靜態式混合元件的制作方法

專利名稱：靜態式混合元件的制作方法
靜態式混合元件 本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的靜態式(statisches)混合元件 (Mischelemement)。本發明還涉及一種包含此類混合元件的靜態式混合器(Mischer)。
由根據文件CH 642 564的現有技術可知 一 種靜態式混合裝置 (Mischvorricht皿g)，其包括管狀的殼體且包含至少一個布置在其中的混合元件。該混合 元件由相互交叉的(kreuzenden)、相對于管軸線具有一定角度的接片(Stegen)構成。混合 元件的接片分至少兩組地布置。 一組的接片大致上平行地定向。 一組的接片與另一組的接 片相交叉。 文件DE 44 28 813示出了一種靜態式混合裝置，不同于文件CH642 564，其具有 這樣的交叉的接片，這些交叉的接片在交叉點的區域中重疊(ueberl即pen)。接片(其在文 件DE 44 28 813中構造成鋼板條)的局部的加寬部(Verbreiterung)用于加固和/或形 成相鄰的接片的形狀配合的(formschluessigen)連接。加寬部中切割出槽，該槽容納相鄰 的鋼板條。 文件EP 0 856 353 Al示出了一種模塊，其為靜態式混合設備的一部分，該靜態式 混合設備被設置用于停留時間緊要的、可塑性流動的混合物(Mischgut)。該設備包括管狀 的殼體，在其中布置有接片。接片相對殼體的縱軸線傾斜；它們大致上在垂直于縱軸線的直 線上交叉。該模塊包括可插入到殼體中的套筒(Huelse)。靜態式混合設備的引導該混合物 的內壁由套筒的內側形成。接片構造成棘狀(dornartig)，各帶有對著混合物的運動方向而 指向的頂部和固定在套筒內側處的基部。每個頂部相對于設備的內壁形成間隙。
根據1979年的文件CH 642 564的混合器的開發描述了用于層狀地流動的 (laminar stroemende)介質的靜態式混合技術的出乎意料的改進。從那時起，這種混合器 經受住了考驗，并且，其在非常廣的帶有絕大多數為高粘性的介質的應用的領域中成功地 被使用。在隨后的將近30年中，總試圖改進這種混合器。盡管花費巨大，但僅有微小的改 進可被獲得。例如，在文件US 6 467 949 Bl中保護了一種帶有經更改的凹形的接片橫截 面的、經修改的混合器。獨立的測量(M. Heniche， P. A. Tanguy， M. F. Reeder， J. B. Fasano， AIChE雜志，51巻，2005年一月)得出了針對這種經修改的靜態式混合器相對于現有技術 的、在壓力損失(Druckverlust)和混合效率(Mischeffizienz)方面的僅較輕微的區別。在 另一篇最近發表的作品中(S丄iu，博士論文，McMaster大學，2005年)研究了大量的、根據 文件CH 642 564的現有技術的、用于借助于不同的技術來改善混合效率和壓差的修改。在 該作品中，同樣測量了根據文件US 6 467 94 9B1的混合元件。Liu在相同的或略差的混 合效率下獲得了減小了 15%的壓差。此外，通過接片橫截面的進一步的改變，Liu在降低了 7. 5%的壓力損失的情形下實現了與根據文件CH 642564的混合器相比略微更好的混合效 率。關于與根據文件CH 642 564的混合器相類似地構建成的靜態式混合器的混合特性的 改進和研究的作品中的這些例子表明，至今未能在層流式(laminarer)混合器的混合效率 和壓差方面實現顯著的改進。 令人驚訝地發現了這樣的靜態式混合元件——對于其而言，上述結論并不適用， 甚至，相反的結論是合乎實際情況的。在通過根據本發明的混合元件而獲得的近似的或改
