Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Medien Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Medien durch Schwingungen mit Schall- bzw. Ultraschall frequenz.
Unter Medien im Sinne der Erfindung sind nicht nur feste, flüssige und gasförmige Stoffe zu verstehen, sondern auch deren echten Lösungen, Suspensionen und kolloidalen Systeme, wobei die disperse Phase im Lösungsmittel jeden beliebigen Aggregatzustand einnehmen kann.
Das Verfahren gemäss der Erfindung bezweckt also eine kontinuierliche kinematische Hochfrequenz behandlung und Aufbereitung verschiedenartiger Medien beliebiger Zusammensetzungen und Aggre gatzustände, 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. Fasersus pensionen aus zellul'osehaltigen oder anderen - auch synthetischen - Faserstoffen für die Papiererzeugung, einschliesslich der Abfälle aus denselben, wie z. B.
Astknoten, Rückstände und Altpapier, die Herstel lung von Textilien, Spinnlösungen für Kunstseiden - z. B. durch Verkupferung , Xanthogenierung, Vis- kosierung , Homogenisierung - Kunstleder usw., De- fibrierung, Fibrill'ierung, Quellung und/oder Hydrati- sierung der Fasern, gegebenenfalls deren Imprägnie rung mit Chemikalien), nötigenfalls Aufschliessung von Medien bis in den nukronen,
submikronen und'/ oder molekularen Bereich, mit einer damit verbun denen ausserordentlichen Vergrösserung der Kontakt oberfläche der erzielten Lösungen, Suspensionen, Emulsionen, Gemische usw., der Erzeugung physi kalischer Affinität und gegebenenfalls der Herbei- führung chemischer Reaktionsbereitschaft der einzel nen Teilchen oder der erzielten molekularen Abbau produkte und/oder der Erhöhung des Reaktionsver mögens auch durch Darbietung wechselnder Ober flächenbereiche zwecks Einleitung oder Beschleuni gung der Reaktionskinetik durch Erzeugung und Zu fuhr bzw. Einwirkung von 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 Ein sparung von Zeit- und Energieaufwand, ausserordent licher Herabsetzung der Behandlungsdauer des Gutes, gegebenenfalls Verringerung der notwendigen appa- rativen Mittel, und weiterer Vorteile, die aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen.
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren durchführbare Behandlung von Medien, beispiels weise zwecks Lösung, Mischung, Zerstäubung, Zer- faserung, Aufschliessung verschiedenster Art, Verfei nerung und Homogenisierung kann insbesondere auch eine Imprägnierung der Partikel, z. B.
Zell stoffasern, mit Wasser, Bindemitteln, Füllstoffen, chemischen Lösungen und/oder Reagenzien, mit in fliessenden Medien gelösten oder suspendierten Stof fen oder Gasen einschliessen, welche durch Einwir kung der Kavitation, Druckstösse, Schall- und gegebe nenfalls Ultraschallenergie in hohem Grade beschleu nigt wird und parallel zu der damit eintretenden Im prägnierung der Teilchen oder Fasern in deren Struk tur eine physikalische Veränderung, z. B. eine Quel- lung (Hydratisierung), interpartikulare Bindung, Festigung, Kaustizierung, Lockerung und/oder Auf lösung oder eine chemische Reaktion, z. B.
Oxyda tion, Reduktion, Bleichung usw., bewirken oder solche Wirkungen nach sich ziehen und in bisher unbekann ter Weise beschleunigen kann.
Die heute üblichen Verfahrensmethoden der Be arbeitung von Medien zur chemischen und/oder physikalischen stofflichen Änderung durch Zerklei nern, Verfeinern und Inkontaktbringen der Stoffteil chen oder, Gemischkomponenten in Rührwerkskes- sel'n, mit oder ohne Druck und Temperaturzufuhr, unter Umständen auch Vakuum oder Kühlung, in Autoklaven, in Rieseltürmen und Kolonnen, in rotie renden Kesseln und Gegenstromapparaten, ermög lichen alle insgesamt nur langsame und kostspielige sowie arbeitsaufwendige Stoffbehandlungen.
Ein we sentlicher Fortschritt wurde schon experimentell darin gefunden, dass Medien hochfrequenten Druckstössen -und den sich daraus fortpflanzenden Schallenergie wellen unterworfen wurden. Diese sogenannte schall technische Bearbeitung von Stoffgemischen, z. B. Zellstoffen, wird mit piezoelektrischen Quarzschwin gern durchgeführt. Sie ermöglicht die intensive phys- kalische Veränderung des Zellstoffes, ist jedoch in folge der geringen Intensität ihrer Mittel über den experimentellen Rahmen nicht hinausgekommen, wenn man von geringfügigen Ansätzen kleiner Pro duktionsversuche absieht.
Eine Weiterentwicklung so wohl in der physikalischen als gegebenenfalls auch chemischen Stoffbearbeitung stellen die mit Vorrich tungen gemäss den Schweiz. Patentschriften Nummern 311794 und 336249 ermöglichten physikalischen und chemischen Bearbeitungen von Medien dar, die durch die Wirkung hochfrequenter Prall-, Schall- und Ultra schalleffekte gekennzeichnet sind. In den damit er möglichten Verfahren werden physikalische und che mische 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 physikali schen und chemischen Stoffbehandlung, insbesondere soweit sie die Erfassung und einheitliche Bearbeitung aller Stoffpartikel betrifft. Dabei geht auch ein grosser Anteil mechanischer und insbesondere von Schall energie verloren.
Es gibt zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zum Dispergieren, Homogenisieren, Mahlen, Zer fasern und/oder auch zur Durchführung von chemi schen Reaktionen; diese Vorrichtungen weisen erheb liche Nachteile auf, von denen die wichtigsten die nachstehenden sind: Unvollkommene Dispergierung und daher hetero gene Produkte, hoher Energie-, Arbeits- und/oder Zeitaufwand, um hochdisperse Produkte zu erzielen, Verschleiss- und Störungsanfälligkeit, Schädigung der Stoffstruktur (z. B.
Zellstoffasern), wenn Arbeits organe zwecks Erreichung hoher Dispersitätsgrade und Homogenität eng bzw. unter gegenseitiger Be rührung zusammenarbeiten. Die Ursachen der er wähnten und anderer Nachteile sind z. B. ein gerin- ger Wirkungsgrad der zusammenarbeitenden, disper- gierenden Organe, die teils runden, teils eckigen Querschnitt aufweisen, aber durch ihre Anordnung zueinander und/oder ihre Entfernung voneinander nur eine ungeregelte und unkontrollierbare Zerschla gung und auf Zufall beruhende Zerprallung des Me diums zur Folge haben.
Derartige Zerkleinerungsvor richtungen sind unter den Bezeichnungen Desinte- gratoren oder Schleudermühlen bekannt. Sie die nen in erster Linie der Aufschliessung fester, stückiger Produkte und erreichen teilweise Feinheitsgrade bis in den Bereich von mehreren Mikron. Derartige Fein heitsgrade werden jedoch nur durch nachfolgende Trennung der verbliebenen, gröberen Bestandteile von den genügend weit aufgeschlossenen Partikeln durch Sieben usw. erreicht.
Eine andere Gruppe der erwähnten Vorrichtun gen ist mit eng, mitunter reibend zusammenarbeiten den Scher- und Prallorganen versehen. In denselben wird das Gut einer zwar sehr intensiven, aber auch im einzelnen unkontrollierbaren Bearbeitung unter worfen und meist unter hohem Energieaufwand auf geschlossen. Derartige und ähnliche Vorrichtungen sind teilweise auch für fliessende Medien, insbeson dere Emulsionen, im allgemeinen aber nur für be schränkte Anwendungsgebiete verwendbar.
Eine weitere Gruppe der erwähnten Vorrichtun gen bedient sich als zusammenarbeitender Zerkleine rungsorgane ineinandergreifender, mit konzentrischen Rillen und Erhebungen versehener, gegenläufiger Scheiben. Die zwischen denselben vor sich gehende Reibbearbeitung des Mediums ist durch ein gewisse Intensität gekennzeichnet, aber das Anwendungs gebiet solcher Vorrichtungen ist begrenzt und bleibt auf fliessende Emulsionen und Gemische mit feiner Struktur beschränkt. Ähnliche und weitere Vorrich tungen haben bei enger Stellung der Organe zuein ander auch den Nachteil der meist unzulässigen über hitzung des Mediums und der Schädigung desselben.
Alle erwähnten Vorrichtungen, soweit sie auf Sche- rung, Prallung und Turbulenz innerhalb von Behäl tern 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 zufrie denstellend.
Man hat deshalb versucht, diese Nachteile wenig stens teilweise zu beheben durch Verengung des Arbeitsspaltes zwischen den zusammenarbeitenden Organen, wie z. B. gegenläufig rotierenden Zahn scheiben, 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 aus treten können. Diese Vorrichtungen sind durch ge ringe Produktion, hohen Energieaufwand und schnel len Verschleiss gekennzeichnet.
Seit Bekanntwerden der hochintensiven Wirkung von Schall- und Ultraschallwellen und von Druck stössen 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. Wäh rend einige Ultraschallpfeifen sich in dem beschränk ten Bereich der Erzeugung fliessfähiger Emulsionen bewährten, blieben den mit piezoelektrischen Schwin gern ausgerüsteten Vorrichtungen infolge ihres un zulänglichen Wirkungsgrades Erfolge im Gebiet der industriellen Produktion versagt.
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 1 Liter, begrenzt ist. Dabei beträgt der Trockenstoffgehalt der bei den Versuchen verwendeten Zellstoffsuspensionen nur 1-10 gil. Derartige Verfahren und die dazu verwen deten Schwingungserzeuger sind für solche Zwecke im industriellen Massstab unbrauchbar.
Man hat des halb auch versucht, hochfrequente Impulse und Schwingungen in Rotationsvorrichtungen, wie Schleu dermühlen, innerhalb des bearbeiteten Gutes zu er zeugen.
In einer bekannten Kolloidmühle wird die Mahl- oder Dispersionswirkung durch eine hohe Zahl von Vibrationen oder Schwingungen bis Ultraschallschwin gungen hervorgerufen. Zu diesem Zweck ist ein an seinem Mantel gezahnter Rotor (Zahnrad genannt) von einem stillstehenden Gehäuse eingeschlossen, des sen die Zahnring des Rotors umschliessende periphere Wandung ebenfalls mit Zähnen bzw. Rippen versehen ist. Bei genügend schneller Drehung des gezahnten Rotors entstehen zwischen dem gezahnten Rotor mantel und der gezahnten peripheren Wandung des Gehäuses rhythmische Schwingungen.
Bei einer verbesserten Ausführung der vorerwähn ten Kolloidmühle werden in den Hohlräumen zwi schen Rotormantel und peripherer Gehäusewandung zusätzliche Schwingungen durch piezoelektrischen Quarz erzeugt. Eine ähnliche Vorrichtung weist einen an seinem Mantel gezahnten Läufer und ein an sei ner peripheren Innenwandung gezahntes Gehäuse auf. Obschon die vorerwähnten Vorrichtungen (Kol- loidmühlen) mit mechanischen Schwingungserzeugern eine neuartige Erzeugung und Anwendung von Schwingungen in Hohlräumen und innerhalb des in den Hohlräumen befindlichen Gutes darstellten, haben dieselben sich nicht auf breiter Basis einführen können.
Ihre Wirkung übertraf nicht die mit intensiv wirkenden Schleudermühlen erzielten Ergebnisse.
Es ist auch eine Schleudermühle bekannt, welche durch hochfrequente hydraulische Stösse, die mittels Schikanen zweier gegenläufiger Rotoren erzeugt wer den, Zellstoffpastillen (Stippen) defibrieren soll. Der Defibrierungsvorgang wird mit ultraschallähnlichen Effekten begründet.
Die Vorrichtung erzeugt zwar hochfrequente, gegebenenfalls im Ultraschallfrequenz- bereich liegende Druckgefälle, die sich aber innerhalb des in einem Durchlaufgehäuse lediglich mit starker Turbulenz und hoher Geschwindigkeit durchströmen den Mediums ungeregelt und unkontrollierbar ab spielen und deshalb ohne genügende, von wirksamer Ultrabeschallung zu erwartender Intensität verlaufen. Deshalb haben sich auch derartige Vorrichtungen in folge unbefriedigender spezifischer Leistung nicht bewährt und nicht einführen können.
Ein weiterer bekannter Apparat dient der Zer kleinerung von festen Stoffen unter Verwendung von Schwingungen und Stosswellen in einer gasförmigen, kontinuierlichen Phase. Er besteht aus einem stern förmigen Rotor, welcher in einem zylindrischen Ge häuse mit hoher Geschwindigkeit rotiert. An jedem Sternarm ist ein sich radial bis an die periphere Gehäusewandung erstreckendes schwingungsfähiges, elastisches Blech befestigt. Das periphere, frei schwin gende Ende des elastischen Bleches .schleudert die ihm durch den Gasstrom zugeführten festen Partikel mit seiner peripheren Kante gegen die periphere In nenwandung des Gehäuses, welche gerippt ist.
Die Rippen an der Gehäusewandung versetzen die peri pheren Enden der elastischen Bleche durch Vermitt lung der an der gezahnten Gehäusewandung entlang springenden festen Partikel in hochfrequente Schwin gungen. Die Frequenz und die Amplitude dieser Schwingungen sind jedoch vom Zufall abhängig, weil sie durch die unregelmässige, unberechen- und unkon trollierbare, sprunghafte Prallung der festen Partikel gegen die Kanten der Riffelung an der Gehäusewan dung und von denselben zurück gegen das periphere Ende der schwingungselastischen Bleche erzeugt werden.
Auch die zuletzt erwähnten Vorrichtungen, welche nur für den beschränkten Zweck der Zerklei nerung fester Partikel in einem Gasstrom bestimmt sind, können infolge ihrer ungeregelten und unkon trollierbaren Schockwirkung nicht zur wirklichen und kontrollierbaren Beschallung und Herbeiführung vor berechenbarer Wirkungs- und Feinheitsgrade des End produktes dienen.
Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt diese Nachteile und ermöglicht einen ausserordentlich hohen Fortschritt in der Verfahrenstechnik, da gegen über dem Stand der Technik, insbesondere durch Reduzierung des Zeitaufwandes auf einen kleinen Bruchteil, eine wesentlich günstigere Stoffausbeute, höhere Qualität der Produkte und infolge geringeren Energieverbrauches pro 100 kg Fertigprodukt eine wirtschaftlichere Produktion erreicht wird.
Im einzelnen kennzeichnet sich das neue Ver fahren dadurch, dass das zu behandelnde Medium einer Behandlungsvorrichtung zugeführt und durch zwangläufig gesteuerte kinematische Vorgänge in eine Vielzahl kleiner Stoffquanten zerlegt wird, die stossweise durch sich periodisch öffnende und schlie ssende Hohlräume geführt werden, wobei das Medium während dieser Bewegung von durch die genannten periodischen Vorgänge erzeugten, schalt- bzw. ultra- schallfrequenten Druckstössen beaufschlagt wird, der gestalt,
dass die Vorschubgeschwindigkeit des Me diums um ein Vielfaches kleiner ist als die Fortpflan zungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Medium.
Zum Dispergieren, Homogenisieren, Aufschlie ssen und Defibrieren von Stoffen sind Vorrichtungen bekannt, in denen die Stoffe mittels aneinander vor beifliegender starrer Zerkleinerungsorgane einer mechanischen Bearbeitung durch Scherung, Prallung, Reflexion und dergleichen unterworfen werden, wo bei die zu behandelnden Stoffe auf dem kürzest mög lichen bzw. dem den geringsten Widerstand bietenden Weg von innen nach aussen gelangen.
