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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Dispersionen
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
feinteiligen Dispersion, bei dem die Dispergierung in einer Strahldüse erfolgt.
Das Prinzip der Strahldispergierung ist seit langem bekannt. Es beruht darauf, daß
die zu dispergierende Flüssigkeit durch eine oder mehrere Düsen gepumpt wird und
dabei einer starken Scherbeanspruchung unterzogen wird. Der Dispergiereffekt läßt
sich noch verbessern, wenn die Düsen so angeordnet werden, daß die austretenden
Dispersionsstrahlen auf eine feste Wand auftreffen oder selbst aufeinander prallen.
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Wesentlich ist dabei, daß annähernd die gesamte Pumpenergie in einer
sehr kleinen Dispergierzone verbraucht wird, so daß in der Dispergierzone eine hohe
Energiedichte herrscht. In der GB-OS 2 063 695 sind verschiedene Vorrichtungen beschrieben,
die nach diesem Prinzip arbeiten.
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Eine komplette Dispergiervorrichtung dieser Art besteht demgemäß aus
dem Strahldispergator und einer vorgeschalteten Pumpe, die den notwendigen Betriebsdruck
für den Strahldispergator erzeugt. Hier setzt die Erfindung an.
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Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bestand die Zielsetzung, den Druckaufbau
und die Dispergierung apparatetechnisch zu integrieren. Der Erfindung liegt also
die Aufgabe zugrunde, das bekannte Strahldispergierverfahren so zu modifizieren,
daß auf eine separate Förderpumpe verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahldüse
und die Dispersion relativ zueinander in eine rotierende Bewegung versetzt werden.
Praktisch geht man dabei so vor, daß man entweder die Strahldüse innerhalb der zu
dispergierenden Flüssigkeit rotieren läßt oder die Flüssigkeit in Rotation versetzt
und feststehende Strahldüsen verwendet. Dementsprechend kann dieses Verfahren apparativ
auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Die eine Möglichkeit besteht darin,
daß die Strahldüsen achsenparallel innerhalb einer Pumpenkammer auf einer rotierenden
Kreisscheibe angeordnet sind. Dabei wird die Pumpenkammer durch die Kreisscheibe
in zwei Hälften unterteilt, die nur durch die Düsen und den verbleibenden Ringspalt
zwischen der Kreisscheibe und dem Gehäuse strömungstechnisch miteinander verbunden
sind.
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Die andere Alternative besteht darin, daß eine oder mehrere Strahldüsen
feststehend innerhalb einer mit der Dispersion gefüllten Zentrifuge in der Äquatorebene
angeordnet sind, die mit dem Dispersionsablauf verbunden sind und daß innerhalb
der Zentrifuge ein ebenfalls feststehender Dispersionszulauf vorgesehen ist. Wesentlich
ist dabei, daß an den Düsen infolge der Rotation der Flüssigkeit ein positiver Staudruck
entsteht, während an dem Dispersionszulauf ein negativer Staudruck (Sog) auftritt.
Die Düsen sind alle untereinander verbunden bzw. parallel geschaltet. Im Grenzfall
kann auch nur eine einzige Düse verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Düsen bei beiden
Ausführungen so dimensioniert, daß sie einen Durchmesser von 0,3 bis 1 mm, vorzugsweise
0,5 bis 0,8 mm, und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1 bis 4, vorzugsweise
1,5 bis 2, besitzen.
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Die Erfindung ermöglicht in Übereinstimmung mit der Aufgabenstellung
eine Strahldispergierung unter Verzicht auf Förderpumpen. Es hat sich gezeigt, daß
der durch die rotierende Bewegung erzeugte Staudruck an den Düsen ausreicht, um
die gewünschte Förderwirkung zu erzielen. Damit ist die Voraussetzung geschaffen,
um die Investitionskosten bei solchen Apparaturen zu senken. Die Vorrichtung hat
darüber hinaus den Vorteil, daß eine hohe Raum-Zeitausbeute erzielt wird und daß
die Dispersion die gleiche Teilchenfeinheit aufweist, wie bei den früher verwendeten
apparativ wesentlich aufwendigeren Dispergiermaschinen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Strahldispergator mit rotierenden Strahldüsen
im Aufriß, Fig. 2 einen Schnitt A-A (Draufsicht)gem. Fig. 1, Fig. 3 eine Strahldüse
im Detail, Fig. 4 eine alternative Ausführung des Strahldispergators mit einer feststehenden
Strahldüse im Aufriß und Fig. 5 die Anordnung der Strahldüse bei der Ausführung
gem. Fig. 4 (Draufsicht).
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Der Strahldispergator gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem
Gehäuse 1, das einen annähernd zylindrischen Pumpenraum 2 umschließt und einer im
Pumpenraum 2 rotieren-
den Kreisscheibe 3, an deren Umfang Strahldüsen
4 und 5 angeordnet sind. Der Durchmesser der Kreisscheibe 3 ist so bemessen, daß
der zwischen ihrem Umfang und der Wand des Pumpenraumes 2 verbleibende Ringspalt
6 im Bereich von 0,5 bis 2 mm liegt. Durch die Kreisscheibe 3 wird also der Pumpenraum
2 in zwei Hälften, eine Zuströmseite a und eine Abströmseite b, unterteilt. Die
Welle 7 für den Antrieb der Kreisscheibe 3 ist durch die Eintrittsöffnung 8 auf
der Zuströmseite a nach außen geführt.
