DE2822096A1

DE2822096A1 - Gebohrte mischelemente fuer statische und dynamische mischer

Info

Publication number: DE2822096A1
Application number: DE19782822096
Authority: DE
Inventors: Dieter Brauner; Guenter Imhaeuser; Edgar Prof Dr Muschelknautz
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1978-05-20
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2822096C2; JPS54153369A; IT7922820A0; GB2020987A; IT1112936B; FR2425888A1; GB2020987B; JPS624169B2; CH643467A5; US4201482A

Description

EAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk

Zentralbereich Hö/bc I9. Mai I978

Patente, Marken und Lizenzen

Gebohrte Mischelemente für statische und dynamische Mischer

Die Erfindung richtet sich auf Einsätze für Mischer, enthaltend mindestens 1 Paar sich kreuzender Kanäle, sowie deren Verwendung in statischen und dynamischen Mischern.

In den DE-AS 23 28 795 und DE-OS 25 22 106 sind Mischelemente beschrieben, die aus sich kreuzenden Platten mit eingefrästen Stegen bestehen sowie ähnlich wirkende andere Elemente, die aus sich kreuzenden Stegen bestehen, welche an einem quer durch das Gehäuse sich erstreckenden Verbindungssteg angeordnet sind, mit dem sie ein einziges Stück bilden. Die Platten und die Stege solcher Elemente sind verhältnismäßig dünnwandig und gewöhnlich nur an einzelnen Stellen miteinander verbunden, in der Regel verschweißt oder verlötet. Die Einzelelemente haben

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Länge/Durchmesser-Verhältnisse von 1 bis 3, und der Druckverlust ist bei laminarer Durchströmung ca. 20 bis 50 mal größer als bei einem leeren Rohr gleichen Durchmessers. Werden solche Elemente beispielsweise am Ende von Extrudern unmittelbar nach der Welle in das Gehäuse eingebaut, können bei den Durchsätzen und Viskositäten üblicher Polymerschmelzen die Mischeinsätze infolge Überschreitens der mechanischen Festigkeit zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung sind Einsätze für Mischer, die stabil genug sind, Druckverluste längs des Ilischers von min-• destens 100 bar auszuhalten. Es sollen jedoch die Vorteile bekannter Mischer, insbesondere die hohe Mischgüte bei kurzer Bauweise, erhalten bleiben. Die Aufgabe wird durch Mischeinsätze gelöst, die dadurch gekennzeichnet sind, daß der Einsatz aus Vollmaterial besteht, daß die Kanäle in zur Mischachse parallelen Ebenen liegen, daß die Kanäle in einer Ebene parallel zueinander sind, daß der Winkel ^ zwischen einem Kanal und der in die Ebene projezierten Mischerachse 20 bis 70 , vorzugsweise 30 bis 60 beträgt, daß der Winkelt der Kanäle zur Mischerachse in aufeinanderfolgenden Ebenen einmal positiv und einmal negativ ist, daß sich also die benachbarten Kanäle kreuzen, also ein Gitter bilden, daß die Querschnitte der Kanäle so groß sind, daß sich benachbarte Kanäle an ihren Kreuzungspunkten bis 40 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, überdecken.

Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Statt einer Verstärkung der Materialdicke bekannter Elemente und dem Verschweißen der Kreuzungspunkte, was problema-

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tisch und teuer ist, wird die benötigte hohe Festigkeit der Elemente bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erzielt, daß das Mischelement aus einem massiven/ vorzugsweise zylindrischen Metallblock hergestellt wird. Technisch in Frage kommen Einsätze mit einem Druchmesser von 1 bis 100 cm; sie halten auch einseitige Drucke von 100 bar sicher aus. Die Länge eines erfindungsgemäßen Einsatzes ist in einem bevorzugten Bereich 1 bis 4 mal so lang wie der Durchmesser. Die Mischeinsätze können sowohl in statischen als auch in dynamischen Mischern verwendet werden. Die Mischwirkung der neuen Elemente ist mindestens so gut wie die der bekannten Elemente mit sich kreuzenden Platten oder Stegen; der Druckverlust ist bei zylindrischen Bohrungen etwa 4 mal, bei Schlitzen etwa 2 mal größer.

Läßt man einen erfindungsgemäßen zylindrischen Mischeinsatz in einem entsprechenden Gehäuse rotieren, so erhält man einen dynamischen Mischer, wobei die Wirkung immer auch zum Teil wie bei einem statischen Mischer ist. Weiter wurde gefunden, daß man bei genügend großer Drehzahl des Extruders eine noch bessere Mischwirkung erzielen kann, wenn man ein erfindungsgemäßcs Element, das eine Länge von 2 bis 4 Durchmessern hat, vorne an der Extruderwelle anbringt und mitrotieren läßt. In diesem Fall eines halb statisch, halb dynamisch wirkenden Mischers müssen die Bohrungen oder Schlitze so angeordnet sein, daß die seitlich äußersten Kanäle als offene Nuten erscheinen und bei der Drehung wie Teilstücke von Schneckengängen wirken.

