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Maschine zur Herstellung von Feinstmischungen (Dispersionen) Die Erfindung
geht von einer Maschine zur Herstellung von Feinstmischungen (Dispersionen), insbesondere
Emulsionen mit einem umlaufenden, mit einem feststehenden Gegenwerkzeug zusammenarbeitenden
Mischwerkzeug, z. B. mit einem umlaufenden, kegelförmigen, von einem hohlkegelförmigen
Gegenwerkzeug koaxial umschlossenen . Mischwerkzeug und mit an den Kegelflächen
angeordneten Zerkleinerungselementen, wie Kegelverzahnungen usw., für die Mischung
der Bestandteile aus und beschäftigt sich in erster Linie mit der Aufgabe, die Strömungsenergie
zur Erhöhung der Zerteilungsleistung, d. h. des Dispergiereffekts, auszunutzen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Dispergiermaschinen
zu schaffen, die auch bei kleinen baulichen Abmessungen und mit vergleichsweise
geringer Antriebsenergie hohe Dispergierleistungen ergeben und daher insbesondere
als Kleinmaschinen in der Technik, im Laboratorium, in der Küche usw. anwendbar
sind.
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Die bisher bekannten Dispergiermaschinen dieser Art besitzen Zerkleinerungssysteme
in Form von umlaufenden Schlagkreuz-, Stift-, Nocken-, Zahn-und ähnlichen, hauptsächlich
auf Schlag- und Scherwirkung beruhenden Systemen und stellen ziemlich umfangreiche
und erhebliche Antriebsenergie benötigende Aggregate dar, aus denen das Fertiggut
mit beträchtlicher und nicht ausgenutzter Strömungsenergie austritt. Die vorliegende
Erfindung geht den Weg, die Strömungsenergie des Arbeitsgutes in einer zusätzlichen
Dispergierstufe zur
Erhöhung der Zerteilungsleistu,ng, d. h. der
Zerkleinerungsleistung der gesamten Maschine auszunutzen. In dieser Beziehung geht
die Erfindung den gegensätzlichen Weg gegenüber einer bekannten Einrichtung, bei
der in eine Zentrifugalpumpe ein Emulgierspalt eingebaut ist. Der durch diesen Emulgierspalt
hervorgerufene und die Förderleistung der Zentrifugalpumpe verringernde, statische
Staueffekt wird notgedrungen in Kauf genommen und durch Verkürzung des Austrittsspaltes
möglichst klein gehalten.
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Die Erfindung betrifft demgegenüber eine Maschine zur Herstellung
von Feinstmischungen (Dispersionen), insbesondere Emulsionen mit einem umlaufenden,
mit einem feststehenden Gegenwerkzeug zusammenarbeitenden Mischwerkzeug, z. B. mit
einem umlaufenden, kegelförmigen, von einem hohlkegeLförmigen Gegenwerkzeug koaxial
umschlossenen Mischwerkzeug und mit an den Kegelflächen angeordneten Zerkleinerungselementen,
wie Kegelverzahnungen usw., für die Mischungsbestandteile, und kennzeichnet sich
dadurch, daß sie mindestens zwei parallel geschaltete Primärsysteme und ein nachgeschaltetes
Sekundärsystem aufweist, in dem die Teilströme der Primärsysteme unter gegenseitiger
Durchdringung aufeinander zerteilend wirken. In diesem Sekundärsystem wird die in
den einzelnen Gutteilchen nach ihrem Austritt aus dem Primärsystem noch innewohnende
Strömungsenergie weiterhin in der Weise ausgenu,tzt,-daß die im Sekundärsystem au£einanderprallenden
Gutteilchen sich gegenseitig zerschlagen und dadurch feiner durchmischen.
