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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von strömenden gasförmigen,
flüssigen und/oder körnigen Stoffen unter Anwendung von stillstehenden Leitelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von strömenden gasförmigen, flüssigen
und/oder körnigen Stoffen unter Anwendung von stillstehenden Leitelementen, bei
dem zunächst die Mischkomponenten ungemischt zu einem Hauptstrom zusammengeführt
werden, sodann der Haupt strom in mindestens zwei Teilströme gespalten wird und
schließlich die Teilströme gegeneinander versetzt wieder vereinigt werden, sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt. Bei einem bekannten
Verfahren wird ein Hauptstrom, der durch Zusammenfluß von zugeführten Strömen verschiedener
miteinander zu vermischender Medien entstanden ist, in zwei konzentrische Teilströme
gespalten, die mit Hilfe von schraubenflügelförmigen, stillstehenden Leitelementen
in entgegengesetzte Drehrichtungen versetzt und danach wieder vereinigt werden,
wobei eine Durchwirbelung der Teilströme stattfindet. Dieser Vorgang kann in weiteren
Leitelementen wiederholt werden.
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Gemäß einem anderen bekannten Verfahren wird ein Hauptstrom von rechteckigem
Querschnitt in stillstehenden Leitelementen in mehrere Teilströme gespalten, welche
rechteckige Querschnitte haben, die den Querschnitt des Hauptstromes völlig ausfüllen
und die dann mit Hilfe von in den Leitelementen angeordneten Kanälen nach einem
anderen Muster wieder zu einem Hauptstrom gleichen Querschnitts vereinigt werden.
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Wenn man die Stromstärke genügend groß wählt, erhält man auch bei
diesem Verfahren eine hinreichende Turbulenz, die zum Mischen der Medien führt.
Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile. So tritt zwischen den Teilströmen wohl örtlich
eine Durchmischung auf, aber über den ganzen Querschnitt des Hauptstromes können
große Unterschiede im Mischverhältnis der zu mischenden Medien bestehenbleiben.
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Auch ist es nicht immer möglich, die zu mischenden Medien mit einer
derart großen Geschwindigkeit durch die Leitelemente zu führen, daß hinreichende
Turbulenz entsteht. Beim Mischen von hochviskosen Flüssigkeiten z. B. würde dies
unerwünscht hohe Kräfte auf die Leitelemente zur Folge haben.
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Diese Nachteile werden beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.
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Die Erfindung ist bei einem Verfahren der angegebenden Art gekennzeichnet
durch schichtweise Zusammenführung der Mischkomponenten im Hauptstrom, durch Spaltung
des Hauptstromes senkrecht zu den Schichten, durch Verformung der Teilströme im
Sinne einer Verringerung der Schichtdicken
bei gleichzeitiger Vergrößerung von deren
gegenseitiger Berührungsfläche und durch Wiedervereinigung der verformten Teilströme
zu einem neuen Hauptstrom, derart, daß sein Querschnitt mit dem des ursprünglichen
Hauptstromes übereinstimmt, aber die Schichtzahl der Mischkomponenten vervielfacht
ist.
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Vorzugsweise wird dieses Verfahren an demselben Mi schgutstrom mehrmals
nacheinander angewandt.
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Bei diesem neuen Verfahren sind keine Wirbelungen und hohen Stromgeschwindigkeiten
für eine gute Mischung mehr erforderlich. Während nach dem bekannten Verfahren,
wenn ohne Wirbelungen gearbeitet wird, in aufeinanderfolgenden Leitelementen die
Durchmischung nur dadurch zunimmt, daß bei im wesentlichen gleichbleibendem Inhalt
der Teilströme das Gesamtmuster immer mehr geändert wird, erhöht sich beim neuen
Verfahren der Mischeffekt dadurch, daß in den aufeinanderfolgenden Leitelementen
auch der Inhalt der Teilströme geändert wird. Ein Teilstrom im n-ten Leitelement
enthält nämlich Anteile aus mindestens n Teilströmen des ersten Leitelementes.
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Ferner haben die Teilströme infolge der-erfindungsgemäßen Verformung
nach der Wiedervereinigung eine größere gegenseitige Berührungsfläche, was die Homogenisierung
des Hauptstromes durch Diffusion der Teilströme ineinander fördert.
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Dem Querschnitt des Hauptstromes kann man die Form eines langgestreckten
Rechtecks geben. Die zu mischenden Stoffe werden dann als dünne Schichten in Längsrichtung
dieses Rechtecks vereinigt. Es ist jedoch eine in sich geschlossene Querschnittsform
vorzuziehen, da sich dabei in geringerem Maße störende Randeffekte zeigen. Auch
kann eine eventuell notwendige Erwärmung oder Kühlung gleichmäßiger ausgeführt werden.
