WO2004091760A1 - Statischer mischer - Google Patents

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WO2004091760A1
WO2004091760A1 PCT/CH2004/000234 CH2004000234W WO2004091760A1 WO 2004091760 A1 WO2004091760 A1 WO 2004091760A1 CH 2004000234 W CH2004000234 W CH 2004000234W WO 2004091760 A1 WO2004091760 A1 WO 2004091760A1
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WO
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grooves
static mixer
flow direction
channels
mixer according
Prior art date
Application number
PCT/CH2004/000234
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Heggemann
Torsten Wintergerste
Original Assignee
Sulzer Markets And Technology Ag
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4322—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa essentially composed of stacks of sheets, e.g. corrugated sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
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    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4321—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa the subflows consisting of at least two flat layers which are recombined, e.g. using means having restriction or expansion zones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers

Definitions

  • the invention relates to a static mixer for mixing flowable substances according to the preamble of the independent claim.
  • flowable substances that flow through or around these mixing elements are homogenized by means of fixed internals that serve as mixing elements.
  • Flowable substances are, for example, liquids, gases or gas mixtures, low or high viscosity media or solid particles.
  • Embodiments are known in which individual mixing elements designed as sheets or plates in flat or convoluted form are arranged obliquely to the main flow direction in the pipe in order to divide, divert, redistribute and merge the flows of the substances to be mixed.
  • the mixing elements are, for example, several layers which are adjacent to one another and which together form a channel system form, which ensures the mixing of the substances.
  • a common design is the cross channel structure.
  • Such a can be implemented, for example, with a large number of substantially identical layers, each layer having a plurality of channels which run essentially parallel to one another and are at least partially open. The layers are then stacked adjacent to one another and touching, and arranged such that the longitudinal directions of the channels of adjacent layers are inclined towards one another. The channels of the neighboring layers next to each run parallel. All channels are preferably inclined with respect to the main flow direction, the inclination of the channels of adjacent layers being symmetrical to the main flow direction.
  • Static mixers can be used as turbulence mixers or turbulent ones
  • laminar mixers homogenization is mainly achieved by systematically dividing, twisting, deflecting and merging flows in the laminar flow area.
  • turbulence mixers for example, through flow-directing internals
  • Vortex generation or vortex detachments and flow deflections are generated which cause a turbulent flow.
  • the object of the present invention is to propose a static mixer that works particularly economically without having to make concessions on the quality of the homogenization or the mixture.
  • a static mixer for mixing flowable substances is proposed, with a tube, the longitudinal axis of which defines a main flow direction, at least one in the tube Mixing element is provided for generating at least one local flow direction for the substances, the mixing element having a plurality of essentially parallel grooves which form an angle with the local flow direction which is at least 0 ° and at most 180 °.
  • Such a structuring according to the invention by means of the essentially parallel grooves which is also referred to as a riblet structure, enables a significant reduction in the flow resistance for the substances.
  • This reduction in flow resistance leads to a low pressure drop across the static mixer.
  • a lower pressure loss means a saving in energy.
  • at least equally good homogenization or mixing of the substances can be achieved with less energy expenditure.
  • the operating costs can be reduced considerably by improving the efficiency of the static mixers.
  • the optimal distance between the grooves depends on the application. However, it has been shown that there is a particularly good reduction in the flow resistance if the grooves are at a distance of at most 500 micrometers, preferably at most 100 micrometers and especially 20 to 60 micrometers. With regard to the depth of the grooves, it has been shown that it is particularly advantageous if the grooves have a depth that is approximately half as large as the distance between adjacent grooves.
  • the invention is particularly suitable for static mixers which are designed as turbulence mixers, because the grooves according to the invention enable a noticeable reduction in the flow resistance, in particular in the turbulent flow region, without the mixing or homogenization process being adversely affected.
  • the mixing element has a cross-channel structure, and the grooves are provided in the channels of the cross-channel structure.
  • the mixing element prefferably be constructed from mutually adjacent layers, in each of which channels are arranged parallel to one another, with adjacent layers being arranged such that their channels intersect.
  • the grooves each extend in a straight line in the longitudinal direction of the channels.
  • grooves extend along the channel walls and at an angle to the longitudinal direction of the channels.
  • the grooves are curved.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a static mixer with several mixing elements
  • FIG. 3 an illustration of one of the layers of the mixing element from FIG. 2
  • FIG. 4 a detailed representation of a wall of a channel of the position from FIG. 3 Fig. 5-7: like Fig. 4, but for variants with regard to the grooves, and
  • Fig. 8 a schematic representation of the grooves in cross section.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a static mixer for mixing flowable substances, which is designated in its entirety by reference number 1.
  • this embodiment is a static mixer with a cross-channel structure.
  • the mixer 1 comprises a tube 2, the longitudinal axis of which defines a main direction of flow, which is represented in FIG. 1 by the arrow with the reference symbol H.
  • the tube 2 can have a round or an angular, for example rectangular, cross section.
  • the tube 2 has an inlet side 3, on which the substances to be mixed are introduced, as indicated by the arrows S1 and S2 in FIG. 1.
  • Substance S1 can be introduced into the flow of substance S2, for example, through a separate inlet pipe 31.
