DE3627428A1 - Kontinuierlich arbeitender rotations-mischer-dispergator - Google Patents
Kontinuierlich arbeitender rotations-mischer-dispergatorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrich
tungen zur Bildung verschiedener hochkonzentrierter Emul
sionen, Suspensionen und Pasten, insbesondere betrifft sie
einen kontinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdisperga
tor, der zur Herstellung von feindispersen Gemischen aus
ineinander unlöslichen Flüssigkeiten, zur Dispergierung
fester Phasen in Flüssigkeiten, zur Homogenisierung
und Dispergierung von Komponenten pastenartiger und zäher
Stoffe verwendet werden kann.
Die zur Zeit bestehenden unterschiedlichen Typen von
Rotationsmischern sind zur Behandlung entweder nur flüssi
ger Komponenten oder Suspensionen oder aber zäher und pasten
artiger Materialien bestimmt. Dieser Umstand machte es not
wendig, über eine große Typenvielfalt von Rota
tionsmischern zu verfügen, die zur Behandlung konkreter
Stoffe bestimmt sind. Produktionsbetriebe, bei denen das
Programm des technologischen Zwischenprozesses die Behand
lung verschiedener Materialien, von den flüssigen bis zu
den pastenartigen, vorsieht, oder bei denen der Ausstoß der
fertigen Produktion in Form solcher Stoffe vorgesehen ist,
müssen bauartlich verschiedenartige Ausrüstungen,
die zur Behandlung verschiedener flüssiger und pastenarti
ger Stoffe bestimmt sind, sowie entsprechende Einrichtungen
zur Reparatur und Bedienung dieser Ausrüstungen besit
zen. So muß z. B. in der Bauindustrie in verschiedenen
Tätigkeitsstufen die Behandlung verschiedener Stoffe vor
nehmen: feste Einschlüsse in Flüssigkeiten und Pasten di
spergieren (abdichtende wasserdispergierbare Mastix, Spach
telmassen, Klebemischungen usw.); ineinander unlösliche
flüssige Stoffe behandeln (Gemische von Wasser und Öl in
verschiedenen Verhältnissen, Schmier- und Imprägnierlö
sungen, verschiedene flüssige Emulsionen, die bei Putzar
beiten notwendig sind); nach Bedarf wasserdispergierbare
Färbemittellösungen und Tünchen zubereiten; verschiedene
untauglich gewordene wasserdispergierbare Mischungen und
Fargmischungen wiederherstellen. Somit ist bei der her
kömmlichen Behandlung für die Ausführung jeder der aufge
zählten Operationen eine eigens vorgesehene Bauart des be
handelten Apparates erforderlich.
Bei dieser konstruktiven Mannigfaltigkeit der existie
renden Rotationsmischer, die zur Behandlung dieser oder je
ner Stoffe bestimmt sind, verfügen sie alle über einen Sta
tor mit einem Eintrittsstutzen und einem Austrittsstutzen
und über einen im Stator konzentrisch angeordneten Rotor.
In Abhängigkeit von den physikalischen Kennwerten der Aus
gangskomponenten, solchen wie Viskosität, Korngrößenvertei
lung der festen Einschlüsse und ihre Schlagfestigkeit, und
je nach dem erforderlichen Grad der Behandlung von Stof
fen besitzt der Rotor verschiedene Arbeitselemente, welche
diesen oder jenen Behandlungsprozeß realisieren.
So besitzt ein bekannter kontinuierlich arbeitender Ro
tationsmischer (siehe z. B. den UdSSR-Urheberschein Nr.
10 11 219, IPK B 01 F 7/00), der zur Behandlung von flüssi
gen Komponenten bestimmt ist, in Form von Schraubenflügeln
ausgebildete Arbeitselemente, die auf der Seite des Zustroms
des zu behandelnden Mediums mit Quertrennwänden versehen
sind.
Eine solche Ausführung der behandelnden Arbeitslemen
te ist durch den weit bekannten Mechanismus der Bildung von
Emulsionen bedingt (V. M. Ivanov, B. B. Kantorovich "Verbren
nungsemulsionen und -suspensionen", SS. 54-55, Verlag
Metallurgizdat, 1963).
