DE3316971A1

DE3316971A1 - Mischvorrichtung fuer materialien unterschiedlicher viskositaet

Info

Publication number: DE3316971A1
Application number: DE19833316971
Authority: DE
Inventors: Leonard Tony 90807 Long Beach Calif. King
Original assignee: Komax Systems Inc
Current assignee: Komax Systems Inc
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1983-05-09
Publication date: 1983-11-17
Also published as: GB8311846D0; FR2526673B1; JPS58207934A; GB2120113A; FR2526673A1; CA1198413A; GB2120113B; JPS6158214B2

Description

Mischvorrichtung für Materialien unterschiedlicher Viskosität

Beschreibung

Es ist weitgehend üblich, teilchenförmige Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase mit Hilfe bewegungsloser Mischvorrichtungen zu vermischen, die, wie der Name sagt, keine beweglichen Teile aufweisen. Derartige M₁* schvorrichtungen arbeiten mit Leitflächen unterschiedlicher Art, die hintereinander in einem Rohr oder Schlauch angeordnet sind. Durch einen Prozeß der Teilung und Wiedervereinigung läßt es sich erreichen, daß die zugeführten getrennten Komponenten am Ausgang der Vorrichtung miteinander vermischt oder ineinander dispergiert sind.

Es ergeben sich allerdings häufig Schwierigkeiten, wenn Materialien von sehr unterschiedlicher Viskosität und/oder Fließgeschwindigkeit miteinander vermischt werden sollen. Auf dem Gebiet der Polymere ist es z.B. manchmal erforderlich, sehr kleine Quantitäten eines Materials mit geringer Viskosität mit einer sehr viel größeren Quantität eines Materials mit hoher Viskosität zu vermischen. Hierbei zeigt das Material mit geringer Viskosität die Tendenz, sich tunnelartig zwischen den Mischelementen hindurchzubewegen, ohne sich in erheblichem Ausmaß mit dem eine hohe Viskosität aufweisenden Material zu vermischen. Beispielsweise könnte es erwünscht sein, einen mit einer Geschwindigkeit von etwa 26,5 ltr/min fließenden Strom eines Polymers mit einer Viskosität von 30 Millionen Centipoise mit einem zweiten Strom zu vermischen, der sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,13 ltr/min bewegt und aus einem Material mit einer Viskosität von 6 Centipoise besteht. ^:

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Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um am Punkt: der Einspritzung des eine geringe Viskosität aufweisenden Materials einen anfänglichen Grad der Dispergierung oder Vermischung zu erzielen« Zu diesen Versuchen zählt ζ f. Bo die Verwendung einer Vielzahl von um den Umfang eines Rohres verteilten Einspritzöffnungen ο Ein zweiter Lösungsversuch bestand darin_? für das Material geringer Viskosität ein Rohr mit relativ kleinem Durchmesser zu verwenden, das sich quer durch das das Material hoher Viskosität enthaltende Hauptrohr erstreckt„ Das Rohr kleinen Durchmessers weist mehrere Öffnungen zum Einspritzen des Materials mit niedriger Viskosität auf_o Ein. gemeinsames Problem derartiger Vorrichtungen mit parallel verlaufenden Auslaßwegen besteht darin, daß die Einspritzöffnungen für das Material geringer Viskosität sich verschieden stark ver« stopfen, was zu einer asymmetrischen Verteilung führte

Bekanntlich besteht einer der Mechanismen, die das Mischen von Materialien gestatten, in der Diffusion_o Bei Materialien hoher Viskosität_s die gewöhnlich einen laminaren Strom erzeugen, sind jedoch die Diffusionsgeschwindigkeiten sehr klein«. Es ist bekannt, daß die StoffÜbergangsgeschwindigkeit N der diffundierenden Komponente j gemessen in Mol pro Sekunde pro Flächeneinheit, gleich dem Produkt des Diffusionsvermögens D und des lokalen Konzentrationsgradienten «3— ist«, Daher gilt;