4善的混合效率下，利用根據本發明的混合元件觀察到的顯著的壓差的降低是一種技術的突 破。 本發明的目的在于，對于所提及的靜態式混合器作出改進，以此可在可比的或改 善的混合效率下實現更小的壓力損失。 該目的通過在下面被定義的靜態式混合元件來實現。 根據本發明的靜態式混合元件具有寬度尺寸(Breitenabmessung)Db且適合于裝 配到帶有大致上相同的寬度尺寸Db的空心體(Hohlkoerper)中。該靜態式混合元件包含多 個接片元件(Stegelementen)，其中，第一組件(Anordnung)包含至少一個第一接片元件， 其相對于包含至少一個第二接片元件的第二組件交叉式地(kreuzweise)布置。該第一組 件和該第二組件相對于主流動方向(Hauptstroemungsrichtung)圍成不等于0。的角。該 第一組件與該第二組件圍成大于0。的角。在該第一組件和該第二組件的至投影平面(其 正交于(normal zu)主流動方向而放置)的投影中，在彼此相鄰的接片元件之間至少部分 地存在有間隙。沿混合元件的寬度尺寸Db的方向所測量的接片元件的寬度H的相對總和 (relative Summe) z小于混合元件的寬度尺寸Db的95%。 進一步的特征涉及靜態式混合元件的以及包含根據本發明的混合元件的靜態式 混合器的有利的實施形式。 主流動方向優選地位于在其中容納有該混合元件的空心體的縱軸線的方向上。通 過第一組件和第二組件形成了交叉部位(Kreuz皿gsstelle)，在其附近可布置有間隔元件 (Abstandselement)。間隔元件可構造成至少一個接片元件的局部的加厚部(Verdickung) 或加寬部。在投影平面中的接片元件的數量可為4至10個。有利地，設置有每組件至少2 個接片元件。第一接片元件和第三接片元件是位于第一平面中的接片元件的第一組件的部 分。第二接片元件和第四接片元件是位于第二平面中的接片元件的第二組件的部分。第一 組件的接片元件中的至少一部分可布置在相對于第一平面錯置地(versetzt)布置的第三 平面中。備選地或作為對此的補充地，第二組件的接片元件中的一部分可布置在第四平面 中，其中，該第四平面相對于第二平面錯置地布置。接片元件具有寬度(H)。投影平面中的 接片元件的寬度(H)的總和(E Hi)與空心體的直徑(D)的比通過在下面所定義的參量z 來確定。該參量z尤其地小于95%，優選地小于85%，尤其地小于75%，特別優選地小于 65%。靜態式混合裝置包括靜態式混合元件以及空心體或套筒，用于容納該靜態式混合元 件。靜態式混合元件可在空心體或套筒處被固定，其中，靜態式混合元件和空心體或套筒可 由單個構件構成。 靜態式混合元件可在該第一平面與該第二平面的交截線(Schnittlinie)的區域 中和/或在接片元件的端部中的至少一部分端部的區域中在套筒或空心體的內壁處被固 定。 根據前述實施例中任一個實施例的靜態式混合元件的優選的應用針對層狀地流 動的介質、尤其是聚合物熔液(Polymerschmelzen)或其它高粘性流體而進行。
下面借助圖紙對本發明進行說明。其中


圖1顯示了根據現有技術的靜態式混合裝置， 圖2顯示了按照第一實施例的根據本發明的靜態式混合元件的視圖，
圖3顯示了根據本發明的靜態式混合元件的第二實施例，