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Diese zusätzliche Feinstzerkleinerung durch gegenseitiges Zerschlagen
der im Sekundärsystem aufeinanderprallenden Gutteilchen tritt besonders bei solchen
an sich bekannten Maschinen au£, bei denen das Arbeitsgut axial in die Maschine
eintritt, die Maschine radial durchläuft und am Ort des größten Außenumfanges austritt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft demgemäß eine
Dispergiermaschine obiger Art auf koaxialen, relativ zueinander bewegbaren Kegelflächen
angeordneten Dispergierelementen und kennzeichnet sich dadu,rch, daß je mindestens
ein Primärsystem auf den beiden Mantelflächen eines Doppelkegels angeordnet ist
und daß sich der GuRtzutritt im Bereich der Kegelstümpfe und das Sekundärsystem
im Bereich des größten Kegelkreises befindet.
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Eine solche Maschine hat eine entfernte Ahnlichkeit mit an sich bekannten
Mischkreiseln und Kreiselrührern, bei denen das Laufrad beiderseits mit Rührschaufeln
besetzt ist und die zu mischende Flüssigkeit in zwei sich am Gerätumfang schließlich
durchkreuzende Teilströme aufteilt.
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Solche Maschinen arbeiten aber nach dem Prinzip der vielfachen Umwälzung
großer Flüssigkeitsmassen in entsprechend großen Reaktionsgefäßen und nicht nach
dem Prinzip der Dispergiermaschinen, bei denen das Behandlungsgut bei einmaligem
Durchlauf längs eines engen Arbeitsspaltes zwang-Häufig in allen Einzelteilchen
von Arbeitsmitteln erfaßt wird. Die beiden Maschinen unterscheiden sich also bezüglich
Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsdurchführung grundlegend. Außerdem tritt bei Kreiselmaschinen
infolge des vorerwähnten Durchwirbelungsprinzips leicht wieder Entmischung auf,
die die Erzielung feinstunterteilter Mischungen verhindert, während bei der Erfindung
die gerichtete, gegenseitige Durchdringung die Bildung koagulationshemmender Flüssigkeitshüllen
um die in dem Primärsystem erzeugten, feinsten Teilchen fördert.
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An Stelle des Doppelkegels kann die Maschine auch einen außen- und
innenseitig mit Dispergierelementen besetzten HohlkegeL aufweisen, der zwischen
eifiem auf der Außenfläche mit den erwähnten Dispergierelementen besetzten Innenkegel
und einem auf der Innenfläche mit den erwähnten Gegenelementen besetzten Umhüilungskegel
angeordnet ist.
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Im Sinn der Erfindung liegt es fernerhin, daß die parallel geschalteten
Primärsysteme aus mehreren hintereinandergeschalteten Systemen unterschiedlichen
Bau- und Wirkungsprinzips bestehen.
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Die Primärsysteme werden vorzugsweise so ausgebildete daß sie eine
Vordispergierung ergeben. Es liegt daher im Sinn der weiteren Ausbildung der Erfindung,
daß zumindest eines der hintereinandergeschalteten Primärsysteme aus einem System
von einander abwechselnden engen Spalten und - bis auf die Verbindung zum Spalt
hinzumindest zeitweilig geschlossenen, geräumigen Erregerräumen besteht, in denen
das Behandlungsgut während seines Durchtritts einer Folge von örtlichen, Implosionen
erzeugenden, inneren Spannungswechseln unterworfen wird.
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Diese Erregerräume können im Gebiet der obenerwähnten Leit- oder
Homogenisierspalte oder in Gutrichtung vorher angeordnet sein.
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Die Leistung der Maschine nach der Erfindung wird dadurch erhöht,
daß das Sekundärsystem einen Leit- oder Homogenisierspalt au£weist. Hierdurch wird
erreicht, dåß das Gut wirbelfrei und gleichgerichtet ausströmt und daß alle Teilchen
gleiche und gleichgerichtete Bewegungsenergie besitzen, so daß beim Aufeinandertreffen
der Gutströme die wirksamste Au,fteilung und Vermischung erfolgt.