Zur Durchführung chemischer Stoffänderungen benutzt man offene oder geschlossene Behälter, Rohre, Türme, Kolonnen usw., in denen die Behand lung des Stoffes durch Rühren, Umwälzen, im Gegen stromverfahren usw., unter Atmosphärendruck, über druck, Vakuum, Erwärmung und/oder anderer Ener giezufuhr erfolgt.
Im Gegensatz zu dieser bekannten Vorrichtung ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung gekenn zeichnet durch mindestens zwei eine Bearbeitungs stufe bildende, relativ zueinander drehbare koaxiale Halter, deren jeder eine Vielzahl von kranzförmig angeordneten Zerkleinerungsorganen trägt, wobei sich die Zerkleinerungsorgane der beiden Halter über einen Verteiler- und Zerkleinerungsspalt gegenüber stehen und je zwei tangential benachbarte Zerkleine rungsorgane eines Halters einen der genannten Hohl räume bestimmen und die Organe mindestens eines der Halter als in tangentialer Richtung schwingungs- fähige Platten oder Stege ausgebildet sind,
dass ferner die Halter in einem Druckgehäuse mit wenigstens einem ihm vorgeschalteten Einlass und einer Hohl kammer eingebaut sind, der periphere Teil des Druckgehäuses einen der Bearbeitungsstufe bzw. den Bearbeitungsstufen in Strömungsrichtung nachgeschal teten Hohlraum bildet und dem letzteren eine Gegen- druckeinstellvorrichtung zur Steuerung der Vorschub geschwindigkeit des Mediums und ein Auslass für das selbe nachgeordnet ist.
Durch die erfindungsgemässe Kombination der vorbeschriebenen und gegebenenfalls weiterer, nach folgend beschriebener Merkmale lassen sich neuartige physikalische Effekte erzielen, die von chemischen Effekten begleitet sein können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das kontinuierlich in das Druckgehäuse eingeführte Me dium zunächst in dem inneren Ring hochbeschleunigt und nach Passieren desselben in den als Verteilerspalt wirkenden Arbeitsspalt gepresst und in demselben durch Gegendruck gestaut. Die Arbeitsintensität im Verteilerspalt kann durch Veränderung der relativen Umlaufgeschwindigkeit der Ringe zueinander oder z.
B. durch Erhöhung der Zahl pro Masseinheit der Organe eines oder beider zusammenarbeitender Ringe bzw. durch Vergrösserung des Spaltumfanges bis zur Erzeugung von Kavitation im Verteilerspalt bzw. im in demselben befindlichen Medium, in dessen sich bildenden, relativ zueinander sich bewegenden Schich ten und/oder Partikeln erhöht werden. Die besagte Kavitationswirkung führt z.
B. bei der Defibrierung und Raffinierung von Zellstoffen für die Papierfabri kation zur Zerlegung von Faserbündeln und bei zweckentsprechender Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung zu Fasern, welche unzerschert in ihrer ganzen morphologischen Struktur und Länge (ein schliesslich der Endspitzen) erhalten bleiben und zu Fibrillen und Mikrofibrillen, die von den Fasern ab gezweigt werden, ohne Verletzungen oder Zerreissun gen aufzuweisen, wie dieses z. B. bei den durch mechanische Scherung des Faserstoffes wirkenden konischen oder Scheibenraffineuren der Fall ist.
Wäh rend der Aufschliessung im Verteiler- und Kavita- tionsspalt durch Zerprallung, Zerreibung und gegebe nenfalls Kavitierung wird das Medium gegen die Ein lassöffnungen der Kammern des äusseren Ringes der Arbeitsstufe gepresst. Während es unter hoher Ge schwindigkeit und Zentrifugaldruck an den Einlässen in die Kammern des äusseren Ringes bzw. an deren Organkanten vorbeifliegt, werden von dem im Ver teiler- und Kavitationsspalt bearbeiteten Stoff winzige Teilchen in die bereits mit Medium gefüllten Kam mern mit hoher Frequenz hineingeschlagen.
Bei jedem solchen Einschlag in eine Schallkammer ent steht ein Impuls -entsprechend der energetischen Lei stung des Einschlages -, welcher sich als Druckwelle durch das in der Kammer befindliche Medium fort pflanzt. Da das Medium in den Kammern unter Gegendruck steht, können bei einem inkompressiblen Medium die aus dem Verteilerspalt in die Kammer periodisch eingeschlagenen Stoffteilchen nur so gross sein wie die am Auslass aus derselben Kammer peri odisch ausgestossenen Teilchen.
Bei kompressiblen Medien jedoch (solche sind praktisch alle Suspensio nen oder Mischungen von Stoffen) beeinflussen selbst verständlich auch die Kompressibilität und Elastizität der in der Kammer befindlichen Stoffsäule die Grösse der periodisch in die Kammer eingeschlagenen Stoff teilchen.
Durch zweckentsprechende Einstellung des Gegen druckes mittels der Gegendruckeinstellvorrichtung werden so die Stoffteilchen zu einer bestimmten Ver weil- und Bearbeitungszeit in den Schallkammern ge zwungen. Während dieser Verweilzeit in den Schall kammern werden die Stoffteilchen gleichzeitig Schwingungen sowohl vom Einlass in die Kammern als auch von oszillierenden Wänden der Schallkam mern her unterworfen. Die dadurch in den Kammern auf die Teilchen wirkenden hochfrequenten Impulse und Druckschwingungen können je nach Art und Struktur des zu behandelnden Mediums mit Frequen zen im Schallbereich bis in den hohen Ultraschall bereich erzeugt werden.
Die Teilchen werden vor zugsweise während Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren Sekunden in den Kammern zurückgehal ten, so dass jedes Teilchen in seiner Kammer während einer bestimmten Verweilzeit beschallt wird und dann beim Wechsel von einer Bearbeitungsstufe zur näch sten zunehmende Beschleunigung erfährt und stei gender Frequenz und Schwingungsintensität aus gesetzt wird. Die Teilchen werden durch einen sich periodisch während eines Bruchteiles einer Sekunde öffnenden Spalt in Richtung des innerhalb einer Kammer steigenden Druckes in eine nächstfolgende Kammer ausgestossen.
Dieser Spalt und dessen Öff nungszeit werden so klein bemessen, dass der Durch tritt jedes Teilchens von einer Kammer zu einer näch sten nur unter fortschreitender Auflösung des Gefüges des Teilchens bis zu beispielsweise Mikronen oder Submikronen oder, z. B. bei Zellstoff, bis zu den Ein zelfasern möglich ist. Die Erzeugung von Druck, Beschleunigung, Impulsen und Schwingungen und die Fortbewegung des Mediums von einer Kammer zur nächsten werden durch eine Vielzahl von aus den Wandungen der Schallkammern und dem Medium selbst gebildeten kinematischen Ketten hervorgerufen.
Ausser den primären Schall- und gegebenenfalls Ultraschallschwingungen, die durch die Begegnung der Kanten der aneinander vorbeifliegenden Zerklei nerungsorgane benachbarter Ringe entstehen, werden durch die Zerkleinerungsorgane mindestens eines Rin ges, vorzugsweise des äusseren, die auf Grund ihrer Ausmasse und ihres Baustoffes als in tangentialer Richtung nach Art kurzer Stimmgabeln zu Schall schwingungen erregbare Platten oder Stege, das heisst als Oszillatoren, ausgebildet sind, innerhalb der von ihnen begrenzten Schallkammern auch sekundäre Im pulse und Wellen erzeugt.
So bauen sich innerhalb der mit dem Stoff gefüllten Schallkammern und damit innerhalb des Stoffes Interferenzwirkungen auf, deren Frequenzen und/oder Amplituden ein Mehrfaches der durch die Begegnung benachbarter Zerkleinerungs organe erzeugten Schwingungen erreichen können. Wenn, wie oben erwähnt, das Medium zu einer be stimmten Verweilzeit in einer Schallkammer gezwun gen wird, anstatt der Zentrifugalkraft folgend auf möglichst kurzem Wege durch das kinematische System von innen nach aussen zu strömen, so kön nen die Schwingungen zusammen mit den auftreten den mechanischen Wirkungen auf das Medium bis her noch nie erreichte Resultate herbeiführen.
Dies erklärt sich schon aus der Tatsache, dass die Schall wellen sich in wässrigen Medien mit etwa 1470 m/s durch den Stoff mit ihrer Energie fortpflanzen.
Bei der in den Schallkammern auftretenden mul tiplen und diffusen Reflexion tritt eine starke unter partikulare und gegebenenfalls untermolekulare Rei bung innerhalb des Mediums auf, die je nach seiner Verweilzeit in der Vorrichtung zu Temperaturerhö hungen führen kann. Die unterpartikulare und unter molekulare Reibung hat einen besonderen Anteil an der Aufschliessung und an der Änderung des Aggre gatzustandes sowie, eventuell zusammen mit der Energiewandlung in Wärme, die Einleitung oder die Beschleunigung erwünschter chemischer Reaktionen zur Folge. Auf diese Weise können chemische Reak- tionen schneller und besser als bisher durchgeführt werden.
Ebenso ermöglichen die weiter oben geschil derten Vorgänge auch den entgegengesetzen Weg, z. B. die Depolymerisation, wie überhaupt chemische Stoffwandlungen in den verschiedensten Richtungen. Die günstigste Reaktionskinetik und die zweckmässig ste Zusammensetzung der Reagenzien für solche chemische Vorgänge sind von Fall zu Fall experi mentell zu ermitteln.
Die Zahl und die Begegnungsfrequenz der Zer kleinerungsorgane kann so gewählt werden, dass das Medium, welches in den Kammern zur Erreichung einer optimalen Einwirkung der in den Kammern auf tretenden Impulse und Schwingungen jeweils einen kurzen Zeitraum, z. B. von 1 bis i/40 s, verweilen muss, währenddessen es mit der auf das Medium wirk samsten Frequenz und Amplitude beschallt wird. Der Verweilzeit von 1i40 s in einer Kammer entspricht z. B. eine Öffnungszeit der betreffenden Kammer von 1/70 bis 1/10000 s, je nach Umlaufgeschwindigkeit des Kammerringes.
Das Medium wird bei diesen Kam merwechseln also stossweise und in winzigen Teilchen, z. B. von einem oder einigen mg, in die nächsten bereits mit Stoff befüllten Kammern hineingepresst und ebenso stossweise sowie immer weiter verfeinert durch dieselben hindurch in den Verteilerspalt aus gestossen.
Die beschleunigte Mediumssäule wird da bei jedesmal abgerissen. Dadurch wird das Medium ausser den oben erwähnten Impulsen und Schwin gungen innerhalb der Kammern auch noch beim Übergang von einer Kammer zur nächsten einer mit steigendem Durchmesser an Intensität zunehmenden Kavitation ausgesetzt. Durch die zeitweilige, minde stens teilweise Einschliessung des Mediums in einer von vibrierende Wände darstellenden Oszill'atoren begrenzten Kammer tritt das Medium erst nach einem gewissen Umfangsweg der Kammer, dessen Länge z.
B. 1,l5 m beträgt, durch den zwischen zwei sich umschliessenden Ringen gebildeten Verteilerspalt hin durch in eine Kammer des nächsten Ringes ein.
Das Medium 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 ent spricht, während der periphere Weg der Teilchen in einer Rotorkammer eine Funktion der Umlauf geschwindigkeit und der radialen Vorschubgeschwin- digkeit ist, welche, wie oben geschildert,
durch Ein stellung von Einlass und/oder Gegendruck vom Aus lass her kontrollierbar ist.
Durch entsprechende Wahl der Gesamtzahl der Zctkleinerungsorgane können bei genügend hoher Umlaufgeschwindigkeit Druckstösse mit einer im Ultraschallbereich liegenden Wiederholungsfrequenz erreicht werden. Ausserdem können bei entsprechen der Wahl der Zahl der Kammern, auf welche das der Vorrichtung frei zufliessende Medium erfindungs gemäss in der Vorrichtung verteilt wird, und bei ent- sprechender Wahl der Begegnungsfrequenz der Zer kleinerungsorgane bzw. der Kammern winzige Teil chen des Mediums von wenigen Milligramm, z. B.
1 bis 5 mg, entstehen und durch die Kammern stoss weise, stufen- und spiralförmig beschleunigt und wäh renddessen in den einzelnen Kammern durch hochfre- quente Druckstösse praktisch beliebiger Intensität be arbeitet werden. Die Zerkleinerungsorgane sind we nigstens teilweise so dimensioniert, dass sie durch die gegenseitige Begegnung wie kurze Stimmgabeln zu Schwingungen erregbar sind, die sie in das in den benachbarten Kammern befindliche Medium abstrah len. 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 Oszill'atoren, insbesondere wenn letztere nadel fein sind, kann gegebenenfalls sehr klein gewählt wer den. Nadelfeine Oszillatoren können z. B. bei organi schen Stoffen eine bis auf die Zellstruktur herunter gehende Aufschliessung bewirken oder molekulare Strukturen abbauen.
Dem innersten Zerkleinerungsorganring einer aus wenigstens zwei Ringen bestehenden Bearbeitungs stufe können besondere Vorzerkleinerungsorgane in Form von radial bis in den zentralen Zuführungsraum ragenden, schaufelförmigen Verbreiterungen vor geordnet werden, welche das zuströmende Medium vorzerkleinern und beschleunigen. Sie können ge schärft, gebogen und mit zweckentsprechend verstärk tem und geformtem Querschnitt versehen sein.
An der Peripherie der Vorrichtung kann das Medium in einen gemeinsamen Sammelraum, austreten und in demselben durch Impulse und Wellen ver schiedener Frequenzen beschallt werden, insbeson dere 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 Reflexions vermögen bestehen, z. B. aus Stahl; insbesondere kann die Reflexionsfläche spiegelglatt bearbeitet sein.
Die Weite des Verteiler- und Kavitationsspaltes zwischen den aneinander vorbeifliegenden Zerkleine rungsorganen kann so eingestellt werden, dass z. B. Zellulosefasern, die viel feiner sind als die eingestellte Spaltweite, nur beschallt, aber nicht geschert, das heisst in ihrer Länge nicht beschädigt werden. Wird eine Scherung der Fasern gewünscht, dann kann die Spalt weite entsprechend ]deiner, gegebenenfalls bis nahe Null, eingestellt werden.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäss vor geschlagene Vorrichtung in fünf Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen: Fia. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausfüh rungsform mit horizontal angeordneter Rotorachse, Fig. 2 eine Ansicht von links in Fig. 1, teilweise geschnitten nach der Linie II-1I der Fig. 1, Fig. 3 einen vergrösserten Ausschnitt aus einer erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein zweites Bei spiel,
Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte und Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine vierte Aus führungsform.
Fig. 7 ist ein Axialschnitt durch ein aus mehreren erfindungsgemässen Einzelvorrichtungen bestehendes Aggregat.
Fig. 8 ist eine Mikroaufnahme eines in einem üblichen Konusrefiner bearbeiteten Fichten-Sulfit- Zellstoffes.
