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1. DE000060115932 - Verfahren zur Herstellung eines Gerätes zum statischen Mischen

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[ DE ]
Beschreibung
TECHNISCHES GEBIET
[0001]  Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen der Ströme von Fluiden, einschließlich Flüssigkeiten und Gasen, die in ein Rohr mit beliebigem Querschnitt einleitbar sind, in dem stationäre Mischelemente verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002]  Das Mischen von zwei oder mehr verschiedenen Substanzen ist in vielen industriellen Anwendungen nützlich. Die Substanzen können eine beliebige Kombination von Feststoffen, Flüssigkeiten und/oder Gasen sein. Die Substanzen können mischbar sein, wobei durch die Mischung eine einphasige Mischung erzeugt wird, oder unmischbar, woraus sich eine zweiphasige Emulsion ergibt. Eine Flüssig-flüssig-Emulsion ist eine Dispersion einer Flüssigphase in einer anderen, im Wesentlichen unmischbaren, kontinuierlichen Flüssigphase. Eine Gas-Flüssigkeits-Dispersion ist eine Dispersion eines unlöslichen oder teilweise löslichen Gases in einer Flüssigkeit.
[0003]  Auf dem Fachgebiet werden in der Regel dynamische Mischer verwendet, in denen axial rotierende Elemente zur Herstellung von Emulsionen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer besonderen Beschaffenheit weisen rotierende Elemente, wie Stäbe, Stifte, Schaufelblätter und dergleichen, keine gleichmäßige Tangentialgeschwindigkeit auf. Wenn eine Flüssigkeit, die in axialer Richtung fließt, auf ein Element trifft, das eine Winkeldrehung zu der Achse aufweist, üblicherweise senkrecht dazu, wird folglich eine höhere Scherkraft am äußeren Radius des rotierenden Elements ausgeübt als in der Mitte der Drehung. Diese Differenz in der ausgeübten Scherkraft erschwert die Herstellung von gleichmäßigen Emulsionen, da möglicherweise eine mehr als optimale Scherkraft am äußeren Radius ausgeübt wird, während möglicherweise eine weniger als optimale Scherkraft nahe der Mitte der Rotation ausgeübt wird. Ferner haben die Unterschiede in der ausgeübten Scherkraft je nach der Größe des rotierenden Elements unterschiedliche Auswirkungen auf die resultierende Emulsion. Solche Unterschiede erschweren eine Maßstabsvergrößerung. Ferner erfordern dynamische Mischer eine bedeutend höhere Energiezufuhr als statische Mischer, wodurch möglicherweise die Betriebswirtschaftlichkeit in Frage gestellt wird.
[0004]  Zur Herstellung von Gas-Flüssigkeits-Dispersionen, Flüssig-flüssig-Emulsionen und anderen Mischungen werden auf dem Fachgebiet üblicherweise statische Mischer verwendet, um für die Scherung und Verlängerung zu sorgen, die notwendig sind, um die diskrete Phase in der gesamten kontinuierlichen Phase zu dispergieren. Siehe zum Beispiel US 3,918,688, erteilt an Huber et al. am 11. Nov.1975, bzw. US 5,971,603, erteilt an Davis et al. am 26. Okt. 1999. US 4,019,719, erteilt an Schuster et al. am 26. Apr. 1977 bzw. US 4,062,524, erteilt an Brauner et al. am 13. Dez.1977, beschreiben eine Vorrichtung zum gründlichen Mischen der Bestandteile von fluidem Material durch eine rohrartige Leitung, die eine Vielzahl von aufeinander folgenden Mischelementen enthält, umfassend einen Satz von stationären, winklig angeordneten, flussableitenden Leitelementen und eine Vorrichtung, die ein Rohr mit Paaren von kammartigen Platten aufweist, die so angeordnet sind, dass sich Lagen einer Platte kreuzweise zu den Schlitzen der anderen Platte erstrecken.
[0005]  In statischen Mischern werden an festen Elementen vorbeilaufende Fluidflüsse durch eine Anordnung von Elementen geteilt, gedehnt, gefaltet und wieder vereint, um für eine Mischung aller vorhandenen Substanzen zu sorgen. Ein Stab ist ein einzelnes Glied, das den Fluss teilt. Ein Element ist eine Anordnung von Stäben, die üblicherweise parallel zueinander gehalten werden, an einem beliebigen Querschnitt in dem Fließweg. In der Regel kann ein statischer Mischer fünf bis 30 Elemente aufweisen, wobei für Anwendungen mit turbulentem Fluss nur zwei Elemente verwendet werden.
[0006]  Bei dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischern wird anstatt der oben beschriebenen diskreten Stäbe auch Stahlwolle für die internen Elemente verwendet. Stahlwolle besitzt keine feste Geometrie. Schwankungen in der Dichte der Stahlwolle führen zu ähnlichen Schwankungen in der Genauigkeit des Prozesses, in dem ein solcher statischer Mischer verwendet wird. Ferner können Teile der Stahlwolle abbrechen und stromabwärts gespült werden. Bei dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischern werden anstatt der oben beschriebenen diskreten Stäbe auch gewellte Platten für die internen Elemente verwendet. Es hat sich nicht herausgestellt, dass gewellte Platten zu der dichten Teilchengrößenverteilung führen, die von den Endanwendern von statischen Mischern angestrebt wird. Bei dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischern werden anstatt der oben beschriebenen diskreten Stäbe auch übereinander gelagerte Maschensiebe verwendet. Maschensiebe müssen gewebt werden, wodurch die Fertigungskosten ansteigen, und weisen den Nachteil schwacher innerer Strukturen auf, die brechen können, so dass der Prozess verunreinigt wird.
