Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Homogenisieren
und Dispergieren von flüssigen Phasen oder von Feststoffen
in Flüssigkeiten mit einem Mischbehälter und einem als Rotor
ausgebildeten Mischwerkzeug, welches um eine Achse rotierbar und
in Richtung seiner Achse verschiebbar gelagert und mit einem
Antrieb verbindbar ist.
Für die Herstellung von Dispersionen mit niedriger oder mittlerer
Viskosität werden üblicherweise diskontinuierliche Verfahren
angewandt, bei welchen vordosierte Komponenten in einem Behälter
vorerst mittels langsam laufender Mischwerkzeuge eingemischt und
anschließend durch schnell laufende Dispergierwerkzeuge dispergiert
und homogenisiert werden. Eine wesentliche Schwierigkeit
bei diesem Verfahren besteht darin, alle Stellen des Mischbehälters
mit gleicher Intensität zu erfassen. Aus diesem Grunde
werden die Mischwerkzeuge beispielsweise bei Planetendissolvern
durch ein aufwendiges Antriebssystem im Mischbehälter zusätzlich
zu ihrer Bewegung um ihre eigene Mischwerkzeugachse über den
Querschnitt des Mischbehälters bewegt. Darüber hinaus sind
bekannte Mischaggregate mit zum Teil beweglichen Dissolverscheiben
ausgerüstet, um nach dem Homogenisieren die festen oder
flüssigen Zusatzstoffe feinst zu dispergieren. Es sind auch Einrichtungen
bekannt, bei welchen der Inhalt des Mischbehälters
durch eine externe Umwälzpumpe durch ein Dispergieraggregat
gefördert wird.
Alle bekannten Einrichtungen erlauben keinen gezielten Durchlauf
des Mediums durch die Misch- bzw. Dispergierwerkzeuge und es
erfolgt eine lediglich statistische Erfassung des Mediums,
wodurch für einen guten Dispergiereffekt eine entsprechend lange
Mischzeit erforderlich wird. Durch die komplizierte Form der
Mischwerkzeuge und den relativ großen Abstand der Mischwerkzeuge
von den Behälterwänden gestaltet sich auch die Entleerung der
Mischaggregate schwierig und unvollständig, sodaß eine aufwendige
Reinigung erforderlich ist.
Aus der EP-B1 0 196 291 ist bereits ein Mischaggregat bekannt
geworden, bei welchem ein Mischgefäß in einen Bodenteil und
einen Deckelteil unterteilt ist. Im Deckelteil ist hier eine
Preßplatte dicht geführt. Durch die Preßplatte erstreckt sich
ein als Rotor ausgebildetes Mischwerkzeug, welches längs seiner
Rotationsachse axial verschieblich im Mischbehälter geführt ist.
Der Mischvorgang wird ausschließlich durch das Mischwerkzeug
bewerkstelligt, und die im Deckelteil dichtend geführte Preßplatte
dient dem anschließenden Ausbringen des gemischten Gutes
und damit einer leichteren Entleerung des Behälters.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, Einrichtungen der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß das Mischen und
Dispergieren auch bei niedrig- bis mittelviskosen Flüssigkeiten
innerhalb kurzer Zeit vollständig gelingt und eine homogene
Mischphase ausgebildet wird. Im besonderen zielt die Erfindung
darauf ab, die Homogenisierung auch bei schwer dispergierbaren
Medien bei kurzer Mischzeit zu verbessern. Zur Lösung dieser
Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Einrichtung im wesentlichen
darin, daß ein gemeinsam mit dem Rotor in Richtung der Achse
verschiebbares, plattenförmiges Element vorgesehen ist, welches
sich unter Ausbildung eines Spaltes im wesentlichen parallel zur
Rotationsebene des Rotors erstreckt und Durchbrechungen aufweist,
daß das plattenförmige Element an der Innenwand des
Behälters dichtend oder unter Ausbildung eines Drosselquerschnittes
geführt ist und daß das plattenförmige Element in
seiner Drehlage gesichert oder mit von der Drehgeschwindigkeit
des Rotors verschiedener Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung
in einem einstellbaren axialen Abstand vom Rotor mit einem
Antrieb für einen axialen Hub verbunden ist. Dadurch, daß
gemeinsam mit dem Rotor ein plattenförmiges Element mit Durchbrechungen
in einem vorbestimmten Abstand längs der Rotorachse
im Mischgut auf und ab geführt wird, wird erreicht, daß die
flüssige, zu dispergierende und zu homogenisierende Phase
zwangsweise auch den Spalt zwischen dem Rotor und dem plattenförmigen
Element durchströmen muß, sodaß innerhalb dieses,
zwischen dem plattenförmigen Element und dem Rotor ausgebildeten
Spaltes, ein definiertes und vollständiges Erfassen des zu
dispergierenden Inhaltes im Mischbehälter erzielt wird. Zwischen
dem plattenförmigen Element und dem Rotor wird das zu dispergierende
Material in der flüssigen Phase einer definierten Scherbeanspruchung
ausgesetzt, wodurch die Dispersion nach einer kurzen
Behandlungszeit bei ausgezeichneter Homogenisierung stabil ausgebildet
wird, wobei diese Scherkräfte dadurch sichergestellt
werden, daß das plattenförmige Element entweder in seiner Drehlage
gesichert ist und daher nicht mit dem Rotor in Drehbewegung
versetzt wird, oder mit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors
verschiedener Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung angetrieben
ist. Je nach Beschaffenheit des zu dispergierenden Gutes
kann die jeweils günstigste Spaltbreite oder eine im Betrieb
variable Spaltbreite vorgegeben werden, wobei durch die Durchbrechungen
in dem plattenförmigen Element die Strömung durch den
zwischen dem plattenförmigen Element und dem Rotor ausgebildeten
Spalt sichergestellt wird. Um die entsprechenden Scherkräfte
sicher auf das zu dispergierende Gut auszuüben, muß die Ausgestaltung
lediglich so gewählt werden, daß Rotorflügel nicht
koaxial zu den Achsen der Durchbrechungen des plattenförmigen
Elementes rotieren, sodaß ein entsprechender radialer Weg durch
den Schlitz zwischen dem plattenförmigen Element und dem Rotor
erzwungen wird.
Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Ausbildung so getroffen,
daß das plattenförmige Element als Stator ausgebildet ist und in
seiner einer Stirnwand, insbesondere einer Deckelplatte des Behälters
benachbarten Lage zur Rotation zum Räumen der Stirnwand
antreibbar ist, wodurch sich eine besonders einfache und
betriebssichere Konstruktion ergibt. Abweichend von bekannten
Planetendissolvern kann mit wesentlich einfacherem Antrieb das
Auslangen gefunden werden, wobei die Maßnahme, das im Betrieb
als Stator ausgebildete plattenförmige Element lediglich in
einer Endstellung kurzfristig anzutreiben dazu dient, die Stirnwand
und insbesondere die dem Behälter zugewandte Wand der Deckplatte
sicher zu räumen, sodaß der Reinigungsaufwand wesentlich
verringert wird.
Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Einrichtung an unterschiedliche
zu dispergierende Stoffe angepaßt werden, wofür die
Ausbildung mit Vorteil so getroffen ist, daß der axiale Abstand
des Stators vom Rotor durch einen oszillierenden Hubantrieb im
Betrieb verstellbar ist.
Um nach erfolgter Homogenisierung und nach dem Dispergieren das
Ausbringen des Mischgutes zu erleichtern, kann mit Vorteil die
Ausbildung so getroffen sein, daß die Durchbrechungen des Stators
verschließbar ausgebildet sind. Nach einem Verschließen der
Durchbrechungen des Stators kann der Stator als Preßstempel für
das Auspressen des gemischten Gutes verwendet werden.
Um insbesonders bei höher viskosen Systemen die Viskosität
herabzusetzen, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, daß
der Rotor und/oder der Stator mit einem Ultraschallgeber verbunden
ist.
In einfacher Weise kann das Mischgut in einem Mischbehälter vordosiert
werden, wofür beispielsweise zu dispergierende, feine,
pulverförmige Feststoffe auf eine Flüssigkeit aufgebracht werden
können, worauf mit Vorteil der Mischbehälter mit dem Rotor und
dem Stator verbunden wird. Die Ausbildung ist hiezu in besonders
einfacher Weise so getroffen, daß der Mischbehälter lösbar mit
einer eine Lagerung für die Rotorwelle und/oder den axial verschiebbaren
Stator aufweisenden Deckelplatte zum Verschließen
des Mischbehälters verbunden ist.
Um auch chemisch unbeständiges und insbesondere feuchtigkeitsempfindliches
Mischgut sicher und ohne Veränderung seiner
Materialeigenschaften verarbeiten zu können, ist mit Vorteil die
Ausbildung so getroffen, daß an die Deckelplatte und/oder den
Mischbehälter wenigstens eine Leitung für den Aufbau eines vom
atmosphärischen Druck verschiedenen Druckes im Mischbehälter
mündet. Über eine derartige Leitung kann ein Vakuum aufgebracht
werden um Oxidationserscheinungen zu vermeiden. Ebenso kann auch
eine Schutzgasatmosphäre über eine derartige Leitung eingebracht
werden.
Eine besonders einfache Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung
läßt sich dadurch verwirklichen, daß der Rotor am
Stator drehbar gelagert ist. Auf diese Weise wird auch der Lagerungsaufwand
wesentlich vereinfacht.
Eine weitere Maßnahme empfindliches Mischgut sicher ohne Veränderung
der Materialeigenschaften zu homogenisieren und zu dispergieren,
besteht wie es einer bevorzugten Weiterbildung entspricht
darin, daß der Mischbehälter mit einem Kühlmantel versehen
ist.