Hierzu werden die zu mischenden Stoffe als ringförmige koaxiale Schichten zur Bildung
eines ringförmigen Hauptstromes vereinigt.
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Eine Mischvorrichtung ohne bewegbare Teile zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die einen Zufluß, einen Abfluß und ein oder mehrere dazwischen angeordnete
Leitelemente aufweist ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und Ausgangsquerschnitt
jedes dieser Leitelemente dem Hauptstromquerschnitt entspricht und daß durch im
Innern in Längsrichtung angeordnete Wände Kanäle gebildet werden, die die erfindungsgemäße
Spaltung, Verformung und Wiedervereinigung des Mischgutstromes bewirken. Die Wände
sind dabei derart angeordnet, daß der Querschnitt der Kanäle in der ersten Hälfte
des Leitelementes sich in der einen Richtung verengt und in der anderen Richtung
konstant bleibt, während in der zweiten Hälfte des Leitelementes der Querschnitt
in der zweiten Richtung gleichmäßig zunimmt und in der ersten Richtung konstant
bleibt, so daß am Ausgang des Kanals der Querschnitt halb so breit und doppelt so
lang geworden ist. Hierbei werden die am Eingang des Leitelementes einander in Längsrichtung
des Hauptstromquerschnittes benachbarten Kanäle am Ausgang des Leitelementes in
Querrichtung des Hauptstromquerschnittes nebeneinandergelegt, und zwar in Längsrichtung
um die Hälfte der Endlänge ihres Querschnittes gegeneinander versetzt.
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Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung
sind besonders geeignet für das Mischen von Stoffen, deren Mengen von gleicher Größenordnung
sind. Schwierigkeiten können jedoch auftreten, wenn der eine Stoff aus einer hochviskosen
Flüssigkeit besteht, während der andere Stoff ein Pigment ist, das in kleinen Mengen
mit der Flüssigkeit gemischt werden soll. Diese Schwierigkeit kann dadurch umgangen
werden, das man von der hochviskosen Flüssigkeit einen Teil abzweigt, der mit dem
Pigment vorgemischt wird, und dann den so pigmentierten Teil mittels einer Pumpe
wieder mit dem Hauptteil vereinigt. Der so gebildete Hauptstrom wird dann in der
oben beschriebenen Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhomogenisiert.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen
eine Beschreibung der Wirkung und einiger Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gegeben. Es zeigt Fig. 1 schematisch die Lage von zwei zu mischenden
Strömen, und zwar in Lage a bei der Zuflußöffnung und in Lage b bei der Abflußöffnung
eines Teiles eines Leitelementes mit einem langgestreckten Querschnitt, Fig. 2 schaubildlich
einen Ausschnitt eines ringförmigen Leitelementes gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen
Längsschnitt dieses Ausschnittes gemäß der Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 schematische
Stirnansichten des ringförmigen Leitelementes, und zwar rechts von der Mittellinie
von oben und links von der Mittellinie von unten, Fig. 5 teilweise im Schnitt und
teilweise in Seitenansicht eine vollständige Mischvorrichtung, die aus mehreren
Leitelementen des ringförmigen Typs aufgebaut ist, Fig. 6 teilweise im Schnitt und
teilweise in Seitenansicht den Zuführungsteil einer Mischvorrichtung zum Mischen
eines Pigmentes mit einer hochviskosen Flüssigkeit.
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In Fig. 1 a sind mit A, B und C die Eingänge von drei nebeneinanderliegenden
Kanälen in einem Leitelement mit einer langgestreckten rechtwinkligen Zufluß öffnung
bezeichnet. In Fig. ob bezeichnen die Buchstaben A, B und C die Ausgänge dieser
Kanäle.
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Die Pfeile in Fig. la geben an, in welchen Richtungen sich die Querschnitte
in der Längsrichtung der Kanäle ändern. Aus Fig. ob ist ersichtlich, daß die Ausgänge
der Kanäle statt in einer einzigen Reihe nun in zwei parallelen Reihen wechselweise
angeordnet sind.
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Mit der Schraffierung ist in den Figuren ein z. B. gefärbter Strom
eines Mediums angegeben, während durch die unschraffierten Kanalteile ein z.B. ungefärbter
Strom eines anderen Mediums in einer Richtung quer zur Fläche der Zeichnung läuft.
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Das Beispiel der Mischung von gefärbten mit ungefärbten Medien ist
nur gewählt, um die Wirkung der Mischvorrichtung zu verdeutlichen. Das Breitenverhältnis
dieser zwei Ströme ist beliebig gewählt; auch ist es für die gute Mischwirkung nicht
wesentlich, daß nur zwei Medien gemischt werden.
