WO2004091760A1

WO2004091760A1 - Statischer mischer

Info

Publication number: WO2004091760A1
Application number: PCT/CH2004/000234
Authority: WO
Inventors: Marc Heggemann; Torsten Wintergerste
Original assignee: Sulzer Markets And Technology Ag
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2004-10-28

Abstract

Es wird ein statischer Mischer zum Mischen fliessfähiger Substanzen vorgeschlagen, mit einem Rohr (2), dessen Längsachse eine Hauptströmungsrichtung (H) definiert, wobei in dem Rohr mindestens ein Mischelement (5) zum Erzeugen mindestens einer lokalen Strömungsrichtung (L1,L2) für die Substanzen vorgesehen ist, wobei das Mischelement (5) eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Rillen (6) aufweist, die mit der lokalen Strömungsrichtung (L1,L2) einen Winkel (α1,α2,α3) einschliessen, der mindestens 0° und höchstens 180° beträgt.

Description

Sulzer Markets and Technology AG. CH-8401 Winterthur (Schweiz^

Statischer Mischer

Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer zum Mischen fliessfahiger Substanzen gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

In statischen Mischern werden mittels feststehender Einbauten, die als Mischelemente dienen, fliessfähige Substanzen, die diese Mischelemente durch- oder umströmen, homogenisiert. Fliessfähige Substanzen sind beispielsweise Flüssigkeiten, Gase bzw. Gasgemische, niedrig- oder hochviskose Medien oder auch Feststoffteilchen.

Hinsichtlich der konkreten Bauformen der Mischelemente ist eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt. Bei den meisten statischen Mischern sind die

Einbauten in Form gleichartiger Elemente in einem Rohr oder einem Kanal eingebaut. Sie sind dabei regelmässig angeordnet, um über den gesamten Rohrquerschnitt eine Homogenisierung der zu mischenden Komponenten zu erzielen.

Es sind Ausführungsformen bekannt, bei denen einzelne als Bleche oder Platten in ebener oder gewundener Form ausgestaltete Mischelemente schräg zur Hauptströmungsrichtung in dem Rohr angeordnet sind, um die Ströme der zu mischenden Substanzen aufzuteilen, umzulenken, umzulagern und zusammenzuführen.

Ferner ist es bekannt, die Mischelemente als sogenannte Packungen auszugestalten. Hierbei handelt es sich beispielsweise um mehrere jeweils aneinander grenzende Lagen, die in ihrer Gesamtheit ein Kanalsystem bilden, welches für die Durchmischung der Substanzen sorgt. Eine häufig verwendete Bauform ist die Kreuzkanalstruktur. Eine solche lässt sich zum Beispiel mit einer Vielzahl von im wesentlichen gleichen Lagen realisieren wobei jede Lage mehrere im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, zumindest teilweise offene Kanäle aufweist. Die Lagen werden dann aneinander grenzend und sich berührend gestapelt, und derart angeordnet, dass die Längsrichtungen der Kanäle benachbarter Lagen gegeneinander geneigt sind. Die Kanäle übernächster Nachbarschichten verlaufen jeweils parallel. Vorzugsweise sind alle Kanäle bezüglich der Hauptströmungsrichtung geneigt, wobei die Neigung der Kanäle benachbarter Lagen symmetrisch zur Hauptströmungsrichtung ist.

Auch ist es bekannt, Mischelemente aus Stegen aufzubauen, die so angeordnet sind, dass die Stege zwei Gruppen von parallel ausgerichteten Strukturelementen bilden.

Statische Mischer können sowohl als Turbulenzmischer bzw. turbulente

Mischer als auch als Laminarmischer bzw. laminare Mischer ausgebildet sein. Bei Laminarmischern wird hauptsächlich durch systematisches Teilen, Verdrehen, Umlenken und Zusammenführen von Strömen im laminaren Strömungsbereich eine Homogenisierung erzielt. Bei den Turbulenzmischern werden beispielsweise durch strömungslenkende Einbauten

Wirbelerzeugungen bzw. Wirbelablösungen und Strömungsumlenkungen generiert, die eine turbulente Durchströmung verursachen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen statischen Mischer vorzuschlagen, der besonders wirtschaftlich arbeitet, ohne dass dafür Zugeständnisse an die Qualität der Homogenisierung oder der Mischung notwendig sind.

Der diese Aufgabe lösende statische Mischer ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gekennzeichnet.

