Statischer Mischer mit profilierten Lagen

Abstract

 Der statische Mischer umfasst profilierte Lagen (1, 2), die in einem Ringraum (3) angeordnet sind und die zu einer Zentralachse (z) geneigte, sich kreuzende Strömungskanäle (14, 24) enthalten. Ein Fluidgemisch (4) ist in Achsrichtung unter einer Mischeinwirkung zu transportieren. Jede Lage erstreckt sich über eine Fläche, die quer zur Achse (z) einen geschlossenen oder weitgehend geschlossenen Umfang bildet. Jede Lage umfasst äquivalente Kanäle (14, 14', 24 bzw. 24'), die sich auf einer inneren oder äusseren Seite der Lage über zumindest angenähert gleich lange Strecken von einem ersten zu einem zweiten Querschnitt des Ringraums erstrecken, so dass jeder Kanal dem ihn durchströmenden Fluidgemisch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente (40, 41) aufzwingt, die für alle äquivalenten Kanäle im wesentlichen gleich gross ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer mit profilierten Lagen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie Verwendungen eines solchen Mischers.

[0002] In statischen Mischem werden mittels feststehender Einbauten Fluide, die diese Einbauten durchstömen, homogenisiert. Es gibt eine Vielfalt von Bauformen. Bei den meisten statischen Mischern sind die Einbauten in Form gleichartiger Elemente in einem Rohr oder einem Kanal eingebaut. Sie sind dabei regelmässig angeordnet, so dass sich über den ganzen Rohrquerschnitt eine Homogensierung der zu mischenden Komponenten ergibt. Es sind auch statische Mischer bekannt, bei denen die Einbauten jeweils in einem Ringraum zwischen zwei konzentrischen Wänden angeordnet sind. In einem Übersichtsartikel mit dem Titel "Statische Mischer und ihre Anwendung" (M. H. Pahl, E. Muschelknautz; Chem.-Ing.-Techn. 52 (1980) Nr. 4, S. 285 - 291) ist ein Mischer dieser Art beschrieben (Abb. 1e): Eine Serie von jeweils vier verdrillten Leitblechen sind abwechselnd links- und rechtsgängig auf einem zylindrischen Innenkörper befestigt.

[0003] Aus der EP-A 0 697 374 (= P.6642) ist ein statischer Mischer mit einer Ringraumform bekannt, in dem gewellte Lagen eine Kreuzkanalstruktur mit geneigten, sich offen kreuzenden Strömungskanälen bilden. Die Lagen sind eben und parallel zu einer Hauptströmungsrichtung.

[0004] Es gibt Problemstellungen im Zusammenhang mit Homogenisierungen von Fluiden, für deren Lösung sich Ringraummischer als besonders vorteilhaft anbieten. Ein Beispiel: Bei Bohrungen nach Erdöl und/oder Erdgas wird ein Bohrkanal erzeugt, bei dem zwischen einem Mantelrohr und einem Bohrgestänge ein ringraumförmiger Kanal offen bleibt. Durch den Ringraum wird in axialer Richtung Material gefördert, das beim Bohrkopf freigesetzt wird und das ein Fluidgemisch aus Flüssigkeiten (Wasser, Erdöl) und Gasen umfassen kann. In der Tiefe und in einem vertikalen Abstand von den Lagerstätten wird der Vortrieb solcher Bohrungen in der Regel aus der vertikalen Richtung in eine Richtung umgelenkt, in der die Bohrung im Extremfall horizontal verläuft. Es wird eine Vielzahl solcher Bohrungen hergestellt, die strahlenförmig von einer zentralen Bohrung gegen die Peripherie eines Feldes führen, aus dem Erdgas und/oder Erdöl gewonnen werden soll. Beim Fördern der zu gewinnenden Stoffen liefern die einzelnen Bohrungen in der Regel Stoffgemische unterschiedlicher Qualität. Es sind zur Überwachung der Qualität Überwachungsgeräte vorgesehen, die in den Bohrkanälen bis zur Tiefe der Lagerstätten eingeschoben werden. Mit Hilfe von Sensoren in den Überwachungsgeräten können die Anteile der Phasen (Oel, Wasser und/oder Gas) im durchströmenden Fluidgemisch bestimmt werden.