Fig. 9 ist eine Mikroaufnahme des gleichen Zell stoffes, der jedoch in einer erfindungsgemäss aus gebildeten Vorrichtung behandelt wurde.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiele von erfindungsgemässen Vorrichtungen besitzen einen an einer Welle 1 befestigten Rotor 2 mit einem inneren Kranz von das Medium aufteilenden und zentrifugal beschleunigenden Organen 3 und drei Kränzen mit z. B. aus Stahl, Nickel, Titan, Molybd'än, Chrom bzw. aus entsprechenden Legierungen bestehenden, schwin gungsfähigen Zerkleinerungsorganen (Oszillatoren) 4, 5, 6; je zwei benachbarte Zerkleinerungsorgane eines Kranzes schliessen zwischen sich eine Schallkammer 8, 9, 10 ein. Die Zahl der Kammern von z. B. je 2,5 bis 0,1 cm3 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 Zerkleinerungsorganen und Schallkammern zu ermöglichen, kann jeder Zerkleinerungsorgan- und Schallkammerkranz, wie in den Fig.2 und 3 dar gestellt, auf einem separaten Ring durch bekannte Arbeitsverfahren, wie Fräsen, Bohren oder derglei chen hergestellt werden. Auf diese Weise können ein zelne Ringe mit verschieden hoher Zerkleinerungs- organzahl zwecks Änderung der zwischen zwei be nachbarten Kränzen erzeugten Schwingungserregun gen je nach Bedarf ausgewechselt werden.
Ein an der Welle 1 befestigter Konus 30 ragt in die Hohlkammer 31Z, wodurch eine einwandfreie Füllung und eine gute Führung des zu behandelnden Mediums in der Hohlkammer 31Z erreicht wird. Der Konus 30 verhindert auch eine Verstopfung der Hohl kammer 31Z. An dem auf dem Boden 18 abgestütz ten, Druckgehäuse 12 ist der den äussersten Ring um gebende Sammelkanal 13, 13' mit den Stirnscheiben 14 und 15 befestigt. Um den im Sammelkanal auf tretenden Druck und damit das Medium schneller zum Auslass 26 abzuleiten, weist der Sammelkanal einen in Richtung von dem dem Ausl'ass 26 diametral gegenüberliegenden Punkt zum Auslass 26 hin sich erweiternden Querschnitt auf (13-13').
Die Stirn scheibe 15 trägt den Halter 16 mit den vier Ringen von Zerkleinerungsorganen 4', 5', 6', 7'. Der Stator- organkranz 4' greift zwischen die Rotorkränze 3 und 4, der Kranz 5' zwischen die Rotorkränze 4 und 5 usw. Die Rotorkränze fliegen in geringem Abstand an den Statorkränzen vorbei, so dass ihre Zerkleine rungsorgane sich gegenseitig und die zwischen ihnen liegenden Kammern zu Schwingungen erregen. Ge mäss Fig. 3 begrenzen je zwei benachbarte Zerkleine rungsorgane 4', 5', 6', 7' eine Schallkammer 8' bzw. 9' bzw. 10' bzw. 11' von z. B. 2,5 bis 0,1 cm3 Inhalt.
Den die Zerkleinerungsorgane tragenden Flä chen 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 Zer kleinerungsorgane tragenden Flächen so vergrössert werden, dass sich das Volumen der Schallkammern und die axiale Länge der Zerkleinerungsorgane nach der Peripherie hin vergrössert.
Durch diese Volumen vergrösserung ergibt sich gegen die Peripherie hin eine Auseinanderreissung des Mediums und zunehmender Unterdruck und damit rasch gesteigerte Kavitation. An der Peripherie des äussersten Kranzes 7' kann wenigstens auf einer Seite ein Diffusorring 16' (Fig. 1) angeordnet sein.
Während im vorliegenden Beispiel das Medium durch die in der Hohlkammer 31Z befindlichen, zen trifugal beschleunigenden Organe 3 unter hoher Be schleunigung und entsprechendem Druck in die Schallkammern hineingepresst und in kleine Teilchen aufgeteilt wird, könnten solche Organe in der Hohl kammer weggelassen und durch ausserhalb der Vor richtung liegende Mittel, wie z. B. eine Druckpumpe oder eine Flüssigkeitssäule vor der Vorrichtung, er setzt werden. Ausreichende stossweise Förderung könnte allenfalls auch allein durch die inneren Rotor organkränze, also unter Weglassung der Verbreite rungen 3, erreicht werden.
Um mit der geschilderten Vorrichtung auf ein fachste Weise eine kontinuierliche Bearbeitung des Mediums im Durchlauf durch die Vorrichtung durch Impulse und deren sich wellenförmig fortpflanzenden Schwingungen sowie die Kontrolle der Verweilzeit des Mediums in der Vorrichtung zu ermöglichen, ist an der ringförmigen Stirnscheibe 15 ein beispielsweise von einem Formstück 25 gebildeter Zuführungsraum 25' angeschlossen. Der Sammelkanal 13, 13' hat einen Auslaufstutzen 26, durch welchen das durch die Schallkammern 11' (Fig. 3) aus der Vorrichtung radial in den Sammelkanal 13, 13' geschleuderte Medium beispielsweise in eine Leitung 27 (Fig. 1) abgeführt wird.
Der Hohlraum des peripheren Sammelkanals 13, 13' ist im wesentlichen symmetrisch zur Achse des Auslaufstutzens 26 und in Richtung zum Austritt hin (siehe 13 und 13' in Fig. 1) mit zunehmendem Quer schnitt versehen, um ein leichteres Abfliessen des Mediums zu gewährleisten. Ein Einlassventil 28 kann dem Zuführungsraum 25' vorgeschaltet werden und die Zufuhr des Mediums regulieren.
Ein Regulierventil 29 ist dem Auslaufstutzen 26 nachgeordnet zum Zwecke der Einstellung der Be- schallungs- und Druckverhältnisse in der Vorrichtung sowie der Verweilzeit des Mediums in den Kammern der letzteren. Anstelle des Ventils 28 und/oder des Ventils 29 können andere, äquivalent wirkende Ein- stellmittel verwendet werden, z.
B. ein zweckentspre chend verengter Ausla'ss oder eine an den Austritt an- schl'iessend'e Steigleitung zu einem höheren Behälter. Man könnte den Gegendruck auf jede gewünschte Höhe einstellen, wenn in der Steigleitung in verschie denen Höhen freie, verschliessbare Abläufe eingebaut würden. Man könnte anstelle von Ventilen z. B. auch Ringblenden oder sich verengende Zwischenstücke, z. B. einen den freien Austritt des Mediums ein schränkenden Auslassstutzen, anbauen oder einschie ben, wobei alle diese Mittel von Hand oder auto matisch betätigt werden könnten.
Die gezeigte und geschilderte Vorrichtung kann in Details natürlich die verschiedensten Änderungen er fahren. So können z. B. die peripheren Flächen der Zerkleinerungsorgane 3 und der Zerkleinerungsorgane 4, 5, 6 und 4', 5', 6', 7' auf koaxialen Kegelflächen liegen, so dass durch axiale Verschiebung von Rotor und Stator gegeneinander eine Veränderung der Spalt breite, z. B. eine Verengung zwischen den Zerkleine- rungsorgankränzen, eintritt, die neben der Beschal lung des Mediums z. B. auch eine reibende oder mah lende Bearbeitung desselben erlaubt.
Die miteinander zusammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane des Ro tors und Stators können auch einzeln oder gruppen- weise teilweise kleineren und teilweise grösseren ra dialen, Abstand voneinander haben, so dass z. B. ein Teil der relativ entgegengesetzt zueinander rotieren den Zerkleinerungsorgane zusammen quetschend und/ oder mahlend und der andere Teil z. B. nur fördernd auf das Medium .einwirkt. Hierdurch wird eine viel seitige, der Arbeit eines Kollerganges ähnliche Be handlung des Mediums möglich.
Die Wirkung der Vorrichtung kann durch ent sprechende Gestaltung der relativ entgegengesetzt zu sammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane in weitem Rahmen verändert werden. Sind z. B. die mitein ander zusammenarbeitenden Zerkleinerungsorgane an ihren Kanten geschärft, so erhält man scherende Wir kung. Sind sie abgerundet, so ergibt sich eine mehr schlagende 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 quet schende Arbeit, wie sie im Kollergang vor sich geht.
Wenn man den Querschnitt der Zerkleinerungsorgane in Drehrichtung vorn abrundet oder tropfenförmig zu spitzt, erleichtert man die Durcharbeitung thixotro- per oder teigartiger Stoffe, wie sie mitunter, z. B. bei höherprozentigen Zellstoffaufschwemmungen, vor kommen. Die Vorrichtung gestattet gemäss dem Er gebnis eingehender Versuche z.
B. die Entstippung ohne Scherung und;'oder die Mahlung, gegebenenfalls die Quellung und'/oder Herbeiführung anderer Zu stände von Zellstoffen bis zu hohen Konzentrations graden. Um derartig hohe Leistungen zu erreichen, kann die Vorrichtung so gebaut werden, dass der innere Ring einer Bearbeitungsstufe grössere Lücken zwischen seinen Zerkleinerungsorganen aufweist als der ihn umschliessende, welche den flockigen, manch mal klumpigen, z.
B. von einem Grobauflöser kom menden Stoff oder auch stückigen Zellstoff aufneh men. Die Zerkleinerungsorgane, die zu diesem oder ähnlichen Zwecken ebenfalls tangential vorteilhaft verbreitert werden, beschleunigen das Medium und verteilen es mit hohem Druck in die Schallkammern des nächstgrösseren, relativ gegenläufigen Ringes. Derselbe weist bereits eine bedeutend grössere Anzahl radialer Schallkammern auf. Um den letztgenannten Ring läuft dann ein mit noch kleinerer Teilung, also noch mehr und eventuell engeren Schallkammern ver- sehener Ring relativ entgegengesetzt um.
Dieser letzte, feiner geteilte Ring kann durch einen durchbroche nen, noch feiner geteilten Ring umschlossen sein. Die Zahl der sich umschliessenden Ringe kann je nach dem Zweck bis zur Erreichung beliebig hoher Fre quenzen und Bearbeitungsgrade gesteigert werden.
Da der kleineren Teilung entsprechend auch, wie oben erwähnt, die die Schallkammern zwischen sich bildenden Zerkleinerungsorgane von Ring zu Ring von innen nach der Peripherie der Vorrichtung hin feiner werden, verändern sich die Schwingungsver hältnisse, die den als Oszillatoren ausgebildeten Zer kleinerungsorganen eigen sind, da diese als vielfache Stimmgabeln wirken, welche zur Schallabstrahlung durch die relativ entgegengesetzt an ihnen vorbeiflie genden Zerkleinerungsorgane erregt werden.
Bei einer Vorrichtung beträgt z. B. die tangentiale Stärke der zu Schwingungen erregten Organe des äusseren Ringes beispielsweise 3 mm, die tangentiale Weite der Schallkammern 2 mm und die Länge der oszillierenden Zerkleinerungsorgane 16 mm. Der von diesem äusseren Ring umschlossene Ring ist mit Er regerorganen besetzt, deren tangentiale Stärke 5 mm beträgt, während die Kammerweite 3,2 mm und die Länge der Zerkleinerungsorgane 15 mm ist.
Die Drehzahl des inneren Ringes beträgt bei diesem Bei spiel 3000 U,lmin bei einem Durchmesser des zwi schen den beiden Ringen eingeschlossenen Verteiler- und Kavitationsspaltes von 260 mm.
Die Relativ geschwindigkeit im Verteiler- und Kavitationsspalt ist somit
EMI0008.0028
Die Zerkleinerungsorganzahl des inneren Ringes ist
EMI0008.0030
und die Zerkleinerungsorganzahl des äusseren Ringes ist
EMI0008.0032
Die Zerkleinerungsorgane des inneren (Erreger)-Rin- ges bringen vermittels der im Verteiler- und Kavita- tionsspalt erzeugten hochfrequenten Prallwirkung die tangential oszillationsfähigen Zerkleinerungsorgane des äusseren,
feingeteilten Ringes zur Abgabe zusätz licher akustischer Schwingungen in die Schallkam mern. Die Gesamtzahl der durch die Begegnungen der Organe erzeugten Impulse und Druckstösse errechnet sich =
EMI0008.0039
Ein gemäss diesem Beispiel aus einer hochwertigen Stahllegierung gefertiter erregbarer Zerkleinerungs- organring gibt schon' beim leichten Bestreichen mit einem Holzstab einen deutlich vernehmbaren Ton.
Je nach den Anforderungen, die das zu bearbei tende Medium stellt, wird beispielsweise der Durch lassquerschnitt der Schallkammern, die axiale, radiale und;bder tangentiale Ausdehnung sowie das Material der Erregerorgane undloder der Oszil'latoren, die An zahl der Zerkleinerungsorgane pro Ring, die Stufen zahl, das heisst die Zahl der Ringe, der Durchmesser der Ringe sowie die Drehzahl verändert. Eine Ver grösserung des tangentialen Abstandes der Zerkleine rungsorgane ein und desselben Ringes hat eine Ver grösserung des Einzelvolumens einer Schallkammer zur Folge.
Dadurch wird der insgesamt im betreffen den Ring investierte Energieaufwand in weniger Teile unterteilt, was einerseits eine Erhöhung der Wellen amplitude, anderseits jedoch eine Verringerung der Frequenz zur Folge hat. Es können z. B. auch alle Zerkleinerungsorgane oder ein Teil derselben radial oder peripherial durchbohrt sein, wodurch zusätzlich intensive Interferenzschwingungen erzeugt werden. Es bestehen also die verschiedensten Möglichkeiten, die direkt wirkenden kinematischen Einflüsse auf das Gefüge des Mediums, insbesondere seiner festen An teile 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 Zerkleinerungsorgane 5 sind in tangentialer Richtung erheblich dünner aus gebildet als ihre axiale Länge. Ausserdem ist ihre radiale Ausdehnung grösser als ihre tangentiale Dicke, so dass sie wie Stimmgabelzähne zu Schwingungen er regt werden.
Der Querschnitt des an den Sammelkanal 13' anschliessenden Auslassstutzens 26 ist an der Ein engung 26' direkt nach dem Druckgehäuse erheblich kleiner als derjenige des Zulaufrohres 25 und der Abführung 26, wodurch der Stoff im Druckgehäuse gestaut und der Strömung Druck entgegengesetzt wird. Die Vorrichtung hat nur zwei Rotororgankränze 3 und 5 und zwei Statororgankränze 17 und 32. Der Organkranz 32 besteht aus einem Ring mit radialen Durchbrechungen 33, wobei die Stege zwischen den selben die Zerkleinerungsorgane bilden.
Einige der Rotororgane 3 weisen Vorzerreissorgane 34 auf, die im gezeigten Beispiel messerartig ausgebildet sind; diese arbeiten mit Gegenwerkzeugen 35 im Zufüh rungsraum 25' zusammen, die z. B. die Form von Schneidbacken; zahnartigen, geriffelten oder ähn lichen Vorsprüngen oder Blindlöchern haben können und eine noch bessere Vorzerkleinerung des axial an kommenden Mediums erlauben als die Vorzerreiss- organe 34 allein.
Das Zuführungsrohr 25 kann, wie in Fig.4 punktiert angedeutet, mit verkleinertem Querschnitt bis zu jedem gewollten Abstand an den Hohlraum des Rotors herangeführt werden. Im übri gen gilt für das Beispiel der Fig. 4 im wesentlichen dasselbe wie für die erste Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 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, Lö sungsmitteln 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 ver längert und trägt ein Pumpenrad 37 mit schrauben förmigen Schaufeln, die das Medium z. B. aus einem Behälter durch den Zuführungsraum 25' in die Vor richtung fördern. Zur Steigerung der Fördewirkung ist ein feststehender Leitapparat 38 vorgesehen, dessen Schaufeln entgegengesetzt zu den Schaufeln des Pum penrades 37 gekrümmt sind. An der Innenwandung des Zuführungsraumes 25' sind axial verlaufende Leitbleche 39 angeordnet, die einen drallfreien Ein lauf des Mediums 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 müs sen oder wenn das Medium infolge seiner Struktur der Förderung besonderen Widerstand entgegensetzt. Die Flügel 40 können aber auch messerartig zum An schneiden des Mediums ausgebildet sein.
