DE2629293A1

DE2629293A1 - Statischer mischer

Info

Publication number: DE2629293A1
Application number: DE19762629293
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Phys Goerz; Helmut Jakubowski
Original assignee: PLAST ELASTVERARBEITUNGSMASCH
Current assignee: PLAST ELASTVERARBEITUNGSMASCH
Priority date: 1975-09-10
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1977-03-17
Also published as: DD122649A1; FR2323437A1; SU784900A1; CH615839A5; FR2323437B1

Description

VEB Plast- und Elastverarbeitungslaaschinen-Kombinat Karl-Marx-Stadt

Statischer Mischer

Mischer mit feststehenden Einbauten unterschiedlicher Geometrie werden als grenzflächenerzeugende statische Mischer bezeichnet· Es sind zwei grundsätzliche Arten von statischen I.Iischern bekannt, die auf dem Prinzip der Schichtenbildung beruhen.

Bei der einen Art erfolgt die Schichtenbildung durch wiederholte Aufteilung des Gesamtstromes in Einzelströme, Umlagerung und Wiedervereinigung der Ströme zum Gesamtstrom· Bei der anderen Art erfolgt die Schichtenbildung durch Rotationsbewegung der 3?ließmasse mit Geschwindigkeitsänderungen in axialer und radialer Richtung und abwechselnden Rotationsrichtungen.
Die Erfindung betrifft einen statischen lüischer zum Mischen von hochviskosem flüssigem oder geschmolzenem Material nach der erst genannten Art, bestehend aus einem Hüllrohr von gleichförmigem Querschnitt, in dessen Längsrichtung eine Anzahl von feststehenden Mischelementen angeordnet sind·

Es ist ein grenzflächenerzeugender statischer Irischer, bestehend aus mehreren ineinandergreifenden Mschelementen bekannt, bei dem jedes Miechelement 120° Einkerbungen am Ein- und Austritt besitzt, die zueinander um 90° versetzt sind· Die Einkerbungen bilden Tetraederräume, die durch Bohrungen miteinander verbunden sind. Die Bohrungen am Eintritt in das Mischelement sind dabei auf einer waagerecht verlaufenden Linie angeordnet, während sie austrittseitig auf einer senkrecht verlaufenden Linie angeordnet sind bzw· umgekehrt·

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Jeder Mischer besteht aus mehreren Mische lernen ten, die durch entsprechende Befestigungsmittel miteinander ver-' bunden sind·

Der Hachteil dieser Lösung besteht darin, daß durch die Anordnung der Misehelemente im Strömungskanal erhebliche Druckverluste gegenüber einem äquivalenten leeren Rohr auftreten· Femer ist zur Erlangung eines ausreichenden Vermischungsgrades eine bestimmte Mindestschergeschwindigkeit innerhalb des Mischgutes notwendig, um die im Mischgut vorherrschenden üblichen Viskositätsunterschiede überwinden zu können. Durch diese Vorrichtung wird die Mindestschergeschwindigkeit im Mischgut nicht erreicht, wodurch ein Viskoßitätsausgleich nicht erfolgt und der Vermischungsgrad gering ist· Des weiteren tritt bei dieser lösung nur eine minimale Quervermischung auf, wodurch der Wärmeübergang innerhalb des Mischgutes gering ist· Durch die engen Fließwege ist die Wartung und Reinigung dieser Mischer sehr aufwendig, eine Selbstreinigung ist dabei nicht möglich. Bedingt durch die geometrische Form und Abmessung sind diese lischelemente schwierig herzustellen, so daß sich hohe Fertigungskosten ergeben·

In Abwandlung dieser Lösung werden die Tetraederräume auch als Hohlkörper ausgebildet, die durch entsprechende Anordnung von Rohrleitungen miteinander verbunden sind· Es treten dabei jedoch die gleichen EFachteile auf·

