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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen bzw. Stoffgemischen
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen und Stoffgemischen, gegebenenfalls im Beisein von Gasen, durch gleichzeitige mechanische Wirkungen und Schwingungen mit Schall- und/oder Ultraschallfrequenz.
Unter Stoffen und Stoffgemischen im Sinne der Erfindung sind nicht nur feste, flüssige und gasförmige Stoffe zu verstehen, sondern auch deren echte Lösungen, Suspensionen und kolloidale Systeme, wobei die disperse Phase im Lösungsmittel jeden beliebigen Aggregatzustand einnehmen kann.
Das Arbeitsverfahren gemäss der Erfindung dient also der kontinuierlichen kinematischen HochfrequenzBehandlung und Aufbereitung verschiedenartiger Stoffe und/oder Gemische beliebiger Zusammensetzungen und Aggregatzustände, z. B. gasförmig, flüssig, thixotrop, faserig, stückig oder klumpig, auch in Kombination mit Gasen, zum Zwecke der Gewinnung und/oder Verbesserung hochdisperser Systeme (z.
B. vollkommener Fasersuspensionen aus zellulosehaltigen oder andern - auch synthetischen - Faser- stoffen für die Papiererzeugung, die Herstellung von Textilien, Spinnlösungen für Kunstseiden-z. B. durch"Verkupferung", Xanthogenierung, Viskosierung", Homogenisierung-Kunstleder usw., Defibrierung, Fibrillierung, Quellung und/oder Hydratisierung der Fasern, gegebenenfalls deren Imprägnierung mit Chemikalien), nötigenfalls Aufschliessung von Partikeln bis in den mikronen, submikronen und/oder molekularen Bereich, mit einer damit verbundenen ausserordentlichen Vergrösserung der Kontaktoberfläche der erzielten Suspensionen, Emulsionen usw.,
der Erzeugung physikalischer Affinität und gegebenenfalls der Herbeiführung chemischer Reaktionsbereitschaft der einzelnen Partikel oder der erzielten molekularen Abbauprodukte und/oder der Erhöhung des Reaktionsvermögens auch durch Darbietung wechselnder Oberflächenbereiche zwecks Einleitung oder Beschleunigung der Reaktionskinetik durch Erzeugung und Zufuhr bzw. Einwirkung hochfrequenter Kavitation und/oder Stoss-bzw.
Schall-und/oder UltraschallEnergie mit dem Zwecke einer erheblichen Verbesserung der weiteren physikalischen und/oder chemischen Verarbeitung besagter Medien zu Zwischen- oder Endprodukten hoher Qualität unter gleichzeitiger erheblicher Einsparung von Zeit- und Energieaufwand, ausserordentlicher Herabsetzung der Behandlungsdauer des Gutes, gegebenenfalls Verringerung der notwendigen apparativen Mittel, und weiterer Vorteile, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen.
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren durchführbare Stoffbehandlung zwecks Lösung, Mischung, Zerstäubung, Zerfaserung, Aufschliessung verschiedenster Art, Verfeinerung und Homogenisierung kann insbesondere auch eine Imprägnierung der Partikel, z. B. Zellstoffasern, mit Wasser, Bindemitteln, Füllstoffen, chemischen Lösungen und/oder Reagenzien, mit in fliessenden Medien gelösten oder suspendierten Stoffen oder Gasen einschliessen, welche durch Einwirkung der hochfrequenten Kavitation, Druckstösse, Schall- und gegebenenfalls Ultraschall-Energie in hohem Grade beschleunigt wird und parallel zu der damit eintretenden Imprägnierung der Partikel bzw. Fasern in deren Struktur eine physikalische Ver- änderung, z. B. eine Quellung (Hydratisierung), interpartikulare Bindung, Festigung, Kaustizierung, Lockerung und/oder Auflösung oder eine chemische Reaktion, z. B.
Oxydation, Reduktion, Bleichung usw., bewirken oder solche Wirkungen nach sich ziehen und in bisher unbekannter Weise beschleunigen kann.
Die heute üblichen Verfahrensmethoden der Bearbeitung von Stoffen und Stoffgemischen zur chemischen und/oder physikalischen stofflichen Änderung durch Zerkleinern, Verfeinern und Inkontaktbringen der Stoffteilchen oder Gemischkomponenten in Rührwerkkesseln, mit oder ohne Druck und Temperaturzufuhr, unter Umständen auch Vakuum oder Kühlung, in Autoklaven, in Rieseltürmen und Kolonnen, in rotierenden Kesseln und Gegenstrom-Apparaten, ermöglichen alle insgesamt nur langsame und kostspielige sowie arbeitsaufwendige Stoffbearbeitungen. Ein wesentlicher Fortschritt wurde schon experimentell darin gefunden, dass Stoffe oder Stoffgemische hochfrequenten Druckstössen und den sich daraus
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absieht.
Einen erheblichen Fortschritt sowohl in der physikalischen als gegebenenfalls auch chemischen Stoffbearbeitung stellen die mit Vorrichtungen gemäss den schweizerischen Patentschriften Nr. 311794 und Nr. 336249 ermöglichten physikalischen und chemischen Bearbeitungen von Stoffen und Stoffgemischen dar, die durch die Wirkung hochfrequenter Prall-, Schall- und Ultraschall-Effekte gekennzeichnet sind. In den damit ermöglichten Verfahren werden physikalische und chemische Stoffänderungen innerhalb verhältnismässig kurzer Zeiträume gegenüber dem damaligen Stand der Technik, z. B. in einer oder mehreren Minuten, mit hoher Intensität durchgeführt.
Die betreffenden Verfahren und Apparate ermöglichen jedoch keine genaue Kontrolle der Durchführung'der physikalischen und chemischen Stoffbehand- lung, insbesondere soweit sie die Erfassung und einheitliche Bearbeitung aller Stoffpartikel betrifft. Dabei geht auch ein grosser Anteil mechanischer und insbesondere von Schallenergie verloren.
Es gibt zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Dispergieren, Homogenisieren, Mahlen, Zerfasern und/oder auch zur Durchführung von chemischenReaktionen, welche in denPatentschriften, dienachstehend aufgeführt sind, beschrieben sind : Deutsche Patentschriften Nrn. 276923,494503, 496392,636454, 670057 und 864789, USA-Patentschriften Nrn. 901, 217, 1, 215, 424, 1, 489, 787, 1, 624, 037, 1, 630, 406, 1, 666, 640, 1, 811, 438, 2, 075, 506, 2, 328, 950, 2, 388, 573, 2, 468, 389, 2, 619, 330, 2, 709, 552, 2, 738, 931 und 2, 789, 800.
Diese Vorrichtungen weisen zahlreiche erhebliche Nachteile auf, von denen die wichtigsten Nachstehende sind :
Unvollkommene Dispergierung und daher heterogene Produkte, hoher Energie-, Arbeits- und/oder Zeitaufwand, um hoch disperse Produkte zu erzielen, Verschleiss-und Störungsanfälligkeit, Schädigung der Stoffstruktur (z. B. Zellstoffasern), wenn Arbeitsorgane zwecks Erreichung hoher Dispersitätsgrade und Homogenität eng bzw. unter gegenseitiger Berührung zusammenarbeiten. Die Ursachen der erwähnten und anderer Nachteile sind z.
B. ein geringer Wirkungsgrad der zusammenarbeitenden, dispergierenden Organe, die teils runden, teils eckigen Querschnitt aufweisen, aber durch ihre Anordnung zueinander und/oder ihre Entfernung voneinander nur eine ungeregelte und unkontrollierbare Zerschlagung und auf Zufall beruhende Zerprallung des Mediums zur Folge haben. Derartige Zerkleinerungsvorrichtungen sind unter den Bezeichnungen "Desintegratoren" oder "Schleudermühlen" bekannt. Sie dienen in erster Linie der Aufschliessung fester, stückiger Produkte und erreichen teilweise Feinheitsgrade bis in den Bereich von mehreren Mikron. Derartige Feinheitsgrade werden jedoch nur durch langwierige Bearbeitung und meist nur durch nachfolgende Trennung der verbliebenen, gröberen Bestandteile von den genügend weit aufgeschlossenen Partikeln durch Sieben usw. erreicht.
Eine andere Gruppe der erwähnten Vorrichtungen ist mit eng, mitunter reibend zusammenarbeitenden Scher-und Prallorganen versehen. In denselben wird das Gut einer zwar sehr intensiven, aber auch im einzelnen unkontrollierbaren Bearbeitung unterworfen und meist unter hohem Energieaufwand aufgeschlossen. Derartige und ähnliche Vorrichtungen sind teilweise auch für fliessende Medien, insbesondere Emulsionen, im allgemeinen aber nur für beschränkte Anwendungsgebiete verwendbar.