[0007]  Häufig wird ein handelsmäßiger statischer Mischer aus einem statischen Labormischer abgeleitet, der sich als geeignet erwiesen hat. Bei der Maßstabsvergrößerung von statischen Mischern wurde versucht, die Scherrate und die Verweilzeit in Anwendungen mit laminarem Fluss und die Leistung pro Einheitenvolumen in Anwendungen mit turbulentem Fluss konstant zu halten. Somit erfolgte die Maßstabsvergrößerung vom Labormaßstab zum Handelsmaßstab üblicherweise, indem die Anzahl von Stufen und Stäben konstant gehalten wurde, während die Querschnittsfläche des Rohrs oder eines anderen Flusskanals erhöht wurde.
[0008]  Anstelle der Maßstabsvergrößerung wird auf dem Fachgebiet eine parallele Verarbeitung zum Mischen von Fluidströmen mit mehreren kleinen, physisch zusammengruppierten Mischern genutzt, um den Produktionsmaßstab zu steigern, so dass eine vergleichbare Produktqualität in verschiedenen Maßstäben erreicht wird. Solche„Gruppen"-Ausführungen werfen Schwierigkeiten hinsichtlich der Verfahrenskontrolle und -zuverlässigkeit auf. Beispielsweise ist die richtige Dosierung von einzelnen Strömen in jede einzelne parallele Mischerleitung schwierig zu erreichen. Darüber hinaus ist die Anwendung von Parallelsystemen (im Bereich von Hunderten für große Handelsmaßstäbe) unpraktisch und teuer.
[0009]  Verbesserungen in dem Verfahren der zuverlässigen Herstellung solcher Mischungen, Dispersionen und Emulsionen in zahlreichen Maßstäben werden benötigt. Es ist schwierig, Mischer in vorhersagbarer Weise vom Labormaßstab oder halbtechnischen Maßstab zu einem vollständigen Produktionsmaßstab zu vergrößern. Durch einfaches Steigern der Größe eines statischen Mischers zur Steigerung der Produktionsfähigkeit (selbst wenn einige Verfahrensparameter wie die Scherrate angepasst werden) führt nicht unbedingt zu einer Dispersion/Emulsion mit denselben Eigenschaften wie bei der Herstellung mit einem statischen Mischer kleineren Maßstabs.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0010]  Ein statischer Mischer in Pilot- oder Laborgröße wird erfindungsgemäß auf Handelsgröße vergrößert, während das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen konstant gehalten wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0011]  Fig.1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines aus zwei Elementen bestehenden statischen Mischers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
[0012]  Fig.2 ist eine Seitenansicht des statischen Mischers von Fig.1.
[0013]  Fig.3A ist eine grafische Darstellung der Maßstabsvergrößerung eines statischen Mischers, die ein konstantes Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen für die veranschaulichten erfindungsgemäßen Ausführungsformen und ein abnehmendes Verhältnis für den Stand der Technik zeigt.
[0014]  Fig.3B ist eine grafische Darstellung des in Fig.3A gezeigten Stands der Technik im doppelt logarithmischen Maßstab und veranschaulicht ferner drei grafische Darstellungen von erfindungsgemäßen statischen Mischern.
[0015]  Fig.4A ist eine grafische Darstellung der Leistung eines statischen Mischers, die den verringerten Druckverlust bei einem erfindungsgemäßen statischen Mischer zeigt.
[0016]  Fig.4B ist eine grafische Darstellung der in Fig.4A gezeigten Daten, konsolidiert auf eine einzige Kurve und normalisiert auf die Leistung der dem Stand der Technik entsprechenden Mischer.
[0017]  Fig.5 ist eine grafische Darstellung der Leistung eines statischen Mischers im Verhältnis zum Stand der Technik, welche die verbesserte Teilchengröße zeigt, die mit zunehmender Größe des erfindungsgemäßen statischen Mischers auftritt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
I. Durch den statischen Mischer mischbare nützliche Komponenten
[0018]  Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können bei der Herstellung von mischbaren und unmischbaren Mischungen von mindestens zwei Phasen verwendet werden, einschließlich, ohne Beschränkung, Mischungen mit einem relativ hohen Verhältnis von einer Phase zu der anderen. Beispielsweise können Wasser-in-Öl-HIPE (High Internal Phase Emulsions) so formuliert werden, dass sie einen relativ breiten Bereich von Verhältnissen von innerer zu äußerer (z. B. dispergierter zu kontinuierlicher) Phase aufweisen. Außerdem können das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von Öl-in-Wasser-Mischungen, wie Latexen und dergleichen, verwendet werden. Darüber hinaus können das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von Mischungen von erster und zweiter Phase mit einem relativ geringen Verhältnis von einer inneren Phase zu einer kontinuierlichen äußeren Phase verwendet werden. Es liegt ebenso im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, dass das Fluid Gase sowie Flüssigkeiten einschließt. Zudem sind thixotrope, strukturviskose und andere nicht-Newtonsche Fluide in der Bedeutung des Begriffs Fluid eingeschlossen.
[0019]  In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verhältnis von erster Phase zu zweiter Phase von etwa 1:1000 bis etwa 250:1 betragen und beträgt typischerweise von etwa 1:750 bis etwa 250:1, typischer von etwa 1:500 bis etwa 200:1, noch typischer von etwa 1:250 bis etwa 200:1 und ganz besonders typisch von etwa 1:150 bis etwa 150:1.
[0020]  In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Fluid eine Vielfalt an öligen Materialien umfassen. Verschiedene ölige Materialien umfassen gerade, verzweigte und/oder cyclische Paraffine, wie Mineralöle, Erdöle, C 16- bis C 18-Fettalkohol-Diisootanoate, Harzöle, Holzdestillate, petroleumbasierte Produkte, wie Benzine, Naphthas, Schmieröle und schwerere Öle und Kohledestillate. Das ölige Material kann ein Monomer, ein Comonomer oder ein anderes polymerisierbares Material, wie Vernetzungsmittel, Polymere usw., umfassen. Beispiele für geeignete Monomere für diese erfindungsgemäße Ausführungsform schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Monoene, wie die (C 4-C 14)-Alkylacrylate, die (C 6-C 16)-Alkylmethacrylate, (C 4-C 12)-Alkylstyrole und Mischungen davon ein.
