EP1125626A1 - Static mixer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen statischen Mischer, eine Vorrichtung mit einem solchen Mischer und eine Verwendung des Mischers.The invention relates to a static mixer, a device with a such mixer and use of the mixer.
In der EP-A- 0 749 776 und der EP-A- 0 815 929 sind statische Mischer zum Mischen von mindestens zwei fliessfähigen Komponenten beschrieben, die kompakt sind und die trotz einem einfachen, materialsparenden Aufbau ihrer Mischerstruktur gute Mischresultate liefern. Diese Mischer eignen sich zum Mischen von hochviskosen Stoffen wie beispielsweise Dichtmassen, Zweikomponenten-Schäumen oder Zweikomponenten-Klebstoffen. Sie können preisgünstig durch Spritzgiessen aus Thermoplasten hergestellt werden, so dass sie für einen einmaligen Gebrauch wirtschaftlich verwendbar sind. Ein solcher "Einwegmischer" wird hauptsächlich für aushärtende Produkte verwendet, da bei diesen Produkten die Mischer praktisch nicht gereinigt werden können.In EP-A-0 749 776 and EP-A-0 815 929 static mixers are used Mixing of at least two flowable components described that are compact and despite a simple, material-saving structure of their Mixer structure deliver good mixing results. These mixers are suitable for Mixing of highly viscous substances such as sealing compounds, Two-component foams or two-component adhesives. she can be manufactured inexpensively by injection molding from thermoplastics be made economically usable for single use are. Such a "disposable mixer" is mainly used for curing Products used, since with these products the mixer is practically not can be cleaned.
Die Mischresultate der genannten Mischer sind bei einzelnen Anwendungen ungenügend, insbesondere in Fällen, bei denen Komponenten gemischt werden, die verschiedene Werte ihrer Viskosität aufweisen. Ein ungenügendes Mischresultat äussert sich dadurch, dass mindestens ein Strömungsfaden, der nur aus einem der zu mischenden Komponenten besteht, die Mischerstruktur durchläuft und dabei praktisch keine oder eine zu langsame Vermengung mit benachbarten Strömungsfäden erfährt. Ein solcher Strömungsfaden wird hier als "mischresistent" bezeichnet. Mischresistente Strömungsfäden kommen vor allem in statischen Mischern vor, deren Mischerstruktur aus einer periodischen Abfolge von gleichartigen elementaren Mischkammern besteht. Aber auch bei nichtperiodischen Mischerstrukturen lassen sich mischresistente Strömungsfäden beobachten.The mixing results of the mixers mentioned are for individual applications insufficient, especially in cases where components are mixed that have different values of their viscosity. On insufficient mixed result manifests itself in the fact that at least one Flow thread that only consists of one of the components to be mixed exists, the mixer structure passes through and practically no or one to experiences slow mixing with adjacent flow threads. On such flow threads are referred to here as "mix-resistant". Mixing-resistant flow threads come mainly in static mixers before, whose mixer structure consists of a periodic sequence of similar elementary mixing chambers. But also for non-periodic ones Mixer-resistant flow threads can be observed in mixer structures.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen statischen Mischer zu schaffen, dessen
Mischresultat gegenüber den bekannten Mischern verbessert ist. Diese
Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten statischen Mischer gelöst.The object of the invention is to provide a static mixer, the
Mixing result compared to the known mixers is improved. This
The object is achieved by the static mixer defined in
