[0001] Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer mit polymorpher Struktur, in dem
mischwirksame Einbauten eines ersten Abschnitts anders strukturiert sind als jene
eines zweiten, stromabwärts angeordneten Abschnitts und der für ein Mischen oder Homogenisieren
von fluiden Medien verwendbar ist.
[0002] Es ist eine grosse Mannigfaltigkeit von statischen Mischern bekannt, die sich durch
die Strukturen ihrer mischwirksamen Einbauten unterscheiden. In vielen Fällen setzen
sich die Einbauten aus Mischerelementen zusammen, die jeweils die gleiche Gestalt
haben. Man kann in diesen Fällen von statischen Mischern mit monomorpher Struktur
sprechen. Mischer, bei denen verschieden strukturierte Einbauten zum Einsatz kommen,
sind Mischer mit polymorpher Struktur.
[0003] In der US-A- 5605399 (King) ist ein statischer Mischer mit polymorpher Struktur offenbart,
den man als "Multiskalenmischer" bezeichnen kann. Bei diesem Multiskalenmischer sind
mehrere Abschnitte hintereinander angeordnet, wobei die Einbauten der Abschnitte Skalierungen
ihrer Strukturen aufweisen, die progressiv feiner werden: die Strukturen weisen von
Abschnitt zu Abschnitt jeweils einen kleineren hydraulischen Durchmesser auf. Der
Multiskalenmischer eignet sich besonders für Dispergierverfahren: Der spezifische
Energieeintrag, der sich in progressiver Weise erhöht, lässt beispielsweise zunehmend
kleinere Tropfen entstehen.
[0004] Für ein rein distributives Mischen, das mit ineinander löslichen Komponenten durchgeführt
wird, muss der spezifische Energieeintrag nicht erhöht werden. Es bilden sich bei
bekannten Mischern im Medium Schichten aus, die bei gleich bleibendem hydraulischen
Durchmesser, d. h. bei gleich bleibender Skalierung, immer feiner werden.
[0005] Der Zweck des statischen Mischers besteht darin, ein fluides Medium mit möglichst
geringem Energieaufwand zu homogenisieren und für das Produkt eine optimale Mischgüte
zu erhalten. Dabei kann man unter dem Erreichen einer optimalen Mischgüte Folgendes
verstehen: Mittels statischer Einbauten soll in einem Rohr vorgegebener Länge unter
Einsatz einer minimalen mechanischen Leistung, d.h. bei möglichst kleinem Druckabfall
längs der Einbauten, eine hinsichtlich der Anwendung ausreichende Homogenität des
Mediums hergestellt werden. (Bei Probeentnahmen im homogenisierten Fluid sollen an
allen Stellen annähernd gleiche Konzentrationen feststellbar sein.) Um eine optimale
Mischgüte zu erreichen, kommt es grundsätzlich darauf an, dass einerseits im zu mischenden
Medium eine Umverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt erfolgt und andererseits
sich auch eine gründliche Vermengung in kleinen Bereichen ergibt. Es sind also sowohl
globale als auch lokale Mischprozesse bei einer Homogenisierung massgebend.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen statischen Mischer für ein distributives Mischen
zu schaffen, der im Hinblick auf den Stand der Technik einen Fortschritt bezüglich
der anzustrebenden Mischgüte und dem Aufwand zur Erreichung dieser Mischgüte darstellt.
Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten statischen Mischer gelöst.
[0007] Im statischen Mischer mit polymorpher Struktur, der zum Mischen oder Homogenisieren
eines fluiden Mediums verwendbar ist, sind mindestens zwei Abschnitte in einem Rohr
in longitudinaler Richtung hinter einander angeordnet. Mischwirksame Einbauten des
ersten Abschnitts verteilen das zu mischende Medium weitgehend global über den gesamten
Querschnitt des Rohrs um. Mischwirksame Einbauten des zweiten Abschnitts bewirken
weitgehend lokale Vermischungen in Partialbereichen, die jeweils nur einen Teil des
Rohrquerschnitts enthalten. Die Einbauten beider Abschnitte haben den gleichen oder
angenähert gleich grossen hydraulischen Durchmesser.
[0008] Der erfindungsgemässe Mischer ist ein "polymorpher Uniskalenmischer". In unterschiedlich
strukturierten Abschnitten des Uniskalenmischers sind die hydraulischen Durchmesser
jeweils gleich oder angenähert gleich gross, d h. die Teilstrukturen sind gleich "skaliert".
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen
Mischers.
