CH720728A2 - Statisches Mischelement mit einem Trennsteg und Umlenkflächen und statischer Mischer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein statisches Mischelement ein mit einem Trennsteg (2) in einem Strömungskanal, vorzugsweise einem Rohr (1), mit daran anschliessend zwei schaufelartigen Umlenkflächen (4, 5) die quer zur Rohrachse stehen und die in der axialen Projektion einen Sektor des Querschnittes vollständig abdecken und zwei axiale Abschnitte (I, II) abgrenzen und zwei Fenstern (8, 9) für den axialen Durchlass der Strömung. Die Umlenkflächen weisen erhöhte Ränder (6,7) auf die sich in der Rohrachse treffen und gegen die Strömungsrichtung über die Umlenkfläche vorstehen. Dadurch, dass gleichzeitig die Umlenkflächen gegen den Trennsteg geneigt und aus der Querschnittsebene angehoben werden und die axiale Projektion der Umlenkflächen einen Sektor von über 56% des Querschnittes abdecken, gelingt es die Schichtdicke bei der Vermischung gegenüber bekannten Strukturen deutlich zu verkleinern, insbesondere bei einem kreisrunden Querschnitt. Dadurch wird die für viele Anwendungen wie z.B. bei Einwegmischern für aushärtende Harze ungünstige, quadratische Form des Mischergehäuses vermeidbar.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft statische Mischelemente und statische Mischer in einem Strömungskanal, vorzugsweise in einem kreisrunden Rohr mit mindestens einem Trennsteg pro Mischelement, Umlenkflächen und Fenstern für die axiale Durchströmung. Derartige statischen Mischer werden vorzugsweise im laminaren Strömungsbereich bei hochviskosen Medien eingesetzt. Typische Anwendungen sind Einwegmischer für aushärtende Harze, Klebstoffe oder statische Mischer für Kunststoffschmelzen in der Kunststoffverarbeitung mit Spritzgussmaschinen oder mittels Extrusion.

Stand der Technik

[0002] Bisher sind viele statische Mischer bekannt und im Einsatz bei denen die Strömung durch Trennstege oder Kanäle in Teilströme aufgeteilt und durch Umlenkflächen abgelenkt wird. Ein statischer Mischer wird gebildet durch mehrere, derartige Mischelemente die in einem Rohr oder Strömungskanal in Strömungsrichtung linear hintereinander angeordnet sind. Bei vielen, bekannten statischen Mischern wird die Strömung in 2 Teilströme aufgeteilt, verdreht oder umgelagert, komprimiert und wieder ausgedehnt. Der Mischvorgang gleicht dem Vorgang in einem Kalander (Kalandermodell). Nach einer idealisierten Vorstellung entstehen dabei bei laminarer Strömung in jedem Mischelement Schichten und die Anzahl der Schichten verdoppelt sich von Mischelement zu Mischelement. In der Praxis weicht die tatsächlich erreichte Anzahl Schichten oder deren Dicke nach einer grösseren Anzahl von Mischelementen oft um Grössenordnungen von diesem Ideal ab. Die ältesten statischen Mischer mit diesem Mischprinzip waren der Multiflux (US 3051453) und der Wendelmischer (US 3286992). Der Wendelmischer ist heute noch sehr verbreitet im Einsatz für sogenannte Einwegmischer für reaktive Harze und Klebstoffe, weil sich damit auch ganze Mischerstangen aus vielen solchen Mischelementen aus einem Stück mit einfachen, zweiteiligen Spritzgusswerkzeugen aus Kunststoff in grossen Stückzahlen kostengünstig herstellen lassen. Die Mischelemente des Wendelmischers beanspruchen nur einen geringen Anteil des Mischervolumens und er weist dadurch einen geringen Druckverlust auf. Die Länge eines Mischelements beträgt typischerweise 1.5 Rohrdurchmesser D und die benötigte Mischerlänge für die Homogenisierung beträgt typischerweise 30D (D=Rohrdurchmesser). Im Gegensatz dazu beanspruchen die Mischelemente des Multiflux Mischers bis zu 30% des Mischervolumens und er hat dadurch einen wesentlich grösseren Druckverlust. Die benötigte Mischerlänge für die Homogenisierung ist jedoch viel geringer als beim Wendelmischer und beträgt typischerweise 10D. Beide Mischer teilen die Strömung in 2 Kanäle bzw. Teilströme auf und führen sie wieder zusammen um sie erneut zu teilen. Der Wendelmischer hat einen kreisrunden Querschnitt des Strömungskanals während der Multiflux Mischer in seiner ursprünglichen Form vorzugsweise mit quadratischem Querschnitt des Strömungskanals verwendet wurde, weil damit ein besseres Mischresultat erreicht werden konnte. Es sind aber auch Ausführungsformen dieses Mischers bekannt mit kreisrundem Querschnitt des Strömungskanals die ebenfalls mit einem zweiteiligen Werkzeug aus Kunststoff hergestellt werden können.