N -^ D ^dC

Da D bei einem Material hoher Viskosität klein ist_s muß der Konzentrationsgradient ^p groß gemacht werden, um den Wert

der Stoff Übergangsgeschwindigkeit N zu maxirnieren<,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bewegungslose Mischvorrichtung ohne die Nachteile entsprechender Vorrichtungen bekannter Art zu schaffen«, Weiterhin soll durch die Erfindung eine bewegungslose Mischvorrichtung geschaffen werden, die sich besonders zum Vermischen von zwei oder mehr Fluiden

von sehr unterschiedlicher Viskosität eignet. Außerdem soll
eine Vorrichtung der genannten Art geschaffen werden, bei der die StoffÜbergangsgeschwindigkeit N maximiert wird, um die Diffusion zwischen den zu mischenden Fluiden zu verbessern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 die Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 1; und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einer abgeänderten Zuführungsöffnung für das eine geringe Viskosität aufweisende Fluid.

Gemäß der weiter oben gegebenen Gleichung kann die Stoffübergangszahl N vergrößert werden, in dem man dr verkleinert. Im Prinzip läßt sich dies dadurch erreichen, daß man ein Rohr
mit relativ kleinern Durchmesser quer durch ein größeres Rohr oder einen Schlauch verlaufen läßt, wobei das Rohr mit kleinem Durchmesser einen schmalen Längsschlitz aufweist. Die durch den Schlitz austretende Fluidkomponente würde in diesem Fall die Form sehr dünner Schichten annehmen, doch auch bei dieser Lösung wurden sich die oben erwähnten Problerne der Verstopfung einstellen.

Zur Lösung dieser Probleme ist eine Vorrichtung geschaffen worden, die aus einem langgestreckten, hohlen, rohrförmigen Bauteil besteht, das an einem Punkt zwischen seinen Enden eine
Einschnürung mit einer Mischzone aufweist, v/elch letztere
(a) mindestens zwei vorzugsweise im wesentlichen zylindrische öffnungen aufweist, deren Achsen irn wesentlichen parallel zur Achse des ein erstes Material aufnehmenden rohrförmigen Bauteils verlaufen, sowie (b) eine Zuführungsöffnung zum Abgeben

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des zweiten Fluids, die im wesentlichen zwischen den genannten beiden Öffnungen an oder nahe ihrem Berührungspunkt angeordnet ist.

Gemäß Fig. 1 gehört zu der Mischvorrichtung 10 ein hohles, rohrförmiges Bauteil 1, das bei 9 eingeschnürt ist, wobei di-i Einschnürung beispielsweise zwei Öffnungen 5, 6 aufweist, durch welche ein Material relativ hoher Viskosität strömt« Die Querschnitte der Öffnungen sind zwar kreisrund dargestellt, doch braucht dies nicht der Fall zu sein.,

Die Eintrittsöffnung 15 für das Fluid niedriger Viskosität besteht aus einer Öffnung in dem Rohr 20, das sich gemäß den Zeichnungen radial durch die Seitenwände des langgestreckten, hohlen, rohrförmigen Bauteils 1 erstreckt» Das Fluid geringer Viskosität tritt durch das Rohr 20 in die erfindungsgemäße bewegungslose Mischvorrichtung ein, wobei seine Eintrittsgeschwindigkeit durch nicht gezeigte Pumpeinrichtungen regelbar ist _s

Gemäß Fig_o 1 und 2 erstreckt sich das Rohr 20 radial durch das rohrförmige Bauteil 1, und zwar durch die Mittelpunkte beider Öffnungen 5 und 6„ Diese Anordnung ist aus Gründen der Symmetrie getroffen worden» Es ist jedoch auch möglich, das Rohr 20 an anderen Punkten·durch die Seitenwände des rohrförmigen Bauteils 1 zu führen, Z₀B₀ um 90° gegenüber der gezeigten Position versetzt, und auch hierbei die erwünschten günstigen Mischbedingungen zu erzielen«

