Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Medien Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Medien durch Schwingungen mit Schall- bzw. Ultraschall frequenz.
Unter Medien im Sinne der Erfindung sind nicht nur feste, flüssige und gasförmige Stoffe zu verstehen, sondern auch deren echten Lösungen, Suspensionen und kolloidalen Systeme, wobei die disperse Phase im Lösungsmittel jeden beliebigen Aggregatzustand einnehmen kann.
Das Verfahren gemäss der Erfindung bezweckt also eine kontinuierliche kinematische Hochfrequenz behandlung und Aufbereitung verschiedenartiger Medien beliebiger Zusammensetzungen und Aggre gatzustände, z. B. gasförmig, flüssig, thixotrop, faserig, stückig oder klumpig, auch in Kombination mit Gasen, zum Zwecke der Gewinnung und/oder Verbesserung hochdisperser Systeme (z. B. Fasersus pensionen aus zellul'osehaltigen oder anderen - auch synthetischen - Faserstoffen für die Papiererzeugung, einschliesslich der Abfälle aus denselben, wie z. B.
Astknoten, Rückstände und Altpapier, die Herstel lung von Textilien, Spinnlösungen für Kunstseiden - z. B. durch Verkupferung , Xanthogenierung, Vis- kosierung , Homogenisierung - Kunstleder usw., De- fibrierung, Fibrill'ierung, Quellung und/oder Hydrati- sierung der Fasern, gegebenenfalls deren Imprägnie rung mit Chemikalien), nötigenfalls Aufschliessung von Medien bis in den nukronen,
submikronen und'/ oder molekularen Bereich, mit einer damit verbun denen ausserordentlichen Vergrösserung der Kontakt oberfläche der erzielten Lösungen, Suspensionen, Emulsionen, Gemische usw., der Erzeugung physi kalischer Affinität und gegebenenfalls der Herbei- führung chemischer Reaktionsbereitschaft der einzel nen Teilchen oder der erzielten molekularen Abbau produkte und/oder der Erhöhung des Reaktionsver mögens auch durch Darbietung wechselnder Ober flächenbereiche zwecks Einleitung oder Beschleuni gung der Reaktionskinetik durch Erzeugung und Zu fuhr bzw. Einwirkung von Kavitation und/oder Stoss-
bzw. Schall- und/oder Ultraschallenergie mit dem Zwecke einer erheblichen Verbesserung der weiteren physikalischen und/oder chemischen Verarbeitung besagter Medien zu Zwischen- oder Endprodukten hoher Qualität unter gleichzeitiger erheblicher Ein sparung von Zeit- und Energieaufwand, ausserordent licher Herabsetzung der Behandlungsdauer des Gutes, gegebenenfalls Verringerung der notwendigen appa- rativen Mittel, und weiterer Vorteile, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen.
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren durchführbare Behandlung von Medien, beispiels weise zwecks Lösung, Mischung, Zerstäubung, Zer- faserung, Aufschliessung verschiedenster Art, Verfei nerung und Homogenisierung kann insbesondere auch eine Imprägnierung der Partikel, z. B.
Zell stoffasern, mit Wasser, Bindemitteln, Füllstoffen, chemischen Lösungen und/oder Reagenzien, mit in fliessenden Medien gelösten oder suspendierten Stof fen oder Gasen einschliessen, welche durch Einwir kung der Kavitation, Druckstösse, Schall- und gegebe nenfalls Ultraschallenergie in hohem Grade beschleu nigt wird und parallel zu der damit eintretenden Im prägnierung der Teilchen oder Fasern in deren Struk tur eine physikalische Veränderung, z. B. eine Quel- lung (Hydratisierung), interpartikulare Bindung, Festigung, Kaustizierung, Lockerung und/oder Auf lösung oder eine chemische Reaktion, z. B.
Oxyda tion, Reduktion, Bleichung usw., bewirken oder solche Wirkungen nach sich ziehen und in bisher unbekann ter Weise beschleunigen kann.
Die heute üblichen Verfahrensmethoden der Be arbeitung von Medien zur chemischen und/oder physikalischen stofflichen Änderung durch Zerklei nern, Verfeinern und Inkontaktbringen der Stoffteil chen oder, Gemischkomponenten in Rührwerkskes- sel'n, mit oder ohne Druck und Temperaturzufuhr, unter Umständen auch Vakuum oder Kühlung, in Autoklaven, in Rieseltürmen und Kolonnen, in rotie renden Kesseln und Gegenstromapparaten, ermög lichen alle insgesamt nur langsame und kostspielige sowie arbeitsaufwendige Stoffbehandlungen.
Ein we sentlicher Fortschritt wurde schon experimentell darin gefunden, dass Medien hochfrequenten Druckstössen -und den sich daraus fortpflanzenden Schallenergie wellen unterworfen wurden. Diese sogenannte schall technische Bearbeitung von Stoffgemischen, z. B. Zellstoffen, wird mit piezoelektrischen Quarzschwin gern durchgeführt. Sie ermöglicht die intensive phys- kalische Veränderung des Zellstoffes, ist jedoch in folge der geringen Intensität ihrer Mittel über den experimentellen Rahmen nicht hinausgekommen, wenn man von geringfügigen Ansätzen kleiner Pro duktionsversuche absieht.
Eine Weiterentwicklung so wohl in der physikalischen als gegebenenfalls auch chemischen Stoffbearbeitung stellen die mit Vorrich tungen gemäss den Schweiz. Patentschriften Nummern 311794 und 336249 ermöglichten physikalischen und chemischen Bearbeitungen von Medien dar, die durch die Wirkung hochfrequenter Prall-, Schall- und Ultra schalleffekte gekennzeichnet sind. In den damit er möglichten Verfahren werden physikalische und che mische Stoffänderungen innerhalb verhältnismässig kurzer Zeiträume gegenüber dem damaligen Stand der Technik, z. B. in einer oder mehreren Minuten, mit hoher Intensität durchgeführt.
Die betreffenden Verfahren und Apparate ermöglichen jedoch keine genaue Kontrolle der Durchführung der physikali schen und chemischen Stoffbehandlung, insbesondere soweit sie die Erfassung und einheitliche Bearbeitung aller Stoffpartikel betrifft. Dabei geht auch ein grosser Anteil mechanischer und insbesondere von Schall energie verloren.
Es gibt zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Dispergieren, Homogenisieren, Mahlen, Zer fasern und/oder auch zur Durchführung von chemi schen Reaktionen; diese Vorrichtungen weisen erheb liche Nachteile auf, von denen die wichtigsten die nachstehenden sind: Unvollkommene Dispergierung und daher hetero gene Produkte, hoher Energie-, Arbeits- und/oder Zeitaufwand, um hochdisperse Produkte zu erzielen, Verschleiss- und Störungsanfälligkeit, Schädigung der Stoffstruktur (z. B.
Zellstoffasern), wenn Arbeits organe zwecks Erreichung hoher Dispersitätsgrade und Homogenität eng bzw. unter gegenseitiger Be rührung zusammenarbeiten. Die Ursachen der er wähnten und anderer Nachteile sind z. B. ein gerin- ger Wirkungsgrad der zusammenarbeitenden, disper- gierenden Organe, die teils runden, teils eckigen Querschnitt aufweisen, aber durch ihre Anordnung zueinander und/oder ihre Entfernung voneinander nur eine ungeregelte und unkontrollierbare Zerschla gung und auf Zufall beruhende Zerprallung des Me diums zur Folge haben.
Derartige Zerkleinerungsvor richtungen sind unter den Bezeichnungen Desinte- gratoren oder Schleudermühlen bekannt. Sie die nen in erster Linie der Aufschliessung fester, stückiger Produkte und erreichen teilweise Feinheitsgrade bis in den Bereich von mehreren Mikron. Derartige Fein heitsgrade werden jedoch nur durch nachfolgende Trennung der verbliebenen, gröberen Bestandteile von den genügend weit aufgeschlossenen Partikeln durch Sieben usw. erreicht.
Eine andere Gruppe der erwähnten Vorrichtun gen ist mit eng, mitunter reibend zusammenarbeiten den Scher- und Prallorganen versehen. In denselben wird das Gut einer zwar sehr intensiven, aber auch im einzelnen unkontrollierbaren Bearbeitung unter worfen und meist unter hohem Energieaufwand auf geschlossen. Derartige und ähnliche Vorrichtungen sind teilweise auch für fliessende Medien, insbeson dere Emulsionen, im allgemeinen aber nur für be schränkte Anwendungsgebiete verwendbar.
Eine weitere Gruppe der erwähnten Vorrichtun gen bedient sich als zusammenarbeitender Zerkleine rungsorgane ineinandergreifender, mit konzentrischen Rillen und Erhebungen versehener, gegenläufiger Scheiben. Die zwischen denselben vor sich gehende Reibbearbeitung des Mediums ist durch ein gewisse Intensität gekennzeichnet, aber das Anwendungs gebiet solcher Vorrichtungen ist begrenzt und bleibt auf fliessende Emulsionen und Gemische mit feiner Struktur beschränkt. Ähnliche und weitere Vorrich tungen haben bei enger Stellung der Organe zuein ander auch den Nachteil der meist unzulässigen über hitzung des Mediums und der Schädigung desselben.
Alle erwähnten Vorrichtungen, soweit sie auf Sche- rung, Prallung und Turbulenz innerhalb von Behäl tern oder umschliessenden Gehäusen beruhen, sind infolge der Begrenzung ihres Wirkungsbereiches, der Unkontrollierbarkeit der kinetischen Vorgänge in der Vorrichtung und der Unmöglichkeit einer präzisen Lenkung dieser Vorgänge im einzelnen nicht zufrie denstellend.
Man hat deshalb versucht, diese Nachteile wenig stens teilweise zu beheben durch Verengung des Arbeitsspaltes zwischen den zusammenarbeitenden Organen, wie z. B. gegenläufig rotierenden Zahn scheiben, wobei die Scheiben an ihrer Peripherie sich bis auf einen sehr dünnen Spalt einander nähern. Dadurch soll das Medium nur unter Überwindung des so geschaffenen Engpasses und unter Reibung in demselben bis zu einem endlichen Feinheitsgrad aus treten können. Diese Vorrichtungen sind durch ge ringe Produktion, hohen Energieaufwand und schnel len Verschleiss gekennzeichnet.
