Misch-und Dispergiervorrichtung.
Zur Herstellung von Mischungen versehie- dener Stoffe oder mehrerer Phasen sehr hoher Feinheit und zur Gewinnung kolloidaler Lösungen, echter Suspensionen lmd stabiler Emulsionen verwendet man Rührwerke mit Vorrichtumgen, die unter hohem Kraftaufwand Schwingungen bis in den Bereich des Ultraschalles erzeugen. Die höchste bisher bekannte Leist. ung wird mit Kolloidmühlen ver schiedener Konstruktion erreicht. Dieselben haben den Nachteil, dass ihr Anwendungsgebiet beschränkt ist, weil sie durchwegs schwere, meist stationäre Aggregate darstellen, deren Konstruktion für viele Zweeke unzugänglich ist.
Hierzu gehört auch der Nachteil, dass Versuehe mit kleinen Substanz- mengen mit den bekannten Kolloidmühlen, z. B. im Laboratorium, nicht durehgeführt werden können. Ausserdem sind die bekannten Kolloidmühlen und ähnliche industrielle Vorrichtungen hohem Verschleiss dadurch uterworfen, dass sie viele aneinander rei bende Teile und lokale Einengungen, durch welche die Substanz hindurehgezwängt wird, aufweisen. Solehe Einengungen haben Stauungen und Bremsungen zur Folge, die einen Versehleiss der Sehläger und Gehäusewände der Kolloidmühlen bewirken, der bis zum völligen Durchfressen des Baustoffes führen kann.
Die mit mehreren Schlagkreuzen arbeitenden Kolloidmühlen stellen ebenfalls komplizierte, an besondere Gehäuseformen gebundene Aggregate dar. Sie haben auch den Nachteil, dass bei der geringen Zahl von Sehlägern trotz hoher Drehzahl und hohem Kraftaufwand der Nutzeffekt gering ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, die besagten Nachteile zu beseitigen oder wenigstens zu vermindern und betrifft eine Misch- und Dispergiervorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Halter, von denen mindestens einer drehbar ist, mit konzentrisch zur Drehachse angeordneten Zahnkränzen versehen sind und einer der beiden Halter auf einer zur Drehachse koaxialen Zentral- welle sitzt, welche in einer den andern Halter tragenden Hohlwelle gelagert ist, wobei der innerste Zahnkranz einen % entralen Hohlraum umsehliesst, in welchen Zuführoffnungen für das zu behandelnde Gut münden, das Ganze derart, dass in den genannten Hohlraum eingeführtes Gut, vermöge der durch Drehung bewirkten Zentrifugalkraft,
durch die Lücken der Zahnkränze nach aussen gesehleudert wird und hierbei gegen die diese Lüeken begrenzenden Zahnflanken prallt, wobei die Zahnflanken benachbarter Zahnkranze scherend aneinander vorbeilaufen, zum Zwecke, das Gut zu zerteilen, es einer Prallung und Scherung unter hoher Frequenz auszusetzen und als Dispersion oder als Emulsion gegen die Peripherie der Zahnkränze und aus deren Bereich zu befordern.
Der zwischen den Zähnen benachbarter Zahnkränze der beiden Halter verbleibende Spalt kann so eng bemessen sein, dass infolge der Drehbewegung zwischen den genannten Zahnflanken pumpende, also Druck-und Saugwirkung ausübende Kräfte auf das zu behandelnde Gut übertragen werden können, wobei die Zahnflanken eine Seherwirkung auf das Gut ausiiben, welche auf den Dispersionsvorgang von besonderem Einfluss sein kann.
Im zentralen Hohlraum können Laufradschaufeln einer Zentrifugalpumpe angeordnet sein, welche Schaufeln z. B. mittels einer Nabe auf der in diesem Falle angetriebenen Zen tralwelle befestigt und von derselben ange trieben sein können. Der äusserste Zahnkranz sitzt dann zweckmässig auf dem von der in diesem Falle zweekmässig feststehenden Hohlwelle getragenen Halter. Die Zähne können als axial zur Drehachse gerichtete Schaufeln ausgebildet sein. Sie können im Querschnitt rund, flach, prismatisch sein, sie können durchbohrt, gerade oder auch gekrümmt sein.