[0005] Um repräsentative Messresultate sicherzustellen, ist es bei der Überwachung der Qualität erforderlich, dass die verschiedenen Phasen des Fluidgemisches, die unterschiedliche Dichten haben, mit einer gleichmässigen Verteilung durch die Messbereiche der Sensoren strömen. Daher sind in einem dem Überwachungsgerät vorgelagerten Homogenisierungsbereich statische Mischerelemente einzubauen. Da in einem horizontalen oder geneigten Rohr verschieden dichte Phasen sich entmischen, muss der statische Mischer so ausgebildet sein, dass eine solche Entmischung weitgehend verhindert wird oder - falls bereits eingetreten - rückgängig gemacht werden kann. Den bekannten Ringraummischern fehlt diese Eigenschaft weitgehend.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen statischen Mischer für ein Fluidgemisch zu schaffen, das aus Phasen unterschiedlicher Dichte besteht und das in axialer Richtung durch einen Ringraum zu transportieren ist, wobei die Achse des Ringraums horizontal oder geneigt sein kann. Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten Mischer gelöst.

[0007] Der statische Mischer umfasst profilierte Lagen, die in einem Ringraum angeordnet sind und die zu einer Zentralachse geneigte, sich kreuzende Strömungskanäle enthalten. Ein Fluidgemisch ist in Achsrichtung unter einer Mischeinwirkung zu transportieren. Jede Lage erstreckt sich über eine Fläche, die quer zur Achse einen geschlossenen oder weitgehend geschlossenen Umfang bildet. Jede Lage umfasst äquivalente Kanäle, die sich auf einer inneren oder äusseren Seite der Lage über zumindest angenähert gleich lange Strecken von einem ersten zu einem zweiten Querschnitt des Ringraums erstrecken, so dass jeder Kanal dem ihn durchströmenden Fluidgemisch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente aufzwingt, die für alle äquivalenten Kanäle im wesentlichen gleich gross ist.

[0008] Die abhängigen Ansprüche 2 bis 8 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Mischers. Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Mischers sind jeweils Gegenstand der Ansprüche 9 und 10.

[0009] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

zwei konzentrische Lagen eines erfindungsgemässen Mischers, die eine Kreuzkanalstruktur bilden,

Fig. 2

ausschnittsweise einen Querschnitt durch den erfindungsgemässen Mischer,

Fig. 3

ein Stück einer gefalteten Folie, die sich zur Ausbildung einer Lage des erfindungsgemässen Mischers eignet,

Fig. 4

die Folie der Fig. 3 vor dem Falten mit eingezeichneten Faltkanten,

Fig. 5

eine Konfiguration mit mehreren Mischerelementen, die einen erfindungsgemässen Mischer bilden,

Fig. 6

ein Mischerelement nach dem Stand der Technik, das radiale Lagen einer Kreuzkanalstruktur enthält,

Fig. 7

eine stark vereinfachte Darstellung der Konfiguration der Fig. 5,

Fig. 8 - 10

weitere Konfigurationen.

[0010] Die Figuren 1 und 2 zeigen zu einem erfindungsgemässen Mischer mit zwei konzentrische Lagen 1 und 2 ein Schrägbild der Lagen und einen Querschnitt. Die beiden Lagen 1, 2, die zusammen genommen ein Mischerelement 30 bilden, sind in einem Ringraum 3 zwischen einem Mantelrohr 10 und einem Innenrohr 20 angeordnet. In Fig. 1 sind eine Zentralachse z und ein Winkel ϕ (= Azimut) eingezeichnet. In Fig. 2 sind die Breiten der Lagen 1 und 2 mit a bzw. b bezeichnet, die entsprechenden Ringflächen mit A und B. Die Lagen 1, 2 bilden eine Kreuzkanalstruktur mit sich offen kreuzenden Strömungskanälen 14 und 24; dort findet eine Durchmischung statt. Die randständigen Kanäle 14' und 24' erzwingen eine azimutale Umlagerung. Jede Lage 1, 2 erstreckt sich über eine Fläche, die quer zur Achse z einen geschlossenen Umfang bildet. Die Kanäle 14, 14', 24 bzw. 24' bilden jeweils äquivalente Kanäle: Sie erstrecken sich auf einer inneren oder äusseren Seite der Lage 1, 2 über gleich lange Strecken von einem ersten zu einem zweiten Querschnitt des Ringraums, so dass die Kanäle dem sie durchströmenden Fluidgemisch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente 40 bzw. 41 aufzwingen, die in allen äquivalenten Kanälen weitgehend gleich gross ist. Es sei nun angenommen, dass die Zentralachse z horizontal ausgerichtet ist und ein Gas/Flüssigkeitsgemisch teilweise entmischt in das Mischerelement 30 einströmt. Dank der azimutalen Geschwindigkeitskomponenten 40 und 41 wird die Gasphase nach unten, die Flüssigkeitsphase nach oben befördert, so dass sich eine Vermischung der beiden Phasen ergibt. Eine Inhomogenität nimmt dank den azimutalen Geschwindigkeitskomponenten 40 und 41 stark ab.

