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.

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.

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.

Dokument EP-A-1 312 409 offenbart einen statischen Mischer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bei den beschriebenen Beispielen sind die Abschnitte I, II jeweils monomorph. Es ist aber möglich, dass die Abschnitte selbst auch polymorph strukturiert sind