Eine weitere Gruppe der erwähnten Vorrichtungen bedient sich als zusammenarbeitender Zerkleinerungsorgane ineinandergreifender, mit konzentrischen Rillen und Erhebungen versehener, gegenläufiger Scheiben. Die zwischen denselben vor sich gehende Reibbearbeitung des Mediums ist durch eine gewisse Intensität gekennzeichnet, aber das Anwendungsgebiet solcher Vorrichtungen ist begrenzt und bleibt auf fliessende Emulsionen und Gemische mit feiner Struktur beschränkt. Ähnliche und andere Vorrichtungen haben bei enger Stellung der Organe zueinander auch den Nachteil der meist unzulässigen Überhitzung des Mediums und der Schädigung desselben.
Alle erwähnten Vorrichtungen, soweit sie auf Scherung, Prallung und Turbulenz innerhalb von Behältern oder umschliessenden Gehäusen beruhen, sind infolge der Begrenzung ihres Wirkungsbereiches, der Unkontrollierbarkeit der kinetischen Vorgänge in der Vorrichtung und der Unmöglichkeit einer präzisen Lenkung dieser Vorgänge im einzelnen nicht zufriedenstellen.
Man hat deshalb versucht, diese Nachteile wenigstens teilweise zu beheben durch Verengung des Arbeitsspaltes zwischen den zusammenarbeitenden Organen, wie z. B. gegenläufig rotierenden Zahnscheiben, wobei die Scheiben an ihrer Peripherie sich bis auf einen sehr dünnen Spalt einander nähern. Dadurch soll das Medium nur unter Überwindung des so geschaffenen Engpasses und unter Reibung in demselben bis zu einem endlichen Feinheitsgrad austreten können. Diese Vorrichtungen sind durch geringeproduktion, hohen Energieaufwand und schnellen Verschleiss gekennzeichnet.
Seit Bekanntwerden der hochintensiven Wirkung von Schall- und Ultraschallwellen und von Druckstössen auf zu verfeinernde Medien wurde auch eine Reihe verschiedenartiger Schwingungserreger, wie Pfeifen und Sirenen, piezoelektrische Kristallschwinger usw., für den Aufschluss und die Feinbearbeitung flüssiger Medien und Gemische angewendet. Während einige Ultraschallpfeifen sich in dem beschränkten Bereich der Erzeugung fliessfähiger Emulsionen bewährten, blieben den mit piezoelektrischen Schwingern ausgerüsteten Vorrichtungen infolge ihres unzulänglichen Wirkungsgrades Erfolge im Gebiet der industriellen Produktion versagt (brit. Patentschrift Nr. 796, 932, franz. Patentschrift Nr. 1. 146. 765).
So erfordert beispielsweise die Aufschliessung von Zellstoffen bis zur Einzelfaser mit piezoelektrischen Quarzschwingern bei Konzentrationen von nur 0, 1 bis 1% Bearbeitungszeiten von 20 Minuten bis zu vier Stunden, wobei die bearbeitete Stoffmenge auf Laboratoriumsmassstäbe, z. B. bis 11, begrenzt ist. Dabei beträgt der Trockenstoffgehalt der bei den Versuchen verwendeten Zellstoff-Suspensionen nur 1-10 g/l.
Derartige Verfahren und die dazu verwendeten Schwingungserzeuger sind für solche Zwecke im
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industriellen Massstab unbrauchbar. Man hat deshalb auch versucht, hochfrequente Impulse und Schwingungen in Rotationsvorrichtungen, wie Schleudermühlen, innerhalb des bearbeiteten Gutes zu erzeugen.
Die deutsche Patentschrift Nr. 682490 beschreibt eine Kolloidmühle, bei welcher die Mahl-oder Dispersionswirkung durch eine hohe Zahl von Vibrationen oder Schwingungen bis Ultraschallschwingungen hervorgerufen wird. Zu diesem Zweck ist ein an seinem Mantel gezahnter Rotor (Zahnrad genannt) von einem stillstehenden Gehäuse eingeschlossen, dessen die Zahnung des Rotors umschliessende periphere Wandung ebenfalls mit Zähnen bzw. Rippen versehen ist. Bei genügend schneller Drehung des gezahnten Rotors entstehen zwischen dem gezahnten Rotormantel und der gezahnten peripheren Wandung des Gehäuses rhythmische Schwingungen.
Die deutsche Patentschrift Nr. 709704 beschreibt eine Verbesserung vorerwähnter Kolloidmühle, bei welcher in den Hohlräumen zwischen Rotormantel und peripherer Gehäusewandung zusätzliche Schwingungen durch piezoelektrischen Quarz erzeugt werden. Eine ähnliche Vorrichtung mit einem an
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Schwingungen in Hohlräumen und innerhalb des in den Hohlräumen befindlichen Gutes darstellten, haben dieselben sich nicht auf breiterer Basis einführen können. Ihre Wirkung übertraf nicht die mit intensiv wirkenden Schleudermühlen erzielten Ergebnisse.
Die franz. Patentschrift Nr. 1. 160. 851 beschreibt eine Schleudermühle, welche durch hochfrequente hydraulische Stösse, die mittels Schikanen zweier gegenläufiger Rotoren erzeugt werden, Zellstoffpastillen (Stippen) defibrieren soll. Der Defibrierungsvorgang wird mit ultraschallähnlichen Effekten begründet.
Die Vorrichtung erzeugt zwar hochfrequente, gegebenenfalls im Ultraschallfrequenzbereich liegende Druckgefälle, die sich aber innerhalb des in einem Durchlaufgehäuse lediglich mit starker Turbulenz und hoher Geschwindigkeit durchströmenden Mediums ungeregelt und unkontrollierbar abspielen und deshalb ohne genügende, von wirksamer Ultrabeschallung zu erwartender Intensität verlaufen. Deshalb haben sich auch derartige Vorrichtungen infolge unbefriedigender spezifischer Leistung nicht bewährt und nicht einführen können.
Die USA-Patentschrift Nr. 2, 709, 552 beschreibt einen Apparat zur Zerkleinerung von festen Stoffen unter Verwendung von Schwingungen und Stosswellen in einer gasförmigen, kontinuierlichen Phase.
Sie besteht aus einem sternförmigen Rotor, welcher in einem zylindrischen Gehäuse mit hoher Geschwindigkeit rotiert. An jedem Sternarm ist ein sich radial bis an die periphere Gehäuse-Wandung erstreckendes schwingungsfähiges, elastisches Blech befestigt. Das periphere, frei schwingende Ende des elastischen Bleches schleudert die ihm durch den Gasstrom zugeführten festen Partikel mit seiner peripheren Kante gegen die periphere Innenwandung des Gehäuses, welche gerippt ist. Die Rippen an der Gehäusewandung versetzen die peripheren Enden der elastischen Bleche durch Vermittlung der an der gezahnten Gehäusewandung entlangspringenden festen Partikel in hochfrequente Schwingungen.
Die Frequenz und die Amplitude dieser Schwingungen sind jedoch vom Zufall abhängig, weil sie durch die unregelmässige, unberechen-und unkentrollieibare, sprunghafte Prallung d. r festen Partikel gegen die Kanten der Riffelung an der Gehäusewandung und von denselben zurück gegen das periphere Ende der schwingungselastischen Bleche erzeugt werden. Ähnliche Apparate sind durch dit brit. Patentschriften Nr. 686, 610, 696, 799 und 799, 578 bekanntgeworden.
Auch die zuletzt erwähnten Vorrichtungen, welche nur für den beschränkten Zweck der Zerkleinerung fester Partikel in einem Gasstrom bestimmt sind, können infolge ihrer ungeregelten und unkontrollierbaren Schockwirkung nicht zur wirklichen und kontrollierbaren Beschallung und Herbeiführung vorberechenbarer Wirkungs- und Feinheitsgrade des Endproduktes dienen.
Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt diese Nachteile und ermöglicht einen ausserordentlich grossen Fortschritt in der Verfahrenstechnik, der gegenüber dem Stand der Technik insbesondere durch Reduzierung des Zeitaufwandes auf einen winzigen Bruchteil, eine bedeutend höhere Stoffausbeute, erheblich höhere Qualität der Produkte und infolge viel geringeren Energieverbrauches pro 100 kg Fertigprodukt eine viel wirtschaftlichere Produktion gekennzeichnet ist.
Im einzelnen kennzeichnet sich das neue Verfahren dadurch, dass der kontinuierlich in ein Druckgehäuse eingeführte Stoff beschleunigt, in einen Verteiler-und Kavitationsspalt gepresst, in demselben durch Gegendruck gestaut, unter Druck zerprallt, zerrieben und gegebenenfalls kavitiert und anschliessend durch hochfrequente Abtrennung kleiner Stoffteilchen im Bereich von Milligrammen bzw.
Bruchteilen davon zerlegt wird, worauf diese kleinen Teilchen mit hoher Frequenz in kleine, mit unter dem Gegendruck stehenden Stoffteilchen schon gefüllte, als Schallkammern dienende Hohlräume unter Überwindung des in denselben herrschenden Gegendruckes hineingeschlagen werden, so dass sie mit den darin befindlichen Stoffteilchen in Stossreaktion treten, dann durch kurze, hochfrequente Druckstösse durch die Scha11kammern stossweise hindurchgepresst und aus ihnen ausgestossen werden, dergestalt, dass die Stoffteilchen durch zweckentsprechende Einstellung des Gegendruckes zu einer bestimmten Verweil- und Bearbeitungszeit in den Schallkammern gezwungen und während dieser Verweilzeit gleichzeitig Schwingungen sowohl vom Einlass in die Kammern als auch von oszillierenden Wänden der Schallkammern her unterworfen werden.
