DE7204209U - Mischeinrichtung - Google Patents

Mischeinrichtung

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DE7204209U
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Beschreibung
zum Gebirauohemustergesuoh
Die Neuerung betrifft eine Mischeinriehtung mit mindestens einem Einbauelement für fluide Medien, welche die ; Mischeinrichtung im Gleichstrom durchsetzen.
Unter fluiden Medien sollen Flüssigkeiten, Gase bzw. Gasgemische, niedrig- oder hoohviskose Medien sowie fließfähige Festkörperteilchen verstanden werden. Die Einrichtung kann z.B. VOn1Im Gleichstrom laufenden zwei oder mehr Flüssig'* keiten, von Gasen bzw. Gasgemischen, von einer Flüssigkeit und einem Gas oder einer Flüssigkeit und einem pulverisierten Feststoff durchsetzt werden.
Einige Anwendungsbeispiele für Probleme> die in einer solchen Mischeinrichtung durchgeführt werden können, sind folgende ι
a) Für die Mischung von zwei Flüssigkeiten Neutralisation einer Säure, z.B. einer Abfallsäure aus
j der Firma Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,Winterthur/Schweiz -
betreffend:
"Mischeinrichtung·
Beizbädern mit Hilfe einer Lauge. Die Lamellen können beispielsweise aus Kunststoff bestehen.
b) Für die Mischung eines Gases mit einer Flüssigkeit Hydrierungsprozeß oder auch Chlorierung von Wasser.
c) Für die Mischung von zwei Gasen
Sauerstoff und Ammoniak zur Herstellung von Salpetersäure .
d) Für katalytische Reaktionen
z.B. Ammoniak-Synthese.
e) Für die Mischung von hochviskosen Medien z.B. für Kunststoffe oder teigartige Medien.
Die Neuerung hat sich eine Mischeinrichtung zur Aufgabe gemacht, die eine einfach herstellbare Gestaltung des bzw. der Einbauelemente ermöglicht, und durch die eine äußerst wirksame Vermischung von fluiden Medien erzielt werden kann. Außerdem ist es das Ziel der Neuerung, aufgrund der Herstellung des bzw., der Einbauelemente aus einfachen Bauteilen zu erreichen, daß die Einbauelemente ohne weiteres jedem spezifischen Misehproblem angepaßt werden können, beispielsweise hinsichtlich des Durchmessers bzw. der Länge der Mischeinrichtung.
Die Neuerung besteht darin, daß das Einbauelement aus einander sich berührenden, Strömungskanäle bildenden Lagen besteht, wobei die Längsachsen der Strömungskanäle innerhalb einer jeden Lage mindestens gruppenweise im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die Längsachsen der Strömungskänlle von benachbarten Lagen gegeneinander geneigt sind und die Strömungekanäle von jeweils mindestens zwei benachbarten Lagen mindestens
teilweise
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gegeneinander geöffnet sind. Zur Erzielung einer weitgehend gleichmäßigen Vermischung über den genannten Querschnitt der Mischeinrichtung,können vorteilhaft mindestens zwei Einbauelemente in der Einrichtung angeordnet sein, wobei die Lagen benachbarter Einbauelemente gegeneinander um einen Winkel, vorteilhaft um 9o°, um die Längsachse der Mischeinrichtung verschwenkt sind. In den neuerungsgemäß ausgebildeten Einbauelementen erfolgt die Mischung der fluiden Medien einerseits aufgrund einer Zwangsführung der Medien in den Strömungskanälen der Lagen. Da die Strömungskanäle benachbarter Lagen mindestens teilweise gegeneinander geöffnet sind, entstehen an den gegenseitigen Berührungsflächen der Kanalströmungen andererseits Scherkräfte, die ein Abscheren von Grenzschichten der fluiden
:| Medien, insbesondere, wenn es sich hierbei um hochviskose Flüssigkeiten handelt, bewirken, bzw. es entsteht Turbulenz an den
< Berührungsflächen, so daß die Verteilung der Medien über den
Querschnitt der Einbauelemente noch weiter verbessert und damit eine ausgezeichnete Mischung erzielt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Einbauelemantes besteht darin, daß die Lagen des Einbauelementes aui geriffelten Lamellen bestehen, welche sich gegenseitig berühren, und daß die Riffelungen von aufeinander folgenden und mindestens die Riffelung einer von aufeinander folgenden geriffelten Lamellen im Winkel zur Längsachse der Mischeinrichtung - in Strömungsrichtung der fluiden Medien gesehen - liegtet.