[0021]  In einer Ausführungsform kann eine der Phasen ein wässriges System umfassen, das wahlweise einen oder mehrere gelöste Bestandteile, wie ein wasserlösliches Elektrolyt, umfassen kann. Das gelöste Elektrolyt minimiert die Neigung jeglicher Bestandteile in der anderen Phase, sich ebenfalls in der Wasserphase zu lösen. Wenn das Produkt zur Herstellung von Polymermaterial verwendet wird, kann ein Polymerisationsinitiator, wie Persauerstoffverbindungen und herkömmliche Redoxinitiatorsysteme, in die Wasserphase eingeschlossen werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die wahlweise Zugabe von Bestandteilen, die nicht notwendigerweise ein Bestandteil der Mischung selbst sind. Beispiele schließen Feststoffmaterialien, wie Pulver, Pigmente, Füllstoffe, Fasern usw., ein.
II. Vorrichtung, Verfahren der Herstellung und Verfahren des Einsatzes der Vorrichtung
[0022]  Bezüglich der Fig.1Fig.2 üben erfindungsgemäße statische Mischer 10, die in einem Fluss platziert sind, eine relativ gleichmäßige Scherkraft entlang ihrer Länge aus, wie durch den Geschwindigkeitsquerschnitt erlaubt. Wie hier verwendet, ist ein„statischer Mischer" 10 eine Anordnung von einer oder mehreren Stufen, durch die Materialien, die durch eine Flussleitung fließen, durch Aufteilen und Wiedervereinigen des Flusses gemischt werden. Eine„Stufe" ist eine Anordnung von„Elementen" 12, die in die Flussleitung eingeführt sind. Ein„Element" 12 ist eine Anordnung von Stäben 14, wobei jeder Stab 14 den Fluss in mindestens zwei Ströme teilt, die mit getrennten Strömen vereinigt und miteinander vermischt werden. Der„Stab" 14 ist der Teil des statischen Mischers 10, der den Fluidfluss unterbricht und teilt.
[0023]  Die Stäbe 14 in jedem Element 12 sind diskret, wahlweise parallel, und besitzen eine feste und vorbestimmte Geometrie. Innerhalb eines statischen Mischers 10 fließen Fluide in einer Leitung an den stationären Stäben 14 vorbei. Die Stäbe 14 sind im Allgemeinen in derselben Richtung angeordnet wie der Fluidfluss. Folglich können die relativen Geschwindigkeiten der Fluide über den Querschnitt des Flusses relativ konstant sein. Da solche relativen Geschwindigkeiten relativ konstant sind, kann die Größe der statischen Mischer 10 in vorhersagbarer Weise gemäß den Herstellungsanforderungen festgelegt werden. Der statische Mischer 10 kann in der Fließrichtung relativ kurz sein, keine übermäßigen Druckverluste hervorrufen und dennoch eine ausreichende Homogenisierung garantieren.
[0024] Fig.1Fig.2 zeigen einen aus zwei Elementen 12 bestehenden statischen Mischer 10, der allein oder mit einer Reihe von Stufen oder anderen Elementen 12 verwendbar ist. Die Stäbe 14 können von 0 bis 180 Grad innerhalb der Ebene des Querschnitts des Flusses zueinander ausgerichtet sein, wobei Fig.2 eine bestimmte Ausrichtung der ersten Stäbe 14 zeigt, die 90 Grad zu den zweiten Stäben 14 angeordnet sind. Jedes Element 12 ist in einem Gitterrahmen von Stäben 14 konstruiert, die in einem Winkel von 45 Grad relativ zur Fließrichtung geneigt sind, obwohl Ausrichtungen von 0 bis 180 Grad geeignet sein können. Die Stäbe 14 sind in einer regelmäßigen Weise ausgerichtet, wobei sich nebeneinander liegende Stäbe 14 innerhalb der Ebene des Querschnitts in einem Winkel von 0 bis 180 Grad überschneiden. Durch diese Geometrie werden Kanäle für den Durchfluss der diskreten und/oder kontinuierlichen Phase/Mischung geschaffen, wodurch die Oberfläche der Stäbe 14 benetzt wird.
[0025]  Außerdem ist es wünschenswert, dass die Stäbe 14 des statischen Mischers eine bestimmte Winkelausrichtung relativ zur Fließrichtung aufweisen. Die richtige Winkelausrichtung sorgt für ein geeignetes Maß an Scherkraft auf die zwei Phasen, die gemischt werden, und kann unter Anwendung von Verfahren, die auf dem Fachgebiet wohl bekannt sind und hier nicht wiederholt werden, ermittelt werden. Für die hier beschriebenen und beanspruchten Ausführungsformen hat sich eine Ausrichtung der Stäbe 14 von 0 bis 90, typischerweise 30 bis 60 und typischer 45 Grad relativ zur Fließrichtung als geeignet erwiesen.
[0026]  Der statische Mischer 10 besitzt einen Umfang, der nahezu mit den Innenabmessungen des Rohrs, der Leitung oder des anderen Flusskanals übereinstimmt, in die bzw. den der statische Mischer 10 eingeführt wird. Obwohl ein statischer Mischer 10 mit einem runden Umfang veranschaulicht ist, wird ein Fachmann erkennen, dass die Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt ist. Eine beliebige Querschnittsform mit einem angemessenen hydraulischen Radius kann verwendet werden. Der statische Mischer 10 weist eine Gesamtquerschnittsfläche auf, die sich an der Innenseite des Umfangs befindet und aus Flusskanälen und Stäben besteht. Die Gesamtquerschnittsfläche eines statischen Mischers wird mittels einfacher Geometrie, die hier nicht wiederholt wird, ermittelt.
