Statischer Mischer und laminare Strömung

Er repräsentiert

In vielen industriellen Prozessen ist die homogene Vermischung von Flüssigkeiten entscheidend für die Qualität des Endprodukts. Stationäre Mischer sind ein effektives, wirtschaftliches und energieeffizientes Mittel, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Geräte besitzen keine beweglichen Teile; stattdessen nutzen sie die spezielle Konstruktion ihrer internen Komponenten, um den Flüssigkeitsstrom zu steuern und so eine effiziente Vermischung zu gewährleisten.
Darüber hinaus beeinflusst die laminare Strömung als eine der Strömungsformen die Funktionsweise und Konstruktion stationärer Mischer direkt. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen stationären Mischern und laminarer Strömung ist daher unerlässlich für die Auslegung und Optimierung von Mischprozessen in Branchen wie der Öl- und Gasindustrie, der Petrochemie, der Wasseraufbereitung, der Pharmaindustrie und der Lebensmittelindustrie.

Definition eines Standmixers

Ein stationärer Mischer ist ein zylindrisches Gerät, das stationäre Elemente unterschiedlicher Form enthält. Diese Elemente erzeugen kontrollierte Turbulenzen im Flüssigkeitsstrom und trennen, mischen und vereinen so nacheinander die verschiedenen Flüssigkeitsschichten.

Im Gegensatz zu dynamischen Mischern, die mechanische Energie und Elektromotoren nutzen, besitzen stationäre Mischer keine beweglichen Teile ; die zum Mischen benötigte Energie stammt aus dem Flüssigkeitsstrom. Dies reduziert Wartungskosten und Energieverbrauch und verlängert die Lebensdauer der Geräte.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip eines stationären Mischers beruht auf der Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussrate und der Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Phasen . Beim Durchströmen der internen Komponenten beschreibt die Flüssigkeit eine spiralförmige Bahn und teilt sich in mehrere Ströme auf. Jede Komponente teilt die Flüssigkeit in zwei oder mehr Ströme, vermischt die verschiedenen Schichten und ändert die Strömungsrichtung.

Bei laminarer Strömung erfolgt die Vermischung primär durch Scherung und Spannung in der Flüssigkeitsschicht, während sie bei turbulenter Strömung hauptsächlich durch natürliche Turbulenzen und Wirbel verursacht wird. Daher muss die Geometrie der Bauteile an die Strömungsart angepasst werden.

Konzept der laminaren Strömung

Laminare Strömung ist ein Zustand der Flüssigkeitsbewegung, in dem sich die Partikel entlang regelmäßiger, paralleler Bahnen bewegen und die Moleküle sich nur sehr geringfügig vermischen. Bei dieser Strömung ist die Bewegung jeder Flüssigkeitsschicht praktisch unabhängig von benachbarten Schichten.

Die Reynolds-Zahl ist einer der wichtigsten Parameter zur Bestimmung der Strömungsart und kann mit folgender Formel berechnet werden:

$\frac{{\rho \times v \times D}}{{\mu}$

Wo:

$ρ\rho$ : Dichte von Flüssigkeiten
$v$ : Strömungsgeschwindigkeit
: $Rohrdurchmesser$
$:$ Dynamische Viskosität einer Flüssigkeit

Bei einer Reynolds-Zahl unter 2100 spricht man von laminarer Strömung , zwischen 2100 und 4000 von Übergangsströmung und oberhalb von 4000 von turbulenter Strömung.

Bei stationären Mischern, die für hochviskose Flüssigkeiten ausgelegt sind, befindet sich die Strömung typischerweise im laminaren Bereich, und die Komponenten müssen so konstruiert sein, dass eine vollständige Durchmischung auch unter solch ruhigen Bedingungen gewährleistet ist.

Innenarchitektur und Struktur der Elemente

Die internen Bauteile eines Standmixers bestehen typischerweise aus Edelstahl, Polypropylen, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Titan . Die Formen der Bauteile können variieren, die gängigsten sind jedoch:

Wendelelement:
Zwei sich kreuzende Spiralen lenken das Fluid abwechselnd nach rechts und links. Geeignet für laminare Strömung.
Klingenelemente:
Klingen mit einem bestimmten Winkel sind in der Lage, seitliche Schnitte in der Flüssigkeit zu erzeugen.
Komponenten der Typen SMX und SMXL:
entwickelt für hocheffiziente laminare Strömungen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.
Komponenten mit mehreren Elementen:
Kombination mehrerer unterschiedlicher Bauformen zur Erzielung hoher Effizienz unter variierenden Strömungsbedingungen.

