Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen und Stoffgemischen
Vorliegendes Patent bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen und Stoffgemischen, z. B. zur Aufschliessung, Lösung, Vermischung, Emulgierung, Homogenisierung, Verfeinerung, Vergrösserung der Kontaktfläche, gegebenenfalls zur Durchführung oder Beschleunigung chemischer Kontaktprozesse usw.
Bei bekannten Verfahren, in welchen man den zu behandelnden Stoff durch einen konischen Ringspalt leitet, muss der Stoff schon von Beginn an sehr energisch angegriffen werden, wobei oft wertvolle Eigenschaften der Struktur verlorengehen. So tritt bei diesen Verfahren, z. B. bei der Behandlung faseriger Stoffe, deren Faserstruktur und Faserlänge für das Endprodukt von Wichtigkeit ist, eine Kürzung oder andere Beschädigung der Einzelfaser und damit eine Schwächung des Endproduktes, z. B. des Papiers, ein.
Bei diesen Verfahren ist aber anderseits die Wirkung ungenügend, wenn die Durchführungsbedingungen auf schonende Behandlung des Stoffes ausgerichtet sein sollen. Der Stoff kann dann weitgehend durch den Ringspalt in ungenügend behandeltem Zustand abfliessen, weil er nur stellenweise und nur zufällig in eine Scherungszone gelangt. Wegen der ungleichmässigen Scherung erhält der Stoff auch nur eine inhomogene Behandlung. Bei der Durchführung chemischer Kontaktprozesse sind bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen verhältnismässig lange Verweilzeiten und Reaktionszeiten erforderlich. Auch sind vielfach ungenügende Homogenität und ungenügende Kontaktfläche die Ursache ungleichmässiger Stoffstruktur.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren werden diese Nachteile dadurch behoben, dass der Stoff einem mindestens eine Arbeitsstufe aufweisenden Arbeitsspalt unter Beschleunigung zugeführt, in demselben in mehrere Arbeitsräume aufgeteilt, dabei in seiner Fortbewegungsgeschwindigkeit periodisch gehemmt und dadurch in Schwingungen versetzt und gleichzeitig der Scherung, Prallung und Zerreissung ausgesetzt wird.
Die Frequenz, mit welcher der Stoff in seiner Fortbewegungsgeschwindigkeit periodisch gehemmt und dadurch in Schwingungen versetzt wird, kann je nach Stoffstruktur und Behandlungszweck gewählt werden und somit im Schall- oder Ultraschallbereich liegen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Stoff mindestens in einem Teil des Arbeitsspaltes in Schwingungen versetzt werden, deren Frequenz im Ultraschallbereich liegt.
In den Stoff können während seiner Behandlung Zusatzstoffe bzw. Reagenzien eingeführt werden.
Vorzugsweise werden diese Zusatzstoffe bzw.
Reagenzien in den Arbeitsspalt eingeführt.
In besonders zweckmässiger Weise kann der Stoff schon vor dem Arbeitsspalt einer Vorbehandlung durch Scherung, Prallung oder Mahlung unterworfen werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Stoff nach dem Arbeitsspalt einer plötzlichen Entspannung unterworfen werden.
Ferner kann er nach der Entspannung der Wirkung einer weiteren Arbeitsstufe unterworfen werden; vorzugsweise wird er in dieser weiteren Arbeitsstufe Wirkungen mit Ultraschall-Frequenzen ausgesetzt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten, relativ zueinander rotierenden, einen Arbeitsspalt zwischen sich einschliessenden Körpern und ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Körper wenigstens einen Kranz von in den Arbeitsspalt hineinragenden Organen aufweist, wobei die be nachbarten Organe desselben Kranzes Hohlräume begrenzen und so bemessen sind, dass sie die Fortbewegung des Stoffes durch den Arbeitsspalt periodisch unterbrechen.
Die beiden Körper können ausser mindestens einer aus zusammenarbeitenden Organkränzen bestehenden Arbeitsstufe noch mindestens eine Stufe von zusammenarbeitenden, in Richtung der Mantellinien oder geneigt zu den Mantellinien oder längs gekrümmten Linien verlaufenden Rippen aufweisen.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung erlauben nun bei schonender Behandlung eine intensive, homogene Behandlung des Stoffes.
Durch zweckmässige Anordnung weiterer Stufen vor und/oder nach dem Arbeitsspalt kann man ausserdem mit dem erfindungsgemässen Verfahren und der Vorrichtung Behandlungen mit allen technisch interessanten Frequenzen und Intensitäten bei bester Qualität des Endproduktes erreichen.
Die Zeichnung zeigt einige beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung und Anwendungsbeispiele derselben.
Fig. I ist ein Axialschnitt durch das erste Beispiel, den konischen Rotor zur Hälfte in Ansicht zeigend.
Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch das zweite Beispiel und
Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2, wobei der erweiterte Teil des Konusgehäuses teilweise weggebrochen ist.
Fig. 4 ist ein Axialschnitt durch die dritte Ausführungsform, und die
Fig. 5 bis 8 sind Schnitte gemäss den Linien V-V, VI-VI, VIl-VIl und VIII-VIII der Fig. 4.
Fig. 9 ist ein Axialschnitt durch die eine Hälfte des vierten Beispiels,
Fig. 10 eine Variante zu Fig. 6 in grösserem Massstabe,
Fig. 11 ein Axialschnitt durch einen Teil des fünften Beispiels, die Schaufeln und die Schnecke in Ansicht zeigend.
Fig. 12 zeigt den Einbau der Vorrichtung gemäss Fig. 4 in einem Umleitungssystem.
