DE1284267B

DE1284267B - Apparatur zum Feinstzerkleinern und Homogenisieren von Stoffen und Gemischen sowie der dispersen Phase in fluessigen, kolloidalen und dispersen Systemen

Info

Publication number: DE1284267B
Application number: DEF38353A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: FORSCH INST ING CHEM PETER WIL
Current assignee: FORSCH INST ING CHEM PETER WIL
Priority date: 1957-11-06
Filing date: 1958-10-17
Publication date: 1968-11-28
Also published as: DE1819645U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur zum Feinstzerkleinern und Homogenisieren von Stoffen und Gemischen sowie der dispersen Phase in flüssigen, kolloidalen und dispersen Systemen, bei der ein mit pumpenden, eine zentrale Saugkammer umgebenden Stegen versehener Rotor zwischen zwei in axialer Richtung als Gehäusewände dienenden Scheiben umläuft, von denen wenigstens eine mit einer das Gut zum Rotor einlassenden Öffnung versehen ist.
In solchen bekannten Apparaturen konnten jedoch Gemische mit sehr harten oder spröden Anteilen, die der Feinstzerkleinerung einen erheblichen Widerstand entgegensetzen, nicht bearbeitet werden.
Es wurde nun gefunden, daß durch schwingungstechnische Maßnahmen in überraschender Weise auch die Bearbeitung solcher Gemische ermöglicht wird.
Die Anwendung schwingungstechnischer Maßnahmen an sich ist schon bekannt, beispielsweise aus einem in den Dechema-Monographien Nr. 363 bis 391, S. 173 bis 190, veröffentlichten Vortrag »Mechanische Hochfrequenzgeräte und -verfahren in der chemischen Technik«, den der Erfinder anläßlich der ACHEMA-Ausstellungstagung für chemischesApparatewesen im Mai 1955 in Frankfurt am Main gehalten hat. In diesem Vortrag bzw. Aufsatz ist zwar an mehreren Stellen von » Schwingern « oder »Schwingorganen« die Rede, jedoch bilden die so bezeichneten Stege als starre Glieder die Wände für die einzelnen Durchtrittskammern. Mit dem verwendeten Ausdruck »Schwinger« ist somit - wie auch in dem Aufsatz von Prof. Dr.-Ing. O. Fuchs »Über hochfrequente Stoffbehandlung« (Chemiker-Zeitung - chemische Apparatur, 84. Jahrgang, Nr.
24/1960, Seiten 809 bis 814) eindeutig klargestellt wurde - wie in der Schwingungstechnik allgemein üblich, ein schwingungserzeugendes Element, in diesem Falle eine periodisch geöffnete und abgesperrte Durchtrittskammer, gemeint, das selbst keine Schwingungen auszuführen braucht.
Das gleiche gilt auch für eine andere bekannte Maschine zur Herstellung feinstzerteilter Mischungen, Dispersionen oder Emulsionen, die ein Düsensystem mit Strahlaustritt und ein sich relativ zu ihm drehendes Schlitzkammersystem umfaßt, wobei im letzteren angeordnete, den Gutstrahlen entgegengerichtete Schneiden als resonanzfähige Schwingkörper ausgebildet sind. Diese, als Zähne mit dreieckigem Umriß ausgebildeten Schneiden können weder selbst Schwingungen ausführen noch bilden sie die Seitenwände von mit nach außen führenden Durchbrüchen in Verbindung stehenden Zellen und/oder die Seitenwände der Durchbrüche.
Beim Erfindungsgegenstand wird aber gerade durch die intensive schwingungstechnische Behandlung des in einzelne kleine Raumteile aufgeteilten Behandlungsgutes eine fortschrittliche Wirkung gegenüber dem bekannten Stand der Technik erzielt, wofür es wichtig ist, daß die die Aufteilung des Behandlungsgutes in einzelne Raumteile bewirkenden Stege Eigeuschwingungen ausführen.
Die den Gegenstand der Erfindung bildende Apparatur ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Apparatur im Längsschnitt, Fig.2 eine zweite Ausführungsform, ebenfalls im Längsschnitt, F i g. 3 einen Querschnitt durch die in F i g. 2 dargestellte Apparatur, F i g. 4 eine dritte Ausführungsform im Längsschnitt, Fig. 5 einen Querschnitt durch die Apparatur nach Fig. 4, F i g. 6 eine vierte Ausführungsform im Längsschnitt, F i g. 7 einen Teilquerschnitt durch die in F i g. 6 dargestellte Apparatur und Fig. 8 und 9 Einzelheiten der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Apparatur im Schnitt bzw. in Ansicht.
Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform der Apparatur gemäß der Erfindung weist eine von einem (nicht dargestellten) Motor angetriebene Welle 1 auf, die an ihrem unteren Ende einen Rotor 2 trägt. Der Rotor 2 ist mit pumpenden, eine zentrale Saugkammer 6 umgebenden Stegen 3 versehen und läuft in einem von zwei konischen Scheiben46, 47 gebildeten Gehäuse um, das sich nach oben in Form einer die Welle 1 umgebenden Hohlwelle 5 fortsetzt. Die konischen Scheiben 46, 47 des Gehäuses laufen an ihrer Peripherie so eng zusammen, daß nur ein peripherer Ringspalt 48 verbleibt, der das Gut, wenn es unter starkem Druck und hoher Beschleunigung an der Peripherie hinausgeschleudert wird, zu einer dünnen Ringschicht zusammenpreßt, aus welcher es infolge der nach dem Austritt aus dem Ringspalt erfolgenden plötzlichen Expansion die Vorrichtung in fein zerstäubter Form verläßt. Der Ringspalt 48 kann nötigenfalls durch Verbindungen zwischen der Peripherie der beiden Scheiben 46, 47 unterbrochen sein, so daß an Stelle eines zusammenhängenden peripheren Spaltes kurze Schlitze oder nötigenfalls auch als Düsen wirkende radiale oder annähernd radiale Durchbrechungen entstehen.
Im Inneren des Gehäuses, dicht vor dem peripheren Ringspalt 48, ist ein konzentrischer Ring 49 vorgesehen, der im gezeigten Ausführungsbeispiel dreieckigen Querschnitt aufweist. Dieser Ring 49 ist zwischen den Scheiben46, 47 so angeordnet, daß zwischen den letzteren und dem Ring 49 zwei in den peripheren Ringspalt 48 mündende, düsenartige Spalte 50, 51 freibleiben. Durch diese engen Spalte 50, 51 wird das Gut auf seinem Wege zum peripheren Ringspalt 48 des Gehäuses gepreßt, worauf sich die beiden vor dem Ringspalt 48 wieder zusammentreffenden dünnen Schichten im peripheren Ringspalt unter hohem Druck vereinigen. Dadurch tritt gleichzeitig eine von Hochdruckdüsen her bekannte, sehr intensive Homogenisierung und Zerstäubung des Gutes ein. Der sich auf diese Weise im und um den peripheren Spalt 48 abspielende hochwirksame Kontakt kann auch zur Durchführung chemischer Prozesse verschiedener Art ausgewertet werden.
Der im- Gehäuse angebrachte Ring 49 ist auf seiner nach dem-Zentrum der Vorrichtung gerichteten Innenfläche 52 mit dreieckigen Klingen 53 besetzt, die von solcher Feinheit sind, daß sie beim Aufprall des von den Rotorstegen3 nach außen geschleuderten Gutes auf die Klingenkanten in Schwingungen versetzt werden, welche sowohl der Eigenfrequenz der Klingen entsprechenden als auch Interferenzschwingungen erzeugen, deren Frequenz von den Impulsen der an ihnen vorbeibewegten, an ihren äußeren Enden mit in Drehrichtung weisenden, messerartigen Anschärfungen versehenen Rotorstege 3 abhängt. Durch die hochfrequenten Impulse und Schwingungen ergibt sich zusammen mit der schneidenden, scherenden und prallenden Wirkung der Rotorstege 3 eine besonders intensive Aufschließung des Gutes in der Vorrichtung. Die Wirkung dieser Anordnung entspricht dem Schall- oder Ultraschalleffekt zahlreicher Galtonpfeifen. Die so oder ähnlich gestalteten schwingungsfähigen Klingen 53 können auch selbständig, auf jede andere bekannte Art, zwischen den beiden Scheiben 46, 47 des Gehäuses befestigt sein und als Galtonpfeifen wirken.
Der innere Rand der unteren Scheibe 47 ist mit annähernd koaxialen Zähnen 54 versehen, an welchen sich ebensolche Zähne55, die an den Rotorstegen 3 sitzen, scherend vorbeibewegen.
Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Apparatur weist der zwischen den Scheiben 67, 68 angeordnete Ring 66 quadratischen Querschnitt auf; die an ihm befestigten schwingungsfähigen Klingen 69 sind in Quadranten aufgeteilt und nur an der Wurzel zusammenhängend. Dadurch werden die Quadranten im einzelnen weiter in Schwingungen versetzt, und es wird gegebenenfalls durch Interferenz eine höhere Schwingungsfrequenz erzielt. Die Klingen 69 bilden im wesentlichen radiale Durchtrittsspalte 70.
