Apparat zum Mischen und Zerkleinern einer in Partikel- oder Suspensionsform befindlichen Materialmasse
In der Zellulose- und Papierindustrie verwendet man zur defibrierenden und homogenisierenden Bearbeitung von Fasermaterial im allgemeinen Kollermühlen, Holländer, Jordanmühlen, Defibratoren usw., die alle ihre besonderen günstigen und ungünstigen Eigenschaften haben. Diese Maschinen haben während einer langen Entwicklungszeit im wesentlichen ihre ursprüngliche Form und Arbeitsweise beibehalten und wurden nur in bezug auf Einzelheiten verbessert.
Gemeinsam für die Arbeitsweise dieser typischen Papiermasseapparate ist, dass die Mahl- oder Defibrierwirkung dadurch erhalten wird, dass die Masseteilchen der Einwirkung zusammenwirkender Mahlorgane ausgesetzt werden, deren eingestellter Abstand voneinander für den Mahlgrad entscheidend ist. Im Zusammenhang mit dem Mahlen von Masse bzw.
Defibrierung von Fasergut ist es in hohem Grade wünchenswert, dass ein hoher Mahlgrad, das heisst eine weitgehende Aufteilung des Gutes in einzelne Fasern nicht mit einer nennenswerten Verkürzung der Faserlänge erkauft werden muss. In dieser Hinsicht sind jedoch alle die obengenannten Apparate nicht völlig zufriedenstellend, da besonders intensives Mahlen in der Regel eine bedeutende Verkürzung der Faserlänge mit sich bringt, soweit nicht ökonomisch untragbare, besonders milde, aber langwierige Behandlungsbedingungen eingehalten werden.
Die Erfindung betrifft nun einen Apparat zum Mischen und Zerkleinern einer in Partikel- oder Suspensionsform befindlichen Materialmasse, bei dem in einem mit Ein- und Auslass versehenen Gehäuse wenigstens zwei auf Drehung gekuppelte Bearbeitungswerkzeuge angeordnet sind, die aus mit Spiel ineinander eingreifenden Bandwendeln mit radial gerichteten, zur komprimierenden Behandlung des Materials zusammenwirkenden Wendelflächen bestehen.
Sie bezweckt, einen Apparat zu schaffen, der im Vergleich mit früher für ähnliche Zwecke verwandten Apparaten geringeren Raumbedarf aufweist und sich darüber hinaus durch schonende Behandlung des Materials auszeichnet, vor allem für die Zellulosedefibrierung.
Erfindungsgemäss ist jede Bandwendel zum mindesten abschnittweise mit einem axialen Durchgang für das Material ausgebildet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes mit Varianten dargestellt.
Die Fig. 1 und 2 sind Vertikal- bzw. Horizontalschnitte des Apparates, und die Fig. 3, 4 und 5 sind Schnitte in Richtung A-A, B-B bzw. C-C in Fig. 1.
Fig. 6 veranschaulicht im Horizontalschnitt eine besondere Ausführungsform der Bearbeitungsorgane sowie deren gegenseitigen Eingriff.
Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen besondere Ausführungsformen der Oberflächen der Bearbeitungsorgane.
Fig. 9 veranschaulicht die relative Bewegung der Bearbeitungsorgane während des Arbeitsvorganges.
Die Fig. 10 und 11 zeigen die Anordnung von Rillen auf den Bearbeitungsorganen.
Der in den Fig. 1 bis 5 gezeigte Apparat umfasst ein Gehäuse 1, in das das Material durch einen Einlass 2 eingeführt wird. Nach beendigter Bearbeitung wird das Material durch den Auslass 3 am entgegengesetzten Ende abgeführt. Zwei parallele Wellen 4 erstrecken sich in der Längsrichtung des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass. Die Wellen sind zur gemeinsamen Drehung in gegenseitig entgegengesetzter Richtung in an sich bekannter Weise gelagert und gekuppelt. Die Wellen 4 tragen Bearbeitungsorgane 5, die die Form von um je eine der Wellen verlaufenden und mit ihrer Breitendimension im wesentlichen radial gerichteten flachen Bändern haben, die sich in Wendelform um die Wellen erstrecken. Die eine der Bandwendeln hat Linksdrall und die andere Rechtsdrall.
