DE2822096C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Einsatz für Mischer, wobei das zu mischende Gut an einem Ende zuströmt und am anderen Ende abströmt, mit Kanälen, die in parallelen Ebenen verlaufen, wobei in jeder Ebene die Kanäle parallel zueinander verlaufen, wobei der Kanal einer Ebene und die in diese Ebene projizierte Achse des Einsatzes einen Winkel α bilden, wobei der Winkel α in aufeinanderfolgen­ den Ebenen abwechselnd einmal positiv und einem negativ ist, und wobei die Kanäle benachbarter Ebenen an ihren Kreuzungspunkten miteinander in Verbindung stehen, sowie die Verwendung dieses Einsatzes in statischen und dyna­ mischen Mischern.

Dieser aus der CH-PS 5 47 120 bekannte Mischereinsatz besteht vorzugsweise aus geriffelten Lamellen, welche sich gegenseitig berühren, wobei die Riffelung mindestens von zwei benachbarten Lamellen einen Winkel gegen die Hauptfließrichtung der fließfähigen Stoffe aufweist. Derartige Einsätze sind zwar leicht herstellbar, aber nicht stabil genug, um höhere Druckverluste abzufangen. Somit ist ihr Anwendungsbereich begrenzt.

In der DE-AS 23 28 795 und der DE-OS 25 22 106 sind Mischelemente beschrieben, die aus sich kreuzenden Platten mit eingefrästen Stegen bestehen, sowie ähnlich wirkende, andere Elemente, die aus sich kreuzenden Stegen bestehen, welche an einem quer durch das Gehäuse sich erstreckenden Verbindungssteg angeordnet sind, mit dem sie ein einziges Stück bilden. Die Platten und die Stege solcher Elemente sind verhältnismäßig dünnwandig und ge­ wöhnlich nur an einzelnen Stellen miteinander verbunden, in der Regel verschweißt oder verlötet. Die Einzelelemente haben Länge/Durchmesser-Verhältnisse von 1 bis 3, und der Druckverlust ist bei laminarer Durchströmung ca. 20- bis 50mal größer als bei einem leeren Rohr gleichen Durch­ messers. Werden solche Elemente beispielsweise am Ende von Extrudern unmittelbar nach der Welle in das Gehäuse eingebaut, können bei den Durchsätzen und Viskositäten üblicher Polymerschmelzen die Mischeinsätze infolge Über­ schreitens der mechanischen Festigkeit zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Einsatzes für Mischer, der stabil genug ist, Druckverluste längs des Mischers von mindestens 100 bar auszuhalten. Es sollen jedoch die Vorteile bekannter Einsätze bzw. Mischer, ins­ besondere die hohe Mischgüte bei kurzer Bauweise, erhal­ ten bleiben.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Einsatz aus Vollmaterial hergestellt ist, daß der Winkel α vor­ zugsweise 30° bis 60° beträgt und daß die Querschnitte der Kanäle so groß sind, daß sich die Kanäle benachbarter Ebenen an ihren Kreuzungspunkten bis zu 40%, vorzugsweise 10% bis 30%, überdecken.

Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind in den Unter­ ansprüchen beschrieben.

Statt einer Verstärkung der Materialdicke bekannter Ele­ mente und dem Verschweißen der Kreuzungspunkte, was problema­ tisch und teuer ist, wird die benötigte hohe Festigkeit der Elemente bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung da­ durch erzielt, daß das Mischelement aus einem massiven, vorzugsweise zylindrischen Metallblock hergestellt wird. Technisch in Frage kommen Einsätze mit einem Durchmesser von 1 bis 100 cm; sie halten auch einseitige Drucke von 100 bar sicher aus. Die Länge eines erfin­ dungsgemäßen Einsatzes ist in einem bevorzugten Bereich 1 bis 4mal so lang wie der Durchmesser. Die Mischein­ sätze können sowohl in statischen als auch in dynamischen Mischern verwendet werden. Die Mischwirkung der neuen Elemente ist mindestens so gut wie die der bekannten Elemente mit sich kreuzenden Platten oder Stegen; der Druckverlust ist bei zylindrischen Bohrungen etwa 4mal, bei Schlitzen etwa 2mal größer.

Läßt man einen erfindungsgemäßen zylindrischen Mischein­ satz in einem entsprechenden Gehäuse rotieren, so erhält man einen dynamischen Mischer, wobei die Wirkung immer auch zum Teil wie bei einem statischen Mischer ist. Wei­ ter wurde gefunden, daß man bei genügend großer Drehzahl des Extruders eine noch bessere Mischwirkung erzielen kann, wenn man ein erfindungsgemäßes Element, das eine Länge von 2 bis 4 Durchmessern hat, vorne an der Extru­ derwelle anbringt und mitrotieren läßt. In diesem Fall eines halb statisch, halb dynamisch wirkenden Mischers müssen die Bohrungen oder Schlitze so angeordnet sein, daß die seitlich äußersten Kanäle als offene Nuten erscheinen und bei der Drehung wie Teilstücke von Schneckengängen wirken.