Ausserdem können sie auf ihren Haltern radial in gerader Linie oder auch in versetzter Stellung angeordnet sein. Bei sehr hoher Relativdrehzahl der beiden Halter, z. B. bei 50000 Touren pro Minute, liegt die Frequenz der sich im Behandlungsgut ergebenden Druckschwingungen im Gebiet der Ultra Schallwellen, und zusammen mit der hohen Sehlagfrequenz und der Prallwirkung tritt Kavitation der Gemisehteilchen ein und wird deren Zertrümmerimg erreieht.
Hierbei ist unter der Bezeichnung Fre- quenz die Gesamtzahl aller Seherungen sämtlieher Zahnflanken in der Zeiteinheit zu verstehen. Auf das im betreffenden Be hälter befindliehe Gut werden durch die Vor riehtung Wellen dieser Frequenz übertragen.
Die Vorrichtung arbeitet also beispielsweise bei einer Relativdrehzahl der beiden Halter von 30000 Umdrehungen pro Minute und 6 Zahnkränzen mit je 20 Zähnen eines jeden Halters mit einer Scher-Prallfrequenz von 60 000 000/Min., das heisst 1000 OOOISek.
Die Vorrichtung kann bei geeigneter Aus- bildung ein gegenüber den bekannten Kolloid- mühlen leicht bewegliches, tragbares Aggregat sein, das vielseitigen Zweeken zu dienen vermag. Es kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass es an Labor-oder Industriestativen oder an Laufkatzen aufgehängt oder an Hand- griffen von Behälter zu Behälter getragen, sowie in Rührwerken, Flüssigkeitsbehältern, Gehäusen oder auf Traversen fest montiert werden kann. Die erfindungsgemässe Vorrich- tung kann beispielsweise auch in eine Rohrleitung einbaubar ausgebildet sein, so dass das durchfliessende Gut kontinuierlich bearbeitet wird.
Zu diesem Zweek kann die Rohrleitung an der Einbaustelle gehäuseformig erweitert sein. Beim Einbau in Flüssigkeits- behälter und Rohrleitungen oder Gehäuse erfolgt der Antrieb zweekmässig mit an sich be kannten Kraftquellen von aussen.
Die beiliegende Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen- stades.
Fig. 1 zeigt teilweise eine Ansieht, teilweise einen Mittellängsschnitt einer Ausfüh- rungsform.
Fig. 2 zeigt einen Grundriss dieser Ans- führungsform, teilweise im Schnitt.
Fig. 3 zeigt ein ganzes Hochleistungs- dispergiergerät.
Fig. 4 zeigt teilweise eine Ansicht, teilweise einen Mittellängsschnitt einer andern Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt in Ansieht eine weitereAus- führungsform.
Fig. 6 zeigt teilweise in Ansieht, teilweise im Mittellängssehnitt noch eine andere Aus führungsform.
Fig. 7 zeigt einen Grundriss hierzu, linksseitig im Querschnitt nach der Linie VIIVII der Fig. 6.
Fig. 8 veransehaulicht perspektivisch eine weitere Ausführungsform.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. I und 2 ist eine vertikale Zentralwelle D in einer koaxialen Hohlwelle E drehbar und flüssigkeitsdieht gelagert. An der Hohlwelle E ist ein Halter befestigt, der die zentrale Welle D gehäuseartig umsehliesst und mit Einlass öffnungen F versehen ist. Dieser Halter ist an seinem untern Ende als quer zur Dreh achse ausgebildete Ringscheibe C gestaltet, an welcher in radialen Abständen voneinander drei Zahnkränze befestigt sind, von denen der äusserste mit B bezeichnet ist.
