WO2011116840A1 - Misch- oder dispergierelement und verfahren zum statischen mischen oder dispergieren - Google Patents

Misch- oder dispergierelement und verfahren zum statischen mischen oder dispergieren Download PDF

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WO2011116840A1
WO2011116840A1 PCT/EP2010/065146 EP2010065146W WO2011116840A1 WO 2011116840 A1 WO2011116840 A1 WO 2011116840A1 EP 2010065146 W EP2010065146 W EP 2010065146W WO 2011116840 A1 WO2011116840 A1 WO 2011116840A1
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static
insert
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PCT/EP2010/065146
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Sebastian Hirschberg
Marcel Suhner
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Sulzer Chemtech Ag
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    • B01F35/90—Heating or cooling systems

Definitions

  • the invention relates to a static mixing or dispersing element, and to a method for mixing and / or dispersing liquids, in which the invention relates to a mixing or dispersing element and method for static mixing or dispersion.
  • Static mixers with static mixing elements which are designed in accordance with DE 22 05 371 or according to CH 642 564, are known to be very well suited for this purpose
  • Static mixers consist of oriented coarse structured mixed structures, such as webs, channels and plates, which, as they flow through the liquids, suspensions and gases, form a mixing and mixing system
  • Cross-sectional area is a maximum of 20.
  • the cross-sectional area becomes normal to the longitudinal axis of the static mixer, ie normal to
  • Mixer cross-section extending mixing action is characterized.
  • foam structures The major disadvantage of the foam structures, however, is that the non-directional structures cause a very poor cross-transport and so large-scale concentration, and temperature differences can be reduced only insufficiently and slowly. If throughout the cross-section homogeneous mixtures, dispersions, emulsions and
  • the object of the invention is to achieve a mixture, dispersion or reaction of liquids, suspensions, gases or liquids and gases with the lowest possible energy input and the shortest possible installation length.
  • the object of the invention is achieved by a mixing or dispersing element which comprises a channel in which an insert element comprising a foam structure is arranged.
  • a static mixing element for macro mixing or predispersion or for
  • Macrodispersion is additionally mounted in the channel, which is preferably located at least partially upstream of the insert element.
  • ⁇ By macro-mixing, in this application is meant a large-scale, taking place in a large part of the cross-sectional area of the mixing or dispersing mixture.
  • Dispersion is used when at least one immiscible second fluid is distributed in a first fluid.
  • the first fluid forms a first phase
  • the second fluid forms a second phase.
  • disassembly Under predispersion, disassembly is not
  • miscible second phase understood in relatively large drops of typically greater than 1 mm, which are distributed over the entire cross-sectional area of the mixing or dispersing element.
  • Macrodispersion is understood to mean the uniform distribution of existing drops over the entire cross-sectional area of the mixing or dispersing element.
  • the static mixing element is designed as a first static mixing element and at least one second static static
  • At least one second insert element may be disposed downstream of the second static mixing element to provide even better
  • At least one of the static mixing elements may include an insert element.
  • a distance may be formed between the insert element or at least one of the first or second insert elements and the static mixing element.
  • the insert element may contain a foam structure which is open-pore.
  • a foam structure which is characterized as open-pored is to be understood below to mean a foam structure in which the individual pores are not separated from one another by walls.
  • the pore can be considered a hole or cavity.
  • the walls between the pores are almost completely removed.
  • the openings in the walls are so large that only one web of the wall remains, which forms the boundary of adjacent pores.
  • a plurality of webs may be provided.
  • the foam structure may be a metal, a metal alloy, in particular an aluminum alloy, a ceramic, glass, carbon and / or a
  • Plastic include.
  • This foam structure has the advantage that it has a very large inner surface that can be used for breaking up and crushing the phase boundary.
  • the foam structure may have a pore size up to and including 100 PPI.
  • PPI is a common measure for characterizing the pore size of a foam structure. It is the acronym for "Pores per Inch”.
  • the pore size ranges from 10 to 100 PPI inclusive.
  • the free volume fractions of the foam structure which can be used for the dispersing element are from 40 to 97%, preferably from 50% to 95%.
  • a foam structure can be produced by various methods. For example, in a first method step a
  • open-pored polyurethane foam can be used as a template.
  • An essential advantage of using a polyurethane foam is that a wide variety of shapes and pore sizes can be produced industrially. From the polyurethane foam can be produced in a second process step, a mold for light metal casting with lost shape. This mold contains the desired
  • Polyurethane foams are precursor based, are used in the industry for the production of foam structures.
  • various other processes for producing open-pored foam structures are under development or already in use.
  • a foam structure can also be produced computer-assisted by means of rapid manufacturing techniques of different materials, in particular those mentioned above. Rapid manufacturing is understood to mean a process in which a spatial geometry takes place by layered construction, wherein the layers are preferably produced by melting powders.
  • Dispersing the required power and energy input compared to conventional static mixers can be reduced by up to 80%.
  • compact means that the length of the mixing or
  • the foam structure contained preferably has a length L and a diameter D, wherein the ratio L / D is less than 5, preferably less than 3, more preferably less than 2.
  • the mixing or dispersing element is particularly suitable for the production of mixtures, emulsions, dispersions or foams.
  • dispersion refers to systems in which drops and / or bubbles are greater than about 50-100 microns.
  • emulsion is used for systems with smaller drops and / or bubbles.
  • Each of the insert elements may have a foam structure with a
  • the foam structure preferably comprises a metal, a metal alloy, ceramic, glass, carbon and / or a plastic.
  • Embodiments may also include a temperature control.
  • the channel may be equipped with a temperature control or be surrounded by a temperature control.
  • At least a part of the mixing or dispersing element can be used as
  • Catalyst surface in particular as a hydrolysis catalyst surface be formed.
  • the mixing or dispersing element can either be used for processing already premixed or predispersed fluid systems, or the liquid or gas phase to be mixed or dispersed is added during processing. If that is to be mixed or dispersing fluid is metered, at least one metering element can open into the channel in which the mixing or dispersing element is arranged. The metering element serves to introduce a fluid into the first liquid flowing in the channel.
  • the fluid may be a gas or a second
  • the fluid and the first fluid flow in cocurrent through the channel.
  • Dispergierelements arranged. It is also possible to install a metering element in the dispersing elements. For uniform distribution of the phase to be dispersed, it is also possible for a plurality of metering elements to open into the channel or to be installed in the dispersing element.
  • the metering element can be designed as a tube with metering openings.
  • the metering opening may be formed, for example, as a nozzle.
  • a curvature can be provided in the area of the metering opening so that the phase to be dispersed can be distributed optimally in the dispersing element.
  • the feed line can feed a plurality of metering elements, so that the number of feed points arranged in the channel for the phase to be dispersed is increased.
  • the process for producing a mixture or dispersion according to the invention comprises the following steps: in a first step
  • the mixing or dispersing element containing a micromixing or dispersing insert element having a Foam structure which is arranged in the channel, and additionally a static mixing element for
  • Macro mixing or predispersing or macrodispersion is arranged in the channel and wherein the first fluid and the second fluid in the DC flow through the mixing or dispersing element and through the Feed element are passed, whereby the second fluid and the first fluid is mixed or dispersed.