Die Steigung der bei entgegengesetzter Drehung gegenseitig in ihre Hüllkörper hineinragenden Bandwendel ist im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 zum Auslass hin abnehmend, kann aber in andern Fällen natürlich gleichmässig oder in anderer Weise unterschiedlich sein, wenn dies im Hinblick auf das gewünschte Arbeitsresultat zweckmässig erscheint. Die Steigung der beiden Bandwendeln 5 ist ausserdem eine solche, dass ein gewisser Mindestabstand überall zwischen den gegenseitig in ihre Hüllkörper hineinragenden Partien der Bandwendeln vorliegt.
Die Wellen 4 tragen ausserdem innerhalb des Gehäuses eine Anzahl propellerartiger Flügel 6, mit deren Hilfe gegebenenfalls in dem Behandlungsgut vorhandene Fremdkörper in den Sammelraum 7 im untern Teil des Gehäuses gefördert werden, um aus dem Raum 7 mit Hilfe der Klappe 8 entfernt zu werden. Da die Flügel 6 als Propeller ausgeführt sind, wirken sie gleichzeitig bei der Zuführung des Behandlungsgutes auf die Bearbeitungsorgane hin mit.
Auf der dem Auslass zugewandten Seite ist jede Welle 4 auch mit einer fest mit der Welle verbundenen Schraube 9 versehen, die an der Bewegung der Bearbeitungsorgane teilnimmt. Die beiden Schrauben 9 auf den Wellen 4 sind gleichfalls in gegenseitigem Eingriff in der gleichen Weise wie die Bandwellen.
Mit Hilfe der Schrauben 9 wird das behandelte Material durch den Auslass 3 aus der Vorrichtung entfernt.
Schliesslich tragen die Wellen 4 am Auslassende Messer 10, die zum Zerschneiden fester Bestandteile in dem bearbeiteten Gut dienen.
Die Flügel 6, Schrauben 9 und Messer 10 bilden keine notwendigen Bestandteile des Apparates und kommen nur bei solchen Ausführungsformen vor, bei denen im Hinblick auf das gewünschte Bearbeitungsresultat eine Abscheidewirkung, eine einseitig gerichtete Transportwirkung und/oder schneidende Mahlwirkung erwünscht ist. Dagegen bilden die Bandwendeln 5 die für den Erfindungsgegenstand kennzeichnenden und unumgänglich nötigen Bearbeitungsorgane. Gemäss Fig. 1-5 liegen die Aussenkanten der Bandwendeln nahe, aber nicht unmittelbar an den Gehäusewänden. Die Innenkanten der Bandwendeln sind nicht in Berührung mit der zugehörigen Welle 4, sondern verlaufen im Abstand um die Welle, wodurch im Innern jeder Bandwendel um die Welle ein im wesentlichen freier, durchgehender Raum gebildet wird.
Die Bandwendel sind mit den Wellen 4 fest verbunden, aber die in der Zeichnung nicht gezeigten Befestigungs- oder Lagerorgane bedeuten keine wesentliche Einschränkung des durchgehenden freien Raumes innerhalb der Innenkanten der Wendeln um die betreffenden Wellen herum.
