DE19837671A1

DE19837671A1 - Statischer Mischer

Info

Publication number: DE19837671A1
Application number: DE19837671A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Schuchardt; Klemens Kohlgrueber
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2000-02-24
Also published as: US6412975B1; CA2280469A1; DE59905535D1; JP4074413B2; EP0980703B1; EP0980703A1; CA2280469C; JP2000135424A

Abstract

Es wird ein heizbarer oder kühlbarer statischer Mischereinsatz (8; 10) und ein statischer Mischer (11, 8; 10) mit wenigstens einem Mischereinsatz (8; 10) beschrieben, in dem der Mischereinsatz (8; 10) wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen (a); (b) von insbesondere zueinander parallelen Stegen (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) besteht, wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen (a); (b) von Stegen (501, 502, 503, 504) bzw. (511, 512, 513, 514) kreuzen und die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) an den Kreuzungsstellen (320) miteinander verbunden sind und in dem die Steglagen (a); (b) an den Kreuzungsstellen (320) von Wärmeträgerkanälen (580, 581, 590, 591, 592) durchzogen sind.

Description

Es wird ein heizbarer oder kühlbarer, statischer Mischereinsatz und ein heizbarer oder kühlbarer, statischer Mischer mit wenigstens einem Mischereinsatz beschrieben, in dem der Mischereinsatz wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen von insbesondere zu einander parallelen Stegen aufgebaut ist, wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen von Stegen kreuzen und die Stege an den Kreuzungsstellen der Steglagen miteinander verbunden sind und in dem die Steglagen an den Kreuzungsstellen von Wärmeträgerkanälen durchzogen sind.

Zum Mischen von Flüssigkeiten werden vielfach statische Mischer eingesetzt: Eine Pumpe drückt die Flüssigkeit dabei durch ein mit statischen Mischereinbauten versehenes Rohr, wobei die Flüssigkeit an dem Mischer geschert und in Teilströme aufgeteilt wird die mit einander vermischt werden sollen.

Beispielhaft für statische Mischer seien die zwei folgenden Vorrichtungen genannt.

Bei den sogenannten Kenics-Mischern (siehe "Mischen beim Herstellen und Verarbeiten von Kunststoffe" , Herausgeber VDI Ges. Kunststofftechnik, VDI- Verlag 1986, S. 238-241) wird die Flüssigkeitsströmung des Mischgutes durch ein im Rohr eingebautes Trennblech in Teilströme geteilt. Dieses Trennblech ist um die Rohrachse tordiert. In jedem der Teilströme der Flüssigkeit entsteht eine wirbelförmige Strömung, die zur Umverteilung der Flüssigkeit im Querschnitt des Rohres führt. Mehrere solcher Mischelemente werden in der Praxis hintereinander angeordnet, um die Flüssigkeit immer wieder neu zu teilen und ein hinreichendes Mischergebnis zu erzielen. Die Druckstabilität dieser Mischer gegenüber hoch viskosen Fluiden ist jedoch vergleichsweise gering.

Die sogenannten SMX-Mischer (vergl. Patentschrift US 40 62 524) bestehen aus zwei oder mehr zueinander senkrecht stehenden Gittern von parallelen Blechstreifen, die an ihren Kreuzungspunkten miteinander verschweißt sind und in einem Winkel gegen die Hauptströmungsrichtung des Mischgutes angestellt sind, um die Flüssigkeit teilen und mischen zu können. Der Herstellungsaufwand für diese Mischer ist wegen der vielen zu tätigenden Schweißverbindungen relativ hoch.

Der Wärmeaustausch hochviskoser Flüssigkeiten beim Durchgang durch bekannte Wärmetauscher findet typischerweise bei einer sehr geringen Reynoldszahl statt. Werden zum Wärmetausch beispielsweise glatte Rohre verwendet, ist für eine gegen Null gehende Reynoldszahl die Wärmeaustauschrate äußerst gering und seitens des Wärmetauschers bei gegebenem Durchsatz im wesentlichen nur noch abhängig von der eingesetzten Rohrlänge. Eine wesentliche Verbesserung des Wärmeaustausches ist dann möglich durch eine Kombination des Rohrwärmeaustauscher mit einer statischen Mischvorrichtung.