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Vorzugsweise wird das Sekundärsystem als ein sich düsenförmig verengender
Leit- oder Homogenisierspalt ausgebildet, in den die aus den Primärsystemen austretenden
Gutströme wie in einen Injektor einlaufen.
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Es liegt im Sinn der Erfindung, daß die Verzahnung im Grundriß nicht
radial, sondern irgendwie schräg oder spiralig verläuft. Es ist fernerhin möglich,
den Verzahnungen von Stator und Rotor ungleiche und/oder gegenläufige Steigung zu
geben.
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In solchen Maschinen tritt eine ständige Verände-- rung und Verlagerung
der engen und weiten Erregerräume ein.
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Infolge ihrer hohen Zerteilungsleistung genügen bereits kurze Behandlungswege
innerhalb der Maschine, so daß die baulichen Abmessungen klein
gehalten
werden können. Dies gibt wiederum die Möglichkeit, die Maschine innerhalb des Arbeitsgutes
anzuordnen, so daß Gutein- und Gutauslaß durch das Arbeitsgut miteinanderverbunden
sind und das Arbeitsgut somit die Maschine in vielfachem Kreislauf durchströmen
kann. Beispielsweise kann die Maschine als Eintauchgerät ausgebildet sein.
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Eintauchrührer als solche sind bereits bekannt.
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Dabei solchen 3Eintauchgeräten das Eindringen von flüssigem und insbesondere
vernebeltem Arbeitsgut in den Wellentunnel erfahrungflgemäß selbst durch Anwendung
komplizierter Dichtungen nicht verhindert werden kann, wird in besonders zweckmäßiger
Fortentwicklung der Erfindung im Wellentunnel ein Luftüberdruck hergestellt und
während des Betriebes aufrechterhalten. Falls Preßluft vorhanden ist, kann diese
in den Tunnel hineingeleitet werden.
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Vorzugsweise jedoch wird ein Uberdruckerzeuger im Wellentunnel selbst
angeordnet, der im einfachsten Fall aus einem mit der Welle starr verbundenen, als
Kapselgebläse wirkenden Schraubenrad bestehen kann.
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Bei solchen innerhalb des Arbeitsgutes arbeitenden Maschinen ist
es vorteilhaft, eine oder mehrere aus dem Arbeitsgut herausragende Zuführungsleitungen
am Guteinlaß anzubringen, um beispielsweise weiteres, insbesondere andersartiges
Arbeitsgut oder Luft, Schutzgas od. dgl. zuzuführen. Erfahrungsgemäß wird bei -
direkter Zuleitung von Außenluft in die eingetauchte Maschine der sich sonst vom.
Guteinlaß her irn Arbeitsgut ausbildende Wirbel stark verkleinert und dadurch das
Fassungsvermögen des igeaktionsgefäßes besser ausgenutzt.
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Bei Eintauchmaschinen ist es ferner ratsam, mehrere Aggregate mit
gegenläufig austretendem Fertiggut innerhalb des Arbeitsgutes anzuordnen, um die
durch die einzelnen Fertiggutströme hervorgerufenen Wirbel gegeneinander aufzuheben
und gleichzeitig den Arbeitsgutvorrat außerhalb der Dispergiermaschinen innig zu
mischen. Gegen-Häufige Rührwerksysteme sind als solche bekannt.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. I zeigt eine Ansicht der Dispergiermaschine, teilweise im Schnitt,
mit doppelkegelförmigem Rotor und doppelkegelförmigem, den letzteren umgebendem
Gehäuse; Fig. 2 zeigt den Unterteil des Gehäuses ohne Rotor im Grundriß.