[0003] Heute stehen mit den Mischern nach EP 0749776A1 oder EP 0815929A1 z.B. für die Anwendung als Einwegmischer statische Mischer mit dem gleichen Mischprinzip wie der Multiflux Mischer, aber mit einfacherer und verbesserter Form bereit. Auch hier können ganze Mischerstangen mit einfachen, zweiteiligen Werkzeugen aus Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden. Die Länge eines Mischelementes nach diesen Erfindungen beträgt nur ca. 0.5 D und die Mischelemente nehmen ein Volumen von weniger als zu 10% des dem Mischer zugeordneten Volumens ein. Dadurch ergibt sich ein geringer Druckverlust und eine sehr kurze Homogenisierungslänge von ca. 8D. Heute sind noch eine Vielzahl ähnlicher, davon abgeleiteter oder verwandter Mischerstrukturen bekannt etwa nach US 3239197, EP 1 149 626A1, WO2017/027275A2, EP 1 125 626A1, EP 2 599 540, oder EP 3 338 882A1.

[0004] Als Mischgütemass für eine Mischung in einem statischen Mischer wird häufig die relative Standardabweichung s/x aus einer Konzentrationsmessung über den Querschnitt verwendet. Dabei bedeutet s die gemessene Standardabweichung und x der gemessene Mittelwert der Konzentration in einem Querschnitt. Diese relative Standardabweichung wird auch als Variationskoeffizient COV bezeichnet. Zur Konzentrationsmessung wird gerne die Leitfähigkeitsmethode [Chem.-Ing.-Tech.52(1980) 4, S.285-291] verwendet. Es werden zwei viskose Teilströme mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit durch den statischen Mischer gedrückt und vermischt. Zur Leitfähigkeits- bzw. Konzentrationsmessung wird eine Messsonde wird über den Austrittsquerschnitt gezogen. Eine neuere, experimentelle Messmethode ist die LlF (Laser Induced Fluorescenc) Methode [The Canadian Journal of Chemical Engineering, Volume 76, June 1998]. Zur Konzentrationsmessung wird ein fluoreszierender Tracer verwendet der durch einen Laserstrahl induziert wird. Bei dieser Messmethode wird die Strömung nicht durch eine Messsonde beeinflusst. Ganz ohne Experimente kommt schliesslich die numerische Strömungssimulation (CFD) aus. Der COV ist abhängig von der Messmethode und der Probengrösse. Bei der numerischen Strömungssimulation kann das Resultat zudem stark beeinflusst sein vom verwendeten Modell und numerischen Einflüssen. Als homogen wird eine Mischung mit einem COV=1% angesehen. Die entsprechende Mischerlänge wird als Homogenisierungslänge bezeichnet.

[0005] Die Schichtenbildung bei laminarer Strömung lässt sich auch sehr einfach und exakt nachweisen indem zwei mit Härter versetzte und in kurzer Zeit aushärtende, hochviskose Harzkomponenten mit unterschiedlicher Einfärbung mit Pigmentfarbe durch einen Mischer gedrückt werden. Die ausgehärtete Mischerstange wird anschliessend nach jedem Mischelement aufgeschnitten. Damit wird der Mischvorgang oder der Mischzustand in einem Querschnitt für immer ohne Beeinflussung durch Diffusion oder andere Einflüsse eingefroren und kann einfach analysiert werden. Der einzige Nachteil ist, dass der untersuchte Mischer verloren geht bzw. auch „eigefroren“ ist. Heute können Prototypen von Mischern einfach und günstig aus Kunststoff in 3D-Druck hergestellt werden. Damit ist diese alte Untersuchungsmethode wieder sehr interessant geworden. Eine einfache Auswertung ist die Auszählung der gebildeten Schichten oder noch einfacher und sicherer die Messung der maximalen Schichtdicke I in einem Querschnitt. Vergleicht man die Messungen der max. Schichtdicke I z.B. mit der Leitfähigkeitsmethode zeigt sich, dass die Homogenisierungslänge (COV=1%) bei einer Schichtdicke von ca. 25µm erreicht ist. Da diese Schichtdicke kaum mehr messbar ist, wird sie durch exponentielle Extrapolation ermittelt.

