、管３の１区分と管３の中に配置された混合に効果的な組込み装置１０とから構成されている。図示されているのは管３のリング形状部分３０だけである。この部分３０は、図示されていない管３のフランジ遷移部に設置されている。この実施例の混合に効果的な組込み装置１０を、管３におけるフランジ遷移部として作られていない位置に配置することもできる。

組込み装置１０の幾何学的形状は、セグメント状または羽根状流れ障害物の形の構造要素１１、１１’、１２を有する概ね基礎構造の幾何学的形状である。流れが矢印２１で指示されている流体２０は、構造要素の間に置かれたくびれ部を通過して流れる。セグメント、ウェブ、プレート、および／または羽根として説明することができる基礎構造の構造要素を、以下「一次流れ障害物」と呼ぶ。これらの一次流れ障害物１１、１１’、１２は、縁部において幾何形状的に変更され、すなわち図１の実施例では層板状である二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａによって変更される。

管の内容物を下流混合領域において全体的に混合する流れである一次の流れは、基礎構造の形で作られた組込み装置１０によって結果的に生ずる。管断面全体にわたる混合は、これらの領域において強い運動によって、特に渦運動を周期的に分離および伝播することによって行われる。二次の局部的流れは、二次流れ障害物によって基礎構造の変更に基づいて誘発され、下記の効果によって混合過程の有効性に肯定的に影響する。

ａ）流れの乱流度合いは変更によって増加する。周知のミキサによって既に観察されたように、混合の質は、入口側の流れが高い乱流を有するときに改善される。このように増加した乱流は、例えば上流に配設されたそらせ板を有するマニホルドの結果であり得る。乱流の度合いがミキサ自体の中で２次流れ障害物によって局部的に増加するときには、同様なまたはさらに肯定的な効果を達成することができる。障害物は、これらが添加物を加える位置の近くに配置されているときには、特に効果的である。濃度勾配はそこではなお相対的に極めて顕著であり、これらの領域における混合効果の向上は、ミキサの有効性に対して特に肯定的な効果を有する。

ｂ）添加物が押し流されて分離する渦の状態で持ち去られる前に、添加物が希釈される二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａの助けによって、逆流を直接生成することができる。これによって一時的な濃度の変動は減少する。一般に、軸方向の差は逆流によって補償され、またこれらの逆流は、混合されるべき構成要素の非時定数的添加によって生じる。

ｃ）二次流れ障害物１２ａは流れの局部流れを引き起こす。これによって中央羽根１２の背後の横断輸送は改善され、これにより濃度の径方向度合いは組込み装置１０の結果として減少する。

ｄ）流れはやはり安定化される。すなわち変動は、増幅された乱流とこれによって生じる増加した乱流粘性によって抑制される。二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａはまた、分離が明らかに局部化されて、これによってレイノルズ数に依存しないように有利に配置され設計されている。したがって流れの強さは流量に依存するものではなく、制御するには容易である。

これらの効果ａ）からｄ）までの組合せによって、結果として改善された径方向および軸方向の均質化が得られる。

二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａは、実のところ圧力損失を増加させる。しかしながら圧力損失の増加は、代りに追加の一次流れ障害物が障害物１１、１１’、１２、すなわち追加の混合要素にしたがって使用される場合よりも小さい。これらは、二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａが省略された場合には必要となる。したがって、二次障害物もエネルギーの使用の関して肯定的に評価されるべきである。したがって、一次流れ障害物１１、１１’、１２の幾何学的形状は表面および／または縁部において二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａによって変更されるので、二次の局部流をこれらの変更によって誘発することができ、これらの変更部は一次の流れの上に重ねられ、こうして混合の質を向上させる。混合の質は、流体における径方向および軸方向の不均質性が一次の流れによるよりも良好に補償され、圧力低下の増加はなく、同時に約１００％を超える結果が得られるという点で改善される。

二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａは、一次流れ障害物１１、１１’、１２の縁部領域に配置されている。したがってこれらは一次流れ障害物１１、１１’、１２の変更部を形成し、乱流を局部的に強化し、および／または流体２０の逆流を誘発し、これによって混合は改善される。

二次流れ障害物１１ａ、１１ａ’、１２ａは、層板状またはリブ形状に作られ、一次の流れの局部的流れ方向を横切って、一次流れ障害物にまたはその上に配置されることが有利である。

主要流方向は、管３によって管の断面に直角に定義される。管の断面は主要流方向における一次流れ障害物１１、１１’、１２の垂直突出部によって大部分完全に覆われている。混合に効果的な組込み装置が最少数の構造要素を含むべきであるという要件の結果として、管の断面は個別流れ障害物１１、１１’、１２の垂直突出部によって幾重にも覆われることはなく、または突出部は周辺の重なりゾーンを有するのみである。