Zum Dispergieren, Homogenisieren, Aufschliessen und Defibrieren von Stoffen sind Vorrichtungen bekannt, in denen die Stoffe mittels aneinander vorbeifliegenden starren Zerkleinerungsorganen einer
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mechanischen Bearbeitung durch Scherung, Prallung, Reflexion u. dgl., unterworfen werden, wobei die zu behandelnden Stoffe auf dem kürzestmöglichen bzw. dem den geringsten Widerstand bietenden Wege von innen nach aussen gelangen.
Zur Durchführung chemischer Stoffänderungen benutzt man offene oder geschlossene Behälter, Rohre,
Türme, Kolonnen usw., in denen die Behandlung des Stoffes durch Rühren, Umwälzen, im Gegenstrom- verfahren usw., unter Atmosphärendruck, Überdruck, Vakuum, Erwärmung und/oder anderer Energie- zufuhr erfolgt.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Vorrichtungen ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung gekenn- zeichnet durch mindestens zwei auf relativ zueinander drehbaren koaxialen Haltern befestigte, eine
Bearbeitungsstufe bildende, sich umschliessende Ringe, von denen jeder eine Vielzahl von Organen trägt, wobei zwischen den Organen der beiden Ringe ein Verteiler- und Kavitationsspalt besteht, und je zwei tangential benachbarte Organe eines Ringes einen der genannten, als Schallkammer dienenden Hohl- räume bestimmen, wobei die Organe mindestens eines der Organringe auf Grund ihrer Ausmasse und ihres
Baustoffes als in tangentialer Richtung nach Art kurzer Stimmgabeln zu Schallschwingungen erregbare
Platten oder Stäbe ausgebildet sind,
dass ferner die Halter in einem Druckgehäuse mit wenigstens einem vorgeschalteten Einlass und einer als Zuführungsraum dienenden zentralen Hohlkammer eingebaut sind, und dass dem Druckgehäuse eine Gegendruck-Einstellvorrichtung zur Steuerung der stossweisen Vorschubgeschwindigkeit des Stoffes, des Druckes und der Verweilzeit des Stoffes in den Schallkammern sowie ein Auslass für den Stoff nachgeordnet ist.
Durch die erfindungsgemässe Kombination der vorbeschriebenen und gegebenenfalls weiterer, nachfolgend beschriebener Merkmale lassen sich neuartige physikalische Effekte erzielen, die von chemischen Effekten begleitet sein können.
Erfindungsgemäss wird der kontinuierlich in das Druckgehäuse eingeführte Stoff zunächst in dem inneren Ring hochbeschleunigt und nach Passieren desselben in den als Verteiler- und Kavitationsspalt wirkenden Arbeitsspalt gepresst und in demselben durch Gegendruck gestaut. Während der Aufschliessung im Verteiler- und Kavitationsspalt durch Zerprallung, Zerreibung und gegebenenfalls Kavitierung wird der Stoff gegen die Einlassöffnungen der Kammern des äusseren Ringes der Arbeitsstufe geführt. Während er unter hoher Geschwindigkeit und Zentrifugaldruck an den Einlässen in die Kammern des äusseren Ringes bzw. an deren Organkanten vorbeifliegt, werden von dem im Verteiler- und Kavitationsspalt befindlichen Stoff winzige Teilchen in die bereits mit Stoff gefüllten Kammern mit hoher Frequenz hineingeschlagen.
Bei jedem solchen Einschlag eines Teilchens in einer Schallkammer entsteht ein Impuls-entsprechend der energetischen Leistung des Einschlages-, welcher sich als Druckwelle durch den in der Kammer befindlichen Stoff fortpflanzt. Da der Stoff in den Kammern unter Gegendruck steht, kann ein aus dem Verteiler- und Kavitationsspalt in die Kammer eingeschlagenes Teilchen immer nur so gross sein wie das am Auslass aus derselben Kammer in diesem Augenblick ausgestossene Teilchen. Die Grösse dieses Teilchens ist aber abhängig von dem vom Auslass aus dem Druckgehäuse her eingestellten Gegendruck. Durch zweckentsprechende Einstellung dieses Gegendruckes mittels der Gegendruck-Einstellvorrichtung werden die Stoffteilchen zu einer bestimmten Verweil- und Bearbeitungszeit in den Schallkammern gezwungen.
Während dieser Verweilzeit in den Schallkammern werden die Stoffteilchen gleichzeitig Schwingungen sowohl von Einlass in die Kammern als auch von oszillierenden Wänden der Schallkammern her unterworfen. Die dadurch in den Kammern auf die Teilchen wirkenden hochfrequenten Impulse und Druckschwingungen können je nach Art und Struktur des zu behandelnden Stoffes mit Frequenzen in Schallbereichen bis in den hohen Ultraschallbereich erzeugt werden. Die Teilchen werden vorzugsweise während Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren Sekunden in den Kammern zurückgehalten, so dass jedes Teilchen in seiner Kammer während einer bestimmten Verweilzeit beschallt wird und dann beim Wechsel von einer Kammer zur nächsten zunehmende Beschleunigung erfährt und steigender Frequenz und Schwingungsintensität ausgesetzt wird.
Die Teilchen werden durch einen sich periodisch während eines Bruchteils einer Sekunde öffnenden Spalt in Richtung des innerhalb einer Kammer steigenden Druckes in eine nächstfolgende Kammer ausgestossen. Dieser Spalt und dessen Öffnungszeit werden so klein bemessen, dass der Durchtritt jedes Teilchens von einer Kammer zu einer nächsten nur unter fortschreitender Auflösung des Gefüges des Teilchens bis zu beispielsweise mikronen oder submikronen Partikeln oder z. B. bei Zellstoff, bis zu den Einzelfasern möglich ist. Die Erzeugung von Druck, Beschleunigung, Impulsen und Schwingungen und die Fortbewegung des Stoffes von einer Kammer zur nächsten werden erfindungsgemäss durch eine Vielzahl von aus den Wandungen der Schallkammern und dem Stoff selbst gebildeten kinematischen Ketten hervorgerufen.
Ausser den primären Schall- und gegebenenfalls Ultraschallschwingungen, die durch die Begegnung der Kanten der aneinander vorbeifliegenden Organe benachbarter Ringe entstehen, werden durch die Organe mindestens eines Ringes, vorzugsweise des äusseren, die auf Grund ihrer Ausmasse und ihres Baustoffes als in tangentialer Richtung nach Art kurzer Stimmgabeln zu Schallschwingungen erregbare Platten oder Stäbe, d. h. als Oszillatoren, ausgebildet sind, innerhalb der von ihnen begrenzten Schallkammern auch sekundäre Impulse und Wellen erzeugt. So bauen sich innerhalb der mit dem Stoff gefüllten Schallkammern und damit innerhalb des Stoffes Interferenzwirkungenauf, deren Amplituden ein Mehrfaches der durch die Begegnung benachbarter Organe erzeugten Schwingungen erreichen können.
Wenn, wie oben erwähnt, der Stoff zu einer bestimmten Verweilzeit in einer Schallkammer gezwungen wird, anstatt
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der Zentrifugalkraft folgend auf möglichst kurzem Wege durch das kinematische System von innen nach aussen zu strömen, so können die Schwingungen zusammen mit den auftretenden mechanischen Wirkungen auf den Stoff bisher noch nie erreichte Resultate herbeiführen. Dies erklärt sich schon aus der Tatsache, dass die Schallwellen sich in wässerigen Medien mit etwa 1470 m/s durch den Stoff mit ihrer vollen Energie fortpflanzen.
Bei der in den Schallkammern auftretenden multiplen und diffusen Reflexion tritt eine starke interpartikulare und gegebenenfalls intermolekulare Reibung innerhalb des Stoffes auf, die je nach seiner Verweilzeit in der Vorrichtung zu Temperaturerhöhungen führen kann. Die interpartikulare und intermolekulare Reibung hat einen besonderen Anteil an der Aufschliessung und an der Änderung des Aggregatzustandes, sowie, eventuell zusammen mit der Energiewandlung in Wärme, die Einleitung oder die Beschleunigung erwünschter chemischer Reaktionen zur Folge. Auf diese Weise können chemische Reaktionen schneller und besser als bisher durchgeführt werden. Ebenso ermöglichen die weiter oben geschilderten Vorgänge auch den entgegengesetzten Weg, z. B. die Depolymerisation, wie überhaupt chemische Stoffwandlungen in den verschiedensten Richtungen.
Die günstigste Reaktionskinetik und die zweckmässigste Zusammensetzung der Reagenzien für solche chemische Vorgänge sind von Fall zu Fall experimetell zu ermitteln.