Eine andere ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Neuerung kann darin bestehen? die einzelnen Lagen eines Einbauelementes aus ebenen Flächenelementen gebildet sind, mit welchen unter einem Winkel geneigte flächenartige Leitelemente verbunden sind, so daß die einseinen Strömungskanäle einerseits von den ebenen Flächenelementen und andererseits von je zwei
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parallelen benachbarten Leitelementen begrenzt sind* Beispielsweise Könnten die Leitelemente auf einer Lageffischgratartig verlaufen.
Schließlich kann auch jede Lage eines Einbauelementes aus einer Rohrtafel gebildet sein, wobei sich die die Strömung«- kanäle bildenden Rohre in Längsrichtung berühren und die Rohre von jeweils mindestens zwei benachbarten Rohrtafeln durch öffnungen miteinander in Verbindung stfcben.
Neuerungsgemäß ausgeführte Einbauelemente können vorteilhaft in Mischeinrichtungen, z.B. in Rohren oder Gefäßen, von einem relativ großen Durchmesser von z.B. mehr als 5o mm, angewendet werden, da auch in derartigen Einrichtungen durch die guten Quervermischungen Ungleichheiten rasch ausgeglichen werden.
Gegebenenfalls kann eine neuerungsgemäße Mischeinrichtung dazu verwendet werden, zusätzlich zu einer raschen, gleichmäßigen Mischung der die Einrichtung im Gleichstrom durchsetzenden fluiden Medien, während der Mischung auch eine ehemische Reaktion der miteinander in Kontakt gebrachten fluiden Medien herbeizuführen. Zu diesem Zweck ist es möglich, so weit erforderlich die die Strömungskanäle bildenden Lagen entweder selbst aus einem Katalysatormaterial herzustellen, bzw. auf die Lagen, die vorzugsweise aus einem undurchbrochenen Material, z.B. aus Blech bestfeen, oder gegebenenfalls auch aus einem Metallgewebe oder -gewirk bestehen können, ein Katalysatormaterial aufzubringen.
Weitere Merkmale der Neuerung ergeben sich anhand von in der Zeichnung dargestellten und im folgenden erläuterten Ausführungsformen der Neuerung:
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Fig« H iaigt in achamatiaoher Daratellungaweise
•in« Mischeinrichtung mit swei übereinander, gegenüber um ainan Winkel von 9o° versetzt euigaordnetan, aua geriffelten Lamellen gebildeten Sinbauelementen, während länge der Schnittlinien A-B und C-D gelegte Querschnitt· der Mischeinrichtung in den Figuren la und Ib dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung
die einzelnen Lamellen eines Einbauelementea.
Fig. 3 stellt als weiteres Ausführungsbeispiel
den Einsatz einer Mischeinrichtung in einem Kneter dargestellt.
Fig. 4 und 5 zeigen Variante Ausführungsfernten von Einbauelementen.
In Fig« 6 wind 7 ist schematisch jeweils ein mehrere Einbauelemente aufweisender Abschnitt einer Mischeinrichtung dargestellt, wobei die einzelnen Einbauelemente beispielsweise gemäß Fig. 2, 4 oder 5 ausgebildet sein können.
Fig. 8a und 8b zeigen in sehematischer Darstellungsweise in einem Querschnitt Aueführungsformen eines Einbauelementee gemäß Fig. 2, wobei die Lagen der Einbauelemente als Lamellen mit unterschiedlicher Riffelung, z.B. verschiedener Riffelhöhe oder verschiedenen Neigungswinkeln ausgeführt sind.
