Auslegung von statischen Mischern

In heutigen Industrieanwendungen werden statische Mischer vielfach eingesetzt. Dafür gibt es sehr viele gute Gründe. Zudem ist das Einsatzgebiet von statischen Mischern sehr breit: homogenisieren, dispergieren, emulgieren, gas/flüssig und flüssig/flüssig Kontaktierung, Materialtransfer, Wärmeübertragung und chemische Reaktionen sind alles hervorragende Einsatzbereiche für die statische Mischer-Technologie.

Oft gelten die Hintergründe der Bauweise und die technische Auslegung eines statischen Mischers als mysteriös. Nur auf explizite Anforderung bei einer Anfrage werden von den Lieferanten für statische Mischer partielle Konstruktions- und Prozessparameter bekannt gegeben. Diese ineffiziente Art der Mischergestaltung hat Konsequenzen: ein schlechtes Design führt zu einer ungenügenden Homogenität oder zu einem unnötig hohen Druckverlust über die Mischeinheit. Ebenso muss der richtige Anschlusswahl einen nicht unerheblichen Stellenwert eingeräumt werden denn dies hat Einfluss auf die Lebensdauer des statischen Mischers. Des weiteren spielen eine Rolle: kein Verschleiß, keine Ersatzteile, keine mechanischen Dichtungen, keine Wartung, keine Leckagen. Eine Lebensdauer von 50 oder 80 Jahren ist somit keine Ausnahme.

Der Einsatz von statischen Mischern hat eine langjährige und nahezu traditionelle Geschichte. Die ersten statischen Mischer wurden während der industriellen Revolution etwa um das Jahr 1900 entwickelt und gebaut. Diese Erfindung war genial einfach: ohne bewegliche Teile eine zuverlässige inline-Vermischung für kontinuierliche Processabläufe.
Nun war die Möglichkeit gegeben herkömmliche Batchprozesse umzubauen zu effizienteren und wirtschaftlicheren in-line Prozessen.
Begeistert von den Ergebnissen wurden über die Jahre alle möglichen Arten von statischen Mischer gebaut, immer auf der Suche nach dem idealen Design. Aber, wie so oft schon in der Geschichte, - man kam immer wieder auf die erste Bauform zurück, gewährleistete diese Konstruktion doch ein Optimum der Parameter.

Entsprechend diesen Tatsachen ist das schraubenförmige Mischelement die Basis für einen zuverlässigen statischen Mischers (verbundene mit 34° Steigung gedrehte Elemente welche nach einer 180° -Drehung ihre Rotationsrichtung ändern.)

Bild 1: Ansicht einer statischen Mischkette, schraubenförmig

Über diese Bauform der Mischelemente hinaus sind die Möglichkeiten der Mischergestaltung nahezu unbegrenzt. Oft wird zudem publiziert, dass ein pulsierender Medienstrom für den Einsatz der statischen Mischer-Technologie unzureichend ist. Neueste Untersuchungen der Universität in Delft jedoch unterstreichen, dass bis zu 20% des Inhalts des Mischrohres auch in radialer Richtung vermischt werden.

Wie werden statische Mischer berechnet und ausgelegt ?

Über die Jahre wurden sehr viele Versuchsreihen mit der genannten Art von statischen Mischern durchgeführt. Mischeffizienz und Druckverlust wurden für die verschiedensten Anwendungen untersucht und so Erfahrung gesammelt. Mit den daraus gewonnen Daten wurde eine Graphik erstellt, die es Entwicklern und Anwendern ermöglicht statische Mischer selber zu berechnen und auszulegen.

Grafik: Kurve zur Auslegung statischer Mischereinheiten, Druckverlust und Anzahl Elemente

Als Grundlage der Berechnungen wird die Reynoldszahl herangezogen, welche nahezu alles zu der Charakteristik des Medienflusses aussagt.

Reynolds

Weiterhin liegen die allgemein bekannten Formeln für die Druckverlustberechnung eines Leerrohres für die turbulente sowie die laminare Strömung zugrunde.

Obige Formeln kennzeichnen somit den Prozess eines statischen Mischers. Der zu erwartende Druckverlust ist gleich dem Wert eines Leerrohres multipliziert mit dem Friktionfaktor "k". Dieser k-Faktor kann der gelben Linie in der Grafik entnommen werden. (Reynoldszahl à gelbe Linie à k-Wert)

Natürlich ist der Druckverlust abhängig von der Anzahl der eingesetzten Mischelemente. Diese wird in der Grafik durch die punktierte Linie verdeutlicht = "technisch homogene Mischung" (Reynoldszahl à punktierte Linie à Anzahl Elemente).
Bemerkenswert dabei ist die Tatsache, dass der niedrigste Druckverlust einer laminare Strömung und 30 Mischelementen nur den 5-fachen Wert des Druckverlustes eine Leerrohrs ausmacht. Weiterhin haben Untersuchungen gezeigt, dass der Einsatz von mehr als 30 Mischelementen keinen weiteren nennenswerten Beitrag zur Erreichung einer zufriedenstellenden Mischgüte bringt.
Dagegen ist bei einer turbulenten Strömung der Einsatz von 2 Mischelementen meistens schon ausreichend.
Zur Ermittlung der Gesamtlänge des statischen Mischers kann die Länge der Einzelelemente herangezogen werden. Diese beträgt standardmäßig Länge / Rohrdurchmesser = 1,6. d.h. die Länge eines Einzelelements beträgt 1,6 x Rohrdurchmesser.

Mit Hilfe dieser einfachen Grafik lässt sich somit das Design eines statischen Mischers eigenständig entwerfen.
à Der k-Faktor welcher zu der Angabe des Druckverlustes des statischen Mischers führt
à Die Anzahl der Mischelemente welche eine Aussage zu der Gesamtlänge der Mischereinheit zulässt

Bei Anwendung dieser Kurven wird weiterer sehr wichtiger Aspekt deutlich: diese Bauart der Mischelemente ist universell einsetzbar für hochviskose bis hochturbulente Strömungen. Somit steht dem Konstrukteur/Anwender ein sehr flexibles Gerät zur Verfügung.

Als Richtwerte können folgende Einsatzbedingungen genannte werden:

• turbulente Strömung
  - ca. 0,2 bar Druckverlust bei Verwendung von 2 bis 3 Mischelementen
• laminare Strömung
  - ca. 2 bis 6 bar Druckverlust bei Verwenung von 6 bis 12 Elementen.

Die Entwicklung heutzutage prädestiniert den statischen Mischer immer weiter auch für sensible Einsatzbereiche. So beginnen die möglichen Baugrößen bei 3mm. Auch die Materialwahl ist heutzutage sehr flexibel gestaltet: ein statischer Mischer aus Hastelloy, Glas oder Tantal ist möglich. Üblicherweise wird ein Mischer jedoch aus Edelstahl oder einem Kunststoff gefertigt, immer unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten und mit Blick auf die Medienverträglichkeit.

Damit erfüllt ein statischer Mischer die heute gestellten Anforderungen von Konstrukteuren, Anwendern und Kaufleuten: Flexibel im Design und wirtschaftlich in der Beschaffung und der Anwendung.

Eine weitere Variante des statischen Mischers stellt die Ausführung als Wärmetauscher dar. Dies ist jedoch ein weiteres umfangreiches Kapitel, welches hier nicht behandelt werden soll.

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