Das den äussersten Organkranz 18 tragende Ele ment ist als abnehmbarer Ringkörper 16 ausgebildet, so dass durch Austausch des letzteren Frequenzände- rungen möglich sind.
Die Statororgane 18 sind in dieser Ausführungs form 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 bis 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 Zer kleinerungsorganen 45 und 46 auf einer im Gehäuse 43 gelagerten Welle 47, die in zur Welle 44 entgegen gesetzter Richtung angetrieben wird. Im Bereiche des Zuführungsraumes 25' sitzt auf der Welle 44 eine Förder- und Me'ssschnecke 49.
Durch entsprechende Wahl der Steigung dieser Schnecke kann die Menge des durch die Vorrichtung geförderten Mediums ge nau reguliert werden. Die den Ring 50 mit den Zer kleinerungsorganen 51 und 52 tragenden Förderflügel 53 des Rotors 41 erteilen dem Medium zwecks Vor zerkleinerung eine hohe Umfangsgeschwindigkeit ent gegengesetzt zur Drehrichtung des Rotors 42. Da durch wird das von den Flügeln 53 gegen den Rotor 42 geförderte Medium zunächst an den Zerkleine rungsorganen 45 bzw. an deren axialen Verlängerun gen 45' zerschlagen und je nach der Struktur des Mediums grob oder bereits fein verteilt.
Wie in Fig. 6 punktiert angedeutet, können die Flügel 53 mit axial gerichteten Spitzen 53' in die Hohlkammer 31Z des Rotors 42 hineinragen. Der weitere Arbeitsverlauf in der Vorrichtung ist der gleiche wie in den anderen Beispielen. Das aus dem Ring 52 austretende, behan delte Medium gelangt in den Sammelkanal 54, von wo es durch den Auslassstutzen 55 abgeführt wird.
Fig. 7 zeigt als Beispiel ein aus drei hinterein- andergeschalteten Einzelvorrichtungen 57, 58, 59 be stehendes Aggregat, wobei zwischen den Einzelvor richtungen Leitscheiben 60 angeordnet sind. Die Pfeillinie P veranschaulicht die Strömung des Me diums durch das Aggregat. Auf der Welle 61 sitzt am Einlass 62 eine Förder- bzw. Druckschnecke 63.
Das Einlassrohr 25 ist zylindrisch mit gleichbleibendem Durchmesser bis zu seinem Befestigungsflansch am Halter 16 des Stators geführt, so dass die Stirnseite der Rotororgane 3 ganz verdeckt ist und so der zu strömende Stoff der Pfeillinie X folgen muss und aus radialer Richtung zwischen die Rotororgane 3 ein geführt wird, wodurch erhöhte Beschleunigung des Stoffes in der Hohlkammer 31Z erreicht wird.
Durch eine solche Kombination erübrigt sich die bisher bestehende Notwendigkeit, in manchen Indu strien, z. B. der Zellstofferzeugung, zwei, drei oder mehr Maschinen derselben Type hintereinander auf zustellen, durch welche das Medium nacheinander hindurchläuft, um bis zum erforderlichen Grade be arbeitet, z. B. defibriert, fibrilliert oder raffiniert, zu werden.
Meistens waren zwischen den einzelnen Ma schinen noch Förderpumpen und/oder Zwischen behälter erforderlich. Durch die erfindungsgemäss vor geschlagene Kombination erübrigen sich derartige kostspielige Anlagen; es wird erfahrungsgemäss eine erhebliche Einsparung an Energie und Raumbedarf erzielt, die überwachung .ist viel einfacher und die Zeiteinsparung beträgt gegenüber bekannten Einrich tungen in vielen Fällen bis zu 90 "/o des früheren Aufwandes.
Bei einem aus mehreren, hintereinandergeschalte- ten Einzelvorrichtungen bestehenden Aggregat gemäss Fig. 7 kann das Gehäuse jeder einzelnen Vorrichtung mit einem radialen oder tangentialen Auslass versehen werden, wobei jeder@Auslass,regulierbar bzw. absperrbar ist.
Dadurch kann ein besonders? schwierig zu bearbeiten des Medium beispielsweise durch drei Vorrichtungen hindurch so lange im Kreislauf bearbeitet werden, bis eine Änderung des Mediums, die eine leichtere Be arbeitung zulässt, eintritt; dann kann das Medium 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 gezeigten Ausführungsbeispiele können mit vertikaler, horizontaler oder geneigter Achse arbeiten. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Vor richtung kann hinsichtlich ihrer Form, ihrer Abmes sungen sowie ihrer Einzelteile zwecks Veränderung der Wirkung beliebig abgewandelt werden.
Beispielsweise kann ihre Wirkung durch entspre chende Wahl der Umlaufgeschwindigkeit des oder der rotierenden Organringe dem zu bearbeitenden Me dium angepasst werden, wobei der Antrieb der Vor richtung je nach Bedarf mit bekanntem Mitteln, z. B. durch Riemenantrieb, durch ein Übersetzungsgetriebe oder durch einen Elektromotor direkt erfolgt, und gegebenenfalls das Gehäuse der Vorrichtung - wie es aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 288154 und der deutschen Patentschrift Nr.<B>1079</B> 597, bei direkt mit einem Elektromotor gekuppelten Kreiselpumpen, bei Motor; Schleifscheiben und Motor; Ventilatoren bekannt ist - fest mit dem Gehäuse des Motors ver bunden und der Rotor auf dem Ende der verlängerten Motorwelle freifliegend befestigt sein.
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 kol- lernde Wirkung, wie eine solche beispielsweise bei der Erzeugung von Zellstoff oder ähnlichen Ge mischen 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 Axial schnitt der relativ zueinander rotierenden Ringe ko nisch oder glockenförmig oder treppenartig abgestuft werden, so dass durch axiale Verschiebung der Ringe gegeneinander mit bekannten Mitteln eine Verände rung der Weite des Verteilerspaltes zwischen den Rin gen 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 wel chem bei zweckentsprechend hoher Relativgeschwin digkeit der beiden Organringe Kavitation auftritt, ist z. B. bei einer Ausführungsform für die Defibrierung von Zellstoff etwa 1 mm. Da die Dicke z. B. einer Fichtenzellstoffaser und vieler anderer Fasern für die Papierindustrie - je nach Herkunft - beispielsweise im Bereich von 10 bis 40 Mikron liegt, tritt, wie in vielen Versuchen festgestellt wurde, keinerlei Sche- rung bzw. Kürzung der Fasern ein, weil keine Sche renbildung mit Berührung der relativ zueinander ro tierenden 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.
Kür zung derselben verhindert, und die Auflösung erfolgt nur durch Prallung, hochfrequenten Druckwechsel, Reibung und gegebenenfalls Kavitation. Die Kanten wenigstens eines Teiles der Zerkleinerungsorgane, ebenso wie die aneinander reibenden Flächen der Zerkleinerungsorgane der sich umschliessenden Ringe, können zur Erhöhung der Angriffswirkung bei ge wissen Medien noch zusätzlich gezahnt, geriffelt, ge- rauht oder mit Blindbohrungen versehen sein. Die Zerkleinerungsorgane können auch einfach oder mehrfach gewellt, konkav oder konvex gebogen, nötigenfalls auch elastisch nachgiebig sein.
Eine solche Nachgiebigkeit der Zerkleinerungsorgane, ge gebenenfalls auch der Ringe, kann beispielsweise durch Verwendung oder Mitverwendung elastischer Stoffe, wie Gummi, Kunststoff, Federmetall oder der gleichen, herbeigeführt werden. Um die von dem zu bearbeitenden Medium bespülte Oberfläche im Innern der Vorrichtung gegen Abrasion, Korrosion oder dergleichen zu schützen, kann dieselbe je nach Be darf mit einem harten oder elastischen korrosions beständigen Überzug versehen werden.
Zuleitungen für Zusatzstoffe, wie weitere Kom ponenten, Lösungsmittel, Reagenzien, Katalysatoren, Bleichmittel, Flüssigkeiten zum Spülen der Vorrich tung oder dergleichen, der verschiedensten Aggregat zustände, zum Zwecke jeglicher Beeinflussung der physikalischen bzw. chemischen Vorgänge in der Vorrichtung können nötigenfalls an allen geeigneten Stellen der Vorrichtung oder ihrer Zu- und Ableitun gen 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 saure Stoffgemische je nach Wunsch spontan oder latent neutralisiert oder hinsichtlich ihres pH-Wertes korrigiert werden.
Auf ähnliche Weise können durch Zuführung von Zusatzkompo nenten in die Vorrichtung spontane oder latente che mische Reaktionen mit jeder erforderlichen Intensität und mit jeder gewünschten Lenkung der Reaktions mechanik durchgeführt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann für kür zere oder längere Zeit auch in niedrigerem Schall bereich sowie nur durch Scheren, Zerprallen, Reflek tieren, Reiben usw., arbeiten.
Den folgenden Ausführungsbeispielen für das Verfahren gemäss der Erfindung ist eine Vorrichtung zugrunde gelegt, die vier sich umschliessende Ringe von Zerkleinerungsorganen aufweist. Auf dem inner sten Ring befinden sich 24 Zerkleinerungsorgane. Der ihn umschliessende gegenläufige Ring weist 100 Zer kleinerungsorgane auf. Der dritte Ring hat 150 Zer kleinerungsorgane und der äusserste Ring 200 Zer kleinerungsorgane. Das periphere Ausmass der Zer kleinerungsorgane und Schallkammern variiert in die sem Ausführungsbeispiel von der Achse gegen die Peripherie von Ring zu Ring, beispielsweise zwischen 10 mm am innersten Ring bis 2 mm am äussersten Ring.
Die Vorrichtung läuft mit einer relativen Rotor- Stator-Drehzahl von n = 3000 U;min. Es ergibt sich
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Das Volumen des Gehäuses der verwendeten Vor richtung beträgt nach Abzug des von der Vorrichtung beanspruchten Nettovolumens 4 Liter, so dass also stets innerhalb der Vorrichtung 4 Liter des betreffen den Mediums der Wirkung der kinematischen, hoch- frequenten Effekte sowie der Beschallung ausgesetzt sind.
Die Verweilzeit des Mediums in der Vorrich tung wird von Hand oder automatisch .so geregelt, dass der Durchfluss einer Füllung von 4 Liter Stoff in einem Zeitraum von 0,36 s erfolgt. Das bedeutet eine Durchflussmenge von etwa 40 000 1h oder 11 1/s. Bei einer angenommenen Dichte des Mediums von 1 g/cm-' entsprechen 11 Liter einem Gewicht von <B>11000</B> 000 mg. Auf Grund der angegebenen Gesamt zahl von den Stofftransport durch die Vorrichtung bewirkenden Druckimpulsen werden also pro Sekunde <B>11000</B> 000 mg des Mediums zunächst in 2 370 000 Teilchen mit einem durchschnittlichen Einzelgewicht von etwa 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 von dem in der jeweiligen Schallkammer wirksamen und von dem aus der Umgebung der betreffenden Schallkam mer in die letztere hineinwirkenden Anteil der vor genannten Schwingungen beschallt.
Durch zweckentsprechende Ausbildung einer er findungsgemässen Vorrichtung mit nur einer einzigen Beschallungsstufe lassen sich schon in jeder Ein zelkammer Ultraschallschwingungen (von über 16 000 Hz) erzeugen.
So ergibt sich für eine Vorrichtung mit zwei Schallkammerringen mit je 400 Kammern bei 50 rela tiv entgegengesetzten Umdrehungen pro Sekunde eine Frequenz von 400.50=20 00OHz, bei 100 relativ ent gegengesetzten Umdrehungen pro Sekunde eine Fre quenz von 400 . 100 = 40 000 Hz. Analog beträgt die Frequenz pro Schallkammer einer Vorrichtung mit 1000 Kammern pro Ring bei 50 relativen Umdre hungen pro Sekunde 50 000 Hz und bei 100 relati ven Umdrehungen pro Sekunde 100 000 Hz.
Die Gesamtzahl der Impulse bei einer Vorrich tung mit 400 Kammern pro Ring beträgt also bei 50 Relativumdrehungen pro Sekunde 400 - 400 - 50 = 8 - 10s pro Sekunde. Die im Ultraschallgebiet liegende, hochfrequente Beschallung pflanzt sich im flüssigen Anteil des in der Vorrichtung befindlichen Mediums mit etwa 1470 m's und im festen Anteil des Mediums mit etwa 3000 m/s allseitig bis an die Grenzflächen der Innen wandung der Vorrichtung fort.
Daraus erklärt sich teilweise, weshalb Gemische mit höherer Feststoff konzentration, abgesehen von der erhöhten interpar- also bei dieser Vorrichtung eine Gesamtzahl der Druckimpulse von tikularen Reibung, intensiver und vollkommener be arbeitet werden als Gemische mit weniger Feststoff gehalt, :eben weil die Fortpflanzung der Schallwellen in Feststoffen mit etwa zwei- bis dreimal höherer Ge schwindigkeit vor sich geht alls z. B. in Wasser. Ein z. B.
5 /oiger Zellstoff wird erfahrungsgemäss unter glei chen Arbeitsbedingungen schneller und besser d-efi- briert als der gleiche Zellstoff bei einer Konzentration von nur 2 %. <I>Ausführungsbeispiel 1 für das Verfahren</I> Durch die vorgenannte Vorrichtung mit der an gegebenen Durchflussgeschwind'igkeit soll eine Auf- schlämmung von Kaolin in Wasser (bei einer Kon zentration von 20'0/a) kontinuierlich hindurchgetrie ben und bearbeitet werden.
Die Teilchengrösse des Kaolins bewegt sich etwa zwischen max. 20 mm und min. 1 mm. Die gröberen Teilchen werden beim Ein tritt in die inneren, gröber geteilten Organkränze in Bruchteilen von Sekunden bis zu millimeterkleinen bzw. noch kleineren Teilchen zerschert, zerprallt und zerrieben. Gleichzeitig setzt auch die während der ganzen Verweilzeit der Kaolindispersion in der Vor richtung wirksame, hochfrequente Beschallung ein.
Diese führt, wie viele Versuche bestätigt Haben, in nerhalb der Verweilzeit der Dispersion von einer Sekunde in der Vorrichtung zu einer homogenen Aufschliessung und Feinverteilung des Kaolins in Ein zelpartikel mit mikroneu Grössenverhältnissen.
<I>Ausführungsbeispiel 2 für das Verfahren</I> Grob vorgelöster Papierstoff, z. B. aus unsortier tem Altpapier, in einer Konzentration von 5 fl/o in Wasser wird nach Befreiung von Metallteilchen und Schmutz, so wie er von einem Auflöser, Pulper oder dergleichen, eventuell unter Zwischenschaltung von Bütten, Reinigern, Eindickern usw., kommt,
der Vor richtung kontinuierlich zugeführt und der oben be schriebenen Bearbeitung durch kinematische Effekte und gleichzeitige Beschallung unterworfen. Dadurch werden die Teilchen, Flocken, Faserbündel oder Stip- pen, wie in zahlreichen Versuchen festgestellt wurde, innerhalb einer Verweilzeit von einigen Sekunden bis zu weniger als einer Sekunde - je nach Art des Stof fes. -, kontinuierlich bis zur Einzelfaser ,stippenfrei defibriert.
Für den gleichen Vorgang. wurde bis heute mit klassischen Verfahren, wie es beispielsweise im Holländer durchgeführt wird, 1/, bis 4 Stunden, also eine 1800- bis 14000mal längere Zeit und be kanntermassen ein vielfacher Energieaufwand be nötigt.
Dieses Beispiel gilt auch für Holzschliff oder che misch vorbehandelte Stoffe aus Holz, Stroh, Gräsern usw., wobei das Holz vorzerkleinert wird (z. B. Hackschnitzel, Astknoten, Rückstände, Hobelspäne, Furnierbruch, Holzwollhäcksel usw.).
