DE19816354A1

DE19816354A1 - Ein neues Verfahren zur raschen und homogenen Mischung von Flüssigkeiten im kontinuierlichen Durchlaufbetrieb

Info

Publication number: DE19816354A1
Application number: DE19816354A
Authority: DE
Inventors: Heinrich E Fiedler; Guiren Wang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-10-07
Also published as: US20020036949A1

Description

Stand der Technik

Mischer werden in vielen Bereichen der industriellen Technik eingesetzt, vorzugsweise in der chemischen und pharmazeutischen Industrie in der Kunststoffverarbeitung der Biotechno logie und bei Verbrennungsprozessen. Diese Mischer (oder Rührer) basieren entweder auf strömungsmechanischen Mechanismen (Erzeugung von Scherbereichen z. B. durch Strah len Nachläufe oder Scherschichten) oder auf mechanischen Verfahren (Tankmischer/ Rüh rer oder statische Mischer). Nachteile sind eine verhältnismässig lange Zeit zum Erreichen einer Vermischung von ausreichender Homogenität bei den strömungsmechanischen Ver fahren bzw. ein hoher Leistungsbedarf bei mechanischen Mischern.

Das neue, hier vorgeschlagene Verfahren

Es basiert auf einer Methode, bei dem die charakteristischen Instabilitäten einer Strömung aus genutzt werden, um damit eine sehr rasche und homogene Vermischung bei äusserst gerin gem Leistungsverbrauch zu erzielen.

Konstruktion und Mischprozess

Hierbei handelt es sich um ein kontinuierliches Verfahren. Der Mischraum besteht aus einer oder mehreren Röhren, die in ihrem Einlauf durch eine zentrale Trennplatte in zwei Hälften geteilt sind. Die zu mischenden Teilströme werden durch diese beiden Hälften dem Mischraum zugeführt und kommen erst stromab von der Trennplatte in direkten Kontakt miteinander.

Die Teilströme können parallel strömen oder unter einem Winkel zueinander. Die Geschwindigkeiten der Teilströme können gleich oder verschieden sein.

Die Teilströme bzw. die Strömung im Mischraum können natürlich strömen oder angeregt sein. Die aufgeprägte Beeinflussung (Anregung) kann aktiv (durch von aussen zugeführte Energie) oder passiv (durch der Strömung selbst entzogene Energie) sein. Durch ange passte Anregung erreicht man eine aussergewöhnlich rasche Vermischung der beiden Teil ströme unmittelbar hinter der Trennplatte. Dieser Effekt wird u. U. noch verstärkt bei unter schiedlichen Temperaturen oder Dichten der Teilströme.

Prinzip der Methode

Traditionell wird davon ausgegangen, dass nur hohe Turbulenzintensitäten zu intensiver Vermischung führen. Diese hohen Intensitäten versucht man i.a. durch mechanische Rührer - bei allerdings grossem mechanischem Energiebedarf - zu erreichen (Tankmischer) oder durch Flüssigkeitsstrahlen.

Die dem Verfahren zugrundeliegende Strömung ist i.W. eine ebene Scherströmung (Scherschicht oder Nachlauf) eingebettet in eine Grundströmung, der - bedingt durch die Geometrie der Zuströmung und des Mischraumes - Dreidimensionalitäten in Form von Längswirbeln überlagert sind. Der verstärkte Mischprozess wird zunächst durch die der Scherströrnung hinter der Abströmkante innewohnende Strömungsinstabilität (Induktionsinstabilität) initiiert. Durch diese werden extem zugeführte periodischen Störun gen einer bestimmten Frequenz verstärkt und führen stromab von der Abströmkante zur Ausbildung von zunächst normal zur Strömungsrichtung ausgerichteten Wirbeln gleicher Periode (= Primärstrukturen). Die Dreidimensionalität der Grundströmung bewirkt nun einen raschen Zerfall der Primärstrukturen, die Bildung von sehr feinen Zerfallsstrukturen und in deren Folge schliesslich eine innige Vermischung der beiden Teilströme. Dabei zeigt sich, dass gerade bei den in technischen Mischvorgängen oft niedrigen Reynoldszahlen - bedingt durch die meist hohe Zähigkeit der zu mischenden Fluide - diese spezielle Strömungsform eine hohe Frequenzselektivität aufweist, d. h. optimale Anfachung und damit Mischung nur bei einer genau einzuhaltenden Frequenz der Anregung gewährleistet ist. Der beschriebene Effekt tritt auch bei hohen Reynoldszahlen auf, dann aber offenbar mit geringerer Frequenz selektivität.

Ein Beispiel

Bild 1 zeigt die Versuchsanlage, an der das Phänomen studiert wurde. Sie zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus. Die periodische Störung lässt sich durch eine vibrierende Ab strömzunge oder (i.a. einfacher zu realisieren) durch periodische Fluktuation der Teilströme, z. B. über einen Kolben-/Membranmechanismus (im Experiment durch eine Lautsprecher-be triebene Membran) oder einen zeitlich variablen Strömungswiderstand in einem der beiden Teilströme, realisieren.

Die beiden Teilströme - deren einer mit Fluorescin angefärbt ist - treffen sich stromab von der Trennplatte am Beginn der gemeinsamen Rohrstrecke, d. h. des Mischraumes. Die Strö mung wird mit Hilfe eines aufgefächerten Laserstrahls durch die Fluoreszenz des Farbstof fes (LIF) sichtbar gemacht.