[0009] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- Einbauten eines Mischers mit polymorpher Struktur, der ein "zweistufiger Multiskalenmischer"
ist,
- Fig. 2
- einen zweistufigen Multiskalenmischer in schematischer Darstellung,
- Fig. 3
- einen erfindungsgemässen Mischer in schematischer Darstellung,
- Fig. 4
- einen Mischer mit zwei gleichen, hinter einander angeordneten Bereichen,
- Fig. 5
- den halben Teil eines bekannten Mischerelements, das eine "SMX-Struktur" aufweist,
- Fig. 6
- ein schematisch dargestelltes Mischerelement, das aus zwei der in Fig. 5 gezeigten
Elementen zusammengefügt ist,
- Fig. 7
- eine symbolische Darstellung des Mischerelements der Fig. 6 und
- Fig. 8
- einen erfindungsgemässen Mischer, der aus den Mischerelementen gemäss der Fig. 6 zusammengesetzt
ist und der einen zweistufigen Uniskalenmischer bildet.
[0010] Fig. 1 zeigt mischwirksame Einbauten eines Mischers, der eine polymorphe Struktur
aufweist, wie jener der genannten US-A- 5605399, dessen Einbauten aber völlig anders
strukturiert sind. Die Einbauten dieses "zweistufigen Multiskalenmischers" setzen
sich aus zwei Abschnitten I und II zusammen.
[0011] Der erste Abschnitt I besteht aus Einbauten 1, deren Struktur aus der EP-A- 0 815
929 (= P.6741) bekannt ist. In dieser Struktur bilden vier neben einander angeordnete
Sequenzen von Mischkammern ein kommunizierendes System. Die Einbauten 1 sind in ein
nicht dargestelltes Rohr 5 (siehe Figuren 2 und 5) eingesetzt. Der Strom des zu mischenden
Mediums, das mindestens zwei fluide Komponenten umfasst, fliesst in der longitudinalen
Richtung des Rohrs 5 und ist durch Pfeile M angegeben. Der zweite Abschnitt II, der
stromabwärts nach dem ersten Abschnitt I angeordnet ist, besteht aus vier neben einander
liegenden Einbauten 2', die jeweils die um den Faktor 0.5 verkleinerte Form der Kammerstruktur
des ersten Abschnitts I aufweisen. Durch die Einbauten 2' wird der Querschnitt des
Rohrs 5 in vier Teilflächen 3 unterteilt.
[0012] In Fig. 2 ist ein Mischer mit polymorpher Struktur sehr schematisch dargestellt.
Dieser Mischer enthält in dem Rohr 5 beispielsweise die Einbauten 1 und 2' der Fig.
1. Es können auch andere Einbauten verwendet werden, die einen Mischer mit polymorpher
Struktur ergeben. Insbesondere können erfindungsgemäss uniskalare Einbauten verwendet
werden, die Strukturen mit gleichem oder angenähert gleich grossem hydraulischen Durchmesser
haben.
[0013] Im ersten Abschnitt I, in einem Teilbereich 10 der Mischerstruktur, wird durch die
Einbauten 1 das zu mischende Medium über den gesamten Querschnitt des Rohrs 5 umverteilt.
Es findet dabei eine Teilhomogenisierung folgender Art statt: Am Ende des ersten Abschnitts
I ist eine Unterteilung des Querschnitts in Teilflächen 3 möglich. Bezüglich diesen
Teilflächen 3 weist das durchtretende Medium jeweils Mengenverhältnisse seiner Komponenten
auf, die im Idealfall gleich sind. In der Praxis ist dieser Idealfall nicht realisierbar.
Die Länge des ersten Abschnitts I lässt sich so dimensionieren, dass die genannten
Mengenverhältnisse sich im Maximum um einen vorgegebenen Prozentsatz - beispielsweise
5, 10 oder 20 Prozent-unterscheiden. Im zweiten Abschnitt II sind die Einbauten 2
so strukturiert, dass mit ihnen weiter führende Homogenisierungen jeweils in longitudinalen
Teilbereichen 30 im Anschluss an die genannten Teilflächen 3 bewirkbar sind. Unter
einem longitudinalen Teilbereich 30 ist dabei ein zylindrischer oder prismatischer
Bereich der Einbauten 2 verstanden, der sich in longitudinaler Richtung, d.h. in Richtung
des Rohrs 5 über die Länge des zweiten Abschnitts Il erstreckt und dessen Grundfläche
durch eine der Teilflächen 3 gegeben ist.