Je nach eventueller Änderung der Grobstoff lösung, des Widerstandes der Stippen und abhängig von dem gewünschten Grad der Auflösung, Defibrie- rang und Entstippung, sowie gegebenenfalls der Mah- lung, Quellung, Fibrillierung usw., kann der Grad der Bearbeitung durch Wiederholung der Behandlung, aber auch durch Steigerung oder Minderung der Dreh zahl, der Verengung oder Erweiterung des radialen Spaltes zwischen den Zerkleinerungsorganen der sich umschliessenden Ringe nach Bedarf durch bekannte Mittel, z.
B. durch Auswechslung der Organringe oder die oben erwähnte axiale Verschiebung gegenein ander, korrigiert werden.
Der erhaltene Zellstoff zeigt eine hervorragende Schonung der Faser und ergibt Papiere und Kartons, die erfahrungsgemäss z. B. gegenüber bekannten Ver fahren Steigerungen der Reissfestigkeit von mehr als 300 % aufweisen. Ebenso sind die übrigen Eigen- schaften des erhaltenen Stoffes ausgezeichnet.
Der Energiebedarf für den genannten Fall ist niedriger als bei bekannten Verfahren und die Gesamtergeb nisse unvergleichlich günstiger als die der piezoelek- trischen Beschallung.
Fig. 8 stellt einen wie üblich 15 Minuten lang mit einem Konusrefiner bearbeiteten Fichten-Sulfit-Zell- stoff dar. Fig. 9 zeigt im Vergleich zur vorhergehenden Figur den gleichen Stoff nach einer Bearbeitung von 4 Sekunden nach dem erfindungsgemässen Verfahren. Nach der bekannten Methode der mechanischen Be handlung ist der behandelte Faserstoff, wie die Fig. 8 erkennen lässt, weitgehend zerstört und in seiner Faserstruktur geschädigt. Ein aus diesem Stoff her gestelltes Papierblatt hat eine Reisslänge von 4570 m. Die Papierindustrie kämpft gegen diese Faserzerstö rung seit vielen Jahren ohne nennenswerten Erfolg.
Dagegen hat ein Papierblatt gleichen Gewichtes, wie in Fig. 9 dargestellt, ein beispielhaft geschontes Faser material mit langen Fasern und Fibrillen. Viele Ver suche haben den Beweis erbracht, dass eine derartige Schonung der Fasern für die angemeldete Erfindung nicht zufällig, sondern charakteristisch ist und all gemein erzielt werden kann. Vergleichsblätter aus dem Stoff gemäss Fig. 9 weisen eine meist doppelte, viel fach eine drei- bis vierfach höhere Reisslänge als die aus dem Stoff gemäss Fig. 8 hergestellten Blätter auf.
Solche schonende Auflösung der Faseragglomerate, auch Faserbündel oder Stippen genannt, ist abgese hen von der Beschallung in den kleinen Hohlräumen weitgehend auf im Verteiler- und Kavitationsspalt auf tretende Kavitation zurückzuführen.
Genaue Messungen an einer Vorrichtung mit 500 Schwingern und Schallkammern haben z. B. bei der Behandlung von Kraftzellstoff eine Leistungsaufnahme von 50 000 Watt ergeben. Die Leerlaufverluste be trugen 8 000 Watt oder 16 0/0, so da'ss auf jede Ein heit, bestehend aus Schwinger und Kammer, eine Leistung von
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entfällt. Diese Leistung setzt sich aus der kinemati schen und der Schallwirkung zusammen.
Der Quer schnitt einer Schwinger ! Kammer-Einheit betrug 0,5 cm2, der Gesamtquerschnitt des aus 500 Schwin ger / Kammer-Einheiten zusammengesetzten Gene- rators 250 cm2, woraus sich eine spezifische Leistung von 84 Watt pro Schwinger;Kammer-Einheit oder 168 Watt/cm2 ergibt. Die so erzielte spezifische Lei stung übertrifft die Leistung der piezoelektrischen und magnetostriktiven und anderen Schallgeneratoren bei weitem.
Da die Amplitude in Richtung zur Peripherie und mit der zunehmenden Umlaufgeschwindigkeit an wächst, ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung die gleichzeitige Steigerung der Frequenz und der Amplitude, worin ein grundsätzlicher Fortschritt ge genüber der klassischen Ultraschalltechnik besteht. <I>Ausführungsbeispiel 3 für das Verfahren</I> Hackschnitzel oder Späne aus Holz (z. B. Hobel späne, Sägemehl oder geschälte Späne, wie Furnier bruch), die vorzugsweise möglichst dünn, jedoch lang faserig beschaffen sein sollen, werden nach an sich bekannten Verfahren eingelaugt oder eingesprüht. Die Konzentration der NaOH-Lauge beträgt etwa 5 bis 10 /o, je nach Art des Rohstoffes.
Es wird mit Was- ser auf 3 bis 5 % Trockenstoff, je nach Schlüpfrigkeit der rohen Stoffaufschwemmung, eingestellt. Die rohe Aufschwemmung wird in die Vorrichtung eingeführt und in derselben mit einer Verweilzeit, die einer Vor schubgeschwindigkeit des Stoffes von 1,4 m "s ent spricht, bearbeitet und beschallt.
Die Verweilzeit wird durch die Eintrittsgeschwindigkeit und den Gegen druck durch die hierfür der Vorrichtung vor- und l oder nachgeordneten Mittel eingestellt. Der kontinu ierlich aus der Vorrichtung austretende Faserstoff ist je nach Art des Rohstoffes weitgehend oder vollkom men defibriert. Wird je nach dem Befund des Ergeb nisses weitere Defibrierung und evtl. 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 Druck stossbehandlung und -beschallung werden die einzel nen Fasern unter besonderer Schonung ihrer Struktur, insbesondere ihrer Länge und Festigkeit, voneinander gelöst, und man erhält einen hochwertigen Alkali zellstoff. Das erfindungsgemässe Verfahren kann selbstverständlich auf ähnliche oder entsprechend ab geänderte Weise auch auf die Herstellung anderer Zellstoffe (z. B. Sulfit- bzw. Sulfatzellstoffe) angewen det werden. Die Weiterbehandlung so aufbereiteter Zellstoffe, z. B. für die Papiererzeugung oder zur Gewinnung von Spinnlösungen (Viskosen usw.), Kunststoffen usw., kann unter Verwendung der be- kannten Lösungsmittel bzw.
Reagenzien oder deren Gemische durchgeführt werden.
Dieses Verfahrensbeispiel lässt sich auch anwen den auf die Verarbeitung von Einjahrespflanzen, wie Gräsern, Schilf, Bambus, Bagasse. Esparto usw., wo bei die Stoffdichte, die Laugenkonzentration, die Tem peratur und die Behandlungsdauer nötigenfalls dem Stoff angepasst werden. Ausführungsbeispiel <I>4 für</I> das Verfahren Faserstoffe, z. B. aus Holz, Einjahrespflanzen (Gräsern, Stroh, Bambus, Esparto usw.) können z. B.
für die Herstellung von Papier und Karton, in ausser ordentlich kurzer Zeit unter gleichzeitiger Erzielung hoher Qualität des Stoffes und hoher Ausbeute auf eine sehr wirtschaftliche Weise gebleicht werden, in dem der vorgelöste Faserstoff der hochfrequenten Stosswirkung und Beschallung im Durchgang durch die Vorrichtung je nach Rohstoffart und der ge wünschten Remission des gebleichten Stoffes einmal oder wiederholt während etwa 1,5 bis 2,5 Sekunden Verweilzeit des Stoffes in der Vorrichtung unter Zu satz von etwa<B>10/@</B> Chlor, z. B. aus Calciumhypo- chlorit, unterworfen wird.
Die zweckentsprechend konzentrierte Chlorlösung kann vor dem Eintritt des zu bleichenden Stoffes in die Beschallungsvorrichtung zugesetzt oder durch an der letzteren vorgesehene Zu leitungen in ihr Gehäuse unter Messung und Kon trolle eingeführt, gegebenenfalls auch in Pulverform vor dem Eintritt in die Vorrichtung dem Stoff ein verleibt werden. In der Vorrichtung erfolgt eine voll kommene Verteilung des Bleichmittels im Stoff. Da bei tritt eine hochwirksame Durchdringung und Imprägnierung der Fasern mit dem Bleichmittel infolge der hochfrequenten Druckmaxima und -mi- nima 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.
<I>Ausführungsbeispiel 5 für das Verfahren</I> 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 bekann ten 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 Vor richtung ein. Die Einführung erfolgt entweder durch die Saugkraft der Vorrichtung allein oder mit Unter stützung durch eine Pumpe. Am Einlass in die Vor- richtung wird die zufliessende Menge Alkalisilikat durch ein Regulierventil eingestellt und gegebenen falls durch bekannte Kontrollgeräte gemessen.
Durch die Achse des Zuleitungsstutzens oder an sonstigen zweckentsprechenden Stellen des Gehäuses sind meh rere Rohrzuleitungen für die erforderliche Reaktions säure eingeführt. Diese Rohre können sich im In neren der Vorrichtung, vorzugsweise möglichst nahe oder in der zentralen Hohlkammer, mehrfach ver zweigen, um eine von Anfang an bestmögliche Ver teilung 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 stöchio- metrischen Mengen Alkalisilikat und Säure durch die entsprechenden Leitungen in die Vorrichtung einflie- ssen, worauf sofort innerhalb derselben eine höchst intensive und gleichmässige Verteilung von Alkalisili.- kat und Säure sowie inniger Kontakt auch kleinster Teilchen eintritt, so dass sofortige Reaktion und da mit die Ausfällung der Kieselsäure stattfindet. Die Kieselsäure kann in jeder beliebigen Partikelgrösse und Feinheit erzielt werden.
Die Regulierung dieser Eigen schaften erfolgt durch die an sich bekannte Propor- tionierung von Alkalisilikat und Säure, die ganz nach Bedarf aufeinander abgestellt und manuell oder durch automatische Kontrollorgane reguliert werden kann. Die Grösse der Partikel kann durch schnelleren oder langsameren Durchfluss im Verhältnis zur dispergie- renden Arbeit der Vorrichtung nach Belieben regu liert werden. Durch entsprechend eingestellte Dreh zahl der relativ gegenläufigen Organkränze und/oder Änderung der Verweilzeit mittels der Einlass- bzw.
Auslassventile wird die spontan gebildete Kieselsäure dann nötigenfalls noch bis zur für Aerosole erforder lichen 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 Vorrich tung herausfliesst, je nach Bedarf zu regulieren. An Stelle von Säuren können naturgemäss auch andere koagulierende Reagenzien Verwendung finden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung lassen sich auf ausserordentlich viele physi kalische und/oder chemische Stoffänderungen, meist unter Anwendung der allgemein üblichen Zusammen setzung von Stoffkomponenten und/oder Reagenzien für die verschiedenartigsten. Stoffe und Gemische übertragen.
Als Beispiele seien lediglich angeführt: Mischungen verschiedener Art, die Herstellung mikro- ner homogener Suspensionen, Füllstoffe, die Defibrie- rung, Raffinierung, Bleichung und andere chemische Behandlungen von Zellstoffen, Halbzellstoffen, Holz schliff oder Altpapier sowie anderen zellulosehaltigen Stoffen (z.
B. für die Erzeugung von Kunstseiden), die Xanthogenierung, die Homogenisierung von Spinn lösungen, Suspensionen, Dispersionen, Emulsionen usw., Polymerisation, Depolymerisation, Synthesen und andere, auch katalytische Reaktionen verschie denster Art.
Method and device for the continuous treatment of solid, liquid and / or gaseous media The object of the invention is a method and a device for the continuous treatment of solid, liquid and / or gaseous media by vibrations with sonic or ultrasonic frequency.
For the purposes of the invention, media are not only to be understood as solid, liquid and gaseous substances, but also their real solutions, suspensions and colloidal systems, the disperse phase in the solvent being able to assume any aggregate state.
The method according to the invention thus aims a continuous kinematic high frequency treatment and processing of various media of any composition and Aggre gatzustände, z. B. gaseous, liquid, thixotropic, fibrous, lumpy or lumpy, also in combination with gases, for the purpose of obtaining and / or improving highly dispersed systems (e.g. fiber suspension made of cellulosic or other - including synthetic - fibrous materials for the Paper production, including waste from the same, such as
Knots, residues and waste paper, the production of textiles, spinning solutions for rayon - z. B. by copper plating, xanthogenation, viscosing, homogenization - artificial leather, etc., defibration, fibrillation, swelling and / or hydration of the fibers, if necessary their impregnation with chemicals), if necessary breaking down media up to the nukronen,
submicron and / or molecular area, with an associated extraordinary enlargement of the contact surface of the solutions, suspensions, emulsions, mixtures etc. obtained, the generation of physical affinity and possibly the induction of chemical reactivity of the individual particles or the achieved Molecular degradation products and / or the increase in the reaction capacity also by presenting changing surface areas for the purpose of initiating or accelerating the reaction kinetics by generating and supplying or acting on cavitation and / or impact
or sound and / or ultrasonic energy with the purpose of a considerable improvement in the further physical and / or chemical processing of said media into intermediate or end products of high quality while at the same time saving considerable time and energy, extraordinary reduction in the duration of the treatment of the goods, if necessary, reduction of the necessary apparatus and other advantages, which emerge from the following description.
The treatment of media that can be carried out by the method according to the invention, for example for the purpose of dissolving, mixing, atomizing, disintegrating, opening up the most varied of types, refining and homogenizing can in particular also impregnate the particles, e.g. B.
Enclose cellulose fibers with water, binding agents, fillers, chemical solutions and / or reagents, with substances or gases dissolved or suspended in flowing media, which are accelerated to a high degree by the effects of cavitation, pressure surges, sound and, if applicable, ultrasonic energy and parallel to the resulting impregnation of the particles or fibers in their struc ture a physical change, z. B. a swelling (hydration), interparticle binding, strengthening, causticizing, loosening and / or dissolution or a chemical reaction, z. B.
Oxyda tion, reduction, bleaching, etc., cause or entail such effects and accelerate them in a previously unknown manner.
The process methods customary today for processing media for chemical and / or physical material change by grinding, refining and bringing the material particles into contact or mixed components in agitator vessels, with or without pressure and temperature supply, possibly also vacuum or cooling , in autoclaves, in trickle towers and columns, in rotating kettles and countercurrent devices, all allow slow, costly and labor-intensive material treatments.
A significant advance has already been found experimentally in the fact that media are subjected to high-frequency pressure surges and the sound energy waves propagating from them. This so-called sonic processing of mixtures of substances, e.g. B. pulps, is carried out with piezoelectric Quarzschwin like. It enables the intensive physical change of the pulp, however, due to the low intensity of its means, it did not go beyond the experimental framework, if one disregards small attempts at small production trials.
A further development in both physical and, if necessary, chemical processing of materials is provided by the devices according to Switzerland. Patent specifications numbers 311794 and 336249 allowed physical and chemical processing of media, which are characterized by the effect of high-frequency impact, sonic and ultrasonic effects. In the process he made possible, physical and chemical substance changes within relatively short periods of time compared to the then state of the art, z. B. in one or more minutes, carried out with high intensity.
However, the processes and apparatus in question do not allow precise control of the implementation of the physical and chemical substance treatment, in particular as far as it relates to the recording and uniform processing of all substance particles. A large proportion of mechanical and, in particular, acoustic energy is also lost in the process.