Seit Bekanntwerden der hochintensiven Wirkung von Schall- und Ultraschallwellen und von Druck stössen auf zu verfeinernde Medien wurde auch eine Reihe verschiedenartiger Schwingungserreger, wie Pfeifen und Sirenen, piezoelektrische Kristallschwinger usw., für den Aufschluss und die Feinbearbeitung flüssiger Medien und Gemische angewendet. Wäh rend einige Ultraschallpfeifen sich in dem beschränk ten Bereich der Erzeugung fliessfähiger Emulsionen bewährten, blieben den mit piezoelektrischen Schwin gern ausgerüsteten Vorrichtungen infolge ihres un zulänglichen Wirkungsgrades Erfolge im Gebiet der industriellen Produktion versagt.
So erfordert beispielsweise die Aufschliessung von Zellstoffen bis zur Einzelfaser mit piezoelektrischen Quarzschwingern bei Konzentrationen von nur 0,1 bis 1 % Bearbeitungszeiten von 20 Minuten bis zu vier Stunden, wobei die bearbeitete Stoffmenge auf Laboratoriumsmassstäbe, z. B. bis 1 Liter, begrenzt ist. Dabei beträgt der Trockenstoffgehalt der bei den Versuchen verwendeten Zellstoffsuspensionen nur 1-10 gil. Derartige Verfahren und die dazu verwen deten Schwingungserzeuger sind für solche Zwecke im industriellen Massstab unbrauchbar.
Man hat des halb auch versucht, hochfrequente Impulse und Schwingungen in Rotationsvorrichtungen, wie Schleu dermühlen, innerhalb des bearbeiteten Gutes zu er zeugen.
In einer bekannten Kolloidmühle wird die Mahl- oder Dispersionswirkung durch eine hohe Zahl von Vibrationen oder Schwingungen bis Ultraschallschwin gungen hervorgerufen. Zu diesem Zweck ist ein an seinem Mantel gezahnter Rotor (Zahnrad genannt) von einem stillstehenden Gehäuse eingeschlossen, des sen die Zahnring des Rotors umschliessende periphere Wandung ebenfalls mit Zähnen bzw. Rippen versehen ist. Bei genügend schneller Drehung des gezahnten Rotors entstehen zwischen dem gezahnten Rotor mantel und der gezahnten peripheren Wandung des Gehäuses rhythmische Schwingungen.
Bei einer verbesserten Ausführung der vorerwähn ten Kolloidmühle werden in den Hohlräumen zwi schen Rotormantel und peripherer Gehäusewandung zusätzliche Schwingungen durch piezoelektrischen Quarz erzeugt. Eine ähnliche Vorrichtung weist einen an seinem Mantel gezahnten Läufer und ein an sei ner peripheren Innenwandung gezahntes Gehäuse auf. Obschon die vorerwähnten Vorrichtungen (Kol- loidmühlen) mit mechanischen Schwingungserzeugern eine neuartige Erzeugung und Anwendung von Schwingungen in Hohlräumen und innerhalb des in den Hohlräumen befindlichen Gutes darstellten, haben dieselben sich nicht auf breiter Basis einführen können.
Ihre Wirkung übertraf nicht die mit intensiv wirkenden Schleudermühlen erzielten Ergebnisse.
Es ist auch eine Schleudermühle bekannt, welche durch hochfrequente hydraulische Stösse, die mittels Schikanen zweier gegenläufiger Rotoren erzeugt wer den, Zellstoffpastillen (Stippen) defibrieren soll. Der Defibrierungsvorgang wird mit ultraschallähnlichen Effekten begründet.
Die Vorrichtung erzeugt zwar hochfrequente, gegebenenfalls im Ultraschallfrequenz- bereich liegende Druckgefälle, die sich aber innerhalb des in einem Durchlaufgehäuse lediglich mit starker Turbulenz und hoher Geschwindigkeit durchströmen den Mediums ungeregelt und unkontrollierbar ab spielen und deshalb ohne genügende, von wirksamer Ultrabeschallung zu erwartender Intensität verlaufen. Deshalb haben sich auch derartige Vorrichtungen in folge unbefriedigender spezifischer Leistung nicht bewährt und nicht einführen können.
Ein weiterer bekannter Apparat dient der Zer kleinerung von festen Stoffen unter Verwendung von Schwingungen und Stosswellen in einer gasförmigen, kontinuierlichen Phase. Er besteht aus einem stern förmigen Rotor, welcher in einem zylindrischen Ge häuse mit hoher Geschwindigkeit rotiert. An jedem Sternarm ist ein sich radial bis an die periphere Gehäusewandung erstreckendes schwingungsfähiges, elastisches Blech befestigt. Das periphere, frei schwin gende Ende des elastischen Bleches .schleudert die ihm durch den Gasstrom zugeführten festen Partikel mit seiner peripheren Kante gegen die periphere In nenwandung des Gehäuses, welche gerippt ist.
Die Rippen an der Gehäusewandung versetzen die peri pheren Enden der elastischen Bleche durch Vermitt lung der an der gezahnten Gehäusewandung entlang springenden festen Partikel in hochfrequente Schwin gungen. Die Frequenz und die Amplitude dieser Schwingungen sind jedoch vom Zufall abhängig, weil sie durch die unregelmässige, unberechen- und unkon trollierbare, sprunghafte Prallung der festen Partikel gegen die Kanten der Riffelung an der Gehäusewan dung und von denselben zurück gegen das periphere Ende der schwingungselastischen Bleche erzeugt werden.
Auch die zuletzt erwähnten Vorrichtungen, welche nur für den beschränkten Zweck der Zerklei nerung fester Partikel in einem Gasstrom bestimmt sind, können infolge ihrer ungeregelten und unkon trollierbaren Schockwirkung nicht zur wirklichen und kontrollierbaren Beschallung und Herbeiführung vor berechenbarer Wirkungs- und Feinheitsgrade des End produktes dienen.
Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt diese Nachteile und ermöglicht einen ausserordentlich hohen Fortschritt in der Verfahrenstechnik, da gegen über dem Stand der Technik, insbesondere durch Reduzierung des Zeitaufwandes auf einen kleinen Bruchteil, eine wesentlich günstigere Stoffausbeute, höhere Qualität der Produkte und infolge geringeren Energieverbrauches pro 100 kg Fertigprodukt eine wirtschaftlichere Produktion erreicht wird.
Im einzelnen kennzeichnet sich das neue Ver fahren dadurch, dass das zu behandelnde Medium einer Behandlungsvorrichtung zugeführt und durch zwangläufig gesteuerte kinematische Vorgänge in eine Vielzahl kleiner Stoffquanten zerlegt wird, die stossweise durch sich periodisch öffnende und schlie ssende Hohlräume geführt werden, wobei das Medium während dieser Bewegung von durch die genannten periodischen Vorgänge erzeugten, schalt- bzw. ultra- schallfrequenten Druckstössen beaufschlagt wird, der gestalt,
dass die Vorschubgeschwindigkeit des Me diums um ein Vielfaches kleiner ist als die Fortpflan zungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Medium.
Zum Dispergieren, Homogenisieren, Aufschlie ssen und Defibrieren von Stoffen sind Vorrichtungen bekannt, in denen die Stoffe mittels aneinander vor beifliegender starrer Zerkleinerungsorgane einer mechanischen Bearbeitung durch Scherung, Prallung, Reflexion und dergleichen unterworfen werden, wo bei die zu behandelnden Stoffe auf dem kürzest mög lichen bzw. dem den geringsten Widerstand bietenden Weg von innen nach aussen gelangen.
Zur Durchführung chemischer Stoffänderungen benutzt man offene oder geschlossene Behälter, Rohre, Türme, Kolonnen usw., in denen die Behand lung des Stoffes durch Rühren, Umwälzen, im Gegen stromverfahren usw., unter Atmosphärendruck, über druck, Vakuum, Erwärmung und/oder anderer Ener giezufuhr erfolgt.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Vorrichtung ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung gekenn zeichnet durch mindestens zwei eine Bearbeitungs stufe bildende, relativ zueinander drehbare koaxiale Halter, deren jeder eine Vielzahl von kranzförmig angeordneten Zerkleinerungsorganen trägt, wobei sich die Zerkleinerungsorgane der beiden Halter über einen Verteiler- und Zerkleinerungsspalt gegenüber stehen und je zwei tangential benachbarte Zerkleine rungsorgane eines Halters einen der genannten Hohl räume bestimmen und die Organe mindestens eines der Halter als in tangentialer Richtung schwingungs- fähige Platten oder Stege ausgebildet sind,
dass ferner die Halter in einem Druckgehäuse mit wenigstens einem ihm vorgeschalteten Einlass und einer Hohl kammer eingebaut sind, der periphere Teil des Druckgehäuses einen der Bearbeitungsstufe bzw. den Bearbeitungsstufen in Strömungsrichtung nachgeschal teten Hohlraum bildet und dem letzteren eine Gegen- druckeinstellvorrichtung zur Steuerung der Vorschub geschwindigkeit des Mediums und ein Auslass für das selbe nachgeordnet ist.
Durch die erfindungsgemässe Kombination der vorbeschriebenen und gegebenenfalls weiterer, nach folgend beschriebener Merkmale lassen sich neuartige physikalische Effekte erzielen, die von chemischen Effekten begleitet sein können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das kontinuierlich in das Druckgehäuse eingeführte Me dium zunächst in dem inneren Ring hochbeschleunigt und nach Passieren desselben in den als Verteilerspalt wirkenden Arbeitsspalt gepresst und in demselben durch Gegendruck gestaut. Die Arbeitsintensität im Verteilerspalt kann durch Veränderung der relativen Umlaufgeschwindigkeit der Ringe zueinander oder z.
B. durch Erhöhung der Zahl pro Masseinheit der Organe eines oder beider zusammenarbeitender Ringe bzw. durch Vergrösserung des Spaltumfanges bis zur Erzeugung von Kavitation im Verteilerspalt bzw. im in demselben befindlichen Medium, in dessen sich bildenden, relativ zueinander sich bewegenden Schich ten und/oder Partikeln erhöht werden. Die besagte Kavitationswirkung führt z.
B. bei der Defibrierung und Raffinierung von Zellstoffen für die Papierfabri kation zur Zerlegung von Faserbündeln und bei zweckentsprechender Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung zu Fasern, welche unzerschert in ihrer ganzen morphologischen Struktur und Länge (ein schliesslich der Endspitzen) erhalten bleiben und zu Fibrillen und Mikrofibrillen, die von den Fasern ab gezweigt werden, ohne Verletzungen oder Zerreissun gen aufzuweisen, wie dieses z. B. bei den durch mechanische Scherung des Faserstoffes wirkenden konischen oder Scheibenraffineuren der Fall ist.