Analog ist am untern Ende der Zentralwelle D mittels einer auf die Welle aufgekeilten Nabe ein Halter befestigt, dessen Ende ebenfalls als quer zur Drehachse liegende Ringseheibe A ausgebildet ist. Diese Ring scheibe. 1 ist mit zwei Zahnkränzen versehen, welche zwischen den drei an der Scheibe C sitzenden Zahnkränzen liegen. Sämtliche Zahnkranze sind konzentrisch zur Drehachse angeordnet, und ihre Zähne weisen einander gegenüber nur ein geringfügiges radiales spiel auf. Der auf der Zentralwelle D sitzende Ilalter ist unten mit einer Einlassöffnung F, versehen und in dem vom innersten Zahnkranz umschlossenen zentralen Hohlraum als Schaufelrad G einer Zentrifugalpumpe ausgebildet.
Für die Ausbildung der Zahnkränze sind in Fig. 2 schematisch zwei Ausführungsvarian- ten dargestellt. Bei beiden sind die Zähne als axial zur Drehachse gerichtete Schaufeln ausgebildet, die in Fig. 2 stabformig erscheinen.
Bei der in Fig. 2 oberhalb der Mitte dargestellten Ausführungsvariante ist die Anordnung der Zahnkränze eines jeden Halters so gewählt, dass die an der Scheibe C sitzenden Zähne Reihen von radial einander gegenüberliegenden Schaufeln II bilden und analog die an der Scheibe A sitzenden Zähne Reihen von radial einander gegenüberliegenden Schaufeln II1 bilden.
Bei der in Fig. 2 unterhalb der Mitte dargestellten Ausführungsvariante sind dagegen die Schaufeln J bzw. J1 der einzelnen Zahnkränze eines jeden Halters peripher gegeneinander versetzt angeordnet.
Durch irgendeine in der Zeichnung nicht dargestellte Antriebsvorrichtung wird mindestens die zentrale Welle D mit hoher Tourenzahl angetrieben. Falls die Welle E ebenfalls angetrieben wird, so wird sie in entgegengesetzter Drehriehtung angetrieben. Es können also entweder beide Wellen in entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben sein, oder die Hohlwelle E kann stillstehen und die Zentralwelle D allein angetrieben sein. Die relative Drehzahl kann mit an sich bekannten Mitteln bis zu 50000 Umdrehungen pro Minute oder noeh hoher vorgesehen sein, z : B. unter Verwendung von Hochfrequenzmotoren oder Übersetzungen bzw. von hochtourigen Turbinenantrieben usw.
Bei diesen Mitteln ist zweckmässig darauf zu achten, dass auch im Bedarfsfalle mit niedrigerer Drehzahl gearbeitet werden kann, was durch bekannte Hilfsmittel, wie Regulierwiderstände bei elektrischem Antrieb, Wechselgetriebe und dergleichen erreicht werden kann. Bei manchen Stoffen und Gemischen muss die Frequenz durch zweckmässige Veränderung der Zähne- zahl, des Durchmessers und/oder der Drehzahl angepasst werden, um möglichst gute Resultate zu erzielen. So ist bei der Homogenisierung von Emulsionen manehmal eine Veränderung der Frequenz erforderlich, um z. B. nach erreichter Feinstverteilung die Koagulation von Anteilen der dispergierten Phase bzw. Phasen bis zur Abkühlung zu ver- meiden.
Wird nun ein zu behandelndes Flüs- sigkeitsgemisch der Vorrichtung derart zuge- führt, dass deren zentraler Teil vollständig in das zu behandelnde Flüssigkeitsgemisch eingetaucht ist, dann bewirkt das Schaufel- rad G ein Ansaugen des Flüssigkeitsgemisches durch die Einlassöffnungen F und Fi und erteilt dem im genannten zentralen Hohlraum befindlichen Flüssigkeitsgemisch eine Drehbewegung, welche infolge der hohen Tourenzahl der Welle D eine entsprechende Zentrifugalkraftwirkung auf die einzelnen Teile des Flüssigkeitsgemisches ausübt.
