WO2006007967A1 - Dynamischer mischer - Google Patents

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WO2006007967A1
WO2006007967A1 PCT/EP2005/007177 EP2005007177W WO2006007967A1 WO 2006007967 A1 WO2006007967 A1 WO 2006007967A1 EP 2005007177 W EP2005007177 W EP 2005007177W WO 2006007967 A1 WO2006007967 A1 WO 2006007967A1
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stirrer
helical
mixer
stirrers
centric
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Helmut Brod
Stefanie KÖHLER
Reinhold Rose
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Bayer Technology Services Gmbh
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    • B01F27/1143—Helically shaped stirrers, i.e. stirrers comprising a helically shaped band or helically shaped band sections screw-shaped, e.g. worms
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    • B01F27/1145—Helically shaped stirrers, i.e. stirrers comprising a helically shaped band or helically shaped band sections ribbon shaped with an open space between the helical ribbon flight and the rotating axis

Definitions

  • the invention relates to a device which comprises at least one housing, with at least two rotating stirrers wherein at least one of the stirrers is a helical or anchor agitator arranged centrally in the housing, and at least one of the other stirrers is an eccentrically arranged worm or blade stirrer.
  • Spiral systems [Tatterson, G.B .; Fluid mixing and gas dispersion in agitated tanks; McGraw-Hill Inc .; 1991; P. 325ffJ. Spiral mixers are common mixer geometries for homogenizing higher-viscosity products.
  • GB 2076675A describes trough mixers with helical mixer geometry. They are often used for mixing bulk goods or pasty media. These horizontally arranged mixers have the disadvantage that their housings can be shaped in complex and thus expensive geometric shapes have to. Furthermore, it is disadvantageous that the mixers are to be operated with their housing only in a horizontal arrangement.
  • a mixer comprising at least one housing (1), at least two rotating stirrers (2) and (3) and optionally transverse bars for fixing the stirring elements of the centric rotor, wherein at least one of the stirrer (2) has a centric in Housing (1) arranged Wendel ⁇ or anchor agitator is, and at least one of the other agitator (3) is an eccentrically arranged worm or blade stirrer, fulfilling the object of the invention.
  • the invention therefore relates to a mixer comprising at least housing (1), preferably with at least one filling and emptying opening, at least two rotating stirrers (2) and (3) and optionally transverse bars for fixing the stirring elements of the centric rotor, which is characterized in that at least one of the stirrers (2) arranged centrally in the housing (1) is a helix or anchor agitator and at least one of the other agitators (3) is an eccentrically arranged worm or blade stirrer.
  • Gear technology an input shaft and at least two output shafts are used. By the transmission here a fixed speed ratio between the two stirrers is realized. Depending on the selected gradient and diameter ratios, the speed ratio of the two stirrers must remain constant during operation, since collisions of the two stirrers occur without a synchronization that is almost free from play. For types of mixer where the speed ratio is independent of the geometry - A -
  • helical stirrers are understood as meaning mixers which are characterized by a shaft which is arranged centrically to the stirring elements and is optionally connected to the stirring elements via at least one transverse bar.
  • the stirring elements of the helical stirrer can be made of a simple sheet metal or of hollow or solid material with a profiled cross-section. They form a helix (helix) of the slope S, which is arranged concentrically to the shaft.
  • helical stirrers are understood here also those constructions whose slope S is due to the design changes with the circumferential length or the circumferential angle, as is the case for example in the stirrers described in DE 4117773 Al.
  • mixer which are characterized by a preferably centrally arranged shaft and stirring elements, which are helically arranged (helical) with the slope S around the shaft, preferably no or only a small gap between the
  • helical stirrers and screw stirrers in the sense of this document also include the case in which the pitch of the helix or helix is infinitely large in the mathematical sense. Then the helical stirrer passes into an anchor stirrer and the screw stirrer into a blade stirrer.
  • Anchor stirrer and blade stirrer in the sense of this document are understood to mean all technical designs according to the armature geometry, as described, for example, in: Ullmann's
  • stirrer arms can also be formed by interrupted or offset elements attached.
  • elements for example, rods with round or triangular or square
  • Cross section or helical segments are used.
  • the housing has a substantially circular cross-section, deviations tolerated for example due to manufacturing tolerances in the ovality of containers.
  • the bottom of the housing may have any common shapes, such as
  • Example dished bottom, basket bottom or conical tapered bottom shapes The ground anchor shape following the helical stirrer can be adapted to the shape of the ground without mixing disadvantages.
  • the anchor shape can have an S-shaped or straight shape when viewed in horizontal section.
  • the mixer has at least one opening for filling and / or emptying.
  • the mixer has at least one opening for filling and / or emptying.
  • Embodiments with at least one respective filling and emptying opening are particularly preferred.
  • the mixers according to the invention are also characterized in that at least one eccentric stirrer (3) and at least one centric stirrer (2) rotate in opposite directions or in the same direction, very particularly preferably in the same direction.