Bei einer anderen bekannten Lösung wird der zu mischende Hauptstrom durch Anordnung entsprechender Leitelemente zunächst senkrecht zu den Schichten geteilt und die Teilströme durch Verringerung der Schichtdieken verfonat. Der Eingangsquerschnitt der Leitelemente ist bei dieser Lösung ein Quadrat und jedes Leitelement weist zwei Kanäle auf, deren Eingangsquerschnitte nebeneinander-

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liegende den Eingang des Leitelementes ausfüllende gleich große Rechtecke sind· Diese verengen sich zunächst zu zwei diagonal gegenüberliegenden Quadraten von halben Rechteckquerschnitt und erweitern sich danach wieder zu nebeneinanderliegenden Rechtecken ursprünglicher Größe in um 90 ° gedrehter Lage. Von großem Nachteil ist bei dieser Lösung, daß durch die Anordnung und Gestaltung der Leitkanäle eine S_chichtenverlagerung durch Grenzflächenbildung erfolgt, aber keine ausreichende Quervermischung erreicht wird, wodurch die Homogenität des Mediums unzureichend verbessert wird. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Leitkanäle entstehen ferner tote Räume, wodurch der Massefluß behindert wird, was bei einer Plastschmelze unter Umständen zu einer thermischen Zersetzung führen kann· Außerdem ist die Fertigung der Mischelemente infolge der komplizierten Gestaltung relativ kostenaufwendig. Von weiterem Nachteil ist, daß bei erfolgender Komponentenzumischung bestimmte Zulaufbedingungen zu beachten sind. Dazu gehört, daß eine räumliche und zeitlich gleichmäßige Dosierung aller Flüssigkeitskoinponenten notwendig ist, um bei der geringen Quervermischung eine ausreichende Homogenität zu erreichen. Zweck der Erfindung ist es, die thermische und mechanische Homogenität innerhalb des Fließquerschnittes des Mischgutes zu verbessern, den Wärmeübergang zu erhöhen, die Druckverluste zu reduzieren und die Gefahr einer thermischen Zersetzung des Mischgutes auszuschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen grenzflächenerzeugenden statischen Mischer zu entwickeln, dessen Mischelemente so gestaltet und angeordnet sind, daß eine wiederholte Aufteilung des Gesamtstromes in Einzelströme, deren Umlagerung und Wiedervereinigung zu einem

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Gesamtstrom, bei gleichzeitig und ständig erfolgender Quervermischung und Selbstreinigung gewährleistet ist· Eine weitere Aufgabe besteht darin, den mechanischen Vermischungsgrad zu erhöhen und die Anforderungen an die räumlich und zeitlich gleichmäßige Dosierung aller Flüssigkeitskoinponenten zu reduzieren· Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Eischelement aus mindestens zwei horizontal und zwei vertikal, je kreuzweise aufeinander stehenden, vorwiegend ebenen Leitblechen besteht, die auf der Längsiäittelachse des Hüllrohres in einem zentralen Punkt miteinander verbunden sind oder sich berühren, wobei jedes Leitblech in einem solchen Winkel zur horizontalen Mittelachse bzw. zur vertikalen Mittelachse des Hüllrohrquerschnittes und zur Längsmittelachse steht, daß der Eingangsquerschnitt und der Ausgangsquerschnitt des Hüllrohres in mindestens acht ca· gleich große separate Teilkanäle aufgeteilt wird, die an mindestens einer Seite mit einem oder mehr angrenzenden Teilkanälen in Verbindung stehen und jeweils diagonal in axialer Richtung des Hüllrohres verlaufen·

Das Hüllrohr kann dabei so gestaltet sein, daß es quadratischen Querschnitt besitzt und die Leitbleche in der Nähe des Eingangsquerschnittes und des Ausgangsquerschnittes durch einen Ring miteinander verbunden sind· In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Hüllrohr kreisrunden Querschnitt, wobei die Leitbleche in schräg im Hüllrohr verlaufenden Hüten befestigt sind· Die Wände des Hüllrohres stehen mit einem Wärmeaustauscher in Verbindung, um eine bessere Temperaturkonstanz zu erreichen· Die Leitbleche gemäß der Erfindung können vorzugsweise so gestaltet sein, daß sie eine Länge besitzen, die dem 1,5 bis 3-fachen Hüllrohrdurchmesser entspricht und eine Breite haben, die gleich der halben Breite des Hüllrohr®ist·

