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WO2016083047A1 - Vorrichtung und verfahren zur einmischung von fluiden - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur einmischung von fluiden Download PDF

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WO2016083047A1
WO2016083047A1 PCT/EP2015/074795 EP2015074795W WO2016083047A1 WO 2016083047 A1 WO2016083047 A1 WO 2016083047A1 EP 2015074795 W EP2015074795 W EP 2015074795W WO 2016083047 A1 WO2016083047 A1 WO 2016083047A1
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outlet
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PCT/EP2015/074795
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Thomas Jaschinski
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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    • B01F23/451—Mixing liquids with liquids; Emulsifying using flow mixing by injecting one liquid into another
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    • B01F25/10—Mixing by creating a vortex flow, e.g. by tangential introduction of flow components
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    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
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    • B01F25/314—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit
    • B01F25/3141—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit with additional mixing means other than injector mixers

Definitions

  • the invention relates to a device for mixing of a plurality of fluids in a limited main wall of a channel wall, wherein the fluids are guided before the main flow in a chamber and through the outlet into the main stream.
  • the invention also relates to a method for mixing a plurality of fluids with the device according to the invention.
  • the object of the invention is therefore to enable as gentle and efficient mixing as possible of several fluids.
  • the object has been achieved in that the chamber as Hydrocyclone is formed with an inlet and an existing at the opposite end of the chamber outlet, at least one fluid at the inlet of the chamber to form a circumferential flow tangentially and at least one fluid is injected into the center of this perennialsstromung in the direction of the outlet.
  • the chamber has a circular cross-section to form a circular circumferential flow.
  • the circumferential flow continues via the outlet of the chamber as turbulence in the main flow and thus leads to an intensification of the mixing.
  • the tangentially injected fluid circles the other fluid injected into the center in the direction of the outlet, thus gently guiding it into the main flow.
  • the fluids are injected in the circumferential direction successively and / or side by side. If further fluids are to be injected tangentially into the circumferential flow, then this is possible in particular with small amounts to be supplied between inlet and outlet of the chamber.
  • the center axis of the chamber which runs through the center of the circumferential flow between inlet and outlet, should be inclined at between 45 and 135 ° to the flow direction of the main flow. If the cavity within the circumferential flow already ends before the main flow, then a premixing of the tangentially supplied fluids, with the fluids supplied to the center, is established before their introduction into the main flow.
  • the cavity extends within the circumferential flow to the main stream or in this.
  • the main stream of a pulp suspension to produce a paper, cardboard, tissue or other fibrous web or from process, fresh water or the like can be formed.
  • At least one fluid should be formed from a chemical such as a retention aid or biocide, or from a gas such as carbon dioxide.
  • FIGS. 1 to 3 show diagrammatic cross-sections through differently designed devices for mixing a plurality of fluids 2, 3, 4, 5 into a main flow 1 bounded by a channel wall 6. While the main stream 1 consists of a pulp suspension as used to make a paper web, the fluids 2,3,4,5 become a gas such as carbon dioxide or at least partially a chemical such as a retention aid, starch Biocide, a neutral sizing agent, a dye or a brightener formed. Mineral substances or micro- or nanoparticles, such as bentonite or silicate, may also be present in at least one fluid 2, 3, 4, 5.
  • the fluids 2,3,4,5 are injected in front of the main stream 1 in a chamber 7 with a circular cross-section and passed through the outlet 9 of the chamber into the main stream 1.
  • This chamber 7 is a hydrocyclone with an inlet 8 and an outlet 9 provided at the opposite end of the chamber 7.
  • the fluid 2 is brought to a circular path and pressed against the inner wall of the chamber 7 due to the centrifugal force.
  • a gas-filled cavity 13 which here (shown schematically) extends at least to main stream 1.
  • At least one further fluid 3,4 is injected from the inlet 8 into the center of the circumferential flow 10 in the direction of the outlet 9. This injection takes place in the cavity 13, so that mixing with the other fluids 2.5 takes place substantially only at the end of the cavity 13. If pre-mixing of these fluids 2, 3, 4, 5 is to take place already in the cannister 7, then the quantity and / or the flow rate of the supplied fluids 2, 5 can be set so that the hollow space 13 ends before the main flow 1. However, if the fluids 2, 3, 4, 5 are to come into contact only when they pass into the main flow 1, the setting should be selected so that the cavity 13 extends at least as far as the main flow 1.