図１の実施例によれば、管３は円筒形であり、一次流れ障害物１１、１１’、１２は、管の軸が中にある対称面を有する鏡面対称配置を形成する。大部分が共通平面の中にある一対のセグメント状構造要素１１、１１’はくびれ部を形成し、くびれ部の中では、羽根状またはウェブ状構造要素１２が２つの他の構造要素１１、１１’の平面と交差して配置されている。

図２に示す組込み装置１０では、基礎構造は、ジグザク様式で折り曲げられた複数の金属板１３、１４（および一点鎖線で示す金属板１３’、１４’）が一次流れ障害物を形成する交差チャネル構造である。リブ１３ａおよび／またはワイヤ状の隆起部１３ｂが、交差チャネル構造の板金表面上に配置されている。これらの二次流れ障害物１３ａ、１３ｂの各々１つだけが例示されている。リブ１３ａが鋭利な縁部を伴って作られ、流れが上を越えて発生する折り曲げた縁部において分離縁部として働く。

図３は、２つのセグメント状構造要素１５を有する、本発明によるミキサ１の組込み装置１０を示す。構造要素１５の二次流れ障害物１５ａは層板の形状をなしている。管３の内側は一点鎖線３１によって示されている。構造要素１５の断面を図４に示す。構造要素１５の背後に逆流がどのように形成するかを矢印２１で示す。

図５は、構造要素として２枚の案内羽根１５を有する組込み装置を示す。案内羽根１５の１つによって二次流れ障害物１５ａが示されている。

図６には、二次流れ障害物１６ａが４つの部分図に示されており、第１の部分図には斜視図として、さらに他の部分図には単に断面図として示されている。これらの障害物１６ａはリブ形状をなし、一次流れ障害物１６の表面上に配置されており、障害物の上を越えて流れが生じる。

図７は、歯付き縁部を有する直線要素を形成する二次流れ障害物１７ａを示し、図８は、複数の個別の歯１９を有する直線要素を形成する二次流れ障害物１８ａを示す。図９の３つの部分図は、歯１９の他の形状例を示す。直線要素１７ａは、歯付き縁部ではなく波形の縁部を有することもできる。一次流れ障害物の縁部におけるこのような幾何学的形状の変更は、結果として乱流形成の強化を有利にもたらす縁部の延長となる。

図１０は、一次流れ障害物の縁部に直線要素の形で配置されたフライス加工された二次流れ障害物（３つの部分図）を示す。

図１１は、各々が一次流れ障害物の個所でそのリムを形成し直すことによって、すなわち各場合において矢印で示すように、僅かに曲げる（第１部分図）、大きく曲げる（第２部分図）、および２回曲げる（第３部分図）ことによって確定された二次流れ障害物を示す。一次流れ障害物において、同様な形状の流れ障害物を板金条片によって実現することもできる。

図１の実施形態は、管部分３０に添加物用の給送個所１００を含む。幾何学的形状の変更による流れの影響が特に強い混合領域のゾーンの中に、給送個所１００が開かれていることは有利である。複数の給送個所１００を設けることもできる。しかし、こうして組込み装置１０に対して理想的に配置することができる単一の給送個所１００の方がさらに有利である。単一添加物のための複数の給送個所１００は、単一の給送個所１００では発生しない問題点が伴うことが経験でわかっている。

本発明によるミキサ１は、混合しようとする流体５０が好ましい方向にミキサ１を通って搬送される、混合過程を実施するために使用される。この好ましい方向に関して、反対方向よりも優れた混合の質が達成される。

既に述べたように、混合の質は入口側の流れが乱流であるときに向上する。したがってこれはまた、流体２０が混合に有効な組込み装置１０の中に導かれる前に乱流成分または強い乱流を有する流体力学的状態に引き入れられた場合には、本発明による混合方法のために有利になることができる。

組込み装置の構造要素が層板形状の二次流れ障害物を有する、本発明によるミキサのリング状部分を示す図である。 二次流れ障害物のさらに２つの例を有する交差チャネル構造を示す図である。 ２つのセグメント状構造要素を有する本発明によるミキサの組込み装置示す図である。 図３の構造の詳細を示す図である。 構造要素として２つの案内羽根を有する組込み装置を示す図である。 リブの形状を有し、上で流れが発生する一次流れ障害物の表面上に配置された二次流れ障害物（４つの部分図）を示す図である。 歯形縁部を形成する直線要素の形の二次流れ障害物を示す図である。 個別の歯から構成された直線要素の形の二次流れ障害物を示す図である。 さまざまな歯形（３つの部分図）を示す図である。 一次流れ障害物の縁部において直線要素の形で配置されたフライス加工の二次流れ障害物（３つの部分図）を示す図である。 縁部を曲げることによって一次流れ障害物においてそれぞれが作られる二次流れ障害物（３つの部分図）を示す図である。