In Fällen, wo außer der Quervermischung auch eine gewisse Längsvermischung erforderlich ist, läßt sich die Gesamt­ mischwirkung erheblich verbessern, wenn die äußeren Nu­ ten als Gewinde- oder Schneckengänge zurückfördern. Der Druckverlust ist dann natürlich größer als bei fest ein­ gebauten Elementen. Wenn nur eine Quervermischung verlangt ist, sollten die Elemente mitfördernd ausgelegt sein. För­ dern diese Gänge in Hauptstromrichtung vorwärts, wird der Druckverlust bedeutend niedriger als bei statischen Ein­ bauten. Die Mischwirkung ist aber besser als bei stati­ schem Einbau. Wenn die Umfangsgeschwindigkeit des drehen­ den Mischelementes ein Vielfaches, mindestens das doppel­ te der auf das Leerrohr bezogenen mittleren Druckströ­ mungsgeschwindigkeit ist, ist die Mischwirkung ungefähr so gut wie die von vier hintereinander angeordneten statischen Mischelementen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beispielhaft weiter be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 Draufsicht auf ein zylindrisches Mischelement mit zylindrischen Kanälen,

Fig. 2 Längsschnitt durch ein zylindrisches Misch­ element (Schnittlinie A-B in Fig. 1),

Fig. 3 Längsschnitt durch ein zylindrisches Misch­ element (Schnittlinie C-D in Fig. 1),

Fig. 4 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle an Kreuzungspunkte,

Fig. 5 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle am Randbereich des Mischers (in Blick­ richtung 4 in Fig. 2),

Fig. 6 Seitenansicht eines Mischelementes, wobei der Kanalquerschnitt die Form eines Langlochs hat,

Fig. 7 Aufsicht auf das Mischelement in Fig. 6,

Fig. 8 Längsschnitt durch Mischelement von Fig. 6 (Schnittlinie G-H in Fig. 7),

Fig. 9 Schnitt durch das Mischelement in Fig. 6 (Schnittlinie E-F in Fig. 6),

Fig. 10 schematische Darstellung der überlappenden Kanäle bei einem Kreuzungspunkt,

Fig. 11 Schematische perspektivische Darstellung ei­ nes rotierenden Mischelementes,

Fig. 12 Längsschnitt durch ein rotierendes Mischele­ ment,

Fig. 13 Seitenansicht eines Mischelementes mit ver­ setzten Schlitzen,

Fig. 14 Schnitt durch ein Mischelement nach Fig. 13 (Schnittlinie I-K in Fig. 13),

Fig. 15 Mischelemente mit sich kreuzenden zylindri­ schen Bohrungen, die der Höhe nach gestaffelt angeordnet sind,

Fig. 16 Schnitt durch ein Mischelement nach Fig. 15 (Schnittlinie L-M in Fig. 15).

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf den gebohrten, massiven Metallzylinder 1. Schräg zur Zylinderachse 2 verlaufen zylindrische Kanäle 3. Die Kanäle 3 liegen alle in Ebenen, die in diesem Beispiel parallel zu den Linien A-B bzw. C-D sind. Die Kanäle 3 sind in einer Ebene zueinander aber nicht zur Zylinderachse 2 parallel. Es ist erkennbar, daß sich die Querschnitte zweier sich kreuzender Kanäle teilweise überdecken.

In den Schnitten A-B bzw. C-D in den Fig. 2 und 3 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwen­ det. In die Schnittebene ist jeweils auch die Zylinder­ achse 2 projiziert. Die Kanäle 3 in der Ebene A-B sind zu der Zylinder­ achse um den Winkel +α geneigt. Auch in dem Schnitt in Fig. 3 beträgt die Neigung der Kanäle zur Zylinderachse betragsmäßig α ; jedoch ist die Neigung umgekehrt, so daß dort der analoge Winkel mit -α bezeichnet ist. Der Ab­ stand zweier benachbarter Ebenen ist mit a bezeichnet; der Durchmesser d eines Kanals ist größer als a. Die kleine Halbachse der Elipse in Fig. 1 ist identisch mit dem Radius eines Kanals 3.

In Fig. 4 ist die Überlappung der zylindrischen Kanäle 3 an den Kreuzungspunkten noch einmal schematisch darge­ stellt. Man hat sich hier vorzustellen, daß beispiels­ weise die Kanäle 5 und 6 von vorne links nach hinten rechts verlaufen, während die Kanäle 7 und 8 von vorne rechts nach hinten links verlaufen und sie sich in der Zeichenebene sowie in anderen dazu parallelen Ebenen darunter und darüber teilweise überdecken. Die Überdec­ kung sollte vorzugsweise zwischen 10 und 30% liegen.