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Das Mischgut wird durch einen von außen herbeigeführten Druckunterschied zwischen Misehereingang und -ausgang oder Pumpen befördert·

Durch den oben beschriebenen statischen Mischer werden die dem Hüllrohr zugeführten Misehkoiaponenten des strömenden, viskosen, flüssigen oder geschmolzenen Mediums einem Vorgang unterworfen, in dem der schichtenförmige Komponentenstrom zunächst in mindestens acht Teilströme aufgespaltet wird und die Teilströme bei einer durch die Aufspaltung verursachten Verringerung der Schichtdicke entlang der Leitbleche in unterschiedliche Richtung gelenkt werden. Dabei kann gemäß der Erfindung der einem beliebigen Teilkanal entstammende Teilstrom bereits im ersten Mischelement in mindestens 7 weitere separate Teilkanäle überführt und damit in weitere mindestens 7 Teilströme aufgespaltet werden. Die Zahl der erzeugten Schichten pro Mischelement beträgt somit mindestens 64. Dabei ist zu beachten, daß die Umlenkung der acht Teilströme vorrangig entlang der Leitbleche vonstatten geht und daß die Überführung jedes dieser separaten Teilströme in die restlichen 7 separaten Teilkanäle mit einer etwas geringeren Wahrscheinlichkeit und Intensität geschieht als die genannte Umlenkung, so daß die erzeugten 64 Schichten unterschiedliche Dicken haben. Es vergrößert sich erfindungsgemäß die Berührungsfläche der Schichten, wodurch vorteilhafterweise die für einen guten Verteilungsgrad notwendige Mindestschergeschwindigkeit erreicht wird. Bei Eintritt der Teilströme in das zweite und jedes weitere Mischelement wird das Medium wiederholt dem oben beschriebenen Vorgang unterworfen· Auf Grund der erfindungsgemäfen Ausführung werden die separaten Teilkanäle des jeweils voranstehenden Mischelementes durch die Anordnung des jeweils folgenden Mischelementes wiederum in je zwei Teilkanäle aufgespaltet. Daher wird jeder separate Kanal der folgenden Mischelemente mit Teilströmen aus mindestens 2 anderen Teilkanälen des jeweils voranstehenden Mischelementes gespeist, wodurch

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sich die Schichtenzahl in jedem weiteren Mischelement mindestens verdoppelt· Da in der Grenzebene zwischen je zviel Mischelementen für jeden der Teilströme die Möglichkeit besteht, in jeden der separaten Teilkanäle des folgenden Mischelementes überzufließen, wird eine intensive Quervermischung erreicht, wodurch der Wärmeübergang innerhalb des lischgutes verbessert wird. Des weiteren wird ein hoher mechanischer Vermischungsgrad erzielt. Auf Grund des hohen Anteils an Quervermischung beim Mischvorgang ist eine optimale Mischwirkung auch dann noch garantiert, wenn die Zudosierung aller Flüssigkeitskomponenten zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Ist das der Fall, so wird trotzdem eine optimale Mischung erreicht, da durch den großen Quervermischungsanteil auch eine kurzzeitig größere zugeführte Menge an Zusatzstoff gut mit der Hauptkomponente vermischt wird. Der erfindungsgemäße Mischer arbeitet ohne bewegliche Einbauten und die Leitbleche haben nur kleine Fließwiderstände in bezug auf den Fließquerschnitt· Dadurch ist die thermische Belastung des Elischgutes infolge einer Energiedissipation durch Friktion bzw. überkritische Schergeschwindigkeit äußerst gering. Ebenfalls wird der Druckverlust über die gesamte Mischerlänge, auf Grund des geringen Fließwiderstandes der Leitbleche, niedrig gehalten. Die erfindungsgemäße Anordnung der Leitbleche garantiert, daß selbst bei hochviskosen Mischsubstanzen keine Zonen im Mischer entstehen, wo die Fließgeechwindigkeit gegen Füll geht und sich das Medium festsetzt, was zu Störungen des Mischvorganges und/oder zu einer thermischen Zersetzung des Mediums führen kann. Aus diesem Grunde ist der erfindungsgemäße Mischer wartungsarm und weitgehend selbstreinigend. Es ist offensichtlich, daß die erfindungsgemäßen Hischelemente mit einem geringen Aufwand an Material, Arbeit und Kosten hergestellt werden können.