  • the first fluid may be a first fluid or a first gas and the second fluid may be a second fluid or a second gas.
  • the process for producing a mixture or dispersion is described e.g. used in the preparation of dispersions or emulsions in food, household products or cosmetics. Also in the production of large surfaces for reactions, the dissolution of a gas in one
  • Liquid such as ozone water treatment, requires dispersion.
  • the method is also particularly suitable for mixing liquids with large viscosity differences and / or very different volume flow ratios or for mixing liquids with poor wetting. Gases can be cleaned efficiently by adding washing liquids and with very low pressure loss. Liquids can also by means of a spray nozzle in one
  • Fig. 1 is a schematic view of an insert element with a
  • FIG. 2 shows a mixing or dispersing element with an insert element according to FIG. 1 according to a first exemplary embodiment
  • second embodiment 5 shows a section through a mixing or dispersing element according to a third embodiment
  • FIG. 6 shows a section through a mixing or dispersing element according to a
  • FIG. 7 shows a section through a mixing or dispersing element according to a fourth embodiment.
  • the mixing or dispersing element 1 according to FIG. 1 comprises a channel 2, in which an insert element 3, which contains a foam structure, is arranged.
  • the channel is shown partially cut in Fig. 1, so that the insert element is visible.
  • the insert element according to FIG. 1 consists entirely of the foam structure.
  • the foam structure may be surrounded by a jacket member to facilitate installation in the channel 2.
  • the channel 2 according to FIG. 1 is shown as a tube with a circular cross-section.
  • the channel can be any other
  • a mixing or dispersing element 10 is shown.
  • the mixing or dispersing element also comprises a channel 2, in which a first and a second insert element 3, 4 are arranged. Between the first and second insert element 3, 4, a first static mixing element 5 is provided, which is designed according to CH 642 564. Furthermore, a second static mixing element 6 is shown, whose internals correspond substantially to DE 22 05 371.
  • the first static mixing element 5 is provided between the first and second insert element 3, 4 arranged.
  • the second static mixing element 6 is arranged at a distance from the second insert element 4.
  • Zeichnerisch not shown is a metering element to introduce a fluid in the flowing through the channel 2 liquid. Such a thing
  • FIG. 3 shows an example of a foam structure which is open-pore.
  • the detail shown in FIG. 3 can be integrated into one of the foam structures according to FIG. 1 or FIG. 2, for example.
  • the pore is a hole or cavity which in Fig. 3 by the corner points 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 limited.
  • the individual pores are not separated by walls.
  • Adjacent pores can be traversed by the openings of a fluid.
  • Opening 21 is bounded by webs 22, 23, 24, 25, 26, which the
  • Micro-mixing is defined as one on one
  • Micro sphere limited mixing action By micro-mixing is thus meant a zonar limited mixing, which does not work over the entire cross-section of the mixing or dispersing. Under Maldistribution should be understood as a non-uniform mixing. If one were to cut through a cross-sectional area of the dispersing element, there would be zones of sufficient mixing with zones
  • the mixing is below an expected value, that is, it is a zone of poor mixing, for other parts of the cross-sectional area, the mixing corresponds to the expected value or exceeds the expected value, that is, there is a zone of sufficient mixing.
  • a large-scale mixing is not achievable with a foam structure alone, since foam structures are undirected.
  • Large-scale mixing is understood as meaning a mixing process in which fluid or gas is moved over greater distances perpendicular to the main flow direction and inhomogeneities in the distribution of the individual components in the fluid or gas in planes perpendicular to the main flow direction are compensated by the movements of the fluid or gas. Therefore, a combination of classical static mixing elements for
  • microdispersion the result of the microdispersion is understood, that is a
  • Dispersion or emulsion in which the dispersed phase is present with a maximum drop size of less than 2 mm, preferably less than 1 mm. Also by the combination of foam structures of different pore size can not be achieved large scale mixing sufficient.
  • ball packing which is also porous.
  • An essential difference of ball packages to the previously described foam structures is that ball packages typically have 25-40% free volume and thus a significantly lower volume to surface ratio and greater pressure drops exhibit.
  • the foam structures described have a free volume of from 40 up to and including 97%.
  • Embodiment of the invention which has a static mixing element 5 and an insert element 3.
  • a flow channel 2 is shown cut open along its longitudinal axis.
  • the static mixing element 5 includes a first arrangement 7 of web elements and a second
  • Each two adjacent web elements belong either to the first arrangement 7 or to the second arrangement 8.
  • Each of the first or second arrangements may comprise a plurality of web elements.
  • the web elements are an obstacle to the fluid flow, the web elements are flowed around by the fluid, which leads to a deflection and or vortex formation of the fluid flow. Through this deflection and or vortex formation of the flow is mixed.
  • the web elements may be designed according to CH 642 564 or EP 0 526 392 A1.
  • the insert element 3 Downstream of the static mixing element, the insert element 3 is arranged, which is constructed according to one of FIGS. 1 to 3.
  • Fig. 5 shows a mixing or dispersing element 40 after a third
  • Embodiment of the invention which has a static mixing element 5 and an insert element 3.
  • the insert element 3 is arranged downstream of the static mixing element 5. Downstream of the
  • the static mixing element 6 may have the same structure as the static mixing element 5, which may be configured in particular as in FIG. 4.
  • the static mixing element 6 and / or the static Mixing element 5 also have a different construction, for example, as shown in Fig. 2 for the static mixing element 6 shown there.
  • Fig. 6 shows a mixing or dispersing element 50 according to a fourth
  • Embodiment of the invention which is a first static
  • Mixing element 35 is arranged and downstream of this third static mixing element, a third insert element 33 is arranged.
  • the at least one of the static mixing elements at an angle relative to one of the other static mixing elements.
  • the position of a first static mixing element may be rotated 90 ° about the longitudinal axis of the channel relative to the second static mixing element.
  • Fig. 7 shows a mixing or dispersing element 60 according to a fifth
  • This dispersing element has the same arrangement of static mixing elements 5, 6, 35 and the same arrangement of insert elements 3, 4, 33 as FIG. 6, but that has
  • Insertion element 33 from the static mixing element 35 a distance. Such a distance may be advantageous in order to provide a longer mixing distance downstream of the static mixing element, so that the individual fluid strands mix through the deflection of the Fluid flow along the surfaces of the first and second assemblies 7, 8 of the web elements are formed.
  • the distance may also be provided at any other location of the mixing or dispersing element 60. It is also possible,
  • Fig. 8 shows a mixing or dispersing element 70 according to a sixth embodiment of the invention.
  • This mixing or dispersing element 70 contains four series-arranged static mixing elements 5, 6, 35 and 36.
  • One of the static mixing elements, here the static mixing element 36 is installed in an insert element 34.
  • the static mixing element 36 and the insert element 34 are thus simultaneously flowed through by the fluid mixture.
  • the mode of action of the static mixing element can be combined with the mode of action of the insert element, that is, at the same time a large-scale rearrangement of the flow through the
  • Fig. 8 shows a channel 9, in which a temperature control 27 can flow.