Erfindungsgemäss wird also ein statischer Mischer zum Mischen fliessfahiger Substanzen vorgeschlagen, mit einem Rohr, dessen Längsachse eine Hauptströmungsrichtung definiert, wobei in dem Rohr mindestens ein Mischelement zum Erzeugen mindestens einer lokalen Strömungsrichtung für die Substanzen vorgesehen ist, wobei das Mischelement eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Rillen aufweist, die mit der lokalen Strömungsrichtung einen Winkel einschliessen, der mindestens 0° und höchstens 180° beträgt.

Durch eine derartige erfindungsgemässe Strukturierung mittels der im wesentlichen parallelen Rillen, die auch als Riblet-Struktur bezeichnet wird, lässt sich eine deutliche Reduzierung des Strömungswiderstands für die Substanzen erzielen. Diese Reduktion des Strömungswiderstands führt zu einem geringen Druckverlust über den statische Mischer. Ein geringerer Druckverlust bedeutet eine Einsparung an Energie. Somit kann mit einem geringeren Energieaufwand eine mindestens gleich gute Homogenisierung bzw. Durchmischung der Substanzen erzielt werden. Daraus resultiert direkt eine Senkung der Kosten und somit ein wirtschaftlicherer Betrieb des statischen Mischers. Insbesondere in Industrieanlagen, wie beispielsweise Entstickungsanlagen (DeNOχ-Anlagen), lassen sich durch die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der statischen Mischer die Betriebskosten in erheblichem Masse senken.

Der optimale Abstand der Rillen hängt vom Anwendungsfall ab. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich eine besonders gute Reduzierung des Strömungswiderstands ergibt, wenn die Rillen einen Abstand von höchstens 500 Mikrometern, vorzugsweise höchstens 100 Mikrometern und speziell 20 bis 60 Mikrometer zueinander aufweisen. Bezüglich der Tiefe der Rillen hat es sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Rillen eine Tiefe aufweisen, die etwa halb so gross ist wie der Abstand zwischen benachbarten Rillen.

Um eine möglichst einfache und damit auch kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Rillen geradlinig erstrecken.

Die Erfindung ist insbesondere geeignet für statische Mischer, die als Turbulenzmischer ausgestaltet sind, weil die erfindungsgemässen Rillen insbesondere im turbulenten Strömungsbereich eine spürbare Reduzierung des Strömungswiderstands ermöglichen, ohne dass hierbei der Misch- bzw. Homogenisierungsvorgang negativ beeinflusst wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Mischelement eine Kreuzkanalstruktur auf, und die Rillen sind in den Kanälen der Kreuzkanalstruktur vorgesehen.

Zur Realisierung dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, dass das Mischelement aus aneinander grenzenden Lagen aufgebaut ist, in denen jeweils Kanäle parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Lagen so angeordnet sind, dass sich ihre Kanäle kreuzen.

Bei einem solchen Ausführungsbeispiel ist es eine bevorzugte Variante, dass sich die Rillen-jeweils geradlinig in Längsrichtung der Kanäle erstrecken.

Eine ebenfalls vorteilhafte Variante ist es, wenn sich die Rillen entlang der Kanalwände und schräg zur Längsrichtung der Kanäle erstrecken.

Je nach Anwendungsfall und lokalen Strömungsverhältnissen kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Rillen gekrümmt sind.

Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 : einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines statischen Mischers mit mehreren Mischelementen,

Fig. 2: eine Darstellung eines Aufschnitts aus einem der

Mischelemente aus Fig. 1 ,

Fig. 3: eine Darstellung einer der Lagen des Mischelements aus Fig. 2

Fig. 4: eine Detaildarstellung einer Wand eines Kanals der Lage aus Fig. 3 Fig. 5-7: wie Fig. 4, jedoch für Varianten bezüglich der Rillen, und

Fig. 8: eine schematischer Darstellung der Rillen im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt in einer Längsschnitt-Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines statischen Mischers zum Mischen fliessfahiger Substanzen, der gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Konkret handelt es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um einen statischen Mischer mit Kreuzkanalstruktur. Der Mischer 1 umfasst ein Rohr 2, dessen Längsachse eine Hauptstömungsrichtung definiert, die in Fig. 1 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen H repräsentiert wird. Das Rohr 2 kann einen runden oder einen eckigen, beispielsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen. Das Rohr 2 hat eine Eingangsseite 3, an welcher die zu mischenden Substanzen eingebracht werden, wie dies durch die Pfeile S1 und S2 in Fig. 1 angedeutet ist. Die Substanz S1 kann beispielsweise durch ein separates Einlassrohr 31 in den Strom der Substanz S2 eingebracht werden. Die Eingangsseite 3 ist hier als ein Flansch zur Verbindung mit einer Zuführleitung ausgestaltet. Ferner hat das Rohr 2 eine Ausgangsseite 4, an welcher die Substanzen S1 und S2 in gemischter Form aus dem Mischer 1 austreten. Auch die Ausgangsseite 4 kann als Flansch ausgestaltet sein.