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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Pig· 1 einen gesamten Mischer mit 4 statischen Mischelementen einschließlich Färmetauscher und Anschlußflanschen im Längsschnitt·

Fig. 2 die Anordnung von 4 Leitblechen zu einem statischen Mischelement in der Perspektive·

Fig· 3 eine schematische Darstellung des Eingangsquerschnittes eines Mischelementes mit dem Verlauf der Teilkanäle nach Fig. 2

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Ausgangsquerschnittes eines Mischelementes mit dem Verlauf der Teilkanäle nach Fig· 2

Fig· 5 den Verlauf der Teilkanäle in der Grenzebene zwischen zwei aneinander grenzenden Mischelementen.

Fig· 6 den Eingangsquerschnitt eines Mschelementes mit Stabilisierungsring

Fig. 7 den Ausgangsquerschnitt eines Kisehelementes mit Stabilisierungsring

Fig. 8 ein statisches Mischelement mit kreisrundem Hüllrohrquerschnitt

Fig. 9 den Schnitt A-A nach Fig. 8

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines statischen Mischers bestehend aus vier Mischelementen 2, die hintereinander in einem Hüllrohr 1 angeordnet sind. Die Mischelemente 2 sind mit der Hüllrohrwand 12 vorzugsweise am Mischereingang 19 und am Mischerausgang 20 verschweißt· Der statische Mischer besitzt am Ein- und Ausgang

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Anschlußflansche 21, an die weitere beliebige Aggregate gekoppelt sind· Am Mischereingang 19 werden z.B. zwei verschiedene zu mischende Komponenten zugeführt, die nach erfolgtem Mischvorgang als ein Gesamtstrom aus dem Mischer austreten. Der Mischvorgang vollzieht sich vom Misehereingang 19 bis zum Mischerausgang 20· Das Hüllrohr steht mit einem Wärmetauscher 13 in Verbindung, dem das Temperiermittel über einen Temperiermittelzufluß 22 zugeführt wird, das über einen Temperiermittelabfluß 23 abgeleitet wird. Die Beförderung des Mischgutes 14 durch den 1-ischer geschieht entweder durch eine Pumpe vor oder hinter dem Mischereingang 19 bzw. Mischerausgang 20 oder durch ein anderweitig herbeigeführtes Druckgefälle. Der Aufbau eines Mischelementes ist aus Figur 2 näher ersichtlich. Das Hüllrohr 1 ist dabei von quadratischem gleichbleibenden Querschnitt. Jedes der Leitbleche 3 besteht aus ebenen rechteckigen Blechen einer bestimmten je nach Iviischaufgabe frei wählbaren - Länge, vorzugsweise 1,5 bis 3-facher Hüllrohrdurchmesser und einer Breite, die gleich der halben Breite des Hüllrohres 1 ist. Die Anordnung der Leitbleche 3 im Hüllrohr 1 ist so, daß jeweils zwei kreuzweise aufeinanderstehen. Ein solches gekreuztes Leitblechpaar ist in Richtung der vertikalen Mittelachse 5 und das andere gekreuzte Leitblechpaar in Riehung der horizontalen Mittelachse 4 des Hüllrohrquerschnittes angeordnet. Durch die so gewählte Anordnung der Leitbleche 3 berühren sich diese nur in einem zentralen Punkt 11, wo sie miteinander verschweißt oder verlötet werden. Zur Erhöhung der Festigkeit des Mischelementes 2 kann, wie in Figur 6 und 7 schemptisch dargestellt ist, am Eingangsquerschnitt 8 und am Ausgangsquerschnitt 9 ein Ring 15 angebracht werden, der mit den Leitblechen 3 verschweißt oder verlötet ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, stehen jeweils zwei der Leitbleche in einem Winkel von 90° zur horizontalen Mittelachse 4 und jeweils zwei Leitbleche 3 in einem Winkel von 9o° zur vertikalen

