PL232145B1 - Mixing element - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest element mieszający, mający zastosowanie przede wszystkim w mieszalnikach statycznych. Uniwersalność proponowanej konstrukcji umożliwia jej stosowanie również w mieszalnikach wyposażonych w mieszadło mechaniczne. Głównym zastosowaniem elementu mieszającego jest prowadzenie procesu ciągłego mieszania mediów płynnych, wytworzenie układów wielofazowych oraz homogenizacja stężeniowa i temperaturowa.The subject of the invention is a mixing element that is used primarily in static mixers. The versatility of the proposed structure allows it to be used also in mixers equipped with a mechanical agitator. The main application of the mixing element is the continuous mixing of liquid media, the production of multi-phase systems as well as concentration and temperature homogenization.

Mieszalniki statyczne są powszechnie stosowane w przemyśle, szczególnie w miejscach niebezpiecznych bądź zagrożonych wybuchem, ponieważ nie zawierają one elementów ruchomych oraz dodatkowego źródła zasilania. Aparaty tego typu wymagają przepływu płynu, który może być wytwarzany przez pompy. Najpopularniejsze rozwiązanie konstrukcyjne mieszalników statycznych polega na zastosowaniu kanału o przekroju kołowym, do którego wprowadza się, w zależności od potrzeb, odpowiednią ilość nieruchomych elementów mieszających.Static mixers are widely used in industry, especially in hazardous or potentially explosive places, because they do not contain moving parts and an additional power source. This type of apparatus requires a fluid flow that can be produced by pumps. The most popular design solution for static mixers is to use a circular channel into which a suitable number of stationary mixing elements is inserted, depending on the needs.

Jeden z wariantów rozwiązania konstrukcyjnego mieszalników statycznych zakłada zastosowanie statycznych elementów mieszających (wkładek mieszających), zapewniających podział głównego strumienia przepływającego płynu na oddzielne podstrumienie; ich ciągły podział, przenoszenie oraz łączenie powodując w ten sposób wymieszanie strug płynu lub wytworzenie układu wielofazowego. Alternatywne podejście do konstrukcji mieszalników statycznych polega na wprowadzeniu do kanału rurowego żeber (przegród mieszających) w postaci prostych lub skręconych spiralnie listew o szerokości równej lub mniejszej niż promień kanału rurowego oraz przymocowaniu ich jedną krawędzią do ściany przewodu. Zadaniem tego typu listew jest wprowadzenie przepływającego przez przewód rurowy płynu w ruch wirowy oraz ukierunkowanie jego w kierunku promieniowym (tzn. do osi kanału) powodując w ten sposób zwiększenie burzliwości i efektywności procesu mieszania. Element mieszający pełni bardzo istotną rolę w mieszalnikach statycznych, ponieważ od niego może zależeć m.in. osiągany efekt końcowy prowadzonego procesu.One of the variants of the design of static mixers assumes the use of static mixing elements (mixing inserts), which ensure the division of the main stream of flowing fluid into separate sub-streams; their continuous division, transfer and connection, thus causing the mixing of fluid streams or the formation of a multiphase system. An alternative approach to the construction of static mixers is to insert into the pipe channel ribs (mixing baffles) in the form of straight or helically twisted slats with a width equal to or less than the radius of the pipe channel, and to fix them with one edge to the pipe wall. The task of this type of slats is to swirl the fluid flowing through the conduit and direct it in the radial direction (i.e. to the channel axis), thus increasing the turbulence and efficiency of the mixing process. The mixing element plays a very important role in static mixers, because it may depend on e.g. the achieved end result of the process being conducted.

Znany z patentu US5425581 mieszalnik statyczny posiada prostokątne skręcone elementy mieszające umieszczone w osi podłużnej aparatu. Elementy mieszające widziane w przekroju poprzecznym przed skręceniem mają kształt profilu lotniczego skrzydła. Profil jest najszerszy w przedniej części i zwęża się zgodnie z kierunkiem przepływu cieczy.The static mixer known from the patent US5425581 has rectangular twisted mixing elements placed in the longitudinal axis of the apparatus. The mixing elements seen in cross-section before twisting have the shape of a wing airfoil. The profile is widest at the front and tapers in the direction of the fluid flow.

Znany z patentu EP0678329 element mieszający składa się z cylindrycznego kanału w którym przepływa płyn. Kanał wyposażony został w naprzeciwlegle umieszczone listwy, skręcone spiralnie tak, że jedna krawędź ma kontakt z wewnętrzną ścianą kanału.The mixing element known from the patent EP0678329 consists of a cylindrical channel in which the fluid flows. The channel is equipped with opposing slats, twisted in a spiral so that one edge is in contact with the inner wall of the channel.