Infolgedessen werden diese Teilchen vorerst durch die Zahnlüeken des innersten am Halter C befindlichen Zahnkranzes hindurch bzw. gegen die diese Lüeken begrenzenden Flanken der Schaufeln H bzw. J geschleudert. Infolge der raschen Relativdrehbewegung der Schaufeln H bzw.
J gegenüber den Schaufeln ffl bzw. Ji prallen die durch die genannten Lücken geschleuderten Flüssigkeitsteile im weiteren sukzessive gegen die Flanken der radial nach aussen nachfolgenden, relativ zueinander rotierenden Schaufeln-die Schaufelflanken benachbar ter Schaufelkränze laufen also seherend aneinander vorbei-und werden unter hoher Fre- quenz durch die zwischen den Schaufeln benachbarter Sehaufelkränze befindlichen Schlitze geschleudert bzw. gepresst bzw. gesaugt, was eine intensive Bearbeitung der Gemischteilchen und deren Zerkleinerung zur Folge hat.
Hierdurch kann in verhältnismässig kurzer Zeit das Füssigkeitsgemiseh in eine stabile Emulsion, eine kolloidale Dispersion oder eine echte Lösung übergehen und tritt in diesem Zustand schliesslich aus dem Bereich des äussersten Zahnkranzes B aus.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist die gleiche Vorrichtung, wie an Hand der Fig. 1 und 2 vorstehend besehrieben, vorgesehen, jedoeh ist die die Hohlwelle E an dem dem Halter abgekehrten Ende mit dem Ge häuse eines elektrischen Antriebsmotors verbunden, dessen Rotor mit der Zentralwelle D verbunden ist. Am sitzt ein quer zur Drehachse ausladender Arm, der am freien Ende mit Mitteln zum lösbaren und höhenverst, ellbaren Anbringen an einem Laborstativ versehen ist. Wie ersichtlich, lässt sich auf dem Fuss des Stativs ein Glaskolben aufstellen, der das zu behandelnde Flüssig- keitsgemisch enthält.
Die Halter mit den Zahnkränzen sind so dimensioniert, dass sie in die Flüssigkeit eingetaucht werden können unter entsprechender Absenkung der ganzen Vorrichtung einschliesslich des Motors und des Tragarmes. Letzterer wird dann an der Säule des Stativs in der gewählten Höhenlage festgestellt. Alsdann wird der Motor angelassen, wodurch die Zentralwelle die erforderliche Drehzahl gegenüber der stillstehenden Hohlwelle erhält und das Flüssigkeitsgemiseh bearbeitet wird. Diese Ausführungsform eignet sieh besonders zur Herstellung von Lösungen und kolloidalen Dispersionen mit sehr kleinen Gutsmengen im Laboratorium unter Anwendung der hier üblichen Gefässe wie Kolben, Becher, Gläser oder dergleichen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind analog dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 ausgebildete Teile fest in einem Behälter eingebaut, weleher fur den konti nuierlichen Betrieb ausgebildet ist. Der An triebsmotor ist wieder als Elektromotor aus- gebildet, befindet sieh jedoeh auf der Unterseite des Behälters in einem hohlen Behälter- fuss. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Hohlwelle fest mit dem Gehäuse des Behäl- ters verbunden ist, wogegen die Zentralwelle mit dem Rotor des Motors verbunden ist.
Die zu behandelnde Rohmischung wird oben durch ein Rohr AI der Vorriehtuw im zentralen Teil zugeführt, und zwar durch eine zentrale Einlassöffnung, so dass das Flüssigkeitsge- misch in den vom innersten Zahnkranz um- schlossenen zentralen Hohlranm gelant. Es erfolgt dann die Bearbeitung wie oben be schrieben, so dass das behandelte Gut aus dem äussersten Zahnkranz in den vom Gehäuse L umschlossenen Behälter ausgesehleudert wird.