Der statische Mischer umfasst eine Vielzahl von Mischkammern, die eine Mischerstruktur bilden. Die Mischkammern sind in einem Rohr längs einer Rohrachse hinter- sowie nebeneinander angeordnet. Sie sind zum Mischen von mindestens zwei fliessfähigen Komponenten verwendbar. Die Mischerstruktur stellt eine Modifikation einer Grundstruktur dar. In dieser Grundstruktur sind die Mischkammern durch radiale, in Richtung der Rohrachse orientierte Wände und durch quer zur Rohrachse stehende Wände gegeneinander abgegrenzt. Durchbrüche zwischen benachbarten Kammern in den radialen Wänden bilden Ein- und Ausgänge für die zu mischenden Komponenten. Die Modifikation besteht aus Strukturänderungen an einzelnen Stellen der Grundstruktur. Sie ist so ausgeführt, dass in der Strömung der zu mischenden Komponenten sich eine transversale Dislokation von mischresistenten Strömungsfäden ergibt, wobei diese Strömungsfäden mischresistent bezüglich der Grundstruktur sind.The static mixer includes a plurality of mixing chambers, one Form mixer structure. The mixing chambers are in a tube along one Pipe axis arranged behind and next to each other. They are for mixing usable from at least two flowable components. The Mixer structure represents a modification of a basic structure. In this Basic structure are the mixing chambers through radial, in the direction of Pipe axis oriented walls and through walls that are transverse to the pipe axis Walls separated from each other. Breakthroughs between neighboring Chambers in the radial walls form entrances and exits for the mixing components. The modification consists of structural changes at individual points in the basic structure. It is designed in such a way that Flow of the components to be mixed is a transversal Dislocation of mix-resistant flow threads results, this Flow threads are resistant to mixing with respect to the basic structure.
Durch die transversale Dislokation des mischresistenten Stromfadens gelangt dieser in einen Bereich, in dem er einer starken Verformung unterworfen und damit gut vermischbar wird. Der dislozierte Strömungsfaden wird durch einen anderen ersetzt, der nun seinerseits vom Mischprozess weitgehend abgekoppelt ist. Es ist daher vorteilhaft, wenn an mehreren Positionen des statischen Mischers solche Störstellen eingerichtet werden, die eine Dislokation des jeweiligen mischresistenten Strömungsfadens bewirken. Vorteilhaft ist es ausserdem, wenn die Störstellen verschieden ausgebildet sind.Due to the transverse dislocation of the mix-resistant current thread this in an area in which it is subjected to severe deformation and so that it can be mixed well. The dislodged flow thread is represented by a another replaced, which in turn largely from the mixing process is uncoupled. It is therefore advantageous if the static mixer such impurities are set up, the one Dislocation of the respective mix-resistant flow thread. It is also advantageous if the defects are designed differently are.
Die Störstellen haben in Strömungsbereichen, die ausserhalb des mischresistenten Strömungsfadens liegen, in der Regel eine nachteilige Wirkung auf den Mischvorgang. Ist dies der Fall, so sollen nur gerade soviele Störstellen vorgesehen werden, wie für eine ausreichende Anzahl von Dislokationen der mischresistenten Strömungsfäden nötig ist.The impurities have flow areas outside of the mix-resistant flow thread are usually a disadvantage Effect on the mixing process. If this is the case, only as many should be used Impurities are provided, such as for a sufficient number of Dislocation of the mix-resistant flow threads is necessary.