Der beschriebene Apparat arbeitet in folgender Weise: Das durch den Einlass 2 zugeführte Gut wird durch die Flügel 6 zur Entfernung von Fremdkörpern vorbehandelt und mit Hilfe der gleichen Flügel 6 auf die Bandwendeln 5 zu vorgeschoben. Am Einlassende wirkt jede der Bandwendeln wie ein Schneckenförderer. In der beschriebenen Ausführungsform, bei der eine rechtsgängige und eine linksgängige Wendel gegeneinander rotieren, wird das Behandlungsgut zwischen den beiden Bandwendeln in deren Eingriffsbereich aufgefangen. Ein Austreten nach aussen wird durch das die Wendeln umschliessende Gehäuse verhindert. Der Füllgrad wird also erhöht. Dies wird bei jeder Umdrehung wiederholt, wobei die Bandwendeln gleichzeitig das Mahlgut gegen den Auslass führen.
Die verminderte Steigung der Wendeln drängt hierbei das Gut mehr und mehr zusammen, und es entsteht daher eine Verdichtung, die zunächst den Füllgrad erhöht und zum Schluss den Raum zwischen den Gängen in beiden Wendeln ganz mit Mahlgut füllt.
Beim Eingriff der Bandwendeln 5 ineinander wird eine dem gemeinsamen Eingriffsvolumen der Wendein entsprechende Gutmenge gegen die Achse jeder Wendel verdrängt, wodurch der Füllgrad und ebenso der Druck und die dadurch bedingte Reibung zwischen den rotierenden Oberflächen und dem Mahlgut vergrössert wird.
Durch geeignete Ausgestaltung der Bandwendeln erhält man den bestmöglichen Wirkungsgrad für verschiedene Stoffe und im Hinblick auf verschiedene Bearbeitungszwecke. Wichtige Faktoren in dieser Hinsicht sind die Breite, Dicke, Steigung, das Profil und der kleinste gegenseitige Abstand der Bandwendeln, das Verhältnis zwischen der von den Wendeln bestrichenen Zone und der Rückströmzone innerhalb jeder Wendel usw. Statt dieser konstruktiven Modifikationen kann man sich zur Änderung des Arbeitsergebnisses auch der Regelung von Betriebsfaktoren bedienen, wobei man beispielsweise die Drehgeschwindigkeit der Wellen 4 ändern oder durch Verengung des Auslasses mit Hilfe von hier nicht gezeigten Vorrichtungen eine Aufstauung und Komprimierung des Gutes im Apparat erzielen kann.
Als Beispiel für Modifikationen in der Konstruktion der Bandwendeln zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung mit zwei mit gleichartiger Gewinderichtung ausgebildeten Bandwendeln, die in diesem Fall natürlich auf in der gleichen Richtung rotierenden Wellen angebracht sind. Jede der Bandwendeln weist vom Einlassende (in der Figur links) zum Auslassende abnehmende Steigung auf, dagegen in der gleichen Richtung zunehmende radiale Bandbreite. Da der Aussendurchmesser der Bandwendeln gleichmässig ist, bedeutet die erhöhte Bandbreite eine Verengung der freien innern Durchflussflächen, wodurch ohne weitere Massnahmen ein fortschreitender Materialkreislauf erzielt wird, und zwar durch die gegen den Auslass immer mehr zunehmende Kompression und die Verengung des innern Hohlraumes um die Welle.
Die Bewegungsrichtung des Materials wird durch die Pfeile in Fig. 6 angedeutet.
Die Bandwendeln sind in der Ausführungsform gemäss Fig. 6 auch modifiziert bezüglich ihrer Querschnittsform, die sich von rechteckiger Form am Einlass in gleichmässigem Übergang gegen den Auslass hin in nach aussen zugespitzte Trapez- oder Keilform ändert.
Bei der Verwendung einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 und 2 bzw. Fig. 6 als Mühle für Papiermasse ist der kleinste Abstand zwischen den Bandwendeln im Eingriffsbereich mit der kleinsten Steigung bedeutend grösser als die durchschnittliche Teilchengrösse in dem Material, abgesehen von möglicherweise vorhandenen Ästen und dergleichen, die ausnahmsweise grösseren Durchmesser haben können und die infolgedessen einer schneidenden Einwirkung zwischen zusammenwirkenden Bandwendelflächen unterworfen sein können.