Fig. 13 bis 17 zeigen im Axialschnitt verschiedene Anwendungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 1 hat ein konisches, zweiteiliges, den Stator bildendes Gehäuse 1 mit einem Einlassstutzen 2 und einem Auslassstutzen 3. Die beiden Gehäusehälften sind mittels Flanschen 4 miteinander verschraubt. Beim Eintritt hat das Gehäuse 1 an seiner Innenwandung zuerst längs Mantellinien verlaufende Statorrippen 5 von rechteckigem, trapezförmigem oder anderem Querschnitt mit dazwischenliegenden, in der Hauptbewegungsrichtung des zu behandelnden Stoffes verlaufenden Statorrillen oder -kanälen 6. Auf die Statorrippen 5 folgen am Gehäuse 1 drei Reihen von Organkränzen 7. Jeder auf einen vorangehenden Organkranz folgende Organkranz hat zwecks Steigerung der Frequenz der auf den Stoff einwirkenden Effekte eine grössere Anzahl Organe und kleinere Organquerschnitte als der vorangehende.
Auf die Organkränze 7 folgen am Gehäuse 1 wiederum längs Mantellinien der konischen Gehäuseinnenwandung verlaufende Statorrippen 8 mit dazwischenliegenden, in der Hauptbewegungsrichtung verlaufenden Rillen oder Kanälen 9. An diese Rippen 8 schliessen sich am Gehäuse 1 als Teil einer letzten Behandlungsstufe vier Stator-Organkränze 10 an. Jeder in der Hauptbewegungsrichtung auf den vorangehenden Organkranz folgende Organkranz hat zwecks Steigerung der Frequenz der auf den Stoff wirkenden Effekte eine grössere Anzahl von Organen mit kleinerem Querschnitt als der vorangehende Organkranz 10. In Lagern 11 des zweiteiligen Gehäuses 1 ist eine Welle 12 drehbar gelagert, die für ihren Antrieb eine Riemenscheibe 13 oder dergleichen trägt. Auf der Welle 12 ist der konische, hohle Rotor 14 befestigt.
Dieser Rotor 14 hat im Bereiche der Statorrippen 5 längs den Mantellinien verlaufende Rotorrippen 15 gleichen oder anderen Querschnitts als die Statorrippen 5 und zwischen den Rippen 15 in der Hauptbewegungsrichtung verlaufende Rillen oder Kanäle 16. Im Bereiche der Stator-Organkränze 7 trägt der Rotor 14 drei zwischen die Stator-Organkränze 7 greifende, mit den Organkränzen 7 scherend zusammenarbeitende Organkränze 17. Zahl und Querschnitt der Organe aufeinanderfolgender Rotorkränze 17 ändern sich entsprechend der Zahl und dem Querschnitt der Statorkränze 7.
Auf die Organkränze 17 folgen auf dem Rotor 14 im Bereiche der Rippen 8 des Stators mit diesen zusammenarbeitende Rotorrippen 18 mit dazwischenliegenden, in der Hauptbewegungsrichtung verlaufenden Rillen oder Kanälen 19 und im Bereiche der Stator-Organkränze 10 hat der Rotor 14 zwischen die Organkränze 10 greifende, scherend mit diesen zusammenarbeitende Rotor-Organkränze 20. Zahl und Querschnitt der Organe aufeinanderfolgender Kränze 20 ändern sich entsprechend der Zahl und dem Querschnitt der Organe der Statorkränze 10. Im Bereiche des Auslassstutzens 3 sind am Rotor 14 Pumpenflügel 23 zur Begünstigung des Abtransportes des behandelten Stoffes angebracht.
Die miteinander zusammenarbeitenden Statorrippen 5 und Rotorrippen 15 bzw. Statorrippen 8 und Rotorrippen 18 lassen zwischen sich einen konischen Arbeitsspalt 21 bzw. 22 frei, dessen eventuell einstellbare Breite (z. B. durch Axialverstellung des Rotors 14) sich nach der Art des Stoffes und der gewünschten Behandlung richtet. Bei der Einstellung der Breite des Arbeitsspaltes werden auch die Flanken und scherenden Kanten der ineinandergreifenden Organe 7 und 17 axial gegeneinander verschoben, wodurch die Scherung in ihrer Intensität verändert oder ganz aufgehoben werden kann. Alle oder ein Teil der Rippen 5, 15 und 8, 18 und/oder der Organe der Organkränze 7, 17 und 10, 20 können schraubenlinienförmig oder sonstwie gebogen oder gegenüber den Mantellinien des Gehäuses 1 bzw. des Konus 14 geneigt sein, um z.
B. die Behandlung von zähflüssigen und thixotropen Substanzen zu begünstigen.
Den Statorrippen und/oder Organen kann man eine gegenüber den Rotorrippen und/oder Rotororganen entgegengesetzte schraubenlinienförmige Verdrehung oder Neigung geben, was eine stärkere Wirbelung und Prallung des Stoffes zwischen den Rippen bzw. Organen zur Folge hat. Die Rippen und/oder Organe können mit Bohrungen oder Schlitzen oder anderen Durchbrechungen versehen werden, was sich gleichfalls in einer Verstärkung der Wirbelung des Stoffes auswirkt.
Die Rippen 5 und 15 und/oder 8 und 18 können, je nach der Art des zu behandelnden Stoffes und dem Ziel der Behandlung, weggelassen und durch Organkränze ersetzt werden. Es können auch mehr als zwei Rippengruppen vorgesehen werden.
Man kann z. B. im Bereiche der Organkränze 7, 17 und/oder 10, 20, von denen auch nur eine oder mehr als zwei Gruppen mit weniger als drei oder mehr als vier Kränzen vorgesehen sein können, einen oder mehrere Statorkränze weglassen und die benachbarten Rotororgane sich auch über den Bereich der weggelassenen Statororgane erstrecken lassen.
Dadurch entstehen aus längeren Rotororganen zusammengesetzte, die Förderwirkung erhöhende Pumpringe, die, wenn gewünscht, auch schraubenlinienförmig gekrümmt oder gegenüber den Mantellinien geneigt sein können. In diesem Falle und/oder im Fall der geneigten oder gekrümmten Rippen und/ oder Organe kann der Arbeitsspalt auch zylindrisch sein.