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In Fällen, wo außer der Quervermischung auch eine gewisse Längsvermischung erforderlich ist, läßt sich die Gesamtmischwirkung erheblich verbessern, wenn die äußeren Nuten als Gewinde- oder Schneckengänge zurückfördern. Der Druckverlust ist dann natürlich größer als bei fest eingebauten Elementen. Wenn nur eine Quervermischung verlangt ist, sollten die Elemente mitfördernd ausgelegt sein. Fördern diese Gänge in Hauptstromrichtung vorwärts, wird der Druckverlust bedeutend niedriger als bei statischen Einbauten. Die Mischwirkung ist aber besser als bei statischem Einbau. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit des drehenden Mischelementes ein Vielfaches, mindestens das doppelte der auf das Leerrohr bezogenen mittleren Druchströmungsgeschwindigkeit ist, ist die Mischwirkung ungefähr so gut wie die von vier hintereinander angeordneten statischen Mischelementen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beispielhaft weiter beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 Draufsicht auf ein zylindrisches Mischelement

mit zylindrischen Kanälen.

Figur 2 Längsschnitt durch ein zylindrisches Mischelement (Schnittlinie A-B in Figur 1).

Figur 3 Längsschnitt durch ein zylindrisches Mischelement (Schnittlinie C-D in Figur 1).

Figur 4 Schematische Darstellung der überlappenden Kanäle an Kreuzungspunkten.

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Figur 5 Schematische Darstellung der überlappenden

Kanäle am Randbereich des Mischers (in Blickrichtung 4 in Figur 2).

Figur 6 Seitenansicht eines Mischelementes, wobei der Kanalquerschnitt die Form eines Langlochs hat.

Figur 7 Aufsicht auf das Mischelement in Figur 6.

Figur 8 Längsschnitt durch Mischelement von Figur 6 (Schnittlinie G-H in Figur 7).

Figur 9 Schnitt durch das Mischelement in Figur 6 (Schnittlinie E-F in Figur 6).

Figur 10 Schematische Darstellung der überlappenden Kanäle bei einem Kreuzungspunkt.

Figur 11 Schematische perspektivische Darstellung eines rotierenden Mischelementes.

5 Figur 12 Längsschnitt durch ein rotierendes Mischelement.

Figur 13 Seitenansicht eines Mischelementes mit versetzten Schlitzen.

Figur 14 Schnitt durch ein Mischelement nach Figur 13 (Schnittlinie I-K in Figur 13).

Figur 15 Mischelemente mit sich kreuzenden zylindrischen Bohrungen, die der Höhe nach gestaffelt angeordnet sind.

Figur 16 Schnitt durch ein Mischelement nach Figur 15 (Schnittlinie L-M in Figur 15).

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Figur 1 zeigt die Draufsicht auf den gebohrten, massiven Metallzylinder 1. Schräg zur Zylinderachse 2 verlaufen zylindrische Kanäle 3. Die Kanäle 3 liegen alle in Ebenen, die in diesem Beispiel parallel zu den Linien A-B bzw.C-D sind. Die Kanäle 3 sind in einer Ebene zueinander aber nicht zur Zylinderachse 2 parallel. Es ist erkennbar, daß sich die Querschnitte zweier sich kreuzender Kanäle teilweise überdecken.
In den Schnitten A-B bzw. C-D in den Figuren 2 und 3 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. In die Schnittebene ist jeweils auch die Zylinderachse 2 projiziert. Die Kanäle 3 in der Ebene A-B sind zu der Zylinderachse um den Winkel + O^ geneigt. Auch in dem Schnitt in Figur 3 beträgt die Neigung der Kanäle zur Zylinderachse betragsmäßig s>£, ; jedoch ist die Neigung umgekehrt, so daß dort der analoge Winkel mit -eibezeichnet ist. Der Abstand zweier benachbarter Ebenen ist mit a bezeichnet; der Durchmesser d eines Kanals ist größer als a. Die kleine Halbachse der Elipse in Figur 1 ist identisch mit dem Radius eines Kanals 3.