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01· in Fig, 1 geneigte Mischeinrichtung weist «in kxreissylindrisches Rohr 1 auf. Selbstverständlich kann der Querschnitt auch «ine andere Formgebung haben, s.B. quadratisch. Die Einrichtung selbsft kan so*6hl senkrecht als auch waagerecht im Raum angeordnet sein.
Das Rohr 1 weist einen unteren Flaneoh 2 für die Verbindung mit der Zuführungsleitung eines fluiden Mediums a und einen oberen Flansch 3 für die Verbindung mit der AbfUhrungsleitung des Gemisches bzw, der chemischen Verbindung c auf, wobei c aus der Komponente a und einem durch ein in die Mischeinrichtung eingeführten Rohr 4 zugeführten fluiden Medium b gebildet ist.
In der Einrichtung 1 sind zwei Einbauelemente 5a und 5b übereinander angeordnet, die gegeneinander um einen Winkel von 9o° versetzt sind (vgl. Fig. la und Ib).
Die Lamellen 6 in der Fig. 2 sind in der Reihenfolge dargestellt, wie sie anschließend aufeinander gelegt und zu einem Einbauelement vereinigt und sodann in die Mischeinrichtung 1 eingeschoben werden. Aus der Zeichnung wird die unterschiedliche Lamellengröße der einzelnen Teile ersichtlich, die von den beiden Außenseiten her zur Mitte zunimmt derart, daß die Lamellen beim Zusammenfügen einen zylindrischen Körper ergeben. Die Lamellen, von denen nur ?&er genau und die übrigen schematisch wiedergegebenen sind, bestehen aus Blech und sind in Abständen zur Herbeiführung einer verbesserten Durchmischung der fluiden Medien im Einbauelement gelocht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, verlaufen die Riffelungen der benachbarten Lamellen derart, daß sich die Richtungen der Riffelungen von je zwei benachbarten Lamellen schneiden. Durch die Punktierung in
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Fig· 1 wird schematisch die Verteilung des Mediums b in dem Medium a in der Mischeinrichtung dargestellt. Bei sehr großem Durchmesser der Mischeinrichtung kann es zweckmäßig sein, jedes Einbauelement aus mehreren Teilkörpern herzustellen.
Die Einbauelemente sind dem inneren Querschnitt der Mischeinrichtung angepaßt. Dadurch, daß jeweils zwei benachbarte Einbauelemente Gegeneinander versetzt, zweckmäßig um einen Winkel von 9o°, angeordnet sind, findet eine ausgezeichnete Verteilung und hierdurch Vermischung der beiden l'luiden Medien, welche die Einrichtung im Gleichstrom durchsetzen, statt. Erfolgt bei gewissen Mischprozessen gleichzeitig auch eine chemische Reaktion, so werden ebenfalls durch die seitliche Vermischung Ungleichheiten, die durch Maldistribution oder einen ungleichmäßigen Reaktionsverlauf entstehen können, sofort ausgeglichen.
Fig. 3 zeigt einen sogenannten Kneter, auch Extruder genannt, der ein Rohr Io aufweist mit einem Einlaufrichter loa zur Aufgabe einer beispielsweise schon vorgewärmten, knetbaren Masse, z.B. einer Kunststoffmasse. Im Rohr Io, welches im Ausführungsbeispiel von einem Mantelrohr 11 umgeben ist, durch welches während des Betriebes ein Heizmittel, z.B. Dampf, geleitet wird, ist eine Förderschnecke 12 und zur Homogenisierung des eingeleiteten Gemisches eine aus vier Einbauelementen 13a, 13b, 13c, 13d bestehende Mischeinrichtung angeordnet. Die Einbauelemente sind analog zu Fig. 2 ausgebildet.
Das Einbauelement 13d ist mittels Haltevorrichtungen 14 im Rohr Io fixiert. Die in dem Kneter homogenisierte Masse wird durch einen Anschlußstutzen 15 aus der Vorrichtung herausgeführt.
