WO2001080985A1 - Statisches mischelement - Google Patents

Abstract

Statisches Mischelement zum Homogenisieren von Medien mit einem Gehäuse und einer in einem Winkel von 70 bis 110 DEG zur Strömungsrichtung angeordneten Umlenkfläche.

Description

"Statisches Mischelement"

Die Erfindung betrifft ein statisches Mischsystem zum Homogenisieren und Dispergieren flüssiger, gasförmiger oder pulverförmiger Medien und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 100 19 759.0-23 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.

An das Homogenisieren und Dispergieren von Medien gleicher oder unterschiedlicher Aggregatzustände als Voraussetzung einer Vielzahl von Verfahrensschritten der Chemie- oder Ingenieurtechnik werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt, die mit Hilfe meist komplexer statischer oder dynamischer Mischsysteme erfüllt werden.

Auch beim Horizontalbohren besteht das Erfordernis des Mischens einer Flüssigkeit mit einer pulverförmigen Substanz oder einer Flüssigkeit oder einer Suspension, wenn zur Erleichterung und Verbesserung des Bohrvor- gangs beispielsweise eine Bentonit-Wasser-Suspension, als Bohr- oder Spülflüssigkeit eingesetzt werden soll. Eine solche Suspension hält das Bohrklein in Schwebe, schmiert den Rohrstrang bei dessen Einziehen und schützt diesen nach einer gewissen Aushärtephase gegen das umgebende Erdreich. Zur Variation der Eigenschaft der Suspension können Additive, wie beispielsweise Sodaasche oder Polymere, hinzugefügt werden. Üblicherweise werden Bohrflüssigkeiten in einem gesonderten Vorratstank durch ein in diesem Tank arbeitendes Rührwerk, also einen dynamischen Mischer, oder durch eine schnell laufende Pumpe angemischt.

Diese Mischsysteme haben einen erhöhten Platzbedarf und führen zu zeitlichen Verzögerungen des Bohrvorgangs, wenn nach dem Verbrauch einer Bohrflüssigkeitscharge eine neue Charge angesetzt werden muß. Sie erlauben keine kompakte Bauweise der gesamten Bohranlage.

Es sind auch statische Mischsysteme bekannt, die im Gegensatz zu dynamischen Systemen kein Rührwerk aufweisen und einen geringeren Platzbedarf erfordern.

Die Verwendung statischer Mischer in Mischanlagen zum Herstellen von Bohrflüssigkeit für Horizontalbohrverfahren ist aus der deutschen Patentanmeldung 199 18 775.4 bekannt. In dem darin beschriebenen Verfahren zum Herstellen einer Bohrflüssigkeit wird das Zugabemedium, beispielsweise Bentonit, dem Wasser in Pulverform vor oder hinter einer die Bohrflüssigkeit zu der Bohranlage transportierenden Hydraulikpumpe zugeleitet. Hinter der Pumpe kann eine statische Mischstrecke angeordnet sein, die den Zugabestoff und das Wasser homogenisiert.

Ein statischer Mischer, wie er beispielsweise aus "wägen+dosieren" 3/1997 Seite 23 bis 26 bekannt ist, besteht üblicherweise aus einer Mehrzahl ver- schiedenartiger, hintereinander geschalteter einzelner Mischelemente, die mit Hilfe eines Adapters in ein Zuleitungs- oder Ableitungssystem eingesetzt werden können. Jedes dieser Mischelemente weist eine oder mehrere Umlenkflächen auf, die gegebenenfalls von ein oder mehreren Durchlässen durchmessen werden. Die aufeinander entweder innerhalb eines Mischele- ments oder in nachgeschalteten Mischelementen folgenden Umlenkflächen stehen dabei stets in kleinen Winkeln geneigt zueinander und weisen ebenso bezüglich der Strömungsrichtung des in der Leitung strömenden Mediums übereinstimmend einen kleinen; von 90° verschiedenen Neigungswinkel auf.