In dem Rohr 2 ist mindestens ein Mischelement 5 zum Erzeugen einer lokalen Strömungsrichtung für die Substanzen S1 , S2 vorgesehen. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind fünf Mischelemente 5 vorgesehen, die hintereinander angeordnet und jeweils als sogenannte Packung ausgestaltet sind.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt aus einem der Mischelemente 5. Das Mischelement 5 weist eine Kreuzkanalstruktur auf und ist aus mehreren aneinandergrenzenden Lagen 51 aufgebaut. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer solchen Lage 51. Die Lage 51 weist eine geriffelte Struktur auf, die sich beispielsweise durch Hin- und Herfalten eines ebenen Blatts erzeugen lässt. Im Querschnitt ergibt sich dann die in Fig. 3 zu erkennende dreieckförmige Struktur. Dadurch weist die Lage 51 eine Vielzahl von parallelen Kanälen 52 auf, die sich jeweils in einer Längsrichtung erstrecken, welche eine lokale Strömungsrichtung L1 bzw. L2 festlegt. Durch diese Kanäle 52, strömen im Betriebszustand die fliessfähigen Substanzen. Die laterale Erstreckung der Kanalwände 53, das heisst ihre Breite senkrecht zur Längsrichtung, wird als Stegbreite B bezeichnet.

Zum Aufbau eines Mischelements 5 werden mehrere Lagen 51 so übereinandergelegt, dass sie aneinander grenzen und sich berühren. Dabei wird die erste Lage 51 so angeordnet, dass die Längsrichtung ihrer Kanäle mit der Hauptströmungsrichtung H einen Winkel einschliesst, der grösser als null und kleiner als 90 Grad ist. Dadurch ist die erste lokale Strömungsrichtung L1 festgelegt. Die zweite Lage 51 wird dann gegenüber der ersten Lage so verdreht, dass die Längsrichtung der Kanäle 52 der zweiten Lage einen betragsmässig gleich grossen Winkel mit der Hauptströmungsrichtung H einschliessen, wobei der Winkel jedoch das umgekehrte Vorzeichen hat, wie der entsprechende Winkel der ersten Lage. Dadurch wird die zweite lokale Stömungsrichtung L2 festgelegt. Folglich sind die Kanäle 52 der ersten Lage mit ihrer Längsrichtung in die eine Richtung gegen die Hauptströmungsrichtung H gedreht und die Kanäle 52 der zweiten Lage um den gleichen Winkel in die andere Richtung (siehe Fig. 2). Die dritte Lage ist parallel zur ersten orientiert, die vierte Lage parallel zur zweiten usw.

Gesamthaft resultiert dann die in Fig. 2 dargestellte Kreuzkanalstruktur.

Wie bereits erwähnt sind bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des statischen Mischers 1 (siehe Fig. 1 ) fünf hintereinander angeordnete Mischelemente 5 vorgesehen. Diese sind gegeneinander um einen Winkel von 90° in Bezug auf die Längsachse des Rohres 2 versetzt, um eine möglichst gute Homogenisierung bzw. Durchmischung über den Rohrquerschnitt zu erzielen.

Erfindungsgemäss weisen die Mischelemente 5 eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Rillen 6 (Fig. 4) auf, die mit der lokalen Strömungsrichtung L1 , L2 einen Winkel einschliessen, der mindestens 0° und höchstens 180° beträgt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Rillen 6 in den Kanälen 52, genauer gesagt, in den Kanälwänden 53 vorgesehen. In Fig. 3 sind die Rillen 6 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur in dem Ausschnitt A der Kanalwand 53 dargestellt. Selbstverständlich sind die Rillen nicht auf diesen Ausschnitt A beschränkt.