Die in Bild 2 gezeigten Aufnahmen zeigen jeweils drei Lichtschnitte:

- Strömungsquerschnitt bei x/D = 2 (D = Rohrdurchmesser = 4 cm),
- Längsschnitt durch die x-y-Ebene, und,
- Längsschnitt durch die x-z-Ebene.

Die einzelnen Bilder zeigen nun folgende Situationen:

2a: Beide Geschwindigkeiten sind gleich und relativ niedrig (ca. 4 cm/s). Die Mischung ist schwach und vergleichbar der in einer klassichen Rohrströmung.
2b: Strömung bei veränderten Einlaufbedingungen; hier: unterschiedliche Zulaufgeschwindigkeiten (2/4 cm/s). Die Mischung ist offenbar hinsichtlich der grossräumigen Strukturen geringfügig verbessert.
2c: Hier ist die die Strömung periodisch angeregt. Die Mischung ist nun von grundlegend anderer Qualität, wobei bereits nach zwei Rohrdurchmessern hinter der Trennplatte eine fast vollständige, offenbar bis in feinste Strukturen reichende Homogenisierung der beiden Teilströme über den gesamten Rohrquerschnitt ohne erkennbare Strukturen beobachtet wird.

Bild 3 zeigt eine Gegenüberstellung von Konzentrations-Zeitreihen bei unbeeinflusster Mischung und bei Mischung nach dem neuen Verfahren. Bild 4 zeigt aus diesen Zeitreihen ermittelte Konzentrations-Histogramme: bei der traditionellen Mischung der beiden Teilströme liegen die zwar vermengten, aber in voller Konzentration im Gemenge noch vorhandenen, d. h. unvermischten Spezies vor. Dies zeigt sich in den beiden ausgeprägten und vollständig getrennten Histogramm-Verteilungen. Demgegenüber besitzt der mit dem neuen Mischverfahren gewonnene Histogramm-Verlauf über dem gesamten Strömungsquerschnitt nur ein einziges Maximum, d. h. die beiden Teilkomponenten sind vollständig vermischt.

Vergleichbare Ergebnisse erhält man bei verschiedenen Geschwindigkeitsverhältnissen der Teilströme innerhalb relativ weiter Grenzen.

Vergleich mit bekannten Verfahren Nachteile konventioneller Mischer

Bei Verwendung mechanischer Mischer wird zum Erreichen einer guten Mischung viel Energie verbraucht. Der Prozess ist ineffizient und kostspielig. Die Mischkammer kann zu dem nur teilweise genutzt werden und arbeitet diskontinuierlich. Schliesslich besteht die Ge fahr, dass sich Totbereiche ausbilden, in denen die Mischung mangelhaft ist. Dadurch wird die Qualität des Produktes u. U. kritisch beeinträchtigt.

Bei biotechnischen Anwendungen kann mechanische Mischung leicht zu Zerstörung von Zellen führen.

Vorteile des neuen Verfahrens

Bei diesem Verfahren werden moderne Erkenntnisse der Strömungskontrolle effektiv genutzt und eingesetzt.

- Die damit erreichte Wirkung und Effizienz ist deutlich höher als bei den her gebrachten Verfahren.
- Die Mischkammer wird vollständig genutzt.
- Da in der Strömung keine Rückströmgebiete auftreten, entstehen keine Totbereiche mit ungemischten Spezies.
- Das Problem der Zellenzerstörung ist wesentlich verringert.
- Der Mischeraufbau und damit seine Konstruktion sind vergleichsweise einfach.
- Die Mischung erfolgt in kontinuierlichem Betrieb.

Claims

Verfahren zur raschen und homogenen Mischung zweier Flüssigkeiten im kontinuierlichen Durchlaufbetrieb basierend auf periodischer Anregung des für die spezielle Geometrie des Mischers charakteristischen Instabilitätsverhaltens der Trennschicht zwischen den beiden strömenden Flüssigkeiten. Aufgrund der speziellen Geometrie der Mischkammer und der dadurch bedingten Dreidimensionalität der Strömung existiert eine selektive Rezeptivität der instabilen Trennschicht zwischen den beiden Flüssigkeiten bei einer Frequenz, die von den Abmessungen der Mischkammer abhängt und deren Anregung zu einer kontinuierlichen, sehr homogenen Mischung über eine kurze Lauflänge führt.
Das Verfahren ist gekennzeichnet durch
- 1. Eine gemeinsame Mischkammer, bestehend aus einem zylindrischen Rohr, in welches die beiden zu mischenden Flüssigkeiten separat einströmen und erst dort nach einer Trennplatte mit horizontaler Abströmkante zusammengeführt werden. Die Strömung erfolgt dabei zunächst zweidimensional und bildet - als Folge des Wandeinflusses des Mischrohres - charakteristische dreidimensionale Strukturen, die für die Funktion des Verfahrens grundlegend sind.
- 2. Die für die Mischung erforderliche Anregung. Diese erfolgt dadurch, dass der Strömungsgeschwindigkeit eines der beiden Teilströme (oder beiden Teilströmen) eine periodische Komponente der Art U = U₀ (1 + a sin (ωt)) überlagert wird, wobei zur optimalen Anpassung an die Mischergeometrie sowohl die Fluktuationsamplitude a als auch die Frequenz ω in gewissen Grenzen einstellbar sein sollten. Die Aufprägung der periodischen Geschwindigkeitskomponente kann entweder durch eine Membran oder eine Kolbenpumpe in einer Vorkammer oder ein periodisch verstellbares Ventil in der Zuleitung eines Teilstromes erfolgen.