[0006] Die Mischwirkung der bekannten statischen Mischer im laminaren Bereich ist teilweise sehr gut und folgt zwar nicht dem idealen, aber doch einem exponentiellen Schichtbildungsgesetz. Ein bisher ungelöstes Problem ist vielen statischen Mischern mit kreisrunden Rohrquerschnitt gemeinsam. Die Schichtdicken über den Querschnitt und unter den Schichten können sehr unterschiedlich sein oder die Schichten reichen nicht über den ganzen Querschnitt. Bei Mischern ähnlich wie der Multiflux Mischer oder wie EP 0749776A1 mit rundem Rohrquerschnitt zeigt sich vor allem eine signifikante Abweichung der Dicke der Schichten in den Randbereichen im Vergleich zu den Schichten in einem inneren Bereich. Bei einem quadratischen Querschnitt des Strömungskanals ist dieser Effekt weniger ausgeprägt. Deshalb werden die z.B. Einwegmischer mit diesen oder ähnlichen Mischergeometrien wie nach EP 0749776 meistens mit quadratischen Gehäusen angeboten, obwohl ein kreisrundes Rohr als Gehäuse bevorzugt würde. Bei vielen Anwendungen kommt ein quadratisches Gehäuse nicht in Frage und andere statische Mischer werden bevorzugt.

[0007] Fig.1 zeigt die Verteilung der Schichten und Schichtdicken die aus den Schnittbildern bei Versuchen mit einem statischen Mischer nach EP 0749776 mit quadratischem Querschnitt ermittelt wurde. Die Bilder wurden der fotografischen Auswertung der Schnittbilder nachgezeichnet. Dabei zeigt Bild a) den Zustand am Eintritt (Mischung 1:1, Schwarz/Weiss), Bild b) den Zustand am Austritt des ersten Elements und Bild c) den Zustand am Austritt des zweiten Elements. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Anzahl der gebildeten Schichten sehr gut den Erwartungen nach dem Kalandermodell entspricht aber auch dass die Schichtdicken auch beim quadratischen Strömungsquerschnitt nicht gleichmässig bzw. die Randschichten deutlich grösser als erwartet sind. Diese Abweichung bleibt über alle weiteren Mischelemente erhalten wobei die Dicke der Schichten mit fortschreitender Mischerlänge trotzdem stetig und exponentiell abnimmt. Die Mischgüte in Gestalt einer abnehmenden maximalen Schichtdicke I ist signifikant geringer als nach den Erwartungen bei einem idealen Mischgesetz. Fig. 7, Trendlinie 2 zeigt den Verlauf der gemessenen maximalen, relativen Schichtdicke I/Iofür diesen Mischer dargestellt als Funktion der relativen Mischerläne L/D. Die Trendlinie 3 zeigt den Verlauf der relativen Schichtdicke über die relative Mischerlänge nach den gleichen Messungen für einen Wendelmischer mit kreisrundem Strömungsquerschnitt. Die Schichtdicke ist schon nach wenigen Rohrdurchmessern bereits um eine Grössenordnung höher als bei Linie 2. In der Europäischen Patentanmeldung EP 3907461 A1 wird eine mögliche Lösung für eine weitere Verbesserung der Schichtbildung beim Mischer nach EP 0749776 beschrieben indem die Umlenkflächen über den Trennsteg auf der Eintrittsseite hinaus in geeigneter Form und Richtung vergrössert wird und damit die Fensterflächen verkleinert werden. Dadurch kann eine etwas gleichmässigere Verteilung der Schichtdicken erreicht werden. Diese Lösung wurde hauptsächlich für Anwendungen als Mischer-Wärmetauscher entwickelt, auch um gleichzeitig den Wärmeübergang an die Rohre zu verbessern. Es zeigte sich aber, dass bei der Anwendung dieser Lösung für Einwegmischer oder für andere statische Mischaufgaben ohne Wärmeübergang der Druckverlust mehr als erwünscht erhöht wird. Alle oben erwähnten statischen Mischer mit Ausnahme der Wendelmischer weisen ausserdem ein ungünstiges Verweilzeitverhalten auf, weil Zonen mit stark unterschiedlicher axialer Strömungsgeschwindigkeit oder sogar stagnierende Zonen vorkommen. Solche Zonen härten bei der Verarbeitung von Harzen mit kurzer Topfzeit vorzeitig aus und führen dazu, dass die Mischer öfter ausgetauscht werden müssen. Bisher ist somit keine befriedigende Lösung für das Problem der nicht gleichmässigen Verteilung der Schichtdicke bzw. dickeren Schichten am Rand, insbesondere bei Einwegmischern mit kreisförmigen Strömungskanal, bekannt geworden.

Beschreibungder Erfindung

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen statischen Mischer oder Einwegmischer mit geringem Druckverlust zu finden der eine wesentlich einheitlichere Verteilung der Schichtdicken über den Querschnitt und damit eine kürzere Homogenisierungslänge als die bekannten statischen (Einweg-) Mischer, insbesondere bei einem kreisrunden Rohr als Mischergehäuse bei geringem Druckverlust erzielt und der mit einem zweiteiligen Auf/Zu (O/C) Werkzeug einfach und als ganze Mischerstange als monolithisches Teil herstellbar ist. Zusätzlich soll eine Verbesserung der Verweilzeitverteilung bzw. eine Reduktion der stagnierenden Zonen erreicht werden.