Bezüglich der Hauptmasse des Fasermaterials, die bei der Einführung in den Apparat aus Spanteilchen oder Faserbündeln sowie einer Menge bereits vereinzelter Fasern besteht, liegt die Bearbeitungswirkung durch die Bandwendeln nicht in erster Linie in der direkten Reibungswirkung, sondern hauptsächlich in einer indirekten, hydraulischen pulsierenden Wirkung, die in der Eingriffszone zwischen den Bandwendeln auftritt und die durch eine Mischung von mechanischem Verdichtungsdruck und hydraulischem Druck auf im Material eingeschlossene oder kapillär festgehaltene Flüssigkeit zu einer wirkungsvollen Defibrierung der Teilchen führt.
Der Apparat zeigt sich hierbei insofern allen für den gleichen Zweck vorbekannten Apparaten weit überlegen, als die eigentliche Defibrierung auf einen gewissen Schlusswert nur einen Bruchteil des bisher erforderlichen Kraftverbrauchs bedingt, wobei sich das Endprodukt durch eine bisher unerreichbare durchschnittliche Faserlänge auszeichnet. Die Uberlegen- heit des Apparates in bezug auf die Faserlänge kann dadurch erklärt werden, dass eine schneidende oder brechende Mahlwirkung zwischen zusammenwirkenden Mahlorganen nicht vorkommt und folglich auch kein Zerreissen oder Brechen der Fasern in der Längsrichtung. Es ist mit andern Worten möglich, das Mahlen nach Bedarf beliebig weit zu treiben, ohne Gefahr, gleichzeitig mit maximaler Defibrierung eine bedeutende Herabsetzung der Faserlänge in Kauf nehmen zu müssen.
Bezüglich der Arbeitsbedingungen bei einem Mahlvorgang mit Hilfe des beschriebenen Apparates kann hervorgehoben werden, dass man satzweise oder kontinuierlich arbeiten kann. Es ist z. B. möglich, durch kräftige Verengung des Auslasses einen solchen Grad von innerem Kreislauf und gleichzeitig eine derartige automatische Begrenzung der Neuzufuhr von Gut zwischen die Bandwendeln zu erzielen, dass das Verfahren kontinuierlich bezüglich einer Durchlaufmenge durchgeführt wird, die der aus dem verengten Auslass abgehenden Menge entspricht. Es ist natürlich auch möglich, insoweit satzweise zu arbeiten, als die vom Auslass abgehende Materialmenge unmittelbar wieder dem Einlass zugeführt wird und der Mahlprozess so lange mit der gleichen umlaufenden Gutmenge durchgeführt wird, bis das gewünschte Mahlergebnis erreicht ist.
Es ist schliesslich auch möglich, einen Gutkreislauf vom Auslass zum Einlass mit teilweiser Abfuhr von Fertigprodukten und Zufuhr einer entsprechenden Menge Rohware zu kombinieren.
Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt wird, kann zur Erhöhung der Reibung sowie in solchen Fällen, wo das Material nicht durch eine energische Bearbeitung beschädigt wird, die Bandoberfläche auf den Bandwendeln mit Profilen versehen sein, beispielsweise in Wellenform (Fig. 7) oder sägezahnartig (Fig. 8) oder in anderer Form. Die Profilrillen in den Bändern können sich entweder konzentrisch um die Bandflächen herum oder radial quer über die Bandflächen erstrecken, wie dies in Fig. 10 und 11 angedeutet ist. Die Rillen können sich natürlich auch in andern Richtungen erstrecken und unregelmässigen Verlauf haben. Verschiedene Kombinationen von verschiedenen Profilformen und Verlaufsrichtungen sind denkbar. Natürlich können derartige Profile auf den Bandflächen mit den im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebenen Ausbildungen der Bandwendeln kombiniert werden.
