СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ИЛИ ДИСПЕРГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ СТАТИЧЕСКОГО СМЕШИВАНИЯ ИЛИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ
MIXING OR DISPERSING ELEMENT AND METHOD OF STATIC MIXING OR DISPERSING

Изобретение касается статического смесительного или диспергирующего элемента, а также способа смешивания и/или диспергирования жидкостей, суспензий, газов или жидкостей и газов.
В самых разных случаях применения жидкости и/или газы должны смешиваться и/или диспергироваться. Статические смесители, снабженные статическими смесительными элементами, которые выполнены в соответствии с DE 2205371 или в соответствии с CH 642564, известным образом очень хорошо пригодны для этого этапа способа.
Статические смесители состоят из ориентированно расположенных, грубо структурированных, смесительных структур, таких как перегородки, каналы и пластины, которые при протекании жидкостей, суспензий и газов осуществляют смешивающее и диспергирующее действие посредством образования завихрений и слоев. Грубо структурированной смесительная структура называется тогда, когда количество поверхностей пересечения смесительной структуры с произвольно расположенной поверхностью поперечного сечения составляет максимум 20. Поверхность поперечного сечения располагается перпендикулярно к продольной оси статического смесителя, то есть перпендикулярно основному направлению течения.
Чтобы с помощью статических смесителей добиться хорошего смешивающего и/или диспергирующего действия, а также, в частности, хорошего массообмена при реакциях, в зависимости от желаемого результата, требуется определенное количество смесительных элементов, определенное время воздействия и определенная величина сдвига. В результате этого получается необходимая длина конструкции и необходимый расход энергии. Как расход энергии, так и длина конструкции статического смесителя должны быть, естественно, как можно более низкими для поставленной задачи. Расход энергии и длина конструкции чисто статических смесителей зависят от их геометрии. Во всех случаях расход энергии, а также длина конструкции относительно велики для соответствующей задачи смешивания.
Чтобы оптимизировать длину конструкции и расход энергии таких статических смесителей, предлагалось также комбинировать смесители со смесительными элементами разной величины масштаба, что, например, показано в WO 2010066457. Благодаря этому хотя и может несколько улучшаться эффективность смесителя, но из-за необходимости изготовления множества различных смесительных элементов это является очень трудоемким, в частности, когда смесительные элементы имеют мелкомасштабную смесительную структуру.
Для смешивания, диспергирования и для теплообмена предлагались также имеющие открытые поры, неструктурированные, мелкоячеистые пенистые структуры, которые, например, описаны в DE 10327986 A1. Эти структуры отличаются большой поверхностью на единицу объема. Вследствие большой контактной поверхности смесительный, диспергирующий и теплообмен в микроскопической области является очень хорошим и эффективным. Под микроскопической областью понимается часть поперечного сечения смесителя, которая отличается смешивающим действием, местно ограниченным микроскопической областью. Микроскопическая область составляет, как правило, меньше 25% поверхности поперечного сечения. Под макроскопической областью понимается все поперечное сечение смесителя, которое отличается смешивающим действием, распространяющимся на все поперечное сечение смесителя.
Большой недостаток пенистых структур заключается, впрочем, в том, что эти ненаправленные структуры осуществляют очень плохую поперечную транспортировку, и поэтому большие различия в концентрации и температуре могут устраняться только в недостаточной степени и медленно. Если необходимо получать гомогенные смеси, дисперсии, эмульсии и температуры по всему поперечному сечению, то для этого требуются относительно длинные объемные монтируемые элементы, которые также создают относительно высокую потерю давления. Комбинация пенистых структур с различным размером пор в этом случае может также способствовать улучшению эффективности, при этом основная проблема недостаточного поперечного обмена сохраняется.
Задачей изобретения является добиться смешивания, диспергирования или реакции жидкостей, суспензий, газов или жидкостей и газов с наименьшим возможным расходом энергии и наименьшей возможной монтажной длиной.
Задача изобретения решается с помощью смесительного или диспергирующего элемента, который содержит канал, в котором расположен вставной элемент, содержащий пенистую структуру. Дополнительно в канале расположен статический смесительный элемент для макроскопического смешивания или для предварительного диспергирования или для макроскопического диспергирования, причем он предпочтительно по меньшей мере частично расположен выше по потоку относительно вставного элемента.