  • a mixer is preferred, which is characterized in that at least one eccentric screw mixer is in engagement with the centric helical stirrer, ie that the outside diameter of an eccentric stirrer intersects the inside diameter of the helical stirrer in a cross section perpendicular to the shafts.
  • the relationship is the radial overlap length (e) and the coil width (b) in a section perpendicular to the waves understood. This is sketched by way of example in FIG. 2.
  • the intervention amounts to 30 to 99%, preferably 80 to 95%.
  • a further relevant parameter of the mixer according to the invention is the number of flights of the stirrer.
  • the number of flights of a helical or Schneckenrrockers is to be understood in the following the natural number, which results when dividing the angle 360 ° by the angle by which a stirrer must be rotated about its axis, so that the image of its section with a Level perpendicular to the stirrer shaft with the corresponding output sectional image coincides.
  • mixers in which the number of turns of the armature or helical stirrer is 2. This has the advantage that during the rotation of this stirrer symmetrical conditions prevail about its axis, so that hardly any flow forces occur perpendicular to the stirrer shaft. On the other hand, the manufacturing expense for the production of the stirrer due to the lower
  • the pitch of the stirrer is also a variable influencing the mixer.
  • the pitch of a helical or worm stirrer is here the ratio of unwound height and unwound circumferential length, when unrolling a stirrer on the outer circumference on a plane and the positions, which passes through the contact point of the stirring blade with the plane by a line. The slope of this line is then the pitch of the stirrer.
  • the pitch of spiral and worm stirrer is chosen to be constant.
  • the pitches of the stirrers should therefore preferably behave inversely proportional to the peripheral speeds of the stirrers so that the vertical distances x u and x 0 between the two agitating blades remain nearly constant during engagement during movement.
  • the pitch of the helical stirrer can be between 0.05 and infinite. In a preferred embodiment of the invention, the pitch of the helical stirrer is between 0.1 and 2.
  • the speed ratio of screw to spiral impeller is in the range between
  • the mixer according to the invention preferably has a speed ratio of screw to helical stirrer of 4: 1 to 2: 1, particularly preferably of 3: 1.
  • This design of the helical stirrer is particularly advantageous because it allows the worm stirrer to engage practically as deeply in the helical stirrer as without the stiffeners, which leads to a particularly good mixing action of the entire mixer.
  • the pitch directions, pitches, speeds, and directions of rotation of the stirrers can be independently selected.
  • the centric and an eccentric stirrer are in mutual engagement and the pitches of these two stirrers are coordinated so that the vertical spacing between the stirrer blades remains as constant and uniform as possible during engagement of the stirrer.
  • At least one eccentric stirrer (3) and at least one centric stirrer rotate in opposite directions.
  • the mixers In reverse rotation, the mixers must not be engaged. Furthermore, the mixer preferably has a number of revolutions for the helical or anchor agitator of 2 and the number of threads for the helical or blade agitator of 1 or 2 in counter-rotating mixers.
  • the pitch can also be chosen as desired, as well as the speed ratio.
  • a mixer with counter-rotating stirrers may have stiffeners. These are then possible both on the helical outer diameter and on the helical inner diameter.
  • the housing does not have to be completely provided with the internals according to the invention. It can e.g. for certain processes (degassing) a gas space above the stirrer installations be kept free.
  • the mixers according to the invention surprisingly showed that the mixing times of these mixers are considerably shortened compared with conventional, comparable stirrers (spiral stirrers), in particular when the screw stirrer engages deeply in the helical stirrer, and the stirrers with a
  • the mixers according to the invention have heating or cooling elements on the inner wall of the housing.
  • the housing may also be provided per se with the known conventional cooling or heating means, e.g. with a through-flow of heat transfer double jacket, electric heating coils etc.
  • the mixer according to the invention is suitable for any mixing tasks in the chemical process technology, of course, as a reactor for stirred reactions.
  • the mixer can also be used as a horizontal mixer, i. E. with horizontally arranged waves, operated.
  • a horizontal arrangement of the shafts is useful, for example, for processes involving bulk goods or moist bulk materials.
  • all other angles of inclination of the waves relative to the vertical between 0 and 90 ° are possible.
  • Figure Ia is the front view of a mixer according to the invention; the housing (1) is shown in section.
  • FIG. 1 b shows the front view of a mixer according to the invention, with pitches of spiral and worm stirrers which are larger than those of FIG.
  • Figure Ic is the front view of a mixer according to the invention with respect to Figure Ia increased gradients, in which reinforcing rods (5) on the outer diameter of the helical stirrer (2) are mounted.
  • the housing
  • Figure 1 shows a section through a mixer according to the invention with the number of gears two for the coil (2) and the number of gears two for the screw (3).
  • the figure also shows the depth of engagement (e) and the helix width (b), from which the percentage engagement E is calculated.
  • FIG. 3 shows a section through another mixer according to the invention, in which the number of turns of the helical stirrer (2) two and the number of turns of the
  • Worm stirrer (3) is one.