There are numerous methods and devices for dispersing, homogenizing, grinding, Zer fibers and / or for carrying out chemical reactions; These devices have considerable disadvantages, the most important of which are the following: imperfect dispersion and therefore heterogeneous products, high expenditure of energy, work and / or time to achieve highly dispersed products, susceptibility to wear and tear, damage to the material structure ( e.g.
Pulp fibers) when working organs work together closely or with mutual contact to achieve a high degree of dispersion and homogeneity. The causes of he mentioned and other disadvantages are z. B. a low efficiency of the cooperating, dispersing organs, which have partly round, partly angular cross-section, but due to their arrangement to one another and / or their distance from one another only an unregulated and uncontrollable breakup and accidental collapse of the medium have as a consequence.
Such Zerkleinerungsvor directions are known under the names of disintegrators or centrifugal mills. They are primarily used to break down solid, lumpy products and in some cases reach degrees of fineness down to several microns. Such degrees of fineness, however, are only achieved by subsequent separation of the remaining, coarser components from the sufficiently well broken down particles by sieving, etc.
Another group of the mentioned Vorrichtun conditions is provided with closely, sometimes frictional cooperation with the shear and impact organs. In the same, the goods are subjected to a very intensive, but also individually uncontrollable processing and mostly opened up with a high expenditure of energy. Such and similar devices are partially also for flowing media, in particular emulsions, but generally only for limited areas of application.
Another group of the aforementioned Vorrichtun gene uses as cooperating crushing organs interlocking, provided with concentric grooves and elevations, opposing disks. The reaming of the medium going on between the same is characterized by a certain intensity, but the field of application of such devices is limited and remains limited to flowing emulsions and mixtures with a fine structure. Similar and other devices also have the disadvantage of the mostly impermissible overheating of the medium and damage to the medium when the organs are positioned close to one another.
All the devices mentioned, insofar as they are based on shear, impact and turbulence within containers or enclosing housings, are unsatisfied due to the limitation of their range of action, the uncontrollability of the kinetic processes in the device and the impossibility of precise control of these processes in detail thinking.
Attempts have therefore been made to remedy these disadvantages at least partially by narrowing the working gap between the cooperating organs, such as. B. counter-rotating tooth discs, the discs approaching each other on their periphery except for a very thin gap. As a result, the medium should only be able to emerge to a finite degree of fineness by overcoming the bottleneck created in this way and with friction in the same. These devices are characterized by low production, high energy consumption and rapid wear.
Since the high-intensity effect of sound and ultrasound waves and pressure impacts on media to be refined became known, a number of different types of vibration exciters, such as whistles and sirens, piezoelectric crystal vibrators, etc., have been used for the digestion and fine processing of liquid media and mixtures. While some ultrasonic whistles have proven themselves in the confined area of generating flowable emulsions, devices that are equipped with piezoelectric vibrators have failed due to their inadequate efficiency in the field of industrial production.
For example, the digestion of cellulose to single fibers with piezoelectric quartz oscillators at concentrations of only 0.1 to 1% requires processing times of 20 minutes to four hours, the amount of material processed on laboratory standards, e.g. B. to 1 liter is limited. The dry matter content of the pulp suspensions used in the tests is only 1-10 gil. Such methods and the vibration generators used for them are unusable for such purposes on an industrial scale.
It has therefore tried to generate high-frequency pulses and vibrations in rotary devices, such as centrifugal mills, within the material being processed.
In a known colloid mill, the grinding or dispersion effect is caused by a large number of vibrations or oscillations up to ultrasonic oscillations. For this purpose, a toothed on its jacket rotor (called a gear) is enclosed by a stationary housing, the peripheral wall surrounding the toothed ring of the rotor is also provided with teeth or ribs. If the toothed rotor rotates sufficiently quickly, rhythmic vibrations arise between the toothed rotor casing and the toothed peripheral wall of the housing.
In an improved design of the aforementioned colloid mill, additional vibrations are generated by piezoelectric quartz in the cavities between the rotor casing's rule and the peripheral housing wall. A similar device has a rotor which is toothed on its jacket and a housing which is toothed on its peripheral inner wall. Although the aforementioned devices (colloid mills) with mechanical vibration generators represented a novel generation and application of vibrations in cavities and within the goods located in the cavities, they have not been able to be introduced on a broad basis.
Their effect did not surpass the results achieved with intensively acting centrifugal mills.
There is also a centrifugal mill known, which is to defibrate pulp pastilles (specks) by high-frequency hydraulic shocks generated by means of baffles of two counter-rotating rotors. The defibration process is based on ultrasound-like effects.
Although the device generates high-frequency pressure gradients, possibly in the ultrasonic frequency range, these occur in an uncontrolled and uncontrolled manner within the medium flowing through the medium in a flow-through housing only with strong turbulence and high speed and therefore run without sufficient intensity that is to be expected from effective ultrasound. For this reason, devices of this type have not proven themselves as a result of unsatisfactory specific performance and have not been able to introduce them.
Another known apparatus is used to crush solid materials using vibrations and shock waves in a gaseous, continuous phase. It consists of a star-shaped rotor which rotates at high speed in a cylindrical housing. On each star arm there is attached an elastic sheet which can vibrate and which extends radially to the peripheral housing wall. The peripheral, freely oscillating end of the elastic sheet. Throws the solid particles fed to it by the gas flow with its peripheral edge against the peripheral inner wall of the housing, which is ribbed.
The ribs on the housing wall move the peripheral ends of the elastic metal sheets by conveying the solid particles jumping along the toothed housing wall in high-frequency vibrations. The frequency and amplitude of these vibrations are, however, dependent on chance, because they are caused by the irregular, unpredictable and uncontrollable, abrupt impact of the solid particles against the edges of the corrugation on the housing wall and from them back against the peripheral end of the vibration-elastic metal sheets be generated.
Even the devices mentioned last, which are only intended for the limited purpose of crushing solid particles in a gas stream, cannot be used for real and controllable sonication and the creation of calculable degrees of effectiveness and fineness of the end product due to their unregulated and uncontrollable shock effect.
The method according to the invention eliminates these disadvantages and enables an extremely high level of progress in process technology, since compared to the prior art, in particular by reducing the time required to a small fraction, a significantly more favorable material yield, higher quality of the products and, as a result, lower energy consumption per 100 kg Finished product a more economical production is achieved.
In detail, the new method is characterized by the fact that the medium to be treated is fed to a treatment device and is broken down into a multitude of small material quanta by means of inevitably controlled kinematic processes, which are intermittently guided through periodically opening and closing cavities, the medium during this Movement of switching or ultrasonic-frequency pressure surges generated by the periodic processes mentioned is acted upon, the shape,
that the speed of advance of the medium is many times lower than the speed of propagation of the sound waves in the medium.
For dispersing, homogenizing, opening up and defibrating substances, devices are known in which the substances are subjected to mechanical processing by shear, impact, reflection and the like by means of rigid crushing elements attached to each other, where the substances to be treated are subjected to the shortest possible union or the path offering the least resistance from the inside to the outside.
To carry out chemical changes, open or closed containers, pipes, towers, columns, etc. are used, in which the treatment of the substance by stirring, circulation, countercurrent, etc., under atmospheric pressure, over pressure, vacuum, heating and / or others Energy supply takes place.
In contrast to this known device, the device according to the invention is characterized by at least two processing stage forming, relatively rotatable coaxial holders, each of which carries a plurality of annularly arranged comminuting organs, the comminuting organs of the two holders via a distributor and Comminution gap are opposite and two tangentially adjacent comminution organs of a holder define one of the named cavities and the organs of at least one of the holders are designed as plates or webs that can vibrate in the tangential direction,
Furthermore, the holder is installed in a pressure housing with at least one inlet and a hollow chamber upstream, the peripheral part of the pressure housing forms a cavity downstream of the processing stage or stages in the flow direction and the latter a counter-pressure setting device to control the feed speed of the medium and an outlet for the same is arranged downstream.
The combination according to the invention of the features described above and, if appropriate, further features described below, allows novel physical effects to be achieved which can be accompanied by chemical effects.
In a preferred embodiment, the medium introduced continuously into the pressure housing is initially highly accelerated in the inner ring and, after passing through it, is pressed into the working gap acting as a distributor gap and dammed in the same by counterpressure. The work intensity in the distributor gap can be changed by changing the relative speed of rotation of the rings to each other or z.
B. by increasing the number per unit of measurement of the organs of one or both cooperating rings or by enlarging the gap circumference to the generation of cavitation in the distributor gap or in the same located medium, in the forming, relatively moving layers th and / or Particles are increased. Said cavitation effect leads z.
B. in the defibration and refining of pulps for paper production to break up fiber bundles and with an appropriate residence time of the substance in the device to fibers, which remain intact in their entire morphological structure and length (including the end tips) and fibrils and Microfibrils that are branched off from the fibers, without injuries or tears, such as this z. B. is the case with the conical or disc refiners acting by mechanical shear of the pulp.
During the breakdown in the distribution and cavitation gap through collision, attrition and possibly cavitation, the medium is pressed against the inlet openings of the chambers of the outer ring of the working stage. While it flies past the inlets in the chambers of the outer ring or the edges of the organs at high speed and centrifugal pressure, tiny particles of the material processed in the distribution and cavitation gap are thrown into the chambers already filled with medium at high frequency.
With every such impact in a sound chamber, there is a pulse - corresponding to the energetic performance of the impact - which propagates as a pressure wave through the medium in the chamber. Since the medium in the chambers is under counterpressure, in the case of an incompressible medium, the particles of material that are periodically thrown into the chamber from the distributor gap can only be as large as the particles periodically expelled from the same chamber at the outlet.
In the case of compressible media, however (these are practically all suspensions or mixtures of substances), of course, the compressibility and elasticity of the substance column in the chamber also influence the size of the substance particles periodically hammered into the chamber.
By appropriately setting the counter pressure by means of the counter pressure setting device, the particles of material are forced to ge at a certain time and processing time in the sound chambers. During this dwell time in the sound chambers, the particles are simultaneously subjected to vibrations both from the inlet into the chambers and from the oscillating walls of the sound chambers. The high-frequency impulses and pressure oscillations that act on the particles in the chambers can, depending on the type and structure of the medium to be treated, be generated with frequencies in the sound range up to the high ultrasound range.
The particles are preferably retained in the chambers for fractions of a second to several seconds, so that each particle in its chamber is sonicated for a certain dwell time and then experiences increasing acceleration and increasing frequency and frequency when changing from one processing stage to the next Vibration intensity is exposed. The particles are ejected through a gap that opens periodically for a fraction of a second in the direction of the increasing pressure within one chamber into the next chamber.
This gap and its opening time are made so small that the passage of each particle from one chamber to the next only with progressive dissolution of the structure of the particle up to, for example, microns or submicrons or, for. B. in pulp, up to the A single fibers is possible. The generation of pressure, acceleration, impulses and vibrations and the movement of the medium from one chamber to the next are caused by a large number of kinematic chains formed from the walls of the sound chambers and the medium itself.
In addition to the primary sonic and, if necessary, ultrasonic vibrations, which occur when the edges of the crushing organs of adjacent rings meet, the crushing organs at least one ring, preferably the outer one, which due to their dimensions and their building material as in the tangential direction Type of short tuning forks to sound vibrations excitable plates or webs, that is, as oscillators, are formed, within the sound chambers delimited by them, also secondary Im pulses and waves generated.
Thus, within the sound chambers filled with the substance and thus within the substance, interference effects build up, the frequencies and / or amplitudes of which can reach a multiple of the vibrations generated by the encounter between neighboring crushing organs. If, as mentioned above, the medium is forced to remain in a sound chamber for a certain period of time, instead of following the centrifugal force and following the shortest possible path through the kinematic system, the vibrations can occur together with the mechanical ones Effects on the medium bring about results never before achieved.
This can already be explained by the fact that the sound waves in aqueous media propagate through the material with their energy at around 1470 m / s.
In the multiple and diffuse reflection occurring in the acoustic chambers, a strong sub-particulate and possibly sub-molecular Rei environment occurs within the medium, which can lead to temperature increases depending on its residence time in the device. The sub-particulate and sub-molecular friction has a special share in the breakdown and change in the aggregate state and, possibly together with the conversion of energy into heat, the initiation or acceleration of desired chemical reactions. In this way, chemical reactions can be carried out faster and better than before.
Likewise, the above-mentioned processes also enable the opposite way, z. B. Depolymerization, as well as chemical changes in the most diverse directions. The most favorable reaction kinetics and the most appropriate composition of the reagents for such chemical processes must be determined experimentally from case to case.
The number and frequency of encounter of the shredding organs can be chosen so that the medium which is in the chambers to achieve an optimal effect of the pulses and vibrations occurring in the chambers for a short period of time, for. B. from 1 to i / 40 s, must linger, during which it is sonicated with the most effective frequency and amplitude on the medium. The residence time of 1i40 s in a chamber corresponds to e.g. B. an opening time of the chamber in question from 1/70 to 1/10000 s, depending on the speed of rotation of the chamber ring.
The medium is changing in this Kam merwechsel so intermittently and in tiny particles, z. B. from one or a few mg, pressed into the next already filled with substance chambers and pushed just as intermittently and always further refined through the same into the distributor gap.
The accelerated medium column is torn off every time. As a result, in addition to the above-mentioned pulses and vibrations within the chambers, the medium is also exposed to cavitation, which increases in intensity with increasing diameter, during the transition from one chamber to the next. Due to the temporary, at least partial inclusion of the medium in a chamber limited by vibrating walls representing oscillators, the medium only occurs after a certain circumferential path of the chamber, the length of which z.
B. 1, 15 m, through the distributor gap formed between two surrounding rings through into a chamber of the next ring.
From inside to outside (from the inlet to the periphery), the medium describes a spiral composed of individual steps, with the pitch of each step corresponding to the radial advance length of the material particles in a chamber during their dwell time in the relevant acoustic chamber, while the peripheral path corresponds to the Particles in a rotor chamber are a function of the speed of rotation and the radial feed speed, which, as described above,
can be controlled by setting the inlet and / or back pressure from the outlet.
By appropriate choice of the total number of reduction organs, pressure surges with a repetition frequency in the ultrasonic range can be achieved at a sufficiently high circulation speed. In addition, with a corresponding choice of the number of chambers to which the medium flowing freely to the device is distributed according to the invention in the device, and with a corresponding choice of the frequency of encounter of the shredding organs or chambers, tiny particles of the medium of a few milligrams can be made , e.g. B.
1 to 5 mg, are created and accelerated through the chambers in bursts, steps and spirals and are processed in the individual chambers by high-frequency pressure surges of practically any intensity. The crushing organs are at least partially dimensioned in such a way that they can be excited to vibrate like short tuning forks through mutual encounter, which they emit into the medium located in the adjacent chambers. The fineness of the oscillators can be increased in particular towards the periphery of the device up to the fineness of resilient needles seated on rings. All the oscillators of the device can also have needle fineness.
If necessary, the rings of such oscillator needles can be made axially adjustable in relation to one another. The axial length of the oscillators, especially if the latter are fine needles, can optionally be chosen to be very small. Pin-fine oscillators can e.g. B. cause organic substances to break down down to the cell structure or break down molecular structures.
The innermost shredding organ ring of a processing stage consisting of at least two rings can be arranged in front of special pre-shredding organs in the form of radially projecting into the central feed chamber, shovel-shaped widenings, which pre-shred and accelerate the inflowing medium. You can ge sharpened, bent and provided with appropriately reinforced system and shaped cross-section.
At the periphery of the device, the medium can escape into a common plenum and in the same by pulses and waves of different frequencies are irradiated, in particular when the space through a hollow surface, for. B. by parabolic axial section is limited. The wall having this hollow surface can consist of a material with a particularly high reflection capacity, for. B. made of steel; In particular, the reflection surface can be machined to be mirror-smooth.