Под макроскопическим смешиванием в этой заявке понимается крупномасштабное смешивание, на большей части поверхности поперечного сечения смесительного или диспергирующего элемента. Под диспергированием подразумевается, когда в первой текучей среде распределяется по меньшей мере одна не смешиваемая вторая текучая среда. Первая текучая среда образует первую фазу, вторая текучая среда вторую фазу. Под предварительным диспергированием понимается разложение несмешиваемой второй фазы на относительно крупные капли, обычно больше 1 мм, которые распределены по всей поверхности поперечного сечения смесительного или диспергирующего элемента. Под макроскопическим диспергированием понимается равномерное распределение имеющихся капель по всей поверхности поперечного сечения смесительного или диспергирующего элемента.
Предпочтительно статический смесительный элемент выполнен в качестве первого статического смесительного элемента, а ниже по потоку относительно вставного элемента расположен по меньшей мере один второй статический смесительный элемент.
Ниже по потоку относительно второго статического смесительного элемента может быть расположен по меньшей мере один второй вставной элемент, чтобы добиться еще лучшего диспергирования.
По одному из альтернативных примеров осуществления по меньшей мере один из статических смесительных элементов может содержать вставной элемент.
Между вставным элементом или по меньшей мере одним из первого или второго вставных элементов и статическим смесительным элементом может быть выполнено расстояние.
В частности, вставной элемент может содержать пенистую структуру, которая имеет открытые поры. Под пенистой структурой, которая отличается открытыми порами, ниже должна пониматься пенистая структура, у которой отдельные поры не отделены друг от друга стенками. Пора может рассматриваться как отверстие или полость. Существуют большие отверстия между граничащими порами, через которые может течь текучая среда. Для пенистой структуры с открытыми порами стенки между порами практически полностью удалены. Отверстия в стенках так велики, что от стенки остается только лишь перегородка, которая образует краевое ограничение соседних пор. Разумеется, может быть предусмотрено несколько перегородок.
Пенистая структура может включать в себя металл, металлический сплав, в частности алюминиевый сплав, керамику, стекло, углерод и/или полимерный материал. Эта пенистая структура обладает тем преимуществом, что она имеет очень большую внутреннюю поверхность, которая может использоваться для дробления и размельчения границы раздела фаз.
Пенистая структура может иметь размер пор до 100 PPI включительно. PPI представляет собой общепринятую единицу измерения, характеризующую размер пор пенистой структуры. Она является сокращением выражения «пор на дюйм». Особенно предпочтительно, если размер пор находится в диапазоне от 10 до 100 PPI включительно.
Доли свободного объема пенистой структуры, которая может применяться для диспергирующего элемента, составляют от 40 до 97%, предпочтительно от 50% до 95%.
Пенистая структура может изготавливаться посредством разных способов. Например, на первом этапе способа в качестве основы может применяться полиуретановая пена с открытыми порами. Существенное преимущество при применении полиуретановой пены заключается в том, что самые различные формы и размеры пор заданным образом могут изготавливаться промышленным способом. Из полиуретановой пены на втором этапе способа может изготавливаться литейная форма для литья из легкого металла с теряемой формой. Эта литейная форма содержит желаемую пенистую структуру. Также в промышленности для получения пенистых структур применяются технологии CVD (Chemical vapor deposition - химическое парофазное осаждение) или другие способы, которые базируются на полиуретановых пенах в качестве модели. Кроме того, находятся в разработке или уже применяются разные другие способы получения пенистых структур с открытыми порами. Альтернативно пенистая структура может также изготавливаться с компьютерной поддержкой посредством технологий Rapid Manufacturing (быстрого прототипирования) из разных материалов, в частности, вышеназванных. Под Rapid Manufacturing понимается процесс, при котором пространственная геометрия получается за счет слоистой конструкции, при этом слои предпочтительно создаются путем плавления порошков.
