Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten

Abstract

 Vorgeschlagen wird ein Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten mit einem Strömungskanal (1) und einer darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Wirbeleinbaufläche (2), an der Vorderkantenwirbel erzeugt werden. Zur Verbesserung der Einstellbarkeit an wechselnde Betriebsbedingungen ist eine Einrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels (α) der Wirbeleinbaufläche (2) in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3) vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und einer darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbaufläche, wobei die Einbaufläche eine wirbelerzeugende Fläche mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten ist, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist.

[0002] Zum Mischen von Gas- oder Flüssigkeitsströmungen in Rohrleitungen oder in Kanälen benötigt man bei turbulenter Strömung Mischlängen vom 15 bis 100-fachen des Kanaldurchmessers. Mittels geeigneter statischer Mischer in Gestalt von Einbaukörpern läßt sich diese Mischstrecke deutlich verkürzen. Es muß jedoch bei den meisten herkömmlich angewendeten Systemen ein hoher Druckverlust insbesondere dann in Kauf genommen werden, wenn hohe Anforderungen an die Homogenität der sich einstellenden Mischung gestellt werden. Viele der herkömmlichen Mischsysteme sind außerdem auf einfache Geometrien beschränkt, z.B. auf zylindrische Rohre oder quadratische Kanäle und lassen sich nicht bei Großanlagen und komplizierten Mischkammersystemen anwenden.

[0003] Aus der DE 29 11 873 C2 ist ein statischer Mischer bekannt, bei dem die Einbauten aus schräg angeströmten, deltaförmigen oder kreisscheibenförmigen Blechen bestehen, an deren Vorderkanten Wirbel entstehen. Die so gebildeten stationären und stabilen Wirbelsysteme wirken in den Strömungsnachlauf hinein, die zu mischenden Komponenten werden schichtenförmig eingerollt, was zu einer schnellen Vermischung bei sehr geringen Druckverlusten führt. Diese so genannten "Wirbeleinbauflächen" haben sich wegen der erzielbaren kurzen Mischstrecken in der Praxis bewährt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten mit erweiterten Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Mischer mit den eingangs genannten Merkmalen gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels der Einbaufläche in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung.

[0006] Durch die Veränderbarkeit des Anstellwinkels der Einbaufläche ist eine verbesserte Adaption des Mischers an den jeweiligen Einsatzfall möglich. So kann zum Beispiel Strömungszuständen während des Anfahrens einer verfahrenstechnischen Anlage Rechnung getragen werden, und die Einbaufläche während dieser Anfahrphase in einem anderen Winkel eingestellt werden, als später während der Betriebsphase der Anlage.

[0007] Auch in anderen Fällen kann wechselnden verfahrenstechnischen Gegebenheiten durch entsprechende Anpassung des Anstellwinkels der Scheibe Rechnung getragen werden. So zum Beispiel bei Anlagen der Rauchgas-Entstickung in Kraftwerken, sogenannten Denox-Anlagen. Bei solchen Anlagen kann es abhängig von den Einsatzbedingungen wünschenswert sein, das Rauchgas zeitweise über einen Bypaß um den Katalysator herumzuführen. In diesem Fall ist eine Mischung vor dem Katalysator nicht erforderlich bzw. nicht wünschenswert. Dem kann mit dem erfindungsgemäßen Mischer dadurch entsprochen werden, daß die Einbaufläche auf einen Null oder nahezu Null betragenden Anstellwinkel eingestellt wird, so daß sich eine vollkommen verlustfreie Umströmung der sich in diesem Fall passiv verhaltenden Einbaufläche ergibt.

