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EP1170054A1 - Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten - Google Patents

Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten Download PDF

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Publication number
EP1170054A1
EP1170054A1 EP00112874A EP00112874A EP1170054A1 EP 1170054 A1 EP1170054 A1 EP 1170054A1 EP 00112874 A EP00112874 A EP 00112874A EP 00112874 A EP00112874 A EP 00112874A EP 1170054 A1 EP1170054 A1 EP 1170054A1
Authority
EP
European Patent Office
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installation surfaces
row
mixer
installation
flow
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EP00112874A
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English (en)
French (fr)
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EP1170054B1 (de
Inventor
Hans Prof. Dr.-Ing. Ruscheweyh
Michael Dipl.-Ing. Kaatz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balcke Duerr GmbH
Original Assignee
Balcke Duerr Energietechnik GmbH
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Publication date
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Priority to EP00112874A priority patent/EP1170054B1/de
Priority to ES00112874T priority patent/ES2190920T3/es
Priority to PT00112874T priority patent/PT1170054E/pt
Priority to DK00112874T priority patent/DK1170054T3/da
Application filed by Balcke Duerr Energietechnik GmbH filed Critical Balcke Duerr Energietechnik GmbH
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Priority to CA002350944A priority patent/CA2350944C/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/4316—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod
    • B01F25/43161—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod composed of consecutive sections of flat pieces of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F25/4316—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/206—Flow affected by fluid contact, energy field or coanda effect [e.g., pure fluid device or system]
    • Y10T137/2087—Means to cause rotational flow of fluid [e.g., vortex generator]
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    • Y10T137/2087—Means to cause rotational flow of fluid [e.g., vortex generator]
    • Y10T137/2093—Plural vortex generators