  • Figure 4 shows a section through a mixer according to the invention, in the helix
  • Figure 5 shows a section through a mixer according to the invention, in which for improving the mechanical stability reinforcing rods (5) are mounted parallel to the shaft on the outer diameter of the helical stirrer (2).
  • Figures Ia, Ib and Ic show inventive mixer in the side view in different embodiments.
  • FIG. 1c additionally shows the reinforcing rods (5) mounted parallel to the shaft.
  • both the sense of rotation and the pitch of both stirrers must be identical. It also requires a synchronizing drive for both stirrers, which ensures that the two stirrers move at a fixed speed ratio and the stirring blades do not come into contact with each other.
  • FIG. 2 shows a cross section through a mixer according to the invention.
  • the number of turns of the spiral agitator (2) and of the worm agitator (3) is two.
  • Mixer can be operated with a speed ratio of screw to 3: 1 or 2: 1 helical stirrer. For a precise tuning of the slopes for the purpose of large and safe vertical distances in engagement between the two
  • the pitch S 2 0.85 (corresponding to a pitch angle of 40.6 °) is selected for the eccentric worm stirrer ) at a speed ratio of 3: 1 and the
  • FIG. 4 shows a variant of the mixer according to the invention, in which the centric helical stirrer (2) and the eccentric screw stirrer (3) are not in mutual engagement. Now both the direction of rotation and the pitch of both stirrers can be selected independently of each other. In addition, no synchronizing transmission with a fixed speed ratio is required here. It is now possible to adjust the conveying direction of both stirrers independently of each other so that either both stirrers have the same or different conveying directions axially.
  • FIG. 5 shows a variant of the mixer according to the invention, in which the centric helical stirrer (2) and the eccentric worm stirrer (3) are in mutual engagement and are driven synchronously.
  • four stiffening rods (4) are mounted parallel to the shafts on the outer diameter of the helical stirrer. hereby the entire construction of the helical stirrer is very efficiently stiffened against elastic and plastic deformation, without obstructing the engagement between the helical and the helical stirrer, which is important for shortening the mixing times.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die mindestens umfasst ein Gehäuse (1), mit mindestens zwei rotierenden Rührern (2, 3) wobei mindestens einer der Rührer (2) ein zentrisch im Gehäuse angeordneter Wendel- oder Ankerrührer ist, und mindestens einer der anderen Rührer (3) ein exzentrisch angeordneter Schnecken- oder Blattrührer ist.

Description

Dynamischer Mischer
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die mindestens umfasst ein Gehäuse, mit mindestens zwei rotierenden Rührern wobei mindestens einer der Rührer ein zentrisch im Gehäuse angeordneter Wendel- oder Ankerrührer ist, und mindestens einer der anderen Rührer ein exzentrisch angeordneter Schnecken- oder Blattrührer ist.
Zum Mischen von Flüssigkeiten und Feststoffen werden häufig wendelförmige Rührer eingesetzt. Aufgabe des Rührers ist es, mit möglichst geringem
Energieaufwand möglichst kurze Mischzeiten bis zur Homogenisierung des
Mischguts zu erzielen. In der Literatur sind viele Daten zum Mischverhalten von
Wendelsystemen zu finden [Tatterson, G.B.; Fluid mixing and gas dispersion in agitated tanks; McGraw-Hill Inc.; 1991; S. 325ffJ. Wendelrührer sind gängige Mischergeometrien zum Homogenisieren von höherviskosen Produkten.
Die Anforderungen, die durch chemische und andere Produktionsverfahren an das Mischverhalten gestellt werden, nehmen ständig zu, da verringerte Mischzeit bei gleichem Energieeintrag zu verringerten Gesamtkosten in der Produktion führen.
Zur Vergrößerung der Raum-Zeit- Ausbeute in Produktionsverfahren ist es außerdem von Interesse, möglichst viele Prozessschritte in einem Mischapparat durchzuführen. Apparate mit Rührern müssen daher Mischgüter trotz großer Viskositätsänderungen mit geringen Mischzeiten homogenisieren können. Diese Mischaufgabe kann mit herkömmlichen Wendelrühreranordnungen mit einer Welle nur unzureichend erfüllt werden. In der Literatur ist schon häufig beschrieben worden, dass sich die Mischzeiten im mittelviskosen Strömungsbereich um ein vielfaches erhöhen [Tatterson, G.B.; Fluid mixing and gas dispersion in agitated tanks; McGraw-Hill Inc.; 1991; S. 381]. Dies ist von großem Nachteil für Prozesse mit Viskositätsänderungen, die zu jedem Zeitpunkt aus Qualitäts- und Effizienzgründen eine kurze Mischzeit erfordern. In der DE 10248333 Al werden Mischer beschrieben, bei denen die Mischwerkzeuge sich gegenseitig und die Behälterwand vollständig überstreichen, um eine möglichst vollständige Selbstreinigung des Mischers ähnlich wie bei dichtkämmenden zweiwelligen Extrudern zu erreichen. In dieser Schrift wird ebenfalls beschrieben, dass die Mischzeiten solcher selbstreinigender Systeme gegenüber konventionellen Wendelrührern deutlich verringert sind.