[0014] Fig. 3 zeigt schematisch dargestellt einen erfindungsgemässen Mischer (Uniskalenmischer),
in dem die mischwirksamen Einbauten des zweiten Abschnitts II eine Mehrzahl von longitudinal
angeordneten Elementen 2 umfassen. Die Elemente 2 sind relativ kurz und bewirken aufgrund
ihrer beschränkten Länge nur lokale Mischungen in Partialbereichen, die jeweils nur
einen Teil des Rohrquerschnitts, d.h. eine der Teilflächen 3, enthalten. Da kein dispersives
sondern ein distributives Mischen durchgeführt werden soll, haben die Einbauten beider
Abschnitte I, II Strukturen mit gleichem oder angenähert gleich grossem hydraulischen
Durchmesser. Eine solche uniskalare Strukturierung ist mit einem Druckabfall verbunden,
der kleiner als bei einer multiskalaren Strukturierung ist. Die Elemente 2 des zweiten
Abschnitts II weisen jeweils einen anisotropen Aufbau mit Lagen auf, die sich in longitudinaler
Richtung erstrecken; die Lagen benachbarter Elemente 2 sind ungleich (quer zu einander)
orientiert. Auch beim erfindungsgemässen Mischer ist eine Umverteilung des Mediums
M weitgehend auf longitudinale Teilbereiche 30 (vgl. Fig. 2) beschränkt. Ein Queraustausch
zwischen den Teilbereiche 30 ist aber nicht unterbunden.
[0015] Es sind sowohl globale als auch lokale Mischprozesse im Hinblick auf eine optimale
Mischgüte massgebend. Im ersten Abschnitt I des Mischers stehen die globalen Mischprozesse
im Vordergrund; im zweiten Abschnitt II sind es die lokalen. Die Vorgehensweise, die
globalen und lokalen Mischprozesse schwerpunktmässig in verschiedenen Zonen der polymorphen
Mischerstruktur geschehen zu lassen, erweist sich als vorteilhaft. Im Vergleich zu
einem monomorphen Mischer erhält man eine angestrebte Mischgüte über eine kürzere
Strecke der mischwirksamen Einbauten.
[0016] Beim Mischen von fluiden Komponenten, die beispielsweise sehr unterschiedliche Viskositäten
aufweisen, kann es von Vorteil sein, wenn die globalen und lokalen Mischprozesse möglichst
simultan erfolgen. In diesem Fall bietet sich die Lösung gemäss der Fig. 4 an: Stromabwärts
nach einem Bereich mit einem ersten Abschnitt I mit Einbauten 1 und einem zweiten
Abschnitt II mit Elementen 2 folgt ein weiterer Bereich, der gleich ausgebildet ist
und ebenfalls einen ersten Abschnitt I' mit Einbauten 1 und einen zweiten Abschnitt
II' mit Elementen 2 aufweist.
[0017] Die Einbauten 1 können beispielsweise aus Mischerelementen bestehen, die eine "SMX-Struktur"
(siehe z.B. CH-A- 642 564 (= P.5473)) oder eine "SMV-Struktur" bilden. Diese Strukturen
haben jeweils einen Aufbau mit Lagen, die geneigte Strömungskanäle enthalten und die
in longitudinaler Richtung orientiert sind, wobei die Strömungskanäle benachbarter
Lagen sich kreuzen. Die "SMX-Struktur" baut sich aus zwei Gruppen von parallel ausgerichteten
Stegen auf, die so mit einander verschränkt sind, dass sich die Stege kreuzen. Bei
der "SMV-Struktur" werden die Lagen durch wellenförmige Wände gebildet. Die Strömungskanäle
bewirken im ersten Abschnitt I einen Transport des Mediums zwischen Punkten innerhalb
des ganzen Rohrs 5; die Strömungskanäle bewirken im zweiten und jedem folgenden Abschnitt
II jeweils einen Transport des Mediums, der weitgehend auf longitudinale Teilbereiche
30 (siehe Fig. 2) beschränkt ist. Diese Beschränkung liegt im Abschnitt II in den
longitudinalen Teilbereichen 30 vor, da die Länge der Mischerelemente verkürzt ist.
Sie kann sich aber auch dadurch ergeben, indem der Neigungswinkel der Strömungskanäle
verkleinert wird.
[0018] Fig. 5 zeigt ein Element 4 (oder 4'), das einen halben Teil des bekannten Mischerelements
mit "SMX-Struktur" bildet. Dieses Element 4 wird in ein zylindrisches Rohr 5 eingesetzt.
Blickt man von oben auf das Element 4, nämlich in Richtung des Pfeils A, so sieht
man Stege 41 und 42 von der Seite und man sieht, wie sich die Stege 41, 42 kreuzen.