Definitions

  • the invention relates to a mixer for mixing gases and others Newtonian liquids, with a flow channel and arranged therein, the installation surfaces influencing the flow, the installation surfaces generating vortex Surfaces with freely flowing front edges directed against the flow are, the course of which is both in the main flow direction of the gas and also has a transverse component.
  • channels are required to have mixed lengths of 15 to 100 times of the channel diameter.
  • this mixing distance can be shortened significantly by built-in bodies. It must however, a high for most conventionally used systems Pressure loss can be accepted especially when high Requirements for the homogeneity of the resulting mixture become.
  • Many of the conventional mixing systems are also simple Geometries limited, e.g. on cylindrical tubes or square channels, and cannot be used in large systems and complicated mixing chamber systems apply.
  • a static mixer is known from DE 29 11 873 C2, in which the internals from obliquely flowed, delta-shaped or circular disc-shaped There are surfaces with vortexes on the front edges.
  • the so educated stationary and stable vortex systems have a large effect on the wake into it, the components to be mixed are rolled up in layers, what leads to rapid mixing with very low pressure drops.
  • This So-called "vortex installation areas" have become short because of the achievable Mixing line proven in practice.
  • the invention has for its object a mixer for the mixture of gases and other Newtonian liquids to create a fast Mixing causes the mixing section to be even shorter.
  • a mixer designed in this way enables a particularly fast Mixing of the flow with a very short mixing section.
  • the mixing has the consequence that the profiles of the gas and / or Liquid flow can be evened out, thereby reducing performance become.
  • the Vortex installation surface according to the invention a relatively small Flow resistance, since it is not with its entire surface as a guide surface acts, but with its front edges creates static vortex fields, which are in Expand flow direction automatically, without this for this extension additional installations or baffles would be required. It follows at least through the invention, each other in relation to the Partially overlapping vortex installation areas with low flow and effective mixing on a short mixing section.
  • a preferred development of the mixer is characterized by a distance another row of installation surfaces arranged behind the row, the Angle of attack of the installation surfaces of the other row opposite to the angle of attack of the installation areas are in the first row.
  • the angle of attack of the installation surfaces in relation to the main flow direction is preferably between 40 ° and 80 °, preferably 60 °.
  • the flow channel a substantially rectangular cross-section with a ratio from width to thickness of B / D ⁇ 2, the one defined by the installation surfaces Row extends in the width direction.
  • FIG. 1 shows in longitudinal section a flow channel narrowing at 1 rectangular cross-section.
  • the flow channel is from a homogeneous Flows through gas or liquid mixture.
  • gases and liquids all so-called “Newtonian liquids” are to be understood here, i.e. including such fluids, which differ in their fluidic properties behave comparable to the gases.
  • the flow channel including its width B and its thickness D shown in cross section.
  • the ratio of width B to thickness D should preferably be B / D ⁇ 2.
  • Figure 2 shows just like Figure 1 that in the flow channel in series installation surfaces 2 are arranged to each other.
  • the Row formed by a total of four installation areas 2.
  • the installation areas 2 each Row that extends substantially transversely to the main flow direction 3 are designed in the same way, preferably with the same angle of attack ⁇ Main flow direction 3.
  • the angle of attack ⁇ to the main flow direction is 3 between 40 ° and 80 °, preferably 60 °.
  • the freely flowing, against the flow front edges 4 of the Embodiment have circular disk-shaped installation surfaces 2 both one in the main flow direction and one running transverse to it Component on. Furthermore, since each installation surface 2 is at an acute angle to the Main flow direction 3 is arranged in the flow channel arise each leading edge 4 of the installation surfaces 2 swirl fields, which are downstream Spread out in a circular cone. The individual vertebrae roll inwards on the back of the installation surface 2. The on the individual front edges 4 formed vertebrae behave largely statically and therefore change their position Not. Due to its rotation, each vortex field forms a flow component transverse to the main flow direction of the gas by the associated Exchange of momentum transversely to the direction of flow ensures good mixing of the gas mixture has the consequence. Mixing is intensified by the special compact arrangement of the installation surfaces 2 of each row, in which adjacent to each other Installation areas 2 with respect to the main flow direction 3 partially cover. This overlap is designated in FIG. 2 by reference number 5 and hatched.
  • v 1 denotes the velocity profile of the gas flow as it enters the mixing section. This speed profile is uneven, for example due to a previous deflection of the gas flow. If a first row 6 of installation areas 2 is followed by a second row 7 of installation areas 2, and the angles of attack ⁇ 'of the installation areas of the second row 7 are opposite to the angles of attack ⁇ of the installation areas of the first row 6, an equalization can be made when exiting the mixing section of the speed profile, as shown in FIG. 1 with the speed profile v 2 .
  • the installation surfaces 2 are each in the form of round disks designed.
  • disks can also be used as vortex installation surfaces with a delta-shaped or triangular basic shape, or elliptical or parabolic discs.
  • Such disks also have symmetrical and each front edge arranged obliquely to the central plane, as for the Emergence of leading edge vertebrae are crucial.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen (2). Die Einbauflächen sind wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten (4), deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung (3) des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist. Zur Erzielung einer schnellen Vermischung bei besonders kurzer Mischstrecke sind mehrere gleichartige Einbauflächen (2) in einer Reihe (5) im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung (3) angeordnet. Einander benachbarte Einbauflächen (2) überdecken sich in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3). <IMAGE>