  • the flow rate of the fluids 2,3,4,5 should be so high that no deposits on the walls of the supply lines or in the chamber 7 form. Therefore, the flow rate of the fluids 2,3,4,5 should be between 0.05 and 20 m / s, preferably between 0.1 and 10 m / s and in particular between 0.1 and 5 m / s.
  • at least one of the fluids 2, 3, 4, 5 can also be formed by pulp suspension or water, in particular process water, such as clear filtrate or bio-water.
  • a plurality of such devices for mixing fluids 2, 3, 4, 5 can also be arranged around the channel wall 6 of the main flow 1. In this way, there is already a distribution of these fluids 2,3,4,5 to the main stream. 1
  • the diameter of the chamber 7 decreases continuously from the inlet 8 to the outlet 9 out, resulting in a higher flow velocity of the circumferential flow 10 when hitting the main stream 1 connected to a correspondingly larger turbulence and thus also Mixing leads.
  • the chamber 7 in Figure 3 is cylindrical, i. the diameter of the chamber 7 remains approximately constant from the inlet 8 to the outlet 9.
  • FIG. 1 shows the possibility of mixing some fluids already in front of the chamber 7 and injecting them jointly as a mixing fluid 3 into the chamber 7, in this case into the center of the circumferential flow 10.
  • FIG. 2 In FIG. 2, two fluids 3, 4 are simultaneously injected into the cavity 13 within the circumferential flow 10 at the same time.
  • FIG. 3 in turn represents an embodiment in which a further fluid 5 is injected tangentially into the chamber 7. However, since this takes place between inlet 8 and outlet 9, this fluid 5 passes directly into the circumferential flow 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einmischung von mehreren Fluiden (2, 3, 4, 5) in einen von einer Kanalwand (6) begrenzten Hauptstrom (1), wobei die Fluide (2, 3, 4, 5) vor dem Hauptstrom (1) in eine Kammer (7) mit kreisförmigen Querschnitt und über deren Auslauf (9) in den Hauptstrom (1) geführt werden. Dabei soll eine effiziente und schonende Einmischung der Fluide (2, 3, 4, 5) dadurch erreicht werden, dass die Kammer (7) als Hydrozyklon mit einem Einlauf (8) und einem am gegenüberliegenden Ende der Kammer (7) vorhandenen Auslauf (9) ausgebildet ist, wenigstens ein Fluid (2) am Einlauf (8) der Kammer (7) zur Bildung einer kreisförmigen Umfangsströmung (10) tangential und zumindest ein Fluid (3, 4) in das Zentrum dieser Umfangsströmung (10) in Richtung des Auslaufs (9) eingedüst wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Einmischung von Fluiden
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einmischung von mehreren Fluiden in einen von einer Kanalwand begrenzten Hauptstrom, wobei die Fluide vor dem Hauptstrom in eine Kammer und über deren Auslauf in den Hauptstrom geführt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einmischung mehrerer Fluide mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei der Herstellung einer Faserstoffsuspension kommen zunehmend Chemikalien zum Einsatz, die den Herstellungsprozess und/oder die Qualität der Faserstoffbahn positiv beeinflussen sollen. Dabei handelt es sich meist um Fixier- oder Retentionsmittel.
Beim Zuführen eines Fluids in einen Hauptstrom, insbesondere jedoch in eine strömende Faserstoffsuspension stellt sich grundsätzlich das Problem einer möglichst guten Durchmischung. Dabei ist der Grad der Durchmischung auch mit dem Fluidbzw. Chemikalienbedarf verbunden.
Um den Chemikalienbedarf zu minimieren gibt es bereits seit längerer Zeit Bestrebungen die Durchmischung zu verbessern, was jedoch bisher noch nicht ausreichend befriedigen kann.
Problematisch sind dabei insbesondere auch Ablagerungen im Bereich der Eindüsung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine möglichst schonende und effiziente Einmischung mehrerer Fluide zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kammer als Hydrozyklon mit einem Einlauf und einem am gegenüberliegenden Ende der Kammer vorhandenen Auslauf ausgebildet ist, wenigstens ein Fluid am Einlauf der Kammer zur Bildung einer Umfangsstromung tangential und zumindest ein Fluid in das Zentrum dieser Umfangsstromung in Richtung des Auslaufs eingedüst wird.