Znany z patentu DE 10322922 mieszalnik statyczny zawiera elementy mieszające umieszczone jeden za drugim wewnątrz rury. Każdy element mieszający składa się z podłużnej perforowanej przegrody, do której przytwierdzone są po obu jej stronach, dwa łuskowe elementy w postaci odcinka rury przeciętego osiowo. Przegroda posiada dwa otwory rozmieszczone symetrycznie w przekroju poprzecznym. Do każdego otworu przymocowana jest jedna łuska. Przepływający płyn po natrafieniu na łuskowy element kierowany jest nim w otwór przegrody i przepływa na jej drugą stronę.The static mixer known from DE 10322922 comprises mixing elements arranged one behind the other inside the pipe. Each mixing element consists of a longitudinal perforated partition to which are attached on both sides, two scale-like elements in the form of an axially cut pipe section. The partition has two openings arranged symmetrically in the cross-section. One shell is attached to each hole. The flowing fluid, after hitting the scale element, is directed with it into the opening of the septum and flows to its other side.

Niedogodnością dla znanych, opisanych powyżej rozwiązań konstrukcyjnych mieszalników wyposażonych w statyczne elementy mieszające jest mała efektywność procesu mieszania, wynikająca z podziału głównego strumienia na zbyt małą liczbę strug oraz wytworzenia zbyt dużych oporów przepływu, co powoduje znaczne starty ciśnienia. Dodatkową wadą niektórych rozwiązań konstrukcyjnych jest to, że konstrukcja przegród mieszających w mieszalniku statycznym powoduje zbyt duże zabudowanie w stosunku do przekroju poprzecznego kanału rurowego. Może to powodować utrudnienia w przepływie płynu lub całkowite zatkanie kanału, co negatywnie wpływa na jakość uzyskiwanego w procesie mieszania produktu.The disadvantage of the known, described above-described construction solutions of mixers equipped with static mixing elements is the low efficiency of the mixing process, resulting from the division of the main stream into too few streams and the creation of too high flow resistance, which causes significant pressure losses. An additional disadvantage of some design solutions is that the structure of the mixing baffles in the static mixer causes too much construction in relation to the cross-section of the pipe channel. This can cause difficulties in the flow of the fluid or complete blockage of the channel, which negatively affects the quality of the product obtained in the mixing process.

Element mieszający, według wynalazku, w postaci skręconej powierzchni, charakteryzuje się tym, że trójkątna powierzchnia skręcona jest o kąt 120°, a oś skręcenia przebiega prostopadle do podstawy trójkąta, w połowie jej długości.The mixing element according to the invention, in the form of a twisted surface, is characterized in that the triangular surface is twisted by an angle of 120 ° and the axis of rotation runs perpendicular to the base of the triangle, halfway along its length.

W innej odmianie elementu mieszającego trójkątna powierzchnia połączona jest za pomocą łącznika z drugą trójkątną powierzchnią, która jest odbiciem lustrzanym pierwszej trójkątnej powierzchni prostopadle do podłużnej osi, a następnie obrócona o 180° wokół tej osi. Trójkątna powierzchnia może być karbowana lub wyposażona w perforacje. Trójkątne powierzchnie mogą być trójkątem prostokątnym lub równoramiennym.In another variant of the mixing device, the triangular surface is connected by a connector to a second triangular surface, which is a mirror image of the first triangular surface perpendicular to the longitudinal axis, and then rotated 180 ° about that axis. The triangular surface may be notched or provided with perforations. Triangular surfaces can be right or isosceles triangles.

PL 232 145 B1PL 232 145 B1

Element mieszający według wynalazku wytwarza niesymetryczne obszary burzliwości w przepływającym płynie. Realizowane jest to poprzez zmianę szerokości elementu mieszającego oraz jego ułożenie w mieszanej objętości.The inventive mixing element produces asymmetrical turbulence regions in the flowing fluid. This is done by changing the width of the mixing element and arranging it in a mixed volume.