[0011] Die Lagen 1, 2 müssen nicht notwendigerweise längs ihres Umfangs vollständig geschlossen sein. Es genügt, wenn die Lagen aus zu Zylindern geformten Streifen gebildet sind, deren in axialer Richtung verlaufenden Streifenenden jeweils eine Stossstelle bilden. Statt der Stossstelle darf auch eine Lücke oder eine Überlappung vorliegen. Zwischen den Lagen 1, 2 kann auch ein Blech eingelegt sein, so dass sich die Kanäle 14, 24 nicht offen kreuzen. In diesem Fall wird das Fluidgemisch durch die Kanäle in verschieden gerichtete Teilströme unterteilt; eine Vermischung findet nach Austritt aus dem Mischerelement 30 statt.

[0012] Die Lagen 1, 2 können durch Falten von Materialstreifen hergestellt werden. Dabei wird jeder gefaltete Streifen zu einem Zylinder geformt, der an einer seitlichen, in Achsrichtung orientierten Stossstelle vollständig oder - bis auf einen schmalen offenen Streifen - beinahe vollständig geschlossen ist. Die Profilierung der Lagen 1, 2 wird mit Vorteil so ausgebildet ist, dass die Kanalwände an der genannten Stossstelle aufeinander passen.

[0013] Fig. 3 zeigt ein Stück einer gefalteten Folie 1', das Teil einer Lage 1 des erfindungsgemässen Mischers ist. Die gleiche Folie (1') in nicht gefaltetem Zustand ist in Fig. 4 abgebildet. Zwischen einer äusseren Faltkante 11 (als Doppellinie dargestellt) und einer inneren Faltkante 12 (Doppellinie) liegt ein angenähert parallelogrammförmiges Flächenstück 16, bei dem die durch die Faltkanten 11 und 12 gebildeten Seitenränder nur näherungsweise parallel zueinander sind. In diesem Flächenstück 16 ist eine diagonale Faltkante 6 (einfache Linie) vorgesehen. Die Faltkante 6 teilt das Flächenstück 16 in zwei Dreiecke 16a und 16b, die zwischen den Kanten 11 und 6 bzw. 12 und 6 liegen. Dank der diagonalen Faltkante 6 sind die beiden Dreiecke 16a und 16b eben ausgebildet. Es kann auch die andere Diagonale des Flächenstücks 16 als Faltkante gewählt werden.

[0014] Bei richtiger Wahl der Abmessungen, die sich berechnen oder mit Methoden der darstellenden Geometrie bestimmen lassen, lässt sich der Streifen 1' der Fig. 4 so falten, dass die Kanten 12 eine zylindrische Fläche 5 (beispielsweise die Oberfläche der Innenwand 20 in Fig. 2) auf einem Kreis 50 in Punkten 15 berühren. Jede Kante 12 schneidet den Kreis 50 im gleichen Winkel. Die freien Enden 13 der Lage 1 und der Kreis 50 liegen auf parallelen Ebenen (nicht dargestellt), bezüglich denen die z-Achse senkrecht steht. Im ungefalteten Zustand, siehe Fig. 4, bilden die freien Enden 13 eine Zickzacklinie.

[0015] Im gefalteten Zustand besteht am Ende 13 eine Lücke zwischen den Faltkanten 12 und der Zylinderfläche 5, deren senkrecht zur Zylinderfläche 5 gemessene Breite in Fig 3 mit c bezeichnet ist. Je kleiner die Höhe h der Lage 1 ist, desto kleiner ist c. Die Höhe h soll so gross gewählt werden, dass sich die Kanten 11 und 12 der Lagen 1 bzw. 2 mindestens zweimal kreuzen, so dass sich die Lagen 1, 2 an den Kreuzungspunkten miteinander verbinden lassen. Die genannte Lücke der Breite c soll möglichst klein und folglich die Höhe h kurz sein. In der Ausführungsform der Fig. 1 ist dies nicht der Fall. Daher ist dort eine Taillierung der Lage 1 gut erkennbar. Eine Taillierung liegt zwar immer vor; sie soll aber weniger ausgeprägt als in Fig. 1 sein. Durch geeignete Wahl der Lagenbreite a und des Neigungswinkels der Faltkanten 11, 12 kann eine optimale Höhe h bestimmt werden.