Fig. 4 zeigt in einer vergrösserten Detaildarstellung einen Ausschnitt A aus einer Kanalwand 53. Hier sind die zueinander parallelen Rillen 6 erkennbar, die sich entlang der Kanalwand 53 und parallel zur Längsrichtung des Kanals 52 erstrecken. Die Rillen 6 erstrecken sich somit in Richtung der lokalen Strömungsrichtung L1 bzw. L2.

Durch die Rillen 6 in den Kanalwänden 53 lässt sich der reibungsbedingte Strömungswiderstand für die zu mischenden Substanzen deutlich reduzieren. Dies resultiert in einen geringeren Druckverlust über den Mischer, wodurch sich Energie und Kosten sparen lassen.

Bezüglich der geometrischen Ausgestaltung und Anordnung der Rillen 6 sind zahlreiche Varianten möglich. Fig. 8 zeigt mit beispielhaftem Charakter eine mögliche Ausgestaltung der Rillen 6 in einer Querschnitt-Darstellung. Die Rillen 6 haben hier ein im wesentlichen trapezförmiges Profil. Natürlich können auch andere Profile, z. B. rechteckige, abgerundete, halbkreisförmige, dreieckige, parabelförmige verwendet werden. Unter dem Abstand D der Rillen wird die Entfernung der sich entsprechenden Punkte zweier benachbarter Rillen 6 verstanden, bei der Ausführungsform gemäss Fig. 8 ist dies der Abstand benachbarter Spitzen. Die Tiefe der Rillen 6 wird mit T bezeichnet.

Im Hinblick auf eine Reduzierung des Strömungswiderstands, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Rillen 6 einen Abstand D von höchstens

500 μm, vorzugsweise 100μ und speziell 20 bis 60 μm zueinander aufweisen. Als Untergrenze für den Abstand D wird ein Wert von 1 μm bevorzugt. Der

Abstand der Rillen 6 kann je nach Anwendungsfall optimiert werden. Im Hinblick auf die Reduzierung des Strömungswiderstand ergibt sich ein optimierter Abstand D, wenn der sogenannte dimensionslose Abstand s einen Wert von 15 annimmt. Der dimensionslose Abstand s ist definiert als s = (D - u_τ) / v

Dabei bezeichnet u_τ die Schergeschwindigkeit (shear velocity) oder die Schubspannungsgeschwindigkeit Diese ist definiert als u_τ = (τ_w/ρ)^0'5, wobei τ_w die Wandschubspannung ist und p die Dichte. Die Schergeschwindigkeit u_τ lässt sich aus der im allgemeinen bekannten oder bestimmbaren Grosse des Reibungsbeiwerts C_f abschätzen.

v bezeichnet die kinematische Viskosität, die der Quotient aus der dynamischen Viskosität und der Dichte ist.

Mit Hilfe dieser Grossen lässt sich dann für verschiedene Reynoldszahlen für einen optimalen dimensionslosen Abstand von s=15 jeweils ein optimaler Wert für die Grosse D/x bestimmen, wobei D der Rillenabstand ist und x eine charakteristische Lauflänge. Im vorliegenden Fall ist die charakteristische Lauflänge beispielsweise die Stegbreite B.

Bezüglich der Tiefe T der Rillen 6 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese halb so gross ist, wie der Abstand D benachbarter Rillen.

Zur Herstellung der Rillen 6 in der Kanalwand 53 eigen sich viele an sich bekannte Verfahren, beispielsweise Lithographieverfahren, Wafersägeverfahren, wie sie aus der Halbleiterfertigung bekannt sind, Laser- Wasserstrahlschneiden, Drahterosion oder Ätzverfahren.

Je nach Struktur des Mischelements ist es auch möglich, eine Folie zu verwenden, welche die gewünschte Rillenstruktur aufweist und diese Folie auf dem Mischelement anzubringen, beispielsweise aufzukleben.

Bezüglich der Anordnung der Rillen 6 sind zahlreiche Varianten möglich, von denen in den Fig. 5-7 einige dargestellt sind. Fig. 5 zeigt eine Variante, bei welcher die Rillen in lokaler Strömungsrichtung L1 bzw. L2 gesehen vom Boden des Kanals 52 beginnend geradlinig schräg nach oben verlaufen. Sie schliessen mit der lokalen Strömungsrichtung L1 bzw. L2 eine Winkel αi ein, der zwischen 0° und 90° liegt.

Fig. 6 zeigt eine Variante, bei welcher die Rillen 6 in lokaler Strömungsrichtung L1 bzw. L2 gesehen vom oberen Ende des Kanals 52 beginnend geradlinig schräg nach unten laufen. Sie schliessen mit der lokalen Strömungsrichtung L1 bzw. L2 eine Winkel α₂ ein, der zwischen 90° und 180° liegt.