Der Behälter ist mit einem Ablassstutzen versehen, wobei der Ausfluss dureh ein Regulier- organ in Form eines Hahnes bis zum volligen Abfluss regulierbar ist. Wird der Hahn völlig geschlossen, dann tritt keine Flüssigkeit aus dem Behälter aus. Infolgedessen sammelt sich das behandelte Gut im Innern des Be hälters an. Bei ansteigendem Niveau gelangt das behandelte Gut durch die zentralen Ein lassöffnungen K und K, in den zentralen Hohlraum, der vom innersten Zahnkranz umschlossen ist. Die betreffenden Teile des Gutes werden daher vom Schaufelrad G der Zentrifugalpumpe erneut erfasst und einer noch- maligen Behandlung unterzogen.
Es findet so ein Kreislauf statt, wobei unter Umständen die Zufuhr von Rohgemiseh dureh das Rohr DT durch Betätigung eines entsprechenden Hahnes zeitweise völlig unterbunden werden kann, so dass ausschliesslich nur noeh bereits behandeltes Gut. wiederholt nachbehandelt wird. Diese Nachbehandlung kann so lange erfolgen, bis der notwendige Bearbeitungs- grad erreicht wird. Zur Entlüftung des Be hälters ist ein Ventil N vorgesehen.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 sind Teile gemäss Fig. 4 auf dem Boden eines Rührwerkbehälters eingebaut, wobei durch besondere, nicht dargestellte, in das Behälter- innere führende Rohre von einer ausserhalb des Behälters liegenden Stelle, z. B. mittels einer Forderpumpe Luft bzw. ein Gas, ein flüssiges oder festes Chemikal, eventuell zusammen mit Kontalitstoffen oder Katalysatoren während der Bearbeitung des Gutes in kontinuierlichem Betrieb zugeführt werden kann. Die Zufuhr der genannten Stoffe kann auch durch Ansaugen mittels des Zentrifugalpumpenrades G (Fig. 1) erfolgen, wenn die genannten Zufuhrrohre in der Nahe des Pum- penrades endigen.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 6 und 7 ist analog wie im Ausführungs- beispiel nach Fig. 1 und 2 eine Zentralwelle D in einer Hohlwelle E drehbar gelagert.
Die Zentralwelle D ist wieder mittels einer aufgekeilten Nabe mit einem scheibenförmigen Halter A versehen, welcher mit vertikalen, Zahnkränze bildenden Ringen versehen ist und die Schaufeln G einer Zentrifugalpumpe trägt. Ebenso ist die Hohlwelle E mit einem flatter versehen. Dieser ist jedoch im Gegen- satz zum Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 als die auf dem Halter A angeordneten Ringe vollständig umschliessender Käfig ausgebildet, bestehend aus einem schal enformigen Oberteil C und einem sehalenformigen Unterteil Cl, sowie dem diese beiden Teile am Al1ssenrand verbindenden Ring B.
Ausser dem Aussenring E tragen die schalenförmigen Teile C und Cl auf den einander zugekehrten Seiten zwei konzentriseh zur Drehachse ange rdnete Zahnkränze, die zwisehen die am Halter. 1 nach oben und unten ausladenden Zahnkränze greifen, so dass also gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 sozusagen eine Verdoppelung der Zahnkränze esultiert.
Die Zähne sind analog der Ausführungs- lors nach Fig. 2, obere Hälfte, ohne periphere Versetzung zueinander angeordnet.
Dementsprechend sind die am Halter A sitzen- den Zähne in Fig. 7 mit H1, die andern dagegen mit H bezeiehnet in Ubereinstimmung mit Fig. 2. Die Zähne sind hier verhältnismässig in peripherer Riehtung gemessen breiter ausgebildet als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist eine analoge Bauart vorgesehen, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2, jedoch mit dem Untersehied, dass die Zähne ebenfalls in peripherer Richtung gemessen breiter ausgebildet und zudem noch durchbohrt sind, und zwar in radialer Richtung. Der Einfach- heit halber ist lediglich der mit der Hohlwelle E zusammenhängende Teil der Vorrichtung dargestellt.