  • the channel 9 surrounds the channel 2, through which the
  • the channel 9 may be formed in particular annular. That is, the channel surrounds the outer surface of the
  • Housing element 29 as a further housing element 31st The
  • Housing element 29 and the housing member 31 are preferably formed here as a tube.
  • a plurality of channels may be arranged on the outer circumferential surface of the channel 2 delimiting the housing member 29, an embodiment which is not shown in the drawing.
  • the temperature control 27 flows in accordance with FIG. 8 in countercurrent to
  • Fluid mixture 28 alternatively, a guide in DC or cross flow is possible.
  • Inserts with open-pore foam structures to very short and energy-efficient devices for mixing, for the dispersion and emulsification as well as for the heat exchange lead. These can be significantly shorter depending on the task and also have a much smaller pressure loss than static mixing elements alone or
  • Insert elements consisting only of open foam structures. The first part of the dispersing element according to one of the preceding
  • the static mixing element or a plurality of static mixing elements causes a gross-scale first mixing or dispersion of a fluid or gas flow metered component for forming the fluid mixture.
  • Insert element of the mixing or dispersing 1, 10, 30, 40, 50, 60, 70 then preferably consists of an open-celled fine-cell foam.
  • the premixed or predispersed mixture of the fluid mixture is intensively mixed or dispersed in the micro range over a short distance.
  • the foam structures used preferably have a free volume fraction of greater than 70, 80, 90%.
  • another static mixing element or a plurality of static mixing elements may be helpful to distribute the formed fine bubbles or drops homogeneously over the entire channel cross-section.
  • another static mixing element or a plurality of static mixing elements may be helpful to distribute the formed fine bubbles or drops homogeneously over the entire channel cross-section.
  • a heat exchanger consist of a tube with a double jacket, in which circulates the heat transfer fluid.
  • the mixing elements can also consist of tubes, which are flowed through by the heat transfer medium.
  • a mixing or dispersing element can be used for a gas / liquid reaction, which proceeds in at least two phases. Phase is here the aggregate state of the individual components to understand.
  • a component can
  • another component may be present in the liquid state, that is, as a liquid phase.
  • the pore size of the foam structure is preferably less than 1/5, in particular less than 1/10, particularly preferably less than 1/20 of the distance between two adjacent web elements, plate spacings or channel spacings.
  • the web elements, plate elements or channels are respectively associated with the first arrangement 7 and the second arrangement 8 of the static mixing elements.
  • Segments of mixing elements and / or foam structures may also be voids. It is also possible to combine combinations of foam structures of different pore sizes as well as different mixing elements and differently scaled mixing elements.
  • Foam structures and mixing elements can be made of different ones
  • mixing or dispersing elements described are suitable for mixing, for the preparation of emulsions, dispersions, foams and for
  • Foam structures can be made by conventional methods as well as by rapid manufacturing. The described mixing or
  • Dispersing elements can also be produced very inexpensively.
  • the static mixing elements can additionally serve as support and attachment structures for the foam structures. This is especially interesting for diameters larger than 10 cm, since there the foam structures in relation to the pipe diameter can be relatively thin and should be supported accordingly.
  • the attachment is preferably carried out easiest via a support element.

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Abstract

Ein Misch- oder Dispergierelement (1, 10, 30, 40, 50, 60, 70), umfasst einen Kanal (2), in welchem ein Einsatzelement (3, 4, 33, 34), welches eine Schaumstruktur enthält, angeordnet ist. Ein statisches Mischelement (5, 6, 35, 36) zur Makrovermischung oder Vordispergierung oder Makrodispergierung ist in dem Kanal (2) zusätzlich zum Einsatzelement (3, 4, 33, 34) zur Mikrovermischung oder Dispergierung angeordnet. Des weiteren wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Dispersion mit einem derartigen Misch- oder Dispergierelement beschrieben.

Description

Misch- oder Dispergierelement und Verfahren zum statischen Mischen oder Dispergieren Die Erfindung betrifft ein statisches Misch- oder Dispergierelement sowie ein Verfahren zum Mischen und/oder Dispergieren von Flüssigkeiten,
Suspensionen, Gasen oder Flüssigkeiten und Gasen.
In verschiedensten Anwendungen müssen Flüssigkeiten und/oder Gase gemischt und/oder dispergiert werden. Statische Mischer mit statischen Mischelementen, die gemäss DE 22 05 371 oder gemäss CH 642 564 ausgestaltet sind, eignen sich bekannter Weise sehr gut für diesen
Verfahrensschritt.
Statische Mischer bestehen aus orientiert angeordneten grobstrukturierten Mischstrukturen, wie Stegen, Kanälen und Platten, die beim Durchströmen der Flüssigkeiten, Suspensionen und Gase eine Misch- und
Dispergierwirkung durch Wirbel- und Schichtenbildung erzeugen. Als grobstrukturiert wird eine Mischstruktur dann bezeichnet, wenn die Anzahl Schnittflächen der Mischerstruktur mit einer beliebig gelegten
Querschnittsfläche maximal 20 beträgt. Die Querschnittsfläche wird normal zur Längsachse des statischen Mischers, also normal zur
Hauptströmungsrichtung gelegt.
Um mit statischen Mischern eine gute Misch- und/oder Dispergierwirkung, sowie speziell bei Reaktionen einen guten Stoffaustausch zu erreichen, ist, abhängig vom gewünschten Resultat, eine gewisse Anzahl Mischelemente, eine gewisse Verweilzeit und ein gewisser Schereintrag erforderlich. Dies resultiert dann in einer erforderlichen Baulänge und in einem erforderlichen Energieeintrag. Sowohl der Energieeintrag wie auch die Baulänge eines statischen Mischers sollen für eine gegebene Aufgabe naturgemäss möglichst gering gehalten werden. Der Energieeintrag und die Baulänge von reinen statischen Mischern hängen von deren Geometrie ab. In allen Fällen sind der Energieeintrag sowie die Baulänge relativ gross für die entsprechende
Mischaufgabe. Um die Baulänge und den Energieeintrag solcher statischen Mischer zu optimieren, ist auch vorgeschlagen worden, Mischer mit Mischelementen von verschiedenen Skalengrössen zu kombinieren, was beispielsweise in der WO2010066457 gezeigt ist. Hierdurch kann die Effizienz des Mischers zwar etwas verbessert werden, ist aber aufgrund der Notwendigkeit der Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Mischelemente sehr aufwändig, insbesondere wenn die Mischelemente eine kleinskalige Mischstruktur aufweisen.
Zum Mischen, Dispergieren und für den Wärmetausch sind auch offenporige, unstrukturierte, feinzellige Schaumstrukturen vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel in DE 103 27 986 A1 offenbart. Diese Strukturen zeichnen sich durch eine grosse Oberfläche pro Volumeneinheit aus. Bedingt durch die grosse Kontaktfläche ist der Misch-, Dispergier- und der Wärmeaustausch im
Mikrobereich sehr gut und effizient. Unter Mikrobereich wird ein Teil des Mischerquerschnitts verstanden, der durch eine örtlich auf den Mikrobereich begrenzte Mischwirkung gekennzeichnet ist. Der Mikrobereich ist in der Regel kleiner als 25% der Querschnittsfläche. Unter Makrobereich wird der gesamte Mischerquerschnitt verstanden, der durch eine sich auf den ganzen
Mischerquerschnitt erstreckende Mischwirkung gekennzeichnet ist.