Wäh rend der Aufschliessung im Verteiler- und Kavita- tionsspalt durch Zerprallung, Zerreibung und gegebe nenfalls Kavitierung wird das Medium gegen die Ein lassöffnungen der Kammern des äusseren Ringes der Arbeitsstufe gepresst. Während es unter hoher Ge schwindigkeit und Zentrifugaldruck an den Einlässen in die Kammern des äusseren Ringes bzw. an deren Organkanten vorbeifliegt, werden von dem im Ver teiler- und Kavitationsspalt bearbeiteten Stoff winzige Teilchen in die bereits mit Medium gefüllten Kam mern mit hoher Frequenz hineingeschlagen.
Bei jedem solchen Einschlag in eine Schallkammer ent steht ein Impuls -entsprechend der energetischen Lei stung des Einschlages -, welcher sich als Druckwelle durch das in der Kammer befindliche Medium fort pflanzt. Da das Medium in den Kammern unter Gegendruck steht, können bei einem inkompressiblen Medium die aus dem Verteilerspalt in die Kammer periodisch eingeschlagenen Stoffteilchen nur so gross sein wie die am Auslass aus derselben Kammer peri odisch ausgestossenen Teilchen.
Bei kompressiblen Medien jedoch (solche sind praktisch alle Suspensio nen oder Mischungen von Stoffen) beeinflussen selbst verständlich auch die Kompressibilität und Elastizität der in der Kammer befindlichen Stoffsäule die Grösse der periodisch in die Kammer eingeschlagenen Stoff teilchen.
Durch zweckentsprechende Einstellung des Gegen druckes mittels der Gegendruckeinstellvorrichtung werden so die Stoffteilchen zu einer bestimmten Ver weil- und Bearbeitungszeit in den Schallkammern ge zwungen. Während dieser Verweilzeit in den Schall kammern werden die Stoffteilchen gleichzeitig Schwingungen sowohl vom Einlass in die Kammern als auch von oszillierenden Wänden der Schallkam mern her unterworfen. Die dadurch in den Kammern auf die Teilchen wirkenden hochfrequenten Impulse und Druckschwingungen können je nach Art und Struktur des zu behandelnden Mediums mit Frequen zen im Schallbereich bis in den hohen Ultraschall bereich erzeugt werden.
Die Teilchen werden vor zugsweise während Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren Sekunden in den Kammern zurückgehal ten, so dass jedes Teilchen in seiner Kammer während einer bestimmten Verweilzeit beschallt wird und dann beim Wechsel von einer Bearbeitungsstufe zur näch sten zunehmende Beschleunigung erfährt und stei gender Frequenz und Schwingungsintensität aus gesetzt wird. Die Teilchen werden durch einen sich periodisch während eines Bruchteiles einer Sekunde öffnenden Spalt in Richtung des innerhalb einer Kammer steigenden Druckes in eine nächstfolgende Kammer ausgestossen.
Dieser Spalt und dessen Öff nungszeit werden so klein bemessen, dass der Durch tritt jedes Teilchens von einer Kammer zu einer näch sten nur unter fortschreitender Auflösung des Gefüges des Teilchens bis zu beispielsweise Mikronen oder Submikronen oder, z. B. bei Zellstoff, bis zu den Ein zelfasern möglich ist. Die Erzeugung von Druck, Beschleunigung, Impulsen und Schwingungen und die Fortbewegung des Mediums von einer Kammer zur nächsten werden durch eine Vielzahl von aus den Wandungen der Schallkammern und dem Medium selbst gebildeten kinematischen Ketten hervorgerufen.
Ausser den primären Schall- und gegebenenfalls Ultraschallschwingungen, die durch die Begegnung der Kanten der aneinander vorbeifliegenden Zerklei nerungsorgane benachbarter Ringe entstehen, werden durch die Zerkleinerungsorgane mindestens eines Rin ges, vorzugsweise des äusseren, die auf Grund ihrer Ausmasse und ihres Baustoffes als in tangentialer Richtung nach Art kurzer Stimmgabeln zu Schall schwingungen erregbare Platten oder Stege, das heisst als Oszillatoren, ausgebildet sind, innerhalb der von ihnen begrenzten Schallkammern auch sekundäre Im pulse und Wellen erzeugt.
So bauen sich innerhalb der mit dem Stoff gefüllten Schallkammern und damit innerhalb des Stoffes Interferenzwirkungen auf, deren Frequenzen und/oder Amplituden ein Mehrfaches der durch die Begegnung benachbarter Zerkleinerungs organe erzeugten Schwingungen erreichen können. Wenn, wie oben erwähnt, das Medium zu einer be stimmten Verweilzeit in einer Schallkammer gezwun gen wird, anstatt der Zentrifugalkraft folgend auf möglichst kurzem Wege durch das kinematische System von innen nach aussen zu strömen, so kön nen die Schwingungen zusammen mit den auftreten den mechanischen Wirkungen auf das Medium bis her noch nie erreichte Resultate herbeiführen.
Dies erklärt sich schon aus der Tatsache, dass die Schall wellen sich in wässrigen Medien mit etwa 1470 m/s durch den Stoff mit ihrer Energie fortpflanzen.
Bei der in den Schallkammern auftretenden mul tiplen und diffusen Reflexion tritt eine starke unter partikulare und gegebenenfalls untermolekulare Rei bung innerhalb des Mediums auf, die je nach seiner Verweilzeit in der Vorrichtung zu Temperaturerhö hungen führen kann. Die unterpartikulare und unter molekulare Reibung hat einen besonderen Anteil an der Aufschliessung und an der Änderung des Aggre gatzustandes sowie, eventuell zusammen mit der Energiewandlung in Wärme, die Einleitung oder die Beschleunigung erwünschter chemischer Reaktionen zur Folge. Auf diese Weise können chemische Reak- tionen schneller und besser als bisher durchgeführt werden.
Ebenso ermöglichen die weiter oben geschil derten Vorgänge auch den entgegengesetzen Weg, z. B. die Depolymerisation, wie überhaupt chemische Stoffwandlungen in den verschiedensten Richtungen. Die günstigste Reaktionskinetik und die zweckmässig ste Zusammensetzung der Reagenzien für solche chemische Vorgänge sind von Fall zu Fall experi mentell zu ermitteln.
Die Zahl und die Begegnungsfrequenz der Zer kleinerungsorgane kann so gewählt werden, dass das Medium, welches in den Kammern zur Erreichung einer optimalen Einwirkung der in den Kammern auf tretenden Impulse und Schwingungen jeweils einen kurzen Zeitraum, z. B. von 1 bis i/40 s, verweilen muss, währenddessen es mit der auf das Medium wirk samsten Frequenz und Amplitude beschallt wird. Der Verweilzeit von 1i40 s in einer Kammer entspricht z. B. eine Öffnungszeit der betreffenden Kammer von 1/70 bis 1/10000 s, je nach Umlaufgeschwindigkeit des Kammerringes.
Das Medium wird bei diesen Kam merwechseln also stossweise und in winzigen Teilchen, z. B. von einem oder einigen mg, in die nächsten bereits mit Stoff befüllten Kammern hineingepresst und ebenso stossweise sowie immer weiter verfeinert durch dieselben hindurch in den Verteilerspalt aus gestossen.
Die beschleunigte Mediumssäule wird da bei jedesmal abgerissen. Dadurch wird das Medium ausser den oben erwähnten Impulsen und Schwin gungen innerhalb der Kammern auch noch beim Übergang von einer Kammer zur nächsten einer mit steigendem Durchmesser an Intensität zunehmenden Kavitation ausgesetzt. Durch die zeitweilige, minde stens teilweise Einschliessung des Mediums in einer von vibrierende Wände darstellenden Oszill'atoren begrenzten Kammer tritt das Medium erst nach einem gewissen Umfangsweg der Kammer, dessen Länge z.
B. 1,l5 m beträgt, durch den zwischen zwei sich umschliessenden Ringen gebildeten Verteilerspalt hin durch in eine Kammer des nächsten Ringes ein.
Das Medium beschreibt also von innen nach aussen (vom Einlass zur Peripherie) eine aus einzelnen Stufen zusammengesetzte Spirale, wobei die Steigung jeder Stufe der radialen Vorschublänge der in einer Kammer befindlichen Stoffteilchen während ihrer Verweilzeit in der betreffenden Schallkammer ent spricht, während der periphere Weg der Teilchen in einer Rotorkammer eine Funktion der Umlauf geschwindigkeit und der radialen Vorschubgeschwin- digkeit ist, welche, wie oben geschildert,
durch Ein stellung von Einlass und/oder Gegendruck vom Aus lass her kontrollierbar ist.
Durch entsprechende Wahl der Gesamtzahl der Zctkleinerungsorgane können bei genügend hoher Umlaufgeschwindigkeit Druckstösse mit einer im Ultraschallbereich liegenden Wiederholungsfrequenz erreicht werden. Ausserdem können bei entsprechen der Wahl der Zahl der Kammern, auf welche das der Vorrichtung frei zufliessende Medium erfindungs gemäss in der Vorrichtung verteilt wird, und bei ent- sprechender Wahl der Begegnungsfrequenz der Zer kleinerungsorgane bzw. der Kammern winzige Teil chen des Mediums von wenigen Milligramm, z. B.
1 bis 5 mg, entstehen und durch die Kammern stoss weise, stufen- und spiralförmig beschleunigt und wäh renddessen in den einzelnen Kammern durch hochfre- quente Druckstösse praktisch beliebiger Intensität be arbeitet werden. Die Zerkleinerungsorgane sind we nigstens teilweise so dimensioniert, dass sie durch die gegenseitige Begegnung wie kurze Stimmgabeln zu Schwingungen erregbar sind, die sie in das in den benachbarten Kammern befindliche Medium abstrah len. Die Feinheit der Oszillatoren kann insbesondere gegen die Peripherie der Vorrichtung hin bis zur Feinheit nachgiebiger, auf Ringen sitzender Nadeln gesteigert werden. Es können auch alle Oszillatoren der Vorrichtung Nadelfeinheit haben.