Jede Komponente teilt die Flüssigkeit in zwei Teile, die sich dann in unterschiedlichen Winkeln vermischen. In jedem Schritt nimmt die Anzahl der Flüssigkeitsschichten deutlich zu, bis die Vermischung abgeschlossen ist.

Beispielsweise kann sich bei laminarer Strömung die Anzahl der Strömungsschichten nach dem Durchlaufen von 6 Spiralelementen um das bis zu 64-fache erhöhen.

Der Zusammenhang zwischen statischen Mischern und laminarer Strömung

Bei laminarer Strömung, in der keine natürliche Turbulenz auftritt, spielen stationäre Mischer eine entscheidende Rolle für eine effiziente Durchmischung . Eine geeignete Konstruktion gewährleistet die gleichmäßige Vermischung von zwei oder mehr Substanzen, selbst bei Flüssigkeiten mit hoher Dichte und niedriger Strömungsgeschwindigkeit.

Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen dieses Modus gehören:

Die Mischung wird durch Schneiden und Strecken der Schichten gewonnen.
Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den flüssigen Komponenten ohne starke Störungen zu verursachen.
Da die Mischungsenergie durch die Fluiddynamik bereitgestellt wird, ist der Druckabfall relativ hoch.
Möglichkeit der Vorhersage des Strömungsverhaltens und der Gemischqualität mittels numerischer Simulation (CFD).

Auslegungsparameter für laminare Strömung

Für die optimale Auslegung stationärer Mischer im laminaren Strömungsmodus sind folgende Parameter von besonderer Bedeutung:

Gesamtlänge des Mischers (L):
wird üblicherweise durch den Rohrdurchmesser (D) ausgedrückt; das Verhältnis $DL / D$ liegt üblicherweise zwischen 10 und 40.
Differenzdruck (ΔP): Dieser muss so ausgelegt sein, dass der Systemausgangsdruck im zulässigen Bereich gehalten wird
und gleichzeitig eine effiziente Durchmischung gewährleistet ist.
Anzahl der Komponenten:
Jede Komponente erhöht zwar den Mischeffekt, aber auch den Spannungsabfall, daher muss ein Gleichgewicht gefunden werden.
Komponentendrehwinkel:
Typischerweise 90 bis 180 Grad, um eine optimale Scherkraft in laminarer Strömung zu erzeugen.
Viskosität der Flüssigkeit:
Je höher die Viskosität, desto mehr Komponenten werden benötigt und desto größer ist der Druckabfall.

Industrielle Anwendungen von stationären Mischern in laminarer Strömung

1. Chemische und petrochemische Industrie

Während der Polymerisation verläuft die Reaktion langsam und unter laminarer Strömung. Der Einsatz eines stationären Mischers gewährleistet eine gleichmäßige Reagenzienkonzentration und ermöglicht eine präzise Temperaturkontrolle.

2. Lebensmittel- und Pharmaindustrie

Beim Mischen dickflüssiger Substanzen wie Sirupen, Soßen und medizinischen Lösungen ist die Strömung typischerweise laminar. Ein stabiler und hygienischer Mischer gewährleistet eine gleichmäßige, kontaminationsfreie Mischung.

3. Wasser- und Abwasserbehandlung

Bei der Injektion von Chemikalien wie Chlor, elektrolytischen Polymeren und Koagulationsmitteln kann eine laminare Strömung zu unzureichender Durchmischung führen. Der Einbau eines stationären Mischers unmittelbar nach der Injektionsstelle gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Materialien.

4. Öl- und Gasindustrie

In Transferleitungen werden stationäre Mischer eingesetzt, um Temperatur, Konzentration und Zusammensetzung verschiedener Phasen zu homogenisieren. Sie dienen außerdem als Agglomeratoren für die präzise Probenahme in mehrstufigen Transferleitungen.

5. Herstellung von Farben und Harzen

Bei Prozessen mit laminarer Strömung müssen Harz und Härter gründlich und gleichmäßig vermischt werden, um die gewünschte Qualität des Endprodukts zu gewährleisten. Stationäre Schneckenmischer sind für diese Anwendung sehr effektiv.