[0009] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren unabhängigen und abhängigen Patentansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausführungsformen oder Anwendungen der Erfindung.

[0010] Der Begriff „schaufelartige Umlenkflächen“ umfasst sowohl vollständig ebene wie auch gekrümmte Umlenkflächen, beispielsweise konkav und/oder konvex gekrümmte Umlenkflächen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Fig. 1 Darstellung der Schichtdicken nach Messung mit aushärtenden Harzen in einem Mischer nach EP 0749776 mit quadratischem Querschnitt. Das Bild wurde der fotografischen Auswertung nachgezeichnet. a) Mischereintritt, b) Austritt aus Mischelement 1, c) Austritt aus Mischelement 2 Fig. 2 Perspektivische Darstellung eines Rohrs 1 mit einem erfindungsgemässen statischen Mischelement mit der Länge H mit 2 schaufelartigen Umlenkflächen 4,5 mit Rändern 6,7 auf der Eintrittsseite (Abschnitt I) und einem Trennsteg 2 mit der Breite D und der Höhe h in einer axialen Ebene durch die Rohrachse 3 auf der Austrittsseite (Abschnitt II). Querschnittsebenen E1 (Eintritt Mischelement), E2 (Zwischenebene beim Übergang von Umlenkflächen zum Trennsteg) und E3 (Austritt Mischelement). Die Pfeile deuten die Querströmungsrichtungen in den einzelnen Abschnitten an. Fig. 3 Axialer Schnitt (Ebene EB, Fig.4) durch die Rohrachse und senkrecht zum Trennsteg 2 eines erfindungsgemässen Mischelements mit geneigten Umlenkflächen und gegenüber dem Wert Dxh ohne Neigung vergrösserter Strömungsfläche F. Die Schnittflächen sind für das bessere Verständnis nicht schraffiert dargestellt. Die Richtungspfeile zeigen die Querströmungsrichtungen in den Abschnitten I bzw. II. Fig. 4 Ansicht von der Eintrittsseite auf ein erfindungsgemässes Mischelement Typ A mit einem Trennsteg 2 in einer axialen Ebene EA und Umlenkflächen 4 und 5 und Fenstern 8 und 9 in einem Rohr 1. Die Ränder 6,7 auf der Eintrittsseite bilden in diesem Beispiel einen gemeinsamen, geraden Steg durch die Rohrachse der im Winkel β zum Trennsteg 2 steht. Fig. 5 Ansicht von der Eintrittsseite auf ein erfindungsgemässes Mischelement Typ B das spiegelbildlich zum Element Typ A aufgebaut ist mit zum Trennsteg 2 bzw. 2' versetzten Umlenkflächen 4' und 5' und Fenstern 8' und 9'. Die Trennstege 2,2' aufeinanderfolgender Mischelemente Typ A und Typ B stehen vorzugsweise parallel zueinander in einer gemeinsamen, axialen Ebene EA in der Rohrmitte. Die Eintrittskanten der Ränder werden vorzugsweise angeschrägt. Fig. 6 Darstellung der Verteilung und Dicke der gebildeten Schichten nach Versuchen mit aushärtenden Harzen am Austritt des zweiten Mischelementes für einen erfindungsgemässen Mischer in einem kreisrunden Rohr. Das Bild wurde der fotografischen Auswertung nachgezeichnet. Fig. 7 Verlauf der gemessenen maximalen Schichtdicke I im Vergleich zur Anfangsdicke Ioals Funktion der relativen Mischerlänge L/D für den erfindungsgemässen Mischer (1) mit kreisrundem Querschnitt, einen Mischer gemäss EP 0749776 mit quadratischem Querschnitt (2) und einem Wendelmischer (3) als exponentielle Trendlinien. Fig. 8 Längsschnitt quer zum Trennsteg (Ebene EB) durch eine ganze Mischerstange aus Mischelementen Typ A und Typ B mit seitlichen Verbindungelementen 10,11 in einem Strömungskanal 1. Fig. 9 Ansicht von der Eintrittsseite auf die Mischerstange nach Fig. 8 mit seitlichen Verbindungelementen 10,11 die sich dem Rohrquerschnitt anpassen und die als Einwegmischer mit einem einfachen, zweiteiligen Werkzeug aus Kunststoff-Spritzguss herstellbar ist. Die Öffnungsrichtung des in der Ebene EB geteilten Werkzeugs wird durch die Pfeile C/O angedeutet. Fig. 10 Längsschnitt (Ebene EB) durch ein erfindungsgemässes Mischelement mit Ring 12 zur Verstärkung das als besonders starkes, monolithisches Mischelement z.B. als Präzisionsgussteil oder in 3D-Druck herstellbar ist und in ein Rohr mit dem Durchmesser D eingeschoben wird. Einzelne Mischelemente mit Ring lassen sich ebenfalls aus Kunststoff oder Wachs mit einem einfachen, zweiteiligen Werkzeug herstellen. Fig. 11 Ansicht von der Eintrittsseite auf ein erfindungsgemässes Mischelement mit Ring 12 gemäss Fig. 10 Fig. 12 Längsschnitt durch ein erfindungsgemässes Mischelement mit konvex gebogenen Umlenkflächen Fig. 13 Längsschnitt durch ein erfindungsgemässes Mischelement mit konkav gebogenen Umlenkflächen Fig. 14 Ansicht von der Eintrittsseite auf ein erfindungsgemässes Mischelement bei dem die Ränder der Umlenkflächen eine gebogene Linie bilden Fig. 15 Ansicht von der Eintrittsseite auf ein erfindungsgemässes Mischelement mit in einem quadratischen Strömungsquerschnitt.