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Die Dispergiermaschine nach Fig. I und 2 besitzt die Form eines Doppelkegels,
dessen Hauptteile, nämlich der Rotor I und die Gehäusehälften 2a und 2b, praktisch
symmetrisch ausgestaltet sind. Der Rotor wird gebildet durch ein Guß-, Schmiede-oder
Preßstück mit einem Flansch 4 und einem Wellenzapfen 3. Auf seinen Kegelfläcshen
trägt er eine bei Kolloidmühlen an sich bekannte Verzahnung Der Flansch 4 besitzt
im Anschluß an den Kegelmantel beiderseits eine im wesentlichen ebene Oberfläche,
in der eine Vielzahl von beispielsweise halbkugeligen Hohlungen 5 radial verteilt
sind. Die glatte Flanschaußenkante 6 ist im dargestellten Beispiel doppelkonusartig
verjüngt. Die beiden Gehäusehälften 2a und 2b sind im wesentlichen spiegelsymmetrisch
ausgebildet. Jede besitzt im Aquatorbereich einen Flansch 7a bzw. 7b, der au,f seinen
dem Rotorflansch 4 zugekehrten Flächenteilen der Ausgestaltung dieses Flansches
4 angeglichen ist, also im inneren, waagerechten Bereich Hohlungen 5' und w eiter
nach außen eine konische Abschrägung 6' trägt. Ganz außen sind die Flansche 7a und
7b mit Distanzerhöhungen 8aJ 8b versehen, die die Bolzenlöcher 9a, 9b tragen und
zwischen sich einen Spaltraum IOeJ Ion frei lassen. Auf ihren Innenflächen sind
die Gehäuseteile ebenfalls mit einer Verzahnung entsprechend der des Rotors I versehen.
Der untere Gehäuseteil 2b ist im Bereich der Kegelstümpfe II geöffnet, während der
obere Gehäuseteil mit einem Hals I2 für den Wellenzapfen 3 des Rotors I und dicht
unterhalb des Halsansatzes mit mehreren Offnungen I3 versehen ist, Die Wirkungsweise
der zusammengebauten Dispergiermaschine ist folgende: Wenn die Maschine z. B. nach
Eintauchen in das Arbeitsgut sich mit diesem gefüllt hat und der Rotor I in Umlauf
versetzt wird, so strömt infolge der Zentrifugalkraft das Arbeitsgut ständig von
den Eintrittsöffnungen II bzw. I3 her durch die vorstehend beschriebenen vier Spaltsysteme
nach dem Austrittsspalt 10a, Iob hin, wobei sich innerhalb des gesamten Arbeitsgutes
ein Kreislauf ausbildet.
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Im Gebiet der verzahnten Kegelflächen erfährt das Gut eine weitgehende
Vordispergierung. Im Gebiet der Hohlungen 5 erleidet das Gut die weiter oben erwähnten,
durch örtliche Implosionen verursachten inneren Spannungswechsel und erfährt dadurch
eine sehr weitgehende Feinstzerteilung und innige Mischung. Danach durchströmt das
Gut den Arbeitsspålt zwischen den glatten Flanschenaußenkanten 6, in dem es in der
Hauptsache strömungsgerichtet und homogenisiert wird. Diese Behandlungsabschnitte
werden von den unten bei II eintretenden Gutteilchen in Richtung von unten nach
oben und von den bei I 3 eintretenden Gutteilchen in Richtung von oben nach unten
durchströmt. Diese beiden Ströme durchdringen sich beim Austritt aus den glatten
Flanschgebieten 6 unter gegenseitigem Aufprall und entsprechender Durchmischung
und bewirken hierdurch eine äuBerst intensive Dispergierung im Bereich des Sekundärsystems,
das aus dem Austragsspaltsystem IOaJ Iob besteht.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht in ihrem grundsätzlichen
Aufbau und dementsprechend in ihrer Wirkungsweise der Maschine nach Fig. I und 2.
Auch sie besitzt den Doppelkegelrotor I mit auf den Mantelflächen angebrachter Verzahnung
und einen Flansch 4. Die Gehäusehälften 2a 2b besitzen Innenverzahnung, Eintrittsöffnungen
TI, I3 und Außenflansche 7aj 7b mit Distanzerhöhungen 8aJ 8b und dazwischenliegenden
Räumen IoaJ Iob.