Gegebenenfalls kann man die Ringe solcher Oszillatorennadeln axial gegeneinander verstellbar machen. Die axiale Länge der Oszill'atoren, insbesondere wenn letztere nadel fein sind, kann gegebenenfalls sehr klein gewählt wer den. Nadelfeine Oszillatoren können z. B. bei organi schen Stoffen eine bis auf die Zellstruktur herunter gehende Aufschliessung bewirken oder molekulare Strukturen abbauen.
Dem innersten Zerkleinerungsorganring einer aus wenigstens zwei Ringen bestehenden Bearbeitungs stufe können besondere Vorzerkleinerungsorgane in Form von radial bis in den zentralen Zuführungsraum ragenden, schaufelförmigen Verbreiterungen vor geordnet werden, welche das zuströmende Medium vorzerkleinern und beschleunigen. Sie können ge schärft, gebogen und mit zweckentsprechend verstärk tem und geformtem Querschnitt versehen sein.
An der Peripherie der Vorrichtung kann das Medium in einen gemeinsamen Sammelraum, austreten und in demselben durch Impulse und Wellen ver schiedener Frequenzen beschallt werden, insbeson dere wenn der Raum durch eine Hohlfläche, z. B. von parabolischem Axialschnitt, begrenzt ist. Die diese Hohlfläche aufweisende Wandung kann aus einem Werkstoff mit besonders hohem Reflexions vermögen bestehen, z. B. aus Stahl; insbesondere kann die Reflexionsfläche spiegelglatt bearbeitet sein.
Die Weite des Verteiler- und Kavitationsspaltes zwischen den aneinander vorbeifliegenden Zerkleine rungsorganen kann so eingestellt werden, dass z. B. Zellulosefasern, die viel feiner sind als die eingestellte Spaltweite, nur beschallt, aber nicht geschert, das heisst in ihrer Länge nicht beschädigt werden. Wird eine Scherung der Fasern gewünscht, dann kann die Spalt weite entsprechend ]deiner, gegebenenfalls bis nahe Null, eingestellt werden.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäss vor geschlagene Vorrichtung in fünf Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen: Fia. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausfüh rungsform mit horizontal angeordneter Rotorachse, Fig. 2 eine Ansicht von links in Fig. 1, teilweise geschnitten nach der Linie II-1I der Fig. 1, Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein zweites Bei spiel,
Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte und Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine vierte Aus führungsform.
Fig. 7 ist ein Axialschnitt durch ein aus mehreren erfindungsgemässen Einzelvorrichtungen bestehendes Aggregat.
Fig. 8 ist eine Mikroaufnahme eines in einem üblichen Konusrefiner bearbeiteten Fichten-Sulfit- Zellstoffes.
Fig. 9 ist eine Mikroaufnahme des gleichen Zell stoffes, der jedoch in einer erfindungsgemäss aus gebildeten Vorrichtung behandelt wurde.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiele von erfindungsgemässen Vorrichtungen besitzen einen an einer Welle 1 befestigten Rotor 2 mit einem inneren Kranz von das Medium aufteilenden und zentrifugal beschleunigenden Organen 3 und drei Kränzen mit z. B. aus Stahl, Nickel, Titan, Molybd'än, Chrom bzw. aus entsprechenden Legierungen bestehenden, schwin gungsfähigen Zerkleinerungsorganen (Oszillatoren) 4, 5, 6; je zwei benachbarte Zerkleinerungsorgane eines Kranzes schliessen zwischen sich eine Schallkammer 8, 9, 10 ein. Die Zahl der Kammern von z. B. je 2,5 bis 0,1 cm3 Inhalt nimmt von innen nach aussen zu, während das Volumen der Kammern von Kranz zu Kranz abnimmt (vgl. Fig. 3).
Um eine solche, nach der Peripherie der Vorrichtung hin zunehmende Zahl von Zerkleinerungsorganen und Schallkammern zu ermöglichen, kann jeder Zerkleinerungsorgan- und Schallkammerkranz, wie in den Fig.2 und 3 dar gestellt, auf einem separaten Ring durch bekannte Arbeitsverfahren, wie Fräsen, Bohren oder derglei chen hergestellt werden. Auf diese Weise können ein zelne Ringe mit verschieden hoher Zerkleinerungs- organzahl zwecks Änderung der zwischen zwei be nachbarten Kränzen erzeugten Schwingungserregun gen je nach Bedarf ausgewechselt werden.
Ein an der Welle 1 befestigter Konus 30 ragt in die Hohlkammer 31Z, wodurch eine einwandfreie Füllung und eine gute Führung des zu behandelnden Mediums in der Hohlkammer 31Z erreicht wird. Der Konus 30 verhindert auch eine Verstopfung der Hohl kammer 31Z. An dem auf dem Boden 18 abgestütz ten, Druckgehäuse 12 ist der den äussersten Ring um gebende Sammelkanal 13, 13' mit den Stirnscheiben 14 und 15 befestigt. Um den im Sammelkanal auf tretenden Druck und damit das Medium schneller zum Auslass 26 abzuleiten, weist der Sammelkanal einen in Richtung von dem dem Ausl'ass 26 diametral gegenüberliegenden Punkt zum Auslass 26 hin sich erweiternden Querschnitt auf (13-13').
Die Stirn scheibe 15 trägt den Halter 16 mit den vier Ringen von Zerkleinerungsorganen 4', 5', 6', 7'. Der Stator- organkranz 4' greift zwischen die Rotorkränze 3 und 4, der Kranz 5' zwischen die Rotorkränze 4 und 5 usw. Die Rotorkränze fliegen in geringem Abstand an den Statorkränzen vorbei, so dass ihre Zerkleine rungsorgane sich gegenseitig und die zwischen ihnen liegenden Kammern zu Schwingungen erregen. Ge mäss Fig. 3 begrenzen je zwei benachbarte Zerkleine rungsorgane 4', 5', 6', 7' eine Schallkammer 8' bzw. 9' bzw. 10' bzw. 11' von z. B. 2,5 bis 0,1 cm3 Inhalt.
Den die Zerkleinerungsorgane tragenden Flä chen des Stators und Rotors könnte man einen sich in radialer Richtung von innen nach aussen derart veränderlichen Abstand voneinander geben, dass der Ringquerschnitt zwischen diesen Flächen von innen nach aussen sich in einem gewünschten Sinne ändert. So könnte z. B. der Abstand zwischen den die Zer kleinerungsorgane tragenden Flächen so vergrössert werden, dass sich das Volumen der Schallkammern und die axiale Länge der Zerkleinerungsorgane nach der Peripherie hin vergrössert.
Durch diese Volumen vergrösserung ergibt sich gegen die Peripherie hin eine Auseinanderreissung des Mediums und zunehmender Unterdruck und damit rasch gesteigerte Kavitation. An der Peripherie des äussersten Kranzes 7' kann wenigstens auf einer Seite ein Diffusorring 16' (Fig. 1) angeordnet sein.
Während im vorliegenden Beispiel das Medium durch die in der Hohlkammer 31Z befindlichen, zen trifugal beschleunigenden Organe 3 unter hoher Be schleunigung und entsprechendem Druck in die Schallkammern hineingepresst und in kleine Teilchen aufgeteilt wird, könnten solche Organe in der Hohl kammer weggelassen und durch ausserhalb der Vor richtung liegende Mittel, wie z. B. eine Druckpumpe oder eine Flüssigkeitssäule vor der Vorrichtung, er setzt werden. Ausreichende stossweise Förderung könnte allenfalls auch allein durch die inneren Rotor organkränze, also unter Weglassung der Verbreite rungen 3, erreicht werden.
Um mit der geschilderten Vorrichtung auf ein fachste Weise eine kontinuierliche Bearbeitung des Mediums im Durchlauf durch die Vorrichtung durch Impulse und deren sich wellenförmig fortpflanzenden Schwingungen sowie die Kontrolle der Verweilzeit des Mediums in der Vorrichtung zu ermöglichen, ist an der ringförmigen Stirnscheibe 15 ein beispielsweise von einem Formstück 25 gebildeter Zuführungsraum 25' angeschlossen. Der Sammelkanal 13, 13' hat einen Auslaufstutzen 26, durch welchen das durch die Schallkammern 11' (Fig. 3) aus der Vorrichtung radial in den Sammelkanal 13, 13' geschleuderte Medium beispielsweise in eine Leitung 27 (Fig. 1) abgeführt wird.
Der Hohlraum des peripheren Sammelkanals 13, 13' ist im wesentlichen symmetrisch zur Achse des Auslaufstutzens 26 und in Richtung zum Austritt hin (siehe 13 und 13' in Fig. 1) mit zunehmendem Quer schnitt versehen, um ein leichteres Abfliessen des Mediums zu gewährleisten. Ein Einlassventil 28 kann dem Zuführungsraum 25' vorgeschaltet werden und die Zufuhr des Mediums regulieren.
Ein Regulierventil 29 ist dem Auslaufstutzen 26 nachgeordnet zum Zwecke der Einstellung der Be- schallungs- und Druckverhältnisse in der Vorrichtung sowie der Verweilzeit des Mediums in den Kammern der letzteren. Anstelle des Ventils 28 und/oder des Ventils 29 können andere, äquivalent wirkende Ein- stellmittel verwendet werden, z.
B. ein zweckentspre chend verengter Ausla'ss oder eine an den Austritt an- schl'iessend'e Steigleitung zu einem höheren Behälter. Man könnte den Gegendruck auf jede gewünschte Höhe einstellen, wenn in der Steigleitung in verschie denen Höhen freie, verschliessbare Abläufe eingebaut würden. Man könnte anstelle von Ventilen z. B. auch Ringblenden oder sich verengende Zwischenstücke, z. B. einen den freien Austritt des Mediums ein schränkenden Auslassstutzen, anbauen oder einschie ben, wobei alle diese Mittel von Hand oder auto matisch betätigt werden könnten.
Die gezeigte und geschilderte Vorrichtung kann in Details natürlich die verschiedensten Änderungen er fahren. So können z. B. die peripheren Flächen der Zerkleinerungsorgane 3 und der Zerkleinerungsorgane 4, 5, 6 und 4', 5', 6', 7' auf koaxialen Kegelflächen liegen, so dass durch axiale Verschiebung von Rotor und Stator gegeneinander eine Veränderung der Spalt breite, z. B. eine Verengung zwischen den Zerkleine- rungsorgankränzen, eintritt, die neben der Beschal lung des Mediums z. B. auch eine reibende oder mah lende Bearbeitung desselben erlaubt.