[0027]  Die Oberflächeneigenschaften der Elemente 12 sind so gewählt, dass mindestens eine Phase vorzugsweise diese Oberfläche benetzt. Die Elemente 12 können aus Stahl, Aluminium, TEFLON TM, Polypropylen usw. konstruiert oder damit beschichtet sein. Die Enden der Stäbe 14 laufen auf einen gemeinsamen Schnittpunkt zu, der flach oder gerundet sein kann oder eine scharfe Kante aufweisen kann. Die Querschnitte des Stabs 14 können einen bestimmten Querschnitt, wie dreieckig, gebogen, Parallelogramm, tropfenförmig oder elliptisch, aufweisen.
[0028]  In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann eine Vormischung der Fluide vor dem Eintritt in den statischen Mischer erfolgen. Dies trägt dazu bei sicherzustellen, dass Teile beider Ströme über den Querschnitt der Flussleitung nebeneinander verlaufen. Hier liegen die Fluide in getrennten Strömen vor. Anfänglich erfahren die Ströme nur Scherkräfte sehr nahe an den Stäben 14. Der kurze Zeitraum von turbulenter Mischung zwischen dem Zusammenfluss, an dem die Ströme vereinigt werden, und dem Eintritt in den ersten statischen Mischer 10 sorgt für eine anfängliche Verteilung beider Ströme über den Querschnitt der Flussleitung, so dass die Ströme leichter aufgeteilt und miteinander vermischt werden.
[0029]  Innerhalb des statischen Mischers 10 ist es wünschenswert, dass die zwei Phasen/Materialien eine minimale Verweilzeit als getrennte Phasen aufweisen, obwohl die gesamte Verweilzeit in dem statischen Mischer 10 ausreichend sein sollte, um eine ausreichende Mischung sicherzustellen.
[0030]  Das Problem der Herstellung einer vergleichbaren Emulsion in verschiedenen Maßstäben wird erfindungsgemäß verringert oder im Wesentlichen gelöst, indem das Verhältnis Q/Es im Wesentlichen vorzugsweise konstant gehalten wird. Das heißt:
Q/Es = K,
worin:
Q       die volumetrische Fließgeschwindigkeit ist (beliebige geeignete Einheiten, z. B. m 3/s),
Es     die„aktive" Mischeroberfläche ist, d. h. die Oberfläche des Elements 12, die direkt dem Fluss ausgesetzt ist (beliebige geeignete Einheiten, z. B. m 2) und
K       eine Konstante ist.
[0031]  Q/Es stellt einen konstanten Parameter für alle Maßstäbe dar. Durch Konstanthalten von Q/Es in verढschiedenen Maßstäben bleibt die durchschnittliche Fluidgeschwindigkeit innerhalb des statischen Mischers 10 ebenfalls konstant. Durch eine konstante Mischergeschwindigkeit und eine konstante Mischergeometrie werden eine konstante Scherrate und konstante Energieverlustverteilungen über verschiedene Größen von statischen Mischern gewährleistet, wodurch sichergestellt wird, dass die Skalierung erfolgreich ist. Wie hier verwendet, bezieht sich Skalierung auf das Verfahren der Änderung der Größe eines statischen Mischers, um ein größeres (Maßstabsvergrößerung) oder kleineres (Maßstabsverkleinerung) Flussvolumen aufzunehmen. In der Regel schließt die Skalierung eine Änderung der Größe, jedoch nicht der Form oder des Umfangs des statischen Mischers ein.
[0032]  Üblicherweise werden statische Mischer in Handelsgröße hergestellt, indem zuerst ein geeigneter statischer Labormischer entwickelt wird. Wie hier verwendet, bezieht sich ein statischer Labormischer 10 auf einen statischen Mischer 10 in einer Größe, die für die Entwicklung mittels einer Laborvorrichtung geeignet ist. Ein typischer statischer Labormischer 10 wird unter Verwendung eines runden Rohrs mit einem Durchmesser von ungefähr 6 mm entwickelt. Der statische Labormischer 10 wird häufig verwendet, um die Anzahl von Elementen und Stufen, die Ausrichtung und die Anzahl der Stäbe 14 usw. zu bestimmen. Im Stand der Technik wird ein solcher Mischer anschließend auf Handelsgröße skaliert, indem die Anzahl der Stäbe 14 konstant gehalten wird und das oben erwähnte Verhältnis von Durchflussoberfläche zu Porenvolumen variieren kann. Ein statischer Mischer 10 in Handelsgröße bezieht sich auf einen statischen Mischer 10 mit einer Größe, die für das Materialvolumen, das verarbeitet werden soll, und die während des Betriebs herrschenden Betriebsbedingungen geeignet ist. Üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist der statische Mischer 10 in Handelsgröße größer als der Labormischer. Der Mischer in Handelsgröße kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Skalierungsverfahrens mehrere Größenordnungen größer sein als der Labormischer.
[0033]  Ein statischer Labormischer 10 wird erfindungsgemäß wie von einem Fachmann unter Anwendung von Verfahren, die hier nicht wiederholt werden, entwickelt. Der erfindungsgemäße statische Mischer 10 kann die Geometrie der Fig.1Fig.2 aufweisen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der erfindungsgemäße statische Mischer 10 skaliert, indem die Geometrie der Fig.1Fig.2 beibehalten und sichergestellt wird, dass das Verhältnis Q/Es für statische Mischer jeden Maßstabs identisch ist, wie oben bemerkt.
[0034]  Um während der Maßstabsvergrößerung die gewünschte Geometrie und das gewünschte Verhältnis von Oberfläche zu Porenvolumen beizubehalten, kann die Anzahl der Stäbe 14 variieren– im Gegensatz zum Stand der Technik. Im Stand der Technik kann die Durchflussfläche jeder Stufe variieren, so dass das Verhältnis von Durchflussoberfläche zu Porenvolumen variieren kann. Vorzugsweise werden die Winkel der Stäbe 14, der Querschnitt der Stäbe 14, die Materialien der Stäbe 14 und die Oberflächeneigenschaften während der Skalierung ebenfalls konstant gehalten. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des erfindungsgemäßen statischen Mischers 10 kann jedoch variieren, während die Gesamtlänge des erfindungsgemäßen statischen Mischers 10 vorzugsweise konstant bleibt.