Das oben geschilderte Mischersystem hat allerdings den Nachteil, dass es nur zu sehr hohen Kosten hergestellt werden kann, weil die Mischwerkzeuge zur Erreichung der
Selbstreinigung ähnlich wie Zahnräder mit einer präzise aufeinander abgestimmten Geometrie gefertigt und durch ein genaues Synchrongetriebe angetrieben werden müssen.
In der FR-A 94 02618 wird ein weiterer Mischer mit einem zentrischen und einem exzentrischen Rührer beschrieben, wobei der exzentrische Rührer in eine Aussparung des zentrischen Rührers hineinpasst. Dieser Mischer hat allerdings die Nachteile, dass er keine gezielte Vermischung in der Richtung parallel zu den Wellen erzeugt, da die Rührer keine axiale Förderwirkung aufweisen, und dass das Antriebsmoment an der zentralen Welle immer dann durch einen hohen Spitzenwert geht, wenn das Blatt des zentrischen Rührers mit seiner Aussparung am Blatt des exzentrischen Rührers vorbeistreicht. Dies führt zum einen zu erhöhten Kosten für die Antriebsenergie des Mischers, zum anderen muss das hohe Spitzendrehmoment bei der gegenseitigen Passage der Rührer durch eine festere Konstruktion der Rührer und des Antriebs kompensiert werden, was wiederum die ganze Konstruktion verteuert.
In GB 2076675A sind Trogmischer mit wendeiförmiger Mischergeometrie beschrieben. Sie werden vielfach zum Vermischen von Schüttgütern oder pastösen Medien verwendet. Diese horizontal angeordneten Mischer haben den Nachteil, dass ihre Gehäuse in aufwendigen und damit teuren geometrischen Gestalten geformt sein müssen. Weiterhin ist von Nachteil, dass die Mischer mit ihrem Gehäuse nur in horizontaler Anordnung zu betreiben sind.
Es bestand daher die Aufgabe, einen Mischer mit zylindrischem Gehäuse bereitzustellen, der eine gute axiale und radiale Durchmischung des Mischguts bei gleichbleibender guter Mischzeit auch während großen Viskositätsänderungen im Prozess und bei niedrigen Kosten sowohl für die Fertigung der Mischwerkzeuge und des Antriebs als auch für die zum Mischen aufgewendete Energie aufweist.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass ein Mischer umfassend mindestens ein Gehäuse (1), mindestens zwei rotierende Rührer (2)-und (3) sowie gegebenenfalls Querbalken zur Fixierung der Rührelemente des zentrischen Rotors, wobei mindestens einer der Rührer (2) ein zentrisch im Gehäuse (1) angeordneter Wendel¬ oder Ankerrührer ist, und mindestens einer der anderen Rührer (3) ein exzentrisch angeordneter Schnecken- oder Blattrührer ist, die erfindungsgemäße Aufgabe erfüllt.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Mischer mindestens umfassend Gehäuse (1), vorzugsweise mit mindestens einer Befüll- und Entleeröffnung, mindestens zwei rotierende Rührer (2) und (3) sowie gegebenenfalls Querbalken zur Fixierung der Rührelemente des zentrischen Rotors, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens einer der zentrisch im Gehäuse (1) angeordneten Rührer (2) ein Wendel¬ oder Ankerrührer und mindestens einer der anderen Rührer (3) ein exzentrisch angeordneter Schnecken- oder Blattrührer ist.
Als Antriebsmittel für die Rührer können gängige Motoren mit entsprechender
Getriebetechnik, einer Eingangswelle und mindestens zwei Abgangswellen verwendet werden. Durch das Getriebe wird hierbei ein festes Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Rührern realisiert. In Abhängigkeit von den gewählten Steigungs- und Durchmesserverhältnissen, muss das Drehzahlverhältnis der beiden Rührer während des Betriebs konstant bleiben, da es ohne eine mechanisch fast spielfreie Synchronisation zu Kollisionen der beiden Rührer kommt. Für Bauarten des Mischers, bei denen das Drehzahlverhältnis von der Geometrie unabhängig - A -
gewählt werden kann, kommt auch eine Antriebstechnik mit zwei oder mehreren Motoren in Frage, mit denen von einander unabhängige Drehzahlen eingestellt werden können. Hierdurch entsteht mindestens ein zusätzlicher Freiheitsgrad beim Betrieb des Mischers.