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Der Wellenzapfen , des Rotors I ist im Hals I2 des oberen Gehäuseteils
gelagert und mit einer biegsamen, in einem üblichen Schutzrohr I5 -untergebrachten
Antriebswelle I4 verbundene Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. I und 2 sind
Rotor
und Gehäuse im Bereich des Flansches 4 nicht stufenförmig abgesetzt, sondern mit
sich verjüngender Krümmung versehen, so daß die oben erwähnten Spaltsysteme I bis
3 ineinander übergehen. Ein weiterer Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform
besteht darin, daß das letzte Spaltsylstem düsenförmigen Querschnitt besitzt, wodurch
die Wirkung einer sogenannten Mischdüse hervorgerufen wird. Auch dieses Gerät ist
vorzugsweise als Eintauchgerät verwendbar.
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Bei der Ausführungsform nacll -Fig. 4 upd 5 besteht der Rotor I aus
einem hohlkegelförmigen Gußstück od. dgl., das sowohl auf der Außen- als auch auf
der Innenseite je mit einerwie dargestelltSpiralverzahnung versehen und mit einem
Wellenzapfen 3 verbunden ist. Fernerhin besitzt der Rotor I an seinem unteren, weiten
Ende einen Ringflansch4, der entsprechend der Ausführungsform nach Fig. I und 2
auf seinen beiderseits ebenen Flächenteilen eine Vielzahl von radial ver. teilten,
beispielsweise halbkugeligen Hohlungen 5, 5' trägt und an seinen glatten Außenkanten
6, 6' doppelkonusartig verjüngt ist. Das Gehäuse besteht -aus den beiden Hälften
2a; 2b, die entsprechend der Ausführungsform nach Fig. I und 2. mit Innenverzahnung,
Eintrittsöffnungen I I, I3, mit Hohlungen 5, 5' besetzten Absätzen, mit glatten
Schrågflächen 6, 6', mit Distanzerhöhungen $aJ 8b nebst Bolzenöffnungenga, 9b und
mit dazwischenliegenden Spalträumen 10a, Iob versehen sind. Die Rotorwelle 3 ist
in dem Gehåusehals I2 gelagert.
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Die Maschine nach Fig.-4 und 5 ist eine Abwandlung der Maschine nach
Fig. I und 2 in der Weise, daß der untere Teil des Doppelkegels nach einwärts gestülpt
ist.
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In Abänderung zu der Darstellung des Flansches 4 in der Fig. 4, der
hier im rechten Winkel zur Kegelachse verläuft, ist es rauch zulässig, den Flansch
4 in der Ebene des umlaufenden Kegels I verlaufen zu lassen. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, daß allgemein durch Fortfall der Umlenkung, die bei der
Darstellung des Flansches 4 in Fig. 4 für das Behandlungsgut eintritt, die Strömungsgeschwindigkeit
sich erhöht.
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In der Fig. 6 ist ein Eintauchgerät mit einer Dispergiermaschine
4I nach Fig. I zu und 2 schematisch dargestellt. Der langgestreckte, gekapselte
Motor 42 bildet gleichieitig den Handgriff und wird durch den Schubschalter 43 betätigt.
Die Ose 44 dient dazu, das Gerät gegebenenfalls an einem Seilzug mit Gewichtsausgleich
od. dgl. aufzuhängen.
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Am oberen Ende des Gehäusehalses sind Lufteintrittsöffnungen 45 (S.
auch Fig. I0) angebracht, und auf der Welle 46 ist ein Schneckenrad 47 befestigt,
dessen Gänge bis an die Innenfläche des Gehäusehalses heranreichen und dadurch wie
ein Kapselgebläse Luft von den Offnungen 45 her unter fiberdruck in den Wellenkanal
und nach der Dispergiermaschine hin drücken, so daß kein flüssiges oder vernebeltes
Arbeitsgut in den Wellenkanal und weiterhin in das Motorengehäuse .eindringen können,
ohne daß eine komplizierte Abdichtung erforderlich ist.
