DE3032140C2 - Verfahren und Mischer zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem Mischer - Google Patents

Verfahren und Mischer zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem Mischer

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem statischen Mischer, bei dem die dem Mischer zugeführten Stoffe durch mindestens eine Trennwand beschleunigt oder verzögert werden.
Verfahren dieser Art sind bekannt (US- PS 36 52 061).
Zum intensiven Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem statischen Mischer ist es wichtig, daß die Grenzschicht,
die sich bildet, wenn die Stoffe den Mischer durchströmen, an den Oberflächen der verschiedenen Teile des Mischers abreißt, weil beim Abreißen dieser Grenzschicht Turbulenzen erzeugt werden, welche das Mischen der strömenden Stoffe begünstigen. Je kräftiger die Turbulenz ist, um so intensiver wird das Mischen. Jedoch erhöht sich beim Abreißen der Grenzschicht der Strömungswiderstand sprunghaft, so daß bei den bekannten Verfahren, wenn intensives Mischen erzielt werden soll, der Energieaufwand zum Oberwinden des Strömungswiderstandes vergleichsweise hoch ist
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart auszuführen, daß intensives Mischen mit geringerem Energieaufwand erzielt wird.
Bei einem Verfahren gemäß der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß die Mengenströme der den Mischer durchströmenden Stoffe so gewählt werden, daß das Gesamtsystem bestehend aus dem Mischer und den Mengenströmen in den Bereich seiner Resonanz gebracht wird.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß der gasförmige Stoff ein elastischer Körper ist der während des Strömens durch den statischen Mfcher eine Schwingbewegung ausführt die durch die Bauteile des statischen Mischers erregt wird. Diese Schwingbewegung ist wegen des Strömungswiderstandes und der !Reibung an den Bauteilen und Wänden des Mischers eine gedämpfte Schwingung. Die Wirkung der die gedämpfte Schwingung erregenden Kraft hat ein Maximum, wenn die Erregungskraft und die Geschwindigkeitsänderung, d. h. die Schwingung, sich in Phase miteinander befinden. Dies tritt dann auf, wenn die Schwingung des Gesamtsystems bestehend aus dem Mischer und den Mengenströmen mit der Eigenschwingung des Gesamtsystems gleich ist d. h. wenn das Gesamtsystem in den Bereich seiner Resonanz gebracht ist In diesem Zustand hat die für ein intensives Mischen aufzuwendende Energie ein Minimum, was sich aus dem Gesetz der Erhaltung der Energie von strömenden Stoffen ergibt. Gemäß diesem Gesetz gehört zu den sich verändernden Geschwindigkeiten jeweils eine Druckänderung, wobei eine gegensinnige Veränderung erfolgt Die Änderung der Geschwindigkeit ist im Fall der Resonanz aim größten, wobei demzufolge der Druckradient gleichzeitig maximal ist Hieraus ergibt sich, daß die sogenannte Pumpleistung dann minimal ist
Weitere Merkmale des Verfahren;! gemäß der Erfindung sind in Unteransprüchen unter Schutz gestellt
Die Erfindung betrifft auch einen statischen Mischer zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, mit einem langgestreckten Gehäuse, in das die zu vermischenden Stoffe an seinem einen Ende eingeleitet werden, und mit mindestens einer Trennwand in dem Gehäuse zum Beschleunigen und Verzögern der Stoffe. Gemäß der Erfindung ist ein solcher Mischer dadurch gekennzeichnet daß das Gehäuse im Bereich des Einleitungsendes sich verjüngende Begrenzungswände, und im Bereich des Austrittsendes sich erweiternde Begrenzungswände aufweist, und daß die Mengenströme der den Mischer durchströmenden Stoffe so gewählt werden, daß das Gesamtsystem bestehend aus dem Mischer und den Mengenströmen in den Bereich seiner Resonanz gebracht wird.