Element mieszający, według wynalazku przedstawiono na przykładach wykonania oraz rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok elementu mieszającego, fig. 2 - widok elementu mieszającego obróconego o 60°, fig. 3 - widok elementu mieszającego obróconego o 120°, fig. 4 - widok elementu mieszającego obróconego o 180°, fig. 5 - widok elementu mieszającego obróconego o 240°, fig. 6 widok elementu mieszającego obróconego o 300°, fig. 7 - widok modułu mieszającego, fig. 8 - widok modułu mieszającego obróconego o 60°, fig. 9 - widok modułu mieszającego obróconego o 120°, fig. 10 - widok modułu mieszającego obróconego o 180°, fig. 11 - widok modułu mieszającego obróconego o 240°, fig. 12 - widok modułu mieszającego obróconego o 300°, fig.13 przedstawia element mieszający w zbiorniku o przekroju kołowym, fig. 14 przedstawia element mieszający z dwóch trójkątnych powierzchni w zbiorniku o przekroju kołowym.The mixing element according to the invention is shown in the examples of embodiments and the drawing, in which fig. 1 shows a view of the mixing element, fig. 2 - a view of the mixing element rotated by 60 °, fig. view of the mixing device rotated by 180 °, fig. 5 - view of the mixing device rotated through 240 °, fig. 6. view of the mixing device rotated by 300 °, fig. 7 - view of the mixing module, fig. 8 - view of the mixing module rotated by 60 ° Fig. 9 is a view of the mixing module turned through 120 °, fig. 10 is a view of the mixing module turned through 180 °, fig. 11 is a view of the mixing module turned through 240 °, fig. 12 is a view of the mixing module turned through 300 °, fig. .13 shows the mixing element in a circular section vessel, Fig. 14 shows the mixing element with two triangular surfaces in a circular section vessel.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Element mieszający stanowi trójkątna powierzchnia 1, która jest trójkątem prostokątnym i skręcona jest o kąt 120°, a oś skręcenia przebiega prostopadle do podstawy 3 trójkąta (przyprostokątnej) w połowie jej długości. Druga przyprostokątna 4 w wyniku skręcenia tworzy linię śrubową, zaś przeciwprostokątna 5 tworzy krzywą łączącą wierzchołki trójkąta. Element mieszający montuje się w zbiorniku o przekroju kołowym. Wytwarza on niesymetryczne obszary burzliwości w przepływającym płynie poprzez zmianę szerokości trójkątnej powierzchni 1 oraz jego ułożenie w mieszanej objętości. Przepływający osiowo płyn przez zbiornik o przekroju kołowym natrafia na trójkątną powierzchnię 1, której podstawa 3 ma szerokość równą średnicy zbiornika, następnie wzdłuż osi zbiornika powierzchnia zwęża się ku jego ścianie. Zwężająca powierzchnia ma kształt spiralny wytwarzający dodatkowe zawirowania w płynie oraz powodujący dodatkowe mieszanie się strug płynu.The mixing element is a triangular surface 1, which is a right triangle and twisted by an angle of 120 °, and the axis of rotation runs perpendicular to the base 3 of the triangle (hypotenuse) halfway along its length. The second hypotenuse 4 forms a helix as a result of being twisted, and the hypotenuse 5 forms a curve joining the vertices of the triangle. The mixing element is mounted in a circular tank. It creates asymmetrical turbulence areas in the flowing fluid by changing the width of the triangular surface 1 and arranging it in the mixed volume. The axially flowing fluid through the circular tank meets the triangular surface 1, the base of which 3 has a width equal to the diameter of the tank, then along the tank axis the surface tapers towards its wall. The tapered surface is helical in shape creating additional turbulence in the fluid and additional mixing of the fluid streams.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Element mieszający stanowi trójkątna powierzchnia 1 połączona za pomocą łącznika 2 z drugą trójkątną powierzchnią 1', która jest odbiciem lustrzanym trójkątnej powierzchni 1 prostopadle do podłużnej osi, a następnie obrócona o 180° wokół tej osi.The mixing element is a triangular surface 1 connected by a connector 2 to a second triangular surface 1 ', which is a mirror image of the triangular surface 1 perpendicular to the longitudinal axis and then rotated by 180 ° about this axis.

Element mieszający umieszczono w zbiorniku o przekroju kołowym jak w przykładzie 1.The mixing device was placed in a circular vessel as in example 1.