Ausführungsbeispiele

[0012] Der erfindungsgemässe statische Mischer, vorzugsweise in einem Rohr 1, besteht aus Mischelementen mit jeweils einem Trennsteg 2 der Höhe h in einer Ebene durch die Rohrachse 3, parallel zur axialen Strömungsrichtung und über den ganzen Querschnitt verlaufend und am Trennsteg 2 sind jeweils zwei schaufelartige Umlenkflächen 4, 5 mit Rändern 6,7 angebracht die in der axialen Projektion einen Sektor des Querschnittsfläche vollständig abdecken und zwei Fenster 8, 9 für den axialen Durchlass der Strömung. Besonders vorteilhaft ist, wenn der abgedeckte Sektor 56% - 67% der radialen Querschnittsfläche beträgt. Wenn die Ränder 6,7 auf der Eintrittsseite einen geraden Steg über den Querschnitt bilden entspricht dies einem Winkel β = 100 -120°. Bei einer grösseren Abdeckung steigt der Druckverlust und es kommt zu einer Umkehr derart, dass die Schichten nahe des Trennstegs grösser werden als am Rand. Die Umlenkflächen trennen zwei axiale Abschnitte I und II. Der Abschnitt I ist der Bereich stromaufwärts von den Umlenkflächen bis zur Eintrittsebene E1. Die Eintrittsebene E1 liegt senkrecht zur Rohrachse 3 und berührt die obere Kante eines Mischelements. Der Abschnitt II ist der Bereich stromabwärts von den Umlenkflächen bis zur Austrittsebene E3. Die Austrittsebene E3 liegt parallel zur Eintrittsebene E1 und ebenfalls senkrecht zur Rohrachse 3 und berührt die untere Kante eines Mischelements bzw. des Trennstegs 2. Im Abschnitt I wird die Strömung quer zur axialen Strömungsrichtung in entgegengesetzten Richtungen in die Fenster 8,9 verschoben, geteilt und komprimiert und die Teilströme gelangen auf jeweils gegenüberliegende Seiten des Trennsteges 2 im Abschnitt II. Hier wird die Strömung wieder auf den vollen Querschnitt ausgedehnt. In der Austrittsebene E3 werden die Teilströme wieder zusammengeführt um im nächsten Mischelement erneut geteilt zu werden. Die Ränder 6,7 halten die Strömung auf den Umlenkflächen 4 bzw.5 und verhindern, dass diese in das benachbarte Fenster auf der gleichen Seite des Trennstegs 2 gelangt. Die seitlichen Ränder der Umlenkflächen treffen sich in der Rohrachse und bilden eine gerade oder gebogene Fläche die ebenfalls über den ganzen Querschnitt verläuft und gegen die Strömungsrichtung über die Umlenkfläche vorsteht. Die Ränder verlaufen vorzugsweise zumindest am Eintritt parallel zur Strömungsrichtung. Sie können aber auch eine Neigung zu dieser haben. Die Höhe des Randes über der Umlenkfläche kann über den Durchmesser unterschiedlich sein. Vorzugsweise werden die Ränder jedoch bis zur Eintrittsebene E1 eines Mischelements hochgezogen und bilden ebenfalls eine gerade oder gebogene Stegfläche auf der Eintrittsseite oder die Ränder 6 und 7 bilden gemeinsam einen geraden Steg der durch den ganzen Querschnitt verläuft. Die Umlenkflächen 4,5 liegen in Ebenen quer zur Rohrachse, sind aber aus der Querschnittsebene E2 und gegen die Strömungsrichtung angehoben. Die Querschnittsebene E2 verläuft senkrecht zur Rohrachse, parallel zu den Ebenen E1 und E3 und durch die obere Kante des Trennstegs 2. Dadurch, dass die Umlenkflächen angehoben werden wird die Fläche F (Fig.3) unter den Umlenkflächen im Abschnitt II und senkrecht zum Trennsteg 2 im Abschnitt II um 25 - 50% vergrössert. Wenn die Umlenkflächen eben und gerade sind würde das einem Neigungswinkel derselben von α = 15 - 30° zur Querschnittsebene E2 entsprechen. Dabei soll die Neigung auf beiden Seiten des Trennstegs 2 entgegengesetzt und gegen das jeweilige Fenster sein. Die Fläche F, stromabwärts von den Umlenkflächen 4,5 und bis zur Austrittsebene E3 reichend, bildet die Durchlassfläche in einem Mischelement für die Querströmung längs des Trennstegs 2. Sie steht senkrecht zum Trennsteg 2 in der Ebene EB durch die Rohrachse. Durch die Pfeile in Fig. 2 und 3 werden die Quer-Strömungsrichtungen in den einzelnen Abschnitten angedeutet.