[0035]  Tabelle 1 und Fig.3A und Fig.3B veranschaulichen die Auswirkung des Rohrdurchmessers auf das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen von dem Stand der Technik entsprechenden Mischern und für die vorliegende Erfindung. In Tabelle 1 werden die KMX-Mischer untersucht, da diese ein höheres Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen aufweisen als andere Typen von bekannten Mischern und somit angenommen wird, dass sie den nächsten Stand der Technik darstellen. Diese Daten sind in Fig.3A grafisch dargestellt. Diese Daten basieren auf Rohren mit kreisförmigem Querschnitt. Selbstverständlich kann ein beliebiger Querschnitt mit einem angemessenen hydraulischen Radius verwendet werden.
Tabelle 1
[0036]  Bezüglich Linie PA von Fig.3A ist ersichtlich, dass ein statischer Pilotmischer 10 mit einem Durchmesser von 6 Millimetern für die Laborarbeit bereitgestellt wurde. Der statische Pilotmischer 10 wurde auf größere Durchmesser skaliert und wird nachfolgend als IN2 bezeichnet, welche tatsächlich auf die Praxis und eine dem Durchmesser entsprechende Länge des Elements 12, gemessen in der Fließrichtung, reduziert wurde. Bezüglich der Linien IN1, IN2 und IN3 von Fig.3A bleibt erfindungsgemäß mit zunehmendem Durchmesser des statischen Mischers 10 vom Labormaßstab aus das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen konstant. Das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen kann über den gesamten Bereich der Maßstabsvergrößerung/Maßstabsverkleinerung auf verschiedenen Werten konstant gehalten werden. Die Linien IN1, IN2 und IN3 beginnen mit statischen Labormischern 10 mit Verhältnissen von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen, die mit dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischern 10 mit vergleichbarem Durchmesser vergleichbar sind.
[0037]  Obwohl in Fig.3A eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem konstanten Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen über die gesamte Maßstabsvergrößerung dargestellt ist, ist die Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt. Das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen kann auf einen beliebigen angemessenen Grenzwert ansteigen, bei dem der Fluss durch den statischen Mischer nicht verstopft wird, oder auf die nachfolgend dargelegten Grenzwerte sinken. Im Allgemeinen kann das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen jedoch um einen größeren Betrag über das in Fig.3A veranschaulichte konstante Verhältnis ansteigen, wenn ein geringeres Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen als Ausgangspunkt für die Maßstabsvergrößerung verwendet wird.
[0038]  Die nachfolgende Tabelle 2 veranschaulicht die Konstruktionsparameter der in Tabelle 1 und Fig.3A veranschaulichten, dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischer und für zwei prophetische statische Mischer 10, wobei NR darauf hinweist, dass der statische Mischer 10 mit einer bestimmten Größe nicht auf die Praxis reduziert wurde, da bei der Maßstabsverkleinerung auf diese Größe die Breite der Stäbe 14 nicht konstant gehalten werden konnte, und unbekannte Eigenschaften sind mit„unb. " gekennzeichnet. Der Abstand zwischen nebeneinander liegenden Stäben 14 nimmt im Stand der Technik proportional zum Durchmesser zu und bleibt in der vorliegenden Erfindung konstant.
Tabelle 2
[0039]  Bezüglich Fig.3B wird durch Linie PA der nächste Stand der Technik dargestellt, der den Erfindern bekannt ist. Durch die Linien IN25, IN50 und IN75 werden Verhältnisse dargestellt, die 25, 50 und 75% größer sind als diejenigen, die im Stand der Technik zu finden sind.
[0040]  Die allgemeine Gleichung für einen dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischer 10 mit beliebigem Querschnitt lautet: Y = 20,8X –0,54, so dass ein erfindungsgemäßer statischer Mischer 10 die folgenden Ungleichungen erfüllt:
Y  > 26,0X –0,54 (dargestellt durch Linie IN25)
Y  > 31,2X –0,54 (dargestellt durch Linie IN50) und
Y  > 36,4X –0,54 (dargestellt durch Linie IN75), worin Y das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen in 1/mm und X die Gesamtquerschnittsfläche des statischen Mischers 10 in Quadratmillimetern ist.
[0041]  Wie in Fig.3A veranschaulicht, lautet für einen statischen Mischer 10 mit rundem Querschnitt die Gleichung für die Stand-der-Technik-Linie Y = 32,1X –1,17 (dargestellt durch Linie PA mit einer Kurvenanpassung von R 2 = 0,99), so dass ein erfindungsgemäßer statischer Mischer 10 die folgenden Ungleichungen erfüllt: Y > 38,6X –1,17
Y  > 45,0X –1,17 und
Y > 51,4X –1,17, worin Y das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen in 1/mm und X der Durchmesser des statischen Mischers 10 in mm ist.
[0042]  Die aktive Oberfläche des statischen Mischers 10 wird wie folgt ermittelt. Die aktive Oberfläche wird als die Summe der Frontoberfläche, die direkt dem Fluss ausgesetzt ist, und der Dickenoberfläche, parallel zur Fließrichtung gemessen, ermittelt. Ein Fachmann wird verstehen, dass der Hauptbeitrag zu der Oberfläche von der Frontoberfläche stammt und nicht von der Dickenoberfläche.
[0043]  Die Frontoberfläche ergibt sich aus dem Produkt aus der Oberfläche der Ellipse·Anzahl der Ellipsen pro Element. Die Frontoberfläche der Stäbe 14 des statischen Mischers 10 entspricht der Fläche einer Ellipse, wobei der kleinere Radius (R1) dem Innendurchmesser des Rohrs (R1) entspricht und der größere Radius (R2) dem Innendurchmesser, dividiert durch sin Θ, wobei Θ der Winkel zwischen der Ebene der Ellipse und der Längsachse des Rohrs ist (in der Regel 45 Grad). Es sind zwei aktive Ellipsenoberflächen pro Mischerelement vorhanden. Die Frontoberfläche der Ellipse ergibt sich durch: π·R1·R2.