Blickt man von der Seite-in Richtung des zweiten Pfeils B - auf das Element 4, so
sieht man auf die breiten Flächen der Stege 41, 42, die nun als parallel liegende
Streifen erscheinen. Dreht man das Element 4 um 90°, so dass der Pfeil B auf die Position
des Pfeils A zu liegen kommt, so nimmt das Element 4 eine Lage ein, in der ihm die
Bezugsziffer 4' zugeordnet wird.
[0019] Durch Zusammenfügen des Elements 4 mit dem Element 4' erhält man ein Element 6, das
in vereinfachter Form in Fig. 6 dargestellt ist. Es sind in dieser Fig. 6 die jeweiligen,
den beiden Hälften entsprechenden Positionen der Pfeile A und B angegeben. Die Mischerelemente
6 können monolithisch ausgebildet sein; sie können insbesondere mittels Präzisionsguss
hergestellte Gussstücke sein.
[0020] Fig. 7 zeigt eine symbolische Darstellung des Mischerelements 6 der Fig. 6. Die beiden
Hälften werden mit a und b bezeichnet; sie entsprechen der linken bzw. rechten Seite
4, 4' des Elements 6 in Fig. 6. Für ein Mischerelement 6 gilt in einer verallgemeinerten
Weise: Die Lagen, die durch die Stege 41 und 42 gebildet werden, sind in der ersten
Hälfte a gegenüber den Lagen in der zweiten Hälfte b um einen Winkel, vorzugsweise
um 90°, versetzt orientiert; und die Strömungskanäle erstrecken sich in den Elementen
6 höchstens über den halben Querschnitt des Rohrs 5.
[0021] Aus den Mischerelementen 6 lässt sich ein zweistufiger Mischer zusammen setzen, wobei
also mit der einzigen Mischerstruktur des Mischerelements 6 ein polymorpher Mischer
hergestellt werden kann. Dies ist in Fig. 8 gezeigt: Im ersten Abschnitt I sind Elemente
6, 6' in alternierender Weise derart angeordnet und orientiert, dass die Strömungskanäle
in der zweiten Hälfte b eines ersten Elements 6 gleich wie die Strömungskanäle in
der ersten Hälfte b eines nachfolgenden Elements 6' ausgerichtet sind. Es bilden also
jeweils zwei gleiche Hälften a bzw. b ein Paar, das einem vollständigen SMX-Element
entspricht. In solchen SMX-Elementen erfolgt eine Umverteilung der zu mischenden Komponenten
über den ganzen Rohrquerschnitt (globaler Mischprozess). Im zweiten Abschnitt II sind
die Elemente 6 alle gleich angeordnet, so dass alternierend Hälften a und b aufeinander
folgen. Da die Strömungskanäle der Hälften a bzw. b jeweils auf einen halben Rohrquerschnitt
beschränkt sind, finden weitgehend lokale Mischprozesse statt, die in longitudinalen
Teilbereichen erfolgen. Die Anzahl dieser Teilbereiche, die alle gleich gross sind,
ist vier. Anzumerken ist noch, dass im ersten Abschnitt I die erste Hälfte a des ersten
Elements 6 noch nicht zu einem Mischen des Mediums über den ganzen Rohrquerschnitt
beiträgt.
[0022] Die longitudinalen Teilbereiche 30 weisen mit Vorteil Querschnittsflächen auf, die
weitgehend isodiametral sind: Bei einem kreisförmigen Querschnitt sind die Teilflächen
3 im zweiten Abschnitt II vier gleich grosse Sektoren; in weiteren Abschnitten sind
die Teilflächen 3 Sektoren oder viereckige Kreisausschnitte, die in radialer Richtung
ungefähr gleich weit ausgedehnt sind wie in der tangentialen Richtung, die zur radialen
senkrecht steht.
[0023] Bei der Verwendung von Einbauten 1, 2 gemäss Fig. 1 oder von ähnlichen Einbauten
ist der Rohrquerschnitt rechteckig, insbesondere quadratisch. Die Querschnitte der
longitudinalen Teilbereiche sind ebenfalls rechteckig.