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Gegenüber der Eintrittsöffnung 8 ist abströmseitig die Austrittsöffnung
9 im Pumpengehäuse vorgesehen. Die zu dispergierende Flüssigkeit (Emulsion oder
Suspension) wird durch die Eintrittsöffnung 8 zudosiert und verläßt den Dispergator
als fertige Dispersion durch die Austrittsöffnung 9. Strömungstechnisch sind die
beiden Hälften a und b des Pumpenraumes 2 nur durch die Düsen 4 und 5 und den Ringspalt
6 miteinander verbunden.
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Die Düsen 4 und 5 sind senkrecht zur Kreis scheibe 3 angeordnet. Der
Düsenkanal 10 ist zuströmseitig mit Bohrungen 11 versehen, die in einer zur Kreisscheibe
3 parallelen Ebene liegen und einander entgegengesetzt gerichtet sind (s. Fig. 2
und Fig. 3). Läßt man die Kreisscheibe gemäß Fig. 2 im Gegenuhrzeigersinn rotieren,
so baut sich an den Bohrungen 11 ein Staudruck auf, der dafür sorgt, daß die Dispersion
in die Bohrungen 11 einströmt (Strömungspfeile 12, 13). Der Mengenstrom der Dispersion
durch die Eintrittsöffnung 8 wird so bemessen, daß er etwas kleiner ist als die
Förderleistung des Strahldispergators, so daß ein kleiner-Stoffstrom durch den Ringspalt
6 zwischen Gehäuse 1 und Kreisscheibe 3 rezirkuliert. Dadurch ist gewährleistet,
daß die eintretende Vordispersion nicht auf direktem Wege durch den Pumpenraum 2
strömt und den
Dispergator durch die Austrittsöffnung 9 verläßt.
Vorschriften für die optimale Dimensionierung der Düsen 4 und 5 wurden bereits erläutert.
Die Zahl der verwendeten Düsen sowie die Zahl und der Durchmesser der Bohrungen
11 richtet sich nach dem gewünschten Durchsatz. Je größer der Durchsatz, desto größer
werden die Zahl der Düsen und Bohrungen und deren Durchmesser gewählt.
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In den Fig. 4 und 5 ist eine alternative Ausführung des Dispergators
dargestellt, die im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 1 bis 3 auf einer feststehenden
Düse beruht, während die sie umgebende Dispersion rotiert.
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Zu diesem Zweck ist innerhalb eines Gehäuses 14 eine als Zentrifuge
15 ausgebildete rotierende zylindrische Kammer vorgesehen. Die Welle 17 der Zentrifuge
15 ist durch eine dichtende öffnung 16 im Gehäuse 14 nach außen geführt. Auf der
gegenüberliegenden Seite befindet sich der Zulauf 18 für die zu dispergierende Flüssigkeit
und der Dispersionsablauf 19, beide in Form von knieförmig gebogenen, feststehenden
Rohren. Das Rohrende des Ablaufes 19 ist in der zur Zentrifugenachse 17 senkrechten
Äquatorebene rechtwinklig abgebogen(siehe Fig. 5) und weist eine tangential ausgerichtete
Düse 4 auf. Die mit der Zentrifuge 15 rotierende Dispersion verursacht an der Düse
4 einen Druckgradienten (Staudruck), der die Dispersion in den Ablauf 19 eintreten
läßt, während umgekehrt an dem Zulaufrohr18 ein Sog (negativer Staudruck) entsteht,
der die Dispersion aus dem Zulauf in den Zentrifugenraum ausströmen läßt. Der aus
der Rotation und der Anordnung der Düsen 4 resultierende Staudruck führt also wie
bei der Ausführung nach Fig. 1 bis 3 zu einer Pumpwirkung des Dispergators.
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Bezüglich der Dimensionierung der Düse 4 gelten im übrigen die gleichen
Vorschriften wie bei der vorhergehenden Ausführung. Es leuchtet ein, daß anstelle
einer Düse 4 mehrere Düsen parallel geschaltet sein können. Die parallel geschalteten
Düsen liegen z.B. rechenförmig neben- oder übereinander.
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Die zu dispergierende Flüssigkeit wird durch den Zulauf 18 in die
Zentrifuge 15 eindosiert. Durch die Öffnung 20 in der Zentrifuge 15 gelangt die
Dispersion in den vom Gehäuse 14 umschlossenen Pumpenraum. Die Dispergierung findet
in der Düse 4 statt, wenn die Dispersion die Zentrifuge 15 durch den Ablauf 19 wieder
verläßt.
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Beide Vorrichtungen (Fig. 1 bis 3 und Fig. 4 bis 5) haben sich bei
der Herstellung von feinteiligen kosmetischen und pharmazeutischen Emulsionen und
Suspensionen, wie z.B. Sonnenschutzlotionen und Salben, bewährt.