Diese Kombination ist in zwei Ausprägungen bekannt. Zum einen können in die Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers statische Mischelemente eingesetzt werden. Hier werden insbesonders die Mischelemente von Kenics eingesetzt. Zum anderen können die Rohre als Elemente eines statischen Mischers eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift DE-A-28 39 564 beschrieben.

Die Verwendung eines produktdurchströmten Rohrbündelwärmetauschers scheidet aber bei vielen chemischen Prozessen aus. Wenn z. B. eine Polymerisationsreaktion gekühlt werden muß, wird in einem langsamer durchströmten Rohr auf Grund der höheren Verweilzeit der Reaktanden ein höherer Polymerisationsgrad erreicht. Die Flüssigkeit im Rohr wird dadurch gegebenenfalls viskoser als in den Nachbarrohren. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mischgutes weiter verlangsamt. Bei bestimmten Prozeßparametern können deshalb Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers durch Polymerisat verstopfen.

Bei solchen Prozessen ist ein aus Wärmetauscherrohren gebildeter statischer Mischer, wie in DE-A 28 39 564 beschrieben, vorzuziehen. Der Herstellungsaufwand zur Produktion dieser Mischer ist jedoch so hoch, daß diese Lösung häufig als unwirt schaftlich verworfen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es einen statischen Mischer bereit zu stellen, der kühlbar oder heizbar ist, und der auf vergleichsweise einfache Art herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den nachfolgend beschriebenen statischen Mischereinsatz und insbesondere durch den weiter beschriebenen statischen Mischer.

Gegenstand der Erfindung ist ein statischer Mischereinsatz bestehend wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen von insbesondere zu einander parallelen Stegen, wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen von Stegen kreuzen und die Stege an den Kreuzungsstellen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steglagen an ihren Kreuzungsstellen von Wärmeträger kanälen durchzogen sind.

Vorzugsweise verlaufen die Wärmeträgerkanäle unter einem Winkel alpha ≧ 60° zur Ebene der Steglagen.

Die Wärmeträgerkanäle können in einzelne Zuleitungen und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium münden.

Eine bevorzugte Variante des statischen Mischereinsatzes ist so ausgeführt, daß die Stege wenigstens teilweise als Hohlstege ausgeführt sind, die zusätzliche Kanäle für ein Wärmeträgermedium aufweisen.

Die Stege sind in einer bevorzugten Ausführung des Mischers zur Hauptströmungs richtung des Mischgutes um einen Winkel, insbesondere von 30 bis 50° bzw. von -30 bis -50°, angestellt, wodurch eine gute Aufteilung des Mischgutstromes in Teilströme bewirkt wird.

In einer Variante des statischen Mischereinsatzes sind die Wärmeträgerkanäle oder die Kanäle die durch die Hohlstege verlaufen mäandrierend an ihren Ein- und Ausgängen miteinander verbunden. Hierdurch wird ein Verbund von Wärmeträgerleitungen geschaffen, der nur wenige Zuleitungen und Ableitungen für das Warmeträgermedium aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein statischer Mischereinsatz bestehend wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen von insbesondere zu einander parallelen Stegen, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt, wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen von Stegen kreuzen und die Stege an den Kreuzungsstellen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege als Hohlstege ausgeführt sind, die Kanäle für ein Wärmeträgermedium aufweisen. In dieser unabhängigen Ausführung ist der Mischereinsatz nicht an den Kreuzungsstellen von zusätzlichen Wärmeträgerkanälen durchsetzt, die durch die Steglagen verlaufen.

Auch bei dieser Form des statischen Mischereinsatzes können die Wärmeträgerkanäle einzelne in Zuleitungen und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium münden.

Bevorzugt sind in beiden unabhängigen Formen der statischen Mischereinsätze die Stege als gerade Stege ausgeführt.

Gleichfalls können die Stege dieser Bauform, die nur mit Hohlstegen als Kanälen aus gestattet ist, zur Hauptströmungsrichtung des Mischgutes um einen Winkel, insbesondere von 30 bis 50° bzw. von -30 bis 50°, angestellt sein.