Удивительным образом при применении пенистой структуры в комбинации со статическим смесителем для смешивания и/или диспергирования необходимый расход мощности и энергии по сравнению с традиционными статическими смесителями может быть уменьшен на величину, равную до 80%. Благодаря этому могут строиться компактные смесительные и диспергирующие элементы. При этом компактный означает, что длина смесительного или диспергирующего элемента уменьшена по сравнению с длиной чисто статического смесительного элемента. Уменьшение длины может составлять от 10 до 60%. Содержащаяся пенистая структура имеет предпочтительно длину L и диаметр D, при этом отношение L/D меньше 5, предпочтительно меньше 3, особенно предпочтительно меньше 2. Неожиданным образом удается при отношении L/D меньше 5 в комбинации со статическими смесительными элементами изготавливать смеси и дисперсии такого же качества, как и с помощью статического смесительного элемента, известного ранее из уровня техники.
Смесительный или диспергирующий элемент пригоден, в частности, для получения смесей, эмульсий, дисперсий или пен. В этой заявке термин дисперсия употребляется для систем, в которых капли и/или пузыри больше, чем примерно 50-100 микрометров. Термин эмульсия применяется для систем с каплями меньшего размера и/или пузырей.
Каждый из вставных элементов может содержать пенистую структуру с различными размерами пор. Пенистая структура включает в себя предпочтительно металл, металлический сплав, керамику, стекло, углерод и/или полимерный материал.
Смесительный или диспергирующий элемент по одному из предыдущих примеров осуществления может также содержать средство для темперирования. Например, канал может быть снабжен средством для темперирования или охвачен средством для темперирования.
По меньшей мере часть смесительного или диспергирующего элемента может быть выполнена в виде каталитической поверхности, в частности в виде каталитической поверхности гидролиза.
Смесительный или диспергирующий элемент может применяться либо для переработки уже предварительно смешанных или предварительно диспергированных систем текучих сред, либо подлежащая смешиванию или диспергированию жидкая или газообразная фаза дозированно добавляется при переработке. В случае дозированного добавления подлежащей смешиванию или диспергированию текучей среды по меньшей мере один дозирующий элемент может входить в канал, в котором расположен смешивающий или диспергирующий элемент. Дозирующий элемент служит для внесения текучей среды в текущую в канале первую жидкость. Текучая среда может представлять собой газ или вторую жидкость. В частности, текучая среда и первая жидкость текут по каналу в однонаправленном потоке.
Дозирующий элемент предпочтительно расположен выше по потоку относительно диспергирующего элемента. Возможен также монтаж дозирующего элемента в диспергирующие элементы. Для равномерного распределения подлежащей диспергированию фазы несколько дозирующих элементов могут также входить в канал или быть встроены в диспергирующий элемент.
Дозирующий элемент может быть выполнен в виде трубы с дозирующими отверстиями. Дозирующее отверстие может быть, например, выполнено в виде форсунки. В области дозирующего отверстия может быть предусмотрено колено, чтобы подлежащая диспергированию фаза могла оптимально распределяться в диспергирующем элементе. Для лучшего распределения подлежащей диспергированию фазы подводящий трубопровод может питать несколько дозирующих элементов, так что количество расположенных в канале точек питания для подлежащей диспергированию фазы увеличивается.
Способ получения смеси или дисперсии в соответствии с изобретением включает в себя следующие этапы: на первом этапе одновременно первая текучая среда и вторая текучая среда вводятся в канал, при этом первая текучая среда приводится в контакт со второй текучей средой на втором этапе в смесительном или диспергирующем элементе, при этом смесительный или диспергирующий элемент содержит вставной элемент для микроскопического смешивания или диспергирования, который содержит пенистую структуру, расположенную в канале, а также в канале расположен дополнительно статический смесительный элемент для макроскопического смешивания или для предварительного диспергирования или для макроскопического диспергирования, при этом первая текучая среда и вторая текучая среда в однонаправленном потоке направляются через смесительный или диспергирующий элемент и через вставной элемент, благодаря чему вторая текучая среда и первая текучая среда смешивается или диспергируется.
Первая текучая среда может представлять собой первую жидкость или первый газ, а вторая текучая среда может представлять собой вторую жидкость или второй газ.