In Figur 4 ist die Überlappung der zylindrischen Kanäle 3 an den Kreuzungspunkten noch einmal schematisch dargestellt. Man hat sich hier vorzustellen, daß beispielsweise die Kanäle 5 und 6 von vorne links nach hinten rechts verlaufen, während die Kanäle 7 und 8 von vorne rechts nach hinten links verlaufen und sie sich in der Zeichenebene sowie in anderen dazu parallelen Ebenen darunter und darüber teilweise überdecken. Die überdekkung sollte vorzugsweise zwischen 1O und 30 % liegen.

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Ein schematischer Ausschnitt aus der Seitenwand des Mischelements in Blickrichtung 4 nach Figur 2 ist in Figur dargestellt. Hier kommt es auch an den Enden der Kanäle 3 zu kleinen Überschneidungen 11 mit den Anfängen der nächsten beiden oder mindestens eines anderen Kanals 3. Die äußeren Bohrungen können so weit außen liegen, daß ein offener Kanal gebildet wird (beispielsweise bei 12 in Figur 9).

Eine andere vorteilhafte Form des Mischelementes ist in den Figuren 6 bis 10 dargestellt. Das Mischelement unterscheidet sich neben der Größe der Kanäle vor allem durch die Querschnittsform der Kanäle. In den Figuren 1 bis 5 ist der Kanalquerschnitt kreisförmig; in den Figuren 6 bis 10 ist er langlochförmig, d.h. der Querschnitt besteht aus zwei Halbkreisflachen und einem diese verbindenden Rechteck. Die Neigung der Kanäle 13 zur Zylinderachse ist wieder mit +.<_ und -0C bezeichnet, der Abstand zweier benachbarter Ebenen ist so auf den Kanalquerschnitt abgestimmt, daß sich entsprechend Figur 10 Überschneidüngen 14 an den Kreuzungsstellen ergeben. Die tiberdeckung kann bis zu 40 % betragen, bevorzugt ist ein Bereich bis 30 %.

Die Schnittfläche des Längsschnittes nach Figur 8 ist in der Draufsicht in Figur 7 durch die Linie G-H angedeutet. Die Schnittfläche in Figur 9 ist in der Seitenansicht in Figur 6 durch die Linie E-F angedeu-

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tet. In Figur 9 ist die langlochartige Form der Kanäle 13 zu erkennen. Bei einem Schnitt wie in Figur 9 wird jeweils nur jede zweite Ebene, in der Kanäle liegen, dargestellt. In diesem Beispiel sind die Kanäle in dem Mischelement so angeordnet, daß bei dem gedachten Zusammenbau des Mischelementes aus einzelnen Ebenen, die ungeradzahligen bzw. die geradzahligen Ebenen so übereinander liegen, daß auch die Kanäle übereinander liegen. Bei ähnlichen Schnitten in den Figuren 14 bzw. 16 sind die Kanäle dagegen so versetzt, daß sie vorzugsweise auf Lücke angeordnet sind. Die Mischwirkung kann dadurch noch über den Querschnitt verbessert werden.

In den Figuren 11 und 12 sind Mischelemente dargestellt, die im Gehäuse 15 rotieren. Der Einsatz besteht aus dem erfindungsgemäßen zylindrischen Mischelement 16 und dem Antriebsstummel 17. Für bestimmte Anwendungsbereiche kann die eingezeichnete Drehrichtung 18 auch umgekehrt sein. Das Spiel des Mischelementes 16 im Gehäuse 15 ist gering.

Die Kanäle sind so gebohrt, daß an einer Seite, wie in Figur 11 schematisch angedeutet, offene Kanäle 20 entstehen, die aber an der anderen Seite über den größten Teil ihrer Länge ringsum geschlossen bleiben. In Figur 11 sind der Deutlichkeit halber nur je 2 seitliche Bohrungen aus 2 Ebenen eingezeichnet; die üblichen Bohrungen der gleichen Ebene, sowie die kreuzenden Bohrungen der übrigen Ebenen sind weggelassen. Zwischen den seitlich liegenden offenen Kanälen 20 sind Stege 21, die infolge der

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Umdrehung des Mischelements wie Schneckengänge eines Extruders wirken. An der anderen Seite entstehen durch die in der Figur nicht gezeichneten offenen Bohrungen der kreuzenden Kanäle ebenfalls Stege mit der Wirkung von Schneckengängen mit gleicher Steigung. Die Drehrichtung 18 kann so gewählt sein, daß die Stege wie eine Schnecke in der Durchflußrichtung des Produktes vorwärts oder rückwärts fördern. Solche an jeder Seite gleichsinnig fördernden oder bremsenden Stege sind zweckmäßig bei kurzen Drehkörpern. Bei längeren Drehkörpern kann es zweckmäßig sein, an jeder Seite jeweils die äußersten Kanäle der gleichen Schar parallel verlaufender Bohrungen als offene Kanäle auszubilden. Dann fördert der Mischer an einer Seite vorwärts, an der anderen rückwärts, was eine Zellenbildung mit entsprechender Rückvermischung ergibt. Die Länge eines rotierenden Mischelementes ist vorteilhafterweise länger als der doppelte Durchmesser des Elementes. Die äußeren Kanäle sollen vorteilhafterweise so angeordnet sein, daß sich am Umfang schräge Stege wie bei einer Schnecke ergeben, wobei der Restquerschnitt des offenen Kanals an der tiefsten Stelle mindestens 50 %, vorzugsweise 50 bis 66 % des Querschnittes der übrigen im Inneren des Körpers verlaufenden Kanäle ist.