Das Gehäuse 1 kann auch drehbar sein, sofern es nur immer eine zum Rotor 14 relative Drehung ausführt.
Der durch den Eintrittsstutzen 2 z. B. mittels einer Pumpe in die Vorrichtung geförderte Stoff gelangt zuerst in die Kanäle oder Rillen 6 und 16 und in den Spalt 21. Der Stoff in den Rillen 16 wird infolge der Drehung des Rotors 14 in die Rillen 6 zwischen den Statorrippen 5 geschleudert, die Rillen 16 entleeren sich also am vordern Ende dauernd.
Dadurch entsteht am Eintritt in den Rotor 14 eine Saugwirkung, die unter Umständen ein Hineinpumpen des Stoffes durch den Stutzen 2 entbehrlich machen kann. Die Rillen oder Kanäle 6 werden infolge der Schleuderwirkung des Rotors 14 bis über ihren Kopf hinaus mit Stoff angefüllt, so dass der Stoff im Spalt 21 durch die an den Köpfen der Rippen 5 vorbeirotierenden Köpfe der Rotorrippen 15 abgeschert oder abgeschält wird. Die Hauptwirkung der ersten Rillenstufe 5, 15 liegt aber in der Druckwirkung auf den Stoff, welche eine schonende, verhältnismässig ruhige Vorbehandlung des Stoffes und ausserdem infolge der Konizität des Gehäuseinnenmantels eine Weiterbeförderung des Stoffes in der Hauptbewegungsrichtung, also längs Mantellinien des Innenmantels gegen die Organkränze 7, 17 hin bewirkt.
Der kontinuierliche Materialstrang in den Rillen 6 und im Spalt 21 wird am Ende der Rippen durch den vordersten vorbeifliegenden Organkranz 17 plötzlich gehemmt und abgeschert. Nun erfährt der Stoff in und zwischen den Organkränzen 7 und 17 eine intensive Behandlung durch Scherung, Mahlen, Quetschen, innere Reibung, Wandreibung, Druckgefälle, kinematisch erzeugte Impulse, wobei infolge des vom ersten zum letzten Organkranz anwachsenden Durchmessers und zusätzlich infolge der sich erhöhenden Organzahl von Kranz zu Kranz die Frequenz steigt, und zwar je nach Wahl der verschiedenen Daten bis in den Ultraschallbereich, sofern die Art des Stoffes und das Ziel der Behandlung dies erfordern, so dass eventuell schon in der Organkranzgruppe 7, 17 bei flüssigem Stoff Kavitation auftritt.
Nach dem Austritt aus der Organkranzgruppe 7, 17 gelangt der Stoff in die zweite Rippengruppe 8, 18, wo die gleichen, infolge des grösseren Durchmessers allerdings verstärkten Effekte auftreten, wie in der ersten Rippengruppe 5, 15, das heisst der Stoff erfährt hier eine Beruhigung und teilweise Scherung, unterliegt aber hauptsächlich einer Druckwirkung, die ihn, ohne Hemmung durch Organe, der zweiten Organkranzgruppe 10, 20 zuführt, wo die im Zusammenhang mit der ersten Organkranzgruppe beschriebenen Effekte infolge des grösseren Durchmessers und der grösseren Organzahlen noch intensiver und mit noch höheren Frequenzen auftreten.
Nach dem Austritt aus der Organkranzgruppe 10, 20 tritt der Stoff in den die Pumpenflügel 23 aufnehmenden Raum, wo er entspannt wird, und strömt von hier, begünstigt durch die Wirkung der Pumpenflügel 23, durch den Auslassstutzen 3, worauf er, wenn erwünscht, zu erneuter Behandlung in den Einlassstutzen 2 oder einen Zwischenstutzen z. B. im Bereiche der Rillen 8, 18 wieder in den Arbeitsspalt zurückgeführt werden kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eignet sich besonders gut zur Behandlung auch sehr empfindlicher Stoffe, wie z. B. die Aufschliessung und Verfeinerung von Zellulose (z. B. Altpapier) oder ähnlicher Rohstoffe mit zusammenhängenden Fasern in einem Arbeitsgang in wirtschaftlicher Weise und unter Schonung der Fasern. In der ersten der vier kontinuierlich ineinander übergehenden Behandlungsstufen 5, 15; 7, 17; 8, 18 und 10, 20 wird der Stoff zuerst in der Stufe 5, 15 einer niedrigen Frequenz kinematischer Effekte, z. B. zur Zerlegung in kleinere Faserbündel, dann in der zweiten Stufe 7, 17 einer höheren Frequenz, hierauf in der dritten Stufe 8, 18 zur schonenden Zwischenbehandlung (z.
B. schonende Weiterauflockerung des Faserverbandes) und zur Beschleunigung der in der Stufe 7, 17 gehemmten Hauptbewegung einer wiederum kleineren Frequenz und in der vierten Stufe zur Fertigbehandlung einer höchsten Frequenz ausgesetzt. Die Zahl, die Art und die Reihenfolge der aufeinanderfolgenden Stufen verschiedener Frequenzen richtet sich nach den Eigenschaften des Stoffes, z. B. nach dessen Härte, Zähigkeit, Reife, nach der Empfind lichkeit der Fasern oder der Verleimung derselben usw.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 und 3 unterscheidet sich vom Beispiel der Fig. 1 einmal dadurch, dass auf dem konischen Gehäuse 1' und dem Rotor 14' Rippengruppen fehlen und nur Organkranzgruppen vorhanden sind. Der Stoff unterliegt also gleich beim Eintritt in den Rotor 14' höher- und hochfrequenten Effekten von der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Art, wobei infolge der Zunahme des Durchmessers des konischen Gehäuses 1' und des konischen Teils 24 des Rotors 14' und der Zunahme der Organzahl von Kranz zu Kranz die Frequenz vom Eintritt zum Austritt dauernd wächst.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 2 und 3 unterscheidet sich aber von Fig. 1 weiter noch dadurch, dass sich am Ende des konischen Teils 24 des Rotors 14' ein weiterer konischer Teil 25 mit grösserem Öffnungswinkel als der Teil 24 anschliesst. Dieser Teil 25 ist gleichfalls mit Organkränzen 26 besetzt, die mit Organkränzen 27 des dem Teil 25 entsprechenden konischen Teils 28 des Gehäuses 1' scherend zusammenarbeiten. An den Teil 25 des Rotors 24 schliesst sich ein konischer Teil 29 an, dessen Öffnungswinkel kleiner als derjenige des Teils 25 und etwa gleich dem Öffnungswinkel des Teils 24 ist.