Способ получения смеси или дисперсии применяется, например, при изготовлении дисперсий или эмульсий в пищевых продуктах, продуктах домашнего обихода или косметике. Также при получении больших поверхностей для реакций, растворении газа в жидкости, как, например, обработка воды озоном, необходимо диспергирование. Способ пригоден также в особенности для смешивания жидкостей с большими различиями вязкости и/или сильно отличающимися условиями объемного расхода или для смешивания жидкостей с плохим смачиванием. Газы могут очищаться путем добавления моющих жидкостей эффективно и с очень низкой потерей давления. Жидкости могут также посредством распылительной форсунки дозированно подаваться в поток газа и с помощью устройства быстро и полностью испаряться.
Ниже изобретение поясняется с помощью чертежей. Показано:
фиг.1 - схематичный вид вставного элемента, снабженного пенистой структурой;
фиг.2 - смесительный или диспергирующий элемент, снабженный вставным элементом, показанным на фиг.1, по первому примеру осуществления;
фиг.3 - детальное изображение имеющей открытые поры пенистой структуры вставного элемента;
фиг.4 - сечение смесительного или диспергирующего элемента по второму примеру осуществления;
фиг.5 - сечение смесительного или диспергирующего элемента по третьему примеру осуществления;
фиг.6 - сечение смесительного или диспергирующего элемента по четвертому примеру осуществления;
фиг.7 - сечение смесительного или диспергирующего элемента по пятому примеру осуществления;
фиг.8 - сечение смесительного или диспергирующего элемента по шестому примеру осуществления.
Смесительный или диспергирующий элемент 1, показанный на фиг.1, включает в себя канал 2, в котором расположен вставной элемент 3, который содержит пенистую структуру. Канал на фиг.1 изображен частично в сечении, так что виден вставной элемент. Вставной элемент, показанный на фиг.1, полностью состоит из пенистой структуры. При известных условиях пенистая структура может быть охвачена элементом боковой поверхности для облегчения монтажа в канал 2.
Канал 2, показанный на фиг.1, изображен в виде трубы с круглым поперечным сечением. Разумеется, канал может иметь любую другую форму поперечного сечения, в частности быть выполнен прямоугольным.
На фиг.2 изображен смесительный или диспергирующий элемент 10. Смесительный или диспергирующий элемент включает в себя также канал 2, в котором расположены первый и второй вставной элемент 3, 4. Между первым и вторым вставным элементом 3, 4 предусмотрен первый статический смесительный элемент 5, который выполнен в соответствии с CH 642564. Кроме того, показан второй статический смесительный элемент 6, встроенные части которого, по существу, соответствуют DE 2205371. Первый статический смесительный элемент 5 установлен так, что он непосредственно граничит с первым, а также вторым вставным элементом. Второй статический смесительный элемент 6 расположен на расстоянии от второго вставного элемента 4.
На чертеже не изображен дозирующий элемент для ввода текучей среды в текущую по каналу 2 жидкость. Такого рода дозирующий элемент показан, например, в EP 1956206 A2.
Этот пример осуществления является только образцом изображения возможного расположения смесительных или диспергирующих элементов и статических смесительных элементов с получением смесительного или диспергирующего узла, изобретение никоим образом не следует считать ограниченным этим примером осуществления.
На фиг.3 показан пример пенистой структуры, которая имеет открытые поры. Изображенный на фиг.3 фрагмент может быть, например, интегрирован в одну из пенистых структур, показанных на фиг.1 или фиг.2. Пора представляет собой отверстие или полость, которая на фиг.3 ограничена угловыми точками 11, 12, 13 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Отдельные поры не отделены друг от друга стенками. Например, поверхность, которая задается угловыми точками 11, 12, 13 14, 15, выполнена в виде отверстия 21. Это отверстие 21 находится между вышеназванными порами и не изображенной на чертеже находящейся перед плоскостью чертежа порой. Для граничащих пор возможно протекание текучей среды через отверстия. Отверстие 21 ограничивается перегородками 22, 23, 24, 25, 26, которые образуют краевое ограничение смежных пор.