[0008] Weitere Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Mischers ergeben sich in der chemischen Industrie im Rahmen der Steuerung chemischer Prozesse. Hier ist es oftmals wünschenswert, die Mischungsintensität in Abhängigkeit von den Parametern des chemischen Prozesses zu steuern. Dies läßt sich wiederum in einfacher Weise durch eine geeignete Änderung des Anstellwinkels der Einbaufläche innerhalb des Hauptströmungskanals erzielen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Beimischung von Additiven zu einem Hauptstrom. Auch in diesem Fall kann es von Vorteil sein, die für die Vermischung verwendete Einbaufläche in ihrem Anstellwinkel zu verändern und auf diese Weise den Mischungsprozeß zu beeinflussen.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Einbaufläche über Streben in dem Strömungskanal abgestützt, und mindestens eine der Streben ist hinsichtlich ihrer Lage und/oder ihrer Ausrichtung verstellbar ausgebildet. In diesem Fall können die nicht verstellbaren Streben ein Festpunktlager bilden, um das die Einbaufläche mittels der verstellbaren Streben verschwenkbar ist.

[0010] Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mischers ist gekennzeichnet durch eine Schwenkachse der Einbaufläche, die sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wänden des Strömungskanals erstreckt.

[0011] Um aus den oben bereits beschriebenen Gründen den Mischer passiv zu schalten, wird mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Verstellbereich der Einrichtung bis zu einem Anstellwinkel von 0° reicht, d.h. bis zur parallelen Umströmung der Einbaufläche durch das Gas.

[0012] Im Rahmen der Steuerung verfahrenstechnischer Prozesse kann es ferner wünschenswert sein, den Ort des Mischers in Längsrichtung des Hauptströmungskanals zu verändern. Hierzu wird eine Verstelleinrichtung zur translatorischen Verstellung der Einbaufläche in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung vorgeschlagen.

[0013] Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mischer dargestellt, und zwar zeigen:

Figur 1

in einem Längsschnitt einen Mischer mit einer in einem Strömungskanal angeordneten Einbaufläche;

Figur 2

eine im Vergleich zu Figur 1 abgewandelte Ausführungsform des Mischers;

Figur 3

eine weitere Ausführungsform eines Mischers;

Figur 4

eine weitere Ausführungsform eines Mischers unter Verwendung zweier Einbauflächen;

Figur 5

einen Schnitt entlang der Ebene V-V durch den Mischer nach Figur 4;

Figur 6

eine weitere Ausführungsform eines Mischers mit mehreren in Reihe angeordneten, unabhängig voneinander einstellbaren Einbauflächen;

Figur 7

einen Teil einer verfahrenstechnischen Anlage mit zwei hintereinander in dem Strömungskanal angeordneten Einbauflächen und einer Bypaßsteuerung;

Figur 8a

einen im Bereich eines Abzweiges angeordneten Mischer in einer ersten Betriebsweise;

Figur 8b

den Mischer nach Figur 8a in einer zweiten Betriebsweise und

Figur 8c

den Mischer nach Figur 8a in einer dritten Betriebsweise.

[0014] Figur 1 zeigt im Längsschnitt einen Strömungskanal 1 von zum Beispiel rechteckförmigem Querschnitt. Der Strömungskanal 1 wird von einem inhomogenen Gas-oder Flüssigkeitsgemisch durchströmt. Unter Gasen und Flüssigkeiten sind hier alle so genannten "Newtonschen Flüssigkeiten" zu verstehen, d.h. Gase sowie solche Fluide, die sich in ihren strömungstechnischen Eigenschaften vergleichbar den Gasen verhalten.

[0015] In dem Strömungskanal 1 ist eine Einbaufläche 2 in Gestalt einer flachen Scheibe angeordnet. Die Scheibe kann kreisförmig sein, elliptisch, oval oder auch delta-bzw. dreieckförmig mit zu der Anströmung hin weisender Spitze. Die Scheibe ist bezüglich ihrer Mittellinie symmetrisch gestaltet. Die frei umströmten, gegen die Hauptströmungsrichtung 3 gerichteten Vorderkanten 4 weisen sowohl eine in Hauptströmungsrichtung 3, als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente auf. Da ferner jede Einbaufläche 2 unter einem spitzen Winkel α zu der Hauptströmungsrichtung 3 in dem Strömungskanal 1 angeordnet ist, entstehen an den Vorderkanten zwei Wirbelfelder, welche sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreiten. Dabei wälzen sich die einzelnen Wirbel nach innen auf die Rückseite 5 der Einbaufläche 2 ab. Die an den Vorderkanten 4 gebildeten Wirbel, die stark vereinfacht auf der Zeichnung dargestellt sind, verhalten sich weitgehend stationär, verändern daher ihre Lage nicht. Jedes Wirbelfeld bildet durch seine Rotation eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung 3 des Gases, die durch den damit verbundenen Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung eine gute Vermischung des Gasgemisches zur Folge hat.