Ein schematischer Ausschnitt aus der Seitenwand des Misch­ elements in Blickrichtung 4 nach Fig. 2 ist in Fig. 5 dargestellt. Hier kommt es auch an den Enden der Kanäle 3 zu kleinen Überschneidungen 11 mit den Anfängen der nächsten beiden oder mindestens eines anderen Kanals 3. Die äußeren Bohrungen können so weit außen liegen, daß ein offener Kanal gebildet wird (beispielsweise bei 12 in Fig. 9).

Eine andere vorteilhafte Form des Mischelementes ist in den Fig. 6 bis 10 dargestellt. Das Mischelement unter­ scheidet sich neben der Größe der Kanäle vor allem durch die Querschnittsform der Kanäle. In den Fig. 1 bis 5 ist der Kanalquerschnitt kreisförmig; in den Fig. 6 bis 10 ist er langlochförmig, d. h. der Querschnitt be­ steht aus zwei Halbkreisflächen und einem diese verbin­ denden Rechteck. Die Neigung der Kanäle 13 zur Zylinder­ achse ist wieder mit +a und -α bezeichnet, der Abstand zweier benachbarter Ebenen ist so auf den Kanalquerschnitt abgestimmt, daß sich entsprechend Fig. 10 Überschnei­ dungen 14 an den Kreuzungsstellen ergeben. Die Über­ deckung kann bis zu 40% betragen, bevorzugt ist ein Bereich bis 30%.

Die Schnittfläche des Längsschnittes nach Fig. 8 ist in der Draufsicht in Fig. 7 durch die Linie G-H ange­ deutet. Die Schnittfläche in Fig. 9 ist in der Seiten­ ansicht in Fig. 6 durch die Linie E-F angedeu­ tet. In Fig. 9 ist die langlochartige Form der Kanäle 13 zu erkennen. Bei einem Schnitt wie in Fig. 9 wird je­ weils nur jede zweite Ebene, in der Kanäle liegen, dar­ gestellt. In diesem Beispiel sind die Kanäle in dem Mischelement so angeordnet, daß bei dem gedachten Zu­ sammenbau des Mischelementes aus einzelnen Ebenen, die ungeradzahligen bzw. die geradzahligen Ebenen so übereinander liegen, daß auch die Kanäle übereinander liegen. Bei ähnlichen Schnitten in den Fig. 14 bzw. 16 sind die Kanäle dagegen so versetzt, daß sie vorzugsweise auf Lücke angeordnet sind. Die Mischwirkung kann dadurch noch über den Querschnitt verbessert werden.

In den Fig. 11 und 12 sind Mischelemente dargestellt, die im Gehäuse 15 rotieren. Der Einsatz besteht aus dem erfindungsgemäßen zylindrischen Mischelement 16 und dem Antriebsstummel 17. Für bestimmte Anwendungsbereiche kann die eingezeichnete Drehrichtung 18 auch umgekehrt sein. Das Spiel des Mischelementes 16 im Gehäuse 15 ist gering.

Die Kanäle sind so gebohrt, daß an einer Seite, wie in Fig. 11 schematisch angedeutet, offene Kanäle 20 entstehen, die aber an der anderen Seite über den größten Teil ihrer Länge ringsum geschlossen bleiben. In Fig. 11 sind der Deutlichkeit halber nur je 2 seitliche Bohrungen aus 2 Ebenen eingezeichnet; die üblichen Bohrungen der glei­ chen Ebene, sowie die kreuzenden Bohrungen der übrigen Ebenen sind weggelassen. Zwischen den seitlich lie­ genden offenen Kanälen 20 sind Stege 21, die infolge der Umdrehung des Mischelements wie Schneckengänge eines Ex­ truders wirken. An der anderen Seite entstehen durch die in der Figur nicht gezeichneten offenen Bohrungen der kreuzenden Kanäle ebenfalls Stege mit der Wirkung von Schneckengängen mit gleicher Steigung. Die Drehrichtung 18 kann so gewählt sein, daß die Stege wie eine Schnecke in der Durchflußrichtung des Produktes vorwärts oder rückwärts fördern. Solche an jeder Seite gleichsinnig fördernden oder bremsenden Stege sind zweckmäßig bei kur­ zen Drehkörpern. Bei längeren Drehkörpern kann es zweck­ mäßig sein, an jeder Seite jeweils die äußersten Kanäle der gleichen Schar parallel verlaufender Bohrungen als offene Kanäle auszubilden. Dann fördert der Mischer an einer Seite vorwärts, an der anderen rückwärts, was eine Zellen­ bildung mit entsprechender Rückvermischung ergibt. Die Länge eines rotierenden Mischelementes ist vorteilhafter­ weise länger als der doppelte Durchmesser des Elementes. Die äußeren Kanäle sollen vorteilhafterweise so angeord­ net sein, daß sich am Umfang schräge Stege wie bei einer Schnecke ergeben, wobei der Restquerschnitt des offenen Kanals an der tiefsten Stelle mindestens 50%, vorzugsweise 50 bis 66% des Querschnittes der übrigen im Inneren des Körpers verlaufenden Kanäle ist.