Ohne die Öffnungen 5 und 6 würde ein durch die Einlaßöffnung 15 in den Fluidstrom hoher Viskosität eintretendes Fluid geringer Viskosität beim Strömen der Fluide durch das hohle, rohrförmige Bauteil 1 einfach einen dünnen, fadenförmigen Strom bilden» Bei Anwendung der Erfindung hat es sich jedoch überraschenderweise gezeigt,, daß das eine geringe Viskosität aufweisende Fluid 20 eine langgestreckte, ebene Schicht über den

Rohrdurchmesser hinweg bildet, durch welche die molekulare Diffusion zwischen den Fluiden mit geringer und hoher Viskosität erheblich verbessert wird. Die für die Diffusion zur Verfugung stehende Fläche wird in typischen Fällen um das 25- bis 50-fache vergrößert, und gleichzeitig wird der Wert von ~p- erhöht.

Wie bereits gesagt, läßt sich die Erfindung mit besonderem Vorteil beim Mischen von Materialien mit stark unterschiedlicher Viskosität anwenden. Im Idealfall sollte das Verhältnis zwischen den Viskositäten des ersten und des zweiten Materials etwa 1000:1 oder mehr betragen, damit die erfindungsgemäße bewegungslose Mischvorrichtung mit größtem Vorteil angewendet werden kann.

Die die Mischzone bildende Einschnürung 9, in der die zwei oder mehr Öffnungen ausgebildet sind, kann verschiedene Formen aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die Seitenwände der Einschnürung 9 radial rechtwinklig zum Umfang des rohrförmigen Bauteils 1 verlaufen, ein Teil der zu mischenden Fluide sich in toten Zonen nahe den inneren Seitenwänden des rohrförmigen Bauteils ansammeln kann. Es ist daher vorzuziehen, gemäß Fig. 1 die Seitenwände der Einschnürung 9 abzuschrägen, wobei die Abschrägung gewöhnlich unter einem Winkel von 45° zur Mittellinie des hohlen, rohrförmigen Bauteils 1 verläuft.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der anstatt eines einzigen Loches 15 als Eintrittsöffnung für das Material geringer Viskosität nach Fig. 1 und 2 die Eintrittsöffnung nach Fig. 3 in Form einer an den distalen Enden einer massiven Stange 4 und eines Rohres 3 vorgesehenen Öffnung ausgebildet ist. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen erstrecken sich das Rohr und die massive Stange radial durch die Seitenwände des langgestreckten rohrförmigen Bauteils 1. Material geringer Viskosität wird durch das Rohr der bewegungslosen Mischvorrichtung nach der Erfindung zugeführt, wobei

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seine Austrittsgesshwindigkeit in direkter Beziehung zu dem Abstand zwischen den distalen 1','ndon des Rohres und der S

Der Verteil der AusfUhrungsform nach Fig» 3 gegenüber derjenigen naeh Pig* 1 und 2 besteht einfach in der leichten Regelbar« K§it der guführungsgeschwindigkeit des Materials geringer Viskosität sowie auch darin, daß sich eine Verstopfung der Zuftihrungsiöffnung leichter verhindern läßt. Dadurch, daß man das Rohr- 3 und die Stange 4 miteinander in Berührung bringt, läot sieh e!a§ offene Ende des Rohres bis zu einem gewissen Grade reinigen, wMhrend sum gründlichen Reinigen das Rohr von dem r-©hpförmig©n Bauteil 1 entfernt wird.

Die @E"fin.dungsgemäße Vorrichtung läßt sich mit besonderem Vorteil dann anwenden, wenn sie stromaufwärts von einer Mischvorrichtung bekannter Art eingesetzt wird. Das Mischen von Pluiden hoher und niedriger Dichte ist aus den oben angegebenen Gründen schwierig, besonders wenn mit Vorrichtungen bekannter Art gearbeitet wird. Dadurch, daß man die erfindungsgemäße Mischvorrichtung für swei Stoffe unterschiedlicher Viskosität stromaufwärts von einer Xn-line-Mischvorrichtung, einer statischen oder einer bewegungslosen Mischvorrichtung anordnet, wird der Vorrichtung ein Fluidstrom zugeführt, der aus einem

hoher Dichte mit einer Schicht teilweise vorgemischten Materials geringer Viskosität besteht; hierdurch wird eine erheblich verbesserte endgültige Vermischung erreicht.