[0044]  Für ein Element 12 mit einem Winkel von 45 Grad und zwei Ellipsen in einem runden Rohr wird die Frontfläche berechnet als:
• 8,88·Innenrohrdurchmesser Rohr (mm) ^2.
• Die auf die Dicke der Stäbe 14 zurückzuführende Oberfläche in der Fließrichtung, die als die Dickenoberfläche bezeichnet wird, muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für eine konstante und identische Breite der Stäbe 14 und dieselbe Anzahl von Stäben 14 pro Element 12 wird diese Fläche pro Element 12 berechnet als: Dicke der Stäbe 14·Innendurchmesser·Anzahl der Stäbe 14 dieser Größe pro Element 12·Verhältnis der Länge der Stäbe 14 (gemessen an der Mittellinie) zum Innendurchmesser. Dieses letztere Verhältnis wird leicht mittels POWERPOINT TM, VISIOGRAPH TM oder anderer CAD-Software, wie sie einem Fachmann bekannt ist, ermittelt. Für ein Element 12 mit einem Winkel von 45 Grad in einem runden Rohr mit vier Stäben 14 wird die Dickenfläche als die Summe von 28 Oberflächen berechnet, d. h.:
• Dicke Stab 14 (mm) × Innendurchmesser Rohr (mm)·8·0,94 +
• Dicke Stab 14 (mm) × Innendurchmesser Rohr (mm)·8·1,22 +
• Dicke Stab 14 (mm) × Innendurchmesser Rohr (mm)·8·1,37 +
• Dicke Stab 14 (mm) × Innendurchmesser Rohr (mm)·4·1,414.
[0045]  Es ist zu beachten, dass die vier berücksichtigten Stäbe 148 Oberflächen mit verschiedenen Längen und vier Oberflächen mit größeren Längen aufweisen, die den Oberflächen der Stäbe 14 entsprechen, welche die Innenseite des Rohrs berühren und nicht mit dem Fluss in Kontakt kommen. Somit ergibt sich die Gesamtoberfläche aus der Summe aus der Front- und der Dickenoberfläche.
[0046]  Als Alternative ergibt sich die Länge jeder Kante eines Stabs 14 durch die folgende Gleichung: L = 2[(D 2)– (R 2)] 0,5·(D/sin Θ), worin L die Länge der Kante des Stabs 14 ist, D der Rohrdurchmesser ist, R der Abstand von der Mitte des Rohrs bis zu dieser Kante des Stabs 14 ist und Θ der Winkel zwischen der Ebene der Ellipse und der Längsachse des Rohrs ist.
[0047]  Ein Fachmann wird erkennen, dass das vorstehende Beispiel eines SMX-Mischers von KOCH-GLITSCH/SULZER CHEMTECH leicht auf einen CHEMI-NEER KMX-Mischer wieder angewendet werden kann, indem die berechnete Frontoberfläche einfach mit einem Faktor multipliziert wird, um die Krümmung der Schaufeln in dem KMX-Mischer zu berücksichtigen. Für Schaufeln, die einen 90-Grad-Bogen umspannen, beträgt dieser Faktor 1,11.
[0048]  Ein Fachmann wird außerdem erkennen, dass entweder die Frontoberfläche oder die Dickenoberfläche möglicherweise in höherem Maße zu der aktiven Oberfläche beiträgt. Im Gegensatz zu dem vorstehenden Beispiel eines statischen SMX-Mischers von KOCH-GLITSCH/SULZER CHEMTECH 10, bei dem die Frontoberfläche größer ist als die Dickenoberfläche, weist ein statischer CHEMI-NEER/KENICS KM-Mischer 10 Elemente 12 mit relativ kleiner Frontoberfläche auf, dargestellt durch die Vorderkante des Elements. Ein solcher statischer Mischer 10 besitzt jedoch eine relativ größere Dickenoberfläche, dargestellt durch beide Seiten des Elements 12.
[0049]  Das Porenvolumen des statischen Mischers 10 kann gemessen werden, indem der statische Mischer 10 mit destilliertem Wasser, wie dem Fachmann bekannt, gefüllt und dieses Wasservolumen gemessen wird. Das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen wird dann durch einfache Division unter Verwendung dieser Zahlen ermittelt.
[0050]  Fig.4A zeigt einen erfindungsgemäßen statischen Mischer 10, der dem Stand der Technik entspricht und ein Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen von 3,38 aufweist, im Vergleich zu einem im Handel erhältlichen statischen SMX-Mischer 10, der von Sulzer Chemtech Ltd. hergestellt wird. Von dem erfindungsgemäßen statischen Mischer 10 wird weniger Energie verwendet, gemessen durch den Druckverlust zur Erzeugung einer Emulsion/Dispersion mit gleicher Teilchen-/Tropfengröße bei verschiedenen Rohrdurchmesढsern.
[0051]  Fig.4A zeigt, dass für statische Mischer 10 mit einer Fließfläche von mindestens 180 qmm (15 mm Durchm.), mindestens 500 qmm (25 mm Durchm.) oder mindestens 960 qmm (35 mm Durchm.) der statische Mischer 10 einen Druckverlust von nicht mehr als 4000, 3000 oder sogar 2000 (gemessen in beliebigen für die Druckdifferenz geeigneten Einheiten) für statische Mischer 10 von bis zu 100 mm Durchmesser aufweisen kann.