Auch die Wärmeträgerkanäle dieses statischen Mischereinsatzes können mäandrierend an ihren Eingängen und Ausgängen miteinander verbunden sein.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein statischer Mischer bestehend aus wenigstens einem der genannten erfindungsgemäßen Mischereinsätze und einem Innengehäuse, das den Mischereinsatz umschließt und in dem Öffnungen für die Zuleitung und Ableitung des Wärmeträgermediums entweder zu den die Steglagen kreuzenden Wärmeträgerkanälen oder zu den längs der Stege laufenden Kanälen oder zu beiden vorgesehen sind.

Bevorzugt sind die Wärmeträgerkanäle oder die Kanäle der Hohlstege direkt mit den Öffnungen in dem Innengehäuse verbunden sind.

Ein besonders bevorzugter statischer Mischer ist so aufgebaut, daß das Innengehäuse noch von einem zusätzlichen Außengehäuse umschlossen ist, das wenigstens einen Einlaßstutzen und einen Auslaßstutzen für den Wärmeträgermedium aufweist, und mit dem Innengehäuse einen Einlaßraum und einen Auslaßraum für das Wärmeträgermedium bildet und einen Einlaß und einen Auslaß für das Mischgut aufweist.

Zur Verbesserung der Mischwirkung sind in einer besonders bevorzugten Form des statischen Mischers mehrere Mischereinsätze in dem Innengehäuse übereinander an geordnet und jeweils benachbarte Mischereinsätze sind zueinander um ihre Mittel achse verdreht angeordnet.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen statischen Mischerelementes und des erfindungs gemäßen statischen Mischers ermöglicht es diese durch Spritzgießen eines Werk stücks herzustellen, das aus den Stegen, und den von den Wärmeträgerkanälen durch stoßenen Innengehäusewänden besteht, indem Schieber in der Spritzgußform die Zwischenräume zwischen den Stegen und die Wärmeträgerkanäle erzeugen. Dieses Werkstück kann entweder selbst in ein Außengehäuse z. B. eine Rohrleitung, eingebaut werden oder als verlorenes Modell für den Feinguß dienen.

Entsprechend wird eine Ausführungsform einfach erhalten, daß durch ein Urformver fahren ein Block bestehend aus den Stegen mit den Wärmeträgerkanälen hergestellt wird.

In einer besonders bevorzugten Form endet jeder Steg einer Steglage bis auf maximal einen Steg nur an einem Ende des Stegs an einer Innengehäusewand, während das andere Ende in den Produktstrom zeigt. Diese Bauform ermöglicht es beim Spritzgießen alle Innengehäusewände mit den Stegen zusammen abzuspritzen, da alle Zwischenräume zwischen den Stegen für Schieber zugänglich sind. Dadurch wird der Fügeaufwand zum kompletten Mischer verringert.

Entsprechend wird besonders ein Herstellungsverfahren vorgezogen, bei dem in einem Urformverfahren gleichzeitig der Teil der Innengehäusewände, der von den Wärme trägerkanälen durchstoßen wird, mit hergestellt wird.

Mit der Bereitstellung des erfindungsgemäßen Mischereinsatzes oder Mischers wird der Wärmeübergang vom Wärmeträgermedium auf das Mischgut verbessert, da die Wärmeleitungswege von dem Wärmeträgermedium zum Produkt verkürzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere statische Mischer gegebenen falls auch in beliebiger Kombination mit bekannten statischen Mischern zu einem in Reihe geschalteten Mischermodul zusammengefaßt.

Insbesondere, wenn die aufeinanderfolgenden statischen Mischereinsätze gegenein ander um 90° verdreht zusammengesetzt werden, wird eine besonders gute Misch wirkung erreicht.

Auf Grund des geringen Fertigungsaufwand für das Urformverfahren können die beschriebenen heizbaren oder kühlbaren statischen Mischer nicht nur dort angewandt werden, wo ein statisches Mischen erforderlich ist, sondern können unter Kosten gesichtspunkten auch andere Wärmetauscher, wie z. B. Rohrbündelwärmetauscher als Kondensatoren, ersetzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert, ohne daß dadurch die Erfindung im Einzelnen eingeschränkt wird.