圖4顯示了根據本發明的靜態式混合元件的第三實施例， 圖5顯示了相對于現有技術文件CH 642 564的、在各種不同的設計變型中的根據本發明的混合元件的壓差和混合效率的效果的對照的圖形表示， 圖6顯示了帶有間隔元件的交叉區域的細節，該間隔元件帶有局部的加厚部和加寬部。 圖1示出了四個混合元件，這些混合元件一個接一個地布置在空心體10中。相繼的混合元件2繞著充當轉動軸線的空心體軸線8相對于彼此轉過一90。的角。穿流過空心體10的流體的主流動方向位于空心體軸線8的方向上。每個混合元件包括接片元件(3，4)的組件，它們布置在相交叉的兩個平面(5，6)中。此處，接片元件的組件指的是一定數量的、大致位于一個平面中的接片元件。第一平面5包含接片元件3的第一組件21，第二平面6包含接片元件4的第二組件31。第一和第二平面(5，6)布置成彼此呈一定角度，以使得接片元件3的第一組件21與接片元件4的第二組件31相交叉。相鄰的接片元件如此地并排地(nebeneinander)放置，S卩，使得接片的寬度(H)的總和與管直徑(D)相同。即，在這種情況下，接片元件直接地彼此鄰接。根據該實施例，在流體分子沿著主流動方向而流動的理想化的假設下，每個流動的流體分子撞擊到接片元件上。由此，每個接片元件扮演了針對流動的流體分子的障礙，以使得，在流體分子撞擊到接片元件上之前，發生流體分子的偏轉。因此，在靜態式混合元件的內部，如下假設，即流體分子在主流動方向的方向上流動，不再合乎實際情況。通過流體分子的自該主流動方向的偏轉，實現了流體流的混勻。從中得出，伴隨著增大的自該主流動方向的偏轉，混合效果應當被改善。但是，流體分子的自該主流動方向的增大的偏轉通常意味著提高的壓力損失。 由于如下一點是已知的，S卩，當穿流橫截面盡可能無障礙時，壓力損失會減少，所以，看起來顯而易見的是，避免流動中的障礙，以便降低壓力損失。但是那么則可預料到在相同的混合路程后的較差的混勻，因為，根據迄今為止的觀點，流體元素穿流過如此所形成的縫隙，而并不顯著地偏轉，也就是說，大致上跟隨該主流動方向，而不與其它的流體分子相混合。令人驚訝地，發現了根據圖2的接片元件的組件，對該組件而言，上述結論并不正確。根據本發明的、用于裝配到空心體10中的靜態式混合元件2包含多個接片元件。第一接片元件3和第三接片元件13相對于第二接片元件4和第四接片元件14交叉式地布置。第一接片元件3和第三接片元件13形成了接片元件的第一組件21。第二接片元件4和第四接片元件14形成了接片元件的第二組件31。 接片元件可例如設計為管或板狀、盤狀或梁狀的元件。接片元件的橫截面可為無棱邊的，舉例而言，具有圓形形狀或橢圓形狀的橫截面。橫截面可包含棱邊，也即，舉例而言，具有矩形的或菱形的橫截面。棱邊之間的連接線可為直的或彎曲的，尤其是凸形的或凹形的，這在例如在文件EP 1 305 108 Bl中被實現。接片元件可至少部分段地從所屬的組件中突出，例如具有波浪形的結構。在這種情況下，之前所描述的組件的平面理解為中間平面(mittlere Ebene)。 進一步，接片元件也可在組件的方向上，也即，在相應的平面中，或與中間平面平行地，具有不規則的結構，例如波浪形的表面。在這種情況下，接片元件的寬度H定義為在接片長度上取平均的接片元件的寬度。在一組件內，各個接片元件同樣無需彼此平行地伸延，而是，其可以相對于同一組件的其它的接片元件具有一定角度。
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本發明令人吃驚的效應在所例舉的接片元件橫截面中的每一個和接片元件形狀中的每一個上出現，也即，很大程度上與接片元件的橫截面和形狀無關。如果將兩個組件21和31投影到放置成正交于主流動方向(S卩，正交于包裹著的空心體10的縱軸線8)的平面上，則根據圖1的組件21和31的接片元件在投影中彼此齊平地放置，也即，在如此被投影的接片元件之間看不到間隙。相反，如果在根據圖2至圖4的實施例中的一個上進行相同的投影，則在接片元件之間存在有這種間隙。 圖2示出了穿過空心體10的徑向斷面，在該徑向斷面中，恰恰該接片元件3， 13和/或接片元件4，14的這種投影被示出。接片元件在該示圖中具有寬度(H)，并且具有彼此之間的間隔(a)，其中，寬度(H)，以及相鄰接片的間隔(a)根據該尤其有利的實施例為相同的。本發明的令人驚訝的效應在間隔(a)及/或寬度(H)彼此不相同時同樣會出現。