Durch die sich verjüngenden Begrenzungswände im Bereich des Einleitungsendes ergibt sich eine stufenweise Beschleunigung der Sioffe bei Eintreten in den Mischer, und durch die sich erweiternden Begrenzungswände am Austrittsende ergibt sich eine stufenweise Verzögerung dieser Stoffe, wenn sie aus dem eigentlichen Mischer austreten. Hierdurch wird ein intensives Mischen innerhalb des eigentlichen Mischers begünstigt
Weitere Merkmale eines Mischers gemäß der Erfindung sind in Unteransprüchen unter Schutz gestellt
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele näher erläutert In der Zeichnung zeigen
F i g. 1 bis 6 verschiedene Schnitte durch Ausführungsformen der Erfindung.
In F i g. 1 hat eine um die Längsachse gelegte Trennwand 1 einen kreisförmigen Querschnitt Die Trennwände 2 schließen mit der Längsachse, z. B. mit der Richtung eines Pfeiles AB abwechselnd einen spitzen Winkel oc und einen stumpfen Winkel β ein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Winkel oc und/? Nebenwinkel.
Ein Raumteil I engt sich in Richtung der Längsachse (Pfeil AB) ein. Gleichzeitig erweitert sich ein Raumteil II. Ein durch die Begrenzungswand begrenzter Raumtei! III hat einen konstanten Querschnitt Ein Raumteil IV erweitert sich in Richtung der Längsachse, während ein Raumteil V sich einengt Das Raumteil I und danach die Raumteile IV und VII sowie die Raumteile II, V, VIII usw. verengen und erweitern sich abwechselnd. Ebenso abwechselnd verengen und erweitern sich die Raumteile I, II oder IV und V usw. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verengen und erweitern sich abwechselnd die Raumteile I, IV, VII usw., wobei die Raumteile II, V, VIII usw. einen konstanten Querschnitt haben. Die Trennwände in F i g. 2 können als eine einzige Trennwand angesehen werden, die Diskontinuitäten 5 hat In F i g. 2 deuten ein Pfeil A das Einführen des einen Mittels, ein Pfeil B das des anderen Mittels an. Pfeil AB wiederum kennzeichnet das aus der Einrichtung austretende gemischte Mittel. Durch die Begrenzungswände 8 ist ein Konfusor, d. h. ein sich einengender Raum bei der Einführung der Mittel A und B ausgebildet wodurch die Mittel stufenweise beschleunigt werden. Durch die Begrenzungswände 9 ist ein Diffusor, d. h. ein sich erweitender Raum bei der Ausführung des Mittels AB ausgebildet, wodurch das Mittel AB stufenweise verzögert wird.
Aus Fig. la (Schnitt C-Cder Fig. 1) kann entnommen werden, daß eine einzige Trennwand 2 innerhalb der Begrenzungswand 1 angeordnet ist, dadurch der Raum in zwei Teile unterteilt ist. In Fig. Ib sind drei einander unter einem Winkel berührende Trennwände 2 dargestellt, wodurch der Raum innerhalb der Begrenzungswand 1 in drei Raumteile unterteilt ist. In Fi g. ic ist der Raum innerhalb der Begrenzungswand 1 durch sechs einander in der Achse berührende Trennwände 2 unterteilt
In Fig. 2 hat die Begrenzungswand 1 einen quadratischen Querschnitt. Die Trennwände 2, 3, 4 weisen verschiedene Längen auf. Die Trennwand 3 reicht bis zur Begrenzungswand 1, wodurch eine Seiteneinführung des Mittels B ermöglicht wird. Durch die Trennwände 2 und 4 ist eine zusammenhängende, einzige Trennwand ausgebildet, die die Diskontinuitäten 5 bat. In Fig.2 sind die Diskontinuitäten 5 durch perforierte Löcher oder durch ein Siebgewebe ausgebildet, <x und β sind hier keine Nebenwinksl.