Die Störstellen können so ausgebildet sein, dass sie nicht direkt auf den mischresistenten Strömungsfaden einwirken, sondern indirekt, indem sie in ihrem direkten Einflussbereich Umlenkungen bewirken, die ihrerseits dann den mischresistenten Strömungsfaden beeinflussen. Eine Ausgestaltung geeigneter Störstellen lässt sich empirisch finden. Man führt Versuche mit zu mischenden Komponenten aus, die unterschiedlich gefärbt sind, und vergleicht die Resultate für eine Grundstruktur mit jenen einer Modifikation der Grundstruktur, wobei man feststellen kann, ob mischresistente Strömungsfaden tatsächlich disloziert worden sind.The defects can be designed so that they are not directly on the mix resistant flow threads, but indirectly by acting in their direct sphere of influence cause diversions, which in turn then influence the mix-resistant flow thread. An arrangement suitable defects can be found empirically. One carries out experiments with mixing components that are colored differently, and compares the results for a basic structure with those of a modification of the Basic structure, whereby one can determine whether mix-resistant Flow threads have actually been dislocated.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemässen statischen Mischers. Vorrichtungen mit solchen
Mischern und eine Verwendung sind jeweils Gegenstand der Ansprüche 7
und 8 bzw. des Anspruchs 9.The dependent claims 2 to 6 relate to advantageous embodiments
of the static mixer according to the invention. Devices with such
Mixers and a use are each the subject of
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen statischen Mischer mit einer regelmässigen, nicht modifizierten Mischerstruktur, die eine Grundstruktur darstellt,
- Fig. 2
- eine Illustration des Mischprozesses, gezeichnet nach Ergebnissen einer numerischen Simulation,
- Fig. 3
- eine entsprechende Darstellung wie in Fig. 2 für eine Mischung zweier Komponenten, deren Werte für die Viskosität wesentlich verschieden sind,
- Fig. 4
- eine erste Modifikation der in Fig. 1 dargestellten Grundstruktur,
- Fig. 5
- eine zweite Modifikation,
- Fig. 6
- ein Schrägbild zu der Grundstruktur der Fig. 1,
- Fig. 7
- die Grundstruktur mit der ersten Modifikation gemäss Fig. 4,
- Fig. 8
- die Grundstruktur mit der zweiten Modifikation gemäss Fig. 5,
- Fig. 9
- weitere Beispiele für Modifikationen und
- Fig.10
- eine Illustration zum Auftreten von mischresistenten Strömungsfäden.
- Fig. 1
- a static mixer with a regular, unmodified mixer structure, which is a basic structure,
- Fig. 2
- an illustration of the mixing process, drawn according to the results of a numerical simulation,
- Fig. 3
- a corresponding representation as in FIG. 2 for a mixture of two components, the values of which for the viscosity are significantly different,
- Fig. 4
- 1 shows a first modification of the basic structure shown in FIG. 1,
- Fig. 5
- a second modification,
- Fig. 6
- 2 shows an oblique image of the basic structure of FIG. 1,
- Fig. 7
- the basic structure with the first modification according to FIG. 4,
- Fig. 8
- the basic structure with the second modification according to FIG. 5,
- Fig. 9
- further examples of modifications and
- Fig. 10
- an illustration of the occurrence of mix-resistant flow threads.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 100 strichpunktiert angedeutet. Diese enthält
einen statischen Mischer 1, dessen Mischerstruktur 1' eine regelmässige,
nicht modifizierte Grundstruktur 1" bildet. Die Mischerstruktur 1' ist als
Seitenansicht abgebildet. Sie ist aus den genannten EP-A- 0 749 776 und EP-A-