圖3示出了根據本發明的混合元件的第二實施例。在此，多個接片元件在如下情況下形成接片元件的組件，即，當組件的所有接片元件大致位于相同的平面中時(如在圖3中示出的那樣)，或者，當所有的接片元件位于大致平行、但是在縱軸線的方向上輕微錯置的平面中時(如在圖4所示出的那樣)。依照根據圖3的實施例，一接片元件的組件包括兩個或三個接片元件。在這種情況下，位于平面5中的接片元件的第一組件21包括兩個接片元件3，13。位于平面6中的接片元件的第二組件31包括接片元件4，14，24。通過第一和第二組件伸展出了交叉的兩個平面5， 6。第一和第二平面5， 6彼此呈一定角地布置，以使得位于第一平面5中的接片元件與第二平面6的接片元件相交叉并構造出交截線7。
根據圖2，對與空心體的直徑相比的接片元件寬度(H)的相對總和z來說，有
N z =(洲/Di=1 如果接片元件的寬度全部相同，對z而言適用的是
z = N * H/D， 其中，N為第一組件21和第二組件31的接片元件的總數。優選地，組件的最靠外
的接片元件靠在空心體的內壁處，或者至多具有至內壁的僅較小的間隔。 空心體的直徑在此尤其針對帶有圓形橫截面的空心體而被陳述。該空心體同樣可
擁有橢圓形的，多邊形的，尤其是矩形的或正方形的橫截面。那么，對z而言，代替直徑而使
用寬度尺寸Db，對該寬度尺寸Db而言，適用如下關系式
N N-1 Db = ZHi+ Zaii=i 1=1 或，如果接片元件的寬度和間隔分別為相同的，
Db = N * H. +(N_1) * a. 那么，與上面相同地，下式同樣地相應地適用于z :
z = N * H/Db. 在忽略加工及裝配公差的情況下，空心體的寬度尺寸Db大致與混合元件的寬度尺寸Db相符。根據本發明，在任何情況下，z < 95X，優選地，z < 85X，尤其地，z < 75%，特別優選地，z<65%。同時，根據本發明，相交叉的兩個組件的接片元件的投影到垂直于主流動方向的平面上的面積的總和同樣在任何情況下小于平面的總的橫截面積的95%，優選地小于總平面的85%，尤其地小于總平面的75%，且尤其優選地小于總平面的65%。優選地，接片元件的數量N最小為4且最大為10。該式中并未考慮通常的加工公差和裝配公差。如果接片元件不接觸空心體的內壁，則多個的完全預制的混合元件的裝配和拆卸可更 簡單地被實現。混合元件的可能的熱膨脹可以在運行期間盡可能不受阻礙地進行。根據 流動的介質和混合元件的構造方面的設計，如果接片元件直接與空心體的內壁相連接，則 在邊緣區域中可能形成死區(Totzonen)。出于這個原因，以下這點可能是有利的，即，在空 心體的內壁與接片元件的至少一部分之間設置有微小的間隔，就如已在文件EP 0 856 353 Al闡述的那樣。 另一實施例在圖4中示出。與圖3有所不同，現在，并非第一組件21的所有的接 片元件(3， 13， 23)都位于一平面5中，而是，接片元件中的一部分位于大致上平行但是在縱 軸線的方向上至少輕微地偏移的平面5'中。 在一項花費昂貴的研究中，系統地改變描述了該靜態式混合元件的幾何參數并對 所得到的有關壓力損失和混合效率的混合器的性能進行評價。 為了能夠在壓力損失方面將不同長度的靜態式混合器彼此作比較，在該優化中計 算了每混合器長度的(pro Mischerlaenge)壓力損失。 在平面A中的混合品質(Mischguete)借助于變化系數CoV來描述。該變化系數 定義為利用A中的濃度的平均值S來標準化的A中的濃度分布的標準偏差。 2"，)"c" 在混合較好時，CoV較小。為了不同的混合器的比較，在位于混合器前的相同的分 布且由此同樣相同的CoV下、在預定的混合器長度上確定變化系數CoV的降低；那么，在該 預定長度之后具有較小的CoV的混合器可更強烈地或更好地進行混合。
