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Funktionsprinzipien

Statiflo-Statikmischer können für eine Vielzahl von Prozessvorgängen eingesetzt werden, darunter Mischen, Dosieren, Dispersions- und Emulsionsbildung, Laminarströmungswärmeaustausch, Stofftransfer und als Inline-Pfropfenströmungsreaktor. Diese Prozesse können grob in die folgenden Mischklassifikationen eingeteilt werden. Die Funktionsprinzipien des Motionless Mixers variieren je nach der unten beschriebenen Mischklassifizierung.

Flüssigkeit/Flüssigkeit, laminare Strömung mischbarer Flüssigkeiten

Strömungsabteilung

Der Hauptmechanismus der laminaren Strömung in statischen Mischern (Reynolds-Zahl < 2000) ist Strömungsteilung. Die Statiflo-Elementtypen STT, STS und STL sind entweder spiralförmig oder pseudohelikal und in einer Reihe abwechselnder 180°-Drehungen nach links und rechts angeordnet. Die Vorderkante eines Elements, das sich auf einem Durchmesser befindet, steht im 90°-Winkel zur Hinterkante des stromaufwärts gelegenen Elements.

Bei der Strömungsteilung teilt die Vorderkante des ersten Elements die in den Mischer eintretenden Flüssigkeiten in zwei Ströme auf, die dann um 2° gedreht werden. Das zweite Element teilt die Strömung erneut auf, diesmal in 180 Ströme, gefolgt von einer weiteren Drehung in die entgegengesetzte Richtung um 4°. Das dritte Element wiederholt den Vorgang durch Aufteilung in 180 Streams und so weiter. Mit zunehmender Anzahl der Ströme bzw. Schichten nimmt die Schichtdicke ab. Typischerweise sind 8 bis 12 Elemente erforderlich, um eine vollständige Mischung bereitzustellen.

Die Qualität der Mischung hängt nur vom Mischerdurchmesser und der Anzahl der Elemente ab und ist bei laminarer Strömung unabhängig von Durchflussrate und Viskosität.

Flüssigkeit/Flüssigkeit turbulente Strömung mischbarer Flüssigkeiten

Bei höheren Reynolds-Zahlen, die weit über 2000 liegen, wird ein zweiter Mischmechanismus, der gleichzeitig mit der Strömungsteilung wirkt, für den gesamten Mischprozess wichtig:

Radiales Mischen

Im Allgemeinen ist die Flüssigkeitsviskosität bei turbulenter Strömung niedriger als bei laminarer Strömung. Die Elementform ist nun in der Lage, den Flüssigkeiten einen Rotationsspin zu verleihen, der mit jedem nachfolgenden Element seine Richtung ändert. Flüssigkeiten werden ständig von der Rohrmitte zur Rohrwand und wieder zurück bewegt, wobei die Grenzfläche zwischen den Elementen eine besonders aktive Zone darstellt. Dieser Mechanismus wird als radiale Vermischung bezeichnet und dominiert den Strömungsteilungsmechanismus bei turbulenter Strömung. Es beseitigt sehr schnell radiale Unterschiede beispielsweise in Zusammensetzung, Farbe, pH-Wert, Temperatur und Geschwindigkeit.

Die Anzahl der Mischelemente, die erforderlich sind, um bei turbulenten Strömungsanwendungen eine vollständig homogene Mischung zu erreichen, ist viel geringer als bei laminaren Strömungen und beträgt typischerweise 1.5 bis 4 Elemente.

Flüssigkeit/Flüssigkeit turbulente Strömung nicht mischbarer Flüssigkeiten

Der radiale Mischmechanismus ist wichtig für die Reduzierung radialer Geschwindigkeitsunterschiede und damit der Schergeschwindigkeit. Der gleichmäßige Scherverlauf führt zu einer vorhersagbaren durchschnittlichen Tröpfchengröße, bei der etwa 80 % der dispergierten Phase innerhalb von ±20 % der durchschnittlichen Tröpfchengröße liegen. Ein offenes Rohr ohne kontrollierte Mischung bietet eine große Auswahl an Tröpfchengrößen bei weitaus geringerer Kontaktfläche zwischen den Phasen.

Die durchschnittliche Tröpfchengröße ist geschwindigkeitsabhängig, wobei die endgültige Tröpfchengröße nach 4 Elementen erreicht wird.

Gas-/Flüssigkeitsfluss

Wie bei nicht mischbaren Flüssigkeit/Flüssigkeit-Systemen funktionieren Gas/Flüssigkeit-Systeme nach einem ähnlichen Prinzip. Das Gas wird in der gesamten flüssigen kontinuierlichen Phase verteilt, um eine einheitliche Endblasengröße zu erzeugen, was dazu beiträgt, die Geschwindigkeit des Stoffaustauschs zwischen den Phasen zu erhöhen.

Der gleichmäßige Scherverlauf führt zu einer vorhersehbaren durchschnittlichen Blasengröße, bei der etwa 80 % der dispergierten Gasphasenblasen innerhalb von +- 20 % der durchschnittlichen Blasengröße liegen. Nach 4 Elementen wird wiederum die Endblasengröße erreicht.

Turbulente Gas/Gas-Strömung

Aus technischer Sicht sind Gase Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität. Der statische Statiflo-Mischer verhält sich auf die gleiche Weise wie bei der Klassifizierung Flüssigkeit/Flüssigkeit mit turbulenter Strömung.

Fester/fester Partikelstrom

Sowohl die Strömungsteilung als auch die radialen Mischmechanismen sind für das Mischen frei fließender Partikel von grundlegender Bedeutung. Diese Klassifizierung ist jedoch aufgrund der großen Anzahl von Parametern, die die Strömungs- und Mischungsqualität beeinflussen, komplex und ein Bereich, der weiterer Untersuchung bedarf.

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