Unter Wendelrührer im Sinne dieser Schrift werden Mischer verstanden, die gekennzeichnet sind durch eine Welle, die zentrisch zu den Rührelementen angeordnet ist und gegebenenfalls über mindestens einen Querbalken mit den Rührelementen verbunden ist. Die Rührelemente der Wendelrührer können aus einem einfachen Blech oder aus Hohl- oder Vollmaterial mit profiliertem Querschnitt ausgeführt sein. Sie bilden eine Wendel (Helix) der Steigung S, die konzentrisch zur Welle angeordnet ist. Unter Wendelrührer werden hier auch solche Konstruktionen verstanden, deren Steigung S sich konstruktionsbedingt mit der Umfangslänge bzw. dem Umfangswinkel ändert, wie dies zum Beispiel bei den in DE 4117773 Al beschriebenen Rührern der Fall ist.
Unter Schneckenrührer im Sinne dieser Schrift werden Mischer verstanden, die gekennzeichnet sind durch eine bevorzugt zentrisch angeordnete Welle und Rührelemente, die wendeiförmig (helixförmig) mit der Steigung S um die Welle angeordnet sind, wobei vorzugsweise kein oder nur ein geringer Spalt zwischen den
Rührelementen und der Welle zu finden ist. Mit Schneckenrührer sind hier auch solche Konstruktionen gemeint, deren Steigung S nicht konstant über der gesamten Aufwicklung ist.
Die Begriffe Wendelrührer und Schneckenrührer im Sinne dieser Schrift umfassen auch den Fall, dass die Steigung der Wendel bzw. der Schnecke im mathematischen Sinne unendlich groß ist. Dann geht der Wendelrührer in einen Ankerrührer über und der Schneckenrührer in einen Blattrührer. Unter Ankerrührer und Blattrührer im Sinne dieser Schrift werden alle technischen Ausführungen gemäß der Ankergeometrie verstanden, wie beispielsweise beschrieben in: Ullmann's
Encyclopedia of Industrial Chemistry; Marko Zlokarnik; Stirring; DOI: 10.1002/14356007.b02_25; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA; Release 2003, 7th Edition. Weiterhin wird unter den Begriffen Wendelrührer und Schneckenrührer auch verstanden, dass die wendelformige Kontur der Rührerarme auch durch unterbrochene oder versetzt angebrachte Elemente gebildet werden kann. Als Elemente können zum Beispiel Stäbe mit rundem oder drei- bzw. viereckigem
Querschnitt oder Wendelsegmente verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse einen im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt auf, wobei Abweichungen zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen in der Unrundheit von Behältern toleriert werden.
Der Boden des Gehäuses kann beliebige gängige Formen aufweisen, wie zum
Beispiel Klöpperboden, Korbbogenboden oder kegelförmig verjüngende Bodenformen. Die an die Wendelrührer anschließende Bodenankerform kann ohne mischtechnische Nachteile an die Bodenform angepasst werden. Die Ankerform kann im horizontalen Schnitt gesehen eine S-förmige oder gerade Gestalt aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt der Mischer über mindestens eine Öffnung zum Befüllen und/oder Entleeren. Besonders bevorzugt sind Ausführungen mit mindestens jeweils einer Befüll- und Entleeröffnung.
Die erfindungsgemäßen Mischer sind auch dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein exzentrischer Rührer (3) und mindestens ein zentrischer Rührer (2) gegenläufig oder gleichläufig, ganz besonders bevorzugt gleichläufig rotieren.
Im Fall der gleichläufig rotierenden Rührer gelten weitere bevorzugte
Ausführungsformen:
Bevorzugt ist ein Mischer, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein exzentrischer Schneckenrührer sich im Eingriff mit dem zentrischen Wendelrührer befindet, d.h. dass der Außendurchmesser eines exzentrischen Rührers sich in einem Querschnitt senkrecht zu den Wellen mit dem Innendurchmesser des Wendelrührers überschneidet. Unter dem Eingriff E im Sinne dieser Schrift wird das Verhältnis aus der radialen Überschneidungslänge (e) und der Wendelbreite (b) in einem Schnitt senkrecht zu den Wellen verstanden. Dies ist exemplarisch in Figur (2) skizziert.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform beträgt der Eingriff 30 bis 99%, bevorzugt 80 bis 95%.
Eine weiterhin relevante Kenngröße des erfindungsgemäßen Mischers ist die Gangzahl der Rührer.
Unter der Gangzahl eines Wendel- oder Schneckenrührers soll im folgenden die natürliche Zahl verstanden werden, die sich ergibt, wenn man den Winkel 360° durch denjenigen Winkel dividiert, um den ein Rührer um seine Achse rotiert werden muss, damit das Bild seines Schnittes mit einer Ebene senkrecht zur Rührwelle mit dem entsprechenden Ausgangsschnittbild zur Deckung kommt.
Besonders bevorzugt sind Mischer, bei denen die Gangzahl des Anker- oder Wendelrührers 2 beträgt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass bei der Rotation dieses Rührers um seine Achse symmetrische Verhältnisse herrschen, so dass kaum Strömungskräfte senkrecht zur Rührwelle auftreten. Zum anderen ist der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung des Rührers aufgrund der geringeren
Anzahl von Arbeitsgängen noch vergleichsweise niedrig. Für den Schneckenrührer oder Blattrührer wird eine Geometrie mit der Gangzahl 1 oder 2 bevorzugt.