Es kann in gewissen Fällen auch ausreichen, die Bandoberflächen mit grösseren oder kleineren Vertiefungen oder Erhöhungen zu versehen oder schleifendes Material, wie Diamant, Karborundum oder dergleichen, auf den Oberflächen anzubringen.
Je nach dem Verwendungszweck können die Bandwendeln aus verschiedenem Material bestehen, z. B. rostfreiem Stahl, Bronze oder anderem säureoder alkalibeständigem Material.
In Fig. 9 wird die Wirkungsweise der Bandwendeln in dem Eingriffs gebiet während des Arbeitsverlaufes veranschaulicht. Der Schnitt A-A zeigt, wie sich die Bandoberflächen einander zum gegenseitigen Eingriff nähern. Der Schnitt B-B zeigt die Stelle der Bandwendeln, wo der gegenseitige Eingriff momentan maximal ist. An der Stelle des Schnittes C-C hat der Eingriff der betreffenden Bandpartien wieder aufgehört. Die pulsierende Wirkungsweise tritt in dem Bandeingriffsgebiet auf, dessen Erstreckung deutlich aus den Fig. 10 und 11 hervorgeht, wobei der stärkste Druckimpuls natürlich im Bereich des Schnittes B-B auftritt. Material, das zwischen den Bandwendeln in deren Drehungsrichtung mitgenommen wird, wird beim Durchgang durch die Eingriffszone in dieser einem augenblicklich kräftig steigenden und fallenden Druckimpuls unterworfen.
Wenn der Apparat nur als Mischer dienen soll, braucht die Steigung der Bandwendeln nicht zum Auslass hin abzunehmen und, wenn keine Aufstauung durch Verengung des Auslasses vorgenommen wird, erfolgt keinerlei allgemeine Verdichtung des Materials, abgesehen von der pulsierenden Drucksteigerung im Eingriffsbereich der Bandwendeln. Diese sich im Material fortpflanzenden Druckstösse verusachen je doch bereits eine gründliche Durchmischung des Materials, wobei die Behandlungsdauer und damit der schliessliche Mischungsgrad durch geeignete Einstellung der Faktoren geregelt wird, die für den Verbleib des Materials in der Vorrichtung massgebend sind, das heisst der Verengungsgrad des Auslaufes und die Grösse des freien Raumes innerhalb der Wendeln im Verhältnis zu dem Arbeitsraum in den durch die Bandwendeln gebildeten Hüllkörper.
Wenn der Apparat eine zerkleinernde oder verdichtende Arbeit ausführen soll, haben die Wendeln dagegen zweckmässigerweise variable Steigung (zuoder abnehmend oder eine Kombination von Abschnitten mit zunehmender und abnehmender oder gleichbleibender Steigung). Bei einer Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 bzw. 6 mit zum Auslass abnehmender Steigung tritt infolge des grossen Abstandes zwischen den Wendelwindungen in der Nähe des Einlasses zunächst eine kräftige Transportwirkung auf den Auslass hin auf. Mit abnehmendem Abstand zwischen den Wirkungen erfolgt eine immer kräftigere Verdichtung des Gutes. Im Eingriffsbereich der Bandwendeln wird eine vom Querschnitt der Bänder und den Abständen zwischen den Bändern im Eingriffsbereich abhängige Menge des Gutes in den Hohlraum im Innern jeder Wendel verdrängt.
Hierdurch wird der Druck in dem Gut im Vergleich mit dem am Einlassende herrschenden vergrössert und die in den Bandwendeln aufgenommene Nachschubmenge auf die Menge begrenzt, die tatsächlich durch den Auslass abgeht.
Auf den Auslass hin wird das Gut zu einer mehr oder weniger homogenen Masse zusammengedrückt, die unter verhältnismässg hohem Druck aus dem Apparat abgeht.