Die Zahl und die Begegnungsfrequenz der Organe kann so gewählt werden, dass der Stoff, welcher in den Kammern zur Erreichung einer optimalen Einwirkung der in den Kammern auftretenden Impulse und Schwingungen jeweils einen kurzen Zeitraum, z. B. 1/140 s, verweilen muss, mit der auf den Stoff wirksamsten Frequenz und Amplitude beschallt wird. Der Verweilzeit von 1/140 s in einer Kammer entspricht z. B. eine Öffnungszeit der betreffenden Kammer von 1/300 bis 1/10. 000 s, je nach Umlaufgeschwindigkeit des Kammerringes. Der Stoff wird bei diesen Kammerwechseln also stossweise und in winzigen Teilchen, z. B. von einem oder einigen mg, in die nächsten Kammern hineingepresst und ebenso stossweise sowie immer weiter verfeinert aus denselben in den engen Verteiler-und Kavitationsspalt ausgestossen. Die beschleunigte Stoffsäule wird dabei jedesmal abgerissen.
Dadurch wird der Stoff ausser den oben erwähnten Impulsen und Schwingungen innerhalb der Kammern auch noch beim Übergang von einer Kammer zur nächsten einer mit steigenden Durchmesser an Intensität zunehmenden Kavitation ausgesetzt. Durch die zeitweilige, mindestens teilweise Einschliessung des Stoffes in einer von vibrierende Wände darstellenden Oszillatoren begrenzten Kammer tritt der Stoff erst nach einem gewissen Umfangsweg der Kammer, dessen Länge z. B. 1, 15 m beträgt, durch den zwischen zwei sich umschliessenden Organringen gebildeten Verteiler-und Kavitationsspalt hindurch in eine Kammer des nächsten Organringes ein.
Der Stoff beschreibt also von innen nach aussen (vom Einlass zur Peripherie) eine aus einzelnen Stufen zusammengesetzte Spirale, wobei die Steigung jeder Stufe der radialen Vorschublänge der in einer Kammer befindlichen Stoffteilchen während ihrer Verweilzeit in der betreffenden Schallkammer entspricht, während der periphere Weg der Teilchen in einer Rotorkammer eine Funktion der Umlaufgeschwindigkeit und der radialen Vorschubgeschwindigkeit ist, welche, wie oben geschildert, durch Einstellung von Einlass und/oder Gegendruck vom Auslass her kontrolliert ist.
Durch entsprechende Wahl der Gesamtzahl der Organe kann die Gesamtschallfrequenz bei genügend hoher Umlaufgeschwindigkeit Werte von über 20. 000 Hz, z. B. 1000 bis 10. 000 kHz, erreichen. Ausserdem können bei entsprechender Wahl der Zahl der Kammern, auf welche der der Vorrichtung frei zufliessende Stoff erfindungsgemäss in der Vorrichtung verteilt wird, und bei entsprechender Wahl der Begegnungsfrequenz der Organe bzw. der Kammern winzige Teilchen des Stoffes von wenigen Milligramm, z. B.
1-5 mg, entstehen, und durch die Kammern stossweise, stufen- und spiralförmig beschleunigt und währenddessen in den einzelnen Kammern durch hochfrequente Druckstösse praktisch beliebiger Intensität bearbeitet werden. Die Organe sind wenigstens teilweise so dimensioniert, dass sie durch die gegenseitige Begegnung wie kurze Stimmgabeln zu Schwingungen erregbar sind, die sie in den in den benachbarten Kammern befindlichen Stoff tangential abstrahlen. Die Feinheit der Oszillatoren kann insbesondere gegen die Peripherie der Vorrichtung hin bis zur Feinheit nachgiebiger, auf Ringen sitzender Nadeln gesteigert werden. Es können auch alle Oszillatoren der Vorrichtung Nadelfeinheit haben. Gegebenenfalls kann man die Ringe solcher Oszillatorennadeln axial gegeneinander verstellbar machen.
Die axiale Länge der Oszillatoren, insbesondere wenn letztere nadelfein sind, kann gegebenenfalls sehr klein gewählt werden.
Nadelfeine Oszillatoren können z. B. bei organischen Stoffen eine bis auf die Zellstruktur heruntergehende Aufschliessung bewirken oder molekulare Strukturen abbauen.
An der Peripherie der Vorrichtung kann der Stoff in einen gemeinsamen Sammelraum austreten und in demselben durch Impulse und Wellen verschiedener Frequenzen bearbeitet werden, insbesondere wenn der Raum durch eine Hohlfläche, z. B. von parabolischem Axialschnitt, begrenzt ist. Die diese Hohlfläche aufweisende Wandung kann aus einem Werkstoff mit besonders hohem Reflexionsvermögen bestehen, z. B. aus Stahl ; insbesondere kann die Reflexionsfläche spiegelglatt bearbeitet sein.
Die Weite des Verteiler- und Kavitationsspaltes zwischen den aneinander vorbeifliegenden Organen kann so eingestellt werden, dass z. B. Zellulosefasern, die viel feiner sind als die eingestellte Spaltweite, nur beschallt, aber nicht geschert, d. h. in ihrer Länge nicht beschädigt werden. Wird eine Scherung der Fasern gewünscht, dann kann die Spaltweite entsprechend kleiner, gegebenenfalls bis nahe Null, eingestellt werden.
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In der Zeichnung ist die erfindungsgemäss vorgeschlagene Vorrichtung in fünf Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, u. zw. zeigen :
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform mit horizontal angeordneter Rotorachse, Fig. 2 eine Ansicht von links in Fig. 1, teilweise geschnitten nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein zweites Beispiel,. Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte und Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine vierte Ausführungsform, Fig. 7 ist ein Axialschnitt durch ein aus mehreren erfindungsgemässen Einzelvorrichtungen bestehendes Aggregat.
Die in den Fig. 1-3 dargestellten Beispiele von erfindungsgemässen Vorrichtungen sind Hochfrequenzschall-und Ultraschallerzeuger und haben einen an einer Welle 1 befestigten Rotor 2 mit einem inneren Kranz von den Stoff aufteilenden und zentrifugal beschleunigenden Organen 3 und drei Kränzen mit z. B. aus Stahl, Nickel, Titan, Molybdän, Chrom bzw. aus entsprechenden Legierungen bestehenden, schwingungsfähigen Organen (Oszillatoren) 4,5, 6 ; je zwei benachbarte Organe eines Kranzes schliessen zwischen sich eine Schallkammer 8 bzw. 9 bzw. 10 ein. Die Zahl der Kammern von z. B. je 2, 5-0, 1 ml.
Inhalt nimmt von innen nach aussen zu, während das Volumen der Kammern von Kranz zu Kranz abnimmt (vgl. Fig. 3). Um eine solche, nach der Peripherie der Vorrichtung hin zunehmende Zahl von Organen und Schallkammern zu ermöglichen, kann jeder Organ- und Schallkammerkranz, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, auf einem separaten Ring durch bekannte Arbeitsverfahren, wie Fräsen, Bohren od. dgl., hergestellt werden. Auf diese Weise können einzelne Ringe mit verschieden hoher Organzahl zwecks Änderung der zwischen zwei benachbarten Organkränzen erzeugten Schwingungserregungen je nach Bedarf ausgewechselt werden.
Ein an der Welle 1 befestigter Konus 30 ragt in die zentrale Hohlkanmer 31 Z, wodurch eine einwandfreie Füllung und eine gute Führung des zu bearbeitenden Stoffes in der zentralen Hohlkammer 31 t erreicht wird.
Der Konus 30 verhindert auch eine Verstopfung der zentralen Hohlkammer 31 Z. An dem auf dem Boden11 abgestützten Druckgehäuse 12 ist der den äussersten Organring umgebende Sammelkanal 13, mit den Stirnscheiben 14 und 15 befestigt. Um den im Sammelkanal auftretenden Druck und damit den Stoff schneller zum Auslass 26 abzuleiten, weist der Sammelkanal einen in Richtung von dem dem Auslass 26
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Inhalt. Den die Organe tragenden Flächen des Stators und Rotors könnte man einen sich in radialer Richtung von innen nach aussen derart veränderlichen Abstand voneinander geben, dass der Ringquerschnitt zwischen diesen Flächen von innen nach aussen sich in einem gewünschten Sinne ändert. So könnte z.
B. der Abstand zwischen den die Organe tragenden Flächen so vergrössert werden, dass sich das Volumen der Schallkammern und die axiale Länge der Organe nach der Peripherie hin vergrössern. Durch diese Volumsnvergrösserung ergibt sich gegen die Peripherie hin eine Auseinanderreissung des Stoffes und zunehmender Unterdruck und damit rasch gesteigerte Kavitation. An der Peripherie des äussersten Organkranzes 20 kann wenigstens auf einer Seite ein Diffusorring 16'angeordnet sein.