Des weiteren ist die Steigung des Rührers eine den Mischer ebenfalls beeinflussende Größe.
Die Steigung eines Wendel- oder Schneckenrührers ist hierbei das Verhältnis aus abgewickelter Höhe und abgewickelter Umfangslänge, wenn man einen Rührer am Außenumfang auf eine Ebene abwickelt und die Positionen, die der Kontaktpunkt des Rührblatts mit der Ebene durchläuft durch eine Linie kennzeichnet. Die Steigung dieser Linie ist dann die Steigung des Rührers. In vielen Fällen wird die Steigung von Wendel- und Schneckenrührer konstant gewählt. Es gibt aber auch Ausführungen, bei denen konstruktionsbedingt eine über den Umfang variable Steigung vorliegt, wie zum Beispiel bei den in DE 4117773 Al beschriebenen Rührern.
Die Steigungen der Rührer sind dann besonders günstig aufeinander abgestimmt, wenn die folgende mathematische Beziehung (I) erfüllt ist:
(I), wobei
Figure imgf000009_0001
n\ bzw. n2 die Drehzahlen, Di bzw. D2 die Außendurchmesser und Si bzw. S2 die
Steigungen des zentrischem bzw. exzentrischen Rührers bezeichnen. Die Steigungen der Rührer sollten sich daher vorzugsweise umgekehrt proportional zu den Umfangsgeschwindigkeiten der Rührer verhalten, damit die vertikalen Abstände xu und x0 zwischen den beiden Rührblättern im Eingriff während der Bewegung nahezu konstant bleiben.
Für die nach Gleichung I abgestimmten Rührer wurde für gleiche vertikale Abstände zwischen den Rührblättern xu = x0 eine deutliche Mischzeitverkürzung im Reynoldszahlbereich von 100 gegenüber der Konfiguration nur mit Wendelrührer ohne Schnecke festgestellt. Die Messergebnisse sind in Figur 6 im Anhang eingetragen.
Überraschender Weise wurde weiterhin gefunden, dass mit einer vertikalen Abstandsverteilung xu « x0 bei Förderrichtung des Wendelrührers in Behälterwandnähe nach unten die Mischzeit im Reynoldszahlbereich von 100 weiterhin reduziert werden kann. Für diese Verkürzung der Mischzeit ist es von Vorteil, wenn der kleinere Abstand xu« xo bei Förderrichtung der Wendel nach unten und X0 « xu bei Förderrichtung der Wendel nach oben gewählt wird. Die Steigung des Wendelrührers kann zwischen 0,05 und unendlich liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Steigung des Wendelrührers zwischen 0,1 und 2.
Das Drehzahlverhältnis von Schnecken- zu Wendelrührer liegt im Bereich zwischen
5:1 und 1:1. Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Mischer zudem ein Drehzahlverhältnis von Schnecken- zu Wendelrührer von 4:1 bis 2:1, besonders bevorzugt von 3:1, auf.
Eine besonders bevorzugte Bauform des Mischers erhält man dadurch, dass man den
Wendelrührer am äußeren Radius mit Hilfe von parallel zur Welle angebrachten Versteifungen verstärkt, so dass seine Gesamtkonstruktion erheblich höhere Kräfte und Drehmomente bei geringer Deformation aufnehmen kann. Diese Bauweise des Wendelrührers ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie es gestattet, den Schneckenrührer praktisch genauso tief in den Wendelrührer eingreifen zu lassen, wie ohne die Versteifungen, was zu einer besonders guten Mischwirkung des gesamten Mischers führt.
Falls der Schneckenrührer nicht in den Wendelrührer eingreift, können die Steigungsrichtungen, die Steigungen, die Drehzahlen und Drehrichtungen der Rührer unabhängig voneinander gewählt werden.
Falls jedoch der Schneckenrührer in den Wendelrührer eingreift, müssen die Steigungsrichtungen und die Drehrichtungen der Rührer gleich sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung befinden sich der zentrische und ein exzentrischer Rührer im gegenseitigen Eingriff und die Steigungen dieser beiden Rührer sind so aufeinander abgestimmt, dass der vertikale Abstand zwischen den Rührblättern im Eingriff während der Umdrehung der Rührer möglichst konstant und gleichförmig bleibt. Dies hat den Vorteil, dass bei der
Herstellung der Rührer und beim Bau des Getriebes für den synchronen Antrieb beider Rührer nur vergleichsweise geringe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen gestellt werden müssen.
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Mischers rotieren mindestens ein exzentrischer Rührer (3) und mindestens ein zentrischer Rührer gegenläufig.
Bei gegenläufiger Rotation dürfen die Mischer nicht im Eingriff sein. Des weiteren bevorzugt weist der Mischer bei gegenläufig rotierenden Mischern vorzugsweise eine Gangzahl für den Wendel- oder Ankerrührer von 2 und die Gangzahl für den Schnecken- oder Blattrührer von 1 oder 2 auf.