Dwa tak ustawione elementy mieszające wytwarzają niesymetryczne obszary burzliwości. Wraz z przesuwaniem się wzdłuż osi podłużnej modułu następuje płynna zmiana obciążenia powierzchni z trójkątnej powierzchni 1 na 1'.The two so positioned mixing elements produce asymmetrical turbulence regions. Along with the movement along the longitudinal axis of the module, a smooth change of the surface load takes place from the triangular surface 1 to 1 '.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Element mieszający, jak w przykładzie 1, z tym, że na całej trójkątnej powierzchni 1 wykonano karbowanie w formie fali (sinusoidy) zorientowanej prostopadle do osi skręcenia. Karbowanie zwiększa burzliwość w przepływającym płynie, bezpośrednio w otoczeniu skręconej powierzchni przegrody mieszającej.The mixing device as in example 1, except that the entire triangular surface 1 was crimped in the form of a wave (sine wave) oriented perpendicular to the axis of rotation. The notching increases turbulence in the flowing fluid directly in the vicinity of the twisted surface of the mixing baffle.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Element mieszający, jak w przykładzie 1, z tym, że na całej trójkątnej powierzchni 1 wykonano szereg perforacji w formie prostokątnych otworów zorientowanych prostopadle do osi skręcenia. Perforacje powodują rozdzielenie przepływającego płynu na szereg dodatkowych strug, powodując w ten sposób zintensyfikowania procesu mieszania.Mixing element as in example 1, except that a series of perforations were made over the entire triangular surface 1 in the form of rectangular holes oriented perpendicular to the axis of rotation. The perforations separate the flowing fluid into a series of additional streams, thus intensifying the mixing process.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Element mieszający, jak w przykładzie 2, z tym, że na obydwóch trójkątnych powierzchniach 1,1' wykonano karbowanie w formie fali (sinusoidy) zorientowanej prostopadle do osi skręcenia.Mixing device as in Example 2, except that both triangular surfaces 1,1 'were crimped in the form of a wave (sine wave) oriented perpendicular to the twist axis.

P r z y k ł a d 6P r z k ł a d 6

Element mieszający, jak w przykładzie 2, z tym, że na obydwóch trójkątnych powierzchniach 1,1' wykonano szereg perforacji w formie prostokątnych otworów zorientowanych prostopadle do osi skręcenia.Mixing element as in example 2, except that a series of perforations were made on both triangular surfaces 1,1 'in the form of rectangular holes oriented perpendicular to the axis of rotation.

P r z y k ł a d 7P r z k ł a d 7

Element mieszający jak w przykładzie 1, z tym, że trójkątna powierzchnia 1 jest trójkątem równoramiennym i skręcona jest o kąt 120°, a oś skręcenia przebiega prostopadle do podstawy trójką w połowie jej długości.Mixing device as in example 1, except that the triangular surface 1 is an isosceles triangle and is twisted through an angle of 120 ° and the axis of rotation runs perpendicular to the base of the triangle at half its length.

PL 232 145 B1PL 232 145 B1

P r z y k ł a d 8P r z k ł a d 8

Element mieszający jak w przykładzie 2, z tym, że trójkątna powierzchnia 1 i trójkątna powierzchnia 1' jest trójkątem równoramiennym i skręcona jest o kąt 120°, a oś skręcenia przebiega prostopadle do podstawy trójką w połowie jej długości.Mixing device as in example 2, except that the triangular surface 1 and the triangular surface 1 'are isosceles triangle and twisted through an angle of 120 °, and the axis of rotation is perpendicular to the base of the triangle at half its length.

Zastrzeżenia patentowePatent claims

Claims (6)

1. Element mieszający w postaci skręconej powierzchni, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1) skręcona jest o kąt 120°, a oś skręcenia przebiega prostopadle do podstawy trójkąta, w połowie jej długości.A mixing element in the form of a twisted surface, characterized in that the triangular surface (1) is twisted by an angle of 120 ° and the twist axis runs perpendicular to the base of the triangle, halfway along its length. 2. Element mieszający według zastrz. 1, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1) połączona jest za pomocą łącznika (2) z drugą trójkątną powierzchnią (1'), która jest odbiciem lustrzanym trójkątnej powierzchni (1) prostopadle do podłużnej osi, następnie obrócona o 180° wokół tej osi.2. A mixing element according to claim A device according to claim 1, characterized in that the triangular surface (1) is connected by means of a connector (2) to the second triangular surface (1 '), which is a mirror image of the triangular surface (1) perpendicular to the longitudinal axis, then rotated by 180 ° about this axis . 3. Element mieszający według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1,1') jest karbowana.3. A mixing element according to claim The process of claim 1 or 2, characterized in that the triangular surface (1,1 ') is crimped. 4. Element mieszający według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1,1') posiada perforacje.4. A mixing element according to claim The process of claim 1 or 2, characterized in that the triangular surface (1,1 ') has perforations. 5. Element mieszający według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1,1') jest trójkątem prostokątnym.5. A mixing element according to claim The method of claim 1 or 2, characterized in that the triangular surface (1,1 ') is a right triangle. 6. Element mieszający według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że trójkątna powierzchnia (1,1') jest trójkątem równoramiennym.6. A mixing element according to claim The method of claim 1 or 2, characterized in that the triangular surface (1,1 ') is an isosceles triangle.