PL234242B1 - Statyczny element mieszający - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest statyczny element mieszający, służący do mieszania płynów w rurociągach lub elementach aparatury takich jak np. dozowniki. Elementy tego typu stanowią najważniejszą cześć mieszalnika statycznego, ponieważ zapewniają kilkakrotne rozdzielenie strug przepływającego materiału oraz ich krzyżowanie w wyniku, czego uzyskuje się ujednorodnienie mieszanego wsadu pod kątem temperaturowym lub stężeniowym. Różnorodność wariantów wykonania statycznych elementów mieszających oraz mieszalników statycznych wiąże się bezpośrednio z właściwościami fizykochemicznymi mieszanego medium oraz wymaganiami procesowymi (mieszalniki statyczne mogą być również z powodzeniem stosowane, jako reaktory lub wymienniki ciepła).

Statyczne elementy mieszające umieszczane są zazwyczaj szeregowo w kanale rurowym o kołowym przekroju poprzecznym i mają za zadanie rozdział głównego strumienia przepływającego płynu na szereg, zmieniających położenie i prędkość, strug. Oprócz powszechnego zastosowania statycznych elementów mieszających w przemyśle chemicznym, mogą one być również z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle motoryzacyjnym, jako elementy układów wydechowych silników spalinowych w celu usprawnienia procesów dopalania katalitycznego spalin.

W znanym z patentu US 2009122638 rozwiązaniu konstrukcyjnym mieszalnika statycznego zastosowano statyczny element mieszający zawierający przegrodę, przebiegającą wzdłuż osi mieszalnika, dzielącą go na dwie, równe sekcje. Do przegrody, po jej obu stronach, przymocowano dwie łopatki w kształcie skręconej płyty o kąt 180°. Jedna krawędź łopatki połączona jest z powierzchnią przegrody, natomiast druga krawędź przylega do ściany kanału. Wkładki wewnątrz mieszalnika ustawione są w szyku, jak w mieszalniku typu Kenics. Przepływający płyn natrafiając na wkładkę zostaje rozdzielony na strugi pomiędzy powierzchniami. Strugi płynu zostają dodatkowo przesunięte względem siebie w wyniku napotkania na skręcone łopatki.

Znany z patentu SU 1549571 mieszalnik zaopatrzono w szereg statycznych elementów mieszających, powstałych przez skręcenie o kąt 180° prostokątnej płyty, posiadającej prostopadłe nacięcia na dłuższych bokach. Nacięcia umożliwiają, przedostawanie się płynu pomiędzy wkładką a ścianą kanału. Płyn w wyniku kontaktu ze skręconą powierzchnią zostaje wprawiony w ruch wirowy.

Znany z patentu DE10126267 mieszalnik statyczny wyposażono w szereg perforowanych płyt ustawionych prostopadle do kierunku przepływu płynu. Perforowaną płytę tworzą dwie równoległe warstwy pierścieni, z których następnie wycięto koło o średnicy kanału mieszalnika. Dwie warstwy pierścieni są przesunięte względem siebie w taki sposób, że środki otworów pierścieni z pierwszej warstwy znajdują się w środku przestrzeni międzypierścieniowej drugiej warstwy.

Znane z opisu patentowego US 5944419 urządzenie mieszające składa się z kanału rurowego, wewnątrz którego zastosowano statyczne elementy mieszające ułożone jeden za drugim w osi podłużnej aparatu. Pojedyncza wkładka utworzona jest poprzez połączenie dwóch listew pod kątem prostym oraz dwóch ćwiartek koła. Każda listwa przecina kanał po jego średnicy w taki sposób, aby powierzchnia boczna listew pokrywała się z osią podłużną kanału. Listwy usytuowane są jedna za drugą i łączą się w osi kanału. Pomiędzy skrzyżowanymi listwami, do ich krawędzi, zamocowano po przekątnej dwie ćwiartki koła. Powierzchnie ćwiartek umieszczone są poprzecznie względem osi podłużnej aparatu. Przepływający płyn napotyka na przegrodę w postaci ćwiartki koła oraz listwy, a następnie przepływa do wolnej przestrzeni obracając się o ćwierć obrotu.

Znany z opisu patentowego US2014133268 mieszalnik statyczny do oczyszczania gazów spalinowych zawiera wkładki mieszające, zbudowane z pierścienia, do którego przymocowane zostały trójkątne łopatki. Podstawa każdej trójkątnej łopatki została połączona z pierścieniem, natomiast jej wierzchołek skierowany jest do środka pierścienia. Każda łopatka została odgięta i wychylona względe m podtrzymującego pierścienia o określony kąt. Geometria wkładki umożliwia podzielenie przepływającego płynu na strugi, które wprawiane są w ruch wirowy.