In Fig.3a und 3b ist die Trennwand 2 abwechselnd unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel zur
über die Längsachse gelegten Ebene a—b angeordnet. In F i g. 3a steht die ausgewählte Ebene a—b senkrecht zur Ebene der Zeichnung. Die Trennwände 2 schließen mit dieser Ebene abwechselnd einen spitzen oder stumpfen Winkel ein. Sie haben zugleich auch einen spitzen oder stumpfen Winkel zu der Längsachse. In F i g. 3b ist ein Extremfall der obigen Anordnung dargestellt, wobei die ausgewählte Ebene a—b einen beliebigen Winke! mit der Ebene der Zeichnung einschließt und die Trennwände 2 einen spitzen oder stumpfen Winkel zu der Ebene a—b aufweisen. Die Ebene a—b ist in die Ebene der Zeichnung gedreht. Die Hälfte der Trennwände 2 steht senkrecht auf der gedrehten Ebene a-b.
In F i g. 4 sind die Trennwände 2 in einer Ebene angeordnet Sie können als eine einzige Trennwand 2 angesehen werden, die Diskontinuitäten hat In der Begrenzungswand !,die in diesem Beispiel einen quadratischen Dispersion — unmittelbar nach dem letzten Element gemessen — hat einen Wert von σ/σο «■ 10- 2.
Beispiel 2
In einem Teich für Abwässer wird eine O2- Konzentration größer als 2 mg/1 erzielt. Durch Kontaktieren der Wasseroberfläche mit der Luft mit Hilfe von einer Flügelmischmaschine wird beim Lösen des OrGehaltes im Wasser ein Wirkungsgrad von η=0,7—0,75 erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Rohrdurchmesser von 100 mm und einer Länge von L= 1000 mm und mit Trennwandelementen mit Längen von 100 mm wird ein Wirkungsgrad von //=0,85—0,90
is erreicht.
Der Energiebedarf ist bei Einführung einer Luftmenge von 0,6—0,8 m-Vmin
hai, sind durch eckige Einbrüche S und —
kreisförmige Einbrüche 7 Verengungen ausgebildet. Die Verengungen bilden mit der Trennwand 2 zusammen einen sich zuerst einengenden, dann erweiternden Raum in Richtung Strömung.
In F i g. 5 ist eine der Einrichtung in F i g. 1 ähnliche Einrichtung dargestellt. Die Begrenzungswand 1 mit den den Konfusor und Diffusor begrenzenden Begrenzungswänden 8 und 9 zusammen bilden einen Bogen, der einen einer gegebenen Stoffmenge zugeordneten veränderten Resonanzpunkt zur Folge hat
In F i g. 6 sind die Trennwände 2 in Schraubenform angeordnet, deren Achse einen bestimmten Winkel mit der Längsachse einschließt. So haben die Trennwände 2 zu einer über die Längsachse gelegten, vorgewählten Ebene a—b einen sich ständig ändernden Winkel. Die aufeinanderfolgenden Trennwände 2 haben eine gegensinnige Schraubenform, und die Enden der Trennwände 2 sind mit einem vorgegebenen Winke! zum Beginn der nächsten Trennwand 2 verdreht angeordnet
Bei der Arbeit der Einrichtung bewegen sich die Elemente und die Einrichtung nicht. In der Einrichtung strömen jeweils mindestens zwei Mittel. Diese Mittel kennen aus dem gleichen Material sein. Sie haben jedoch in einem solchen Falle in irgendeinem physischen Kennwert einen Unterschied (z. B. in bezug auf die Temperatur). In der Zeichnung sind meistens zwei Mittel dargestellt und mit A und B gekennzeichnet Die Mittel A und B strömen in die Einrichtung wie dies durch die Pfeile angedeutet ist Am anderen Ende der Einrichtung tritt ein vollkommen durchmischtes Mittel AS aus.