符号の説明

１ 静的ミキサ
３ 管
１０ 組込み装置
１１、１１’、１２ 構造要素、一次流れ障害物
１１ａ、１１ａ’、１２ａ 構造要素、二次流れ障害物
１３、１４ 金属板、一次流れ障害物
１３’、１４’ 金属板
１３ａ リブ
１３ｂ ワイヤ状の隆起部
１５ 構造要素、案内羽根
１５ａ、１６ａ、１８ａ 二次流れ障害物
１７ａ 直線要素
１９ 歯
２０ 流体
２１ 逆流の形成（矢印）
３０ 管３のリング形状部分
３１ 管３の内側（一点鎖線）
１００ 給送個所

Claims (10)

1. 流体を導く管（３）の中または容器の中に配置された混合のために有効な組込み装置（１０）を有する低粘性流体（２０）用の静的ミキサ（１）において、組込み装置の幾何学的形状は概ね基礎構造の幾何学的形状であり、前記組込み装置は、平坦な、または折り曲げられた、または湾曲した板金状の流れ障害物の形の構造要素（１１、１１’、１２）ならびにこれらの間に存在するくびれ部を含み、一次の流れを基礎構造の形の組込み装置によって達成することができ、前記一次の流れは下流側の混合領域で全体的に管内容物を混合する流れであり、基礎構造の構造要素をセグメント、プレート、および／または羽根として説明することができる、静的ミキサであって、
   以下「一次流れ障害物」（１１、１１’、１２）と呼ばれる構造要素が、表面および／または縁部において幾何学的形状が変更され、その結果、二次の局部的流れをこれらの変更部によって誘発することができ、二次の局部的流れは一次の流れの上に重ねられ、こうして混合の質を改善する、すなわち流体中の径方向および軸方向の不均等性が一次の流れによるよりも良好に補償されるようにすることを特徴とする、静的ミキサ。
2. 二次流れ障害物（１１ａ、１１ａ’、１２ａ）が変更部を形成し、変更部によって乱流が局部的に強められ、および／または逆流が誘発され、二次障害物が有利には一次流れ障害物（１１、１１’、１２）の縁部領域に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の静的ミキサ。
3. 二次流れ障害物（１１ａ、１１ａ’、１２ａ）が、層板状またはリブ形状に作られ、一次の流れの局部的流れ方向を横切って、一次流れ障害物（１１、１１’、１２）にまたはその上に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の静的ミキサ。
4. 主要流方向が管（３）によって管の断面に直角に定義され、管の断面は主要流方向における一次流れ障害物（１１、１１’、１２）の垂直突出部によって大部分完全に覆われ、管の断面は個々の流れ障害物の垂直突出部によって幾重にも覆われることはなく、または周辺の重なり区域を有するのみであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の静的ミキサ。
5. 少なくともほぼ下記のことが適用される、すなわち、管（３）が円筒形であり、一次流れ障害物（１１、１１’、１２）が、管の軸が中にある対称面を有する鏡面対称配置を形成すること、および一平面内にある一対のセグメント状構造要素（１１、１１’）がくびれ部を形成し、くびれ部の中では、羽根状またはウェブ状構造要素（１２）が２つの他の構造要素の平面と交差して配置されていることが適用されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の静的ミキサ。
6. 基礎構造が、ジグザク様式で折り曲げられた複数の金属板（１３、１４）が一次流れ障害物を形成する交差チャネル構造であり、リブ（１３ａ）および／またはワイヤ状の隆起部（１３ｂ）が、交差チャネル構造の板金表面上に配置されており、有利にはリブは鋭利な縁部を伴って作られ、流れが上に生じる折り曲げられた縁部において分離縁部として働くことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の静的ミキサ。
7. 一次流れ障害物（１１、１１’、１２）における縁部の延長部が幾何学的形状の変更から、例えば波状または歯状の縁部を有する二次流れ障害物から得られること、または二次流れ障害物（１７ａ）が波状または歯状の縁部を有し、流れが上に生じる一次流れ障害物（１７）の表面に配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の静的ミキサ。
8. 管が添加物用の給送個所（１００）を含むこと、および給送個所が幾何学的形状の変更による流れの影響が特に強い混合領域の区域の中に開かれていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の静的ミキサ。
9. 混合しようとする流体（２０）が好ましい方向にミキサを通って搬送され、この好ましい方向に関して、反対方向よりも優れた混合の質が達成されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の静的ミキサ（１）による混合方法。
10. 流体（２０）が、これが混合に有効な組込み装置（１０）の中に導かれる前に、乱流成分または強い乱流を有する流体力学的状態に引き入れられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

Images