Die miteinander zusammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane des Ro tors und Stators können auch einzeln oder gruppen- weise teilweise kleineren und teilweise grösseren ra dialen, Abstand voneinander haben, so dass z. B. ein Teil der relativ entgegengesetzt zueinander rotieren den Zerkleinerungsorgane zusammen quetschend und/ oder mahlend und der andere Teil z. B. nur fördernd auf das Medium .einwirkt. Hierdurch wird eine viel seitige, der Arbeit eines Kollerganges ähnliche Be handlung des Mediums möglich.
Die Wirkung der Vorrichtung kann durch ent sprechende Gestaltung der relativ entgegengesetzt zu sammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane in weitem Rahmen verändert werden. Sind z. B. die mitein ander zusammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane an ihren Kanten geschärft, so erhält man scherende Wir kung. Sind sie abgerundet, so ergibt sich eine mehr schlagende und weniger scherende Wirkung. Haben sie geringen oder sehr geringen Abstand voneinander, so erhält man bei scharfen Kanten sehr wirksam scherende, bei stumpfen Kanten mehr eine quet schende Arbeit, wie sie im Kollergang vor sich geht.
Wenn man den Querschnitt der Zerkleinerungsorgane in Drehrichtung vorn abrundet oder tropfenförmig zu spitzt, erleichtert man die Durcharbeitung thixotro- per oder teigartiger Stoffe, wie sie mitunter, z. B. bei höherprozentigen Zellstoffaufschwemmungen, vor kommen. Die Vorrichtung gestattet gemäss dem Er gebnis eingehender Versuche z.
B. die Entstippung ohne Scherung und;'oder die Mahlung, gegebenenfalls die Quellung und'/oder Herbeiführung anderer Zu stände von Zellstoffen bis zu hohen Konzentrations graden. Um derartig hohe Leistungen zu erreichen, kann die Vorrichtung so gebaut werden, dass der innere Ring einer Bearbeitungsstufe grössere Lücken zwischen seinen Zerkleinerungsorganen aufweist als der ihn umschliessende, welche den flockigen, manch mal klumpigen, z.
B. von einem Grobauflöser kom menden Stoff oder auch stückigen Zellstoff aufneh men. Die Zerkleinerungsorgane, die zu diesem oder ähnlichen Zwecken ebenfalls tangential vorteilhaft verbreitert werden, beschleunigen das Medium und verteilen es mit hohem Druck in die Schallkammern des nächstgrösseren, relativ gegenläufigen Ringes. Derselbe weist bereits eine bedeutend grössere Anzahl radialer Schallkammern auf. Um den letztgenannten Ring läuft dann ein mit noch kleinerer Teilung, also noch mehr und eventuell engeren Schallkammern ver- sehener Ring relativ entgegengesetzt um.
Dieser letzte, feiner geteilte Ring kann durch einen durchbroche nen, noch feiner geteilten Ring umschlossen sein. Die Zahl der sich umschliessenden Ringe kann je nach dem Zweck bis zur Erreichung beliebig hoher Fre quenzen und Bearbeitungsgrade gesteigert werden.
Da der kleineren Teilung entsprechend auch, wie oben erwähnt, die die Schallkammern zwischen sich bildenden Zerkleinerungsorgane von Ring zu Ring von innen nach der Peripherie der Vorrichtung hin feiner werden, verändern sich die Schwingungsver hältnisse, die den als Oszillatoren ausgebildeten Zer kleinerungsorganen eigen sind, da diese als vielfache Stimmgabeln wirken, welche zur Schallabstrahlung durch die relativ entgegengesetzt an ihnen vorbeiflie genden Zerkleinerungsorgane erregt werden.
Bei einer Vorrichtung beträgt z. B. die tangentiale Stärke der zu Schwingungen erregten Organe des äusseren Ringes beispielsweise 3 mm, die tangentiale Weite der Schallkammern 2 mm und die Länge der oszillierenden Zerkleinerungsorgane 16 mm. Der von diesem äusseren Ring umschlossene Ring ist mit Er regerorganen besetzt, deren tangentiale Stärke 5 mm beträgt, während die Kammerweite 3,2 mm und die Länge der Zerkleinerungsorgane 15 mm ist.
Die Drehzahl des inneren Ringes beträgt bei diesem Bei spiel 3000 U,lmin bei einem Durchmesser des zwi schen den beiden Ringen eingeschlossenen Verteiler- und Kavitationsspaltes von 260 mm.
Die Relativ geschwindigkeit im Verteiler- und Kavitationsspalt ist somit
EMI0008.0028
Die Zerkleinerungsorganzahl des inneren Ringes ist
EMI0008.0030
und die Zerkleinerungsorganzahl des äusseren Ringes ist
EMI0008.0032
Die Zerkleinerungsorgane des inneren (Erreger)-Rin- ges bringen vermittels der im Verteiler- und Kavita- tionsspalt erzeugten hochfrequenten Prallwirkung die tangential oszillationsfähigen Zerkleinerungsorgane des äusseren,
feingeteilten Ringes zur Abgabe zusätz licher akustischer Schwingungen in die Schallkam mern. Die Gesamtzahl der durch die Begegnungen der Organe erzeugten Impulse und Druckstösse errechnet sich =
EMI0008.0039
Ein gemäss diesem Beispiel aus einer hochwertigen Stahllegierung gefertiter erregbarer Zerkleinerungs- organring gibt schon' beim leichten Bestreichen mit einem Holzstab einen deutlich vernehmbaren Ton.
Je nach den Anforderungen, die das zu bearbei tende Medium stellt, wird beispielsweise der Durch lassquerschnitt der Schallkammern, die axiale, radiale und;bder tangentiale Ausdehnung sowie das Material der Erregerorgane undloder der Oszil'latoren, die An zahl der Zerkleinerungsorgane pro Ring, die Stufen zahl, das heisst die Zahl der Ringe, der Durchmesser der Ringe sowie die Drehzahl verändert. Eine Ver grösserung des tangentialen Abstandes der Zerkleine rungsorgane ein und desselben Ringes hat eine Ver grösserung des Einzelvolumens einer Schallkammer zur Folge.
Dadurch wird der insgesamt im betreffen den Ring investierte Energieaufwand in weniger Teile unterteilt, was einerseits eine Erhöhung der Wellen amplitude, anderseits jedoch eine Verringerung der Frequenz zur Folge hat. Es können z. B. auch alle Zerkleinerungsorgane oder ein Teil derselben radial oder peripherial durchbohrt sein, wodurch zusätzlich intensive Interferenzschwingungen erzeugt werden. Es bestehen also die verschiedensten Möglichkeiten, die direkt wirkenden kinematischen Einflüsse auf das Gefüge des Mediums, insbesondere seiner festen An teile sowie den Einfluss der parallel dazu wirkenden Beschallung zu regulieren.
Die Ausführungsform der Fig.4 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 und 2 insbesondere durch folgende Merkmale: Die Zerkleinerungsorgane 5 sind in tangentialer Richtung erheblich dünner aus gebildet als ihre axiale Länge. Ausserdem ist ihre radiale Ausdehnung grösser als ihre tangentiale Dicke, so dass sie wie Stimmgabelzähne zu Schwingungen er regt werden.
Der Querschnitt des an den Sammelkanal 13' anschliessenden Auslassstutzens 26 ist an der Ein engung 26' direkt nach dem Druckgehäuse erheblich kleiner als derjenige des Zulaufrohres 25 und der Abführung 26, wodurch der Stoff im Druckgehäuse gestaut und der Strömung Druck entgegengesetzt wird. Die Vorrichtung hat nur zwei Rotororgankränze 3 und 5 und zwei Statororgankränze 17 und 32. Der Organkranz 32 besteht aus einem Ring mit radialen Durchbrechungen 33, wobei die Stege zwischen den selben die Zerkleinerungsorgane bilden.
Einige der Rotororgane 3 weisen Vorzerreissorgane 34 auf, die im gezeigten Beispiel messerartig ausgebildet sind; diese arbeiten mit Gegenwerkzeugen 35 im Zufüh rungsraum 25' zusammen, die z. B. die Form von Schneidbacken; zahnartigen, geriffelten oder ähn lichen Vorsprüngen oder Blindlöchern haben können und eine noch bessere Vorzerkleinerung des axial an kommenden Mediums erlauben als die Vorzerreiss- organe 34 allein.
Das Zuführungsrohr 25 kann, wie in Fig.4 punktiert angedeutet, mit verkleinertem Querschnitt bis zu jedem gewollten Abstand an den Hohlraum des Rotors herangeführt werden. Im übri gen gilt für das Beispiel der Fig. 4 im wesentlichen dasselbe wie für die erste Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3. Derartige Ausführungsformen eignen sich z. B. besonders für die Lösung klumpigen Gutes, wie Kaolin, oder zur schnellen Imprägnierung von festen Stoffen mit Bindemitteln, Chemikalien, Lö sungsmitteln usw.
Im Beispiel der Fig.5 ist die Antriebswelle 1 durch eine konische Nabe 36 des Rotors 2 hindurch nach der Seite des Zuführungsraumes 25' hin ver längert und trägt ein Pumpenrad 37 mit schrauben förmigen Schaufeln, die das Medium z. B. aus einem Behälter durch den Zuführungsraum 25' in die Vor richtung fördern. Zur Steigerung der Fördewirkung ist ein feststehender Leitapparat 38 vorgesehen, dessen Schaufeln entgegengesetzt zu den Schaufeln des Pum penrades 37 gekrümmt sind. An der Innenwandung des Zuführungsraumes 25' sind axial verlaufende Leitbleche 39 angeordnet, die einen drallfreien Ein lauf des Mediums in die Vorrichtung gewährleisten.
Auf dem freien Ende der verlängerten Welle 1 sitzen Flügel 40, die propellerartig ausgebildet sein können, wenn grössere Förderhöhen überwunden werden müs sen oder wenn das Medium infolge seiner Struktur der Förderung besonderen Widerstand entgegensetzt. Die Flügel 40 können aber auch messerartig zum An schneiden des Mediums ausgebildet sein.
Das den äussersten Organkranz 18 tragende Ele ment ist als abnehmbarer Ringkörper 16 ausgebildet, so dass durch Austausch des letzteren Frequenzände- rungen möglich sind.