Auch der Teil 29 ist mit Organkränzen 30 besetzt, die zwischen Organkränze 31 eines dem Teil 29 entsprechenden Teils 32 des Gehäuses 1' greifen und mit diesen scherend zusammenarbeiten. Das Gehäuse 1' ist wiederum, wie in Fig. 1, zweiteilig, wobei die beiden Hälften mittels der Flansche 4' miteinander verschraubt sind.
Der durch den Einlassstutzen 2' z. B. unter der Wirkung einer Pumpe eintretende Stoff gelangt zuerst in und zwischen die Organkränze 7' und 17' und unterliegt den gleichen Effekten, wie in Fig. 1 im Zusammenhang mit der Organkranzgruppe 7, 17 beschrieben, wobei die Frequenz der Effekte vom Anfang des Teils 24 bis zu dessen Ende wächst. Zur Verbesserung der Vorwärtsbewegung des Stoffes in der Hauptbewegungsrichtung können, wie im Zu sammenhang mit Fig. 1 beschrieben, einzelne Stator Organkränze 7 weggelassen und dort Pumpringe vorgesehen werden. Auch hier kann man die Organflanken längs Schraubenlinien anordnen, wobei die Schraubenlinien für die Statororgane entgegengesetzt gewunden sein können wie die Schraubenlinien der Rotororgane 17.
Auch den Pumpringen kann man Schraubenlinienform geben oder sie zu Mantellinien des Teils 24 geneigt anordnen. In beiden Fällen kann man den Arbeitsspalt der ersten und dritten Stufe zylindrisch machen. Gelangt der Stoff in und zwischen die Organkränze 26 und 27, so unterliegt er infolge des grösseren Öffnungswinkels der Teile 25 und 28 einer stärkeren Pumpwirkung als vorher.
An der Übergangsstelle vom Teil 24 zum Teil 25 und im ganzen Bereich der Organkranzgruppe 26, 27 tritt z. B. stärkere Kavitation auf als in der Organkranzgruppe 7', 17', weil der Stoff aus der Organkranzgruppe 7', 17' dem in der Gruppe 26, 27 sehr stark beschleunigten Stoff nicht rasch genug nachkommt. Während also in der Organkranzgruppe 7', 17' der Stoff sich in einer Überdruckzone befindet, so gelangt er in der Organkranzgruppe 26, 27 in eine Unterdruckzone. Beim Übergang von der Organkranzgruppe 26, 27 zur Organkranzgruppe 30, 31 tritt infolge des kleineren Öffnungswinkels der Teile 29, 32 das Umgekehrte ein, das heisst der Stoff gelangt in der Organkranzgruppe 30, 31 wiederum in eine Überdruekzone und entspannt sich beim Austritt aus derselben.
Je nach der Art des Stoffes und dem Ziel der Bearbeitung können an die Stufe 29 weitere unter einem Winkel zueinander stehende Stufen angesetzt werden. Bei der Anordnung der Fig. 2 erleidet also der Stoff nicht nur Druckänderungen zwischen einzelnen Organen der Organkränze, sondern auch Druckänderungen von Stufe zu Stufe.
Auch an den Teilen 25 und 29 könnten, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, Pumpringe vorgesehen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann man die Organkranzgruppen 26, 27 und 30, 31 weglassen, so dass nur der Teil 24 mit den mit den Organkränzen 7' zusammenarbeitenden Organkränzen 17' übrigbleibt. Zur Begünstigung des Abtransportes des behandelten Stoffes aus dem Auslassstutzen 3' sind am Rotor 14' Pumpflügel 23 vorgesehen.
Eine weitere Ausführungsform kann darin bestehen, dass man auch im Beispiel der Fig. 1 abgewinkelte Stufen gemäss den Stufen 25 und 29 der Fig. 2 und eventuell noch weitere an die Organkranzgruppe 10, 20 anschliesst.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 4 bis 8 hat ein mit Füssen 31 versehenes, hohles, einen Stator bildendes Gehäuse 32. Der Eintrittsstutzen 33 mündet in einen zylindrischen Gehäuseteil 34, der mit längs Mantellinien verlaufenden Rippen 35 versehen ist. Auf den zylindrischen Gehäuseteil 34 folgt ein sich konisch erweiternder Gehäuseteil 36, in dessen Innenwandung mit Kränzen von Organen 37 versehene Ringe 38 eingesetzt sind. Die Ringe 38 oder einzelne Organe 37 können auswechselbar am Gehäuseteil 36 angeordnet sein. Am Austrittsende des Gehäuseteils 36 schliesst sich der einen Auslassstutzen 59 aufweisende Gehäuseteil 39 für ein Vorrichtungsteil an, dessen Wirkungsweise z. B. in den Schweizer Patenten Nrn. 288154, 304025 und 311794 beschrieben ist.