Bei gegenläufig rotierenden Rühren kann zudem die Steigung beliebig gewählt werden, ebenso wie das Drehzahlverhältnis.
Ebenso kann ein Mischer mit gegenläufig rotierenden Rührern Versteifungen aufweisen. Diese sind dann sowohl auf dem Wendelaußendurchmesser als auch auf dem Wendelinnendurchmesser möglich.
Das Gehäuse muss nicht mit den erfindungsgemäßen Einbauten vollständig versehen sein. Es kann z.B. für bestimmte Prozesse (Entgasung) ein Gasraum über den Rührereinbauten freigehalten sein.
Die erfindungsgemäßen Mischer zeigten überraschenderweise, dass die Mischzeiten dieser Mischer gegenüber konventionellen, vergleichbaren Rührwerken (Wendelrührern) erheblich verkürzt sind, insbesondere dann, wenn der Schneckenrührer tief in den Wendelrührer eingreift, und die Rührer mit einem
Drehzahlverhältnis von Schneckenrührer zu Wendelrührer von 2:1 bis 4:1 laufen, und dass diese gute Mischwirkung auch über einen großen Viskositätsbereich hinweg erhalten bleibt.
Bei der Vakuumdestillation eines Gemischs aus Polymer und Lösemittel, bei der es zu einer starken Schaumbildung kommt, wenn man mit einem konventionellen Mischer arbeitet, wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Schaum gegenüber dem konventionellen Mischer durch den erfϊndungsgemäßen Mischer um ein Vielfaches besser zerstört bzw. wieder in das Mischgut eingezogen wird. Der erfindungsgemäße Mischer eignet sich also in besonderer Weise für Prozesse, bei denen eine störende Schaumbildung auftritt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die erfindungsgemäßen Mischer an der Innenwand des Gehäuses Heiz- oder Kühlelemente auf. Ansonsten kann das Gehäuse auch an sich mit den bekannten üblichen Kühl- oder Heizeinrichtungen versehen sein, z.B. mit einem von Wärmeträgern durchströmbaren Doppelmantel, elektrischen Heizwendeln etc.
Der erfindungsgemäße Mischer eignet sich für beliebige Mischaufgaben in der chemischen Prozesstechnik, selbstverständlich auch als Reaktor für gerührte Reaktionen.
Der Mischer kann neben dem oben hauptsächlich beschriebenen Betrieb mit vertikal angeordneten Wellen auch als Horizontalmischer, d.h. mit horizontal angeordneten Wellen, betrieben werden. Eine horizontale Anordnung der Wellen ist zum Beispiel für Prozesse mit Schüttgütern oder feuchten Schüttgütern sinnvoll. Daneben sind natürlich auch alle andere Neigungswinkel der Wellen gegenüber der Vertikalen zwischen 0 und 90° möglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen
Figur Ia die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers; das Gehäuse (1) ist geschnitten dargestellt.
Figur Ib die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers mit gegenüber Figur Ia vergrößerten Steigungen von Wendel- und Schneckenrührer, das Gehäuse ist wiederum geschnitten dargestellt. Figur Ic die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers mit gegenüber Figur Ia erhöhten Steigungen, bei dem Verstärkungsstäbe (5) am Außendurchmesser des Wendelrührers (2) angebracht sind. Das Gehäuse
(1) ist wiederum geschnitten dargestellt. Figur 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mischer mit der Gangzahl zwei für die Wendel (2) und der Gangzahl zwei für die Schnecke (3). Die Figur zeigt auch die Eingriffstiefe (e) und die Wendelbreite (b), aus denen sich der prozentuale Eingriff E errechnet.
Figur 3 einen Schnitt durch einen anderen erfindungsgemäßen Mischer, bei dem die Gangzahl des Wendelrührers (2) zwei und die Gangzahl des
Schneckenrührers (3) eins beträgt. Figur 4 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mischer, bei dem Wendel
(2) und Schnecke (3) sich nicht im Eingriff befinden.
Figur 5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mischer, bei dem zur Verbesserung der mechanischen Stabilität Verstärkungsstäbe (5) parallel zur Welle auf dem Außendurchmesser des Wendelrührers (2) angebracht sind.
Beispiele
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, ohne dabei limitierend zu wirken.
Beispiel 1
Figuren Ia, Ib und Ic zeigen erfindungsgemäße Mischer in der Seitenansicht in unterschiedlichen Ausführungsformen.
Wiedergegeben ist das zylindrische Gehäuse (1), der zentrische Wendelrührer (2) und der exzentrische Schneckenrührer (3). Die Figuren Ia, Ib und Ic zeigen beispielhaft die Ausführungsform mit einem Querbalken (4) am Ende der zentrischen Welle, auf dem die Wendeln befestigt sind. Figur Ic zeigt zusätzlich noch die parallel zur Welle angebrachten Verstärkungsstäbe (5).