Die Statororgane 18 sind in dieser Ausführungs form an ihren beiden Enden eingespannte Stege. Im übrigen gilt auch für dieses Beispiel im wesentlichen dasselbe wie für die erste Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 3.
Die Ausführungsform der Fig.6 hat an Stelle eines mit einem Rotor zusammenarbeitenden Stators zwei gegebenenfalls gegenläufige Rotoren 41 und 42. Der Rotor 41 sitzt auf der mit einem Einlassstutzen 48 versehenen Ansaugseite auf einer im Gehäuse 43 gelagerten Welle 44 und der Rotor 42 mit den Zer kleinerungsorganen 45 und 46 auf einer im Gehäuse 43 gelagerten Welle 47, die in zur Welle 44 entgegen gesetzter Richtung angetrieben wird. Im Bereiche des Zuführungsraumes 25' sitzt auf der Welle 44 eine Förder- und Me'ssschnecke 49.
Durch entsprechende Wahl der Steigung dieser Schnecke kann die Menge des durch die Vorrichtung geförderten Mediums ge nau reguliert werden. Die den Ring 50 mit den Zer kleinerungsorganen 51 und 52 tragenden Förderflügel 53 des Rotors 41 erteilen dem Medium zwecks Vor zerkleinerung eine hohe Umfangsgeschwindigkeit ent gegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors 42. Da durch wird das von den Flügeln 53 gegen den Rotor 42 geförderte Medium zunächst an den Zerkleine rungsorganen 45 bzw. an deren axialen Verlängerun gen 45' zerschlagen und je nach der Struktur des Mediums grob oder bereits fein verteilt.
Wie in Fig. 6 punktiert angedeutet, können die Flügel 53 mit axial gerichteten Spitzen 53' in die Hohlkammer 31Z des Rotors 42 hineinragen. Der weitere Arbeitsverlauf in der Vorrichtung ist der gleiche wie in den anderen Beispielen. Das aus dem Ring 52 austretende, behan delte Medium gelangt in den Sammelkanal 54, von wo es durch den Auslassstutzen 55 abgeführt wird.
Fig. 7 zeigt als Beispiel ein aus drei hinterein- andergeschalteten Einzelvorrichtungen 57, 58, 59 be stehendes Aggregat, wobei zwischen den Einzelvor richtungen Leitscheiben 60 angeordnet sind. Die Pfeillinie P veranschaulicht die Strömung des Me diums durch das Aggregat. Auf der Welle 61 sitzt am Einlass 62 eine Förder- bzw. Druckschnecke 63.
Das Einlassrohr 25 ist zylindrisch mit gleichbleibendem Durchmesser bis zu seinem Befestigungsflansch am Halter 16 des Stators geführt, so dass die Stirnseite der Rotororgane 3 ganz verdeckt ist und so der zu strömende Stoff der Pfeillinie X folgen muss und aus radialer Richtung zwischen die Rotororgane 3 ein geführt wird, wodurch erhöhte Beschleunigung des Stoffes in der Hohlkammer 31Z erreicht wird.
Durch eine solche Kombination erübrigt sich die bisher bestehende Notwendigkeit, in manchen Indu strien, z. B. der Zellstofferzeugung, zwei, drei oder mehr Maschinen derselben Type hintereinander auf zustellen, durch welche das Medium nacheinander hindurchläuft, um bis zum erforderlichen Grade be arbeitet, z. B. defibriert, fibrilliert oder raffiniert, zu werden.
Meistens waren zwischen den einzelnen Ma schinen noch Förderpumpen und/oder Zwischen behälter erforderlich. Durch die erfindungsgemäss vor geschlagene Kombination erübrigen sich derartige kostspielige Anlagen; es wird erfahrungsgemäss eine erhebliche Einsparung an Energie und Raumbedarf erzielt, die überwachung .ist viel einfacher und die Zeiteinsparung beträgt gegenüber bekannten Einrich tungen in vielen Fällen bis zu 90 "/o des früheren Aufwandes.
Bei einem aus mehreren, hintereinandergeschalte- ten Einzelvorrichtungen bestehenden Aggregat gemäss Fig. 7 kann das Gehäuse jeder einzelnen Vorrichtung mit einem radialen oder tangentialen Auslass versehen werden, wobei jeder@Auslass,regulierbar bzw. absperrbar ist.
Dadurch kann ein besonders? schwierig zu bearbeiten des Medium beispielsweise durch drei Vorrichtungen hindurch so lange im Kreislauf bearbeitet werden, bis eine Änderung des Mediums, die eine leichtere Be arbeitung zulässt, eintritt; dann kann das Medium durch Öffnen des Auslasses schon der zweiten oder eventuell sogar der ersten Vorrichtung abgelassen werden, wobei die nachfolgenden Vorrichtungen durch Schliessen ihrer Auslassventile ausser Funktion gesetzt werden.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele können mit vertikaler, horizontaler oder geneigter Achse arbeiten. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Vor richtung kann hinsichtlich ihrer Form, ihrer Abmes sungen sowie ihrer Einzelteile zwecks Veränderung der Wirkung beliebig abgewandelt werden.
Beispielsweise kann ihre Wirkung durch entspre chende Wahl der Umlaufgeschwindigkeit des oder der rotierenden Organringe dem zu bearbeitenden Me dium angepasst werden, wobei der Antrieb der Vor richtung je nach Bedarf mit bekanntem Mitteln, z. B. durch Riemenantrieb, durch ein Übersetzungsgetriebe oder durch einen Elektromotor direkt erfolgt, und gegebenenfalls das Gehäuse der Vorrichtung - wie es aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 288154 und der deutschen Patentschrift Nr.<B>1079</B> 597, bei direkt mit einem Elektromotor gekuppelten Kreiselpumpen, bei Motor; Schleifscheiben und Motor; Ventilatoren bekannt ist - fest mit dem Gehäuse des Motors ver bunden und der Rotor auf dem Ende der verlängerten Motorwelle freifliegend befestigt sein.
Ferner können z. B. die Organkränze ebenso mit runden, zylindrischen oder andersförmigen radialen oder vom Radius abweichenden Schallkammern in zweckmässiger Grösse, nötigenfalls bis zur höchsten Feinheit und Teilung, versehen sein.
Um scherende, reibende und gegebenenfalls kol- lernde Wirkung, wie eine solche beispielsweise bei der Erzeugung von Zellstoff oder ähnlichen Ge mischen zur Veränderung der Struktur, z. B.
zur Quellung, zur Veränderung des Wasserhaushaltes der Faser oder anderer Stoffteilchen führt, hervorzurufen, zu verstärken oder zu verändern, kann der Axial schnitt der relativ zueinander rotierenden Ringe ko nisch oder glockenförmig oder treppenartig abgestuft werden, so dass durch axiale Verschiebung der Ringe gegeneinander mit bekannten Mitteln eine Verände rung der Weite des Verteilerspaltes zwischen den Rin gen erreicht wird, die je nach Bedarf vom weitesten, technisch erforderlichen, bis zum kleinsten Abstand, nötigenfalls bis zur scherenden Reibung, eingestellt werden kann.
Die Weite des Verteilerspaltes, in wel chem bei zweckentsprechend hoher Relativgeschwin digkeit der beiden Organringe Kavitation auftritt, ist z. B. bei einer Ausführungsform für die Defibrierung von Zellstoff etwa 1 mm. Da die Dicke z. B. einer Fichtenzellstoffaser und vieler anderer Fasern für die Papierindustrie - je nach Herkunft - beispielsweise im Bereich von 10 bis 40 Mikron liegt, tritt, wie in vielen Versuchen festgestellt wurde, keinerlei Sche- rung bzw. Kürzung der Fasern ein, weil keine Sche renbildung mit Berührung der relativ zueinander ro tierenden Organe stattfindet.
Da die sich bildenden Fibrillen noch um ein Vielfaches feiner sind, -und ihre Dicke im Bereich von wenigen Mikron bis unter 1 Mikron liegt, wird ebenfalls eine Scherung bzw.
Kür zung derselben verhindert, und die Auflösung erfolgt nur durch Prallung, hochfrequenten Druckwechsel, Reibung und gegebenenfalls Kavitation. Die Kanten wenigstens eines Teiles der Zerkleinerungsorgane, ebenso wie die aneinander reibenden Flächen der Zerkleinerungsorgane der sich umschliessenden Ringe, können zur Erhöhung der Angriffswirkung bei ge wissen Medien noch zusätzlich gezahnt, geriffelt, ge- rauht oder mit Blindbohrungen versehen sein. Die Zerkleinerungsorgane können auch einfach oder mehrfach gewellt, konkav oder konvex gebogen, nötigenfalls auch elastisch nachgiebig sein.
Eine solche Nachgiebigkeit der Zerkleinerungsorgane, ge gebenenfalls auch der Ringe, kann beispielsweise durch Verwendung oder Mitverwendung elastischer Stoffe, wie Gummi, Kunststoff, Federmetall oder der gleichen, herbeigeführt werden. Um die von dem zu bearbeitenden Medium bespülte Oberfläche im Innern der Vorrichtung gegen Abrasion, Korrosion oder dergleichen zu schützen, kann dieselbe je nach Be darf mit einem harten oder elastischen korrosions beständigen Überzug versehen werden.
Zuleitungen für Zusatzstoffe, wie weitere Kom ponenten, Lösungsmittel, Reagenzien, Katalysatoren, Bleichmittel, Flüssigkeiten zum Spülen der Vorrich tung oder dergleichen, der verschiedensten Aggregat zustände, zum Zwecke jeglicher Beeinflussung der physikalischen bzw. chemischen Vorgänge in der Vorrichtung können nötigenfalls an allen geeigneten Stellen der Vorrichtung oder ihrer Zu- und Ableitun gen angebracht werden. So können z. B. Flüssigkeiten oder Gemische durch Zuführung von Gasen in die Vorrichtung begast oder verschäumt werden. Durch die Einführung von Basen in die Vorrichtung können auch Säuren oder saure Stoffgemische je nach Wunsch spontan oder latent neutralisiert oder hinsichtlich ihres pH-Wertes korrigiert werden.
Auf ähnliche Weise können durch Zuführung von Zusatzkompo nenten in die Vorrichtung spontane oder latente che mische Reaktionen mit jeder erforderlichen Intensität und mit jeder gewünschten Lenkung der Reaktions mechanik durchgeführt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann für kür zere oder längere Zeit auch in niedrigerem Schall bereich sowie nur durch Scheren, Zerprallen, Reflek tieren, Reiben usw., arbeiten.