in den Figuren 13 bis 16 sind wiederum zylindrische Mischelemente dargestellt, die sich von den Mischelementen in den Figuren 1 bis 12 dadurch unterscheiden, daß die zylindrischen bzw. schlitzförmigen Kanäle 23,24 versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind. Bei Schnitten wie in den Figuren 9,14 und 16, die senkrecht zu einer Schar

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der Kanäle in dem Mischelement verlaufen, kann die Lage der Kanäle 12,13,23,24 so zueinander sein, daß sie
in dieser Schnittdarstellung wie in einem rechteckigen
Gitter (Figur 9) oder aber auch wie in einem schiefwinkeligem Gitter (Figur 14,16) angeordnet sind. Die Anordnung auf Lücke ist dabei besonders bevorzugt. Die Überdeckung benachbarter Kanäle an den Kreuzungsstellen ist auch bei einem solchen "schiefwinkeligen" Gitter erfindungswesentlich und gegeben.

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Claims

Patentansprüche

j1)J Einsatz für Mischer, enthaltend mindestens 1 Paar sich kreuzender Kanäle, dadurch gekennzeichnet, daß

der Einsatz (1,16) aus Vollmaterial besteht, die Kanäle (3,5,6,7,8,12,13,19,20,23,24) in parallelen Ebenen parallel zueinander verlaufen, der Winkel p(, zwischen einem Kanal (3,5,6,7,8,12,13, 19,20,23,24) und der in diese Ebene projizierten Achse (2) des Einsatzes 20 bis 70°C, vorzugsweise 30 bis 60° beträgt,

dieser Neigungswinkel (£ der Kanäle zur Mischerachse in aufeinanderfolgenden Ebenen einmal positiv und einmal negativ ist, daß sich also die Kanäle benachbarter Ebenen kreuzen, also ein Gitter bilden, die Querschnitte der Kanäle (3,5,6,7,8,12,13,18, 20,23,24) so groß sind, daß sich benachbarte Kanäle an ihren Kreuzungspunkten bis zu 40 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, überdecken.

2} Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz zylindrisch ist.

3) Einsatz nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle zylindrische Bohrungen (3,5,6,7,8, 24) sind und die Überdeckung benachbarter Kanäle an ihren Kreuzungspunkten mindestens 10 % beträgt.

4) Einsatz nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle die Querschnittsform von Langlöchern oder Schlitzen (12,13,23) haben.

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ORIGINAL INSPECTED

5) Einsatz nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, daß bei einem Schnitt durch einen Einsatz senkrecht zu einer Schar Kanäle die Kanäle (12,13) übereinander liegen.

6) Einsatz nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schnitt durch den Einsatz senkrecht zu einer Schar Kanäle die Kanäle versetzt, vorzugsweise auf Lücke (23,24), angeordnet sind.

7) Verwendung der Einsätze nach Ansprüchen 1 bis 6 in statischen Mischern.

8) Statischer Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einsätze nach Ansprüchen 1 bis 6 hintereinander angeordnet sind, wobei die Einsätze so gegeneinander verdreht sind, daß die Ebenen, in denen die Kanäle liegen, von 2 aufeinanderfolgenden Einsätzen vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen.

9) Statische Mischer nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einsätzen nach Ansprüchen 1 bis 5 Zwischenräume in einem Abstand bis vorzugsweise 5 mal den Durchmesser der Elemente vorhanden sind.

10) Statische Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen Lochplatten oder Drahtgestricke vorhanden sind.

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11) Verwendung des Einsatzes nach Ansprüchen 2 bis 5 in dynamischen Mischern, wobei der Einsatz in einem Gehäuse rotiert und die äußeren Kanäle (12, 20) so angeordnet sind, daß in der Kanalmitte noch mindestens die Hälfte der ursprünglichen Kanalquerschnittsfläche vorhanden ist.

12) Verwendung des Einsatzes nach Ansprüchen 2 bis 5 als vorderen Portsatz einer Extruderwelle.

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