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Bei den Eingängen in Fig. la besteht der Hauptstrom aus zwei Schichten,
nämlich einer gefärbten und einer ungefärbten; bei den Ausgängen des Leitelementes
in Fig. lb sieht man dagegen, daß der Hauptstrom aus vier Schichten besteht.
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Durchströmt der Hauptstrom ein weiteres Leitelement, so wird die
Anzahl Schichten nochmals verdoppelt. Wenn man auf diese Weise eine beliebige Anzahl
Leitelemente in Serie schaltet, kann man jedes erwünschte Maß von Homogenität erzielen.
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Bei der durch die Fig. 1 a und 1 b erläuterten Ausführungsform sind
die Ausläufe der Kanäle im Leitelement in zwei parallelen Reihen angeordnet. Jedoch
ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Es ist möglich, diese Ausläufe in mehr
als zwei parallelen Reihen, z. B. p Reihen anzuordnen. Im letzteren Fall würde man
p 2 Schichten im neuen Haupt strom erhalten, und nach einer Durchströmung durch
n Leitelemente wird die Anzahl Schichten hinter dem letzten Leitelement pn-mal größer
als vor dem ersten Leitelement sein. Somit ist die Schichtdicke auch um den gleichen
Faktor vermindert.
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Setzt man etwa zehn Mischelemente gemäß Fig. 1 hintereinander, wobei
die Dicke der eingehenden Schichten (gefärbtes und ungefärbtes Material) je auf
1 cm angenommen wird, so sind nach dem Verlassen der Mischvorrichtung die Schichtdicken
auf 0,01 mm zurückgegangen. Die weitere Homogenisierung des Hauptstromes erfolgt
sodann schnell durch Diffusion der Medien ineinander.
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In Fig. 2 ist ein Teil eines Leitelementes 1 dargestellt, das aus
einer Anzahl langgestreckter Kanäle 2 besteht, die zusammen einen Ring bilden. Die
Kanäle
münden mit ihrer Oberseite in eine ringförmige Zuflußöffnung3,
die an eine nicht dargestellte Zuführungsleitung angeschlossen wird. Die Kanäle
2 bestehen je in der Durchströmungsrichtung aus einem Teil 4 mit einem über die
ganze Höhe gleichen Querschnitt, einem Teil 5, dessen Abmessung nach unten in radialer
Richtung kleiner wird, und einem Teil 6, dessen Abmessung nach unten in tangentialer
Richtung größer wird, während die Abmessung in radialer Richtung gleichbleibt. Die
Ausgänge der Teile 6 münden schließlich in eine Abflußöffnung7, die an die nicht
dargestellte Abführungsleitung der Mischvorrichtung angeschlossen ist.
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Die Pfeile über den Kanälen 2 geben die Richtungen an, in welchen
sich die Kanäle verengen, während die zwei Ströme der zu mischenden Medien schraffiert
und weiß angegeben sind.
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In den Teilen 5 benachbarter Kanäle 2 wird die radiale Verengung
erhalten, indem man eine der tangential gerichteten Ringflächen dieser Kanäle schräg
verlaufen läßt.
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Indem man dabei die Innenwände 8 und die Außenwände 9 wechselweise
schräg setzt, werden die Kanäle 2 in radialer Richtung gegeneinander versetzt.
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Die tangentiale Erweiterung der Kanäle 2 in den Teilen 6 wird erhalten,
indem man die radial gerichteten Wände 10 und 11 der Kanäle in einander entgegengesetzter
Richtung schräg verlaufen läßt. Durch die vorherige radiale Verengung und Versetzung
ist genügend Platz vorhanden, daß benachbarte Kanäle wechselseitig übereinandergreifen
können.
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In Fig. 3 ist die radiale Versetzung der Ströme in zwei aufeinanderfolgenden
Kanälen im Querschnitt dargestellt.
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Aus dieser Figur in der mit 12 die Achse des Leitelementes bezeichnet
ist, ist ersichtlich, daß in den Kanalteilen 4 von benachbarten Kanälen 2 die schraffierten
Ströme von der Achse 12 gleich weit entfernt liegen. Deshalb ist diese Stelle schwarz
gefärbt.
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In den Kanalteilen 5 laufen die gefärbten Ströme in den zwei aneinandergrenzenden
Kanälen 2 jedoch verschieden, was aus den Schraffierungen ersichtlich ist. Der schraffierte
Strom im in Fig. 3 vorn liegenden Kanal 2 wird durch die Fläche 9 nach rechts versetzt,
während der schraffierte Strom im hinteren Kanal inder Hauptsache geradeaus läuft.