Mit Vorteil hat die Kammer dabei einen kreisförmigen Querschnitt zur Bildung einer kreisförmigen Umfangsstromung.
Die Umfangsstromung setzt sich über den Auslauf der Kammer als Verwirbelung im Hauptstrom fort und führt so zu einer Intensivierung der Vermischung. Dabei umkreist das tangential eingedüste Fluid das andere, ins Zentrum in Richtung Auslauf eingedüste Fluid und führt es so schonend in den Hauptstrom.
Die Eindüsung in das Zentrum der Kammer wird vereinfacht, wenn die tangentiale
Eindüsung der Fluide mit einer so großen Geschwindigkeit und/oder einer so kleinen Menge erfolgt, dass sich im Zentrum der Umfangströmung ein gasgefüllter Hohlraum bildet. Damit kann die Eindüsung in diesen Hohlraum ohne Kontakt der entsprechenden Düsen mit der Umfangsstromung realisiert werden.
Zur Minimierung des Aufwands können auch mehrere Fluide am Einlauf der Kammer tangential eingedüst werden.
Je nach Größe der Kammer und insbesondere der zuzuführenden Menge der einzelnen Fluide kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die Fluide in Umfangsrichtung nacheinander und/oder nebeneinander eingedüst werden. Sollen noch weitere Fluide tangential in die Umfangsstromung eingedüst werden, so ist dies insbesondere bei kleinen zuzuführenden Mengen problemlos zwischen Ein- und Auslauf der Kammer möglich.
Auch in das Zentrum der Umfangsstromung können mehrere Fluide in Richtung des Auslaufs eingedüst werden. In Abhängigkeit von der Anzahl und der Menge der zuzuführenden Fluide sowie der Größe und Gestalt eines Hohlraums innerhalb der Umfangsströmung kann die Eindüsung der Fluide in das Zentrum in gleicher und/oder mit unterschiedlicher Entfernung zum Einlauf erfolgen. Um eine intensive Verwirbelung der Fluide mit dem Hauptstrom zu ermöglichen, sollte die durch das Zentrum der Umfangsströmung zwischen Einlauf und Auslauf verlaufende Zentrumsachse der Kammer zwischen 45 und 135 ° zur Strömungsrichtung des Hauptstroms geneigt verlaufen. Sollte der Hohlraum innerhalb der Umfangsströmung bereits vor dem Hauptstrom enden, so stellt sich eine Vorvermischung der tangential zugeführten, mit den ins Zentrum zugführten Fluide vor ihrer Einleitung in den Hauptstrom ein.
Im Interesse einer späten Vermischung oder einer intensiven Verwirbelung im Hauptstrom kann es aber von Vorteil sein, wenn der Hohlraum innerhalb der Umfangströmung bis zum Hauptstrom oder in diesen hineinreicht.
Wann eine Vermischung erfolgen soll, hängt wesentlich auch davon ab, ob und wann die Fluide miteinander in Kontakt kommen sollen oder dürfen, insbesondere um ungewollte Vorreaktionen zu verhindern.
Hierbei kann der Hauptstrom von einer Faserstoffsuspension zur Herstellung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn oder aber von Prozess-, Frischwasser o.ä gebildet werden.
Bei den in die Kammer eingedüsten Fluiden sollte wenigstens ein Fluid von einer Chemikalie, beispielsweise einem Retentionsmittel oder einem Biozid oder von einem Gas, beispielsweise Kohlendioxid gebildet werden.