Die Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5 weist zwischen den Scheiben 67, 68 des Gehäuses drei sich umschließende Ringe 70 mit schwingungsfähigen Klingen 69 auf, wobei die Klingen je zweier benachbarter Ringe auf Lücke gegeneinander versetzt sind. Das durch die Lücken zwischen den Klingen 69 eines Ringes radial hindurchschießende Gut stößt also auf die inneren Kanten der Klingen 69 des nächstgrößeren Ringes 70 und wird dadurch nach beiden Seiten zerstäubt. Da aber auch aus beiden seitlichen Richtungen gleichzeitig zerstäubtes Gut dagegen strömt, tritt eine innige Vermischung ein, und diese Vermischung geht nun gemeinsam durch die Lücken des nächsten Ringes 70 radial hindurch, wonach sie mit hoher Geschwindigkeit erneut auf die Innenkanten der Klingen 69 des äußersten Ringes 70 stößt, wo sich der Zerstäubungs- und Homogenisierungsvorgang wiederholt. Diese Apparatur dient besonders bei sehr schwierigen Homogenisier-Prozessen zur Erzielung sehr hoher Feinheit, z. B. bei Milch u. dgl.
Die Fig.6 bis 9 stellen im Längs- und Querschnitt und in zwei Detailfiguren ein Ausführungsbeispiel dar, bei welchem um die peripheren Enden der Rotorstege 3 mit geringem radialen Abstand voneinander sieben mit radialen Durchbrechungen 73 versehene, sich umschließende Ringe 71 zwischen den Scheiben 67, 68 des Gehäuses angeordnet sind. Die zwischen den Durchbrechungen 73 der gegebenenfalls siebfeinen Ringe 71 stehengebliebenen Stege 72 stellen hier die schwingungsfähigen Klingen dar. Durch die konische Gestaltung der radialen Kanäle im Gehäuse und der Rotorstege 3 entsteht vor dem innersten durchbrochenen Ring 71 ein plötzlicher hoher Überdruck infolge des plötzlich verringerten Gesamt-Durchlaßquerschnittes (weil die Stege 72 zwischen den Durchbrechungen 73 einen Teil des Durchlaßquerschnittes versperren).
Der den innersten Ring 71 umschließende nächste Ring 71 ist so gegen den vorhergehenden verdreht, daß die Durchbrechungen 73 sich mit den Stegen 72 decken und das Gut, welches aus den Durchbrechungen 73 des innersten Ringes 71 radial austritt, gegen die Stege 72 stößt und durch den engen Spalt zwischen dem innersten und dem nächsten Ring seitlich gelenkt wird, bis es durch die versetzten Durchbrechungen 73 des zweiten Ringes 71 radial hindurchtreten kann. Vom zweiten zum dritten Ring usw. spielt sich wiederum derselbe Vorgang ab, so daß bis zum äußersten durchbrochenen Ring das Gut immer wieder zwischen den einzelnen Ringen sich den Weg zum nächsten umgebenden Ring suchen muß. F i g. 8 zeigt im Detail vier solcher Ringe 71 mit gegeneinander versetzten Durchbrechungen 73 und Stegen 72 und dem Spalt 74 zwischen je zwei benachbarten Ringen 71, durch welchen das Gut hindurchströmen muß, um die Durchbrechungen 73 im nächstgrößeren Ring 71 zu finden.
F i g. 9 zeigt einen einzigen solchen durchbrochenen Ring 71 in Ansicht von innen. In F i g. 7 ist deutlich die in Drehrichtung weisende, messerartige Anschärfung 75 am äußeren Ende des Rotorsteges 3 erkennbar.
Die erfindungsgemäße Apparatur kann im Rahmen der Erfindung verschiedene Abwandlungen erfahren. So können beispielsweise auch die Stege des Rotors wenigstens an ihren äußeren Enden als schwingungsfähige Klingen ausgebildet sein. Außerdem können die Klingen am Rotor und/oder an den Gehäusedruchbrüchen wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen; sie können ferner mit Schneiden oder Reibkörpern aus besonders widerstandsfähigem Material, z. B. Metall, Stein, hartem Kunststoff od. dgl., besetzt sein. Schließlich können die Stege des Rotors und/oder die Klingen an den Gehäusedurchbrüchen von der Radialebene abweichen, d. h. sie können beliebig geneigt oder gewunden sein.