Zur Behandlung von flüssigen und schwerlöslichen Kom
ponenten und zur Herstellung von Emulsionen aus ihnen wird
eine Einrichtung verwendet (siehe z. B. den UdSSR-Urheber
schein Nr. 7 01 681, Int. Kl. B 01 F 7/28), in welcher als
Arbeitselemente Längszähne benutzt werden. Bei ihrer Ver
schiebung rufen sie Kavitationsprozesse in dem zu behandeln
den Medium hervor, was die Behandlung der Flüssigkeiten be
günstigt.
Einrichtungen, die zur Behandlung eines Gemisches von
einer Flüssigkeit mit einem festen Körper in unterschied
lichem Verhältnis bestimmt sind, verfügen über Arbeitsele
mente, die in Form von Scheiben mit verschiedener geometri
scher Konfiguration der Oberfläche ausgebildet sind. Die
mit hoher Drehzahl rotierenden Scheiben erzeugen an der
Grenze des Kontaktes mit dem zu behandelnden Stoff hohe
Tangentialspannungen, was bekanntlich zur Dispergierung
fester Einschlüsse in der Flüssigkeit führt (siehe das
Buch von F. Strenk "Vermischen und Apparate mit Mischern",
SS. 66-65, 72-73, Verlag Khimiya, 1975).
Die Arbeitselemente von Apparaten, die zur Homogeni
sierung hochviskoser und pastenartiger Komponenten be
stimmt sind, stellen in konstruktiver Hinsicht Schnecken-
bzw. Bandmischer oder keilförmige Längselemente dar. Solch
eine Ausführung der Arbeitselemente gestattet es, in dem
zu behandelnden Medium Schubspannungen und Scherkräfte zu
erzeugen, wodurch ein hoher Homogenisierungsgrad des Me
diums herbeigeführt wird.
Somit werden die Prozesse der Bildung von Emulsionen,
der Dispergierung der festen Phase in Flüssigkeiten (Sus
pendieren), der Homogenisierung von zähen und pastenarti
gen Stoffen durch unterschiedliche phy
sikalische Behandlungsprinzipien an verschiedenen Arbeits
elementen und folglich in verschiedenen Bauarten von Rota
tionsmischern zustande gebracht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen kontinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdisperga
tor mit einer solchen konstruktiven Ausführung seiner Ar
beitselemente (der Schraubenflügel des Rotors) zu schaffen,
dank denen ein und derselbe Rotations-Mischerdispergator
zur Behandlung verschiedener Stoffe - von den flüssigen bis
zu den zähen und pastenartigen - eingesetzt werden könnte.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im kon
tinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdispergator, der
einen Stator mit einem Eintrittsstutzen und einem Aus
trittsstutzen enthält, in welchem Stator ein Rotor mit
Schraubenflügeln und einem Pumpenflügelrad konzentrisch an
geordnet ist, erfindungsgemäß jeder Schraubenflügel durch
trapezförmige Vorsprünge zweier Typen gebildet ist, die über
die Länge des Schraubenflügels einander abwechseln und unter
Belassung eines Spalts angeordnet sind, wobei
die Höhe jedes Vorsprungs des einen Typs und dessen Breite
am Scheitel größer sind als die Höhe jedes Vorsprungs des
andern Typs und dessen Breite am Scheitel.