Im Ergebnis kann der Einsatz von Chemikalien auf ein Minimum reduziert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. ln der beigefügten Zeichnung zeigen die Figuren 1 bis 3 schematische Querschnitte durch verschieden gestaltete Vorrichtungen zur Einmischung von mehreren Fluiden 2,3,4,5 in einen, von einer Kanalwand 6 begrenzten Hauptstrom 1 . Während der Hauptstrom 1 aus einer Faserstoffsuspension, wie sie zur Herstellung einer Papierbahn verwendet wird, besteht, werden die Fluide 2,3,4,5 von einem Gas, wie Kohlendioxid oder zumindest teilweise von einer Chemikalie, wie beispielsweise einem Retentionsmittel, Stärke, einem Biozid, einem Neutralleimungsmittel, einem Farbstoff oder einem Aufheller gebildet. In wenigstens einem Fluid 2,3,4,5 können auch mineralische Stoffe oder Mikro- oder Nanopartikel, wie Bentonit oder Silikat enthalten sein.
Gemeinsam ist bei allen Ausführungen, dass die Fluide 2,3,4,5 vor dem Hauptstrom 1 in eine Kammer 7 mit kreisförmigem Querschnitt eingedüst und über den Auslauf 9 der Kammer in den Hauptstrom 1 geführt werden.
Bei dieser Kammer 7 handelt es sich um einen Hydrozyklon mit einem Einlauf 8 und einem am gegenüberliegenden Ende der Kammer 7 vorhandenen Auslauf 9.
Am Einlauf 8 wird wenigstens ein Fluid 2 tangential in die Kammer 7 eingedüst. Hierdurch wird das Fluid 2 auf eine kreisförmige Bahn gebracht und infolge der Zentrifugalkraft gegen die Innenwand der Kammer 7 gedrückt.
Infolgedessen bildet sich bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit und entsprechend begrenzt zugeführter Fluidmenge im Zentrum dieser kreisförmigen Umfangsströmung 10 ein gasgefüllter Hohlraum 13, der hier (schematisch dargestellt) zumindest bis Hauptstrom 1 reicht.
Wenigstens ein weiteres Fluid 3,4 wird vom Einlauf 8 her in das Zentrum der Umfangsströmung 10 in Richtung des Auslaufs 9 eingedüst. Diese Eindüsung erfolgt in den Hohlraum 13, so dass eine Vermischung mit den anderen Fluiden 2,5 im Wesentlichen erst am Ende des Hohlraums 13 erfolgt. Soll bereits in der Kannnner 7 eine Vorvernnischung dieser Fluide 2,3,4,5 erfolgen, so kann die Menge und/oder die Strömungsgeschwindigkeit bei den zugeführten Fluiden 2,5 so eingestellt werden, dass der Hohlraum 13 bereits vor dem Hauptstrom 1 endet. Falls die Fluide 2,3,4,5 jedoch erst beim Übertritt in den Hauptstrom 1 in Kontakt kommen sollen, so ist die Einstellung so zu wählen, dass der Hohlraum 13 zumindest bis zum Hauptstrom 1 reicht.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Fluide 2,3,4,5 sollte dabei so hoch sein, dass sich keine Ablagerungen an den Wänden der Zuführleitungen oder in der Kammer 7 bilden. Daher sollte die Strömungsgeschwindigkeit der Fluide 2,3,4,5 zwischen 0,05 und 20 m/s, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 m/s und insbesondere zwischen 0,1 und 5 m/s liegen. Zur Verdünnung der Chemikalien kann wenigstens eines der Fluide 2,3,4,5 auch von Faserstoffsuspension oder Wasser, insbesondere Prozesswasser, wie Klarfiltrat oder Biowasser gebildet werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn bestimmte Chemikalien vor der Vermischung mit Faserstoffsuspension in ihrer Konzentration soweit vermindert werden, dass es zu keiner Vorreaktion, insbesondere Flockung kommt.
Im Interesse einer intensiven Einmischung der Fluide 2,3,4,5 in den Hauptstrom 1 verläuft die durch das Zentrum der Umfangsströmung 10 zwischen Einlauf 8 und Auslauf 9 verlaufende Zentrumsachse 1 1 der Kammer 7 senkrecht zur Strömungsrichtung 12 des Hauptstroms 1 .
Um die Kanalwand 6 des Hauptstroms 1 herum können bei Bedarf auch mehrere derartige Vorrichtungen zur Einmischung von Fluiden 2,3,4,5 angeordnet werden. Auf diese Weise erfolgt bereits eine Verteilung dieser Fluide 2,3,4,5 um den Hauptstrom 1 . Bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Kammern 7 verringert sich der Durchmesser der Kammer 7 kontinuierlich vom Einlauf 8 zum Auslauf 9 hin, was zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit der Umfangströmung 10 beim Auftreffen auf den Hauptstrom 1 verbunden mit einer entsprechend größeren Verwirbelung und damit auch Vermischung führt.