Während im vorliegenden Beispiel der Stoff durch die in der Zentralkammer 31 Z befindlichen, zentrifugal beschleunigenden Organe 3 unter hoher Beschleunigung und entsprechendem Druck in die Schallkammern hineingepresst und in kleine Teilchen aufgeteilt wird, könnten solche Organe in der Zentralkammer weggelassen und durch ausserhalb der Vorrichtung liegende Mittel, wie z. B. eine Druckpumpe oder eine Flüssigkeitssäule vor der Vorrichtung oder durch eine Saugpumpe nach der Vorrichtung, ersetzt werden. Ausreichende stossweise Förderung könnte allenfalls auch allein durch die Rotororgankränze, also unter Weglassung der Organe 3, erreicht werden.
Um mit der geschilderten Vorrichtung auf einfachste Weise eine kontinuierliche Bearbeitung des Stoffes im Durchlauf durch die Vorrichtung durch Impulse und deren sich wellenförmig fortpflanzende Schwingungen, sowie die Kontrolle der Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung zu ermöglichen, ist an der ringförmigen Stirnscheibe 15 ein beispielsweise von einem Formstück 25 gebildeter Zuführungsraum 25' angeschlossen. Der Sammelkana113, 13'hat einen Auslaufstutzen 26, durch welchen der durch die Schall- kammern 24 (Fig. 3) aus der Vorrichtung radial in den Sammelkanal 13'geschleuderte Stoff beispielsweise in eine Leitung 27 abgeführt wird.
Der Hohlraum des peripheren Sammelkanals 13, 13'ist im wesentlichen symmetrisch zur Achse des
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schnitt versehen, um ein leichteres Abfliessen des Stoffes zu gewährleisten. Ein Einlassventil 28 kann dem Zuführungsraum 25'vorgeschaltet werden und die Stoff zufuhr regulieren.
Ein Regulierventil 29 ist dem Auslaufstutzen 26 nachgeordnet zum Zwecke der Regelung der Beschallungs-und Druckverhältnisse in der Vorrichtung sowie der Verweilzeit des Stoffes in den Kammern der letzteren. An Stelle des Ventils 28 und/oder des Ventils 29 können andere regulierende Mittel verwendet werden, z. B. eine an den Austritt anschliessende Steigleitung zu einem höheren Behälter. Man könnte den Gegendruck auf jede gewünschte Höhe einstellen, wenn in der Steigleitung in verschiedenen Höhen
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freie, verschliessbare Abläufe eingebaut würden. Man könnte an Stelle von Ventilen z. B. auch Ringblenden oder sich verengende Zwischenstücke, z. B. einen den freien Stoff austritt einschränkenden Auslassstutzen, anbauen oder einschieben, wobei alle diese Mittel von Hand oder automatisch betätigt werden könnten.
Die gezeigte und geschilderte Vorrichtung kann in den Details natürlich die verschiedensten Änderungen erfahren. So können z. B. die peripheren Flächen der Organe 3 und der Organe 4-6 und 17-20 auf koaxialen Kegelflächen liegen, so dass durch axiale Verschiebung von Rotor und Stator gegeneinander eine Veränderung der Spaltbreite, z. B. eine Verengung zwischen den Organkränzen, eintritt, die neben der Beschallung des Stoffes z. B. auch eine reibende oder mahlende Bearbeitung desselben erlaubt. Die miteinander zusammenarbeitenden Rotor- und Stator-Organe können auch teilweise, einzeln oder gruppenweise, kleineren und teilweise grösseren radialen Abstand voneinander haben, so dass z. B. ein Teil der relativ entgegengesetzt zueinander rotierenden Organe zusammen quetschend und/oder mahlend und der andere Teil z. B. nur fördernd auf den Stoff einwirkt.
Hiedurch wird eine vielseitige, der Arbeit eines Kollerganges ähnliche Behandlung des Stoffes möglich. Die Wirkung der Vorrichtung kann durch entsprechende Gestaltung der relativ entgegengesetzt zusammenarbeitenden Organe in weitem Rahmen verändert werden. Sind z. B. die miteinander zusammenarbeitenden Organe an ihren Kanten geschärft, so erhält man scherende Wirkung. Sind sie abgerundet, so ergibt sich eine mehr schlagend und weniger scherende Wirkung. Haben sie geringen oder sehr geringen Abstand voneinander, so erhält man bei scharfen Kanten sehr wirksam scherende, bei stumpfen Kanten mehr eine quetschende Arbeit, wie sie im Kollergang vor sich geht. Wenn man den Querschnitt der Organe in Drehrichtung vorne abrundet oder tropfenförmig zuspitzt, erleichtert man die Durcharbeitung thixotroper oder teigartiger Stoffe, wie sie mitunter, z.
B. bei höherprozentigen Zellstoffaufschwemmungen, vorkommen. Die Vorrichtung gestattet gemäss dem Ergebnis eingehender Versuche z. B. die Entstippung ohne Scherung und/oder die Mahlung, gegebenenfalls die Quellung und/oder Herbeiführung anderer Zustände von Zellstoffen bis zu hohen Konzentrationsgraden. Um derartig hohe Leistungen zu erreichen, kann die Vorrichtung so gebaut werden, dass der innere Organkranz einer Bearbeitungsstufe grössere Lücken zwischen seinen Organen aufweist als der ihn umschliessende, welche den flockigen manchmal klumpigen, z. B. von einem Grobauflöser kommenden Stoff oder auch stückigen Zellstoff aufnehmen. Die Organe, die zu diesem oder zu ähnlichen Zwecken ebenfalls tangential vorteilhaft verbreitert werden, beschleunigen den Stoff und verteilen ihn mit hohem Druck in die Schallkammern des nächstgrösseren, relativ gegenläufigen Organkranzes.
Derselbe weist bereits eine bedeutend grössere Anzahl radialer Schallkammern auf. Um den letztgenannten Organkranz läuft dann ein mit noch kleinerer Teilung, also noch mehr und eventuell engeren Schallkammern versehener Organkranz relativ entgegengesetzt um. Dieser letzte, feiner geteilte Organkranz kann durch einen durchbrochenen, noch feiner geteilten Organkranz umschlossen sein. Die Zahl der sich umschliessenden Organkränze kann je nach dem Zweck bis zur Erreichung beliebig hoher Frequenzen und Bearbeitungsgrade gesteigert werden.
Da der kleineren Teilung entsprechend, auch, wie oben erwähnt, die die Schallkammern zwischen sich bildenden Organe von Kranz zu Kranz von innen nach der Peripherie der Vorrichtung hin feiner werden, verändern sich die Schwingungsverhältnisse, die den als Oszillatoren ausgebildeten Organen eigen sind, da diese als vielfache Stimmgabeln wirken, welche zur Schallabstrahlung durch die relativ entgegengesetzt an ihnen vorbeifliegenden Organe erregt werden.
Bei einer sehr hochfrequenten erfindungsgemässen Vorrichtung beträgt z. B. die tangentiale Stärke der zu Schwingungen erregten Organe des äusseren Ringes 3 mm, die tangentiale Weite der Schallkammern 2 mm und die Länge der oszillierenden Organe 16 mm. Der von diesem äusseren Ring umschlossene Organring ist mit Erregerorganen besetzt, deren tangentiale Stärke 5 mm beträgt, während die Kammerweite 3, 2 mm und die Länge der Organe 15 mm ist. Die Drehzahl des inneren Ringes beträgt bei diesem Bei-
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Ein gemäss diesem Beispiel aus einer hochwertigen Stahllegierung gefertigter erregbarer Organring gibt schon beim leichten Bestreichen mit einem Holzstab einen deutlich vernehmbaren Ton.
Je nach den Anforderungen, die der zu bearbeitende Stoff stellt, wird beispielsweise der Durchlass- querschnitt der Schallkammern, die radiale und/oder tangentiale Ausdehnung sowie das Material der Erregerorgane und/oder der Oszillatoren, die Anzahl der Organe pro Kranz, die Stufenzahl, d. h. die Zahl der Organkränze, der Durchmesser der Kränze sowie die Drehzahl verändert. Eine Vergrösserung des tangentialen Abstandes der Organe ein und desselben Kranzes hat eine Vergrösserung des Einzelvolumens
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einer Schallkammer zur Folge. Dadurch wird der insgesamt im betreffenden Organkranz investierte Energieaufwand in weniger Teile unterteilt, was einerseits eine Erhöhung der Wellenamplitude, anderseits jedoch eine Verringerung der Frequenz zur Folge hat. Es können z.
B. auch alle Organe oder ein Teil derselben radial oder peripherial durchbohrt sein, wodurch zusätzlich intensive Interferenzschwin- ! gungen erzeugt werden. Es bestehen also die verschiedensten Möglichkeiten, die direkt wirkenden kinematischen Einflüsse auf das Gefüge des Stoffes, insbesondere seiner festen Anteile sowie den Einfluss der parallel dazu wirkenden Beschallung zu regulieren.
Die Ausführungsform der Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 und 2 insbesondere durch folgende Merkmale : Die Organe 5 bzw. J'sind in tangentialer Richtung erheblich dünner ausgebildet als ihre axiale Länge.
Ausserdem ist ihre radiale Ausdehnung grösser als ihre tangentiale Dicke, so dass sie wie Stimmgabelzähne zu Schwingungen in den ihnen benachbarten Stoff erregt werden.