0 815 929 bekannt, in welchen die Grundstruktur 1" auf zwei verschiedene
Weisen beschrieben ist: Die Grundstruktur 1" setzt sich aus eine Vielzahl von
Mischelementen zusammen, die in einem Rohr 10 hintereinander angeordnet
sind; oder sie besteht aus einem Bündel von vier gekammerten Strängen,
deren Mischkammern 8 ("mischwirksame Kammern") sich jeweils zwischen
zwei geschlossenen Enden 4a und 4b erstrecken. Jedes der Mischelemente
umfasst zwei axiale Abschnitte, wobei jedem der Abschnitte mindestens ein
den Abschnitt unterteilender Trennsteg 2 bzw. 3 (radiale Wände) zugeordnet
ist. Die Trennstege 2, 3 kreuzen sich und unterteilen den Rohrquerschnitt in
gleich grosse Teilflächen. Die Teilflächen sind offen oder durch
Umlenkscheiben 4 abgedeckt. Weitere Details erkennt man in den
Zeichnungen, insbesondere in Fig. 6, die eine nicht modifizierte Grundstruktur
1" mit einer vollständig gezeigten Mischkammer 8 darstellt.A
Die Mischkammern 8 der Grundstruktur 1" sind einbautenfrei, gleich gross
und versetzt zueinander angeordnet. Zwei Eingänge 6a, 6b und zwei
Ausgänge 7a, 7b in einer wechselständigen Abfolge angeordnet bilden
Verbindungen zu vier benachbarten Kammern. Zwei seitliche
Verstärkungswände 5 erstrecken sich über die ganze Länge des Mischers 1.The mixing
Die Vorrichtung 100 umfasst einen zweikammerigen Behälter 100a, nämlich
eine Kartusche, mit Kammern 101 und 102. Diese dienen zur separaten
Aufnahme von zwei fliessfähigen Komponenten A und B. Durch Ausgänge
des Behälters 100a können A und B mittels Kolben 111 und 112 in das Rohr
10 eingepresst werden (Pfeile A', B'). Nach einer Vermischung von A mit B im
statischen Mischer 1, der sich aus dem Rohr 10 und der Mischerstruktur 1'
zusammensetzt, tritt das Gemisch durch eine Düse 120 aus der Vorrichtung
100 aus. Die Kartusche 100a kann mehr als zwei Kammern umfassen. Das
Rohr 10 kann als ein auf die Kartusche 100a aufsetzbares Rohrteil
ausgebildet sein.The
Ein Schnitt nach der Linie II - II ist in Fig. 2 dargestellt. Die Mischerstruktur 1'
ist von den zwei Komponenten A und B durchströmt, die gleiche Werte für die
Viskosität haben. Pfeile in der Mischkammer 8 geben den Strömungsverlauf
an (wobei die Symbole 'Kreis mit Kreuz' und 'Kreis mit Punkt' Pfeile nach
unten bzw. oben - auf die Bildebene bezogen - bedeuten). Das
Strömungsmuster ist nach Ergebnissen einer numerischen Simulation
gezeichnet. Wie man sieht, erscheinen die Strömungsfäden als ähnlich dicke
Schichten; dies bedeutet eine gute Durchmischung.A section along the line II - II is shown in Fig. 2. The mixer structure 1 '
is flowed through by the two components A and B, the same values for the
Have viscosity. Arrows in the mixing
Fig. 3 zeigt eine entsprechende Darstellung wie in Fig. 2, hier für zwei Komponenten A und B, deren Werte für die Viskosität um einen Faktor 100 verschieden sind. Die weniger viskose Komponente B bildet viel schmalere Schichten, da diese Komponente schneller fliesst. Die Strömungsfäden breiten sich ungleichmässig aus. Eine weitere Ungleichmässigkeit ist besonders stark über einem Querschnitt ausgebildet, der senkrecht zum dargestellten Schnitt steht. Diese Ungleichmässigkeiten haben eine schlechte Durchmischung zur Folge.Fig. 3 shows a corresponding representation as in Fig. 2, here for two Components A and B, their viscosity values by a factor of 100 are different. The less viscous component B is much narrower Layers because this component flows faster. The flow threads spread unevenly. Another unevenness is particularly strong over a cross section perpendicular to shown section stands. These irregularities are bad Mixing results.