Den folgenden Ausführungsbeispielen für das Verfahren gemäss der Erfindung ist eine Vorrichtung zugrunde gelegt, die vier sich umschliessende Ringe von Zerkleinerungsorganen aufweist. Auf dem inner sten Ring befinden sich 24 Zerkleinerungsorgane. Der ihn umschliessende gegenläufige Ring weist 100 Zer kleinerungsorgane auf. Der dritte Ring hat 150 Zer kleinerungsorgane und der äusserste Ring 200 Zer kleinerungsorgane. Das periphere Ausmass der Zer kleinerungsorgane und Schallkammern variiert in die sem Ausführungsbeispiel von der Achse gegen die Peripherie von Ring zu Ring, beispielsweise zwischen 10 mm am innersten Ring bis 2 mm am äussersten Ring.
Die Vorrichtung läuft mit einer relativen Rotor- Stator-Drehzahl von n = 3000 U;min. Es ergibt sich
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Das Volumen des Gehäuses der verwendeten Vor richtung beträgt nach Abzug des von der Vorrichtung beanspruchten Nettovolumens 4 Liter, so dass also stets innerhalb der Vorrichtung 4 Liter des betreffen den Mediums der Wirkung der kinematischen, hoch- frequenten Effekte sowie der Beschallung ausgesetzt sind.
Die Verweilzeit des Mediums in der Vorrich tung wird von Hand oder automatisch .so geregelt, dass der Durchfluss einer Füllung von 4 Liter Stoff in einem Zeitraum von 0,36 s erfolgt. Das bedeutet eine Durchflussmenge von etwa 40 000 1h oder 11 1/s. Bei einer angenommenen Dichte des Mediums von 1 g/cm-' entsprechen 11 Liter einem Gewicht von <B>11000</B> 000 mg. Auf Grund der angegebenen Gesamt zahl von den Stofftransport durch die Vorrichtung bewirkenden Druckimpulsen werden also pro Sekunde <B>11000</B> 000 mg des Mediums zunächst in 2 370 000 Teilchen mit einem durchschnittlichen Einzelgewicht von etwa 4,6 mg zerlegt.
Jedes dieser Teilchen wird während der Dauer von 0,36 s (Durchflusszeit durch die Vorrichtung - Verweilzeit in der Vorrichtung) von einem Teil dieser Impulse, insbesondere von dem in der jeweiligen Schallkammer wirksamen und von dem aus der Umgebung der betreffenden Schallkam mer in die letztere hineinwirkenden Anteil der vor genannten Schwingungen beschallt.
Durch zweckentsprechende Ausbildung einer er findungsgemässen Vorrichtung mit nur einer einzigen Beschallungsstufe lassen sich schon in jeder Ein zelkammer Ultraschallschwingungen (von über 16 000 Hz) erzeugen.
So ergibt sich für eine Vorrichtung mit zwei Schallkammerringen mit je 400 Kammern bei 50 rela tiv entgegengesetzten Umdrehungen pro Sekunde eine Frequenz von 400.50=20 00OHz, bei 100 relativ ent gegengesetzten Umdrehungen pro Sekunde eine Fre quenz von 400 . 100 = 40 000 Hz. Analog beträgt die Frequenz pro Schallkammer einer Vorrichtung mit 1000 Kammern pro Ring bei 50 relativen Umdre hungen pro Sekunde 50 000 Hz und bei 100 relati ven Umdrehungen pro Sekunde 100 000 Hz.
Die Gesamtzahl der Impulse bei einer Vorrich tung mit 400 Kammern pro Ring beträgt also bei 50 Relativumdrehungen pro Sekunde 400 - 400 - 50 = 8 - 10s pro Sekunde. Die im Ultraschallgebiet liegende, hochfrequente Beschallung pflanzt sich im flüssigen Anteil des in der Vorrichtung befindlichen Mediums mit etwa 1470 m's und im festen Anteil des Mediums mit etwa 3000 m/s allseitig bis an die Grenzflächen der Innen wandung der Vorrichtung fort.
Daraus erklärt sich teilweise, weshalb Gemische mit höherer Feststoff konzentration, abgesehen von der erhöhten interpar- also bei dieser Vorrichtung eine Gesamtzahl der Druckimpulse von tikularen Reibung, intensiver und vollkommener be arbeitet werden als Gemische mit weniger Feststoff gehalt, :eben weil die Fortpflanzung der Schallwellen in Feststoffen mit etwa zwei- bis dreimal höherer Ge schwindigkeit vor sich geht alls z. B. in Wasser. Ein z. B.
5 /oiger Zellstoff wird erfahrungsgemäss unter glei chen Arbeitsbedingungen schneller und besser d-efi- briert als der gleiche Zellstoff bei einer Konzentration von nur 2 %. <I>Ausführungsbeispiel 1 für das Verfahren</I> Durch die vorgenannte Vorrichtung mit der an gegebenen Durchflussgeschwind'igkeit soll eine Auf- schlämmung von Kaolin in Wasser (bei einer Kon zentration von 20'0/a) kontinuierlich hindurchgetrie ben und bearbeitet werden.
Die Teilchengrösse des Kaolins bewegt sich etwa zwischen max. 20 mm und min. 1 mm. Die gröberen Teilchen werden beim Ein tritt in die inneren, gröber geteilten Organkränze in Bruchteilen von Sekunden bis zu millimeterkleinen bzw. noch kleineren Teilchen zerschert, zerprallt und zerrieben. Gleichzeitig setzt auch die während der ganzen Verweilzeit der Kaolindispersion in der Vor richtung wirksame, hochfrequente Beschallung ein.
Diese führt, wie viele Versuche bestätigt Haben, in nerhalb der Verweilzeit der Dispersion von einer Sekunde in der Vorrichtung zu einer homogenen Aufschliessung und Feinverteilung des Kaolins in Ein zelpartikel mit mikroneu Grössenverhältnissen.
<I>Ausführungsbeispiel 2 für das Verfahren</I> Grob vorgelöster Papierstoff, z. B. aus unsortier tem Altpapier, in einer Konzentration von 5 fl/o in Wasser wird nach Befreiung von Metallteilchen und Schmutz, so wie er von einem Auflöser, Pulper oder dergleichen, eventuell unter Zwischenschaltung von Bütten, Reinigern, Eindickern usw., kommt,
der Vor richtung kontinuierlich zugeführt und der oben be schriebenen Bearbeitung durch kinematische Effekte und gleichzeitige Beschallung unterworfen. Dadurch werden die Teilchen, Flocken, Faserbündel oder Stip- pen, wie in zahlreichen Versuchen festgestellt wurde, innerhalb einer Verweilzeit von einigen Sekunden bis zu weniger als einer Sekunde - je nach Art des Stof fes. -, kontinuierlich bis zur Einzelfaser ,stippenfrei defibriert.
Für den gleichen Vorgang. wurde bis heute mit klassischen Verfahren, wie es beispielsweise im Holländer durchgeführt wird, 1/, bis 4 Stunden, also eine 1800- bis 14000mal längere Zeit und be kanntermassen ein vielfacher Energieaufwand be nötigt.
Dieses Beispiel gilt auch für Holzschliff oder che misch vorbehandelte Stoffe aus Holz, Stroh, Gräsern usw., wobei das Holz vorzerkleinert wird (z. B. Hackschnitzel, Astknoten, Rückstände, Hobelspäne, Furnierbruch, Holzwollhäcksel usw.).
Je nach eventueller Änderung der Grobstoff lösung, des Widerstandes der Stippen und abhängig von dem gewünschten Grad der Auflösung, Defibrie- rang und Entstippung, sowie gegebenenfalls der Mah- lung, Quellung, Fibrillierung usw., kann der Grad der Bearbeitung durch Wiederholung der Behandlung, aber auch durch Steigerung oder Minderung der Dreh zahl, der Verengung oder Erweiterung des radialen Spaltes zwischen den Zerkleinerungsorganen der sich umschliessenden Ringe nach Bedarf durch bekannte Mittel, z.
B. durch Auswechslung der Organringe oder die oben erwähnte axiale Verschiebung gegenein ander, korrigiert werden.
Der erhaltene Zellstoff zeigt eine hervorragende Schonung der Faser und ergibt Papiere und Kartons, die erfahrungsgemäss z. B. gegenüber bekannten Ver fahren Steigerungen der Reissfestigkeit von mehr als 300 % aufweisen. Ebenso sind die übrigen Eigen- schaften des erhaltenen Stoffes ausgezeichnet.
Der Energiebedarf für den genannten Fall ist niedriger als bei bekannten Verfahren und die Gesamtergeb nisse unvergleichlich günstiger als die der piezoelek- trischen Beschallung.
Fig. 8 stellt einen wie üblich 15 Minuten lang mit einem Konusrefiner bearbeiteten Fichten-Sulfit-Zell- stoff dar. Fig. 9 zeigt im Vergleich zur vorhergehenden Figur den gleichen Stoff nach einer Bearbeitung von 4 Sekunden nach dem erfindungsgemässen Verfahren. Nach der bekannten Methode der mechanischen Be handlung ist der behandelte Faserstoff, wie die Fig. 8 erkennen lässt, weitgehend zerstört und in seiner Faserstruktur geschädigt. Ein aus diesem Stoff her gestelltes Papierblatt hat eine Reisslänge von 4570 m. Die Papierindustrie kämpft gegen diese Faserzerstö rung seit vielen Jahren ohne nennenswerten Erfolg.
Dagegen hat ein Papierblatt gleichen Gewichtes, wie in Fig. 9 dargestellt, ein beispielhaft geschontes Faser material mit langen Fasern und Fibrillen. Viele Ver suche haben den Beweis erbracht, dass eine derartige Schonung der Fasern für die angemeldete Erfindung nicht zufällig, sondern charakteristisch ist und all gemein erzielt werden kann. Vergleichsblätter aus dem Stoff gemäss Fig. 9 weisen eine meist doppelte, viel fach eine drei- bis vierfach höhere Reisslänge als die aus dem Stoff gemäss Fig. 8 hergestellten Blätter auf.
Solche schonende Auflösung der Faseragglomerate, auch Faserbündel oder Stippen genannt, ist abgese hen von der Beschallung in den kleinen Hohlräumen weitgehend auf im Verteiler- und Kavitationsspalt auf tretende Kavitation zurückzuführen.