Bei Verwendung der Bandquerschnittform gemäss Fig. 6 erhält man in der Nähe des Auslasses eine Art Keilwirkung zwischen den zusammenwirkenden Bandzonen, wodurch eine weitere Erhöhung des Mahldruckes bzw. der Reibungsarbeit erzielt wird.
Beim Mahlen von feuchtem faserigem Material erhält man dabei eine Arbeitswirkung von oben näher beschriebener Art, die eine gewisse Ähnlichkeit mit der Arbeitsweise einer Kollermühle aufweist, wo man gleichfalls eine hydraulische Wirkung erzielt, durch die kapillar eingeschlossenes Wasser unter Sprengung der Kapillaren ausgepresst wird. Wie schon früher hervorgehoben, ist jedoch der Wirkungsgrad des Apparates bedeutend grösser als der einer Kollermühle. Der Hauptgrund hierfür dürfte in der leichteren Beweglichkeit des Gutes zu suchen sein, in der bei der schnellen Drehung der Bandwendeln und der dadurch erzeugten Transport-, Verdichtungs- und Rückflusswirkung jede Teilmenge des Materials mit gegenüber der Kollermühle vervielfachter Frequenz der Bearbeitung durch die ineinander eingreifenden Bandwendelzonen unterworfen wird.
Die Kollermühle gibt dagegen nicht einmal Sicherheit dafür, dass in ihrer Mittelzone eingebrachtes Gut überhaupt irgendeinmal in Bearbeitungslage zwischen zwei Steinen gelangt.
Es ist auch möglich, die Eingriffsverhältnisse der Bandwendeln gemäss Fig. 6 dadurch einstellbar zu machen, dass die beiden Wellen gegen- oder voneinander verschiebbar sind, wie durch die Pfeile in der Figur rechts angedeutet.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1-5 rotieren die Wellen 4 der Bandwendeln 5 in einander entgegengesetzten Richtungen, wobei sich die ineinander eingreifenden Bandzonen im Eingriffsbereich im wesentlichen in der gleichen Richtung bewegen. Die dabei erzielte Bearbeitungswirkung ist überwiegend gleitend und im wesentlichen gleichförmig bezüglich der ganzen Gutmenge, die sich auf einmal zwischen den in gegenseitigem Eingriff befindlichen Bandzonen befindet. Die Behandlung ist hierbei besonders schonend. Drehen sich dagegen gemäss Fig. 6 die Wellen in der gleichen Richtung, bewegen sich die ineinander eingreifenden Bandzonen in entgegengesetzten Richtungen im Verhältnis zu den dazwischen eingeschlossenen Gutmengen, und die Einwirkung auf das Gut ist überwiegend rollend oder knetend, wobei eine kräftigere Zerkleinerung oder Zerquetschung des Gutes erfolgt.
Die Wellen brauchen nicht miteinander parallel zu sein, und die Hüllkörper der Bandwendeln brauchen auch nicht zylindrisch zu sein, sondern können die Form von Kegeln bzw. Kegelstümpfen haben.
Der Apparat ist nicht nur zur Behandlung von feuchtem Fasergut verwendbar, sondern auch zur Behandlung verschiedener anderer Stoffe in feuchtem oder trockenem Zustand, vor allem zum Mischen, Zerkleinern, Zerquetschen und Transport des Materials.
Der Apparat eignet sich nicht nur zur mechanischen Bearbeitung von Gut, sondern auch zur Durchführung von Prozessen, bei denen chemische Reaktionen vorkommen. Wenn es sich um chemische Reaktionen handelt, kann man die Komponenten gleichzeitig oder nacheinander in den Apparat einführen, um sie zu mischen und bei Bedarf zu zerkleinern, während gleichzeitig die chemische Reaktion vor sich geht oder ähnliche Behandlungen, wie Färben oder Bleichen vorgenommen werden. Man erhält auf diese Weise fertiggemischte Reaktionsprodukte, die aus der Vorrichtung unmittelbar in Behälter oder Verpackungen abgefüllt werden können.