Die Statororgane 40 dieses Vorrichtungsteils sind an einem am Gehäuseteil 39 montierten Ring 41 festgemacht. Das die Teile 34, 36 und 39 aufweisende Gehäuse 32 ist zweiteilig, wobei die Gehäusehälften mittels der Flanschen 42 miteinander verschraubt sind. Eine in den Lagern 43 des Gehäuses 32 drehbar abgestützte Welle 44 trägt für ihren Antrieb eine Keilriemenscheibe 45 und im zylindrischen Gehäuseteil 34 eine mit den Rippen 35 zusammenarbeitende Förderschnecke 46, die zwecks Anpassung an den zu behandelnden Stoff auswechselbar oder in ihrer Steigung in bekannter Weise veränderbar sein kann.
An Stegen 50 (Fig. 6) eines mittels der Naben 47 auf der Welle 44 befestigten, konischen Hohlkörpers 48 sind Schaufeln 49 befestigt, die an ihren Aussenrändern Organe 51 aufweisen, von denen jedes zwischen zwei benachbarte Kränze von Statororganen 37 greift und mit diesen scherend zusammenarbeitet.
Wie Fig. 6 zeigt, sind die Schaufeln 49 eben und liegen in Radialebenen. Gemäss Fig. leu können die Schaufeln 49' aber auch gekrümmt sein. Nach dem letzten, auf dem grössten Durchmesser sitzenden Organ der Schaufeln 49 begrenzen der äussere Mantel des konischen Hohlkörpers 48 und die im Bereiche dieses Mantels liegenden Statorringe 38 einen engen, konischen Arbeitsspalt 52, in welchen die Organkränze 37 der Statorringe 38 und die Organkränze 53 des Hohlkörpers 48 hineinragen, und welcher, wie in den vorangehenden Beispielen, gegebenenfalls auch zylindrisch sein könnte. Der Hohlkörper 48 und der Gehäuseteil 36 können, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, teilweise auch mit längs Mantellinien verlaufenden Rippen besetzt sein, und/oder der Hohlkörper 48 könnte auch weiter oben erläuterte Pumpringe tragen.
Die Organkränze 53 greifen zwischen die Organkränze 37 und arbeiten mit diesen scherend zusammen. Ausserhalb des Stator-Organkranzes 37 mit dem grössten Durchmesser sitzen auf dem drehbaren Hohlkörper 48 Schaufeln 54, die gemäss Fig. 8 eben und radial angeordnet sind, in einer andern Ausführungsform aber auch gekrümmt sein könnten. Die Eintrittskanten 55 der Schaufeln 54 arbeiten mit dem benachbarten Stator Organkranz 37 und die Austrittskanten 56 mit den Statororganen 40 des nachfolgenden Vorrichtungsteils scherend zusammen. Die Stirnscheibe 57 des Hohlkörpers 48 trägt Kränze von Rotororganen 58, die zwischen die Statororgane 40 greifen und mit diesen scherend zusammenarbeiten. Ausserhalb des äussersten Statorkranzes 40 sind ebene Rotorschaufeln 60 vorgesehen, die an der Stirnscheibe 57 befestigt sind. Diese Schaufeln 60, die auch gekrümmt sein könnten, können auch weggelassen werden.
Wie Fig. 8 zeigt, nimmt zur Steigerung der Frequenz der Effekte der Querschnitt der Organe und der Organlücken der Kränze 40 und 58 von innen nach aussen ab, die Organzahl hingegen zu.
An den Austritt des Stoffes aus der letzten Stufe kann eine Sieb-, Sicht- oder Filtervorrichtung angebaut werden, welche z. B. von der Welle 44 angetrieben wird. Diese Vorrichtung kann aus einer Sieb-, Sicht- oder Filtertrommel von z. B. zylindrischem, konischem oder glockenförmigem Querschnitt bestehen und mit automatischer Entleerung versehen sein.
Die Variante gemäss Fig. 9 unterscheidet sich von der Vorrichtung der Fig. 4 bis 8 im wesentlichen nur dadurch, dass die Statororgane 37', die Schaufelorgane 51' und die Rotororgane 53' so geformt sind, dass die
Welle 44' mit Schnecke 46' und dem Hohlkörper 48' mit der Stirnscheibe 57' nach Wegnahme des Ge häusedeckels 61 axial nach rechts herausgezogen und von dieser Seite auch wieder in axialer Richtung in das Gehäuse eingeführt werden kann. Ein weiterer Unterschied besteht noch darin, dass der äusserste Statorkranz 62 des auf die auch etwas anders geformten Schaufeln 54'folgenden Vorrichtungsteils einen Ring mit Bohrungen 63 darstellt. Anstelle der Bohrungen 63 könnten Schlitze oder anders geformte Durchbrechungen treten.
Die Variante der Fig. 11 unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäss Fig. 4 bis 8 insbesondere dadurch, dass die gekrümmten, mit Vorsprüngen 51" versehenen Schaufeln 49' in einem zylindrischen Gehäuseteil 64, anstatt in einem konischen untergebracht sind und somit sämtliche, mit den Schaufelvorsprüngen 51" zusammenarbeitenden Stator-Organkränze 65 gleichen Durchmesser haben. Vom Eintritt zum Austritt aus dem Gehäuseteil 64 nehmen zwecks Steigerung der Frequenz die Organquerschnitte und die Organlücken der Kränze65 ab, deren Organzahl hingegen zu. Bei geeigneter Länge des Teils 64 arbeiten die Vorsprünge 51" wie eine Knet- und Förderschnecke.
Die Arbeitsweise der Varianten gemäss Fig. 9 und 11 ist sonst im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Vorrichtung gemäss Fig. 4 bis 8. Diese Arbeitsweise wird nachstehend erläutert:
Der durch den Einlassstutzen 33 eintretende Stoff wird durch die Schnecke 46 unter Überdruck in den Bereich der Schaufeln 49 gefördert. Diese Schaufeln schleudern den Stoff gegen die Kanten und Flanken der Statororgane 37. Weiter pressen sie den Stoff radial in die Organlücken der einzelnen Kränze 37 und in die ringförmigen Lücken zwischen benachbarten Kränzen 37. Ausserdem fördern sie den unter wachsendem Druck gegen die mit den Organen 37 versehene Gehäusewandung gepressten Stoff axial in Richtung des wachsenden Durchmessers.