Über die Verkleinerung der Kammer 7 zum Auslauf 9 hin wird auch die Ausbildung des Hohlraums 13 beeinflusst, so dass dieser allein hierdurch bereits vor dem Hauptstrom 1 enden kann. Die Kammer 7 bei Figur 3 ist zylindrisch ausgeführt, d.h. der Durchmesser der Kammer 7 bleibt vom Einlauf 8 zum Auslauf 9 hin annähernd konstant.
Darüber hinaus zeigt Figur 1 die Möglichkeit auf, einige Fluide bereits vor der Kammer 7 zu vermischen und gemeinsam als Misch-Fluid 3 in die Kammer 7, hier in das Zentrum der Umfangsströmung 10, einzudüsen.
Bei Figur 2 werden parallel zwei Fluide 3,4 gleichzeitig in den Hohlraum 13 innerhalb der Umfangsströmung 10 eingedüst. Figur 3 wiederum stellt eine Ausführung dar, bei der ein weiteres Fluid 5 tangential in die Kammer 7 eingedüst wird. Da dies aber zwischen Einlauf 8 und Auslauf 9 erfolgt, gelangt dieses Fluid 5 so direkt in die Umfangsströmung 10.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Einmischung von mehreren Fluiden (2,3,4,5) in einen von einer Kanalwand (6) begrenzten Hauptstrom (1 ), wobei die Fluide (2,3,4,5) vor dem Hauptstrom (1 ) in eine Kammer (7) und über deren Auslauf (9) in den Hauptstrom (1 ) geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (7) als Hydrozyklon mit einem Einlauf (8) und einem am gegenüberliegenden Ende der Kammer (7) vorhandenen Auslauf (9) ausgebildet ist, wenigstens ein Fluid (2) am Einlauf (8) der Kammer (7) zur Bildung einer Umfangsstromung (10) tangential und zumindest ein Fluid (3,4) in das Zentrum dieser Umfangsstromung (10) in Richtung des Auslaufs (9) eingedüst wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fluide (2) am Einlauf (8) der Kammer (7) tangential eingedüst werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide (2) in Umfangsrichtung nacheinander eingedüst werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluide (2) in Umfangsrichtung nebeneinander eingedüst werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest ein Fluid (5) zwischen Ein- (8) und Auslauf (9) tangential in die Kammer (7) eingedüst wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Fluide (3,4) in das Zentrum der Umfangsstromung (10) in Richtung des Auslaufs (9) eingedüst werden.
7. Vornchtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung der Fluide (3,4) in das Zentrum in gleicher Entfernung zum Einlauf (8) erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung der Fluide (3,4) in das Zentrum mit unterschiedlicher Entfernung zum Einlauf (8) erfolgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die durch das Zentrum der Umfangsströmung (10) zwischen Einlauf (8) und Auslauf (9) verlaufende Zentrumsachse (1 1 ) der Kammer (7) zwischen 45 und 135° zur Strömungsrichtung (12) des Hauptstroms (1 ) geneigt verläuft.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kammer (7) einen kreisförmigen Querschnitt zur Bildung einer kreisförmigen Umfangsströmung (10) aufweist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hauptstrom (1 ) von einer Faserstoffsuspension zur Herstellung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn gebildet wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrom (1 ) von Prozess-, Frischwasser o.ä. gebildet wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fluid (2,3,4,5) von einer Chemikalie, beispielsweise einem Retentionsmittel oder einem Biozid gebildet wird.
14. Vornchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fluid (2,3,4,5) von einem Gas,
beispielsweise Kohlendioxid gebildet wird.
15. Verfahren zum Einmischen von mehreren Fluiden (2,3,4,5) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentiale Eindüsung der Fluide (2) mit einer Geschwindigkeit und Menge erfolgt, die zur Bildung eines gasgefüllten Hohlraumes (13) im Zentrum der
Umfangströmung (10) führt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (13) bis zum Hauptstrom (1 ) oder in diesen hineinreicht.
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