Description

Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen, wobei die Einbauflächen wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten sind, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist.
Zum Mischen von Gas- oder Flüssigkeitsströmungen in Rohrleitungen oder Kanälen benötigt man bei turbulenter Strömung Mischlängen vom 15 bis 100-fachen des Kanaldurchmessers. Mittels geeigneter statischer Mischer in Gestalt von Einbaukörpern läßt sich diese Mischstrecke deutlich verkürzen. Es muß jedoch bei den meisten herkömmlich angewendeten Systemen ein hoher Druckverlust insbesondere dann in Kauf genommen werden, wenn hohe Anforderungen an die Homogenität der sich einstellenden Mischung gestellt werden. Viele der herkömmlichen Mischsysteme sind außerdem auf einfache Geometrien beschränkt, z.B. auf zylindrische Rohre oder quadratische Kanäle, und lassen sich nicht bei Großanlagen und komplizierten Mischkammersystemen anwenden.
Aus der DE 29 11 873 C2 ist ein statischer Mischer bekannt, bei dem die Einbauten aus schräg angeströmten, deltaförmigen oder kreisscheibenförmigen Flächen bestehen, an deren Vorderkanten Wirbel entstehen. Die so gebildeten stationären und stabilen Wirbelsysteme wirken weit in den Strömungsnachlauf hinein, die zu mischenden Komponenten werden schichtenförmig eingerollt, was zu einer schnellen Vermischung bei sehr geringen Druckverlusten führt. Diese sogenannten "Wirbeleinbauflächen" haben sich wegen der erzielbaren kurzen Mischstrecke in der Praxis bewährt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten zu schaffen, der eine schnelle Vermischung bei nochmals kürzerer Mischstrecke bewirkt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Mischer mit den eingangs genannten Merkmalen vorgeschlagen, daß mehrere gleichartige Einbauflächen in einer Reihe im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, und daß sich aneinander benachbarte Einbauflächen in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung teilweise überdecken.
Ein solchermaßen ausgebildeter Mischer ermöglicht eine besonders schnelle Durchmischung der Strömung bei sehr kurzer Mischstrecke. Die Durchmischung hat zur Folge, daß die Profile des hindurchgeführten Gas- und/oder Flüssigkeitsstromes vergleichmäßigt werden, wobei Leistungseinbußen vermieden werden. Trotz der Bildung ausgedehnter und stabiler Wirbel hat die erfindungsgemäße Wirbeleinbaufläche einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand, da sie nicht mit ihrer gesamten Oberfläche als Leitfläche wirkt, sondern mit ihren vorderen Kanten statische Wirbelfelder erzeugt, die sich in Strömungsrichtung selbsttätig erweitern, ohne daß für diese Erweiterung zusätzliche Einbauten oder Leitflächen erforderlich wären. Es ergibt sich zumindest durch die erfindungsgemäßen, einander in Bezug auf die Strömungsrichtung teilweise überdeckenden Wirbeleinbauflächen eine verlustarme und wirkungsvolle Durchmischung auf kurzer Mischstrecke.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Mischers ist gekennzeichnet durch eine im Abstand hinter der Reihe angeordnete weitere Reihe von Einbauflächen, wobei die Anstellwinkel der Einbauflächen der weiteren Reihe entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln der Einbauflächen der ersten Reihe sind. Durch eine solche Gestaltung des Mischers läßt sich zusätzlich zu dem Mischeffekt eine Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofiles über den Querschnitt des Strömungskanals erzielen.
Der Anstellwinkel der Einbauflächen in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 80°, vorzugsweise 60°.
In weiterer Ausgestaltung des Mischers wird vorgeschlagen, daß der Strömungskanal einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Verhältnis von Breite zu Dicke von B/D ≥ 2 aufweist, wobei die durch die Einbauflächen definierte Reihe sich in Richtung der Breite erstreckt.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mischers dargestellt, und zwar zeigen
  • Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal mit darin in zwei Reihen angeordneten Wirbeleinbauflächen und
  • Figur 2 einen Querschnitt durch den Strömungskanal entlang der Ebene II-II der Figur 1.
    • Figur 1 zeigt im Längsschnitt einen sich bei 1 verengenden Strömungskanal von rechteckförmigem Querschnitt. Der Strömungskanal wird von einem im homogenen Gas- oder Flüssigkeitsgemisch durchströmt. Unter Gasen und Flüssigkeiten sind hier alle so genannten "Newtonschen Flüssigkeiten" zu verstehen, d.h. einschließlich solcher Fluide, die sich in ihren strömungstechnischen Eigenschaften vergleichbar den Gasen verhalten.
    In Figur 2 ist der Strömungskanal einschließlich seiner Breite B und seiner Dicke D im Querschnitt dargestellt. Das Verhältnis der Breite B zur Dicke D sollte vorzugsweise B/D ≥ 2 betragen.