該研究的結果顯示，在交叉的接片元件之間具有間隔(a)的混合元件具有顯著更 良好的性能。間隔(a)優選地大約與接片元件的寬度(H)大小相同。因此，在相同的和/ 或有所改進的在預定長度之后的混合品質的情形下，在相同的流量和流動橫截面下的壓力 損失相對于現有技術可顯著地降低。在相同的混合品質或甚至更好的混合品質下，壓力損 失降低2/3是可能的。 在圖5中，以與根據文件CH 642 564的現有技術相比較的方式，示出了該研究的、 有關不同的實施變型中的根據本發明的混合元件的在預定的混合器長度之后的混合品質 以及每混合器長度的壓力損失的結果。此處，在橫坐標上繪制了相對于現有技術的壓力損 失的壓力損失，而在縱坐標上繪制了在預定的混合器長度之后的、相對于現有技術的在該 相同的混合器長度之后的混合品質的混合品質。單獨的點19與根據現有技術的相對的壓 力損失和混合品質的數值對相對應。在該視圖中，數值對被標準化到(l，l)上，相應地，根 據本發明的相對的壓力損失位于根據現有技術的壓力損失的20%和80%之間。預定的混 合器長度之后的CoV位于根據現有技術的值的75%和125%之間。由此，曲線20的走向清 楚地示出，盡管壓力損失顯著地更小，仍可獲得混合品質的甚至重大的改善、尤其是在75% 和100X之間的Cov。對此，此處需再次注意到，相應于上文的定義，更小的CoV代表更好的 混合品質。通過合適的設計，相對壓力損失可以多于現有技術的壓力損失的2/3的程度而 下降。在其它的變型上，相對于根據文件CH 642564的現有技術，在預定的混合器長度之后的混合品質可以達20X的程度而改進，其中同時地，相對于根據文件CH 642 564的混合器，可獲得至超過50%的壓力損失的降低。在圖3中所繪出的混合元件對應于圖表中的這樣的點，即該點帶有比現有技術小約60%的壓力損失、同時帶有在相同的混合器長度之后的改進了 20%的混合品質。 依照根據圖3和圖4的實施例，間隔元件(15， 16)至少部分地布置在相鄰的接片元件之間。借助于間隔元件可使接片元件的安裝成為可能或變得簡單。此外，間隔元件可用于提高靜態式混合元件的穩定性。此處，間隔元件可為獨立的構件，其可例如通過焊接與接片元件相連接，或者，同樣可以局部的加厚部或加寬部的形式而被實施。關于接片元件的壁附近區域中的這種類型的加寬部的例子在圖6中示出。 在圖6中示出了帶有呈局部的加厚部和加寬部的形式的間隔元件15， 16的兩個接片元件3，4的交叉區域的細節。這種加厚部用于該兩個接片元件的彼此的連接。這種加厚部大致局限于交叉區域上。由于加厚部16僅為接片元件的局部的連接，所以其至多對于該流動產生微小的影響。
權利要求
一種靜態式混合元件，其具有寬度尺寸Db且適合于裝配到帶有大致相同的寬度尺寸Db的空心體(10)中，所述靜態式混合元件包含多個接片元件，其中，設置有包括至少一個第一接片元件(3)的第一組件(21)，該第一組件(21)相對于包含至少一個第二接片元件(4)的第二組件(31)交叉式地布置，其中，所述第一組件(21)和所述第二組件(31)相對于主流動方向圍成不等于0°的角，并且，所述第一組件與所述第二組件圍成大于0°的角，并且，在所述第一組件(21)和所述第二組件(31)的至正交于主流動方向而放置的投影平面的投影中，在彼此相鄰的接片元件之間至少部分地存在有間隙，其特征在于，所述接片元件中的每個具有寬度H，且沿所述混合元件的寬度尺寸Db的方向所測量的所述接片元件的寬度H的相對總和z小于所述混合元件的寬度尺寸Db的95％。