Es zeigen:

Fig. 1a die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 1b die Draufsicht auf den Mischer aus Fig. 1a,

Fig. 1c die perspektivische Ansicht des Mischers aus Fig. 1a,

Fig. 2 die perspektivische Ansicht der Einbauten des Mischers aus Fig. 1a,

Fig. 3a die Vorderansicht eines Mischelementes des Mischers aus Fig. 1a,

Fig. 3b die Draufsicht auf das Mischelement aus Fig. 3a,

Fig. 3c die perspektivische Ansicht des Mischelementes aus Fig. 3a,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Mischelement aus Fig. 3a entsprechend der in Fig. 3b eingezeichneten Schnittlinie A-A,

Fig. 5 die perspektivische Ansicht eines Mischelementes ohne Heiz-/Kühl kanäle in Richtung der Stege,

Fig. 6 einen Schnitt durch das Mischelement aus Fig. 5 analog zur Schnittlinie A-A aus Fig. 3b.

Beispiele Beispiel 1

Fig. 1a bis c zeigen aus verschiedenen Ansichten einen erfindungsgemäßen Mischer. Dabei ist das Außengehäuse nur schematisch dargestellt. Der Mischer besteht aus einem Außengehäuse 1 mit Produkteinlaßstutzen 2, Produktauslaßstutzen 3 sowie Einlaßstutzen 4, 6 und Austrittsstutzen 5, 7 für das Heiz/Kühlmedium und den Mischereinsätzen 8, 10 mit Innengehäuse 11.

Im Inneren des Mischers befinden sich die in Fig. 2 dargestellten Einbauten, bestehend aus jeweils um 90° gegeneinander verdreht übereinander gesetzten Misch elementen 8, 10, die temperiermediumseitig durch Trennbleche 9 voneinander ge trennt sind, um die Flußrichtung des Temperiermediums zu kontrollieren. Bei anderer Anordnung der Trennbleche kann die Zahl der Heiz-/Kühlmediumstutzen vermindert werden unter Inkaufnahme eines höheren Druckverlustes.

Fig. 3a bis c zeigen aus verschiedenen Ansichten ein Mischelement (8). Es besteht aus dem Innengehäuseabschnitt 300 und alternierenden Lagen von parallelen Stegen 301-306 bzw. 311-317 (z. T. nur im Schnitt in Fig. 4 erkennbar). Die Stege zweier aufeinanderfolgender Lagen von Stegen kreuzen sich unter einem Winkel von 90° und weisen zur Produktstömungsrichtung einen Winkel von 45° auf. Die Stege sind hohl und mit Heiz-/Kühlkanälen 362-367 bzw. 371-377 durchzogen (Fig. 4). Um eine Durchströmung der Kanäle zu erreichen, sind diese durch von die Lagen der Stege kreuzenden Verbindungskanälen 380, 381, 390, 391,392 miteinander verbunden (siehe den Schnitt in Fig. 4). Von jeder Steglage 301-306, 311-317 reicht nur jeweils ein Steg 304 bzw. 314 von einer Gehäuseinnenwand zur gegenüberliegenden Innenwand. Alle anderen Stege weisen ein freies Ende auf.

Beispiel 2

Fig. 5 zeigt einen alternativen Aufbau eines Mischelementes, wie es in einem erfindungsgemaßen Mischer eingesetzt werden kann. Auf die Heiz-/Kühlkanäle längs der Stege wurde zugunsten einer einfachen Fertigung verzichtet, dafür reichen die die Lagen der Stege kreuzenden Kühlkanäle 580-592 durch das Innengehäuse des Mischelementes.

Ein derartiges Mischelement ist insbesondere für hochviskose Produkte geeignet, bei denen der Hauptwärmewiderstand auf der Produktseite liegt und der zusätzliche Wärmewiderstand durch Wärmeleitung in den nun massiven Stegen nicht ins Gewicht fällt.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch das Mischelement nach Fig. 5 analog dem Schnitt A- A aus Fig. 3b.