Znany z opisu patentowego DE 10126267 mieszalnik statyczny wyposażono w szereg perforowanych płyt ustawionych prostopadle do kierunku przepływu płynu. Perforowaną płytę tworzą dwie równoległe warstwy pierścieni, z których następnie wycięto koło o średnicy kanału mieszalnika. Dwie warstwy pierścieni są przesunięte względem siebie w taki sposób, że środki otworów pierścieni z pierwszej warstwy znajdują się w środku przestrzeni międzypierścieniowej drugiej warstwy.

Znany z opisu patentowego EP1982756 układ wydechowy silnika zaopatrzono w co najmniej jeden statyczny element mieszający. Konstrukcja tego urządzenia polega na wprowadzeniu do kanału

PL 234 242 B1 rurowego żeber w postaci skręconych spiralnie listew o szerokości mniejszej niż promień kanału rurowego. Listwy te są przymocowane do wewnętrznej powierzchni przewodu jedną krawędzią. Zadaniem listew jest wprowadzenie przepływającego przy ścianie mieszalnika płynu w ruch spiralny, co powoduje przesunięcie względem siebie strug płynu oraz ich wymieszanie.

Niedogodnością dla znanych, opisanych powyżej rozwiązań konstrukcyjnych mieszalników wyposażonych w statyczne elementy mieszające jest mała efektywność procesu mieszania, wynikająca z podziału głównego strumienia na zbyt małą liczbę strug. Uzyskanie pożądanego efektu wymaga zastosowania dość dużej liczby elementów mieszających. Wpływa to negatywnie na wytwarzane opory przepływu oraz energochłonność prowadzonego procesu.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji przepływowego mieszadła statycznego, która wyeliminuje podane powyżej niedogodności.

Statyczny element mieszający według wynalazku, zawierający skręcony element, charakteryzuje się tym, że składa się z zewnętrznej prostokątnej ramy oraz wewnętrznego elementu, którego zewnętrzne wymiary odpowiadają wewnętrznym wymiarom ramy. Rama i wewnętrzny element są skręcone względem osi podłużnej mieszadła o kąt 120°, w przeciwnym kierunku i połączone są ze sobą trwale w miejscach kontaktu, w osi podłużnej mieszadła. Wewnętrzny element jest obrócony w osi podłużnej mieszadła o kąt 90° względem ramy. Mieszadło może być wykonane w ten sposób, że z płaskiej płyty wycina się wewnętrzny element, a pozostała część stanowi ramę. Następnie oba elementy poddawane są skręceniu w przeciwnym kierunku. Zewnętrzna rama i wewnętrzny element mają kształt prostokąta lub owalu. Dłuższa krawędź boczna ramy i wewnętrznego elementu są skręcone w taki sposób, że w przestrzeni zakreślają linie śrubowe przesunięte względem siebie o 90°.

Rama rozdziela płyn na strugi oraz pozwala na uzyskanie odpowiedniego stopnia burzliwości przepływającego płynu przy ściance rurociągu lub aparatu. Dodatkowo nadaje rotacje dla przepływającego płynu, co wiąże się z przeniesieniem elementów mieszanego medium w kierunku osi rurociągu. Wewnętrzny element dzieli płyn na strugi i wprawia go w ruch wirowy przeciwnie skierowany względem ruchu płynu przy ścianie mieszalnika. Wywołuje to zderzenie przeciwnie skierowanych strug płynu, powodując tworzenie wirów, które wymieniają strumienie między sobą. Rama oraz wewnętrzny element nie rozdzielają objętości kanału na dwa oddzielne obszary, co pozwala na przepływ płynu w całym przekroju kanału.

Statyczny element mieszający według wynalazku pozwala uzyskać odpowiedni poziom zmieszania na stosunkowo krótkim odcinku rurociągu. Statyczny element mieszający, według wynalazku, można stosować pojedynczo, parami, w zestawach par lub większych modułach, w których poszczególne egzemplarze mogą być odsunięte lub stykać się osiowo w różnych kombinacjach oraz być obrócone względem siebie o dowolny kąt. W celu unieruchomienia przepływowego mieszadła statycznego i uniknięcia możliwości zmiany jego pozycji korzystne jest łączenie mieszadeł w pary. Utworzony w ten sposób moduł dwóch statycznych mieszadeł, po wprowadzeniu do rurociągu, zachowuje współosiowe położenie względem siebie i wymaga jedynie zabezpieczenia przed przemieszczaniem się wzdłuż os i rurociągu. Możliwe jest również łączenie większej liczby przepływowych mieszadeł statycznych.