Die Einschnürungen 5 und 6 brauchen nicht die in den Figuren gezeigten kreisrunden Querschnitte zu haben. Vielmehr kann praktisch jede Formgebung mit gekrümmtem Umfang angewandt werden« Bei den zahllosen in Frage kommenden Möglichkeiten kann nicht auf jede einzelne Ausführungsform eingegangen werden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zwar voll zur Erreichung der gestellten Ziele und Vorteile geeignet, doch sei bemerkt, daß sie nur als Beispiele und nicht sum Zweck der Einschränkung dienen.

Lee

rseite

Claims

!ölvorrichtung sum Mischen von zwei oder mehr Fluiden in Form eines langgestreckten, hohlen, rohrförmigen Bauteils, das zwischen seinen Enden eine Mischzone aufweist, gekennzeichnet

dia-rch:

eiae Einschnürung in- der i-iiscfazone mit

(A) mindestens zwei Öffnungen (5, 6), deren Achsen im wesentlichen parallel zur Achse des ein· erstes Fluid aufnehmenden rohrförmigen Bauteils (1) verlaufen j und

(B) eine zum Abgeben eines zweiten Fluids dienende Fluid» eintrittsöffnung (15), die im wesentlichen zwischen den zylindrischen Öffnungen liegt«

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SeitenitfMnde der Einschnürung (9) gegenüber den Seitenwänden des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) schräg verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einscnnürungswände gegenüber den Seitenwänden des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) unter etwa 45° verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (15) für das zweite Fluid aus einer an den distalen Enden einer massiven Stange (4) und eines hohlen Rohres (3) ausgebildeten Öffnung besteht, wobei sich die Stange und das Rohr radial durch die Seitenwände des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluideintrittsoffnung (15) aus einem Loch in einem Rohr (20) besteht, das durch die Mittelpunkte beider Öffnungen (5, 6) verläuft und sich radial durch die Seitenwände des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Viskositäten des ersten und des zweiten Fluids mindestens etwa 1000:1 beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Mischzone zwei Öffnungen (5, 6) gehören und daß die massive Stange (4) und das Rohr (3), die die zweite Eintrittsöffnung (15) bilden, sich durch den Körper und die Seitenwände des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) zwischen den beiden Öffnungen erstrecken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungen (5, 6) im wesentlichen zylindrisch sind»

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fluideintrittsoffnung (15) aus einer an den distalen Enden einer massiven Stange (4) und eines hohlen Rohres (3) ausgebildeten Öffnung besteht, wobei sich die massive Stange und das Rohr radial durch die Seitenwände des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) erstrecken.

1Ο-Ο- Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet;, daß zu der "Mischzone zwei im wesentlichen zylindrische Öffnungen (5, 6) gehören und daß die massive Stange (4) und das Rohr (3), welche die zweite Eintrittsöffnung (15) bilden, sich durch die Mittelpunkte beider Öffnungen und radial durch die SeitenwMnde des langgestreckten rohrförmigen Bauteils (1) erstrecken,,

Ho Vorrichtung .zum Mischen von zwei oder mehr Fluiden mit einem langgestreckten,.hohlen, rohrförmigen Bauteil, das zwischen seinen Enden eine Einschnürung Mischzone aufweist, gekeaazeicfaräet durchs ..-..-- ■-■--.. ■

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(hi mindestens zwei Öffnungen (5, 6), deren. Achsen im wesentlichen parallel zur Achse des ein erstes Fluid aufnehmenden rohrförmigen Bauteils Cl) verlaufen;

(B) eine, zum .Abgeben eines zweiten Fluids dienende Fluideintrittsöffnung (.1.5), die im wesentlichen zwischen den zylindrischen Öffnungen liegt; und

(C) eine stromabwärts von dem langgestreckten rohrförmigen Bauteil angeordnete gesonderte Mischvorrichtung, die aus der Gruppe gewählt 1st,- zu der eine In-line-Mischvorrichtung, eine: statische.-und eine bewegungslose Mischvorrichtung gehören,