Die Anwendung des Verfahrens und der Einrichtung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert
Beispiel 1
In einer in einem Behälter gelagerten Flüssigkeit (z. B. Wasser, Methanol, Azeton usw.) wird ein Gas (z. B. Luft) in Form feiner Blasen verteilt Bei der herkömmlichen Einführung mit Luft (z. B. mit einem Düsenkopf von unten) entstehen primäre Blasen von 10—50 μΐη, die sich in einer Höhe von //=0,3—0,5 m zu Blasen in einer Größenordnung von Zentimetern vereinigen.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung werden Blasen in cm-Größe eingeführt Unter Verwendung eines Rohrdurchniessers von 50 mm und der Anordnung von insgesamt zehn gegensinnig verlegten, schraubenförmigen Trennwandelementen mit einer Länge von 50 mm entstehen Blasen von 10—50 μπτ. Die Homogenität der
20
25 bei einer mechanischen FlächcnrnischmaschiriC
1,7-2,5 PS/100 m3,
bei dem erfindunsgemäßen Verfahren
1,1-1,8 PS/100 m3
(im letzteren Fall wurde ein Kompressor-Wirkungsgrad von 70% angenommen).
Beispiel 3
In ionen biologischen Reaktor wird am Boden eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit von mindestens 15 cm/s benötigt, was durch eine Flächenmischmaschine in einer Tiefe von max. 1 rn erreicht werden kann. Mit der erfindungsgemäßen einrichtung kann die gesamte Menge mit einer Fördermenge pro Einheit von 1 —3 nrVh gemischt werden. Der Wirkungsgrad der Mischung wächst mit der Erhöhung des Flüssigkeitsniveaus. Bei der angegebenen Fördermenge können !0— !5 g von festen Materialien pro Liter im Schweben gehalten werden.
40
Beispiel 4
Ein im Suspensionsverfahren hergestelltes PVC-PuI-ver wird mit Meistermischung gefärbt. Zu 100 kg PVC-Pulver wird 0,5 kg der Meistermischung zugemischt.
Bei einer herkömmlichen Bandmischmaschine mit periodischem Betrieb — die eine Kapazität von 1,2 3 hat — beträgt die notwendige Aufenthaltsdauer 30—45 min, die nötige Leistung ρ=4—5 kW/m3.
In einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Rohrdurchmesser von 100 mm und einer Rohrlänge von 2 m kann bei einem Luftverbrauch von 50—60 mJ/h unter einem Druck von p=2atü eine Kapazität von 30 m3/h erreicht werden. Die nötige Aufenthaltsdauer beträgt Ve bis 1Ao in bezug auf die vorbekannte Einrichtung. Bei einer Füllungskapazität von 1,2 m3 hat die vorbekannte Einrichtung eine Leistung von 1,6—2,4 m3/h. Die erfindungsgemäße Einrichtung hat dagegen eine 10-bis 20fache höhere Leistung.
Mit Hilfe der Beispiele wurde die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung erläutert Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf vielen anderen Gebieten zur Anwendung kommen.
Die Erfindung ist schon aufgrund der oben angeführten Betriebsparameter günstiger und kostenersparender als vorbekannte statische Lüfter- und Mischverfahren und -maschinen. Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung können eine gesteigerte Dispersions- und Mischwirkung und folglich eine
größere Berührungsfläche sowie Stoff- und/oder Wärmeübergabe erreicht werden. Für die gleiche Wirkung sind eine kleinere Rohrlänge und weniger Energie ausreichend. In der Einrichtung bildet sich erheblich weniger bzw. kein Absatz aus.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
10
30
40
45
50
55

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Mischen eines flüssigen und/ oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem statischen Mischer, bei dem die dem Mischer zugeführten Stoffe durch mindestens eine Trennwand beschleunigt oder verzögert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenströme der den Mischer durchströmenden Stoffe so gewählt werden, daß das Gesamtsystem bestehend aus dem Mischer und den Mengenströmen in den Bereich seiner Resonanz gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit minde- ι.ΐ stens des gasförmigen Stoffes variiert und gegensinnig verändert wird, und mindestens zwei durch eine oder mehrere Trennwände getrennte Stoffe in gegebenen Intervallen der Geschwindigkeitsänderung miteinaackr in Berührung gebracht werden, der flüssige und/oder disperse Stoff durch das Strömen des gasförmigen Stoffes zum Strömen gebracht wird und/oder seine Strömungsgeschwindigkeit und/oder seine Strömungsrichtung geändert werden, und daß die Stoffe beim Eintreten in den durch die mindestens eine Trennwand aufgeteilten Raum stufenartig beschleunigt und beim Austreten stufenartig verzögert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Teil der wechselnd geeensinnigen Geschwindigkeitsänderung auch eine von der Haupiströmungsrichtung der Achsenrichtung abweichende, im Extremfall hierzu senkrechte Strömung erzeugt ivird.