Die Vorrichtung hat nur zwei Rotororgankränze 4 und 5 und zwei Statororgankränze 17 und 32. Der Organkranz 32 besteht aus einem Ring mit durchgehenden Löchern 33, wobei die Stege zwischen denselben die Organe bilden. Einige der Rotor-Organe 4 weisen Vorzerreissorgane 34 auf, die im gezeigten Beispiel messerartig ausgebildet sind ; diese arbeiten mit Gegenwerkzeugen 35 im Zuführungsraum 25'zusammen, die z. B. die Form von Schneidbacken, zahnartigen, geriffelten oder ähnlichen Vorsprüngen oder Blindlöchern haben können und eine noch bessere Vorzerkleinerung des axial ankommenden Stoffes erlauben als die Vorzerreissorgane 34 allein. Der Zuführungsraum 25'kann, wie in Fig. 4 gestrichelt angedeutet, enger sein und sich erst vor dem Rotor konisch so erweitern, dass der Stoff in den Bereich der Organe 34 und 35 kommt.
Im übrigen gilt für das Beispiel der Fig. 4 im wesentlichen dasselbe, wie für die erste Ausführungsform nach den Fig. 1-3. Derartige Ausführungsformen eignen sich z. B. besonders für die Lösung klumpigen Gutes, wie Kaolin oder zur schnellen Imprägnierung von festen Stoffen mit Bindemitteln, Chemikalien, Lösungsmitteln usw.
Im Beispiel der Fig. 5 ist die Antriebswelle 1 durch eine konische Nabe 36 des Rotors 2 hindurch nach der Seite des Zuführungsraumes 25'hin verlängert und trägt ein Pumpenrad 37 mit schraubenförmigen Schaufeln, die den Stoff z. B. aus einem Behälter durch den Zuführungsraum 25'in die Vorrichtung fördern. Zur Steigerung der Förderwirkung ist ein feststehender Leitapparat 38 vorgesehen, dessen Schaufeln entgegengesetzt zu den Schaufeln des Pumpenrades 37 gekrümmt sind. An der Innenwandung des Zuführungsraumes 25'sind axial verlaufende Leitbleche 39 angeordnet, die einen drallfreie Einlauf des Stoffes in die Vorrichtung gewährleisten.
Auf dem freien Ende der verlängerten Welle 1 sitzen Flügel 40, die propellerartig ausgebildet sein können, wenn grössere Förderhöhen überwunden werden müssen oder wenn der Stoff infolge seiner Struktur der Förderung besonderen Widerstand entgegensetzt. Die Flügel 40 können aber auch messerartig zum Anschneiden des Stoffes ausgebildet sein.
Die Stator-Organe 18 sind in dieser Ausführungsform an ihren beiden Enden eingespannte Stege.
Im übrigen gilt auch für dieses Beispiel im wesentlichen dasselbe wie für die erste Ausführungsform gemäss den Fig. 1-3.
Die Ausführungsform der Fig. 6 hat an Stelle eines mit einem Rotor zusammenarbeitenden Stators zwei gegebenenfalls gegenläufige Rotoren 41 und 42. Der Rotor 41 sitzt auf der mit einem Einlassstutzen 48 versehenen Ansaugseite auf einer im Gehäuse 43 gelagerten Welle 44 und der Rotor 42 mit den Organen 45 und 46 auf einer im Gehäuse 43 gelagerten Welle 47, die in zur Welle 44 entgegengesetzter Richtung angetrieben wird. Im Bereiche des Zuführungsraumes 25'sitzt auf der Welle 44 eine Förder- und MessSchnecke 49. Durch entsprechende Wahl der Steigung dieser Schnecke kann die Menge des durch die Vorrichtung geförderten Stoffes genau reguliert werden. Die den Kranz 50 mit den Organen 51 und 52 tragenden Förderflügel 53 des Rotors 41 erteilen dem Stoff eine hohe Umfangsgeschwindigkeit entgegengesetzt zur Drehung des Rotors 42.
Dadurch wird der von den Flügeln 53 gegen den Rotor 42 geförderte Stoff zunächst an den Organen 45 bzw. an deren axialen Verlängerungen 45'zerschlagen und je nach der Struktur des Stoffes grob oder bereits fein verteilt. Wie in Fig. 6 punktiert angedeutet, können die Flügel 53 mit axial gerichteten Spitzen 53'in die zentrale Hohlkammer 31 Z des Rotors 42 hineinragen. Der weitere Arbeitsverlauf in der Vorrichtung ist der gleiche wie in den andern Beispielen. Der aus dem Kranz 52 austretende, bearbeitete Stoff gelangt in den Sammelkanal 54, von wo er durch den Auslass-Stutzen 55 abgeführt wird.
Die vier gezeigten Ausführungen für kontinuierliche Durchflussarbeit können mit vertikaler, horizontaler oder geneigter Achse angeordnet sein und arbeiten.
Fig. 7 zeigt als Beispiel ein aus drei hintereinandergeschalteten erfindungsgemässen Einzelvorrichtungen 57, 58, 59 bestehendes Aggregat, wobei zwischen den Einzelvorrichtungen Leitscheiben 60 angeordnet sind. Die Pfeillinie P veranschaulicht die Strömung des Stoffes durch das Aggregat. Auf der Welle 61 sitzt am Einlass 62 eine Förder- bzw. Druckschnecke 63.
Durch eine solche Kombination erübrigt sich die bisher bestehende Notwendigkeit, in manchen Industrien, z. B. der Zellstofferzeugung, zwei, drei oder mehr Maschinen derselben Type hintereinander aufzustellen, durch welche der Stoff nacheinander hindurchläuft, um bis zum erforderlichen Grade bearbeitet, z. B. defibriert, fibrilliert oder raffiniert, zu werden. Meistens waren zwischen den einzelnen Maschinen noch Förderpumpen und/oder Zwischenbehälter erforderlich. Durch die erfindungsgemäss vorgeschlagene Kombination erübrigen sich derartige kostspielige Anlagen ; es wird erfahrungsgemäss
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eine erhebliche Einsparung an Energie und Raumbedarf erzielt, die Überwachung ist viel einfacher und die
Zeiteinsparung beträgt gegenüber bekannten Einrichtungen in vielen Fällen bis zu 90% des früheren
Aufwandes.
Bei einem aus mehreren, hintereinandergeschalteten Einzelvorrichtungen bestehenden Aggregat gemäss
Fig. 7 kann das Gehäuse jeder einzelnen Vorrichtung mit einem radialen oder tangentialen Auslass ver- sehen werden, wobei jeder Auslass regulierbar bzw. absperrbar ist. Dadurch kann ein besonders schwierig zu bearbeitender Stoff beispielsweise durch drei Vorrichtungen hindurch so lange im Kreislauf bearbeitet werden, bis eine Änderung des Stoffes, die eine leichtere Bearbeitung zulässt, eintritt ; dann kann der Stoff durch Öffnen des Auslasses schon der zweiten oder eventuell sogar der ersten Vorrichtung abgelassen werden, wobei die nachfolgenden Vorrichtungen durch Schliessen ihrer Auslassventile ausser Funktion gesetzt werden.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Vorrichtung kann hinsichtlich ihrer Form, ihrer Abmessun- gen sowie ihrer Einzelteile zwecks Veränderung der Wirkung beliebig abgewandelt werden.
Beispielsweise kann ihre Wirkung durch entsprechende Wahl der Umlaufgeschwindigkeit des oder der rotierenden Organringe dem zu bearbeitenden Stoff angepasst werden, wobei der Antrieb der Vorrichtung je nach Bedarf mit bekannten Mitteln, z. B. durch Riemenantrieb, durch ein Übersetzungsgetriebe oder durch einen Elektromotor direkt erfolgt, und gegebenenfalls das Gehäuse der Vorrichtung-wie es aus der
Schweizer Patentschrift Nr. 288154 und der deutschen Patentschrift Nr. 1079597, bei direkt mit einem Elektromotor gekuppelten Kreiselpumpen, bei Motor/Schleifscheiben und Motor/Ventilatoren bekannt ist-fest mit dem Gehäuse des Motors verbunden und der Rotor auf dem Ende der verlängerten Motorwelle frei fliegend befestigt ist.
Ferner können z. B. die Organkränze ebenso mit runden, zylindrischen oder andersförmigen radialen oder vom Radius abweichenden Schallkammern in zweckmässiger Grösse, nötigenfalls bis zur höchsten Feinheit und Teilung, versehen sein.
Um scherende, reibende und gegebenenfalls kollernde Wirkung, wie eine solche beispielsweise bei der Erzeugung von Zellstoff oder ähnlichen Gemischen zur Veränderung der Struktur, z. B. zur Quellung, zur Veränderung des Wasserhaushaltes der Faser oder anderer Stoffteilchen führt, hervorzurufen, zu verstärken oder zu verändern, kann der Axialschnitt der relativ zueinander rotierenden Kränze konisch oder glockenförmig oder treppenartig abgestuft werden, so dass durch axiale Verschiebung der Kränze gegeneinander mit bekannten Mitteln eine Veränderung der Weite des Verteiler- und Kavitationsspaltes zwischen den Kränzen erreicht wird, die je nach Bedarf vom weitesten, technisch erforderlichen, bis zum kleinsten Abstand, nötigenfalls bis zur scherenden Reibung, eingestellt werden kann.