Die zueinander und zu der Strömungsrichtung in einem besonderen Achs- Winkel stehenden Umlenkflächen erzeugen eine Zwangsführung des Stroms, so daß mehrfach seine Strömungsrichtung dreht. Die gegebenenfalls die Umlenkflächen durchziehenden Durchlässe verlaufen ebenso winklig zueinander sowie zu den Umlenkflächen, so daß sowohl eine Aufteilung des Stroms als auch eine mehrfache Änderung der Strömungsrich- tung erfolgt. An anderen Umlenkflächen werden die Einzelströme wieder zusammengeführt.

Dieses mehrfache Aufteilen, Umlenken und Zusammenführen der Medien bewirkt ihre Homogenisierung bzw. Dispergierung.

Die Wahl verschiedener Mischergeometrien erfolgt in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl, die als Quotient aus den Trägheitskräften und den Reibungskräften unter anderem abhängig von den Stoffeigenschaften der Medien ist. Bei einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit überschreiten die Trägheitskräfte einen charakteristischen Wert, verglichen mit den Reibungs- kräften, so daß die Strömung turbulent wird.

Die Wahl der Mischergeometrien und der Größe des gesamten Mischsystems, d.h. der Anzahl der nacheinander geschalteten Mischelemente, erfolgt des weiteren in Abhängigkeit von dem zulässigen Druckverlust der Strömung, der vor allem im Hinblick auf die für die Turbulenz erforderliche kritische Geschwindigkeit und die Erfordernisse der nachfolgenden Verfahrensschritte zu bewerten ist.

Ferner muß die Geometrie der Umlenkflächen und Durchgangsöffnungen sowie deren Anordnung relativ zueinander und zu der Strömungsrichtung derart angeordnet sein, daß möglichst ein Fehlen von toten Zonen gewährleistet werden kann, da diese ein homogenes Mischen verhindern. Ein erheblicher Nachteil der bekannten statischen Mischer liegt darin, daß die in komplexer Geometrie gefertigten Mischelemente in aufwendigen Produktionsverfahren hergestellt werden müssen, die einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verursachen. Vor allem die zum Teil massive Gestaltung der Mischer mit unterschiedlich ausgerichteten Durchlässen macht einen hohen Materialaufwand erforderlich.

Ein weiterer Nachteil bekannter Mischer besteht darin, daß ein Reinigen der Mischer durch die zueinander in wechselnden Winkeln stehenden Umlenkflächen erheblich erschwert ist. Ein zuverlässiges einfaches Reinigen, beispielsweise durch eine lediglich den Mischer durchströmende Reinigungsflüssigkeit, ist unzureichend.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer bereitzustellen, der ein effizientes Homogenisieren und Dispergieren verschiedener Medien mit konstruktiv einfachen Mischelementen ermöglicht, die zudem kostengünstig herzustellen und einfach zu reinigen sind.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mischelement mit mindestens einer Umlenkfläche, die in einem Winkel von 70 bis 110° zu der Hauptströmungsrichtung der Medien in der durchströmten Leitung ausgerichtet ist.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß bei dem Aufprall der Medien auf die nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte Umlenkfläche und dem Umströmen ihrer Kanten Scherkräfte entstehen, die zum Verwir- beln und Vermischen der Medien führen.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Mischelements liegt in seiner einfachen Konstruktion, die kostengünstig und ohne Spezialmaschinen gefertigt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der besonderen Ausrichtung der Umlenkfläche keine spitzen Winkel zwischen der Fläche und dem umgebenen Gehäuse bzw. der Wand vorliegen. Damit ist das Reinigen des Mischelements erheblich erleichtert.

Überraschenderweise ermöglicht die nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte Umlenkfläche eine sehr gute Homogenisierung der zu durchmischenden Medien, die durch mehrere hintereinander geschaltete Umlenkflächen noch verbessert werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Umlenkfläche in einem Winkel von 90° zu der Strömungsrichtung der Medien angeordnet, d.h. sie steht senkrecht zu der Strömungsrichtung.