Diese Ausführung der Schraubenflügel bietet die Möglich
keit, den Prozeß der Behandlung von Stoffen gleichzeitig
mit der Förderung derselben über den Strömungsteil
des Mischers von dem Eintritts- bis zum Austrittsstutzen
zu realisieren. Außerdem werden im gesamten Volumen des
zu behandelnden Stoffes, der sich im Strömungsteil des Mi
schers befindet, Bedingungen geschaffen zur Bildung von ro
tierenden Zirkulationsströmungen, die einen unterschied
lichen Verdrehungsgrad haben; zum Ausziehen des zu disper
gierenden flüssigen Mediums zu einem Faden kritischer Län
ge, wobei hierzu bekannte Prinzipien der Bildung von Emulsi
onen mit angewendet werden; zur nach dem bekannten Prin
zip erfolgenden Erzeugung beträchtlicher Tangentialspan
nungen und Scherkräfte in zähen und pastenartigen zu be
handelnden Materialien sowohl innerhalb ihrer Struktur als
auch an der Berührungsfläche der Vorsprünge des Rotors und
der Innenfläche des Stators. Die unterschiedliche Höhe der
Vorsprünge zweier Typen schafft Bedingungen zur Entste
hung von Kavitationserscheinungen in flüssigen Komponenten,
was zur Intensivierung von Dispergierungsprozessen zusätz
lich beiträgt und in pastenartigen Stoffen erhebliche Scher
kräfte bildet. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Ausfüh
rung der Schraubenflügel es, verschiedene Stoffe (im ge
samten Bereich von den flüssigen bis zu den pastenartigen)
zu behandeln, und je nach der Art des zu behandelnden Stof
fes verschiedene Behandlungsprinzipien zu realisieren.
Die Vorsprünge des einen Typs, die eine kleinere Höhe
und Breite haben, können mit einer größeren Dicke als die
Dicke der Vorsprünge des anderen Typs ausgeführt sein. Dem
nach erfüllen die Vorsprünge verschiedene Funktionen. Der
breitere Vorsprung erzeugt mit seiner Fläche auf der An
strömungsseite eine Verdrehung des zu behandelnden Mediums
zu transversalen rotierenden Zirkulationsströmungen und be
günstigt die Förderung des Produktes der Behandlung
über die Länge des Apparates sowie die Übertragung des er
forderlichen Impulses zu dem zu behandelnden Medium gemäß
der bekannten Eulerschen Gleichung. Überdies erzeugen die
genannten Oberflächen (die Fläche des breiteren Vorsprungs)
ein beträchtliches Feld von Fliehkräften im Schaufelraum
des Strömungsteils des Apparates. Alle entstandenen Strö
mungen tragen je nach der Viskosität des zu behandelnden
Mediums zur Erzeugung einer entwickelten Mikro- und Makro
turbulenz, einer Kavitation, von räumlichen Schubspannungen
(Tangentialspannungen) in seinem Volumen bei, was die Ef
fektivität und Intensität der Behandlung dieser oder jener
Materialien (Stoffe) wesentlich beeinflußt.
Die Vorsprünge der Schraubenflügel, die eine größere
Höhe und Breite haben, können auf der arbeitenden Seite
des Schraubenflügels eine Keilform aufweisen.
Die Keilform zerteilt die Strömung der Flüssigkeit oder
der zähen und pastenartigen Stoffe und leitet sie in die
zwischen den unterschiedlichen Vorsprüngen gebildeten Spal
te, wo beim Umlauf des Rotors erhebliche Gradienten der
Tangentialspannungen und das Feld von Fliehkräften erzeugt
werden. Außerdem zerstört diese Form der Kanten infolge von
beim Umlauf des Rotors entstehenden Schlag- und Scherwir
kungen die Struktur der Einschlüsse der festen und der flüs
sigen Phase in dem zu behandelnden Medium.
Jeder Schraubenflügel wird zweckmäßigerweise in der
Bewegungsrichtung des zu behandelnden Stoffes in der Höhe
abnehmend ausgeführt, was es gestattet, die Intensität von
Dispergierungs- und Homogenisierungsprozessen je nach der
Vorwärtsbewegung des zu behandelnden Mediums im Strömungsteil
des Apparates von dem Eintritts- bis zum Austrittsstutzen
zu steigern.
Am Rotor des Dispergators kann man zwischen den
schraubenförmigen Arbeitselementen und dem Pumpenflügelrad
eine Scheidewand mit Austragsöffnungen anbringen, die sich
zwischen den benachbarten Schraubenflügeln befinden, was
eine Regelung der Verweilzeit des zu behandelnden Mediums
in den Arbeitselementen des Rotors gestattet
und hierdurch den vorgegebenen Grad der Behandlung dieses
oder jenes Stoffes sicherstellt.