Практика показывает, что при применении пенистых структур для микроскопического смешивания и/или дисперсии при процессе в режиме однонаправленного потока маловероятно возникновение собственно неравномерного распределения, и большая внутренняя поверхность пенистой структуры приводит к очень эффективному микроскопическому смешиванию и диспергированию. Микроскопическое смешивание определено как смешивающее действие, ограниченное микроскопической областью. Таким образом, под микроскопическим смешиванием понимается зонально ограниченное смешивание, которое происходит не по всему поперечному сечению смесительного или диспергирующего элемента. Под неравномерным распределением должно при этом пониматься неравномерное перемешивание. Если провести сечение через поверхность поперечного сечения диспергирующего элемента, были бы видны зоны с достаточным перемешиванием с зонами с недостаточным перемешиванием. Это значит, для частей поверхности поперечного сечения перемешивание находится ниже ожидаемого значения, то есть речь идет о зоне недостаточного перемешивания, для других частей поверхности поперечного сечения перемешивание соответствует ожидаемому значению или превышает это ожидаемое значение, то есть имеется зона достаточного перемешивания.
Крупномасштабное смешивание с помощью одной только пенистой структуры недостижимо, так как пенистые структуры являются ненаправленными. Под крупномасштабным смешиванием при этом понимают процесс смешивания, при котором текучая среда или газ движется на больших дистанциях перпендикулярно к основному направлению течения, и за счет движений текучей среды или газа выравниваются неравномерности распределения отдельных компонентов в текучей среде или в газе в плоскостях, перпендикулярных к основному направлению течения. Поэтому предпочтительна комбинация классических статических смесительных элементов с крупномасштабным смешиванием и предварительным диспергированием пенистых структур для микроскопического смешивания и тонкого диспергирования. Под тонким диспергированием понимается результат микроскопического диспергирования, то есть дисперсия или эмульсия, в которой находится диспергированная фаза с максимальным размером капли меньше 2 мм, предпочтительно меньше 1 мм. Даже путем комбинации пенистых структур с различным размером пор не может достигаться достаточное крупномасштабное смешивание.
Возможно также применение шаровой упаковки, которая также имеет открытые поры. Существенное отличие шаровых упаковок от описанных выше пенистых структур заключается в том, что шаровые упаковки обычно имеют 25-40% свободного объема, и поэтому значительно худшее отношение объема к поверхности, а также более высокие потери давления. Описанные пенистые структуры имеют свободный объем, равный от 40 до 97% включительно.
На фиг.4 показан смесительный или диспергирующий элемент 30 по второму примеру осуществления изобретения, который имеет статический смесительный элемент 5, а также вставной элемент 3. Проточный канал 2 для этого изображен рассеченным вдоль своей продольной оси. Статический смесительный элемент 5 содержит первую систему 7 элементов перегородок и вторую систему 8 элементов перегородок. Каждые два смежных элемента перегородок относятся либо к первой системе 7, либо ко второй системе 8. Каждая из первой или второй систем может содержать несколько элементов перегородок. Элементы перегородок являются препятствием для течения текучей среды, элементы перегородок обтекаются текучей средой, благодаря чему происходит перенаправление и/или образование завихрений течения текучей среды. Благодаря этому перенаправлению и/или образованию завихрений течения происходит перемешивание. В частности, элементы перегородок могут быть выполнены по CH 642564 или EP 0526392 A1. Направление протекания может проходить, в зависимости от случая применения, сначала через смесительный элемент, а затем через пенистую структуру, или же наоборот.
Ниже по потоку относительно статического смесительного элемента расположен вставной элемент 3, который имеет конструкцию в соответствии с одной из фиг.1-3.
На фиг.5 показан смесительный или диспергирующий элемент 40 по третьему примеру осуществления изобретения, который имеет статический смесительный элемент 5, а также вставной элемент 3. Вставной элемент 3 расположен ниже по потоку относительно статического смесительного элемента 5. Ниже по потоку относительно вставного элемента 3 расположен другой статический смесительный элемент 6. Статический смесительный элемент 6 может иметь такую же конструкцию, как и статический смесительный элемент 5, который, в частности, может быть выполнен как на фиг.4. Альтернативно этому статический смесительный элемент 6 и/или статический смесительный элемент 5 может также иметь другую конструкцию, например, как на фиг.2 для показанного там статического смесительного элемента 6.