Das darmit erzielte, besonders gute Ergebnis war aufgrund der bekannten Erwägungen des Durchschnittsfachmanns nicht zu vermuten, die aufgrund der angenommenen Erfordernisse des möglichst zu minimierenden Druckabfalls, der möglichst variantenreichen Zwangsführung der Strömung und des Vermeidens von toten Zonen eine nur wenig zur Strömungsrichtung geneigte oder eine dazu senkrecht stehende Umlenkfläche für besonders ungeeignet erscheinen ließen. Eine derart angeordnete Umlenkfläche läßt nämlich das Entstehen von hinter ihr liegenden toten Zonen zu und "bremst" die auf sie aufprallenden Strömungen in erheblichem Maße ab. Dies führt zu einer deutlichen Verminderung des Druckes und der Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Des weiteren verzichtet die erfindungsgemäße Umlenkfläche auf eine gerichtete Zwangsführung, die zu einer mehrfachen gezielten Drehung der Strömungsrichtung des Mediums führt.

In dem erfindungsgemäßen Mischelement kann die Form des Querschnitts der Umlenkfläche im wesentlichen zu dem Querschnittsumriß der durchströmten Leitung korrespondieren. Vorteilhafterweise ist ihr Durchmesser jedoch kleiner als der der Leitung, so daß zwischen der Leitung und der Umlenkfläche mindestens ein Durchlaß für das von der Umlenkfläche abgelenkte Medium entsteht.

Die Umlenkfläche kann über Befestigungsmittel unmittelbar an der durchströmten Leitung oder an einem Gehäuse eines in die Leitung einzusetzenden Mischelements befestigt sein.

In einer besonderen Ausführungsform kann es zudem vorteilhaft sein, das Mischelement über einen Adapter in die Leitung einzusetzen.

Vorteilhafterweise kann das Gehäuse des Mischelementes derart gestaltet sein, daß die in Strömungsrichtung hinter der Umlenkfläche liegenden Seitenflächen des Gehäuses zu einer Führung des Mediums genutzt werden.

Beispielsweise können sie trichterartig zulaufen, um sich zu einer auf eine Umlenkfläche eines nachgeschalteten oder in demselben Mischsystem befindlichen Umlenkfläche führenden Durchgangsöffnung zu verengen.

Durch die Verengung wird die Druckenergie des Stroms teilweise in kineti- sehe Energie umgewandelt. Damit erhöhen sich die beim Aufprall auf die Umlenkfläche entstehenden, das Homogenisieren begünstigenden Scherkräfte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Umlenkfläche mit Öffnungen versehen sein, die eine Aufteilung des auf die Fläche treffenden Mediums ermöglichen. Damit kann eine Verbesserung der Homogenisierung erreicht werden, ohne daß jedoch ein Reinigen des Systems erheblich erschwert ist.

Die einzelnen Mischelemente können in einem Mischsystem in einer Vielzahl hintereinander geschaltet werden. Es kann zudem auch vorteilhaft sein, Mischelemente parallel nebeneinander zu schalten, wenn z.B. die Durchflußmenge an Medien erhöht werden soll.

Das erfindungsgemäße Mischelement kann zum Homogensieren und Mischen von Gasen, Flüssigkeiten, Suspensionen oder Dispersionen eingesetzt werden. Es kann somit in einer Vielzahl verschiedener Verfahren und Vorrichtungen, z.B. aus den Bereichen der Chemie- oder Verfahrenstechnik sowie in der Kunststoffindustrie, der Wasseraufbereitung oder in der Lebensmittelindustrie Verwendung finden.

Im einzelnen kann es zum Mischen von Bohrflüssigkeiten, z.B. Bentonit- Wasser-Suspensionen, genutzt werden, die beispielsweise für Horizontaloder Vertikalbohrungen benötigt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein aus mehreren nacheinander geschalteten erfindungsgemäßen Einzelelementen bestehendes Mischsystem und

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Mischelement in der Ebene A-A der Fig. 1.