The width of the distribution and cavitation gap between the Zerkleine passing organs can be adjusted so that z. B. Cellulose fibers that are much finer than the set gap width, only sonicated, but not sheared, that is, their length is not damaged. If the fibers are to be sheared, the gap width can be adjusted to suit your needs, possibly down to almost zero.
In the drawing, the device proposed according to the invention is shown in five embodiments, for example, namely show: Fia. 1 shows an axial section through an embodiment with a horizontally arranged rotor axis, FIG. 2 shows a view from the left in FIG. 1, partially sectioned along the line II-1I in FIG. 1, FIG. 3 shows an enlarged section of a device according to the invention, FIG. 4 an axial section through a second example,
FIG. 5 shows an axial section through a third and FIG. 6 shows an axial section through a fourth embodiment.
7 is an axial section through an assembly consisting of several individual devices according to the invention.
Fig. 8 is a photomicrograph of a spruce sulfite pulp processed in a conventional cone refiner.
Fig. 9 is a photomicrograph of the same cellulose, but which has been treated in a device formed according to the invention.
The examples of devices according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 have a rotor 2 fastened to a shaft 1 with an inner ring of the medium dividing and centrifugally accelerating organs 3 and three rings with z. B. made of steel, nickel, titanium, molybdenum, chromium or from corresponding alloys existing, vibratory crushing organs (oscillators) 4, 5, 6; Every two adjacent comminution organs of a wreath enclose a sound chamber 8, 9, 10 between them. The number of chambers of z. B. per 2.5 to 0.1 cm3 content increases from the inside to the outside, while the volume of the chambers decreases from ring to ring (see. Fig. 3).
In order to enable such a number of comminuting organs and acoustic chambers increasing towards the periphery of the device, each comminuting organ and acoustic chamber ring, as shown in FIGS. 2 and 3, can be placed on a separate ring by known methods such as milling, drilling or the same can be produced. In this way, individual rings with different numbers of shredding organs can be exchanged as required in order to change the vibration excitations generated between two neighboring rings.
A cone 30 fastened to the shaft 1 protrudes into the hollow chamber 31Z, as a result of which a perfect filling and good guidance of the medium to be treated in the hollow chamber 31Z is achieved. The cone 30 also prevents clogging of the hollow chamber 31Z. On the supported on the bottom 18, pressure housing 12 of the outermost ring around the collecting channel 13, 13 'with the end plates 14 and 15 is attached. In order to divert the pressure occurring in the collecting duct and thus the medium more quickly to the outlet 26, the collecting duct has a cross-section which widens in the direction from the point diametrically opposite the outlet 26 to the outlet 26 (13-13 ').
The end disk 15 carries the holder 16 with the four rings of crushing organs 4 ', 5', 6 ', 7'. The stator organ ring 4 'engages between the rotor rings 3 and 4, the ring 5' between the rotor rings 4 and 5, etc. The rotor rings fly past the stator rings at a small distance, so that their crushing organs mutually and the chambers between them to excite vibrations. Ge according to Fig. 3 limit each two adjacent shredding organs 4 ', 5', 6 ', 7' a sound chamber 8 'or 9' or 10 'or 11' of z. B. 2.5 to 0.1 cm3 content.
The surfaces of the stator and rotor carrying the comminution organs could be given a spacing from one another that is variable in the radial direction from inside to outside such that the ring cross-section between these surfaces changes in a desired sense from inside to outside. So could z. B. the distance between the surfaces carrying the shredding organs are increased so that the volume of the sound chambers and the axial length of the shredding organs increases towards the periphery.
This increase in volume results in the medium tearing apart towards the periphery and increasing negative pressure and thus rapidly increasing cavitation. A diffuser ring 16 '(FIG. 1) can be arranged on the periphery of the outermost rim 7' on at least one side.
While in the present example the medium is pressed into the acoustic chambers by the zen trifugally accelerating organs 3 located in the hollow chamber 31Z under high acceleration and corresponding pressure and divided into small particles, such organs in the hollow chamber could be omitted and passed outside the front directional means such. B. a pressure pump or a column of liquid in front of the device, he sets. Sufficient intermittent promotion could at most also be achieved by the inner rotor organ wreaths alone, that is, omitting the widenings 3.
In order to enable a continuous processing of the medium as it passes through the device by means of pulses and their wave-like propagating vibrations as well as the control of the dwell time of the medium in the device in the simplest manner with the device described, an example of a Formed piece 25 formed supply space 25 'connected. The collecting channel 13, 13 'has an outlet nozzle 26 through which the medium thrown radially out of the device by the sound chambers 11' (FIG. 3) into the collecting channel 13, 13 'is discharged, for example into a line 27 (FIG. 1).
The cavity of the peripheral collecting channel 13, 13 'is essentially symmetrical to the axis of the outlet connection 26 and in the direction of the outlet (see 13 and 13' in Fig. 1) with an increasing cross-section to ensure easier drainage of the medium. An inlet valve 28 can be connected upstream of the supply space 25 'and regulate the supply of the medium.
A regulating valve 29 is arranged downstream of the outlet connection 26 for the purpose of setting the sound and pressure conditions in the device and the dwell time of the medium in the chambers of the latter. Instead of valve 28 and / or valve 29, other equivalent setting means can be used, e.g.
B. an appropriately narrowed outlet or a riser connecting to the outlet to a higher container. The counter pressure could be set to any desired height if free, lockable drains were installed in the riser at different heights. You could, instead of valves, for. B. also ring diaphragms or narrowing spacers, z. B. a restricting the outlet of the medium, grow or insert ben, all of these means could be operated by hand or automatically.
The device shown and described can of course make various changes in details. So z. B. the peripheral surfaces of the crushing members 3 and the crushing members 4, 5, 6 and 4 ', 5', 6 ', 7' lie on coaxial conical surfaces so that by axial displacement of the rotor and stator against each other a change in the gap width, z . B. a constriction between the Zerkleine- rungsorgankranzen occurs, the development of the medium z. B. also a rubbing or mah low processing of the same allowed.
The co-operating crushing organs of the Ro tor and stator can also individually or in groups, some smaller and some larger ra dialen, have a distance from each other, so that z. B. a part of the relatively opposite to each other rotate the crushing organs together squeezing and / or grinding and the other part z. B. only promotes the medium. This enables the medium to be treated in a variety of ways, similar to the work of a pan mill.
The effect of the device can be changed over a wide range by appropriate design of the relatively opposite to cooperating crushing organs. Are z. B. the mitein other co-operating crushing organs sharpened at their edges, we get a shearing effect. If they are rounded, the result is a more striking and less shearing effect. If they have a small or very small distance from one another, you get very effective shearing work with sharp edges and more squeezing work with blunt edges, as it happens in the pan mill.
If you round off the cross-section of the comminuting organs in the direction of rotation at the front or point them in a drop shape, you facilitate the working through of thixotropic or dough-like substances, as they sometimes, e. B. occur with higher percentage pulp suspensions. The device allows according to the result of detailed experiments such.
B. deflaking without shear and; 'or grinding, optionally swelling and' / or bringing about other states of pulps up to high degrees of concentration. In order to achieve such high performance, the device can be built in such a way that the inner ring of a processing stage has larger gaps between its crushing organs than the one surrounding it, which causes the flaky, sometimes lumpy, z.
B. from a coarse dissolver kom coming substance or lumpy pulp aufneh men. The crushing organs, which are also advantageously widened tangentially for this or similar purposes, accelerate the medium and distribute it with high pressure into the sound chambers of the next larger, relatively counter-rotating ring. It already has a significantly larger number of radial sound chambers. A ring with an even smaller pitch, that is to say even more and possibly narrower sound chambers, then runs around the last-mentioned ring in a relatively opposite manner.
This last, finer divided ring can be enclosed by a pierced, even finer divided ring. The number of rings enclosing one another can be increased depending on the purpose up to the achievement of arbitrarily high frequencies and degrees of processing.
Since the smaller division also, as mentioned above, the sound chambers between the crushing organs forming from ring to ring from the inside to the periphery of the device become finer, the Schwingungsver ratios change, which are inherent to the shredding organs designed as oscillators, because these act as multiple tuning forks, which are excited to radiate sound by the crushing organs flying past them in relatively opposite directions.
In one device z. B. the tangential strength of the vibrating organs of the outer ring, for example 3 mm, the tangential width of the sound chambers 2 mm and the length of the oscillating crushing organs 16 mm. The ring enclosed by this outer ring is occupied with excitation organs, whose tangential thickness is 5 mm, while the chamber width is 3.2 mm and the length of the comminuting organs is 15 mm.
In this case, the speed of the inner ring is 3000 U, lmin with a diameter of the distribution and cavitation gap enclosed between the two rings of 260 mm.
The relative speed in the distribution and cavitation gap is thus
EMI0008.0028
The inner ring's crushing organ number is
EMI0008.0030
and is the grinding organs number of the outer ring
EMI0008.0032
The comminution organs of the inner (exciter) ring bring the tangentially oscillating comminution organs of the outer, via the high-frequency impact effect generated in the distribution and cavitation gap.
finely divided ring for emitting additional acoustic vibrations into the sound chambers. The total number of impulses and pressure surges generated by the encounters between the organs is calculated =
EMI0008.0039
An excitable comminuting organ ring made from a high-quality steel alloy according to this example emits a clearly audible sound even when lightly brushed with a wooden stick.
Depending on the requirements of the medium to be processed, for example the passage cross-section of the sound chambers, the axial, radial and tangential expansion as well as the material of the excitation organs and / or the oscillators, the number of crushing organs per ring, the Number of stages, i.e. the number of rings, the diameter of the rings and the speed changed. An enlargement of the tangential distance of the crushing organs one and the same ring results in an enlargement of the individual volume of a sound chamber.
As a result, the total energy expenditure invested in the ring concerned is divided into fewer parts, which on the one hand results in an increase in the wave amplitude, but on the other hand in a reduction in the frequency. It can e.g. B. all or part of the comminuting organs can be drilled through radially or peripherally, which also generates intense interference vibrations. There are therefore a wide variety of options for regulating the direct kinematic influences on the structure of the medium, in particular its fixed parts, as well as the influence of the sound reinforcement acting in parallel.
The embodiment of FIG. 4 differs from that of FIGS. 1 and 2 in particular by the following features: The comminuting organs 5 are made considerably thinner in the tangential direction than their axial length. In addition, their radial extent is greater than their tangential thickness, so that they are excited to vibrate like tuning fork teeth.
The cross section of the outlet port 26 adjoining the collecting duct 13 'is at the constriction 26' directly after the pressure housing considerably smaller than that of the inlet pipe 25 and the discharge 26, whereby the substance in the pressure housing is dammed and the flow is opposed to pressure. The device has only two rotor element rings 3 and 5 and two stator element rings 17 and 32. The element ring 32 consists of a ring with radial openings 33, the webs between the same forming the comminuting elements.
Some of the rotor members 3 have pre-tearing members 34 which, in the example shown, are knife-like; these work with counter tools 35 in the Zufüh approximately space 25 'together, the z. B. the shape of cutting jaws; tooth-like, corrugated or similar projections or blind holes and allow an even better pre-comminution of the axially approaching medium than the pre-tearing members 34 alone.
The feed pipe 25 can, as indicated by dotted lines in FIG. 4, be brought up to any desired distance to the cavity of the rotor with a reduced cross section. In the rest of the conditions applies to the example of FIG. 4 essentially the same as for the first embodiment of FIGS. 1 to 3. Such embodiments are suitable, for. B. especially for the solution of lumpy goods, such as kaolin, or for the rapid impregnation of solid materials with binders, chemicals, solvents, etc.
In the example of Figure 5, the drive shaft 1 is through a conical hub 36 of the rotor 2 through to the side of the feed space 25 'extended ver and carries an impeller 37 with helical blades, which the medium z. B. promote from a container through the feed space 25 'in the front direction. To increase the conveying effect, a fixed diffuser 38 is provided, the blades of which are opposite to the blades of the Pum penrades 37 curved. On the inner wall of the feed space 25 'axially extending guide plates 39 are arranged, which ensure a swirl-free run of the medium in the device.
On the free end of the elongated shaft 1, blades 40 sit, which can be designed like a propeller if larger delivery heights have to be overcome or if the medium, due to its structure, offers particular resistance to the promotion. The wings 40 can also be designed like a knife to cut the medium.
The element carrying the outermost organ rim 18 is designed as a removable ring body 16 so that frequency changes are possible by exchanging the latter.
The stator elements 18 are in this embodiment form clamped webs at both ends. Otherwise, essentially the same applies to this example as to the first embodiment according to FIGS. 1 to 3.
The embodiment of FIG. 6 has, instead of a stator cooperating with a rotor, two rotors 41 and 42, possibly rotating in opposite directions. The rotor 41 sits on the suction side provided with an inlet port 48 on a shaft 44 mounted in the housing 43 and the rotor 42 with the cutter reduction organs 45 and 46 on a shaft 47 mounted in the housing 43, which is driven in the opposite direction to the shaft 44. A conveying and measuring screw 49 is seated on the shaft 44 in the region of the supply space 25 ′.
By appropriate choice of the pitch of this screw, the amount of the medium conveyed by the device can be precisely regulated. The ring 50 with the shredding organs 51 and 52 carrying conveying vanes 53 of the rotor 41 give the medium a high circumferential speed opposite to the direction of rotation of the rotor 42 for the purpose of comminution. Since the medium conveyed by the vanes 53 against the rotor 42 is initially activated the shredding organs 45 or their axial extensions 45 'smashed and, depending on the structure of the medium, roughly or already finely distributed.
As indicated by dotted lines in FIG. 6, the vanes 53 with axially directed tips 53 ′ can protrude into the hollow chamber 31Z of the rotor 42. The further course of operation in the device is the same as in the other examples. The treated medium emerging from the ring 52 reaches the collecting duct 54, from where it is discharged through the outlet connection 55.
7 shows, as an example, a unit consisting of three individual devices 57, 58, 59 connected one behind the other, with guide disks 60 being arranged between the individual devices. The arrow line P illustrates the flow of the medium through the unit. A conveyor or pressure screw 63 is seated on the shaft 61 at the inlet 62.
The inlet pipe 25 is cylindrically guided with a constant diameter up to its fastening flange on the holder 16 of the stator, so that the end face of the rotor elements 3 is completely covered and so the substance to be flowed has to follow the arrow line X and is guided from the radial direction between the rotor elements 3 is, whereby increased acceleration of the substance in the hollow chamber 31Z is achieved.
Such a combination obviates the need to strien in some Indu, z. B. the pulp production, two, three or more machines of the same type in a row to deliver through which the medium runs one after the other to work to the required degree be, z. B. defibrated, fibrillated, or refined to become.
Most of the time, feed pumps and / or intermediate containers were required between the individual machines. Due to the proposed combination according to the invention, such expensive systems are unnecessary; Experience has shown that a considerable saving in energy and space is achieved, the monitoring is much simpler and the time saving compared to known devices is in many cases up to 90% of the previous effort.
In the case of a unit according to FIG. 7 consisting of several individual devices connected in series, the housing of each individual device can be provided with a radial or tangential outlet, each outlet being adjustable or lockable.
This can make a special? difficult to edit the medium, for example, be processed through three devices in the circuit until a change in the medium, which allows easier loading, occurs; then the medium can already be drained off by opening the outlet of the second or possibly even the first device, the subsequent devices being rendered inoperative by closing their outlet valves.
The exemplary embodiments shown can work with a vertical, horizontal or inclined axis. The device shown in the exemplary embodiments can be modified as desired in terms of their shape, their dimensions and their individual parts to change the effect.