In allen Fällen ist es vorteilhaft, wenn sich der gemeinsame Hub
des Rotors und des Stators über die gesamte axiale Höhe des
Mischbehälters erstreckt, sodaß mit nur wenigen axialen Hüben
und in überaus kurzer Zeit eine vollständige Vermischung und
Homogenisierung sowie Dispergierung erzielt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung
schematisch beschriebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In dieser zeigen Fig.1 eine schematische Darstellung des mit
einem Deckel verschlossenen Mischbehälters am Beginn des Misch-
und Dispergiervorganges, Fig.2 eine erste Betriebsstellung mit
einer ersten vordefinierten Spaltbreite und Fig.3 einen weiteren
Betriebszustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit veränderter
Spaltbreite zwischen Rotor und Stator.
In Fig.1 ist mit 1 ein Mischbehälter bezeichnet, welcher von
einem Kühlmantel 2 umgeben ist. Das Kühlmedium kann über die
Anschlüsse 3 und 4 zu- und abgeführt werden.
In den Mischbehälter 1 wird zunächst das zu vermischende Gut in
vordosierter Menge eingebracht, wobei mit 5 die flüssige Phase
und mit 6 eine Pulverphase bezeichnet ist.
Im Deckel 7, welcher auf dem Behälter 1 aufgesetzt werden kann,
ist eine Gleitlagerung 8 vorgesehen, über welche die Mischwerkzeuge
bei ihrem axialen Hub geführt wird. Das Mischwerkzeug
umfaßt einen Rotor 9, welcher durch eine Rotorwelle 10 zur
Rotation im Sinne des Pfeiles 11 antreibbar ist. Der Antriebsmotor
ist hiebei konventioneller Art und der Einfachheit halber
nicht dargestellt.
Die Rotorwelle 10 ist konzentrisch zu einer Pinole 12 angeordnet
und rotierend über Lager 13 in dieser gelagert. Die Pinole 12
ist drehfest mit einem plattenförmigen Element 14 verbunden,
welches Durchbrechungen 15 aufweist. Zwischen dem Rotor 9 und
dem plattenförmigen Element 14 ist ein Spalt 16 ausgebildet,
wobei der Rotor 9 und das plattenförmige Element 14 im Sinne des
Doppelpfeiles 17 in axialer Richtung gemeinsam oder relativ
zueinander verschiebbar sind. Das plattenförmige Element 14 kann
bei einem derartigen Hub in Richtung des Doppelpfeiles 17 gegen
Verdrehung gesichert sein oder aber mit einem gesonderten oder
vom Drehantrieb der Rotorwelle 10 abgeleiteten Drehantrieb mit
verschiedener Drehgeschwindigkeit zur Rotation angetrieben sein.
Zum Räumen der Unterkante des Deckels 7 genügt es allerdings das
plattenförmige Element 14 lediglich in der oberen Endlage zur
Rotation anzutreiben, sodaß die Unterkante 18 der Deckelplatte 7
sicher geräumt werden kann.
Zum Mischen und Dispergieren des Materials wird nun die Pinole
12 und damit das plattenförmige Element 14 sowie der Rotor 9 in
das zu vermischende Medium abgesenkt, wobei das Medium vom Rotor
9 erfaßt und durch den Spalt 16 und die Durchbrechungen 15 des
plattenförmigen Elementes hindurchgefördert wird. Zwischen dem
plattenförmigen Element 14 und dem Rotor 9 wird das Material auf
Scherung beansprucht, sodaß eine intensive Vermischung im Spalt
16 erfolgt. Diese Arbeitsposition der Mischwerkzeuge ist in
Fig.2 ersichtlich.
Je nach zu dispergierenden Medium kann die axiale Spaltbreite
des Spaltes 16 hier während des Hubes im Sinne des Doppelpfeiles
17 konstant gehalten werden oder aber auch im Betrieb verändert
werden. Wie in Fig.3 ersichtlich, kann dieser Spalt 16 verbreitert
werden, wobei eine besonders intensive Durchmischung und
Dispergierung dadurch erzielt werden kann, daß das plattenförmige
Element 14 in Richtung des Doppelpfeiles 17 relativ zum
axialen Hub des Rotors 9 oszillierend angetrieben wird, so daß
eine zyklisch Vergrößerung und Verringerung der Spaltweite a des
Spaltes 16 erzielt wird.
Nach Beendigung des Mischvorganges können die Durchbrechungen 15
des plattenförmigen Elementes 14 wahlweise verschlossen werden,
um bei einem Aufwärtsschub des plattenförmigen Elementes das
gesamte gemischte Material sicher auszubringen.
Das plattenförmige Element 14 kann an seinem Umfang über eine
Dichtung 19 gegenüber der Innenwand des Behälters 1 abgedichtet
werden. Anstelle einer derartigen Dichtung 19 kann aber auch ein
Drosselspalt ausgebildet werden, welcher so dimensioniert sein
muß, daß tatsächlich der wesentliche Teil des zu behandelnden
Mediums durch den Spalt 16 gefördert wird und nicht frei an der
Außenkante des plattenförmigen Elementes 14 durchtreten kann.