Der Stoff wird zwischen den gezahnten Schaufeln 49 und der gezahnten Gehäusewandung in schnellem Wechsel Überdruck, Unterdruck, Quetschung, Scherung, Prallung, Reflexion, Wandreibung, innerer Reibung und den entsprechenden Begleitwirkungen unterworfen. Die Kanten der zusammenarbeitenden Organe können je nach Zweck scharf bis stumpf sein, so dass man die Intensität der Scherung, Quetschung oder Prallung nach Wunsch wählen kann. Der axiale Abstand zwischen den zusammenarbeitenden Organflanken zweier benachbarter Organkränze 37, 51 kann gleichfalls nach Wunsch gewählt oder durch axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator während des Betriebes mit bekannten Mitteln geändert werden.
Die Rippen und/oder Schaufelorgane können teilweise oder alle nachgiebig elastisch und z. B. aus natürlichen oder künstlichen Elastomeren hergestellt sein, so dass eine reibende Behandlung des Stoffes möglich ist.
Die Frequenz der oben erwähnten, auf den Stoff ausgeübten Wirkungen hängt von der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelorgane 51 und der Zahl der Organe 37 und 51 ab, denn diese Wirkungen treten bei jeder Begegnung eines Schaufelorgans 51 gegenüber einem Statororgan 37 auf und sind von Impulsen begleitet, die dem Stoff mitgeteilt werden.
Die Frequenz wächst mit steigendem Durchmesser der gezahnten Schaufelränder und der Stator-Organkränze 37. Ist die Umfangsgeschwindigkeit im kleinsten Durchmesser z. B. 10 m/s und liegen in diesem Durchmesser in einem Meter Umfang z. B. dreissig Statororgane 37 und acht Schaufelorgane 51, so ergibt sich eine Frequenz von 1 X 30 X 10 = 300Hz.
Bei dieser Frequenz unterliegt der Stoff der bekannten Wirkung einer niederfrequenten Beschallung, bei welcher die mechanischen Effekte noch überwiegen.
Da bei der axialen Weiterbewegung des Stoffes im Bereiche der Schaufeln 49 infolge Zunahme des Durchmessers und der Zahl der Organe 37 und 51 pro Meter Umfang die Frequenz der physikalischen Effekte immer grösser wird, wird der Stoff immer intensiver bearbeitet. Sind z. B. im Bereiche der letzten vor dem Arbeitsspalt 52 liegenden Organe 37, 51 der Durchmesser und die Organzahl pro Meter Umfang 1,5 mal so gross wie am Eintritt nach der Schnecke 46, so ist die Frequenz in diesem Austrittsquerschnitt 300 X 1,5 X 1 5 = 675 Hz.
Gelangt der Stoff in den Arbeitsspalt 52, so treten grundsätzlich die gleichen Effekte auf wie im Bereich der Schaufeln 49. Sie haben aber hier viel grössere Intensität, weil im engen Arbeitsspalt 52 der Stoff nicht mehr ausweichen kann. Es tritt nun auch eine plötzliche, ausserordentliche Frequenzerhöhung auf. Hat z. B. der erste Rotor-Organkranz im Bereiche des Arbeitsspalts 52 dreissig Organe 53 und der Statororgankranz der Querschnittsebene fünfzig Organe 37 pro Meter Umfang, so ergibt sich bei 16 m/s Geschwindigkeit dieser Querschnittsebene eine Frequenz der Effekte von 1 X 50 X 16 = 800 Hz.
Diese Frequenz wächst im Bereich des Arbeitsspalts 52 mit wachsendem Durchmesser von Kranz zu Kranz der Rotors und Statororgane und wird durch feiner werdende Unterteilung der Organe der aufeinanderfolgenden Kränze noch zusätzlich gesteigert. So kann man z. B. am Austrittsende des Arbeitsspalts 52 bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 20 m/s und bei vierzig Rotororganen 53 und fünfzig Statororganen 37 eine Frequenz von 1000 Hz erreichen.
Beim Austritt aus dem Arbeitsspalt 52 gelangt der Stoff in die von den Schaufeln 54 begrenzten Hohlräume (Fig. 8), in denen Unterdruck herrscht, und zwar infolge der plötzlichen Querschnittserweiterung, der rechtwinkligen Umlenkung in den auf die Schaufeln 54 folgenden Vorrichtungsteil und der Saugwirkung der Schaufeln 54 und des die Zwischenräume zwischen den Organen 40 und 58 verhältnismässig gut nach aussen abdichtenden Stoffes. Infolge der plötzlichen Entspannung des Stoffes in den Hohlräumen tritt eine explosionsartige, tiefgreifende
Auch beliebige andere Stoffe können zur Dispergierung, Suspendierung, Homogenisierung, zur Durchführung chemischer Kontaktprozesse usw. in der erfindungsgemässen Vorrichtung behandelt werden. Durch das Anbringen von Zu- und Ableitungen können Zusatzstoffe (z. B. Säuren, Basen, Salze, Katalysatoren, Lösungsmittel usw.) zu- und Teile des behandelten Gutes in beliebigen Stadien des Verfahrens abgeführt werden.
Die Behandlung in der erfindungsgemässen Vorrichtung kann in sehr kurzen Zeiträumen von z. B.
Sekunden oder wenigen Minuten durchgeführt werden.