Da der Wendel- und der Schneckenrührer sich im Eingriff befinden, müssen sowohl der Drehsinn als auch der Steigungssinn beider Rührer identisch sein. Es ist auch ein synchronisierender Antrieb für beide Rührer erforderlich, der sicherstellt, dass sich die beiden Rührer mit einem festen Drehzahlverhältnis bewegen und die Rührblätter nicht miteinander in Kontakt kommen.
Beispiel 2
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Mischer. Die Gangzahl des Wendelrührers (2) und des Schneckenrührers (3) beträgt zwei. Der
Mischer kann mit einem Drehzahlverhältnis von Schneckenrührer zu Wendelrührer von 3:1 oder 2:1 betrieben werden. Für eine genaue Abstimmung der Steigungen zum Zweck großer und sicherer vertikaler Abstände im Eingriff zwischen den beiden
Rührern verwendet man Beziehung (I). Im Beispiel 2 beträgt der Außendurchmesser der Wendel 95% des Behälterinnendurchmessers und der Außendurchmesser der
Schnecke 37% des Behälterinnendurchmessers. Der Abstand zwischen den Achsen des zentrischen und des exzentrischen Rührers beträgt 28% des Behälterinnendurchmessers. Nach Beziehung (I) muss das Verhältnis der Steigungen von Wendel und Schnecke folgende Werte annehmen:
Bei einem Drehzahlverhältnis von 3:1: Si/S2=3*0,37/0,95=l,17 Bei einem Drehzahlverhältnis von 2: 1 : Si/S2=2*0,37/0,95=0,78
Wenn zum Beispiel für den zentrischen Wendelrührer der Wert Si=I für die Steigung vorgegeben ist, was einem Steigungswinkel von 45° entspricht, so wählt man für den exzentrischen Schneckenrührer die Steigung S2=0,85 (entsprechend einem Steigungswinkel von 40,6°) bei einem Drehzahlverhältnis von 3:1 und die
Steigung S2= 1,28 (entsprechend einem Steigungswinkel von 52,1°) bei einem Drehzahlverhältnis von 2:1.
Beispiel 3
Figur 4 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Mischers, bei der der zentrische Wendelrührer (2) und der exzentrische Schneckenrührer (3) sich nicht im gegenseitigen Eingriff befinden. Nun kann sowohl der Drehsinn als auch der Steigungssinn beider Rührer unabhängig voneinander gewählt werden. Außerdem ist hier kein synchronisierendes Getriebe mit festem Drehzahlverhältnis erforderlich. Es ist nun möglich, die Förderrichtung beider Rührer unabhängig voneinander so einzustellen, dass entweder beide Rührer axial dieselbe oder unterschiedliche Förderrichtungen aufweisen.
Beispiel 4
Figur 5 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Mischers, bei der der zentrische Wendelrührer (2) und der exzentrische Schneckenrührer (3) sich im gegenseitigen Eingriff befinden und synchronisiert angetrieben werden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität sind (in diesem Beispiel) vier Versteifungsstäbe (4) parallel zu den Wellen am Außendurchmesser des Wendelrührers angebracht. Hierdurch wird die gesamte Konstruktion des Wendelrührers gegen elastische und plastische Verformungen sehr effizient versteift, ohne dass der zur Verkürzung der Mischzeiten wichtige Eingriff zwischen dem Wendel- und dem Schneckenrührer behindert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mindestens umfassend Gehäuse (1), mindestens zwei rotierenden
Rührer (2) und (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Rührer (2) ein zentrisch im Gehäuse (1) angeordneter Wendel- oder Ankerrührer ist, und mindestens einer der anderen Rührer (3) ein exzentrisch angeordneter Schnecken- oder Blattrührer ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein exzentrischer Rührer (3) und mindestens ein zentrischer Rührer (2) gleichläufig oder gegenläufig rotieren.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der exzentrische Schneckenrührer sich im Eingriff mit dem zentrischen
Wendelrührer befindet.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff E 30-99%, bevorzugt 80 - 95% beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gangzahl für den Wendel- oder Ankerrührer zwei und die Gangzahl für den Schnecken- oder Blattrührer eins oder zwei beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungen, die Drehzahlen und die Außendurchmesser der Rührer die folgende mathematische Beziehung (I) erfüllen:
Sx K2D2
(I)
S2 H HxxJDJxx in der ni bzw. n2 die Drehzahlen, D1 bzw. D2 die Außendurchmesser und Si bzw. S2 die Steigungen des zentrischem bzw. exzentrischen Rührers bedeuten.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steigung S des Wendelrührers zwischen 0,05 und unendlich liegt.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahlverhältnis von Schnecken- zu Wendelrührer im Bereich zwischen 5:1 und 1:1 liegt.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Abstandsverteilung xu « x0 bei Förderrichtung des Wendelrührers in Behälterwandnähe nach unten und X0 « xu bei Förderrichtung der Wendel nach oben gewählt wird.
10. Verwendung einer Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10 zur Herstellung oder Verarbeitung von Polymeren.
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