In den Fig. 13 bis 16 sind wiederum zylindrische Misch­ elemente dargestellt, die sich von den Mischelementen in den Fig. 1 bis 12 dadurch unterscheiden, daß die zy­ lindrischen bzw. schlitzförmigen Kanäle 23, 24 versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind. Bei Schnitten wie in den Fig. 9, 14 und 16, die senkrecht zu einer Schar der Kanäle in dem Mischelement verlaufen, kann die Lage der Kanäle 12, 13, 23, 24 so zueinander sein, daß sie in dieser Schnittdarstellung wie in einem rechteckigen Gitter (Fig. 9) oder aber auch wie in einem schiefwinke­ ligem Gitter (Fig. 14, 16) angeordnet sind. Die An­ ordnung auf Lücke ist dabei besonders bevorzugt. Die Über­ deckung benachbarter Kanäle an den Kreuzungsstellen ist auch bei einem solchen "schiefwinkeligen" Gitter notwendig.

Claims (12)

1. Einsatz für Mischer, wobei das zu mischende Gut an einem Ende zuströmt und am anderen Ende abströmt, mit Kanälen, die in parallelen Ebenen verlaufen, wobei in jeder Ebene die Kanäle parallel zueinander verlaufen, wobei der Kanal einer Ebene und die in diese Ebene pro­ jizierte Achse des Einsatzes einen Winkel α bilden, wobei der Winkel α in aufeinanderfolgenden Ebenen abwechselnd einmal positiv und einmal negativ ist, und wobei die Kanäle benachbarter Ebenen an ihren Kreuzungspunkten miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (1, 16) aus Vollmaterial hergestellt ist, daß der Winkel α vorzugsweise 30° bis 60° beträgt und daß die Querschnitte der Kanäle (3, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 19, 20, 23, 24) so groß sind, daß sich die Kanäle (3, 5, 6, 7, 8, 12, 13, 19, 20, 23, 24) benachbarter Ebenen an ihren Kreuzungspunkten (11, 14) bis zu 40%, vorzugsweise 10% bis 30%, überdecken.

2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zylindrische Form aufweist.

3. Einsatz nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle aus zylindrischen Bohrungen (3, 5, 6, 7, 8, 24) gebildet sind und die Überdeckung benachbarter Kanäle (3, 5, 6, 7, 8, 24) an ihren Kreuzungspunkten (11, 14) mindestens 10% beträgt.

4. Einsatz nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle die Querschnittsform von Lang­ löchern oder Schlitzen (12, 13, 23) haben.

5. Einsatz nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Schnitt durch einen Einsatz senk­ recht zu einer Schar Kanäle die Kanäle (12, 13) überein­ ander liegen.

6. Einsatz nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Schnitt durch den Einsatz senkrecht zu einer Schar Kanäle die Kanäle versetzt, vorzugsweise auf Lücke (23, 24), angeordnet sind.

7. Verwendung der Einsätze nach den Ansprüchen 1 bis 6 in statischen Mischern.

8. Statischer Mischer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Einsätze nach den Ansprüchen 1 bis 6 hintereinander angeordnet sind, wobei die Einsätze so gegeneinander verdreht sind, daß die Ebenen, in denen die Kanäle liegen, von zwei aufeinanderfolgenden Einsätzen vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen.

9. Statischer Mischer nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einsätzen nach den Ansprüchen 1 bis 5 Zwischenräume in einem Abstand bis vorzugsweise 5mal dem Durchmesser der Elemente vorhanden sind.

10. Statischer Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Zwischenräumen Lochplatten oder Drahtgestricke vorhanden sind.

11. Verwendung des Einsatzes nach Ansprüchen 2 bis 6 in dynamischen Mischern, wobei der Einsatz in einem Gehäuse rotiert und die äußeren Kanäle (12, 20) so angeordnet sind, daß in der Kanalmitte noch mindestens die Hälfte der ursprünglichen Kanalquer­ schnittsfläche vorhanden ist.

12. Verwendung des Einsatzes nach Ansprüchen 2 bis 6 als vorderen Fortsatz einer Extruderwelle.