Die Weite des Verteilerspaltes, in welchem bei zweckentsprechend hoher Relativgeschwindigkeit der beiden Organringe Kavitation auftritt, ist z. B. bei einer Ausführungsform für die Defibrierung von Zellstoff zirka 1 mm. Da die Dicke z. B. einer Fichtenzellstoffaser und vieler anderer Fasern für die Papierindustrie-je nach Herkunft- im Bereich von 10 bis 40 Mikron liegt, tritt, wie in vielen Versuchen festgestellt wurde, keinerlei Scherung bzw. Kürzung der Fasern ein, weil keine Scherenbildung mit Berührung der relativ zueinander rotierenden Organe stattfindet. Da die sich bildenden Fibrillen noch um ein Vielfaches feiner sind, und ihre Dicke im Bereich von wenigen Mikron bis unter 1 Mikron liegt, wird ebenfalls eine Scherung bzw. Kürzung derselben verhindert, und die Auflösung erfolgt nur durch die hochfrequenten Druckwechsel, Reibung und gegebenenfalls Kavitation.
Die Kanten wenigstens eines Teiles der Organe, ebenso wie die aneinander reibenden Flächen der Organe der sich umschliessenden Kränze, können zur Erhöhung der Angriffswirkung bei gewissen Stoffen noch zusätzlich gezahnt, geriffelt, geraubt oder mit Blindbohrungen versehen sein. Die Organe der Kränze können auch einfach oder mehrfach gewellt, konkav oder konvex gebogen, nötigenfalls auch elastisch nachgiebig sein. Eine solche Nachgiebigkeit der Organe, gegebenenfalls auch der Kränze, kann beispielsweise durch Verwendung oder Mitverwendung elastischer Stoffe, wie Gummi, Kunststoff, Federmetall od. dgl., herbeigeführt werden.
Um die von dem zu bearbeitenden Stoff bespühlte Oberfläche im Inneren der Vorrichtung gegen Abrasion, Korrosion od. dgl., zu schützen, kann dieselbe je nach Bedarf mit einem harten oder elastischen korrosionsbeständigen Überzug versehen werden.
Zuleitungen für Zusatzstoffe, wie weitere Komponenten, Lösungsmittel, Reagenzien, Katalysatoren, Bleichmittel od. dgl., der verschiedensten Aggregatzustände, zum Zwecke jeglicher Beeinflussung der physikalischen bzw. chemischen Vorgänge in der Vorrichtung können nötigenfalls an allen geeigneten Stellen der Vorrichtung oder ihrer Zu- und Ableitungen angebracht werden. So können z. B. Flüssigkeiten oder Gemische durch Zuführung von Gasen in die Vorrichtung begast oder verschäumt werden. Durch die Einführung von Basen in die Vorrichtung können auch Säuren oder raure Stoffgemische je nach Wunsch spontan oder latent neutralisiert oder hinsichtlich ihres pH-Wertes korrigiert werden.
Auf ähnliche Weise können durch Zuführung von Zusatzkomponenten in die Vorrichtung spontane oder latente chemische Reaktionen mit jeder erforderlichen Intensität und mit jeder gewünschten Lenkung der Reaktionsmechanik durchgeführt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann für kürzere oder längere Zeit auch in niedrigerem Schallbereich sowie nur durch Scheren, Zerprallen, Reflektieren, Reiben usw., arbeiten.
Den folgenden Ausführungsbeispielen für das Verfahren gemäss der Erfindung ist eine Vorrichtung zugrundegelegt, die vier sich umschliessende Organkränze aufweist. Auf dem innersten Kranz befinden sich 24 Organe. Der ihn umschliessende gegenläufige Organkranz weist 100 Organe auf. Der dritte Organkranz
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hat 150 Organe und der äusserste Organkranz 200 Organe. Das periphere Ausmass der Organe und Schallkammern varüert in diesem Ausführungsbeispiel von der Achse gegen die Peripherie von Kranz zu Kranz, beispielsweise zwischen 10 mm am innersten Kranz bis 2 mm am äussersten Kranz. Die Vorrichtung läuft mit einer relativen Rotor-Stator-Drehzahl von n = 3000Umdr/min.
Es ergibt sich also bei dieser als Schall-
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Das Volumen des Gehäuses der verwendeten Vorrichtung beträgt nach Abzug des von der Vorrichtung beanspruchten Netto-Volumens 41, so dass also stets innerhalb der Vorrichtung 41 des betreffenden Stoffes der Wirkung der kinematischen, hochfrequenten Effekte sowie der Beschallung ausgesetzt sind. Die Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung wird von Hand oder automatisch so geregelt, dass der Durchfluss einer Füllung von 41 Stoff in einem Zeitraum von 0, 36 s erfolgt. Das bedeutet eine Durchflussmenge von
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Gewicht von 11, 000. 000 mg. Auf Grund der Gesamtfrequenz von 2370 kHz der Vorrichtung werden also pro Sekunde 11, 000. 000mg des Stoffes zunächst in 2, 370. 000 Teilchen mit einem durchschnittlichen Einzelgewicht von zirka 4, 6 mg zerlegt.
Jedes dieser Teilchen wird während der Dauer von 0, 36 s (Durchflusszeit durch die Vorrichtung = Verweilzeit in der Vorrichtung) von einem Teil dieser Impulse, insbesondere
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Je nach eventueller Änderung der Grobstofflösung, des Widerstandes der Stippen und abhängig von dem gewünschten Grad der Auflösung, Defibrierung und Entstippung sowie gegebenenfalls der Mahlung,
Quellung, Fibrillierung usw., kann der Grad der Bearbeitung durch Wiederholung der Behandlung, aber auch durch Steigerung oder Minderung der Drehzahl, der Verengung oder Erweiterung des radialen
Spaltes zwischen den Organen der sich umschliessenden Organkränze nach Bedarf durch bekannte Mittel, z. B. die oben erwähnte axiale Verschiebung gegeneinander, korrigiert werden.
Der erhaltene Zellstoff zeigt eine hervorragende Schonung der Faser und ergibt Papiere und Kartons, die erfahrungsgemäss z. B. gegenüber andern Verfahren Steigerungen der Reissfestigkeit von mehr als
300% aufweisen. Ebenso sind die übrigen Eigenschaften des erhaltenen Stoffes ausgezeichnet. Der Energiebedarf für den genannten Fall ist niedriger als bei bekannten Verfahren und die Gesamtergebnisse unvergleichlich günstiger als die der piezoelektrischen Beschallung.
Genaue Messungen bei den vor-und nachstehend beschriebenen Beispielen haben eine Leistungaufnahme von zirka 40 kW ergeben. Das entspricht einer mittleren Leistung pro Schwinger/Kammer der Vorrichtung von 84 W bei einer Gesamtfrequenz von 2, 370. 000 Hz. Die so erzielte spezifische Leistung der erfindungsgemässen Vorrichtung übertrifft die Leistung der piezoelektrischen und magnetostriktiven und andern Schallgeneratoren bei weitem. Da die Amplitude in Richtung zur Peripherie und mit der zunehmenden Umlaufgeschwindigkeit anwächst, ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung die gleichzeitige Steigerung der Frequenz und der Amplitude, worin ein grundsätzlicher Fortschritt gegenüber der klassischen Ultraschalltheorie besteht.
Ausführungsbeispiel 3 für das Verfahren :
Hackschnitzel oder Späne aus Holz (z. B. Hobelspäne, Sägemehl oder geschälte Späne, wie Furnierbruch), die vorzugsweise möglichst dünn, jedoch langfaserig beschaffen sein sollen, werden nach an sich bekannten Verfahren eingelaugt oder eingesprüht. Die Konzentration der NaOH-Lauge beträgt zirka 5-10%, je nach Art des Rohstoffes.
Es wird mit Wasser auf 3-5% Trockenstoff, je nach Schlüpfrigkeit der rohen Stoffaufschwemmung, eingestellt. DieroheAufschwemmung wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren in die erfindungsgemässe Vorrichtung eingeführt und in derselben mit einer Verweilzeit, die einer Geschwindigkeit des Stoffes von 1, 4 m/s entspricht, bei einer Gesamtfrequenz der Vorrichtung von vorzugsweise 1500 bis 3000 kHz kinematisch bearbeitet und beschallt. Die Verweilzeit wird durch die Eintrittsgeschwindigkeit und den Gegendruck durch die hiefür der Vorrichtung erfindungsgemäss vorund/oder nachgeordneten Mittel eingestellt.