[0013] Bei Mischversuchen mit aushärtenden Harzen mit derartigen Mischelementen bei denen nur die Umlenkflächen um einen Winkel α geneigt aber nicht vergrössert waren (β = 90°), ergab sich überraschend eine deutliche Zunahme der Schichtdicken am Rand verglichen mit Umlenkflächen in der Querschnittsebene. Das gilt für den quadratischen wie für den kreisrunden Querschnitt. Wenn dagegen bei Umlenkflächen in der Querschnittsebene (α = 0°) nur die Abdeckung durch die Umlenkflächen vergrössert bzw. der Winkel β > 90° gewählt wird, ergeben sich etwas gleichmässigere Schichtdicken. Diese Massnahme ist aber wesentlich effektiver, wenn gleichzeitig die Umlenkflächen aus der Querschnittsebene angehoben werden. Die Verteilung der Schichtdicken ist am gleichmässigsten bei geschickter Kombination der beiden Massnahmen.

[0014] Durch die vergrösserten Umlenkflächen wird der engste Querschnitt in den Fenstern in der axialen Projektion verkleinert. Dadurch würde der Druckverlust in den Mischelementen steigen, wenn die Umlenkflächen in der Querschnittsfläche E2 liegen würden und es würden Zonen mit sehr unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten oder sogar stagnierende Zonen gebildet. Durch die zusätzliche Neigung oder Anhebung der Umlenkflächen zur Querschnittsebene wird der Strömungsquerschnitt für die Ausbreitung in Richtung des Trennstegs im Abschnitt II vergrössert. Dadurch wird der Druckverlust reduziert und gleichzeitig die Geschwindigkeitsverteilung bzw. die Verweilzeitverteilung verbessert. Sowohl die Umlenkflächen und deren Ränder können anstelle einer ebenen auch eine geschwungene, gewölbte oder wendelartige Form aufweisen (Fig. 12,13 und 14). Zur weiteren Verbesserung der Verweilzeitverteilung können die Übergänge von Stegen oder Rändern zu den Umlenkflächen grosse Rundungen aufweisen. Wenn die Mischelemente mit Verbindungselementen oder mit einem äusseren Ring verbunden sind, können die Umlenkflächen oder die Ränder und Stege an den Übergängen zu diesen Elementen auch keilförmig oder durch grosse Rundungen verstärkt sein, zur Verminderung von Totzonen und zur Erhöhung der Festigkeit.

[0015] Für die Höhe h des Trennstegs 2 oder für die Länge H eines Mischelements gibt es keine obere Grenze. Der Druckverlust nimmt ab mit zunehmender Länge h der Trennstege oder H der Mischelemente. Wird dagegen die Länge verkürzt nimmt der Leervolumenanteil ab und der Druckverlust steigt aber die Mischgüte (Schichtdicke) bezogen auf 1 Mischelement bleibt annähernd gleich. Somit nimmt die Mischgüte pro Länge zu. Es hat sich gezeigt, dass ein optimales Ergebnis von Mischgüte und Druckverlust für die meisten Fälle dann erreicht wird, wenn h=0.2 - 0.3D und H=0.4 - 0.6D gewählt wird. Die Mischelemente haben normalerweise einen Leervolumenanteil von > 90%.

[0016] Ein statischer Mischer wird gebildet durch eine Abfolge von in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten erfindungsgemässen Mischelementen Typ A (Fig.4) und Typ B (Fig.5) bis der gewünschte Mischzustand erreicht wird. Dabei sind die Elemente Typ A und Typ B bis auf die spiegelbildliche Anordnung der Umlenkflächen identisch d.h. die Fenster 8 und 9 des Typs A und die Fenster 8' und 9' des Typs B liegen auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Trennstegs 2 bzw. 2'. Die Umlenkflächen 4 und 4' bzw. 5 und 5' sind entgegengesetzt zum Trennsteg 2 bzw. 2' geneigt. Die Trennstege 2 bzw. 2' aufeinanderfolgender Mischelemente liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen axialen Ebene EA durch die Rohrmitte. Dadurch decken sich Fenster und Umlenkflächen aufeinanderfolgender Mischelemente gegenseitig ab. Hintereinander angeordnete Mischelemente werden vorzugsweise ohne Abstände eingebaut für eine kompakte Bauweise. Sie können jedoch auch mit Abständen eingebaut werden.