For example, their effect can be adapted to the medium to be processed by appropriate choice of the rotational speed of the rotating organ rings or rings, with the drive of the device as needed with known means, eg. B. by belt drive, by a transmission gear or by an electric motor directly, and optionally the housing of the device - as it is from Swiss Patent No. 288154 and German Patent No. <B> 1079 </B> 597, with directly centrifugal pumps coupled to an electric motor, with motor; Grinding wheels and motor; Fans is known - be firmly connected to the housing of the motor and the rotor attached to the end of the extended motor shaft free-floating.
Furthermore, z. B. the organ wreaths can also be provided with round, cylindrical or differently shaped radial sound chambers or sound chambers deviating from the radius in an appropriate size, if necessary up to the highest fineness and division.
In order to have a shearing, rubbing and possibly collapsing effect, such as that for example in the production of cellulose or similar mixtures to change the structure, e.g. B.
To cause swelling, to change the water balance of the fiber or other material particles, to strengthen or to change, the axial section of the rings rotating relative to each other can be graded conically or bell-shaped or step-like, so that by axial displacement of the rings against each other with known Means a change in the width of the distribution gap between the rings is achieved, which can be adjusted as required from the furthest, technically necessary, to the smallest distance, if necessary up to shear friction.
The width of the manifold gap in wel chem at appropriately high Relativgeschwin speed of the two organ rings cavitation occurs, for. B. in one embodiment for the defibration of pulp about 1 mm. Since the thickness z. If, for example, a spruce pulp fiber and many other fibers for the paper industry - depending on their origin - are in the range of 10 to 40 microns, as has been determined in many tests, no shearing or shortening of the fibers occurs because there is no shear formation takes place with contact of the organs rotating relative to one another.
Since the fibrils that form are many times finer and their thickness is in the range from a few microns to less than 1 micron, shear or
Shortening of the same is prevented, and the dissolution takes place only through impact, high-frequency pressure changes, friction and possibly cavitation. The edges of at least part of the comminution organs, as well as the rubbing surfaces of the comminution organs of the surrounding rings, can additionally be toothed, corrugated, roughened or provided with blind bores to increase the attack effect with certain media. The comminuting organs can also be single or multiple corrugated, curved concave or convex, and if necessary also elastically flexible.
Such a resilience of the comminuting organs, possibly also of the rings, can be brought about, for example, by using or co-using elastic substances such as rubber, plastic, spring metal or the like. In order to protect the surface inside the device against abrasion, corrosion or the like that is flushed by the medium to be processed, it can be provided with a hard or elastic corrosion-resistant coating, depending on the requirement.
Lines for additives, such as other components, solvents, reagents, catalysts, bleach, liquids for rinsing the device or the like, various aggregate states, for the purpose of influencing the physical or chemical processes in the device can, if necessary, at all suitable points the device or its supply and discharge conditions are attached. So z. B. liquids or mixtures are gassed or foamed by supplying gases into the device. By introducing bases into the device, acids or acidic substance mixtures can also be neutralized spontaneously or latently, or corrected with regard to their pH, as desired.
In a similar manner, spontaneous or latent chemical reactions with any required intensity and with any desired control of the reaction mechanism can be carried out by supplying additional components into the device.
The inventive device can for shorter or longer periods of time in a lower sound area and only by shearing, crashing, reflecting animals, rubbing, etc., work.
The following exemplary embodiments for the method according to the invention are based on an apparatus which has four surrounding rings of comminuting organs. On the innermost ring there are 24 grinding organs. The opposing ring surrounding it has 100 shredding organs. The third ring has 150 shredding organs and the outermost ring has 200 shredding organs. The peripheral extent of the shredding organs and sound chambers varies in this embodiment from the axis to the periphery from ring to ring, for example between 10 mm on the innermost ring to 2 mm on the outermost ring.
The device runs at a relative rotor-stator speed of n = 3000 U; min. It turns out
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The volume of the housing of the device used is 4 liters after subtracting the net volume claimed by the device, so that 4 liters of the medium in question are always exposed to the action of the kinematic, high-frequency effects and the sound within the device.
The dwell time of the medium in the device is controlled manually or automatically so that the flow of a filling of 4 liters of substance takes place in a period of 0.36 s. That means a flow rate of around 40,000 1h or 11 1 / s. With an assumed density of the medium of 1 g / cm- ', 11 liters correspond to a weight of <B> 11000 </B> 000 mg. Based on the specified total number of pressure pulses causing the material transport through the device, <B> 11000 </B> 000 mg of the medium are initially broken down into 2,370,000 particles with an average individual weight of about 4.6 mg per second.
During a period of 0.36 s (flow time through the device - dwell time in the device), each of these particles is released from part of these impulses, in particular from the one effective in the respective acoustic chamber and from the environment of the acoustic chamber in question into the latter impacting proportion of the vibrations mentioned above.
By appropriately designing a device according to the invention with only a single sound level, ultrasonic vibrations (of over 16,000 Hz) can be generated in each individual chamber.
Thus, for a device with two acoustic chamber rings with 400 chambers each at 50 relatively opposite revolutions per second, a frequency of 400.50 = 20,000 Hz, and at 100 relatively opposite revolutions per second a frequency of 400. 100 = 40,000 Hz. Analogously, the frequency per sound chamber of a device with 1,000 chambers per ring at 50 relative revolutions per second is 50,000 Hz and at 100 relative revolutions per second 100,000 Hz.
The total number of pulses in a device with 400 chambers per ring is therefore 400-400-50 = 8-10s per second at 50 relative revolutions per second. The high-frequency sound in the ultrasound area propagates in the liquid part of the medium in the device with about 1470 m's and in the solid part of the medium with about 3000 m / s on all sides to the boundary surfaces of the inner wall of the device.
This explains in part why mixtures with a higher solid concentration, apart from the increased interpar-, i.e. with this device a total number of pressure pulses from ticular friction, are processed more intensively and more completely than mixtures with less solid content, precisely because the propagation of sound waves in solids with about two to three times higher Ge speed going all z. B. in water. A z. B.
Experience has shown that under the same working conditions, 5% pulp is d-defibrated faster and better than the same pulp at a concentration of only 2%. <I> Embodiment 1 for the method </I> A slurry of kaolin in water (at a concentration of 20'0 / a) is to be continuously driven through and processed through the aforementioned device with the specified flow rate .
The particle size of the kaolin ranges approximately between max. 20 mm and min. 1 mm. When entering the inner, more coarsely divided organ rim, the coarser particles are sheared, crashed and crushed in fractions of a second down to millimeter-sized or even smaller particles. At the same time, the high-frequency acoustic irradiation, which is effective during the entire dwell time of the kaolin dispersion in the device, begins.
As many experiments have confirmed, this leads, within the dwell time of the dispersion of one second in the device, to a homogeneous breakdown and fine distribution of the kaolin into individual particles with micron size ratios.
<I> Embodiment 2 for the method </I> Coarsely pre-dissolved paper stock, e.g. B. from unsortier tem waste paper, in a concentration of 5 fl / o in water, after removal of metal particles and dirt, as it comes from a dissolver, pulper or the like, possibly with the interposition of handmade paper, cleaners, thickeners, etc.,
The device is continuously fed in and subjected to the processing described above by kinematic effects and simultaneous sound reinforcement. As a result, the particles, flakes, fiber bundles or specks, as has been found in numerous tests, are dwelled between a few seconds and less than a second - depending on the type of substance. - continuously defibrated down to the single fiber, speck-free.
For the same process. up to now, with classic methods, such as those carried out in the Hollander, 1 /, to 4 hours, that is, a time 1800 to 14000 times longer and, as is well known, a multiple amount of energy required.
This example also applies to wood pulp or chemically pretreated materials made of wood, straw, grass, etc., where the wood is pre-shredded (e.g. wood chips, knots, residues, wood shavings, broken veneer, chopped wood wool, etc.).
Depending on the possible change in the coarse material solution, the resistance of the specks and depending on the desired degree of dissolution, defibrillation rank and defacification, as well as, if necessary, milling, swelling, fibrillation etc., the degree of processing can be increased by repeating the treatment, but also by increasing or decreasing the speed, the narrowing or widening of the radial gap between the crushing organs of the surrounding rings as required by known means, eg.
B. by replacing the organ rings or the above-mentioned axial displacement against each other, can be corrected.
The pulp obtained shows excellent protection of the fiber and gives papers and cardboard, which experience has shown z. B. compared to known Ver drive increases in tensile strength of more than 300%. The other properties of the material obtained are also excellent.
The energy requirement for the case mentioned is lower than with known methods and the overall results are incomparably more favorable than those of piezoelectric sound.
FIG. 8 shows a spruce sulfite pulp processed with a cone refiner for 15 minutes as usual. In comparison to the previous figure, FIG. 9 shows the same material after processing for 4 seconds according to the method according to the invention. According to the known method of mechanical treatment, the treated fiber material, as shown in FIG. 8, is largely destroyed and its fiber structure is damaged. A sheet of paper made from this material has a tear length of 4570 m. The paper industry has been fighting this fiber destruction for many years without any notable success.
In contrast, a sheet of paper of the same weight, as shown in FIG. 9, is an exemplary conserved fiber material with long fibers and fibrils. Many tests have shown that this kind of protection of the fibers is not accidental, but characteristic and can generally be achieved for the invention applied for. Comparison sheets made from the material according to FIG. 9 have a mostly double, often three to four times higher tear length than the sheets made from the material according to FIG.
Such gentle dissolution of the fiber agglomerates, also called fiber bundles or specks, apart from the sonication in the small cavities, is largely due to cavitation occurring in the distribution and cavitation gap.
Exact measurements on a device with 500 transducers and sound chambers have z. B. in the treatment of Kraft pulp result in a power consumption of 50,000 watts. The no-load losses were 8,000 watts or 16 0/0, so that each unit, consisting of transducer and chamber, had an output of
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not applicable. This performance is made up of the kinematic and the sound effects.
The cross section of a Schwinger! The chamber unit was 0.5 cm2, the total cross-section of the generator, composed of 500 vibrator / chamber units, was 250 cm2, resulting in a specific output of 84 watts per vibrator, chamber unit or 168 watts / cm2. The specific performance achieved in this way exceeds the performance of piezoelectric and magnetostrictive and other sound generators by far.
Since the amplitude increases in the direction of the periphery and with the increasing speed of rotation, the device according to the invention enables the frequency and the amplitude to be increased at the same time, which is a fundamental advance compared to classical ultrasound technology. <I> Embodiment 3 for the method </I> Wood chips or shavings made of wood (e.g. wood shavings, sawdust or peeled shavings, such as broken veneer), which should preferably be as thin as possible, but have a long, fibrous nature, are referred to on known processes sucked in or sprayed. The concentration of the NaOH lye is about 5 to 10 / o, depending on the type of raw material.
It is adjusted with water to 3 to 5% dry matter, depending on the slipperiness of the raw stock suspension. The raw suspension is introduced into the device and processed and sonicated in the same with a dwell time corresponding to a forward feed speed of the material of 1.4 m "s.
The dwell time is set by the entry speed and the counter pressure by the means upstream and downstream of the device for this purpose. The fibrous material emerging continuously from the device is largely or fully defibrated depending on the type of raw material. If, depending on the findings of the result, further defibration and possibly fibrillation is desired, the procedure is repeated in the same way. During the dwell time (corresponding to an intermittent advance of the medium in the acoustic chambers of 1.4 m / s), the substance in the device is deeply impregnated with the lye adhering to it.
Due to the high-frequency pressure shock treatment and sonication, the individual fibers are separated from one another while being particularly careful of their structure, especially their length and strength, and a high-quality alkali cellulose is obtained. The method according to the invention can of course also be applied in a similar or correspondingly modified manner to the production of other pulps (e.g. sulphite or sulphate pulps). The further treatment of pulps prepared in this way, e.g. B. for paper production or for the production of spinning solutions (viscose etc.), plastics etc., can be done using the known solvents or
Reagents or their mixtures are carried out.
This process example can also be applied to the processing of annual plants such as grasses, reeds, bamboo and bagasse. Esparto, etc., where the consistency, the alkali concentration, the temperature and the duration of treatment can be adapted to the substance if necessary. Exemplary embodiment <I> 4 for </I> the process fibrous materials, e.g. B. made of wood, annual plants (grass, straw, bamboo, esparto, etc.) can, for. B.
for the production of paper and cardboard, in an exceptionally short time while achieving high quality of the material and high yield in a very economical way, in which the pre-dissolved fiber of the high-frequency impact and sonication in passage through the device depending on the type of raw material and the ge desired remission of the bleached substance once or repeatedly for about 1.5 to 2.5 seconds residence time of the substance in the device with the addition of about <B> 10 / @ </B> chlorine, z. B. from calcium hypochlorite, is subjected.
The appropriately concentrated chlorine solution can be added before the substance to be bleached enters the sonication device or introduced into its housing under measurement and control through lines provided on the latter, possibly also incorporated into the substance in powder form before entering the device. In the device, the bleaching agent is fully distributed in the fabric. There occurs a highly effective penetration and impregnation of the fibers with the bleaching agent due to the high-frequency pressure maxima and minima, which result in an immediate onset of the intensive bleaching effect visible on the substance emerging from the device.
In this way, the subsequent bleaching process can be shortened considerably for almost all fabrics and the whiteness can be improved with consistently lower consumption of bleaching agents.
<I> Embodiment 5 for the method </I> For the implementation of chemical reactions in general, the following example is given, which comprises a reaction between base and acid with simultaneous formation of a gel as a result of coagulation.
According to this example, the production of silica takes place for a variety of purposes, known per se, eg. B. as a filler for paints, paper, rubber, etc., or as a protective colloid, as follows: One introduces liquid alkali silicate, z. B. one of the known types of water glass, in the required concentration through the suction port in the front of the device. The introduction takes place either by the suction force of the device alone or with the assistance of a pump. At the inlet to the device, the amount of alkali silicate flowing in is adjusted by a regulating valve and, if necessary, measured by known control devices.
Several pipe feed lines for the required acid reaction are introduced through the axis of the feed pipe or at other appropriate points on the housing. These tubes can branch several times in the interior of the device, preferably as close as possible or in the central hollow chamber, in order to ensure the best possible distribution of the acid from the start. The supply lines for the acid are also expediently provided with regulating valves and / or measuring instruments.
With the device rotating, the stoichiometric amounts of alkali silicate and acid are allowed to flow into the device through the corresponding lines, whereupon an extremely intensive and uniform distribution of alkali silicate and acid as well as intimate contact of even the smallest particles occurs within them , so that an immediate reaction takes place and the precipitation of the silica takes place. The silica can be obtained in any particle size and fineness.
These properties are regulated by the per se known proportioning of alkali silicate and acid, which can be matched to one another as required and regulated manually or by automatic control devices. The size of the particles can be regulated as desired by faster or slower flow in relation to the dispersing work of the device. By appropriately setting the speed of the relatively opposing organ wreaths and / or changing the dwell time by means of the inlet or
If necessary, the silicic acid formed spontaneously is then processed to the required particle size and homogeneity for aerosols. In this process example, it is up to you to regulate the physical and chemical structure of the silica, which flows out of the device as the end product, as required. Instead of acids, other coagulating reagents can of course also be used.
The method and the device according to the invention can be applied to an extraordinarily large number of physical and / or chemical changes in substance, mostly using the generally customary composition of substance components and / or reagents for the most varied of types. Transfer substances and mixtures.
The only examples are: Mixtures of various types, the production of homogeneous micro suspensions, fillers, defibrillation, refining, bleaching and other chemical treatments of cellulose, semi-cellulose, ground wood or waste paper as well as other cellulosic substances (e.g.
B. for the production of rayon), xanthogenation, homogenization of spinning solutions, suspensions, dispersions, emulsions, etc., polymerization, depolymerization, syntheses and other, including catalytic reactions of various kinds.