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Eine neuerungsgentäfBe Mischeinrichtung "hat ,außerdem gleichzeitig noch den Effekt, daß bei®chemischen Reaktionen der Wärmetibergang von den f luiden Medien durch die Außenwand der Einrichtung wesentlich verbessert werden kann.
Das in Fig. 4 perspektivisch dargestellte Einbauelement stellt eine abgewandelte Ausführungsform gegenüber Fig. 2 dar. Bei diesem Einbauelement sind die einzelnen Lagen aus ebenen Flächenelementen 2o gebildet und bestehen beispielsweise aus Blech. Mit beiden Oberflächen der Elemente 2o sind unter einem Winkel, vorzugsweise von 9o°, zur Ebene der Elemente abstandsweise Leitelemente 21, z.B. Blechstreifen, verbunden, z.B. durch Schweißung oder Lotung. Benachbarte Lagen des Einbauelementes sind - wie aus der Zeichnung ersichtlich derart angeordnet, daß sich die Leitelemente gegenseitig an Kreuzungsstellen beruften, so daß die gleiche Verteilwirkung bei der Durchführung eines Mischprozesses wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Einbauelement entsteht.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Einbauelementes, bei welchem jede Lage 22 aus einer Rohrtafel 23 gebildet ist, wobei die Rohre 24 sich in Längsrichtung berühren und gegen die Längsachse der Lagen um einen Winkel geneigt sind,und öffnungen 25 aufweisen. Analog zu Fig. 2 und 4, bei welchen sididie geriffelten Lamellen bzw. die Leitelemente von benachbarten Lagen gegenseitig an den Kreuzungsstellen berühren, schließen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Rohrachsen vonbenachbarten Lagen einen Winkel miteinander ein, und die die Strömungskanäle bildenden Rohre stehen durch die öffnungen 25 miteinander in Verbindung .
vorteilhaft werden in einer Mischeinrichtung mit Einbauelementen gemäß Fig. 4 und 5 ebenfalls mindestens zwei Einbau-
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- wie es in Fig. l dargestellt ist - angeordnet, wobei die Lagen benachbarter Einbauelemente gegeneinander um einen Winkel, vorteilhaft um 9o°, um die Längeachse der Mischeinrichtung versetzt angeordnet sind.
Die Riffelhöhe bzw. -breite der Lamellen (vgl. Fig. 2) oder der Querschnitt der rechteckigen Strömungskanäle (vgl. Fig. 4) oder der Rohrdurchmesser der Strömungskanäle (vgl. Fig. S) können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen einer Mischaufgabe angepaßt werden. Sollen beispielsweise zwei niedrigviskose Flüssigkeiten mit einer Zähigkeit von z.B. 1 - 5 oPoiae ineinander dispergiert werden, so wird dies vorteilhaft in Einbauelementen mit Strömungskanälen von relativ kleinen Querschnitten durchgeführt, so daß die auftretenden Scherkräfte für die Verteilung der fluiden Medien genügen, aber nicht so groß sind, daß stabile Emulsionen entstehen*
Ist die Aufgabe gestellt, Gase miteinander zu mischen, beispielsweise Warm- und Kaltluft in der Klimateehnik, so sollen die Druckabfälle in den Mischeinrichtungen klein gehalten werden, um die erforderliohenVentilator- bzw. Kompressorleistung möglichst zu reduzieren. Da Gasmischverfahren meistens keine Probleme im Ausmaß von Plüsaigkeitsmiachverfahren aufweisen, ist es dann möglich, Einbauelemente mit Strömungskanälen mit relativ großen Querschnitten zu verwenden* Außer der Verteilung der Gase innerhalb der Einbauelemente aufgrund einer Zwangsführung in den Strömungskanälen wird die Mischwirkung dann weiter aufgrund der an den Kreuzungsetellen der Strömungekanäle benachbarter Lagen auftretenden Turbulenz verbessert.