In Fig. 12 ist die Vorrichtung gemäss Fig. 4 an ein aus Rohren und Regulierventilen bestehendes Umleitungssystem angeschlossen. Dieses System ist einerseits mittels des Rohrstückes 66 am Einlassstutzen 33 und mittels des T-Stückes 67 am Auslassstutzen 59 der Vorrichtung angeschlossen. Der Einlass 68 in das Umleitungssystem ist mit dem T-Stück 67 und damit mit dem Austritt 69 aus dem System durch ein T Stück 70 verbunden. Der Stutzen 71 dieses T-Stückes 70 steht über ein Ventil 72 mit einem Rohrstutzen 73 der Vorrichtung gemäss Fig. 4 in Verbindung. Dieser Stutzen 73 mündet etwa am Eintritt in den Arbeitsspalt 52 in die Vorrichtung ein. Zwischen dem Einlass 68 und dem T-Stück 70 befindet sich eine durch einen Hebel 74 betätigbare Klappe 75, die um die Achse 76 schwenkbar ist.
Verschliesst die Klappe das T-Stück 70, und ist auch das Ventil 72 geschlossen, so strömt der Stoff durch den Einlass 68 und den Eintrittsstutzen 33 in die Vorrichtung gemäss Fig. 4 ein und verlässt sie durch den Auslassstutzen 59, das T-Stück 67 und den Auslass 69. Wünscht man eine längere Behandlung des Stoffes in der Vorrichtung, so öffnet man das Ventil 72 ganz oder teilweise.
Dann strömt der Stoff aus dem T-Stück 67 nach links und gelangt durch die Teile 71 bis 73 wieder in die Vorrichtung, und zwar insbesondere in den Arbeitsspalt 52 derselben. Diesen Kreislauf kann man bei schwer zu verarbeitendem Material beliebig lange fortsetzen. Schliesst man das Ventil 72 ganz und die Klappe 75 teilweise, so zirkuliert der Stoff durch die ganze Vorrichtung und durch die Teile 59, 67, 70, 75, 66 wiederum zurück in die Vorrichtung. Da aber die Klappe 75 nur teilweise geschlossen ist, gelangt gleichzeitig etwas frischer Stoff durch den Einlass 68 in den Kreislauf und wird zusammen mit dem bereits zirkulierenden Stoff der Behandlung der Vorrichtung unterworfen.
Gleichzeitig wird aber immer ein Teil des sich in Behandlung befindenden Stoffes bei 69 abtransportiert, und zwar so viel, wie die teilweise geöffnete Klappe 75 an unbehandelten Stoff in die Vorrichtung hineingelangen lässt. Es kann aber auch ein Austrittsventil am Auslass 69 zwecks Regulierung der austretenden Mengen ganz oder teilweise geschlossen werden. Die Regulierung der verschiedenen Ventile und Klappen kann gekuppelt und auf an sich bekannte Weise automatisiert werden.
Der Ultraschall-Generator 40, 58 kann zur Anpassung der Vorrichtung an die Art des Stoffes und des Ziels der Bearbeitung auswechselbar sein. Die Intensität der Wirkung der Vorrichtung kann auch durch Änderung der Drehzahl und/oder der Antriebsleistung und/oder der Konizität des Arbeitsspaltes herunter bis auf einen zylindrischen Spalt variiert werden, so dass der Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Vorrichtung ein ausserordentlich gro sser ist. So kann z. B. für einen durch seine Struktur sehr widerstandsfähigen, aber trotzdem schonend zu behandelnden Faserstoff die Intensität der einzelnen Effekte durch Reduktion der Drehzahl so weit reduziert werden, dass der Stoff beim Eintritt in die Vorrichtung sehr schonend und dann allmählich stärker aufgeschlossen wird, bis er zuletzt in feinster Struktur, z. B. als Einzelfaser, die Vorrichtung verlässt.
Anderseits kann z. B. zur Fibrillierung eines Faserstoffes (z. B. Zellulose) mit einer hohen Intensität begonnen werden.
Der Stoff kann auch in einzelnen Komponenten beim Eintritt oder an andern Stellen zugeführt werden. Durch Veränderung der Geschwindigkeit und/ oder der Zahl der Organe in den einzelnen Stufen lassen sich in der erfindungsgemässen Vorrichtung alle technisch interessanten Frequenzen und Intensitäten erreichen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann z. B. ein- oder angebaut werden in Rohrleitungen, Behältern, Maschinenaggregaten, wie z. B. Zerstäubungsanlagen, Extraktionsvorrichtungen, Kochern, Raffinationsanlagen, Reaktionsvorrichtungen usw.
Anhand der Fig. 13 bis 17 werden nachstehend einige Anwendungsbeispiele beschrieben:
In Fig. 13 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung, z. B. gemäss Fig. 4, in einem Behälter 77 eingebaut, und zwar so, dass der Ultraschall-Generator 40, 58, also der Austritt unten und der Eintritt oben liegt.
Die Welle 44 ist durch ein Lager 100 nach aussen geführt und trägt ausserhalb des Behälters die Antriebsscheibe 45'. Man kann den im Behälter 77 befindlichen Stoff beliebig oft wiederholt einer Behandlung in der erfindungsgemässen Vorrichtung unterziehen.
Fig. 14 zeigt eine Misch-, Dispergier- und Homogenisieranlage. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist mit ihrem Austritt oben und mit ihrem Eintritt unten vermittels eines Tragkreuzes 78 des Behälters 79 in demselben aufgehängt. Die Welle 44' der Vorrichtung, die in einem Lager 82 des Tragkreuzes 78 und in einem obern Lager 83 abgestützt ist, wird aus dem Behälter 79 herausgeführt und erhält ihren Antrieb ausserhalb des Behälters auf nicht dargestellte Weise. Der durch den Einlass 80 in den Behälter 79 eingeführte Stoff wird durch die erfindungsgemässe Vorrichtung so lange kontinuierlich behandelt, bis er den gewünschten Behandlungsgrad erreicht hat.
Hierauf wird er dem Behälter 79 durch den Auslass 81 entnommen.