    Figur 2 läßt ebenso wie Figur 1 erkennen, daß in dem Strömungskanal in Reihe zueinander Einbauflächen 2 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel wird die Reihe durch insgesamt vier Einbauflächen 2 gebildet. Die Einbauflächen 2 jeder Reihe, die sich im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung 3 erstreckt, sind gleichartig gestaltet mit vorzugsweise jeweils demselben Anstellwinkel α zur Hauptströmungsrichtung 3. Der Anstellwinkel α zur Hauptströmungsrichtung 3 beträgt zwischen 40° und 80°, vorzugsweise 60°.
    Die frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten 4 der beim Ausführungsbeispiel kreisscheibenförmig gestalteten Einbauflächen 2 weisen sowohl eine in Hauptströmungsrichtung, als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente auf. Da ferner jede Einbaufläche 2 unter einem spitzen Winkel zu der Hauptströmungsrichtung 3 in dem Strömungskanal angeordnet ist, entstehen an jeder Vorderkante 4 der Einbauflächen 2 Wirbelfelder, welche sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreiten. Dabei wälzen sich die einzelnen Wirbel nach innen auf die Rückseite der Einbaufläche 2 ab. Die an den einzelnen Vorderkanten 4 gebildeten Wirbel verhalten sich weitgehend statisch, verändern daher ihre Lage nicht. Jedes Wirbelfeld bildet durch seine Rotation eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung des Gases, die durch den damit verbundenen Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung eine gute Vermischung des Gasgemisches zur Folge hat. Verstärkt wird die Vermischung noch durch die besonders kompakte Anordnung der Einbauflächen 2 jeder Reihe, in dem sich einander benachbarte Einbauflächen 2 in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 3 teilweise überdecken. Diese Überdeckung ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet und schraffiert eingezeichnet.
    In Figur 1 ist mit v1 das Geschwindigkeitsprofil der Gasströmung beim Eintritt in die Mischstrecke bezeichnet. Dieses Geschwindigkeitsprofil ist, etwa aufgrund einer vorangehenden Umlenkung der Gasströmung, ungleichmäßig. Wird einer ersten Reihe 6 von Einbauflächen 2 eine zweite Reihe 7 von Einbauflächen 2 nachgeordnet, und sind die Anstellwinkel α' der Einbauflächen der zweiten Reihe 7 entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln α der Einbauflächen der ersten Reihe 6, läßt sich beim Austritt aus der Mischstrecke eine Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils erzielen, wie dies in Figur 1 mit dem Geschwindigkeitsprofil v2 eingetragen ist.
    Beim Ausführungsbeispiel sind die Einbauflächen 2 jeweils als runde Scheiben gestaltet. In gleicher Weise können jedoch als Wirbeleinbauflächen auch Scheiben mit deltaförmiger bzw. dreieckiger Grundform verwendet werden, oder elliptische oder parabelförmige Scheiben. Auch solche Scheiben besitzen symmetrisch und jeweils schräg zur Mittelebene angeordnete Vorderkanten, wie sie für das Entstehen von Vorderkantenwirbeln entscheidend sind.
    Bezugszeichenliste
    1
    Verengung
    2
    Einbaufläche
    3
    Hauptströmungsrichtung
    4
    Vorderkante
    5
    Überdeckung
    6
    Reihe von Einbauflächen
    7
    Reihe von Einbauflächen
    B
    Breite des Strömungskanals
    D
    Dicke des Strömungskanals
    v1
    Geschwindigkeitsprofil beim Eintritt
    v2
    Geschwindigkeitsprofil beim Austritt
    Ü
    Überdeckung
    α
    Anstellwinkel
    α'
    Anstellwinkel

    Claims (5)

    1. Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen (2), wobei die Einbauflächen wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten (4) sind, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung (3) des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Einbauflächen (2) in einer Reihe (6) im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung (3) angeordnet sind, und daß sich einander benachbarte Einbauflächen (2) in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3) teilweise überdecken.
    2. Mischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Abstand hinter der Reihe (6) angeordnete weitere Reihe (7) von Einbauflächen (2), wobei die Anstellwinkel (α') der Einbauflächen der weiteren Reihe (7) entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln (α) der Einbauflächen der ersten Reihe (6) sind.
    3. Mischer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (α) der Einbauflächen (2) zwischen 40° und 80° beträgt, vorzugsweise 60°.
    4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauflächen (2) runde, elliptische oder dreieckförmige Scheiben sind.
    5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Verhältnis von Breite (B) zu Dicke (D) von B/D ≥ 2 aufweist, wobei die durch die Einbauflächen (2) definierte Reihe (6, 7) sich in Richtung der Breite (B) erstreckt.
    EP00112874A 2000-06-19 2000-06-19 Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten Expired - Lifetime EP1170054B1 (de)

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