Besondere Probleme stellen sieh bei Mischverfahren für Flüssigkeiten stark verschiedener Viskositäten. Als Beispiel
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sei etwa das Mischen von Wasser mit einer Zähigkeit von 1 cPoise mit einem Strom von Methylzellulose von Io cPoise erwähnt. Bei großen Wasserkonzentrationen von beispielsweise 2o% besteht die Tendenz, daß das Wasser einen eigenen Strömungskanal bildet und im wesentlichen unvermischt durch die auf das Einbauelement aufgegebene Methylzellulose hindurchströmt. Am Austritt aus dem Einbauelement äußert sich dies in Wasserdurchbrüchen.
Es wurde nun bei der Neuerung erkannt, daß das Hauptproblem die anfängliche Grobverteilung des beigemischten Wassers ist. Gelingt es, eine Grobverteilung rasch durchzuführen, d.h. das Wasser am Anfang der Mischstrecke auf möglichst viele Kanäle zu verteilen, so wird eine nachfolgende Weiteraufteilung erleichtert und die Gefahr von Wasserdurchbrüchen weitgehend vermieden .
Bei diesem Mischverfahren ist es möglich, die Grobverteilung in den Einbauelementen mit relativ kleinen Kanälen durchzuführen. Um aber den genannten Druckabfall in den Einbauelementen möglichst gering zu halten, kann die anschließende Weiteraufteilung in Einbauelementen erfolgen, die Kanäle mit größeren Querschnitten aufweisen.
Bei den vorstehend beschriebenen und in den zeichnungen dargestellten Mischeinrichtungen findet eine gute Quervermischung, aber nur eine relativ kleine AxialVermischung statt, d.h. jedes Välumenelement der zu mischenden fluiden Medien hält sich etwa gleich lange in der Mischzone auf. Bei einer Vielzahl von Mischproblemen ist dieses Verhalten erwünscht.
Be gib.to jedoch auch Fäll·, in denen eine gewisse "Streckung" des Verweilzeitepektrume vorteilhaft ist, z.B., wenn die Mengen
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der in die Mischeinrichtung eingespeisten fluiden Medien zeitlieh nicht konstant sind. Bei einer kontinuierlichen Mischaufgabe ist beispielsweise ein Hauptproblem das präzise Dosieren der fluiden Medien. Hat jedes Volumenelement in der Mischeinrichtung die gleiche Aufenthaltszeit, so machen sich aber DosierungsSchwankungen auch im Endprodukt bemerkbar. Gerade bei Dosierungsschwierigkeiten kann es deshalb erwünscht sein, für verschiedene Volumenteilchen verschiedene Durchlaufzeiten zu erhalten. Auf diese Weise werden Schwankungen in der Dosierung, welche als Konzentrationsschwankungen in der Mischeinrichtung auftreten, in die Länge gezogen und dann ausgeglichen .
Zum Verbreitern der Verweilzeitspektren ist z.B. eine Anordnung der Einbauelemente gemäß Pig.Sgeeignet. In einem Mantelrohr 26 einer Mischeinrichtung sind mehrere Einbauelemente 27, die beispielsweise gemäß Fig. 2, 4 oder 5 ausgebildet sein können, paketweise angeordnet. In die freien Zonen zwischenje zwei Paketen ist ein zweites, mit Einbauelementen gefülltes Rohr 3o eingebaut. Der Ringspalt zwischen den Rohren 26 und 3o ist frei. Es wäre auch möglich, nur den Ringspalt zwischen den Rohren 26 und 3o mit Einbauelementen zu versehen und das Zentralrohr 3o offenzuhalten. Da die Volumenströme durch das Innenrohr 3o und den leeren Ringspalt sich umgekehrt proportional zu den entsprechenden Druckverlusten verhalten, ergibt sich eine Längsverschiebung der Volumenströme und damit eine erwünschte Axialvermischung in der Mischeinrichtung.