Dasselbe gilt auch für die ungefärbten Ströme. Die Ziffernl3 und 14 geben dabei
den Verlauf der gefärbten Ströme an.
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Im Kanalteil 6 beginnt die tangentiale Überlappung der Ströme.
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Zur näheren Erläuterung zeigt Fig. 4 rechts von der vertikalen Mittellinie
eine Ansicht von oben und links von dieser Linie eine Ansicht von unten des ringförmigen
Leitelementes.
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Die schraffierten Teile in dieser Figur stellen die schrägen Wände
dar, welche einen Durchblick verhindern, während in den nicht schraffierten Teilen
zwischen diesen Wänden der freie Durchblick durch die Kanäle 2 des Mischelementes
1 möglich ist.
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Eine vollständige Mischeinrichtung mit mehreren ringförmigen Leitelementen
ist in Fig. 5 dargestellt.
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Diese Figur zeigt auch, wie die Mischkomponenten zu ringförmigen Schichten
geformt und konzentrisch zum Hauptstrom vereinigt werden.
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Mehrere Leitelemente 1 sind in der Strömungsrichtung hinter einem
Strömungsgleichrichter 15 angeordnet. Dieser Strömungsgleichrichter besteht aus
wabenförmig angeordneten Platten. Der Gleichrichter 15
schließt an zwei konzentrische
ringförmige Kammern 16 und 17 an. Diese Kammern haben ihrerseits separate Zuführungsleitungen
18 und 19.
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Das zuletzt durchströmte Leitelement ist an eine Abführungsleitung
20 für den gemischten Hauptstrom angeschlossen.
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Die zwei Ströme der zu mischenden Medien kommen durch die Zuführungsleitungen
18 und 19 in die zwei konzentrischen Kammern 16 und 17. Darin werden sie zu zwei
Strömen mit konzentrischem ringförmigem Querschnitt verformt, die parallel zueinander
über den Strömungsgleichrichter 15 den Leitelementen zugeführt werden. Wenn man
die Kammern 16 und 17 und den Strömungsgleichrichter 15 genügend lang macht, kann
erzielt werden, daß die Ströme in diesen Kammern genau axial in das erste Leitelement
fließen. Wenn die Kammern 16 und 17 selbst genügend lang sind, ist der Strömungsgleichrichter
15 überflüssig; bei Anwesenheit des Gleichrichters können aber die Kammern 16 und
17 bedeutend kürzer gemacht werden.
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Schließlich ist Fig. 6 eine Abbildung einer Mischvorrichtung zum
Mischen eines Pigmentes mit einer hochviskosen Flüssigkeit.
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Diese Vorrichtung weicht insofern von der vorhergehenden nach Fig.
5 ab, als die Kammer 16 geräumiger und mit Stahlwolle 20 gefüllt ist. An Stelle
von Stahlwolle können auch andere poröse Medien gewählt werden.
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In der Zuführungsleitung 19, die in diesem Fall eine Abzweigung von
der Zuführungsleitung 18 ist, ist eine Zahnradpumpe21 vorgesehen. In das Leitungsstück
der Leitung 19 vor der Pumpe 21 mündet eine Leitung 22, die an einen Vorratsbehälter
23 für das Pigment anschließt.
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Die hochviskose Flüssigkeit strömt gemäß der Pfeilrichtung durch
die Zuführungsleitung 18, sodann durch die Kammer 17 und den Strömungsgleichrichterl5
auf analoge Weise wie in Figur beschrieben.
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Ein Teil der hochviskosen Flüssigkeit wird jedoch durch die Pumpe
21 über die Zuführungsleitung 19 in die Kammer 16 gepumpt. Das Pigment aus dem Behälter23
wird mittels einer Pumpe 24 durch die Leitung 22 in die Zuführungsleitung 19 an
eine Stelle gepreßt, die vor der Pumpe 21 liegt. Von der Mündung der Leitung 22
in die Zuführungsleitung 19 bis zu der Pumpe 21 führt die Zuführungsleitung 19 also
einen Strom, der in der Hauptsache aus der hochviskosen Flüssigkeit besteht und
der ferner Pigment enthält.
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Die Pumpe 21 mischt diese Komponenten durcheinander und transportiert
das Gemisch zur Kammer 16.
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Die Stahlwolle darin hat den Zweck, durch wiederholte Spaltung völlige
Homogenisierung des Mischstromes durch Diffusion des Pigmentes in der hochviskosen
Flüssigkeit herbeizuführen.
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Dieser homogenisierte Strom wird seinerseits dem Strömungsgleichrichter
15 zugeführt. Hinter dem Strömungsgleichrichter werden die von den Kammern 16 und
17 herrührenden Ströme auf die beschriebene Weise den Leitelementen zugeführt.