[0052]  In Fig.4B werden die beiden Linien in Fig.4A in einem Verhältnis dargestellt, so dass sich eine einzige Kurve ergibt. Fig.4B zeigt, dass bei einem Anstieg des Rohrdurchmessers, und somit der Querschnittsfläche, der erfindungsgemäße statische Mischer 10 für einen verhältnismäßig geringeren Druckverlust sorgt als ein dem Stand der Technik entsprechender statischer Mischer 10. Fig.4B veranschaulicht, dass die erfindungsgemäßen Druckverlustvorteile bis zu dem Punkt zunehmen, an dem die vorliegende Erfindung bei großen Querschnittsflächen nur etwa ein Drittel so viel Energie wie die dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischer benötigt.
[0053]  In Fig.5 wird das Verhältnis der in einem erfindungsgemäßen statischen Mischer 10 erzeugten Teilchengröße zu der in einem dem Stand der Technik entsprechenden statischen Mischer 10 erzeugten Teilchengröße für verschiedene Durchmesser verglichen. Durch eine wirksamere Ableitung von Energie bei gleicher Gesamtenergiezufuhr (gemäß Messung durch Druckverlust) werden durch die vorliegende Erfindung kleinere Teilchengrößen bei demselben Massenstrom erzielt.
[0054]  Aus Fig.5 ist ersichtlich, dass erfindungsgemäß ein statischer Mischer 10 eine Gesamtfläche von 28 qmm (6 mm Durchm.), 80 qmm (10 mm Durchm.) oder sogar 300 qmm (20 mm Durchm.) aufweisen kann. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer statischer Mischer 10 mit einer Gesamtfläche von 300 qmm ein Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen von mindestens 1,5 mm –1, 2 mm –1 oder sogar 2,5 mm –1 aufweisen, jedoch vorzugsweise nicht mehr als etwa 20, 15 oder sogar etwa 10 mm –1.
[0055]  Mehrere Variationen in dem erfindungsgemäßen statischen Mischer 10 sind möglich. Beispielsweise kann der Leitungsdurchmesser oder eine andere Querschnittsform variiert werden, um die Fließgeschwindigkeit lokal innerhalb der Leitung relativ zu dem Mischelement zu variieren. Eine solche Querschnittsvariabilität entlang der Achse kann verwendet werden, um entlang der Länge des Mischers die Scherung zu erhöhen (kleinerer Querschnitt), die Scherung zu verringern (größerer Querschnitt) oder die Scherraten periodisch zu wiederholen (wiederholtes Erhöhen und Verringern der Querschnitte). Beispielsweise kann zusätzlich zu dem Vorhandensein von mehreren statischen Mischern 10 und/oder Stufen mit variierenden Querschnitten, wie vorstehend besprochen, (Systeme, die zwei oder mehr statische Mischer 10 und/oder Stufen umfassen, werden ebenfalls als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet) eine solche Variation bereitgestellt werden, indem eine Leitung bereitgestellt wird, worin die Abmessungen des Leitungsquerschnitts als Funktion der Leitungslänge variieren.
[0056]  Als Alternative kann der erfindungsgemäße statische Mischer 10 eine konstante Querschnittsfläche und eine zunehmende Anzahl von Elementen und Stäben 14, einen zunehmenden Winkel der Stäbe 14 und eine abnehmende Breite der Stäbe 14 (z. B. durch eine erhöhte Anzahl von Stäben 14) aufweisen, um eine höhere Scherung in der Fließrichtung zu bewirken. Beispielsweise kann die erste Stufe des statischen Mischers 10 zwei Stäbe 14, die zweite Stufe drei oder mehr Stäbe 14 aufweisen usw. In einer Variation können die Stäbe 14 des statischen Mischers 10 gekerbt sein, um benachbarte Stäbe 14 zu überlappen. Durch diese Anordnung nimmt das Verhältnis von aktiver Oberfläche zu Porenvolumen zu.
[0057]  Außerdem können Anzahl, Winkel und Größe der Stäbe 14 skaliert werden, indem die Anzahl der einzelnen Stäbe 14 erhöht wird, wobei Stäbe 14 mit abnehmender Breite und Länge in einem erhöhten Winkel zu der Achse entlang der Leitung platziert werden, um für einen kontinuierlichen Anstieg der Scherung zu sorgen. In noch einer anderen Ausführungsform des statischen Mischers 10 können einzelne Stäbe 14 Ende an Ende miteinander verbunden werden, so dass jede Stufe relativ zu der anderen rotiert werden kann, um einen statischen Mischer 10 mit anpassbarer Scherung entlang seiner Länge bereitzustellen, indem jede Stufe relativ zu der anderen winklig angepasst werden kann, um für eine anpassbare, rotierend ausgerichtete Scherung beim Übergang von einer Stufe zu den anderen zu sorgen. Die Enden jeder Stufe können ferner mit Gewindeverbindungsstücken mit O-Ring-Dichtungen verbunden werden, um eine Anpassung der axialen Trennung in der Fließrichtung zwischen Elementen 12 sowie eine Rotationsausrichtung zu ermöglichen. Eine solche Konfiguration ermöglicht eine Anpassung während der Verwendung durch ein Kontrollsystem, mit dem Viskosität, Tröpfchengröße oder Fließgeschwindigkeit gemessen wird.
[0058] Kombinationen von Stufen mit verschiedenen Graden von angewendeter Scherung, wie vorstehend beschrieben, ermöglichen einige der Vorteile eines dynamischen Mischers in einem wesentlich einfacheren statischen Mischer. Beispielsweise können die Scherraten angepasst werden, um die erzeugte gleichmäßige Tröpfchengröße oder die Gleichmäßigkeit der Tröpfchengröße über Zeit und Länge zu variieren. Außerdem kann, falls erforderlich, über die Verwendung von gebogenen Mischelementen 12, die einen Gegenfluss bewirken, ein lokalisierter (interner) zirkulationsfördernder Fluss in den Mischer konstruiert werden. Vorzugsweise wird jedoch bei dem erfindungsgemäßen statischen Mischer 10 eine konstante Breite der Stäbe 14, und vorzugsweise eine konstante Dicke der Stäbe 14 während der Maßstabsvergrößerung, beibehalten, so dass die lokalen Fließbedingungen in der Nähe der Stäbe 14 in den statischen Mischern in Handelsgröße und den statischen Labormischern so genau wie möglich übereinstimmen.