[0016] Der Anstellwinkel α ist veränderbar, und zwar auch während des Betriebes des Mischers. Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 von mehreren Streben 6, welche die Einbaufläche 2 gegenüber der Wand 7 des Strömungskanals 1 abstützen, eine Strebe 6a in ihrer wirksamen Länge verstellbar. Dies erfolgt über eine Längsverstellung der Strebe 6a mittels einer geeigneten Hydraulik 8. Anstelle der Hydraulik 8 kann auch ein anderer Antrieb, z.B. ein elektrischer Antrieb, verwendet werden. Die anderen Streben 6 bilden ein Festpunktlager 6b.

[0017] Bei der Ausführungsform nach Figur 2 wird nicht die Länge der verstellbaren Strebe 6a verändert, sondern nur ihr Fußpunkt 9 wird in Richtung des Strömungskanals 1 verlagert. Auch dadurch jedoch kommt es zu einer Änderung des Anstellwinkels α der scheibenförmigen Einbaufläche.

[0018] Bei der Figur 3 ist eine translatorische Verstellung des Ortes der Einbaufläche in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 3 vorgesehen. Es sind zwei getrennte Antriebe vorhanden, ein Antrieb zur Einstellung des Anstellwinkels α, und ein weiterer Antrieb für die translatorische Einstellung.

[0019] Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 4 und 5 sind nebeneinander auf gemeinsamer Achse zwei Einbauflächen 2 angeordnet. Jede Einbaufläche 2 verfügt über einen eigenen Antrieb 10, läßt sich daher hinsichtlich ihres Anstellwinkels unabhängig von der jeweils anderen Einbaufläche 2 einstellen.

[0020] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 sind in dem Strömungskanal insgesamt drei Einbauflächen 2 gelagert. Jede dieser Einbauflächen ist mit einem eigenen Antrieb für den Anstellwinkel versehen, d.h. der Anstellwinkel jeder der Einbauflächen läßt sich unabhängig von den anderen wirbelerzeugenden Einbauflächen einstellen. Desweiteren lassen sich die Anstellwinkel gleichsinnig oder auch, wie dies Figur 6 erkennen läßt, gegensinnig einstellen.

[0021] Figur 7 zeigt die Rauchgasführung in einer Rauchgas-Entstickungsanlage (Denox-Anlage). In dem Zuströmungskanal 11 sind hintereinander zwei Einbauflächen 2 angeordnet, deren Anstellwinkel jeweils getrennt mittels vorzugsweise getrennter Antriebe einstellbar ist. Die an den Vorderkanten 4 entstehenden Wirbel pflanzen sich bis in eine Abzweigung 12 des Kanals fort. Die axiale Verlängerung des Zuströmungskanals 11 ist mittels einer in zwei Positionen einstellbaren Klappe 13 verschlossen, wodurch sich zwangsläufig eine Strömung von dem Zuströmungskanal 11 in die Abzweigung 12 hinein ergibt. Die Abzweigung 12 führt zu einem in Figur 7 nicht dargestellten Reaktor mit Katalysatoren zur Rauchgas-Entstickung.