Genaue Messungen an einer Vorrichtung mit 500 Schwingern und Schallkammern haben z. B. bei der Behandlung von Kraftzellstoff eine Leistungsaufnahme von 50 000 Watt ergeben. Die Leerlaufverluste be trugen 8 000 Watt oder 16 0/0, so da'ss auf jede Ein heit, bestehend aus Schwinger und Kammer, eine Leistung von
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entfällt. Diese Leistung setzt sich aus der kinemati schen und der Schallwirkung zusammen.
Der Quer schnitt einer Schwinger ! Kammer-Einheit betrug 0,5 cm2, der Gesamtquerschnitt des aus 500 Schwin ger / Kammer-Einheiten zusammengesetzten Gene- rators 250 cm2, woraus sich eine spezifische Leistung von 84 Watt pro Schwinger;Kammer-Einheit oder 168 Watt/cm2 ergibt. Die so erzielte spezifische Lei stung übertrifft die Leistung der piezoelektrischen und magnetostriktiven und anderen Schallgeneratoren bei weitem.
Da die Amplitude in Richtung zur Peripherie und mit der zunehmenden Umlaufgeschwindigkeit an wächst, ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung die gleichzeitige Steigerung der Frequenz und der Amplitude, worin ein grundsätzlicher Fortschritt ge genüber der klassischen Ultraschalltechnik besteht. <I>Ausführungsbeispiel 3 für das Verfahren</I> Hackschnitzel oder Späne aus Holz (z. B. Hobel späne, Sägemehl oder geschälte Späne, wie Furnier bruch), die vorzugsweise möglichst dünn, jedoch lang faserig beschaffen sein sollen, werden nach an sich bekannten Verfahren eingelaugt oder eingesprüht. Die Konzentration der NaOH-Lauge beträgt etwa 5 bis 10 /o, je nach Art des Rohstoffes.
Es wird mit Was- ser auf 3 bis 5 % Trockenstoff, je nach Schlüpfrigkeit der rohen Stoffaufschwemmung, eingestellt. Die rohe Aufschwemmung wird in die Vorrichtung eingeführt und in derselben mit einer Verweilzeit, die einer Vor schubgeschwindigkeit des Stoffes von 1,4 m "s ent spricht, bearbeitet und beschallt.
Die Verweilzeit wird durch die Eintrittsgeschwindigkeit und den Gegen druck durch die hierfür der Vorrichtung vor- und l oder nachgeordneten Mittel eingestellt. Der kontinu ierlich aus der Vorrichtung austretende Faserstoff ist je nach Art des Rohstoffes weitgehend oder vollkom men defibriert. Wird je nach dem Befund des Ergeb nisses weitere Defibrierung und evtl. Fibrillierung gewünscht, so wird die Prozedur auf gleiche Weise wiederholt. Während der (einem stossweisen Vorschub des Mediums in den Schallkammern von 1,4 m/s entsprechenden) Verweilzeit wird der Stoff in der Vorrichtung tiefwirkend mit der ihm anhaftenden Lauge imprägniert.
Durch die hochfrequente Druck stossbehandlung und -beschallung werden die einzel nen Fasern unter besonderer Schonung ihrer Struktur, insbesondere ihrer Länge und Festigkeit, voneinander gelöst, und man erhält einen hochwertigen Alkali zellstoff. Das erfindungsgemässe Verfahren kann selbstverständlich auf ähnliche oder entsprechend ab geänderte Weise auch auf die Herstellung anderer Zellstoffe (z. B. Sulfit- bzw. Sulfatzellstoffe) angewen det werden. Die Weiterbehandlung so aufbereiteter Zellstoffe, z. B. für die Papiererzeugung oder zur Gewinnung von Spinnlösungen (Viskosen usw.), Kunststoffen usw., kann unter Verwendung der be- kannten Lösungsmittel bzw.
Reagenzien oder deren Gemische durchgeführt werden.
Dieses Verfahrensbeispiel lässt sich auch anwen den auf die Verarbeitung von Einjahrespflanzen, wie Gräsern, Schilf, Bambus, Bagasse. Esparto usw., wo bei die Stoffdichte, die Laugenkonzentration, die Tem peratur und die Behandlungsdauer nötigenfalls dem Stoff angepasst werden. Ausführungsbeispiel <I>4 für</I> das Verfahren Faserstoffe, z. B. aus Holz, Einjahrespflanzen (Gräsern, Stroh, Bambus, Esparto usw.) können z. B.
für die Herstellung von Papier und Karton, in ausser ordentlich kurzer Zeit unter gleichzeitiger Erzielung hoher Qualität des Stoffes und hoher Ausbeute auf eine sehr wirtschaftliche Weise gebleicht werden, in dem der vorgelöste Faserstoff der hochfrequenten Stosswirkung und Beschallung im Durchgang durch die Vorrichtung je nach Rohstoffart und der ge wünschten Remission des gebleichten Stoffes einmal oder wiederholt während etwa 1,5 bis 2,5 Sekunden Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung unter Zu satz von etwa<B>10/@</B> Chlor, z. B. aus Calciumhypo- chlorit, unterworfen wird.
Die zweckentsprechend konzentrierte Chlorlösung kann vor dem Eintritt des zu bleichenden Stoffes in die Beschallungsvorrichtung zugesetzt oder durch an der letzteren vorgesehene Zu leitungen in ihr Gehäuse unter Messung und Kon trolle eingeführt, gegebenenfalls auch in Pulverform vor dem Eintritt in die Vorrichtung dem Stoff ein verleibt werden. In der Vorrichtung erfolgt eine voll kommene Verteilung des Bleichmittels im Stoff. Da bei tritt eine hochwirksame Durchdringung und Imprägnierung der Fasern mit dem Bleichmittel infolge der hochfrequenten Druckmaxima und -mi- nima ein, welche ein sofortiges Einsetzen der an dem aus der Vorrichtung austretenden Stoff sichtbaren, intensiven Bleichwirkung zur Folge haben.
Der anschliessende Bleichvorgang kann auf diese Weise bei fast allen Stoffen erheblich abgekürzt und der Weissgehalt bei durchwegs niedrigerem Verbrauch an Bleichmitteln verbessert werden.
<I>Ausführungsbeispiel 5 für das Verfahren</I> Für die Durchführung chemischer Reaktionen im allgemeinen wird nachstehendes Beispiel angeführt, welches eine Reaktion zwischen Base und Säure unter gleichzeitiger Bildung eines Gels infolge Koagulation umfasst.
Nach diesem Beispiel erfolgt die Herstellung von Kieselsäure für die verschiedensten, an sich bekann ten Zwecke, z. B. als Füllstoff für Farben, Papier, Gummi usw., oder als Schutzkolloid, wie folgt: Man führt flüssiges Alkalisilikat, z. B. eine der bekannten Wasserglasarten, in der erforderlichen Konzentration durch den Ansaugstutzen in die Vor richtung ein. Die Einführung erfolgt entweder durch die Saugkraft der Vorrichtung allein oder mit Unter stützung durch eine Pumpe. Am Einlass in die Vor- richtung wird die zufliessende Menge Alkalisilikat durch ein Regulierventil eingestellt und gegebenen falls durch bekannte Kontrollgeräte gemessen.
Durch die Achse des Zuleitungsstutzens oder an sonstigen zweckentsprechenden Stellen des Gehäuses sind meh rere Rohrzuleitungen für die erforderliche Reaktions säure eingeführt. Diese Rohre können sich im In neren der Vorrichtung, vorzugsweise möglichst nahe oder in der zentralen Hohlkammer, mehrfach ver zweigen, um eine von Anfang an bestmögliche Ver teilung der Säure zu sichern. Die Zuleitungen für die Säure sind zweckmässig ebenfalls mit Regulierventilen und/oder Messinstrumenten versehen.
Man lässt nun bei rotierender Vorrichtung gleichzeitig die stöchio- metrischen Mengen Alkalisilikat und Säure durch die entsprechenden Leitungen in die Vorrichtung einflie- ssen, worauf sofort innerhalb derselben eine höchst intensive und gleichmässige Verteilung von Alkalisili.- kat und Säure sowie inniger Kontakt auch kleinster Teilchen eintritt, so dass sofortige Reaktion und da mit die Ausfällung der Kieselsäure stattfindet. Die Kieselsäure kann in jeder beliebigen Partikelgrösse und Feinheit erzielt werden.
Die Regulierung dieser Eigen schaften erfolgt durch die an sich bekannte Propor- tionierung von Alkalisilikat und Säure, die ganz nach Bedarf aufeinander abgestellt und manuell oder durch automatische Kontrollorgane reguliert werden kann. Die Grösse der Partikel kann durch schnelleren oder langsameren Durchfluss im Verhältnis zur dispergie- renden Arbeit der Vorrichtung nach Belieben regu liert werden. Durch entsprechend eingestellte Dreh zahl der relativ gegenläufigen Organkränze und/oder Änderung der Verweilzeit mittels der Einlass- bzw.
Auslassventile wird die spontan gebildete Kieselsäure dann nötigenfalls noch bis zur für Aerosole erforder lichen Partikelfeinheit und Homogenität bearbeitet. Bei diesem Verfahrensbeispiel hat man es in der Hand, die physikalische und die chemische Struktur der Kieselsäure, die als Endprodukt aus der Vorrich tung herausfliesst, je nach Bedarf zu regulieren. An Stelle von Säuren können naturgemäss auch andere koagulierende Reagenzien Verwendung finden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung lassen sich auf ausserordentlich viele physi kalische und/oder chemische Stoffänderungen, meist unter Anwendung der allgemein üblichen Zusammen setzung von Stoffkomponenten und/oder Reagenzien für die verschiedenartigsten. Stoffe und Gemische übertragen.
Als Beispiele seien lediglich angeführt: Mischungen verschiedener Art, die Herstellung mikro- ner homogener Suspensionen, Füllstoffe, die Defibrie- rung, Raffinierung, Bleichung und andere chemische Behandlungen von Zellstoffen, Halbzellstoffen, Holz schliff oder Altpapier sowie anderen zellulosehaltigen Stoffen (z.
B. für die Erzeugung von Kunstseiden), die Xanthogenierung, die Homogenisierung von Spinn lösungen, Suspensionen, Dispersionen, Emulsionen usw., Polymerisation, Depolymerisation, Synthesen und andere, auch katalytische Reaktionen verschie denster Art.