Im folgenden wird die Erfindung durch die Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels des kontinuierlich
arbeitenden Rotations-Mischerdispergators gemäß der Er
findung unter Hinweisen auf Zeichnungen erläu
tert; es zeigt
Fig. 1 den Längsschnitt des Rotations-Mischerdisper
gators;
Fig. 2 den Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 die Gesamtansicht des Rotors mit vereinfacht darge
stellten Flügeln;
Fig. 4 einen Flügelabschnitt, vergrößert.
Der kontinuierlich arbeitende Rotations-Mischerdisper
gator besteht aus einem Stator 1 (Fig. 1, 2), der einen
Eintrittsstutzen 2 und einen Austrittsstutzen 3, einen
Kühlraum 4, Abschlußdeckel 5 und Stutzen 6 für Ein- und
Auslauf eines Kühlmediums besitzt, und aus einem Rotor 7,
an welchem mehrere Schraubenflügel 8 (Fig. 3) und ein Pum
penflügelrad 9 angebracht sind, das sich unter dem Aus
trittsstutzen 3 (Fig. 1) befindet. Der Rotor 7 ist auf ei
ner Antriebswelle 10 angeordnet.
Jeder Schraubenflügel 8 ist durch trapezförmige Vor
sprünge 11 und 12 von jeweils zwei Typen A und B gebildet,
die einander über die Länge des Schraubenflügels abwech
seln, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Vorsprünge 11
und 12 sind mit einem Spalt 13 voneinander angeordnet.
Die Höhe h ( Fig. 4) und die Breite a am Scheitel der
Vorsprünge 11 vom Typ A sind größer als die Höhe h 1 und
die Breite a 1 am Scheitel der Vorsprünge 12 vom Typ B.
Die Dicke b 1 der Vorsprünge 12 vom Typ B ist größer
als die Dicke b der Vorsprünge 11 vom Typ A.
Die Vorsprünge 11 vom Typ A weisen auf der arbeiten
den Seite des Schraubenflügels 8 (das heißt auf der Seite
des anlaufenden zu behandelnden Mediums) eine Keilform auf,
wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Der Unterschied der geometrischen Parameter und der
Konfiguration der Vorsprünge 11 und 12 sowie das Vorhanden
sein von Spalten zwischen ihnen gestatten es, den Gesamt
strom in einzelne Volumina in der gesamten Masse des zu be
handelnden Stoffes, der sich im Strömungsteil des Apparates
befindet, aufzuteilen und in ihnen Bedingungen zur Emulgie
rung, Dispergierung und Homogenisierung des Mediums zu
schaffen.
Jeder Schraubenflügel 8 ist in der Bewegungsrichtung
des zu behandelnden Mediums in der Höhe abnehmend ausge
führt, wie dies aus Fig. 1 erkennbar ist, was durch steti
ge Vergrößerung des Durchmessers des Rotors 7 in Richtung
zum Pumpenflügelrad 9 erreicht werden kann, wobei der Außen
durchmesser der Schraubenflügel 8 konstant bleibt.
Am Rotor 7 ist hinter den Schraubenflügeln 8 eine
Scheidewand 14 mit Austragsöffnungen 15 angebracht, die sich
zwischen den benachbarten Schraubenflügeln befinden.
Die Vorsprünge 11 und 12 der Typen A und B, welche den
Schraubenflügel 8 bilden, sind derart angeordnet, daß ihre
Seitenflächen auf der zur Anströmung entgegengesetzten Sei
te auf einer Linie C-C liegen, wie dies in Fig. 2 ge
zeigt ist, wodurch hinter dem Schraubenflügel 8 eine Unter
druckzone erzeugt werden kann, welche in diesem Bereich Ka
vitationserscheinungen begünstigt.
Dank der vorstehend beschriebenen Form der Vorsprün
ge 12 (Fig. 1) und 11 bilden sich zwischen den Scheiteln
dieser Vorsprünge und der Innenfläche des Stators jeweili
ge Spalte 16 und 17 unterschiedlichen Durchgangsquerschnitts,
welche einen stufenförmigen Durchströmkanal 18 bilden, wie
es aus Fig. 2 erkennbar ist.