[0024] Bei den beschriebenen Beispielen sind die Abschnitte I, II jeweils monomorph. Es
ist aber möglich, dass die Abschnitte selbst auch polymorph strukturiert sind
1. Statischer Mischer mit polymorpher Struktur zum Mischen oder Homogenisieren eines
fluiden Mediums (M),
in welchem Mischer mindestens zwei Abschnitte (I, II) in einem Rohr (5) in longitudinaler
Richtung hinter einander angeordnet sind, mischwirksame Einbauten (1) des ersten Abschnitts
das zu mischende Medium weitgehend global über den gesamten Querschnitt des Rohrs
umverteilen,
mischwirksame Einbauten des zweiten Abschnitts weitgehend lokale Vermischungen in
Partialbereichen bewirken, die jeweils nur einen Teil des Rohrquerschnitts enthalten,
und die Einbauten beider Abschnitte den gleichen oder angenähert gleich grossen hydraulischen
Durchmesser haben.
2. Statischer Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mischwirksamen Einbauten des zweiten Abschnitts eine Mehrzahl von longitudinal
angeordneten Elementen (2) umfassen, die aufgrund einer beschränkten Länge die lokalen
Vermischungen in Partialbereichen bewirken, die Elemente des zweiten Abschnitts jeweils
einen anisotropen Aufbau aus Lagen aufweisen, die sich in longitudinaler Richtung
erstrecken, und die Lagen benachbarter Elemente ungleich orientiert sind.
3. Statischer Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Elemente des zweiten Abschnitts jeweils monolithisch ausgebildet sind,
insbesondere mittels Präzisionsguss hergestellte Gussstücke sind.
4. Statischer Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr benachbarte Elemente einen monolithischen Block bilden.
5. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (M) mindestens zwei Komponenten umfasst, die auch das im wesentlichen
gleiche Medium mit verschiedenen Eigenschaften - wie beispielsweise Temperatur oder
Konzentration - sein können, dass die Einbauten im zu mischenden Medium eine Teilhomogenisierung
solcher Art herbeiführen, dass am Ende des ersten Abschnitts eine Unterteilung des
Querschnitts in mindestens zwei Teilflächen (3) möglich ist, bezüglich denen das durchtretende
Medium jeweils Mengenverhältnisse seiner Komponenten aufweist, die gleich sind oder
die sich im Maximum um einen vorgegebenen Prozentsatz unterscheiden, und dass im zweiten
Abschnitt die Einbauten so strukturiert sind, dass mit ihnen weiter führende Homogenisierungen
jeweils in longitudinalen Teilbereichen (30) im Anschluss an die genannten Teilflächen
bewirkbar sind.
6. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten des ersten Abschnitts ähnlich strukturiert sind wie jene des zweiten
Abschnitts, dass beide Abschnitte Lagen mit geneigten Strömungskanälen enthalten,
dass jeweils die Strömungskanäle benachbarter Lagen sich kreuzen, dass die Strömungskanäle
im ersten Abschnitt einen Transport des Mediums zwischen Punkten innerhalb des ganzen
Rohrs bewirken und dass die Strömungskanäle im zweiten Abschnitt einen Transport des
Mediums bewirken, der weitgehend auf die genannten Partialbereiche beschränkt ist.
7. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts nach einem Bereich mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt (I,
II) ein weiterer Bereich folgt, der ebenfalls einen ersten und einen zweiten Abschnitt
(I', II') gemäss Anspruch 1 aufweist, und dass weiter stromabwärts auf analoge Weise
mindestens ein weiteres solches Paar von einem ersten und einem zweiten Abschnitt
folgen kann, oder dass schliesslich noch ein Bereich mit lediglich einem ersten Abschnitt
folgen kann.
8. Statischer Mischer nach Anspruch 6 oder den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten (1, 2) aus einer Vielzahl von longitudinal angeordneten Mischerelementen
(6) zusammengesetzt sind, dass in jedem Mischerelement die Lagen in einer ersten Hälfte
(a) gegenüber den Lagen in einer zweiten Hälfte (b) um einen Winkel, vorzugsweise
um 90°, versetzt orientiert sind, dass die Strömungskanäle in den Elementen sich über
einen Teil des Rohrquerschnitts, insbesondere höchstens über den halben Rohrquerschnitt
erstrecken, dass im zweiten Abschnitt die Elemente alle gleich angeordnet sind und
im ersten Abschnitt die Elemente in alternierender Weise angeordnet und orientiert
sind, derart, dass die Strömungskanäle in der zweiten Hälfte eines ersten Elements
gleich wie die Strömungskanäle in der ersten Hälfte eines nachfolgenden Elements ausgerichtet
sind, wobei die erste Hälfte des ersten Elements noch nicht zu einem Mischen des Mediums
über den ganzen Rohrquerschnitt beiträgt.
9. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (I, II) selbst auch polymorph strukturiert sind.