Aufgrund der Mängel, die das Mischverfahren aufweist, ergeben sich
mischresistente Strömungsfäden, gegen deren ungünstigen Einfluss, der im
gemischte Produkt sichtbar wird, mit den erfindungsgemässen Massnahmen
vorgegangen werden soll. Diese Massnahmen in Form einer Modifikation der
Grundstruktur haben zum Erfolg geführt; zwei erfolgreiche Fälle mit jeweils
einer Modifikation 9 sind in den Figuren 4 und 7 bzw. 5 und 8 illustriert. Die in
den Figuren 6 bis 8 dargestellten Mischerstrukturen sind zur besseren
Erkennbarkeit der wesentlichen Merkmale mit nur einer Verstärkungswand 5
dargestellt.Due to the shortcomings that the mixing process has, arise
Mix-resistant flow threads, against their unfavorable influence, the in
mixed product is visible with the measures according to the invention
to proceed. These measures in the form of a modification of the
Basic structure has led to success; two successful cases with each
a
Die Modifikation 9 gemäss den Figuren 4 und 7 ist durch einen geneigten
Steg 91 in der Mischkammer 8' gebildet, der zur Rohrachse 11 oder Achse
der Mischerstruktur 1' geneigt ist. Der Steg 91 verbindet auf einer radialen
Wand 2 einen Eingang 6b mit einem Ausgang 7a solcherart, dass die
Strömung durch den Steg 91 von der Rohrwand 10 in Richtung Rohrachse 11
umgelenkt wird (Pfeil 91'). Auch die Umkehrung ist möglich: eine
Strömungsumlenkung durch den Steg 91 von der Rohrachse 11 in Richtung
Rohrwand 10.The
Die Modifikation 9 gemäss den Figuren 5 und 8 ist durch Verkürzungen der
Längen dreier benachbarter Kammern 81, 82 und 83 bei gleichzeitiger
Verringerung der Anzahl Ein- oder Ausgänge gebildet. Dabei ist das Paar der
der Kammern 81 und 82, die längs der Rohrachse 11 hintereinander liegen,
seitlich von der dritten Kammer 83 angeordnet. Zwei Durchbrüche 7c und 92
stellen eine Verbindung (Pfeil 92') zwischen den beiden Kammern des Paars
81, 82 her.The
Eine Modifikation 9 umfasst mit Vorteil mehrere Störstellen mit
Modifikationselementen 91 (erste Modifikation) bzw. 81, 82, 83, 92 (zweite
Modifikation), die vorzugsweise regelmässig über die gesamte Länge des
statischen Mischers 1 positioniert werden. Eine nicht dargestellte Kombination
beider Modifikationselemente 91 bzw. 81, 82, 83, 92 ist besonders vorteilhaft.A
Weitere Möglichkeiten, wie die Grundstruktur modifiziert werden kann, sind in
Fig. 9 zusammengefasst dargestellt: a) ausgebrochene Wandstücke 93, 94
und 95, die Bypass-Strömungen (Pfeile 93', 94' und 95') bewirken; und b)
hinzugefügte Stege 96, die Durchgänge zwischen Mischkammern 8
verengen.Further possibilities of how the basic structure can be modified are in
9 summarized: a) broken-out
Fig. 10 schliesslich zeigt schematisch anhand eines Querschnitts durch den
statischen Mischer 1 mischresistente Strömungsfäden 30 und 31. Die
Konturen dieser Strömungsfäden sind weniger klar als dargestellt; sie sind
diffus gezahnt und befinden sich in einer weiteren Umgebung 30' bzw. 31'.10 finally shows schematically using a cross section through the
Die Mischerstrukturen 11' der beschriebenen Ausführungsformen werden mit
Vorteil jeweils monolithisch ausgebildet; sie können insbesondere aus einem
Thermoplast spritzgegossen werden. Die Mischerstruktur 11' hat einen
rechteckigen Querschnitt und umfasst vier nebeneinander angeordnete
Kammerstränge. Jeder Strang bildet eine Serie von 5 bis 15 Mischkammern
8. Jede Kammer 8 der Grundstruktur weist eine Länge auf, die 1.5 bis 2.5 Mal
länger als eine Kammerbreite ist, wobei diese Breite grösser als 1mm und
kleiner 10 mm, vorzugsweise mindestens 2mm und maximal 5 mm ist.The mixer structures 11 'of the described embodiments are included
Advantage each monolithic; you can in particular from one
Injection molded thermoplastic. The mixer structure 11 'has one
rectangular cross-section and includes four arranged side by side
Chamber strands. Each line forms a series of 5 to 15
Die Vorrichtung 100 eignet sich zum Vermischen einer hochviskosen
Komponenten A mit mindestens einer weiteren Komponente B, die eine um
einen Faktor 10 bis 1000 kleinere Viskosität aufweisen kann. Der
Massenstrom der weiteren Komponente kann um ein Vielfaches,
beispielsweise um einen Faktor 10, kleiner als der Massenstrom der
hochviskosen Komponenten sein.The
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