Hierbei wird vor dem Vorsprung 12 dank seiner größe
ren Dicke ein Hohlraum 19 gebildet, der seitlich durch die
Vorsprünge 11 begrenzt ist.
Die Arbeit des erfindungsgemäßen Rotations-Mischer
dispergators geht in folgender Weise vor sich.
Ein zu behandelndes Medium (Flüssigkeit mit fester Pha
se oder Flüssigkeit mit Flüssigkeit) wird über den Eintritts
stutzen 2 (Fig. 1) in den Strömungsteil des Dispergators zu
geführt und füllt denselben aus. Mittels der Welle 10 wird
der Rotor 7 mit den an ihm angebrachten Schraubenflügeln 8
in Umdrehungen versetzt. Unter der Einwirkung der umlauf
enden Vorsprünge 11 und 12 der Schraubenflügel bewegt sich
das zu behandelnde Medium, welches unter der Wirkung des
Feldes von Fliehkräften steht, in den durch die Vorsprün
ge 11 und 12 begrenzten Räumen und in den Spalten 13 zwi
schen ihnen zum peripheren Teil der Schraubenflügel. Bei
ihrer Bewegung werden die Komponenten des flüssigen zu
dispergierenden Mediums zu Fäden ausgezogen und zerklei
nert. Gleichzeitig wird das zu behandelnde Medium durch
die spitzen Kanten der Vorsprünge 11 in die Spalte 13 zwi
schen den Vorsprüngen 11 und 12 geleitet, wo es sich in
einem intensiven Beschleunigungsfeld befindet, welches um
so größer ist, je höher die Umfangsgeschwindigkeit des
Rotors ist. Bei ihrer Bewegung erfahren die ineinander un
löslichen Komponenten große Geschwindigkeitsgradienten im
Querschnitt ihres Bewegungsweges in den Spalten 13, 16 und
17. Dies ruft eine Reibung zwischen den einzelnen Strö
mungen sowie eine intensive Reibung des Mediums in den Hohl
räumen 19 und in den Spalten 13 hervor. Die Reibung zwi
schen den einzelnen Strömungen und die Reibung des Stro
mes an den Vorsprüngen 11 und 12 der Schraubenflügel 8 des
Rotors führt zur Zerkleinerung der festen Phase in der
Flüssigkeit, zum Ausziehen der zu dispergierenden Masse der
ineinander unlöslichen Flüssigkeiten um eine Länge, bei wel
cher die Selbstbrechung der Flüssigkeitselemente geschieht.
Beim Ablauf von den Schraubenflügeln 8 erfährt das zu
behandelnde Medium eine Schlagverformung beim Schlag gegen
die Innenfläche des Stators 1, was zur weiteren Zerklei
nerung des Stoffes beiträgt. An der Schlagstelle ist eine
stark entwickelte Turbulenz wegen jäher Veränderungen der
Geschwindigkeitsrichtung und -größe zu verzeichnen. In die
sem Bereich hat die Strömung eine räumliche Absolut- und
Relativbewegung.