[0017] Mit Hilfe der beschriebenen Versuche mit aushärtenden Harzen und den Schnittbildern wurde die günstige Wirkung dieser Erfindungsidee klar nachgewiesen. Fig. 6 zeigt die Verteilung der gebildeten Schichten und deren Dicke am Austritt des zweiten Mischelements bei einer erfindungsgemässen Ausführung der Mischelemente für einem kreisrundes Rohr. Das Bild wurde ebenfalls der fotografischen Auswertung der Schnittbilder nachgezeichnet. Die Verteilung der Schichtdicken über den Querschnitt ist bereits hier deutlich gleichmässiger als in Fig. 1c. Der Trend setzt sich gemäss der exponentiellen Abnahme der Schichtdicken in den weiteren Mischelementen fort. Fig. 7 zeigt den Verlauf der gemessenen maximalen Schichtdicke I im Vergleich zur Anfangsdicke Ioals Funktion der relativen Mischerlänge L/D für den erfindungsgemässen Mischer mit kreisrundem Querschnitt (1) und dem Mischer nach EP 0749776 mit quadratischem Querschnitt (2) sowie für einen Wendelmischer (3), ebenfalls mit kreisrundem Querschnitt als exponentielle Trendlinien. Dabei zeigt sich als grosser Fortschritt, dass beim erfindungsgemässen Mischer, sogar in einem kreisrunden Rohr, die rel. Schichtdicke I/Iodes bekannten Mischers nach EP 0749776 mit quadratischem Querschnitt bereits nach nur 6 Rohrdurchmessern halbiert wird. Der Unterschied wird als Folge der exponentiellen Abnahme der Schichtdicken immer grösser je Länger die Mischstrecke ist. Das Resultat ist eine wesentlich kürzere Homogenisierungslänge von nur ca. 6D. Dank der Möglichkeit normale Rohre als Gehäuse zu verwenden werden die Mischer wesentlich günstiger in der Herstellung und einfacher in der Handhabung.

[0018] Dadurch, dass die Umlenkflächen in der Projektion mindesten 56% der Querschnittsfläche abdecken wird gleichzeitig die Bildung von mischresistenten Strähnen die durch den Trennsteg 2 nur leicht umgelenkt werden vermieden, weil diese durch die Umlenkflächen besser abgefangen werden.

Beschreibung von Herstellungs- und Ausführungsbeispielen

[0019] Einzelne Mischelemente wie in Fig. 2 dargestellt lassen sich z.B. einfach aus 2 aus Blech ausgeschnittenen (Laser-, Wasserstrahl) oder gestanzten Abwicklungen herstellen. Die Bleche werden entsprechend der gewünschten Form gebogen und die 2 Hälften mit einer üblichen Methode wie Schweissen, Kleben, Löten, Nieten, Schrauben etc. zusammengefügt. Selbstverständlich können die Mischelemente auch aus mehr als zwei Einzelteilen zusammengebaut werden. Die Mischelemente werden dann einzeln oder durch Verbindungselemente zu ganzen Mischerstangen verbunden in ein Rohr eingeschoben. Durch die Verbindungselemente wird auch für die richtige Ausrichtung der Mischelemente hintereinander gesorgt. Die Verbindungselemente dienen gleichzeitig zur Aufnahme der auftretenden axialen Kräfte durch den Druckabfall. Zur axialen Positionierung des Mischers im Rohr dienen Träger oder Halteringe oder die Mischelemente werden mindestens teilweise mit dem Rohr z.B. durch Schweissen verbunden. Einzelne Mischelemente oder ganze Mischerstangen aus Kunststoff oder Metall können auch mit einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden.

[0020] Ganze Mischerstangen als Einwegmischer aus einer Vielzahl von Einzelelementen Typ A und Typ B werden in einem Stück mit einem Kunststoff-Spritzgussverfahren oder aus Metall auch im Präzisionsgussverfahren hergestellt (Fig. 8 und 9). Dabei werden die Mischerteile durch äussere, axiale Elemente 10,11 miteinander verbunden, derart, dass das ganze Teil mit einem einfachen, zweiteiligen Auf/Zu-Werkzeug (O/C) hergestellt werden kann und die äussere Form dem kreisrunden Rohrquerschnitt angepasst ist (Fig.8 und 9). Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft als Einwegmischer gegenüber den bisher bekannten Einwegmischern mit dem unpraktischen, quadratischen Gehäusequerschnitt.