Im Anwendungsbeispiel gemäss Fig. 15 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung, deren Welle 44" durch ein Lager 101 des obern Behälterbodens nach aussen tritt, mittels einer Tragkonstruktion 84 am obern Boden des Behälters 86 so aufgehängt, dass der Austritt aus der Vorrichtung oben liegt. Am Eintritt in die Vorrichtung ist ein Saugrohr 85 angeschlossen, das sich bis in den untersten Teil des Behälters 86 erstreckt. Der Stoff wird von unten durch das Saugrohr 85 aus dem Behälter angesaugt und nach dem Austritt aus der Vorrichtung in den über dem Stoff liegenden leeren Raum in fein disperser Verteilung ausgeworfen. Diese Anlage ermöglicht die gleichzeitige Begasung oder Belüftung des aus der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgesprühten Stoffes im obern, leeren Behälterraum, indem man durch die Leitung 87 Luft oder ein anderes Gas in den Behälter einführt.
Bei entsprechender Wahl der Intensität der Behandlung in der erfindungsgemässen Vorrichtung kann der im Behälter befindliche Stoff, wenn er schaumig ist oder fein verteilte Gase enthält, auch entgast werden. Das geht so vor sich, dass der aus der erfindungsgemässen Vorrichtung als feine Tröpfchen austretende Stoff mit ihrem Luft- oder Gaskern gegen die Wandung des Behälters 86 geprallt wird. Schon in der erfindungsgemässen Vorrichtung selbst erfolgt eine weitgehende Separierung des Gases vom Stoff durch die unterschiedlichen spezifischen Gewichte des Stoffes. Die noch im Stoff verbleibenden Gasbläschen werden beim Aufprall auf die Behälterwandung befreit, der schwere Stoff fällt nach unten, und das Gas kann durch die Leitung 88 aus dem Behälter entweichen.
Fig. 16 zeigt die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung an einem Zellstoffkocher 89 mit dem Auslassventil 90. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist an der Aussenseite des Bodens des Behälters 89 angeflanscht. Der Austritt des Stoffes aus der Vorrichtung erfolgt in eine Leitung 91. Der Kocher 89 wird nach beendeter Vorbereitung der in demselben befindlichen Zellulose, Holzschnitzel oder dergleichen bei gleichzeitiger Inbetriebsetzung der erfindungsgemässen Vorrichtung durch Heben des Ventils 90 geöffnet, so dass der gekochte Zellulosestoff in die Vorrichtung eintritt und darin erfindungsgemäss verarbeitet wird.
Fig. 17 veranschaulicht eine Sprühtrocknungsanlage, in welcher die erfindungsgemässe Vorrichtung Anwendung findet. Diese Vorrichtung ist mit ihrem Eintritt nach oben und mit ihrem Austritt nach unten am obern Boden eines Behälters 92 im Innern desselben angeflanscht. Die Welle 44V der Vorrichtung tritt aus dem Behälter heraus und ist mit einem über diesem Behälter liegenden Motor 93 gekuppelt. Der zu behandelnde Stoff tritt durch zwei durch Schieber 94 steuerbare Leitungen 95 in die erfindungsgemässe Vorrichtung ein. Durch den unteren Boden des Behälters tritt eine Zufuhrleitung 96 für warme, trokkene Luft, die durch den Verteiler 97 ins Behälterinnere austreten kann. Im unteren Boden des Behälters ist weiter ein Auslass 98 vorgesehen, über welchem eine Abtransportvorrichtung 99 angeordnet ist.
Der durch die Leitungen 95 oder eine derselben in die erfindungsgemässe Vorrichtung eintretende Stoff wird zersprüht. Der fein zersprühte Stoff fällt in Tröpfchen nach unten und kann auf dem Fallwege durch Einblasen warmer, trockener Luft durch die Leitung 96 getrocknet werden, so dass er in feiner bis feinster Flockenform auf dem unteren Behälterboden anfällt und durch die Abtransportvorrichtung 99 durch den Auslass 98 abgeführt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann ebenso mit sehr geringer Drehzahl als auch mit gegenüber den angeführten Beispielen bedeutend erhöhter Drehzahl, je nach Stoffart und Bearbeitungszweck, betrieben werden. Bei niedriger Drehzahl erfüllen die gesamte Vorrichtung sowie die einzelnen Stufen eine knetende und plastizierende Arbeit. Bei höchster, praktisch erreichbarer Drehzahl des Rotors werden höchste Ultraschallwerte und damit Verbesserungen des Stoffaufschlusses bei Faserstoffen, z. B. bei Zellstoff zur Papierverarbeitung, erheblich bessere Festigkeitswerte und andere Eigenschaften der aus solchen Zellstoffen hergestellten Papiere erzielt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht beim Betriebe der erfindungsgemässen Vorrichtung mit sehr hoher Beschleunigung des Stoffes und entsprechend hohen Frequenzen eventuell bis zu Ultraschallwerten physikalische und/oder chemische Umwandlungen von Stoffen, die bis heute nur unter Anwendung sehr umständlicher Verfahren und sehr kostspieliger und umständlicher Apparaturen möglich sind, z. B. die Dispersions-Polymerisation, die Polymerisation unter Zwischenschaltung einer Vernebelung innerhalb der erfindungsgemässen Vorrichtung und einer anschliessenden Kondensation, Kontaktprozesse und Reaktionen unter Einschaltung einer Verdampfungsphase, in der die umzuwandelnden Stoffe der chemischen Reaktion in Dampfform unterworfen werden.
Die Überführung in die Dampfform erfolgt durch entsprechend hohe Beschleunigung und hochfrequente Bearbeitung in der erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei in den Unterdruckzonen verhältnismässig geringe Temperaturen auftreten und genügen, während eventuell erforderliche hohe Temperaturen in den Hochdruck- und Hochfrequenzzonen auftreten. Die Vorrichtung kann zur Durchführung solcher Verfahren mit an sich bekannten weiteren Teilaggregaten, beispielsweise zur Kühlung, zur Erhitzung unter Druck oder Vakuum, zur Extraktion usw. versehen werden.