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Die Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 entspricht im allgemeinen derjenigen.
nach Fig. 6 mit dem Unterschied, daß das Emtauchgerät in einem EinstellstatiKv 48
hängt. Der tSberdruck im Wellen kanal wird hierbei durch Zuführung von Preßluft
oder Schutzgas durch den Stutzen 59 erzeugt.
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Das Gerät nach Fig. 9 besteht aus der Dispergiermaschine 5 I, etwa
nach Bauart gemäß Fig. I und 2, dem im Gußgehäuse 52 untergebrachten Antriebsmotor
53 und dem Arbeitsgutbehälter 54, der beispielsweise im Fall eines Laboratoriums-
oder Küchengerätes aus einer nach oben offenen Glasglocke bestehen kann. Der Behälter
54 besitzt einen Auslaß 55 mit Absperrhahn 56 und eine Bodenöffnung, durch die die
Antriebswelle der- Dispergiermaschine unter Zwischenschaltung üblicher Abdichtungsmittel
flüssigkeitsdicht hindurchragt.
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Auf der Oberseite der Dispergiermaschine sind zwei über den Arbeitsgutspiegel
hinausragende Leitungen oder Rohre 57 angebracht, durch die weiteres oder andersartiges
Arbeitsgut oder Preßluft, Schutzgas usw. der Maschine zugeführt werden können.
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Es ist fernerhin möglich, den Arbeitsgutbehälter, z. B. mittels Flanschdeckel,
staubdicht oder sogar luft- bzw. vakuumdicht abzuschließen, um die Dispergiermaschine
in gewünschte Gasatmosphäre oder beispielsweise bei Unterdruck zu betreiben.
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Bei:Laboratoriums- und Küchengeräten wird der Årbeitsgutbehälter
4 und/oder die Zuführungsleitungen nach Art von Mensuren mit einer Rauminhaltsskala
versehen, um leichter quantitativ arbeiten bzw. mischen zu können.
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Die Maschinen nach der Erfindung sind zur Herstellung von Dispersionen,
Suspensionen und Emulsionen und zur Herstellung von Flüssigkeitsgemischen geeignet.
Sie sind weiterhin zur Durchführung chemischer Reaktionen aller Art, insbesondere
zur intensiven Behandlung flüssiger Phasen mit gasförmigen Reagentien geeignet.
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Auch die Anwendung der Maschine für die Schnellalterung von Spirituosen
und- Parfüms sei erwähnt.
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Infolge seiner kleinen Abmessungen kann z. B. ein Gerät nach Fig.
I bis 3 durch das Spundloch eines Wein- oder Spirituosenfasses zwecks beliebig langer
Behandlung des Faßinhaltes verwendet werden.
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Solche Geräte mit kleinen Abmessungen können im Sinn der Erfindung
aus einer Mehrzahl von auf einer Antriebswelle angeordneten entsprechenden kleinen
Geräten bestehen.
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Die Dispergiermaschinen werden im allgemeinen aus korrosionsbeständigem
und hartem Material, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl oder Hartporzellan
aufgebaut. Es ist aber auch, insbesondere bei Verarbeitung nur flüssiger Phasen,
möglich, weicherer Material, z. B. Kunstharz, für einzelne oder alle Maschinenteile
zu verwenden.
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Infolge der wenigen und baulich einfachen Teile können die erfindungsgemäßen
Geräte im Wege der Massenherstellung, insbesondere im Gieß- und Preßverfahren, billig
erzeugt werden. Es ist ferner
möglich, verschieden gestaltete Teilsätze
vorzusehen, die untereinander austauschfähig sind, um auf diesem Wege ein Universalgerät,
insbesondere für Laboratoriumszwecke, zu schaSen.