Claims

1. Statischer Mischereinsatz (8; 10) bestehend wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen (a); (b) von insbesondere zu einander parallelen Stegen (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514), wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen (a); (b) von Stegen (501, 502, 503, 504) bzw. (511, 512, 513, 514) kreuzen und die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) an den Kreuzungsstellen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steglagen (a); (b) an den Kreuzungsstellen (320) von Wärmeträgerkanälen (580, 581, 590, 591, 592) durchzogen sind.

2. Statischer Mischereinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerkanäle (580, 581, 590, 591, 592) in einzelne Zuleitungen und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium münden.

3. Statischer Mischereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) wenigstens teilweise als Hohlstege (301, 302, 303, 304, 305, 306, 311, 312, 313, 314, 314, 316, 317) ausgeführt sind, die zusätzliche Kanäle (362, 363, 366, 371, 372, 373, 374, 375, 376, 377) für ein Wärmeträgermedium aufweisen.

4. Statischer Mischereinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) als gerade Stege ausgeführt sind.

5. Statischer Mischereinsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) bzw. (511, 512, 513, 514) zur Hauptströmungs richtung des Mischgutes um einen Winkel insbesondere von 30 bis 50° bzw. von -30 bis -50° angestellt sind.

6. Statischer Mischereinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerkanäle (580, 581, 590, 591, 592) oder die Kanäle (362, 364, 365, 366) mäandrierend an ihren Ein- und Ausgängen miteinander verbunden sind.

7. Statischer Mischereinsatz (8; 10) bestehend wenigstens aus zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Lagen (a); (b) von insbesondere zu einander parallelen Stegen (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514), insbesondere mit rechteckigen Querschnitt, wobei sich die Stege jeweils benachbarter Lagen (a); (b) von Stegen (501, 502, 503, 504) bzw. (511, 512, 513, 514) kreuzen und die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) an den Kreuzungsstellen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) als Hohlstege ausgeführt sind, die Kanäle (362, 364, 365, 366) für ein Wärmeträgermedium aufweisen.

8. Statischer Mischereinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerkanäle (362, 364, 365, 366) in einzelne Zuleitungen und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium münden.

9. Statischer Mischereinsatz nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) und (511, 512, 513, 514) als gerade Stege ausgeführt sind.

10. Statischer Mischereinsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (501, 502, 503, 504) bzw. (511, 512, 513, 514) zur Hauptströmungs richtung des Mischgutes um einen Winkel insbesondere von 30 bis 50° bzw. von -30 bis -50° angestellt sind.

11. Statischer Mischereinsatz nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerkanäle (362, 364, 365, 366) mäandrierend an ihren Ein- und Ausgängen miteinander verbunden sind.

12. Statischer Mischer bestehend aus wenigstens einem Mischereinsatz (8; 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, und einem Innengehäuse (11), das den Mischereinsatz (8; 10) umschließt und in dem Öffnungen für die Zuleitung und Ableitung des Wärmeträgermediums zu den Wärmeträgerkanälen (580, 581, 590, 591, 592) oder den Kanälen (362, 364, 365, 366) vorgesehen sind.

13. Statischer Mischer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerkanäle (580, 581, 590, 591, 592) oder die Kanäle (362, 364, 365, 366) direkt mit den Öffnungen des Innengehäuses verbunden sind.

14. Statischer Mischer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (11) von einem zusätzlichen Außengehäuse (1) umschlossen ist, das wenigstens einen Einlaßstutzen (4, 6) und einen Auslaßstutzen (5, 7) für das Wärmeträgermedium aufweist, und mit dem Innengehäuse (11) einen Einlaßraum (12) und einen Auslaßraum (13) für das Wärmeträgermedium bildet und einen Einlaß (2) und einen Auslaß (3) für das Mischgut aufweist.

15. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Mischereinsätze (8, 10) in dem Innengehäuse über einander angeordnet sind und benachbarte Mischereinsätze (8, 10) zueinander um ihre Mittelachse verdreht angeordnet sind.

16. Statischer Mischer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg einer Steglage bis auf maximal einen Steg nur an einem Ende des Steges an einer Innengehäusewand endet.