  • the input side 3 is designed here as a flange for connection to a feed line. Furthermore, the tube 2 has an outlet side 4, on which the substances S1 and S2 emerge from the mixer 1 in a mixed form.
  • the output side 4 can also be designed as a flange.
  • At least one mixing element 5 is provided in the tube 2 for generating a local flow direction for the substances S1, S2.
  • five mixing elements 5 are provided, which are arranged one behind the other and each configured as a so-called pack.
  • the mixing element 5 has a cross-channel structure and is constructed from a plurality of adjacent layers 51. 3 shows a section of such a layer 51.
  • the layer 51 has a corrugated structure which can be produced, for example, by folding a flat sheet back and forth. The triangular structure shown in FIG. 3 then results in cross section.
  • the layer 51 has a multiplicity of parallel channels 52, each of which extends in a longitudinal direction, which defines a local flow direction L1 or L2. By these channels 52, the flowable substances flow in the operating state.
  • the lateral extent of the channel walls 53 that is to say their width perpendicular to the longitudinal direction, is referred to as the web width B.
  • the first layer 51 is arranged such that the longitudinal direction of its channels forms an angle with the main flow direction H that is greater than zero and less than 90 degrees. This defines the first local flow direction L1.
  • the second layer 51 is then rotated relative to the first layer such that the longitudinal direction of the channels 52 of the second layer form an angle of equal magnitude with the main flow direction H, the angle, however, having the opposite sign as the corresponding angle of the first layer. This defines the second local flow direction L2. Consequently, the channels 52 of the first layer are rotated with their longitudinal direction in one direction against the main flow direction H and the channels 52 of the second layer are rotated by the same angle in the other direction (see FIG. 2).
  • the third layer is oriented parallel to the first, the fourth layer parallel to the second, etc.
  • five mixing elements 5 arranged one behind the other are provided in the exemplary embodiment of the static mixer 1 described here (see FIG. 1). These are mutually offset by an angle of 90 ° with respect to the longitudinal axis of the tube 2 in order to achieve the best possible homogenization or mixing across the tube cross-section.
  • the mixing elements 5 have a multiplicity of essentially parallel grooves 6 (FIG. 4) which form an angle with the local flow direction L1, L2 which is at least 0 ° and at most 180 °.
  • the grooves 6 are provided in the channels 52, more precisely in the channel walls 53.
  • the grooves 6 are for the sake of better Clarity only shown in section A of the channel wall 53.
  • the grooves are not limited to this cutout A.
  • FIG. 4 shows a detail A from a channel wall 53 in an enlarged detail.
  • the mutually parallel grooves 6 can be seen, which extend along the channel wall 53 and parallel to the longitudinal direction of the channel 52.
  • the grooves 6 thus extend in the direction of the local flow direction L1 or L2.
  • the grooves 6 in the channel walls 53 can significantly reduce the frictional flow resistance for the substances to be mixed. This results in less pressure loss across the mixer, which saves energy and costs.
  • the grooves 6 here have an essentially trapezoidal profile.
  • other profiles e.g. B. rectangular, rounded, semicircular, triangular, parabolic can be used.
  • the distance D of the grooves is understood to mean the distance between the corresponding points of two adjacent grooves 6, in the embodiment according to FIG. 8 this is the distance between adjacent tips.
  • the depth of the grooves 6 is denoted by T.
  • the grooves 6 have a distance D of at most
  • microns 500 microns, preferably 100 microns and especially 20 to 60 microns to each other.
  • a value of 1 ⁇ m is preferred as the lower limit for the distance D.
  • the distance between the grooves 6 can be optimized depending on the application. With regard to the reduction of the flow resistance, an optimized distance D results if the so-called dimensionless distance s assumes a value of 15.
  • the shear rate u ⁇ can be estimated from the generally known or determinable magnitude of the coefficient of friction C f .
  • v denotes the kinematic viscosity, which is the quotient of the dynamic viscosity and the density.
  • the characteristic run length is, for example, the web width B.
  • the mixing element it is also possible to use a film which has the desired groove structure and to apply this film to the mixing element, for example by sticking it on.
  • FIG. 5 shows a variant in which the grooves, seen in the local flow direction L1 or L2, run in a straight line upwards from the bottom of the channel 52. They form an angle ⁇ i with the local flow direction L1 or L2, which lies between 0 ° and 90 °.
  • FIG. 6 shows a variant in which the grooves 6, seen in the local flow direction L1 or L2, run straight downwards starting from the upper end of the channel 52. You close with the local flow direction L1 or L2 an angle ⁇ 2 , which is between 90 ° and 180 °.
  • Fig. 7 shows a variant in which the grooves 6 are curved. They begin at the bottom of the channel 52 and then run in a curved manner along the channel wall 53. Such curved groove arrangements can also be advantageous in particular if local flows or flow components are present which extend transversely to the longitudinal direction of the channel 52.
  • the angle ⁇ 3 which the grooves 6 enclose with the local flow direction, means the angle at which the grooves 6 open into the local flow direction L1 or L2.
  • Curved grooves are said to be parallel to each other if their distance does not change.
  • the mixing element 5 consists for example of silicon, plastic or metal.
  • the groove structure according to the invention for reducing the flow resistance caused by friction can also be used for other types of static mixers, for example for those in which the mixing elements are designed as plate-shaped structures which extend obliquely to the main flow direction, so as to deflect the fluid flows.
  • the grooves are then preferably arranged so that they extend in the local flow direction in which the substance flows along the mixing element.

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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 - uτ) / v
Dabei bezeichnet uτ die Schergeschwindigkeit (shear velocity) oder die Schubspannungsgeschwindigkeit Diese ist definiert als uτ = (τw/ρ)0'5, wobei τw die Wandschubspannung ist und p die Dichte. Die Schergeschwindigkeit uτ lässt sich aus der im allgemeinen bekannten oder bestimmbaren Grosse des Reibungsbeiwerts Cf 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.
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