Bei axialer Strömung in einem leeren Rohr ist bekanntlich die maximale Geschwindigkeit im Rohrzentrum doppelt so groß wie die mittlere Geschwindigkeit. Daraus resultiert über den Rohrquerschnitt eine breite Verweilzeitverteilung. Eine
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gewünschte Axialverteilung kann deshalb - wie In FIg· 7 ge« zeigt - auch erreicht werden, wenn Pakete von Einbauelementen 31 mit leeren Rohrstrecken 32 abwechseln.
Flg. 8a und 8b zeigen weitere Möglichkelten zur Herbeiführung einer AxialVermischung. Diese AuefUhrungebeispiele zeigen Einbauelemente - wie sie beispielsweise in Fig. 2 darge- , stellt sind - aus geriffelten Lamellen 33, 34 verschiedener' Riffelhöhe. In den Strömungekanälen mit den größeren Querschnitten strömen die fluiden Medien schneller als in den Kanälen mit den kleineren Querschnitten. Dies führt ebenfalls zu einer "Streckung" des Verweilzeltspektrums und bewirkt somit außer einer guten Quervermischung auch eine Axialvermischung.
- Schutzansprüche -
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Claims (14)

SohutzansprUche
1. Mischeinrichtung mit mindestens einem Einbauelement für fluide Medien, welche die Mischeinrichtung im Gleichstrom durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbauelement aus einander sich berührenden,, Strömungekanäle bildenden Lagen besteht, wobei die Längsachsen der Strömangekanäle innerhalb einer jeden Lage mindestens gruppenweise im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die Längsachsen der Strömungskanäle von benachbarten Lagen gegeneinander geneigt sind und die Strömungskanäle von jeweils mindestens zwei benachbarten Lagen mindestens teilweise gegeneinander geöffnet sind.
2. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung mindestens zwei benachbarte Einbauelemente aufweist,wobei die Lagen benachbarter Einbauelemente gegeneinander um einen Winkel um die Längsachse der Mischeinrichtung versetzt angeordnet sind.
3. Mischeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei benachbarte Einbauelemente direkt aneinander angrenzen.
4. Mischeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Mantelrohr umgebende Mischeinrichtung Einbauelemente verschiedenen Querschnitts aufweist.
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5. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen des Einbauelementes aus geriffelten Lamellen bestehen, welche sich gegenseitig berühren, und daß die Riffelungen von aufeinander folgenden und mindestens die Riffelung einer von aufeinander folgenden geriffelten Lamellen im Winkel zur Längsachse der Mischeinrichtung in Strömurgerichtung der fluiden Medien gesehen - liegt.
6. Mischeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dafl die Riffelungen der Lamellen eine etwa gleiche Neigung aufweisen und sich die Richtungen der Riffelungen benachbarter Lamellen schneiden.
7. Mischeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenneeichnet, daß die Lamellen eines Einbauelementes Riffelungen von verschiedener Höhe aufweisen.
8. Mischeinrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Einbauelemente aus geriffelten Lamellen verschiedener Riffelhöhe bestehen.
9. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lagen eines Einbauelementes aus ebenen Flächenelementen gebildet sind, mit welchen unter einem Winkel geneigte, flächenartige Leitelemente verbunden sind, so daß die einzelnen Strömungskanäle einerseits von den ebenen Flächenelemeafcenaünd andererseits von je zwei parallelen benachbarten Leitelementen begrenzt sind.
10. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage des Einbauelementes aus einer Rohrtafel gebildet
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ist, wobei/sich die die Strömungskanäle bildenden Rohre in Längsrichtung berühren und die Rohre von jeweils mindestens zwei benachbarten Rohrtafeln durch Offnungen miteinander in Verbindung stehen.
11. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus einem undurcfabrochenen Material bestehen.
12. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus einem Metallgewebe oder -gewirk bestehen.
13. Mischeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Lagen ein Katalysator aufgebracht ist.
14. Mischeinrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen abstandsweise angeordnete Lochungen aufweisen für einen Durchtritt der fluiden Medien von der einen Seite einer Lamelle zu der anderen Seite der Lamelle.
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DE7204209U Mischeinrichtung Expired DE7204209U (de)

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