[0059]  Unter Verwendung von mehreren Injektionsstellen kann der statische Mischer 10 spezifisch angepasst werden, um bimodale, trimodale usw. Teilchengrößenverteilungen bereitzustellen, indem zuerst die in die kleinste Teilchengröße zu dispergierenden Materialien injiziert werden, als Nächstes das Material, das eine größere Teilchengröße ergeben soll, injiziert wird usw. Mehrere Injektionsstellen können auch gewünscht sein, um mehrere Emulsionen bereitzustellen, was für gesteuerte Abgaberaten bei verschiedenen Arzneimitteln nützlich ist.
[0060]  Mehrere statische Mischer können parallel angeordnet werden (einschließlich ringförmiger Konfigurationen), um für erhöhten Durchsatz zu sorgen. Beispielsweise können zwei statische Mischer verwendet werden, die dazu bestimmt sind, für ein unterschiedliches Maß an Scherung zu sorgen, um eine erste Emulsion mit abweichenden Tröpfchengrößen bereitzustellen, die kontinuierlich in einem vorbestimmten Verhältnis zu einer zweiten Emulsion gebildet wird. Als Alternative kann die Querschnittsfläche eines bestimmten Elements 12 konisch sein, um in der Fließrichtung allmählich zu- oder abzunehmen.
MÖGLICHE ANWENDUNGEN
[0061]  Beispielhafte, nicht einschränkende Anwendungen von statischen Mischern schließen die Herstellung von HIPE (High Internal Phase Emulsions) ein, wie durch die US-Patente Nr. 3,946,994, erteilt am 30. März 1976 an Mertz et al., und 4,844,620, erteilt am 4. Juli 1989 an Lissant, erläutert. HIPE können zur Herstellung von Schaumabsorptionsmaterialien (FAM) verwendet werden. FAM können als der Kern in Babywindeln, Damenbinden usw. verwendet werden, bei denen eine Absorption von Flüssigkeiten erwünscht ist, wie durch US-Patent Nr.5,268,224, erteilt am 7. Dez.1993, dessen Rechte übertragen wurden, veranschaulicht.
[0062]  Der statische Mischer 10 kann nahe an der Endanwendung der Mischung installiert werden. Beispielsweise kann ein statischer Mischer 10 in einem Fahrzeug (d. h. Auto, LKW, Flugzeug usw.) montiert werden, so dass eine Wasser-Benzin- oder Wasser-Diesel-Emulsion direkt vor der Verbrennungskammer gebildet werden kann. Der statische Mischer 10 kann in die Düse einer Benzinpumpe eingeschlossen werden, so dass eine Wasser-Benzin-Emulsion an der Stelle der Einfüllung des Benzin- oder Dieselkraftstoffs gebildet werden kann. Außerdem kann der erfindungsgemäße statische Mischer 10 verwendet werden, um Gasdispersionen in viskosen Materialien wie Polymeren herzustellen, wie durch US-Patent 5,861,474, erteilt an J. P. Weller et al. am 19. Jan. 1999, veranschaulicht. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße statische Mischer 10 verwendet werden, um Wasser in Benzinmaterialien und anderen Kohlenwasserstoffen zu dispergieren, um eine Emulsion mit verbesserter Sicherheit (verringerte Flüchtigkeit und Leckage aufgrund höherer Viskosität), verbesserter Verbrennungswirksamkeit (verringertes NOx, CO, geringere Teilchenemissionen) herzustellen. Wasser-in-Öl-Kraftstoffmischungen werden in WO 01/36569, veröffentlicht am 25. Mai 2001 im Namen von Schulz et al., besprochen. Der statische Mischer 10 kann auch verwendet werden, um während Bohr- und Rückgewinnungsvorgängen Wasser in Rohöl zu dispergieren und dadurch zuverlässig Emulsionen in großen Betriebsmaßstäben zu bilden, oder in Raffinerien, in denen die Dispersionseigenschaften für Ölrückgewinnungsvorgänge, wie Alkylierungen oder Laugenwäschen, kritisch sind.
[0063]  In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße statische Mischer 10 verwendet werden, um Reihenemulsionen für Lebensmittelprodukte (d. h. Mayonnaise, Cremes, Brotaufstriche, Käse usw.) in einem großen Bereich von Betriebsmaßstäben zuverlässig herzustellen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße statische Mischer 10 verwendet werden, um Emulsionen zur kosmetischen oder medizinischen Anwendung, zum Beispiel Arzneimittelabgabe über Spritzen, topische Cremes, Zahnfüllmaterialien usw., herzustellen. Diese Erfindung kann miniaturisiert und in dichter Nähe zu der Endanwendung installiert werden, wodurch ermöglicht wird, dass physikalisch/chemisch reaktive oder inkompatible Phasen nur an der Abgabestelle Kontakt haben). Eine individuelle Medikationsdosierung kann an der Anwendungsstelle gemischt werden, indem der statische Mischer 10 in dem Behälter einer hypodermischen Spritze platziert wird.
[0064]  Der erfindungsgemäße statische Mischer 10 kann verwendet werden, um Emulsionen für Papierherstellungsanwendungen, z. B. Auftragen von Farbemulsionen auf Papier, oder zum Auftragen von Cremes auf Vliessubstrate usw. herzustellen. Der statische Mischer 10 kann auch verwendet werden, wenn die Emulsion weiterverarbeitet wird, wie durch Spritzgießen, Gießen, Extrudieren und ähnliche Anwendungen, bei denen schnelle Umstellungen zwischen verschiedenen Formulierungen und/oder Start-/Stoppverfahren erforderlich sind und bei denen aufgrund der Änderung der Formulierung Änderungen der Mischeigenschaften erforderlich sind.