Der kontinuierlich aus der erfindungsgemässen Vorrichtung austretende Faserstoff ist je nach Art des Rohstoffes weitgehend oder vollkommen defibriert. Wird je nach dem Befund des Ergebnisses weitere Defibrierung und eventuell Fibrillierung gewünscht, so wird die Prozedur auf gleiche Weise wiederholt. Während der (einem stossweisen Vorschub des Mediums in den Schallkammern von 1, 4 m/s entsprechenden) Verweilzeit wird der Stoff in der Vorrichtung tiefwirkend mit der ihm anhaftenden Lauge imprägniert. Durch die hochfrequente Druckstossbehandlung und -beschallung werden die einzelnen Fasern unter besonderer Schonung ihrer physikalischen Struktur, insbesondere ihrer Länge und Festigkeit, voneinander gelöst und man erhält einen hochwertigen Alkali-Zellstoff.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann selbstverständlich auf ähnliche oder entsprechend abgeänderte Weise auch auf die Herstellung anderer Zellstoffe (z. B. Sulfit- bzw. Sulfatzellstoffe) angewendet werden. Die Weiterbehandlung so aufbereitet-r Zellstoffe, z. B. für die Papiererzeugung oder zur Gewinnung von Spinnlösungen (Viskosen usw.), Kunststoffen usw., kann unter Verwendung der bekannten Lösungsmittel bzw. Reagenzien oder deren Gemische durchgeführt werden.
Dieses Verfahrensbeispiel lässt sich auch anwenden auf die Verarbeitung von Einjahres-Pflanzen, wie Gräsern, Schilf, Bambus, Bagasse, Esparto usw., wobei die Stoffdichte, die Laugenkonzentration, die Temperatur und die Behandlungsdauer nötigenfalls dem Stoff angepasst werden.
Ausführungsbeispiel 4 für das Verfahren :
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden Faserstoffe, z. B. aus Holz, Einjahres-Pflanzen (Gräsern, Stroh, Bambus, Esparto usw. ) z. B. für die Herstellung von Papier und Karton, in ausserordentlich kurzer Zeit unter gleichzeitiger Erzielung hoher Qualität des Stoffes und hoher Ausbeute auf sehr wirtschaftliche Weise gebleicht, indem der vorgelöste Faserstoff der hochfrequenten Stosswirkung und Beschallung im Durchgang durch die Vorrichtung je nach Rohstoffart und der gewünschten Remission des gebleichten Stoffes einmal oder wiederholt während zirka 1, 5-2, 5 Sekunden Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung unter Zusatz von zirka 1% Chlor, z. B. aus Calciumhypochlorit, unterworfen wird.
Die zweckentsprechend konzentrierte Chlorlösung kann vor dem Eintritt des zu bleichenden Stoffes in die Beschallungsvorrichtung zugesetzt oder durch an der letzteren vorgesehenen Zuleitungen in ihr Gehäuse unter Messung und Kontrolle eingeführt, gegebenenfalls auch in Pulverform vor dem Eintritt in die Vorrichtung dem Stoff einverleibt werden. In der Vorrichtung erfolgt eine vollkommene Verteilung des Bleichmittels im Stoff. Dabei tritt eine vollständige Durchdringung und Imprägnierung des Stoffes mit dem Bleichmittel infolge der hochfrequenten Druck-Maxime und-Minima ein, welche ein sofortiges Einsetzen der an dem aus der Vorrichtung austretenden Stoff sichtbaren, intensiven Bleichwirkung zur Folge haben.
Der anschliessende Bleichvorgang kann auf diese Weise bei fast allen Stoffen erheblich abgekürzt und der Weissgehalt bei durchwegs niedrigerem Verbrauch an Bleichmitteln verbessert werden.
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Ausführungsbeispiel 5 für das Verfahren :
Für die Durchführung chemischer Reaktionen im allgemeinen wird nachstehendes Beispiel angeführt, welches eine Reaktion zwischen Base und Säure unter gleichzeitiger Bildung eines Gels infolge Koagulation umfasst.
Nach diesem Beispiel erfolgt die Herstellung von Kieselsäure für die verschiedensten, an sich bekannten Zwecke, z. B. als Füllstoff für Farben, Papier, Gummi usw., oder als Schutzkolloid, wie folgt :
Man führt flüssiges Alkalisilikat, z. B. eine der bekannten Wasserglasarten, in der erforderlichen Konzentration durch den Ansaugstutzen in die erfindungsgemässe Vorrichtung ein. Die Einführung erfolgt entweder durch die Saugkraft der Vorrichtung allein oder mit Unterstützung durch eine Pumpe. Am Einlass in die Vorrichtung wird die zufliessende Menge Alkalisilikat durch ein Regulierventil eingestellt und gegebenenfalls durch bekannte Kontrollgeräte gemessen. Durch die Achse des Zuleitungsstutzens oder an sonstigen zweckentsprechenden Stellen des Gehäuses sind mehrere Rohrzuleitungen für die erforderliche Reaktionssäure eingeführt.
Diese Rohre können sich im Inneren der Vorrichtung, vorzugsweise möglichst nahe oder in der zentralen Hohlkammer, mehrfach verzweigen, um eine von Anfang an bestmögliche Verteilung der Säure zu sichern. Die Zuleitungen für die Säure sind zweckmässig ebenfalls mit Regulierventilen und/oder Messinstrumenten versehen. Man lässt nun bei rotierender Vorrichtung gleichzeitig die stöchiometrischen Mengen Alkalisilikat und Säure durch die entsprechenden Leitungen in die Vorrichtung einfliessen, worauf sofort innerhalb derselben eine höchst intensive und gleichmässige Verteilung von Alkalisilikat und Säure sowie inniger Kontakt auch kleinster Teilchen eintritt, so dass sofortige Reak- tion und damit die Ausfällung der Kieselsäure stattfindet.
Die Kieselsäure kann erfindungsgemäss in jeder beliebigen Partikelgrösse und Feinheit erzielt werden. Die Regulierung dieser Eigenschaften erfolgt durch die an sich bekannte Proportiomerung von Alkalisilikat und Säure, die ganz nach Bedarf aufeinander abge- stellt und manuell oder durch automatische Kontrollorgane reguliert werden kann. Die Grösse der Partikel kann durch schnelleren oder langsameren Durchfluss im Verhältnis zur dispergierenden Arbeit der Vor- richtung nach Belieben reguliert werden.
Durch entsprechend eingestellte Drehzahl der relativ gegen- läufigen Organkränze und/oder Änderung der Verweilzeit mittels der Einlass- und Auslassventile wird die spontan gebildete Kieselsäure dann nötigenfalls noch bis zur für Aerosole erforderlichen Partikelfeinheit und Homogenität bearbeitet. Bei diesem Verfahrensbeispiel hat man es in der Hand, die physikalische und die chemische Struktur der Kieselsäure, die als Endprodukt aus der Vorrichtung herausfliesst, je nach Bedarf zu regulieren. An Stelle von Säuren können naturgemäss auch andere koagulierende Reagenzien Ver- wendung finden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung lassen sich auf ausserordentlich viele physi- kalische und/oder chemische Stoffänderungen unter Anwendung der allgemein üblichen Zusammensetzung von Stoffkomponenten und/oder Reagenzien für die verschiedenartigsten Stoffe und Gemische übertragen.
Als Beispiele seien lediglich angeführt : Mischungen verschiedener Art, die Herstellung mikroner homo- gener Suspensionen, Füllstoffe, die Defibrierung, Raffinierung, Bleichung und andere chemische Behand- lungen von Zellstoffen, Halbzellstoffen, Holzschliff oder Altpapier sowie andern zellulosehaltigen Stoffen (z. B. für die Erzeugung von Kunstseiden), die Xanthogenisierung, die Homogenisierung von Spinn- lösungen, Suspensionen, Dispersionen, Emulsionen usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Behandlung von Stoffen bzw. Stoffgemischen, gegebenenfalls im Beisein von Gasen, durch gleichzeitige mechanische Wirkungen und Schwingungen mit Schall und/oder Ultraschallfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich in ein Druckgehäuse eingeführte Stoff beschleunigt, in einen Verteiler-und Kavitationsspalt gepresst, in demselben durch Gegendruck gestaut, unter Druck zerprallt, zerrieben und gegebenenfalls kavitiert und anschliessend durch hochfrequente Abtrennung kleiner Stoffteilchen im Bereich von Milligrammen bzw.
Bruchteilen davon zerlegt wird, worauf diese kleinen Teilchen mit hoher Frequenz in kleine, mit unter dem Gegendruck stehenden Stoffteilchen schon gefüllte, als Schallkammern dienende Hohlräume unter Überwindung des in denselben herrschenden Gegendruckes hineingeschlagen werden, so dass sie mit den darin befindlichen Stoffteilchen in Stossreaktion treten, dann durch kurze, hochfrequente Druckstösse durch die Schallkammern stossweise hindurchgepresst und aus ihnen ausgestossen werden, dergestalt, dass die Stoffteilchen durch zweckentsprechende Einstellung des Gegendruckes zu einer bestimmten Verweil- und Bearbeitungszeit in den Schallkammern gezwungen und während dieser Verweilzeit gleichzeitig Schwingungen sowohl vom Einlass in die Kammern als auch von oszillierenden Wänden der Schallkammern her unterworfen werden.