Der größere Teil des zu behandelnden Stoffes wird zu
relativen transversalen Zirkulationsströmungen durch die
Oberflächen der Vorsprünge 12 verdreht, wo der Zerkleine
rungsprozeß wegen der zwischen den Teilchen vorhandenen
Reibung andauert, während ein gewisser Teil des Stoffes
durch die Spalte 16 und 17 zwischen Stator 1 und Rotor 7
hindurchgedrückt wird. Hiernach gelangt das zu behandelnde
Medium in die Zone der U-Kavitation auf der Rückseite des
Arbeitsflügels, wo es verschiedenen Turbulenz- und Kavita
tionseinwirkungen ausgesetzt wird, was die Intensität der
Dispergierung und Homogenisierung erhöht. Die gebildeten
Zirkulationsströmungen wirken zusammen (erfahren eine Rei
bung) sowohl innerhalb ihrer Struktur als auch untereinan
der sowie auch mit den Oberflächen der Vorsprünge 11 und 12
der Schraubenflügel 8 des Rotors 7 und mit der Innenflä
che des Stators 1. Die Wechselwirkung verschiedener Strö
mungen des zu behandelnden Mediums erfolgt in des Disper
gators. Bei seiner Bewegung längs des Rotors 7 durchläuft
das Medium die aufeinanderfolgende Zerkleinerungsbehand
lung in jedem Hohlraum 19, im stufenförmigen Druchström
kanal 18 und in den Spalten 13. Da der Rotordurchmesser
allmählich zunimmt, wird es möglich, die Zer
kleinerungsintensität über die Länge des Strömungsteils zu
steigern, weil mit der Abnahme der Höhe des Schraubenflü
gels 8 die Geschwindigkeit des zu behandelnden Mediums am
Eintritt in jeden Hohlraum 19 bei konstanten Drehzahlen
des Antriebsmotors größer wird. Hierbei werden Bedingungen
für eine allmähliche Dispergierung des Stoffes bei dessen
Bewegung im Strömungsteil des Apparates geschaffen. Die
Scheidewand 14 mit den Austragsöffnungen 15 bestimmt die
Verweilzeit des zu behandelnden Stoffes in der Zone der ak
tiven Einwirkung des Arbeitsorgane, d. h. in der Zone der
Stoffbehandlung. Des weiteren gelangt das behandelte Medi
um, das vorgegebene physikalisch-chemische Parameter be
sitzt, auf das Pumpenflügelrad 9, das eine Druckhöhe im
Austrittsstutzen 3 erzeugt, die den fertigen
Stoff zum Verbraucher fördert.
Der Prozeß der Dispergierung und Homogenisierung geht
im Apparat unter intensiver Entwicklung von Wärmeenergie
vonstatten. Zum Entzug der entwickelten Wärmeenergie und
zur Gewährleistung einer normalen Temperaturführung des
Prozesses der Stoffdispergierung wird dem Hohlraum 4 des
Stators über die Stutzen 6 ein Kühlmedium zu- und abge
führt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist einfach in Her
stellung und Bedienung, ist betriebssicher und wirtschaft
lich. Ihr Einsatz wird es gestatten, verschiedene Gemi
sche mit feindisperser Struktur und hoher Qualität zu er
halten.
Claims (5)
1. Kontinuierlich arbeitender Rotations-Mischer
dispergator, der einen Stator (1) mit einem Eintrittsstut
zen (2) und einem Austrittsstutzen (3) enthält, in welchem
ein Rotor (7) mit Schraubenflügeln (8) und einem Pumpen
flügelrad (9) konzentrisch angeordnet ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß jeder Schraubenflügel (8)
durch trapezförmige Vorsprünge (11 und 12) von jeweils
zwei Typen (A und B) gebildet ist, die über die Länge des
Schraubenflügels (8) einander abwechseln und mit einem
Spalt (13) zwischen sich angeordnet sind, wobei die
Höhe (h) jedes Vorsprungs (11) vom Typ (A) und dessen
Breite (a) am Scheitel größer als die Höhe (h 1) jedes Vor
sprungs (12) vom Typ (B) und dessen Breite (a 1) am Schei
tel sind.
2. Rotations-Mischerdispergator nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (12)
vom Typ (B) eine größere Dicke (b 1) als die Dicke (b) der
Vorsprünge (11) vom Typ (A) aufweisen.
3. Rotations-Mischerdispergator nach den Ansprüchen 1,
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprün
ge (11) vom Typ (A) auf der arbeitenden Seite des Schrauben
flügels (8) eine Keilform aufweisen.
4. Rotation-Mischerdispergator nach den Ansprüchen 1-
3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schrau
benflügel (8) in der Bewegungsrichtung des zu behandelnden
Mediums in der Höhe abnehmend ausgeführt ist.
5. Rotations-Mischerdispergator nach den Ansprüchen
1-4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter
den Schraubenflügeln (8) am Rotor (7) vor dem Pumpenflü
gelrad (9) eine Scheidewand (14) mit Austragsöffnungen (15)
angebracht ist, die sich zwischen den benachbarten Schrau
benflügeln (8) befinden.
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