Der grosse Nachteil der Schaumstrukturen liegt allerdings darin, dass die ungerichteten Strukturen einen sehr schlechten Quertransport bewirken und so grossräumige Konzentrations-, und Temperaturunterschiede nur ungenügend und langsam abgebaut werden können. Wenn über den ganzen Querschnitt homogene Mischungen, Dispersionen, Emulsionen und
Temperaturen erreicht werden sollen, so resultieren relativ lange voluminöse Einbauelemente, die auch einen relativ hohen Druckverlust generieren. Eine Kombination von Schaumstrukturen unterschiedlicher Porengrösse kann auch in diesem Fall eine Verbesserung der Effizienz bewirken, wobei die
Grundproblematik des mangelnden Queraustausches erhalten bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mischung, Dispergierung oder Reaktion von Flüssigkeiten, Suspensionen, Gasen oder Flüssigkeiten und Gasen mit möglichst geringem Energieeintrag und möglichst kurzer Einbaulänge zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Misch- oder Dispergierelement gelöst, welches einen Kanal umfasst, in welchem ein Einsatzelement umfassend eine Schaumstruktur angeordnet ist. Ein statisches Mischelement zur Makrovermischung oder zur Vordispergierung oder zur
Makrodispergierung ist zusätzlich in dem Kanal angebracht, wobei dieses vorzugsweise zumindest teilweise stromaufwärts des Einsatzelements angeordnet ist.
Unter Makrovermischung, wird in dieser Anmeldung eine grossskalige, in einem Grossteil der Querschnittsfläche des Misch- oder Dispergierelements stattfindende Mischung verstanden. Von Dispergierung wird gesprochen, wenn in einem ersten Fluid zumindest ein nicht mischbares zweites Fluid verteilt wird. Das erste Fluid bildet eine erste Phase, das zweite Fluid eine zweite Phase. Unter Vordispergierung wird das Zerlegen der nicht
mischbaren zweiten Phase in relativ grosse Tropfen von typischerweise grösser als 1 mm verstanden, die über die gesamte Querschnittsfläche des Misch- oder Dispergierelements verteilt sind. Unter Makrodispergierung wird das gleichmässige Verteilen von bestehenden Tropfen über die gesamte Querschnittsfläche des Misch- oder Dispergierelements verstanden.
Vorzugsweise ist das statische Mischelement als ein erstes statisches Mischelement ausgebildet und zumindest ein zweites statisches
Mischelement ist stromabwärts des Einsatzelements angeordnet. Mindestens ein zweites Einsatzelement kann stromabwärts des zweiten statischen Mischelements angeordnet sein, um eine noch bessere
Dispergierung zu erreichen.
Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel kann zumindest eines der statischen Mischelemente ein Einsatzelement enthalten.
Zwischen dem Einsatzelement oder zumindest einem der ersten oder zweiten Einsatzelemente und dem statischen Mischelement kann ein Abstand ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Einsatzelement eine Schaumstruktur enthalten, die offenporig ist. Unter einer Schaumstruktur, die als offenporig charakterisiert ist, soll nachfolgend eine Schaumstruktur verstanden werden, bei denen die einzelnen Poren nicht durch Wände voneinander getrennt sind. Die Pore kann als Loch oder Hohlraum angesehen werden. Es existieren grosse Öffnungen zwischen angrenzenden Poren, durch die ein Fluid strömen kann. Für eine offenporige Schaumstruktur sind die Wände zwischen den Poren praktisch vollständig entfernt. Die Öffnungen in den Wänden sind so gross, dass von der Wand nur noch ein Steg bestehen bleibt, der die Randbegrenzung benachbarter Poren bildet. Selbstverständlich kann eine Mehrzahl von Stegen vorgesehen sein. Die Schaumstruktur kann ein Metall, eine Metalllegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, eine Keramik, Glas, Kohlenstoff und/oder einen
Kunststoff umfassen. Diese Schaumstruktur hat den Vorteil, dass sie eine sehr grosse innere Oberfläche aufweist, die zum Aufbrechen und Zerkleinern der Phasengrenze genutzt werden kann. Die Schaumstruktur kann eine Porengrösse bis einschliesslich 100 PPI aufweisen. PPI ist ein übliches Mass zur Charakterisierung der Porengrösse einer Schaumstruktur. Es ist die Abkürzung für "Pores per Inch". Besonders bevorzugt liegt die Porengrösse in einem Bereich von 10 bis einschliesslich 100 PPI.
Die freien Volumenanteile der Schaumstruktur, die für das Dispergierelement zum Einsatz kommen kann, betragen von 40 bis zu 97%, vorzugsweise von 50% bis zu 95%.
Eine Schaumstruktur kann mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Verfahrensschritt ein
offenporiger Polyurethanschaum als Vorlage verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung eines Polyurethanschaums besteht darin, dass unterschiedlichste Formen und Porengrössen definiert industriell hergestellt werden können. Aus dem Polyurethanschaum kann in einem zweiten Verfahrensschritt eine Gussform für Leichtmetallguss mit verlorener Form hergestellt werden. Diese Gussform enthält die gewünschte
Schaumstruktur. Auch CVD Techniken oder andere Verfahren, die auf
Polyurethanschäumen als Vorläufer basieren, werden in der Industrie zur Erzeugung von Schaumstrukturen eingesetzt. Ausserdem sind verschiedene andere Verfahren zur Erzeugung von offenporigen Schaumstrukturen in der Entwicklung oder schon im Einsatz. Alternativ kann eine Schaumstruktur auch computergestützt mittels Rapid Manufacturing Techniken aus verschiedenen Materialien, insbesondere den oben genannten, hergestellt werden. Unter Rapid Manufacturing wird ein Prozess verstanden, bei dem eine räumliche Geometrie durch schichtweisen Aufbau erfolgt, wobei die Schichten bevorzugt durch Schmelzen von Pulvern erzeugt werden.
Erstaunlicherweise kann durch den Einsatz einer Schaumstruktur in
Kombination mit einem statischen Mischer zum Mischen und/ oder
Dispergieren der notwendige Leistungs- und Energieeintrag gegenüber konventionellen statischen Mischern um bis zu 80% reduziert werden.
Dadurch können kompakte Misch- oder Dispergierelemente gebaut werden.
Hierbei bedeutet kompakt, dass die Länge des Misch- oder
Dispergierelements im Vergleich zu der Länge eines reinen statischen Mischelements reduziert ist. Die Reduktion der Länge kann zwischen 10 und 60% liegen. Die enthaltene Schaum struktur weist vorzugsweise eine Länge L und einen Durchmesser D auf, wobei das Verhältnis L/D kleiner als 5, vorzugsweise kleiner als 3, besonders bevorzugt kleiner als 2 ist.
Überraschenderweise gelingt es mit einem Verhältnis L/D von kleiner als 5, in Kombination mit statischen Mischelementen Mischungen und Dispersionen von gleicher Qualität wie mit dem aus dem Stand der Technik vorbekannten statischen Mischelement herzustellen.