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Mittelachse 5 cLes Hüllrohrquerschnitts. Sämtliche 4 Leitbleche 3 stehen in einem gleichen Winkel zur Längsmittelachse 6 (Kreuzungswinkel der Leitblechpaare), so daß der Eingangsquerschnitt 8 und der Ausgangsquerschnitt 9 des Hüllrohres in acht gleichgroße separate Teilkanäle 10 aufgeteilt werden, die jeweils von der Hüllrohrwand 1, den Leitblechbreitseiten und den horizontalen bzw· vertikalen Mittelachsen 4»5 des Hüllrohrquerschnitts begrenzt werden·

In den Figuren 3»4 und 5 erfolgte eine schematische Darstellung des Eingangsquerschnitts 8, des Ausgangsquerschnitts 9» sowie eine Darstellung der Grenzebene zwischen zwei aneinandergrenzenden Mischelementen nach Figur 1 und 2. Darin sind die in der oben beschriebenen Art und Weise gebildeten acht separaten Teilkanäle 10 in willkürlicher Reihenfolge mit römischen Ziffern von I bis VIII bezeichnet·

Der Komponentenstrom, welcher in den Singangsquerschnitt (Fig· 3) eintritt, wird zunächst durch die vorhandenen separaten Teilkanäle 10 in acht TeilstrÖme aufgeteilt· Die Teilströme I - VIII werden entlang der Leitbleche 3 diagonal zur Längsinittelachse 6 im Hüllrohr in unterschiedliche Richtung gelenkt, bis sie an den in Fig· 4 dargestellten Orten des Ausgangsquerschnittes 9 des Mischelementes angelangen· Dabei wird die Schichtdicke des Mischgutes verringert· Wie auch aus Fig. 2 hervorgeht, kann zusätzlich jeder separate Teilstrom aus den separaten Teilkanälen 10 (I - VIII) noch vor Erreichen des zentralen Punktes 11 über die Längskanten der Leitbleche 3 in jeden der übrigen sieben separaten Teilkanäle 10 überfließen·

Somit wird jeder separate Teilstrom in weitere sieben Teilströme aufgespaltet, wodurch im Mischelement 2 vierundsechzig Schichten erzeugt werden. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, werden sämtliche acht separaten Teilkanäle

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des ersten oben beschriebenen Mischers 2 an der Grenzebene 17 zum folgenden Mischelement wiederum geteilt, und zwar in zwei separate Teilkanäle 10a vom halben Querschnitt der separaten Teilkanäle 10· Damit wird jeder der separaten Teilkanäle 10a aus jeweils zwei vorherstehenden separaten Teilkanälen 10 gespeist· Jeder der separaten Teilströme aus den separaten Teilkanälen kann wiederum zum einen entlang der Leitbleche des folgenden Mischelementes wie oben beschrieben in unterschiedliche Richtungen gelenkt und zum anderen vor Erreichen des zentralen Punktes 11 in jeden der übrigen sieben separaten Teilkanäle 10 überfließen. Es ist offensichtlich, daß auf Grund des soeben beschriebenen Mischvorganges eine intensive Quervermischung des Mischgutes erreicht wird, wodurch ein hoher mechanischer Vermischungsgrad und ein verbesserter V/ärmeübergang innerhalb des Mischgutes durch verstärkte Konvektion realisiert werden kann. Fach Fig. 5 ist das Gebiet der separaten Teilkanäle 10a V/VII,III/7I, II/VIII, I/IV der Grenzebene 17 als ein Gebiet für intensive Quervermischung zu bezeichnen, da das Überfließen des Mischgutes aus einem der separaten Teilkanäle 10a in jeden der restlichen sieben separaten Teilkanäle 10 auf Grund der geometrischen Anordnung der Leitbleche 3 besonders begünstigt wird·