На фиг.6 показан смесительный или диспергирующий элемент 50 по четвертому примеру осуществления изобретения, который имеет первый статический смесительный элемент 5, а также первый вставной элемент 3, который расположен ниже по потоку относительно первого статического смесительного элемента 5. После первого вставного элемента 3, то есть ниже по потоку относительно него, расположен второй статический смесительный элемент 6. Ниже по потоку относительно статического смесительного элемента 6 расположен второй вставной элемент 4. Ниже по потоку относительно второго вставного элемента 4 расположен третий статический смесительный элемент 35 и ниже по потоку относительно этого третьего статического смесительного элемента расположен третий вставной элемент 33. Разумеется, можно расположить другие статические смесительные элементы и/или вставные элементы в соответственно измененной последовательности. Можно также образовать группу по меньшей мере из 2 вставных элементов, которая расположена после одного или группы по меньшей мере из 2 статических смесительных элементов.
Разумеется, можно также расположить по меньшей мере один из статических смесительных элементов под углом относительно одного из других статических смесительных элементов. В частности, положение первого статического смесительного элемента может быть повернуто на 90° вокруг продольной оси канала относительно второго статического смесительного элемента.
На фиг.7 показан смесительный или диспергирующий элемент 60 по пятому примеру осуществления изобретения. Этот диспергирующий элемент имеет то же расположение статических смесительных элементов 5, 6, 35 и то же расположение вставных элементов 3, 4, 33, как и на фиг.6, впрочем, вставной элемент 33 находится на расстоянии относительно статического смесительного элемента 35. Такого рода расстояние может быть предпочтительно, чтобы обеспечить более длинный смесительный участок ниже по потоку относительно статического смесительного элемента, так чтобы перемешивались отдельные потоки текучей среды, которые образуются при перенаправлении течения текучей среды вдоль поверхностей первой и второй систем 7, 8 элементов перегородок.
Разумеется, это расстояние может быть также предусмотрено в любом другом месте смесительного или диспергирующего элемента 60. Можно также предусмотреть соответствующие расстояния в смесительных или диспергирующих элементах 1, 10, 30, 50 предыдущих примеров осуществления или, соответственно, в диспергирующем элементе 70 следующего примера осуществления.
На фиг.8 показан смесительный или диспергирующий элемент 70 по шестому примеру осуществления изобретения. Этот смесительный или диспергирующий элемент 70 содержит четыре последовательно расположенных статических смесительных элемента 5, 6, 35 и 36. Один из статических смесительных элементов, здесь статический смесительный элемент 36, встроен во вставной элемент 34. Таким образом, смесь текучих сред одновременно протекает через статический смесительный элемент 36 и вставной элемент 34. Благодаря этому принцип действия статического смесительного элемента может комбинироваться с принципом действия вставного элемента, то есть одновременно происходит крупномасштабное перемещение течения через системы элементов перегородок статического смесительного элемента и микроскопическое смешивание или, соответственно, диспергирование через вставной элемент 24.
Дополнительно на фиг.8 показан канал 9, в котором может течь средство 27 для темперирования. Канал 9 охватывает канал 2, по которому течет смесь текучих сред. Канал 9 может быть, в частности, выполнен кольцеобразно. Это значит, что канал охватывает наружную боковую поверхность корпусного элемента 29 в качестве другого корпусного элемента 31. Корпусной элемент 29 и корпусной элемент 31 при этом предпочтительно выполнены в виде трубы. Альтернативно этому несколько каналов может быть расположено на наружной боковой поверхности корпусного элемента 29, ограничивающего канал 2, один из примеров осуществления, который на чертеже не изображен.
Средство 27 для темперирования течет, как показано на фиг.8, в противотоке со смесью 28 текучих сред, альтернативно возможно также направление в однонаправленном потоке или в перекрестном потоке.
Оказалось, что комбинация смесительных элементов, снабженных вставными элементами, включающими в себя имеющие открытые поры пенистые структуры, позволяет получить очень короткие и энергетически эффективные устройства для смешивания, для диспергирования и эмульгирования, а также для теплообмена. Эти устройства могут быть, в зависимости от постановки задачи, значительно короче, а также иметь значительно меньшую потерю давления, чем одни только статические смесительные элементы или вставные элементы, которые состоят только из пенистых структур с открытыми порами. Первая часть диспергирующего элемента по одному из предыдущих примеров осуществления при этом предпочтительно образуется статическими смесительными элементами, смешивающими по всему поперечному сечению. Статический смесительный элемент или несколько статических смесительных элементов осуществляют крупномасштабное первое перемешивание или диспергирование компонента, дозированно подаваемого в поток текучей среды или газа, с целью образования смеси текучих сред.