Fig. 7 zeigt eine Variante, bei welcher die Rillen 6 gekrümmt verlaufen. Sie beginnen am Boden des Kanals 52 und verlaufen dann gekrümmt entlang der Kanalwand 53. Solche gekrümmten Rillenanordnungen können insbesondere auch dann vorteilhaft sein, wenn lokale Strömungen bzw. Strömungskomponenten vorhanden sind, die sich quer zur Längsrichtung des Kanals 52 erstrecken. Im Falle gekrümmter Rillen 6 ist mit dem Winkel α₃, den die Rillen 6 mit der lokalen Strömungsrichtung einschliessen, derjenige Winkel gemeint, unter dem die Rillen 6 in die lokale Strömungsrichtung L1 bzw. L2 einmünden.

Gekrümmte Rillen werden als zueinander parallel bezeichnet, wenn sich ihr Abstand nicht ändert.

Das Mischelement 5 besteht beispielsweise aus Silizium, Kunststoff oder Metall.

Auch wenn hier auf ein Ausführungsbeispiel eines statischen Mischers 1 Bezug genommen worden ist, dessen Mischelemente 5 als Packungen mit Kreuzkanalstruktur ausgestaltet sind, so versteht es sich doch, dass die Erfindung nicht auf solche Mischer beschränkt ist.

Die erfindungsgemässe Rillenstruktur zur Reduzierung des reibungsbedingten Strömungswiderstandes kann auch für andere Arten von statischen Mischern verwendet werden, beispielsweise für solche, bei denen die Mischelemente als plattenförmige Gebilde ausgestaltet sind, die sich schräg zur Hauptströmungsrichtung erstrecken, um so die Fluidströme umzulenken. Die Rillen sind dann vorzugsweise so angeordnet, dass sie sich in der lokalen Strömungsrichtung erstrecken, in der die Substanz an dem Mischelement entlang strömt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Rillenstruktur ist darin zu sehen, dass die Rillen Verschmutzungen vorbeugen, das heisst, für Schmutzpartikel wird es schwieriger, sich an den Kanalwänden beziehungsweise an den Mischelementen anzulagern.

Claims

Patentansprüche

1. Statischer Mischer zum Mischen fliessfahiger Substanzen, mit einem Rohr (2), dessen Längsachse eine Hauptströmungsrichtung (H) definiert, wobei in dem Rohr mindestens ein Mischelement (5) zum

Erzeugen mindestens einer lokalen Strömungsrichtung (L1 ,L2) für die Substanzen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (5) eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Rillen (6) aufweist, -die mit der lokalen Strömungsrichtung (L1.L2) einen Winkel (α-ι,α₂,α₃) einschliessen, der mindestens 0° und höchstens 180° beträgt.

2. Statische Mischer nach Anspruch 1 , bei welchem die Rillen (6) einen Abstand (D) von höchstens 500 Mikrometern, vorzugsweise höchstens 100 Mikrometern und speziell 20 bis 60 Mikrometer zueinander aufweisen.

3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2 bei welchem die Rillen (6) eine Tiefe (T) aufweisen, die etwa halb so gross ist wie der Abstand (D) zwischen benachbarten Rillen.

4. Statischer Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem sich die Rillen (6) geradlinig erstrecken.

5. Statischer Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet als Turbulenzmischer.

6. Statischer Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Mischelement eine Kreuzkanalstruktur aufweist und die Rillen (6) in den Kanälen (52) der Kreuzkanalstruktur vorgesehen sind.

7. Statischer Mischer nach Anspruch 6, bei welchem das Mischelement (5) aus aneinander grenzenden Lagen (51) aufgebaut ist, in denen jeweils Kanäle (52) parallel zueinander angeordnet sind, wobei benachbarte Lagen so angeordnet sind, dass sich ihre Kanäle (52) kreuzen.

8. Statischer Mischer nach Anspruch 6 oder 7, wobei sich die Rillen (6) jeweils geradlinig in Längsrichtung der Kanäle (52) erstrecken.

9. Statischer Mischer nach Anspruch 6 oder 7, wobei sich die Rillen (6) entlang der Kanalwände (53) und schräg zur Längsrichtung der Kanäle j (52) erstrecken.

10. Statischer Mischer nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Rillen (6) gekrümmt sind.