Proponowane rozwiązanie konstrukcyjne elementu mieszającego oprócz zastosowania do intensyfikacji procesu mieszania w mediach przepływających współprądowo w rurociągach może być również użyte do wykonania wypełnienia przeciwprądowych aparatów kolumnowych np. w skruberach.

Statyczny element mieszający według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia statyczny element mieszający w widoku ogólnym, fig. 2 statyczny element mieszający w widoku od boku, fig. 3 - widok z góry elementu mieszającego przedstawionego na fig. 2, fig. 4 - ten sam element mieszający co na fig. 2 obrócony w osi podłużnej o kąt 30°, fig. 5 - ten sam element mieszający obrócony o kąt 60°, fig. 6 - ten sam element mieszający obrócony o kąt 90°, fig. 7 - element mieszający, w którym rama wewnątrz i wewnętrzny element maja kształt prostokąta, fig. 8 - przepływ płynu w przekroju poprzecznym na wylocie ze statycznego elementu mieszającego uzyskany na podstawie symulacji numerycznych.

P r z y k ł a d 1

Statyczny element mieszający składa się z zewnętrznej prostokątnej ramy 1 oraz wewnętrznego elementu 2, którego zewnętrzne wymiary odpowiadają wewnętrznym wymiarom ramy 1. Rama 1 wewnątrz i wewnętrzny element 2 mają kształt owalu. Statyczny element mieszający wykonano w ten sposób, że z blachy wycięto wewnętrzny element 2, uzyskując z pozostałej części ramę 1. Rama 1 i wewnętrzny element 2 są skręcone o kąt 120° w przeciwnym kierunku i są ze sobą trwale zespawane,

PL 234 242 B1 w miejscach kontaktu, w osi podłużnej mieszadła. Element 2 jest obrócony w osi podłużnej mieszadła o kąt 90° względem ramy 1.

Statyczny element mieszający umieszczony w rurowym mieszalniku zwiększa burzliwość płynu zarówno przy ścianie mieszalnika, jak i w rdzeniu oraz powoduje podział płynu na strugi. W wyniku wzajemnego oddziaływania dwóch elementów, ramy 1 i wewnętrznego elementu 2, strugi przepływającego płynu zostają wprawione w ruch rotacyjny z różnymi prędkościami. Skręcenie ramy 1 i wewnętrznego elementu 2 w przeciwnym kierunku powoduje powstawanie dużej burzliwości płynu w wyniku ścierania się ze sobą strug o przeciwnych kierunkach przepływu. W przekroju poprzecznym można zaobserwować powstawanie stref intensywnego mieszania. Geometria elementu mieszającego w przekrojach poprzecznych zmienia się w osi podłużnej elementu, co skutkuje wytworzeniem różnych stref burzliwości w obszarze pojedynczego elementu mieszającego. Zastosowana geometria zapewnia wytworzenie cyrkulacji wewnętrznej w całej objętości mieszanego płynu. Na fig. 8 przedstawiono graficznie wektory prędkości płynu w przekroju poprzecznym na wyjściu z mieszalnika. Konstrukcja przepływowego mieszadła statycznego zapewnia, w części centralnej elementu mieszającego, cyrkulację obwodową płynu. Wywołanie tego typu cyrkulacji umożliwia powstały prześwit pomiędzy ramą 1 i powierzchnią wewnętrzną 2.

P r z y k ł a d 2

Mieszadło jak w przykładzie 1, z tym, że rama 1 wewnątrz i wewnętrzny element 2 mają kształt prostokąta.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Statyczny element mieszający zawierający skręcony element, znamienny tym, że składa się z zewnętrznej prostokątnej ramy (1) oraz wewnętrznego elementu (2), którego zewnętrzne wymiary odpowiadają wewnętrznym wymiarom ramy (1), przy czym rama (1) i wewnętrzny element (2) są skręcone o kąt 120° w przeciwnym kierunku i połączone są ze sobą trwale w miejscach kontaktu, w osi podłużnej mieszadła, zaś element (2) jest obrócony w osi podłużnej mieszadła o kąt 90° względem ramy (1).
2. 2. Statyczny element mieszający według zastrz. 1, znamienny tym, że rama (1) wewnątrz i wewnętrzny element (2) mają kształt owalu.
3. 3. Statyczny element mieszający według zastrz. 1, znamienny tym, że rama (1) wewnątrz i wewnętrzny element (2) mają kształt prostokąta.
4. 4. Statyczny element mieszający według zastrz. 1, znamienny tym, że dłuższa krawędź ramy (1) oraz wewnętrznego elementu (2) tworzy linię śrubową.

   PL 234 242 Β1

   Rysunki

   Fig.l

   Fig. 2

   Fig.3

   Fig.4

   PL 234 242 Β1

   Fig· 6

   Fig.7

   PL 234 242 Β1

   Fig.8