Das Misch- oder Dispergierelement eignet sich insbesondere zur Erzeugung von Mischungen, Emulsionen, Dispersionen oder Schäumen. In dieser Anmeldung steht der Begriff Dispersion für Systeme, in denen Tropfen und/oder Blasen grösser als etwa 50-100 Mikrometer sind. Der Begriff Emulsion wird für Systeme mit kleineren Tropfen und/oder Blasen verwendet.
Jedes der Einsatzelemente kann eine Schaumstruktur mit einer
unterschiedlichen Porengrösse enthalten. Die Schaumstruktur umfasst bevorzugt ein Metall, eine Metalllegierung, Keramik, Glas, Kohlenstoff und/oder einen Kunststoff.
Das Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele kann auch ein Temperiermittel enthalten.
Beispielsweise kann der Kanal mit einem Temperiermittel ausgestattet sein oder von einem Temperiermittel umgeben sein.
Zumindest ein Teil des Misch- oder Dispergierelements kann als
Katalysatoroberfläche, insbesondere als Hydrolysekatalysatoroberfläche, ausgebildet sein. Das Misch- oder Dispergierelement kann entweder zur Verarbeitung von schon vorgemischten oder vordispergierten Fluidsystemen eingesetzt werden oder die zu mischende oder zu dispergierende Flüssigkeits- oder Gasphase wird bei der Verarbeitung hinzu dosiert. Falls das zu mischende oder dispergierende Fluid zudosiert wird, kann zumindest ein Dosierelement in den Kanal münden, in welchem das Misch- oder Dispergierelement angeordnet ist. Das Dosierelement dient zum Eintrag eines Fluids in die im Kanal strömende erste Flüssigkeit. Das Fluid kann ein Gas oder eine zweite
Flüssigkeit sein. Insbesondere strömen das Fluid und die erste Flüssigkeit im Gleichstrom durch den Kanal.
Das Dosierelement ist vorteilhafterweise stromaufwärts des
Dispergierelements angeordnet. Es ist auch möglich, ein Dosierelement in die Dispergierelemente einzubauen. Zur gleichmässigen Verteilung der zu dispergierenden Phase kann auch eine Mehrzahl von Dosierelementen in den Kanal münden oder in der Dispergierelement eingebaut werden.
Das Dosierelement kann als ein Rohr mit Dosieröffnungen ausgestaltet sein. Die Dosieröffnung kann beispielsweise als eine Düse ausgebildet sein. Im Bereich der Dosieröffnung kann eine Krümmung vorgesehen sein, damit die zu dispergierende Phase sich optimal im Dispergierelement verteilen kann. Zur besseren Verteilung der zu dispergierenden Phase kann die Zuleitung eine Mehrzahl von Dosierelementen speisen, sodass die Anzahl der im Kanal angeordneten Einspeispunkte für die zu dispergierende Phase erhöht wird.
Das Verfahren zur Erzeugung einer Mischung oder Dispersion gemäss der Erfindung umfasst folgende Schritte: in einem ersten Schritt werden
gleichzeitig ein erstes Fluid und ein zweites Fluid in einen Kanal eingeleitet, wobei das erste Fluid mit dem zweiten Fluid in einem zweiten Schritt in einem Misch- oder Dispergierelement in Kontakt gebracht wird, wobei das Mischoder Dispergierelement ein Einsatzelement zur Mikrovermischung oder Dispergierung enthält, welches eine Schaumstruktur enthält, die in dem Kanal angeordnet ist, sowie zusätzlich ein statisches Mischelement zur
Makrovermischung oder zur Vordispergierung oder zur Makrodispergierung in dem Kanal angeordnet ist und wobei das erste Fluid und das zweite Fluid im Gleichstrom durch das Misch- oder Dispergierelement und durch das Einsatzelement geleitet werden, wodurch das zweite Fluid und das erste Fluid gemischt oder dispergiert wird.
Das erste Fluid kann eine erste Flüssigkeit oder ein erstes Gas sein und das zweite Fluid kann eine zweite Flüssigkeit oder ein zweites Gas sein. Das Verfahren zur Erzeugung einer Mischung oder Dispersion wird z.B. bei der Herstellung von Dispersionen oder Emulsionen bei Lebensmitteln, Haushaltprodukten oder Kosmetik angewendet. Auch bei der Erzeugung grosser Oberflächen für Reaktionen, dem Lösen eines Gases in einer
Flüssigkeit, wie beispielsweise der Wasserbehandlung durch Ozon, ist eine Dispergierung erforderlich. Das Verfahren eignet sich auch speziell zum Mischen von Flüssigkeiten mit grossen Viskositätsunterschieden und oder stark unterschiedlichen Volumenstromverhältnissen oder zum Mischen von Flüssigkeiten mit schlechter Benetzung. Gase können durch das Zugeben von Waschflüssigkeiten effizient und mit sehr geringem Druckverlust gereinigt werden. Flüssigkeiten können auch mittels einer Sprühdüse in einen
Gasstrom zudosiert und mit der Vorrichtung schnell und ganzheitlich verdampft werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Einsatzelements mit einer
Schaumstruktur
Fig. 2 ein Misch- oder Dispergierelement mit einem Einsatzelement gemäss Fig. 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel
Fig. 3 ein Detail einer offenporigen Schaumstruktur des Einsatzelements
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Misch- oder Dispergierelement nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel Fig. 5 einen Schnitt durch ein Misch - oder Dispergierelement nach einem dritten Ausführungsbeispiel
Fig. 6 einen Schnitt durch ein Misch - oder Dispergierelement nach einem
vierten Ausführungsbeispiel Fig. 7 einen Schnitt durch ein Misch - oder Dispergierelement nach einem
fünften Ausführungsbeispiel
Fig. 8 einen Schnitt durch ein Misch - oder Dispergierelement nach einem
sechsten Ausführungsbeispiel
Das Misch- oder Dispergierelement 1 gemäss Fig. 1 umfasst einen Kanal 2, in welchem ein Einsatzelement 3, welches eine Schaumstruktur enthält, angeordnet ist. Der Kanal ist in Fig. 1 teilweise geschnitten dargestellt, sodass das Einsatzelement sichtbar ist. Das Einsatzelement gemäss Fig. 1 besteht vollständig aus der Schaumstruktur. Gegebenenfalls kann die Schaumstruktur von einem Mantelelement umgeben sein, um den Einbau in den Kanal 2 zu erleichtern.
Der Kanal 2 gemäss Fig. 1 ist als Rohr mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt. Selbstverständlich kann der Kanal beliebige andere
Querschnittsformen aufweisen, insbesondere rechteckförmig ausgebildet sein. In Fig. 2 ist ein Misch- oder Dispergierelement 10 dargestellt. Das Misch- oder Dispergierelement umfasst ebenfalls einen Kanal 2, in welchem ein erstes und ein zweites Einsatzelement 3, 4 angeordnet sind. Zwischen dem ersten und zweiten Einsatzelement 3, 4 ist ein erstes statisches Mischelement 5 vorgesehen, welches gemäss der CH 642 564 ausgestaltet ist. Des weiteren ist ein zweites statisches Mischelement 6 gezeigt, dessen Einbauten im wesentlichen der DE 22 05 371 entsprechen. Das erste statische
Mischelement 5 ist unmittelbar angrenzend an das erste sowie das zweite Einsatzelement angeordnet. Das zweite statische Mischelement 6 ist in einem Abstand zum zweiten Einsatzelement 4 angeordnet.