Bei der in Figur 8 und 9 dargestellten Ausführungsform des Kischelementes 2 ist das Hüllrohr 1 von gleichbleibendem kreisrunden Querschnitt. Form, Größe und Anordnung der vier Leitbleche 3 ist analog der in Fig· 2 dargestellten Ausführungsvariante· Die Besonderheiten bestehen darin, daß das Hüllrohr 1 vier schräg eingefräste Hüten 26 von einer Breite und Länge besitzt, die der Länge und Dicke der Leitbleche 3 entsprechen. Die Hüten sind derart gefräst, daß die Leitbleche 3 von außen durch die Nuten 26 in das Hüllrohr 1 eingeschoben werden

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können, so daß die gleiche Anordnung wie in Pig· 2 beschrieben entsteht· Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die so in das Hüllrohr 1 eingelassenen Leitbleche 3 durch eine Schweißnaht 25 mit der äußeren Oberfläche des Hüllrohres 1 verschweißt werden können
und keine Ringe 15 zur Stabilisierung erforderlich sind·

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Claims

Pat ent ansprach 2 6 2H3 2 9

· Statischer Mischer zum Mischen von hochviskosem flüssigem oder geschmolzenem Material durch Grenzflächenerzeugung mittels wiederholter Aufteilung des Gesamtstromes in Einzelströme, Umlagerung der Einzelströme und Wiedervereinigung der Einzelströme zum Gesamt strom, bestehend aus einem Hüllrohr von gleichförmigem Querschnitt, in dessen Längsrichtung eine Anzahl von feststehenden Mischelementen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mischelement (2) aus mindestens zwei horizontal und zwei vertikal, je kreuzweise aufeinander stehenden, vorwiegend ebenen Leitblechen (3) besteht, die auf der Längsmittelachse (6) des Hüllrohres (1) in einem zentralen Punkt (11) miteinander verbunden sind oder sich berühren, wobei jedes Leitblech (3) in einem solchen Winkel zur horizontalen Kittelachse (4) bzw· zur vertikalen Mittelachse (5) des Hüllrohrquerschnittes und zur Längsmittelachse (6) steht, daß der Eingangsquerschnitt (8) und der Ausgangsquerschnitt (9) des Hüllrohres (1) in mindestens acht ca· gleich große separate Teilkanäle (10) aufgeteilt wird, die an mindestens einer Seite mit einem oder mehr angrenzenden Teilkanälen (10) in Verbindung stehen und jeweils diagonal in axialer Richtung des Hüllrohres (1) verlaufen·

2· Statischer llischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (1) quadratischen Querschnitt besitzt und die Leitbleche (3) in der Hahe des Eingangsquerschnittes (8) und des Ausgangsquerschnittes (9) durch einen Ring (15) miteinander verbunden sind.

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3. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (1) kreisrunden Querschnitt besitzt und die Leitbleche (3) in schräg im Hüllrohr (1) verlaufenden Hüten (26) befestigt sind,

4· Statischer Mischer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Hüllrohres (1) mit einem Wärmetauscher in Verbindung stehen·

5· Statischer Mischer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (3) eine Länge besitzen, die vorzugsweise dem 1,5- bis 3-fachen Hüllrohrdurchmesser entspricht und eine Breite aufweisen, die der halben Breite des Hüllrohres entspricht·

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