Vor- und Nachteile stationärer Mischer in laminarer Strömung

Nutzen

Keine beweglichen Teile → Geringer Wartungs- und Reparaturaufwand
Geeignet für den Einsatz unter hohem Druck und hohen Temperaturen
Hocheffizientes Mischen hochviskoser Flüssigkeiten
Einfache Installation in bestehende Rohrleitungen (Direktmontage ) .
Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten
Möglichkeit der präzisen Gestaltung spezifischer laminarer Strömungsbedingungen.

Mangel

In viskosen Flüssigkeiten tritt ein signifikanter Druckabfall auf.
Man kann den Mix nicht sofort steuern (anders als bei einem dynamischen Mischpult).
Der Gesundheitssektor braucht eine gründliche Sanierung.
Grenzen der Mischung von Gasen oder Feststoffen im großen Maßstab

Numerische Strömungsmechanik (CFD)-Analyse bei der Konstruktion stationärer Mischer

In den letzten Jahren hat sich die numerische Strömungsmechanik (CFD) zu einem effektiven Werkzeug für die Konstruktion und Optimierung stationärer Mischer entwickelt. Die CFD-Modellierung ermöglicht die genaue Simulation laminarer Strömungen und die Kontrolle der folgenden Parameter:

Geschwindigkeitsverteilung
Mehrschichtiges Schneideverfahren
Fokuswechsel
Sie können überprüfen, ob Ihr Blutdruck gesunken ist.

Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik können wir die optimale Zellenzahl, den Rotationswinkel und das Seitenverhältnis bestimmen, um eine maximale Mischeffizienz und einen minimalen Druckverlust zu erreichen.

Wählen Sie die richtige Küchenmaschine

Bei der Auswahl von Art und Größe eines stationären Laminiergeräts sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Flüssigkeitstyp (Viskosität, Temperatur, Dichte, Reaktivität)
Volumenstrom und Geschwindigkeit
Mengenverhältnis der Zutaten
Zulässige Einlass- und Auslassdrücke
Anforderungen an Hygiene und Korrosionsbeständigkeit
Installationsraum und Zugang für Wartungsarbeiten

Für spezielle Anwendungen bieten renommierte Hersteller wie Sulzer, Cynix, Commax und Noritak Spezialprodukte an, die speziell für laminare Strömungen entwickelt wurden.

Wartung und Reinigung

Einer der Hauptvorteile stationärer Mischer ist ihre Wartungsfreundlichkeit. Bei laminarer Strömung viskoser Flüssigkeiten kann es jedoch zu Verstopfungen kommen. Daher wird eine regelmäßige Reinigung mit einem geeigneten Reinigungsfluid (CIP/SIP) empfohlen.

In der Badezimmerbranche sind makelloses Design und erstklassige Politur entscheidend, um Schmutzablagerungen zu vermeiden.

Zukunft und Innovation

Fortschritte im Bauteildesign, der Einsatz von 3D-Druck zur Herstellung komplexer Strukturen und die Entwicklung neuer korrosionsbeständiger Werkstoffe haben die Zukunft stationärer Mischer revolutioniert.
Im Bereich der laminaren Strömung zielt die Forschung auf die Verbesserung der Energieeffizienz, die Reduzierung des Druckverlusts und die Steigerung der Mischleistung ab. Darüber hinaus ermöglicht die Integration stationärer Mischer mit intelligenten Sensoren und digitalen Durchflussregelungstechnologien
die Echtzeitüberwachung der Mischqualität.

Abschließend

Stationäre Mischer sind effiziente, einfache und kostengünstige Mischvorrichtungen für industrielle Wasserleitungen. Bei laminarer Strömung ist eine präzise Bauteilkonstruktion entscheidend für die Mischleistung. Durch digitale Modellierung und die Auswahl geeigneter Materialien lässt sich die Leistung dieser Geräte für eine Vielzahl von Flüssigkeiten optimieren.

In der Chemie-, Lebensmittel-, Pharma- sowie Öl- und Gasindustrie sind stationäre Mischer eine zuverlässige Lösung zur Verbesserung der Qualität, zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Prozessstabilität.