Предпочтительно применяются статические смесительные элементы 1-5. Вставной элемент смесительного или диспергирующего элемента 1, 10, 30, 40, 50, 60, 70 состоит тогда предпочтительно из мелкоячеистой пены с открытыми порами. В ней предварительно смешанная или, соответственно, предварительно диспергированная смесь текучих сред на коротком участке интенсивно продолжает перемешиваться или диспергироваться в микроскопической области. Применяемые пенистые структуры имеют предпочтительно долю свободного объема больше 70, 80, 90%.
Специально для применения смесительного или диспергирующего элемента с целью диспергирования может быть целесообразен другой статический смесительный элемент или несколько статических смесительных элементов, чтобы гомогенно распределять образовавшиеся тонкие пузыри или капли по всему поперечному сечению канала. В зависимости от случая применения, например, при теплообмене или при проведении химических реакций, целесообразны также несколько последовательностей статических смесительных элементов и пенистых структур. Так, например, теплообменник может состоять из трубы с двойной оболочкой, в которой циркулирует жидкость-теплоноситель. Тепловая энергия тогда подводится или отводится через стенки трубы. В тех областях, в которых в трубе расположены пенистые структуры из металла, теплопередача очень высока, что обусловлено хорошей теплопроводностью и большой поверхностью пенистой структуры. В тех областях, которые содержат один или несколько статических смесительных элементов, возникающие градиенты температуры снова выравниваются по всему поперечному сечению, и таким образом движущий перепад температуры снова повышается, что затем в следующем участке, снабженном пенистой структурой, снова приводит к очень эффективному теплообмену. Для теплообмена смесительные элементы могут состоять также из труб, по которым протекает среда-теплоноситель.
Если в смесительном или диспергирующем элементе должны протекать химические реакции, посредством нескольких последовательно расположенных последовательностей пенистых структур и статических смесительных элементов могут обеспечиваться очень короткое время воздействия и высокий выход реакции. Особенно предпочтительно смесительный или диспергирующий элемент может применяться для реакции газ/жидкость, которая протекает по меньшей мере в две фазы. Под фазой здесь следует понимать агрегатное состояние отдельных компонентов. Один компонент может, например, находиться в газообразной форме, то есть в виде газообразной фазы, другой компонент может находиться в жидком агрегатном состоянии, то есть в жидкой фазе.
Во всех примерах осуществления размер пор пенистой структуры предпочтительно меньше 1/5, в частности меньше 1/10, особенно предпочтительно меньше 1/20 расстояния между смежными элементами перегородок, промежутками между пластинами или промежутками между каналами. Элементы перегородок, элементы пластин или каналы соответственно относятся к первой системе 7 или, соответственно, второй системе 8 статических смесительных элементов.
В принципе можно также комбинировать статические смесительные элементы с пенистой структурой на одном и том же участке, причем тогда по меньшей мере часть промежутков в смесительном элементе заполняется дополнительной пенистой структурой. Между отдельными сегментами смесительных элементов и/или пенистых структур могут также находиться пустоты. Могут также осуществляться комбинации пенистых структур с различным размером пор, а также различных смесительных элементов и различным образом масштабированных смесительных элементов. Пенистые структуры и смесительные элементы могут изготавливаться из различных материалов, таких как, например, метал, керамика, полимерный материал.
Описанные смесительные или диспергирующие элементы пригодны для смешивания, для производства эмульсий, дисперсий, пен и для теплообмена. Изготовление смесительных элементов и пенистых структур может осуществляться традиционными способами, а также по технологии Rapid Manufacturing (быстрого прототипирования). Описанные смесительные или диспергирующие элементы могут также изготавливаться с наиболее оптимальными затратами. Путем применения пенистых структур количество статических смесительных элементов по сравнению со статическими смесителями по уровню техники может быть значительно сокращено, что также приводит к значительно меньшим потерям давления. Статические смесительные элементы могут дополнительно служить опорными и крепежными структурами для пенистых структур. Это интересно, в частности, при диаметрах, составляющих более 10 см, так как там пенистые структуры по отношению к диаметру трубы могут быть относительно тонкими и должны соответственно опираться. Крепление осуществляется предпочтительно простейшим способом посредством опорного элемента.