Ein Einzelelement 1 des Mischsystems besteht aus einem Gehäuse 2 mit zwei Schrägflächen 3 und 4, die sich zu einer Durchgangsöffnung 5 trichterförmig verengen. Sie ermöglichen den Durchlaß des in Pfeilrichtung durch die Eingangsöffnung 6 in das Mischsystem einströmenden Mediums.

Die senkrecht zu den Außenflächen 7, 8 des Gehäuses stehende Umlenkfläche 9 ist über drei Zungen 10a, 10b, 10c zwischen die Gehäuse 2 geklemmt. Sie weist im Vergleich zu dem Gehäuse einen geringeren Radius auf, so daß zwischen dem Gehäuse 2 und der Umlenkfläche 9 Durchlässe 11a, 11 b, 11c frei bleiben. Teile 13a bis d stellen Zuganker dar, die das Kopfstück 12 und das Endstücks 17 gegeneinander ziehen und so durch die Gehäuse 2 die Umlenkfächen 9 festklemmen.

In dem Ausführungsbeispiel ist ein Mischsystem aus 3 Einzelelementen mit jeweils einer Umlenkfläche und einem Kopfstück 12 und einem Endstück 17 zusammengesetzt. Diese sind über Dichtungen 20 gegeneinander abge- dichtet. Diese Anordnung kann beliebig durch weitere Mischelemente ergänzt werden.

Das Kopfstück weist eine Eingangsöffnung 6 auf, die auf die erste, als Bestandteil des Kopfstückes gearbeitete Umlenkfläche mündet. Die Öffnung ist trichterförmig gearbeitet.

Das Endstück 17 dagegen trägt keine Umlenkfläche, sondern entläßt das Medium durch die Ausgangsöffnung 16. Endstück 17 und Kopfstück 12 sind mit einem Gewinde versehen (hier nicht dargestellt), in das gängige Rohr- verschraubungen eingeschraubt werden können.

Die Medien strömen in das Kopfstück 12 über die Eingangsöffnung 6 und prallen auf die Umlenkfläche 9. Dort werden sie abgelenkt und strömen durch die Durchlässe 11a, 11 b, 11c in den Mischraum 19. Sie werden teil- weise entlang der Schrägflächen 3 und 4 geführt. Die Medien strömen im folgenden durch die Durchgangsöffnung 5 auf eine weitere Umlenkfläche. Sie durchströmen ein zweites Mischelement in der eben beschriebenen Weise.

Nach dem Durchströmen des letzten Mischelements gelangen sie in die Ausgangsöffnung 16 des Endstückes 17 und verlassen das Mischsystem.

Claims

Schutzansprüche:

1. Statisches Mischelement (1) zum Mischen von Medien mit einem Gehäuse (2), gekennzeichnet durch mindestens eine in einem Winkel von 70 bis 110° zur Strömungsrichtung der Medien angeordneten

Umlenkfläche (9).

2. Statisches Mischsystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche in einem Winkel von 90° zur Strömungs- richtung der Medien angeordnet ist.

3. Statisches Mischelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Durchlaß (11a, 11 b, 11c) zwischen der Umlenkfläche (9) und dem Gehäuse (2).

4. Statisches Mischelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch trichterförmig zulaufende Schrägflächen (3, 4) des Gehäuses (2).

5. Mischsystem mit mindestens einem der statischen Mischelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Mischsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens zwei parallel geschaltete statische Mischelemente nach einem der An- Sprüche 1 bis 4.

7. Mischsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopfstück (12) und ein Endstück (17) über Zugmittel (13a, 13b, 13c, 13d) miteinander verspannt sind.

8. Verwendung des statischen Mischelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder des Mischsystems nach den Ansprüchen 5 bis 7 zum Herstellen einer Bohrflüssigkeit.

9. Verfahren zum Mischen mindestens zweier Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien in einem Winkel von 70 bis 1 10° auf eine in ihrer Strömungsrichtung angeordnete Umlenkfläche (9) geführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Medien in einem Winkel von 90° auf eine in ihrer Strömungsrichtung angeordnete Umlenkfläche (9) geführt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Medien durch eine Zwangsführung geteilt und/oder zusammengeführt werden.