2. 根據權利要求1所述的靜態式混合元件，其特征在于，所述主流動方向位于在其中 容納有所述混合元件的空心體的縱軸線的方向上。
3. 根據權利要求l所述的靜態式混合元件，其特征在于，通過所述第一組件(21)和所 述第二組件(31)形成了交截線(7)，在所述交截線(7)附近布置有間隔元件(15,16)。
4. 根據權利要求3所述的靜態式混合元件，其特征在于，所述間隔元件(15， 16)構造成 至少一個接片元件的局部的加厚部或加寬部。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的靜態式混合元件，其特征在于，所述投影平面中 的所述接片元件的數量為4至10。
6 根據前述權利要求中任一項所述的靜態式混合元件，其特征在于，設置有每組件至 少2個接片元件。
7. 根據權利要求6所述的靜態式混合元件，其特征在于，第一和第三接片元件(3， 13) 是位于第一平面(5)中的接片元件的第一組件(21)的部分，且第二和第四接片元件(4， 14) 是位于第二平面(6)中的接片元件(4， 14,24)的第二組件(31)的部分。
8. 根據權利要求6所述的靜態式混合元件，其特征在于，所述第一組件(21)的接片元 件中的至少一部分布置在第三平面(5')中，該第三平面(5')相對于所述第一平面(5) 錯置地布置，并且/或者，所述第二組件(31)的接片元件中的至少一部分布置在第四平面 中，其中，所述第四平面相對于所述第二平面(6)錯置地布置。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的靜態式混合元件，其特征在于，z小于85%，尤其 小于75 % ，特別優選地小于65 % 。
10. —種靜態式混合裝置(l)，包括根據前述權利要求中任一項所述的靜態式混合元 件以及用于容納所述靜態式混合元件的空心體(10)或套筒。
11. 根據權利要求12所述的靜態式混合裝置，其特征在于，所述靜態式混合元件固定 在所述空心體(10)或所述套筒處。
12. 根據權利要求13所述的靜態式混合裝置，其特征在于，所述靜態式混合元件和所 述空心體(10)或所述套筒由單個構件構成。
13. 根據權利要求13或14所述的靜態式混合裝置，當依賴于權利要求7或8時，其特 征在于，所述靜態式混合元件在所述第一平面(5)與所述第二平面(6)的截點的區域中和 /或在所述接片元件的端部中的至少一部分的區域中固定在所述套筒或所述空心體的內壁 處。
14. 根據前述權利要求中任一項所述的靜態式混合元件的用于使介質混合或接觸的應用，其中，所述介質中的至少一者為層狀地流動的介質，尤其為聚合物熔液或其它的高粘性 流體。
全文摘要
本發明涉及一種用于裝配到空心體(10)中的靜態式混合元件，包含多個接片元件，其中，設置有包括至少一個接片元件(3)的第一組件(21)，其相對于包含至少一個第二接片元件(4)的第二組件(31)交叉式地布置。第一組件(21)和第二組件(31)相對于主流動方向圍成不等于0°的角。第一組件與第二組件圍成大于0°的角。在第一組件(21)和第二組件(31)的至正交于主流動方向而放置的投影平面的投影中，在彼此相鄰的接片元件之間至少部分地存在有間隙。
文檔編號B01F5/06GK101743055SQ200880021521
公開日2010年6月16日 申請日期2008年6月10日 優先權日2007年6月22日
發明者F·莫瑟, J·肖克, M·弗萊施利, S·赫希伯格 申請人:蘇舍化學技術有限公司