Zeichnerisch nicht dargestellt ist ein Dosierelement, um ein Fluid in die durch den Kanal 2 strömende Flüssigkeit einzubringen. Ein derartiges
Dosierelement ist beispielsweise in der EP 1 956 206 A2 gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel ist nur ein exemplarische Darstellung einer möglichen Anordnung von Misch- oder Dispergierelementen und statischen Mischelementen zu einer Misch- oder Dispergiereinheit, die Erfindung ist in keiner Weise als auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt anzusehen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Schaumstruktur, die offenporig ist. Der in Fig. 3 dargestellte Ausschnitt kann beispielsweise in eine der Schaumstrukturen gemäss Fig. 1 oder Fig. 2 integriert sein. Die Pore ist ein Loch oder Hohlraum welche In Fig. 3 durch die Eckpunkte 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 begrenzt. Die einzelnen Poren sind nicht durch Wände voneinander getrennt. Beispielsweise ist die Fläche, welche von den Eckpunkten 1 1 , 12, 13, 14, 15 aufgespannt wird, als eine Öffnung 21 ausgebildet. Diese Öffnung 21 befindet sich zwischen der oben genannten Pore und der zeichnerisch nicht
dargestellten vor der Zeichenebene liegenden Pore. Angrenzende Poren können durch die Öffnungen von einem Fluid durchströmt werden. Die
Öffnung 21 wird durch Stege 22, 23, 24, 25, 26 begrenzt, welche die
Randbegrenzung benachbarter Poren bilden.
Die Praxis zeigt, dass beim Einsatz von Schaumstrukturen zur
Mikrovermischung und oder Dispersion im Gleichstrombetrieb kaum
eigentliche Maldistribution auftritt und die grosse innere Oberfläche der Schaumstruktur zu einer sehr effizienten Mikrovermischung und
Dispergierung führt. Mikrovermischung ist definiert als eine auf einen
Mikrobereich begrenzte Mischwirkung. Unter Mikrovermischung wird somit eine zonar begrenzte Vermischung verstanden, die nicht über den gesamten Querschnitt des Misch- oder Dispergierelements wirkt. Unter Maldistribution soll dabei eine ungleichmässige Durchmischung verstanden werden. Würde man einen Schnitt durch eine Querschnittsfläche des Dispergierelements legen, wären Zonen mit ausreichender Durchmischung mit Zonen
mangelhafter Durchmischung sichtbar. Das heisst für Teile der
Querschnittsfläche liegt die Durchmischung unterhalb eines Erwartungswerts, das heisst es handelt sich um eine Zone mangelhafter Durchmischung, für andere Teile der Querschnittsfläche entspricht die Durchmischung dem Erwartungswert oder übersteigt den Erwartungswert, das heisst es liegt eine Zone ausreichender Durchmischung vor. Eine grossskalige Vermischung ist mit einer Schaumstruktur allein nicht erreichbar, da Schaumstrukturen ungerichtet sind. Unter grossskaliger Vermischung versteht man dabei einen Mischprozess, bei dem Fluid oder dem Gas über grössere Distanzen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung bewegt und durch die Bewegungen des Fluids oder Gases Inhomogenitäten der Verteilung der einzelnen Komponenten im Fluid oder im Gas in Ebenen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgeglichen werden. Deswegen ist eine Kombination von klassischen statischen Mischelementen zur
grossskaligen Vermischung und Vordispergierung und Schaumstrukturen zur Mikrovermischung und Feindispergierung vorteilhaft. Unter Feindispergierung wird das Resultat der Mikrodispergierung verstanden, das heisst eine
Dispersion oder Emulsion, in welcher die dispergierte Phase mit einer maximalen Tropfengrösse von kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner 1 mm vorliegt. Auch durch die Kombination von Schaumstrukturen unterschiedlicher Porengrösse kann keine ausreichende grossskalige Vermischung erreicht werden.
Es ist auch möglich, eine Kugelpackung einzusetzen, welche ebenfalls offenporig ist. Ein wesentlicher Unterschied von Kugelpackungen zu den vorhin beschriebenen Schaumstrukturen, liegt darin, dass Kugelpackungen typischerweise 25-40% freies Volumen und somit ein deutlich schlechteres Verhältnis von Volumen zu Oberfläche sowie grössere Druckverluste aufweisen. Die beschriebenen Schaumstrukturen haben ein freies Volumen von 40 bis zu einschliesslich 97%.
Fig. 4 zeigt ein Misch- oder Dispergierelement 30 nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein statisches Mischelement 5 sowie ein Einsatzelement 3 aufweist. Ein Strömungskanal 2 ist hierzu entlang seiner Längsachse aufgeschnitten dargestellt. Das statische Mischelement 5 enthält eine erste Anordnung 7 von Stegelementen und eine zweite
Anordnung 8 von Stegelementen. Je zwei benachbarte Stegelemente gehören entweder der ersten Anordnung 7 an oder der zweiten Anordnung 8 an. Jede der ersten oder zweiten Anordnungen kann eine Mehrzahl von Stegelementen enthalten, Die Stegelemente stellen ein Hindernis für die Fluidströmung dar, die Stegelemente werden von dem Fluid umströmt, wodurch es zu einer Umlenkung und oder Wirbelbildung der Fluidströmung kommt. Durch diese Umlenkung und oder Wirbelbildung der Strömung erfolgt eine Durchmischung. Insbesondere können die Stegelemente gemäss der CH 642 564 oder der EP 0 526 392 A1 ausgebildet sein. Die
Durchströmungsrichtung kann je nach Anwendung zuerst durch das
Mischelement und dann durch die Schaumstruktur oder aber umgekehrt erfolgen. Stromabwärts des statischen Mischelements ist das Einsatzelement 3 angeordnet, welches gemäss einer der Fig. 1 bis 3 aufgebaut ist.
Fig. 5 zeigt ein Misch- oder Dispergierelement 40 nach einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einstatisches Mischelement 5 sowie ein Einsatzelement 3 aufweist. Das Einsatzelement 3 ist stromabwärts des statischen Mischelements 5 angeordnet. Stromabwärts des
Einsatzelements 3 ist ein weiteres statisches Mischelement 6 angeordnet. Das statische Mischelement 6 kann den gleichen Aufbau wie das statische Mischelement 5 haben, der insbesondere wie in Fig. 4 ausgestaltet sein kann. Alternativ dazu kann das statische Mischelement 6 und/oder das statische Mischelement 5 auch eine andere Bauweise haben, beispielsweise wie in Fig. 2 für das dort gezeigte statische Mischelement 6 gezeigt ist.