[0016] Um eine gute Mischwirkung zu erzielen, wird eine Vielzahl von Mischerelementen 31, 32, 33, die kleine Höhen h haben, axial aufeinander folgend angeordnet: siehe Fig. 5 Damit auch eine radiale Vermischung möglich ist, können Mischerelemente 7 eingeschoben werden, die radiale, ebenfalls eine Kreuzkanalstruktur bildende Lagen 71, 72 enthalten: Fig. 6. Solche Mischerelemente 7 sind bereits bekannt.

[0017] Umfasst der erfindungsgemässe Mischer mindestens zwei hintereinander angeordnete Mischerelemente 31, 32, so können diese azimutal gegeneinander versetzt angeordnet werden. An der Stossstelle 80 (Fig. 5) der Mischerelemente 31, 32 bestehen dann zwischen Lagen 1, die in axialer Richtung benachbart sind, Durchgänge von inneren zu äusseren Kanälen bzw. umgekehrt von äusseren zu inneren Kanälen. Bei einer solchen Anordnung strömt Fluid aus den äusseren in die inneren Kanäle und umgekehrt.

[0018] Die Figuren 7 - 10 zeigen im Überblick vier verschiedene Konfigurationen, wobei jene der Fig. 7 der in Fig. 5 dargestellten Konfiguration entspricht. Fig. 8 zeigt eine Konfiguration, bei der Lücken 8 zwischen benachbarten Mischerelementen der Elemente 31 - 33 offen gelassen sind. In diesen Lücken 8 kann eine radiale Vermischung stattfinden. Die Länge der Lücke 8 ist mit Vorteil kleiner als das Fünffache der radialen Breite des Ringraums 3.

[0019] Fig. 9 stellt eine Konfiguration dar, bei der zusätzlich Mischerelemente 7 gemäss der Fig. 6 vorgesehen sind. In Fig. 10 ist eine Konfiguration zu sehen, bei der benachbarte Mischerelemente 31, 32' oder 32', 33 jeweils eine entgegengesetzt geneigte Kanalrichtung in entsprechenen Lagen 1 oder 2 (vgl. Fig. 1, 5) aufweisen.

[0020] Selbstverständlich können mehr als zwei Lagen 1, 2 in einem Mischerelement 30 vorgesehen sein. Mit Vorteil ist deren Anzahl gerade, insbesondere dann, wenn gewünscht wird, dass der Gesamtdrall des geförderten Fluids praktisch Null ist. Damit der Gesamtdrall weitgehend verschwindet, ist bei einer geradzahligen Anzahl der Lagen zu fordern, dass die Lagen in einem Querschnitt des Ringraums Teilfächen beanspruchen, die für jede Lage zumindest angenähert gleich grosse Flächeninhalte aufweisen. Im Beispiel der Fig. 2 müssen die Lagenbreiten a und b so gewählt werden, dass die Ringflächen A und B gleich gross sind.

[0021] Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen statische Mischer mit Kanälen, deren Querschnitte dreieckig sind. Die Profile der Lagen können auch gewellt oder anders ausgebildet sein; beispielsweise können die Kanalquerschnitte trapezförmig sein.

[0022] Der erfindungsgemässe Mischer kann mit Vorteil beim axialen Transport eines Fluidgemisches durch einen Ringraum 3 verwendet werden, wenn das zu transportierende Fluidgemisch 4 aus Phasen unterschiedlicher Dichte besteht. Es kann dabei eine Gruppe oder mehrere Gruppen von Mischerelementen vorgesehen sein, die jeweils eine Mehrzahl gleicher und aufeinander folgend angeordneter Mischerelemente umfassen. Die Zentralachse z des Mischers kann gegenüber einer horizontalen Ebene einen Neigungswinkel einschliessen, der kleiner als 90° ist und der im Extremfall sogar 0° beträgt.

[0023] Eine Verwendung des erfindungsgemässen Mischers ist bei einer Bohrung nach Erdöl und/oder Erdgas besonders geeignet. Bei dieser Verwendung wird ein Ringraum eines Bohrkanals mit Einbauten des statischen Mischers ausgestattet, die bei einem Überwachungsgerät angeordnet werden, wobei das Überwachungsgerät für ein den Ringraum durchströmendes Fluidgemisch vorgesehen ist, um eine Messung von Phasenanteilen des Fluidgemisches durchzuführen.