[0022] Wird hingegen die Klappe 13 in die in Figur 7 gestrichelt dargestellte Position 13' überführt, so ist die Abzweigung 12 zu der Rauchgas-Entstickungsanlage geschlossen. Über die Beipaßleitung 14 gelangt das Rauchgas unmittelbar in einen Kanal 15. Eine Durchmischung des über den Zuströmungskanal 11 in die Anlage gelangenden Rauchgases ist in diesem Fall nicht erforderlich. Aus diesem Grunde werden beide Einbauflächen 2 mit einem Anstellwinkel von 0° in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 3 betrieben, d.h. die Einbauflächen sind parallel zu der Hauptströmung gerichtet und werden von dem Gas vollkommen verlustfrei umströmt.

[0023] Eine andere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 8a bis 8c erläutert. Dargestellt ist wiederum ein Strömungskanal 1 mit einer Abzweigung 12. Die Einbaufläche 2 befindet sich auf Höhe der Abzweigung 12 in dem Strömungskanal 1. Mittels des bereits genannten Antriebes ist der Anstellwinkel α der Einbaufläche 2 in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 3 durch den Strömungskanal 1 veränderbar. Ferner sind Absperrungen 17, 18 in Gestalt von Jalousien vorgesehen. Die Absperrung 17 befindet sich in dem Strömungskanal 1 stromab der Einbaufläche 2. Die Absperrung 18 befindet sich am Eingang der Abzweigung 12.

[0024] In dem Betriebszustand nach Figur 8a ist die Absperrung 17 geöffnet, die Absperrung 18 vollständig geschlossen. Die Einbaufläche 2 wird mit einem Anstellwinkel α von ca. 30° bis 60° betrieben, so daß sich die erzeugten Wirbelfelder in den Strömungskanal 1 fortpflanzen.

[0025] Bei dem Betriebszustand nach Figur 8b sind wiederum die Absperrung 17 geöffnet, und die Absperrung 18 geschlossen. Der Anstellwinkel α der Einbaufläche 2 beträgt jedoch 0°, d.h. die Einbaufläche 2 wird verlustfrei parallel umströmt. Eine Mischung findet nicht statt.

[0026] Bei dem Betriebszustand nach Figur 8c ist die Absperrung 17 geschlossen und die Absperrung 18 geöffnet. Der Anstellwinkel α ist in diesem Fall sehr groß und beträgt zwischen 70° und 85°. Auf diese Weise werden die erzeugten Wirbelfelder bis in die Abzweigung 12 fortgepflanzt.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Strömungskanal

2

Einbaufläche

2'

veränderte Lage der Einbaufläche

3

Hauptströmungsrichtung

4

Vorderkante

5

Rückseite

6

Strebe

6a

verstellbare Strebe

6b

Festpunktlager

7

Wand

8

Hydraulik

10

Antrieb

11

Zuströmungskanal

12

Abzweigung

13

Klappe

13'

andere Stellung der Klappe

14

Bypaß-Kanal

15

Kanal

17

Absperrung

18

Absperrung

α

Anstellwinkel

Ansprüche

1. Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal (1) und einer darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbaufläche (2), wobei die Einbaufläche (2) eine wirbelerzeugende Fläche mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten (4) ist, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung (3) des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels (α) der Einbaufläche (2) in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3).

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaufläche (2) über Streben (6, 6a) in dem Strömungskanal (1) abgestützt ist, und mindestens eine der Streben (6a) hinsichtlich ihrer Lage und/oder ihrer Ausrichtung verstellbar ausgebildet ist.

3. Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht verstellbaren Streben (6) ein Festpunktlager 6b bilden, um das die Einbaufläche (2) mittels der verstellbaren Strebe (6a) verschwenkbar ist.

4. Mischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schwenkachse der Einbaufläche (2), die sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wänden (7) des Strömungskanals (1) erstreckt.

5. Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellbereich der Einrichtung bis zu einem Anstellwinkel (α) von 0° reicht, d.h. bis zur parallelen Umströmung der Einbaufläche (2) durch das Gas.

6. Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verstelleinrichtung zur translatorischen Verstellung der Einbaufläche in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3).

Zeichnung