Fig. 6 zeigt ein Misch- oder Dispergierelement 50 nach einem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein erstes statisches
Mischelement 5 sowie ein erstes Einsatzelement 3 aufweist, welches stromabwärts des ersten statischen Mischelements 5 angeordnet ist. Im Anschluss an das erste Einsatzelement 3, also stromabwärts desselben, ist ein zweites statisches Mischelement 6 angeordnet. Stromabwärts des statischen Mischelements 6 ist ein zweites Einsatzelement 4 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Einsatzelements 4 ist ein drittes statisches
Mischelement 35 angeordnet und stromabwärts dieses dritten statischen Mischelements ist ein drittes Einsatzelement 33 angeordnet.
Selbstverständlich ist es möglich, weitere statische Mischelemente und/oder Einsatzelemente in jeweils alternierender Folge anzuordnen. Es ist auch möglich, eine Gruppe von mindestens 2 Einsatzelementen zu bilden, welche im Anschluss an einen oder einer Gruppe von mindestens 2 statischen Mischelementen angeordnet ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die zumindest eines der statischen Mischelemente in einem Winkel relativ zu einem der anderen statischen Mischelemente anzuordnen. Insbesondere kann die Position eines ersten statischen Mischelements um 90° um die Längsachse des Kanals verdreht relativ zum zweiten statischen Mischelement sein.
Fig. 7 zeigt ein Misch- oder Dispergierelement 60 nach einem fünften
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Dispergierelement weist dieselbe Anordnung an statischen Mischelementen 5, 6, 35 und dieselbe Anordnung an Einsatzelementen 3, 4, 33 auf wie Fig. 6, allerdings hat das
Einsatzelement 33 vom statischen Mischelement 35 einen Abstand. Ein derartiger Abstand kann vorteilhaft sein, um eine längere Mischstrecke stromabwärts des statischen Mischelements bereitzustellen, sodass sich die einzelnen Fluidstränge durchmischen, die durch die Umlenkung der Fluidströmung entlang der Oberflächen der ersten und zweiten Anordnungen 7, 8 der Stegelemente gebildet werden.
Selbstverständlich kann der Abstand auch an jeder anderen Stelle des Mischoder Dispergierelements 60 vorgesehen sein. Es ist auch möglich,
entsprechende Abstände in den Misch- oder Dispergierelementen 1 , 10, 30, 50 der vorhergehenden Ausführungsbeispiele bzw. dem Dispergierelement 70 des nachfolgenden Ausführungsbeispiels vorzusehen.
Fig. 8 zeigt ein Misch- oder Dispergierelement 70 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Misch- oder Dispergierelement 70 enthält vier in Serie angeordnete statische Mischelemente 5, 6, 35 und 36. Eines der statischen Mischelemente, hier das statische Mischelement 36 ist in ein Einsatzelement 34 eingebaut. Das statische Mischelement 36 und das Einsatzelement 34 werden somit gleichzeitig vom Fluidgemisch durchströmt. Hierdurch kann die Wirkungsweise des statischen Mischelements mit der Wirkungsweise des Einsatzelements kombiniert werden, das heisst es tritt gleichzeitig eine grossskalige Umlagerung der Strömung durch die
Anordnungen der Stegelemente des statischen Mischelements und eine Mikrovermischung respektive Dispergierung durch das Einsatzelement 34 auf.
Zusätzlich zeigt Fig. 8 einen Kanal 9, in welchem ein Temperiermittel 27 strömen kann. Der Kanal 9 umgibt den Kanal 2, durch welchen das
Fluidgemisch strömt. Der Kanal 9 kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein. Das heisst, der Kanal umgibt die äussere Mantelfläche des
Gehäuseelements 29 als ein weiteres Gehäuseelement 31 . Das
Gehäuseelement 29 und das Gehäuseelement 31 sind hierbei vorzugsweise als Rohr ausgebildet. Alternativ dazu können eine Mehrzahl von Kanälen auf der äusseren Mantelfläche des den Kanal 2 begrenzenden Gehäuseelements 29 angeordnet sein, ein Ausführungsbeispiel, welches zeichnerisch nicht dargestellt ist. Das Temperiermittel 27 strömt gemäss Fig. 8 im Gegenstrom zum
Fluidgemisch 28, alternativ ist auch eine Führung im Gleichstrom oder Kreuzstrom möglich.
Es hat sich gezeigt, dass eine Kombination von Mischelementen mit
Einsatzelementen mit offenporigen Schaumstrukturen zu sehr kurzen und energieeffizienten Vorrichtungen zum Mischen, für das Dispergieren und Emulgieren sowie auch für den Wärmeaustausch führen. Diese können je nach Aufgabenstellung deutlich kürzer sein und auch einen deutlich kleineren Druckverlust aufweisen als statische Mischelemente allein oder
Einsatzelemente, die nur aus offenen Schaumstrukturen bestehen. Der erste Teil des Dispergierelements nach einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele wird dabei bevorzugt durch über den ganzen
Querschnitt mischende statische Mischelemente gestaltet. Das statische Mischelement oder eine Mehrzahl an statischen Mischelementen bewirkt eine grossskalige erste Vermischung oder Dispergierung der einem Fluid- oder Gasstrom zudosierten Komponente zur Ausbildung des Fluidgemischs.
Bevorzugt werden 1 bis 5 statische Mischelemente verwendet. Das
Einsatzelement des Misch- oder Dispergierelements 1 , 10, 30, 40, 50, 60, 70 besteht dann bevorzugt aus einem offenporigen feinzelligen Schaum. In diesem wird die vorgemischte respektive die vordispergierte Mischung des Fluidgemischs auf kurzer Strecke intensiv im Mikrobereich weitergemischt oder dispergiert. Die verwendeten Schaumstrukturen haben vorzugsweise einen freien Volumenanteil von grösser 70, 80, 90%.
Speziell für die Anwendung des Misch- oder Dispergierelements zum
Dispergieren kann ein weiteres statisches Mischelement oder eine Mehrzahl von statischen Mischelementen hilfreich sein, um die gebildeten feinen Blasen oder Tropfen homogen über den ganzen Kanalquerschnitt zu verteilen. Je nach Anwendung, zum Beispiel beim Wärmetausch oder bei der
Durchführung von chemischen Reaktionen sind auch mehrere Abfolgen von statischen Mischelementen und Schaumstrukturen sinnvoll. So kann zum Beispiel ein Wärmetauscher aus einem Rohr mit einem Doppelmantel bestehen, in welchem die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert. Die
Wärmeenergie wird dann über die Rohrwand zu- oder abgeführt. In den Bereichen, an welchen im Rohr Schaumstrukturen aus Metall angebracht sind, ist die Wärmeübertragung sehr hoch, bedingt durch die gute
Wärmeleitung und die grosse Oberfläche der Schaumstruktur. In den
Bereichen, welche ein oder mehrere statische Mischelemente enthalten, werden die entstehenden Temperaturgradienten wieder über den ganzen Querschnitt ausgeglichen und so das treibende Temperaturgefälle wieder erhöht, was dann im nächsten Abschnitt mit Schaumstruktur wieder zu einem sehr effizienten Wärmeaustausch führt. Für den Wärmeaustausch können die Mischelemente auch aus Rohren bestehen, die vom Wärmeträgermedium durchströmt werden.