4. Verfahren nach Ansprucn 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Hauptströmrichtung der Achsenrichtung abweichende, im Extremfall hierzu senkrechte Strömung am Ende der Strecke variiert der gegensinnigen Geschwindigkeitsänderunmg oder danach erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe durch eine Krümmung der aufteilenden Wand in eine von der Hauptströmrichtung abweichende, im Extremfall darauf annähernd senkrechte Zwangsströmung gebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe in den einzelnen Intervallen der Geschwindigkeitsänderung durch Unterbrechung der Kontinuität der aufteilenden Wand bzw. Wände miteinander in Verbindung gebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Trennwände getrennten, sich parallel bewegenden Stoffe bei den Diskontinuitäten der Trennwände mit gegenüber der Strömung stehenden Kanten der Trennwände gleichzeitig oder in Richtung der Strömung verschoben aufgeteilt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sich miteinander parallel bewegenden Stoffe nach den Diskontinuitäten der Trennwände durch Abschwenken der gegenüber der Strömung stehenden Kanten mit einem vorgegebenen Winkel zum vorherigen Trennwandende aufgeteilt werden.
9. Statischer Mischer zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem langgestreckten Gehäuse, in das die zu vermischenden Stoffe an seinem einen Ende eingeleitet werden, und mit mindestens einer Trennwand in dem Gehäuse zum Beschleunigen und Verzögern der Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im Bereich des Einleitungsendes sich verjüngende Begrenzungswände (8), und Im Bereich des Austrittsendes sich erweiterende Begren^ungswände (9) aufweist, und daß die Mengenströme der den Mischer durchströmenden Stoffe so gewählt werden, daß das Gesamtsystem bestehend aus dem Mischer und den Mengenströmen in den Bereich seiner Resonanz gebracht wird.
10. Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer Trennwand (1) ausgestattet ist, die mindestens teilweise variiert einen gegebenenfalls veränderbaren spitzen Winkel oder stumpfen Winkel zur Längsachse und/oder zu einer über die Längsachse gelegenen vorgewählten Ebene (a—b) oder zu den Wänden um die Längsachse aufweist und eine gegebenenfalls veränderbare Diskontinuität besitzt, und daß durch die Begrenzungswände (1) und die Trennwände (2) sowie gegebenenfalls die Begrenzungswände begrenzte, in Richtung der Längsachse mindestens teilweise variiert sich einengende oder erweiternde Räume (I—VIII) vorgesehen sind.
11. Mischer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer Trennwand bzw. einem Trennwandstück (2, 3, 4) versehen ist, das einen sich ändernden spitzen oder stumpfen Winkel zur Längsachse und/oder zu einer über die Längsachse gelegten vorgewählten Ebene (a—b) aufweist
12. Mischer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand bzw. die Trennwände (2) Diskontinuitäten. (5) aufweisen.
13. Mischer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit mindestens einer schraubenförmigen Trennwand (2) ausgestattet ist, die einen sich ständig ändernden Winkel zu einer über der Längsachse gelegenen vorgewählten Ebene (a—b) und variiert einen spitzen oder stumpfen Winkel zur Längsachse aufweist
14. Mischer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er mit in entgegengesetzten Richtungen gedrehten, aufeinanderfolgenden Trennwänden (2) versehen ist
15. Mischer nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle Trennwände (2) in einem Winkel verdreht sind, der durch Vergleich des Eintritts- mit dem Austrittswinkel definiert ist
DE3032140A 1979-08-31 1980-08-26 Verfahren und Mischer zum Mischen eines flüssigen und/oder dispersen Stoffes mit einem gasförmigen Stoff in einem Mischer Expired DE3032140C2 (de)

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