[0024] Beispiele für weitere Verwendungsmöglichkeiten sind wie folgt:

a) Vermischung zweier Fluide in einem Ringraum, wobei mindestens eines der Fluide so eingespeist wird, dass beim Eintritt in den Ringraum eine über den Umfang ungleichmässige Konzentrationsverteilung vorliegt.

b) Temperaturausgleich in einer Gasturbine vor der Zufuhr der Verbrennungsgasen zu den Turbinenschaufeln.

c) Durchführung einer chemischen Reaktion, beispielsweise einer Verbrennung, auf der Oberfläche einer Mischerstruktur, die katalytisch aktives Material trägt; falls die Reaktion in einem Ringraum durchzuführen ist.

Ansprüche

1. Statischer Mischer mit profilierten Lagen (1, 2), die in einem Ringraum (3) angeordnet sind und die zu einer Zentralachse (z) geneigte, sich kreuzende Strömungskanäle (14, 24) enthalten, wobei ein Fluidgemisch (4) in Achsrichtung unter einer Mischeinwirkung zu transportieren ist,
dadurch gekennzeichnet, dass sich jede Lage über eine Fläche erstreckt, die quer zur Achse (z) einen geschlossenen oder weitgehend geschlossenen Umfang bildet, und jede Lage äquivalente Kanäle (14, 14', 24 bzw. 24') umfasst, die sich auf einer inneren oder äusseren Seite der Lage über zumindest angenähert gleich lange Strecken von einem ersten zu einem zweiten Querschnitt des Ringraums erstrecken, so dass jeder Kanal dem ihn durchströmenden Fluidgemisch eine azimutale Geschwindigkeitskomponente (40, 41) aufzwingt, die für alle äquivalenten Kanäle im wesentlichen gleich gross ist.

2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (3) durch mindestens eine kreiszylindrische Oberfläche begrenzt ist, beispielsweise durch die Innenfläche eines Mantelrohrs (10) und/oder die Aussenfläche eines Innenrohrs (20).

3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (1, 2) in mehreren, axial aufeinander folgenden Mischerelementen (31, 32, 33) angeordnet sind und dass einbautenfreie Lücken (8) zwischen allen oder einzelnen Mischerelementen (31, 32, 33) vorgesehen sein können, wobei die Länge der Lücke mit Vorteil kleiner als das Fünffache der radialen Breite des Ringraums (3) ist.

4. Statischer Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen allen oder einzelnen Mischerelementen (31, 32) weitere Mischerelemente (7) angeordnet sind, die radiale Lagen (71, 72) mit Profilierungen aufweisen.

5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (1) durch Faltung von Materialstreifen hergestellt sind und jeder gefaltete Streifen zu einem Zylinder geformt ist, wobei die Profilierung mit Vorteil so ausgebildet ist, dass an den Enden der Streifen, die in Achsrichtung orientiert sind, die Kanalwände aufeinander passen.

6. Statischer Mischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lagen (1) jeweils zwischen einer äusseren und einer inneren Faltkante (11 bzw. 12) ein angenähert parallelogrammförmiges Flächenstück (16) liegt und dass in diesem Flächenstück eine diagonale Faltkante (6) vorgesehen ist.

7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Lagen (1, 2) geradzahlig ist, insbesondere zwei beträgt und dass die Lagen in einem Querschnitt des Ringraums (3) Teilfächen (A, B) beanspruchen, die für jede Lage zumindest angenähert gleich grosse Flächeninhalte aufweisen.

8. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Mischerelemente (31, 32) hintereinander angeordnet und dabei azimutal gegeneinander versetzt angeordnet sind, so dass an der Stossstelle (80) der Mischerelemente zwischen Lagen (1), die in axialer Richtung benachbart sind, Durchgänge von inneren zu äusseren Kanälen bzw. umgekehrt von äusseren zu inneren Kanälen bestehen.

9. Verwendung eines statischen Mischers gemäss einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zu transportierende Fluidgemisch (4) aus Phasen unterschiedlicher Dichte besteht, dass eine Gruppe oder mehrere Gruppen von Mischerelementen (31, 32, 33) vorgesehen sind, die jeweils eine Mehrzahl gleicher und aufeinander folgend angeordneter Mischerelemente umfassen, und dass insbesondere die Zentralachse (z) des Mischers gegenüber einer horizontalen Ebene einen Neigungswinkel einschliesst, der kleiner als 90° ist und der im Extremfall 0° beträgt.

10. Verwendung eines statischen Mischers nach Anspruch 9 in einer Bohrung nach Erdöl und/oder Erdgas, bei der ein Ringraum eines Bohrkanals mit Einbauten des statischen Mischers ausgestattet ist und bei der ein Überwachungsgerät für ein den Ringraum durchströmendes Fluidgemisch vorgesehen ist, mit dem eine Messung von Phasenanteilen des Fluidgemisches durchführbar ist.

Zeichnung