Wenn in dem Misch- oder Dispergierelement chemische Reaktionen ablaufen sollen, können mehrere in Serie angebrachte Abfolgen von Schaumstrukturen und statischen Mischelementen zu sehr kurzen Verweilzeiten und hohen Reaktionsausbeuten führen. Besonders vorteilhaft kann ein Misch- oder Dispergierelement für eine Gas/flüssig Reaktion eingesetzt werden, die in mindestens zwei Phasen abläuft. Unter Phase ist hier der Aggregatzustand der einzelnen Komponenten zu verstehen. Eine Komponente kann
beispielsweise gasförmig vorliegen, das heisst als Gasphase, eine weitere Komponente kann in flüssigem Aggregatzustand vorliegen, das heisst als Flüssigphase.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Porengrösse der Schaumstruktur bevorzugt weniger als 1/5, insbesondere weniger als 1/10, besonders bevorzugt weniger als 1/20 des Abstands zwischen zwei benachbarten Stegelementen, Plattenabständen oder Kanalabständen. Die Stegelemente, Plattenelemente oder Kanäle sind jeweils zu der ersten Anordnung 7 bzw. der zweiten Anordnung 8 der statischen Mischelemente gehörig. Grundsätzlich ist es auch möglich, die statischen Mischelemente mit der Schaumstruktur im gleichen Abschnitt zu kombinieren, wobei dann
mindestens ein Teil der Zwischenräume im Mischelement durch eine zusätzliche Schaumstruktur ausgefüllt wird. Zwischen den einzelnen
Segmenten von Mischelementen und / oder Schaumstrukturen können auch Leerräume bestehen. Es können auch Kombinationen von Schaumstrukturen unterschiedlicher Porengrösse sowie unterschiedliche Mischelemente und unterschiedlich skalierte Mischelemente kombiniert werden. Die
Schaumstrukturen und Mischelemente können aus unterschiedlichen
Materialien wie zum Beispiel Metall, Keramik, Kunststoff hergestellt werden.
Die beschriebenen Misch- oder Dispergierelemente eignen sich zum Mischen, zur Herstellung von Emulsionen, Dispersionen, Schäumen und zum
Wärmetausch. Die Herstellung der Mischelemente und der
Schaumstrukturen kann durch konventionelle Verfahren, sowie auch durch Rapid Manufacturing erfolgen. Die beschriebenen Misch- oder
Dispergierelemente können auch sehr kostengünstig hergestellt werden.
Durch die Verwendung von Schaumstrukturen kann die Anzahl der statischen Mischelemente gegenüber statischen Mischern gemäss des Standes der Technik signifikant reduziert werden, was auch zu deutlich kleineren
Druckverlusten führt. Die statischen Mischelemente können zusätzlich als Stütz- und Befestigungsstrukturen für die Schaumstrukturen dienen. Dies ist speziell bei Durchmessern von grösser als 10 cm interessant, da dort die Schaumstrukturen im Verhältnis zum Rohrdurchmesser relativ dünn sein können und entsprechend abgestützt werden sollten. Die Befestigung erfolgt bevorzugt am einfachsten über ein Abstützelement.

Claims

Patentansprüche
1 . Misch- oder Dispergierelement (1 , 10, 30, 40, 50, 60, 70), umfassend einen Kanal (2), in welchem ein Einsatzelement (3, 4, 33, 34), welches eine Schaumstruktur enthält, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein statisches Mischelement (5, 6, 35, 36) zur Makrovermischung oder zur Vordispergierung oder zur Makrodispergierung mit mindestens einem
Einsatzelement zur Mikrovermischung oder Dispergierung (3, 4, 33, 34) kombiniert im Kanal (2) angeordnet ist.
2. Misch- oder Dispergierelement nach Anspruch 1 , wobei ein statisches Mischelement zumindest teilweise stromaufwärts des Einsatzelementes zur Vorvermischung und Vordispergierung angeordnet ist.
3. Misch- oder Dispergierelement nach Anspruch 2, wobei das statische Mischelement als ein erstes statisches Mischelement (5) ausgebildet ist und zumindest ein zweites statisches Mischelement (6, 35, 36) stromabwärts des Einsatzelements (3, 4, 33, 34) angeordnet ist.
4. Misch- oder Dispergierelement nach Anspruch 3, wobei mindestens ein zweites Einsatzelement (4, 33, 34) stromabwärts des zweiten statischen Mischelements (6, 35, 36) angeordnet ist.
5. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der statischen Mischelemente (36) ein Einsatzelement (34) enthält.
6. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zumindest einem der Einsatzelemente (3, 4, 33, 34) und dem statischen Mischelement (5, 6, 35, 36) ein Abstand ausgebildet ist.
7. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Porengrösse der Schaumstruktur weniger als 1/5 , insbesondere weniger als 1/10 , besonders bevorzugt weniger als 1/20 des Abstands zwischen zwei benachbarten Stegelementen, Platten oder Kanälen des Mischelementes ist.
8. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaumstruktur ein Metall, eine Metalllegierung, Keramik, Glas, Kohlenstoff und/oder einen Kunststoff umfasst.
9. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaumstruktur eine mittlere Porengrösse von bis einschliesslich 100 PPI aufweist, bevorzugt eine mittlere Porengrösse von 10 bis einschliesslich 100 PPI aufweist.
10. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaumstruktur ein freies Volumen von 40% bis zu 97% aufweist, vorzugsweise von 50% bis zu 95% aufweist.
1 1 . Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ein Temperiermittel enthält.
12. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest teilweise als Katalysatoroberfläche, insbesondere als Hydrolysekatalysatoroberfläche, ausgebildet ist.
13. Misch- oder Dispergierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Dosierelement zum Eintrag eines Fluids in den Kanal (2) vorgesehen ist.
14. Misch- oder Dispergierelement nach Anspruch 13, wobei das
Dosierelement stromaufwärts des Einsatzelements (3, 4) angeordnet ist.
15. Verfahren zur Erzeugung einer Dispersion, wobei in einem ersten Schritt gleichzeitig ein erstes Fluid und ein zweites Fluid in einen Kanal eingeleitet werden, wobei das erste Fluid mit dem zweiten Fluid in einem zweiten Schritt in einem Misch- oder Dispergierelement in Kontakt gebracht wird, wobei das Misch- oder Dispergierelement ein Einsatzelement zur
Mikrovermischung oder Dispergierung enthält, welches eine Schaumstruktur enthält, die in dem Kanal angeordnet ist, sowie zusätzlich ein statisches Mischelement zur Makrovermischung oder zur Vordispergierung oder zur Makrodispergierung in dem Kanal angeordnet ist und wobei das erste Fluid und das zweite Fluid im Gleichstrom durch das Misch- oder
Dispergierelement und durch das Einsatzelement geleitet werden, wodurch das zweite Fluid und das erste Fluid gemischt oder dispergiert wird.
PCT/EP2010/065146 2010-03-22 2010-10-08 Misch- oder dispergierelement und verfahren zum statischen mischen oder dispergieren WO2011116840A1 (de)

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BR112012021886A BR112012021886A2 (pt) 2010-03-22 2010-10-08 sistema para mistura ou dispersão e processo para mistura ou dispersão estática
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