Claims

Patentansprüche: 1. Apparatur zum Feinstzerkleinern und Homogenisieren von Stoffen und Gemischen sowie der dispersen Phase in flüssigen, kolloidalen und dispersen Systemen, bei der ein mit pumpenden, eine zentrale Saugkammer umgebenden Stegen versehener Rotor zwischen zwei in axialer Richtung als Gehäusewände dienenden Scheiben umläuft, von denen wenigstens eine mit einer das Gut zum Rotor einlassenden Öffnung versehen ist und zwischen denen in ihrem peripheren Bereich wenigstens ein nach außen führende Durchbrüche belassender Gehäusering angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gehäuseringe (49 bzw. 66 bzw. 70 bzw. 71) mit schwingungsfähigen Stegen (53 bzw. 69 bzw.

72) versehen sind, die die Seitenwände von mit den nach außen führenden Durchbrüchen in Verbindung stehenden Zellen und/oder die Seitenwände der Durchbrüche bilden.
2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der beiden Gehäusewände (46, 47 bzw. 67, 68) nach der Peripherie hin abnimmt.
3. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der Gehäusewände (46,47 bzw. 67, 68) so abnimmt, daß der ringförmige Durchgangsquerschnitt der nach außen führenden Durchbrüche von innen nach außen konstant bleibt.
4. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die peripheren Flächen der Rotorstege (3) und die mit ihnen zusammenarbeitenden Gehäuseinnenwände (46, 47 bzw. 67, 68) Unebenheiten aufweisen, z. B. mit Bohrungen versehen oder gerauht, gerillt oder gezahnt sind.
5. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die schwingungsfähigen Stege (53 bzw. 69) tragende Gehäusering (49 bzw. 66) radial zwischen zwei Ringkränze der Rotorstege (3) greift.
6. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähigen Stege (53 bzw. 69) als Klingen ausgebildet und einseitig am Gehäusering (49 bzw.

66) befestigt sind.
7. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusering (49) so angeordnet ist, daß zwischen den beiden, einen peripheren Ringspalt (48) zwischen sich einschließenden Gehäusewänden (46, 47) und dem Gehäusering (49) zwei in den peripheren Ringspalt (48) mündende, düsenartige Ringspalte (50, 51) freibleiben.
8. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten an den äußeren Enden der Rotorstege (3) von der achsparallelen Richtung abweichen und daß die mit ihnen zusammenwirkenden inneren Kanten der schwingungsfähigen Stege (53 bzw. 69) längs einer Äquidistanten verlaufen.
9. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähigen Stege (69) des vorzugsweise einen rhombischen Querschnitt aufweisenden Ringes (66) in mehrere Teile, z. B. Quadranten, aufgeteilt sind.
10. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schwin- gungsfähigen Stege (69 bzw. 72) von den zwischen Durchbrechungen eines Ringes (70 bzw. 71) stehengebliebenen Teilen gebildet sind.
11. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von mindestens zwei konzentrischen Gehäuseringen (70 bzw. 71) die schwingungsfähigen Stege (69 bzw. 72) je zweier benachbarter Ringe auf Lücke gegeneinander versetzt sind.
12. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseringe im Bereich ihrer Durchbrechungen von einem Sammelkanal umgeben sind, der mit einem Ableitungskanal für das behandelte Gut versehen ist.
13. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Rotorstege (3) mit in Drehrichtung weisenden, messerartigen Anschärfungen (75) versehen sind.
14. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stege (3) des Rotors wenigstens an ihren äußeren Enden als schwingungsfähige Klingen ausgebildet sind.
15. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Klingen am Rotor und/oder an den Gehäusedurchbrüchen wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen.
16. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rotorstege (3) und/oder die mit ihnen zusammenwirkenden Enden der Klingen an den Gehäusedurchbrüchen mit Schneiden oder Reibkörpern aus besonders widerstandsfähigem Material, z. B. Metall, Stein, hartem Kunststoff od. dgl., besetzt sind.
17. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorstege (3) oder nur ihre pumpenden Flanken von der radialen Richtung abweichen, indem sie in oder entgegengesetzt zur Drehrichtung geneigt oder abgebogen sind.