[0021] Wenn eine besonders hohe Festigkeit der Mischelemente z.B. beim Einsatz als Mischer für Kunststoffschmelzen bei der Extrusion oder beim Spritzguss von Kunststoffteilen erforderlich ist, werden die einzelnen Mischelemente mit einem äusseren Ring 12 (Fig. 10 und 11) zur Aufnahme der Druckkräfte fest verbunden oder als Präzisionsgussteile (Wachsausschmelzverfahren) oder in 3D-Druck aus einem Teil hergestellt. Spiegelbildliche Elemente Typ A und Typ B werden dann in Strömungsrichtung hintereinander ins Gehäuse eingebaut und bilden den statischen Mischer. Zur richtigen Positionierung der Mischelemente hintereinander dienen besondere Nocken und Nuten oder Stifte und Bohrungen.

Claims (10)

1. Statische Mischelemente in einem Strömungskanal, vorzugsweise in einem Rohr (1) mit dem Durchmesser (D), – die Mischelemente mit jeweils einem Trennsteg (2) mit einer Höhe (h), vorzugsweise in einer Ebene EA durch die Rohrachse (3) parallel zur axialen Strömungsrichtung und über den ganzen Durchmesser verlaufend – mit daran anschliessend zwei schaufelartigen Umlenkflächen (4, 5) in Ebenen quer zur Rohrachse die in der axialen Projektion einen Sektor des Querschnittes vollständig abdecken und zwei axiale Abschnitte abgrenzen – und zwei Fenstern (8, 9) für den axialen Durchlass der Strömung von einem ersten axialen Abschnitt (I) auf der Eintrittsseite auf jeweils gegenüberliegende Seiten des Trennsteges (2) in einen zweiten axialen Abschnitt (II) auf der Austrittsseite – wobei die Umlenkflächen (4, 5) auf der Eintrittsseite als seitliche Abgrenzung zu den Fenstern erhöhte Ränder (6,7) aufweisen die sich in der Rohrachse treffen und gegen die Strömungsrichtung über die Umlenkfläche vorstehen dadurch gekennzeichnet, dass – die Umlenkflächen bzw. deren axiale Projektion eine Fläche von mindestens 56% des Rohrquerschnitts vollständig abdecken und die Umlenkflächen gegen den Mittelsteg hin und zur Querschnittsebene gegenseitig geneigt und/oder aus der Querschnittsebene angehoben sind, – derart dass die Fläche (F) stromabwärts von den Umlenkflächen (4,5) und bis zur Austrittsebene (E3) in der axialen Ebene (EB), senkrecht zum Trennsteg (2) und durch die Rohrachse (3) um mindestens 25% gegenüber dem Wert (Dxh) ohne Neigung und/oder Anhebung vergrössert wird.

2. Statische Mischelemente nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (6,7) einen gemeinsamen, geraden Steg auf der Eintrittsseite im ersten axialen Abschnitt (I) bilden der einen Winkel β > 100° und β ≤ 120° mit dem Trennsteg (2) einschliesst.

3. Statische Mischelemente nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflächen (4,5) ebene Flächen sind die gegen die Strömungsrichtung um einen Winkel α > 15° zur Querschnittsebene und gegenseitig zum Trennsteg (2) hin, geneigt sind.

4. Statische Mischelemente nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Trennstegs 0.2 - 0.3D und die gesamte Höhe (H) eines Mischelements 0.4 - 0.6D beträgt.

5. Statischer Mischer in einem Strömungskanal aus mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Mischelementen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Mischelemente spiegelbildlich sind und sich Fenster und Umlenkflächen aufeinanderfolgender Mischelemente gegenseitig abdecken.

6. Statischer Mischer in einem Strömungskanal aus mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Mischelementen nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Mischelemente spiegelbildlich sind und sich Fenster und Umlenkflächen gegenseitig abdecken, wobei bevorzugt die Mischelemente durch axiale Verbindungselemente, die an ein kreisrundes Rohr angepasst sind, derart zu einer Mischerstange miteinander verbunden sind, dass der ganze statische Mischer durch ein einfaches Auf/Zu-Werkzeug herstellbar ist.

7. Statischer Mischer, insbesondere mit hoher Festigkeit, in einem Strömungskanal aus in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Mischelementen nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Mischelemente mit einem äusseren Ring zur Verstärkung fest verbunden sind oder ein monolithisches Teil bilden.

8. Statische Mischelemente und statische Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche mindestens teilweise im Übergangsbereich zu Rohrwand, Ring, Trennstegen, Rändern oder Verbindungselementen keilförmig und/oder durch grosse Radien verdickt sind.

9. Anwendung statischer Mischelemente oder statischer Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem als Strömungskanal dienenden kreisrunden Rohr bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen.

10. Anwendung statischer Mischelemente oder statischer Mischer nach einem der vorangehenden Ansprüche als Einwegmischer in einem als Strömungskanal dienenden kreisrunden Rohr bei der Verarbeitung von aushärtenden Harzen.