CH622438A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum diskontinuierlichen Mischen von mindestens zwei Stoffen, von denen mindestens einer eine Flüssigkeit ist, bestehend aus einem Behälter und einem im Behälter angeordneten Rührwerk, das aus einem über eine Welle hochtourig antreibbaren Rotor und aus einem Stator besteht, die jeweils auf zueinander konzentrischen Kreisen angeordnete, unter Bildung von Scherspalten aneinander vorbeilaufende Zähne aufweisen.

Aus dem Buch von Kölln-Engels, «Betriebshandbuch der Lackherstellung, Apparate, Maschinen, Geräte», 1959, Seiten 128, 129 ist eine derartige Vorrichtung bekannt. Es handelt sich dort um sogenannte Stabkäfigrührer, die einen Rotor aufweisen, um den herum ein Kranz von stillstehenden Stäben angeordnet ist, durch die die zu mischenden Stoffe hindurchgeschlagen werden. Diese Vorrichtung eignet sich gut zur Verteilung von pulverigen Bestandteilen, die auch grössere, feste Konglomerate enthalten können, in Flüssigkeiten. Bei Erhöhung der Konsistenz sind diese Vorrichtungen nicht mehr einsatzfähig, da sie nicht in der Lage sind, den zu mischenden Stoffen die notwendige Gesamtströmung zu verleihen. Zur Erhöhung der Schlagwirkung sind weitere stillstehende oder auch gegenläufige Stabsysteme vorgesehen worden. Diese Ausgestaltung ist aber konstruktiv aufwendig und äusserst empfindlich. Ein zufriedenstellendes Umwälzen des gesamten Behälterinhalts ist auch hierbei nicht gewährleistet.

Wegen dieser Probleme ist es weithin üblich geblieben, zum Mischen, also zum Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeiten bzw. zum Rühren von Flüssigkeiten in Flüssigkeiten Rührwerke einzusetzen, die eine an einer antreibbaren Welle angesetzte Scheibe und an deren Aussenrand angebrachte Zähne aufweist, wie sie beispielsweise aus der US-PS 2 651 582 und in verbesserter Form aus der DE-AS 1 186 039 bekannt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die bei Verringerung des Energieeinsatzes zu einer Verringerung der erforderlichen Mischzeit bzw. einer Verbesserung des Mischergebnisses führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens der radial aussenliegende Kreis von Zähnen des Rotors ausserhalb des radial aussenliegenden Kreises von Zähnen des Stators angeordnet ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch diese bestimmte Zuordnung von Rotor zu Stator beim Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeiten bei gleicher Dispergierfeinheit eine Reduktion der erforderlichen Dispergierzeit bis auf ein Fünftel der bei den bekannten Vorrichtungen erforderlichen Zeiten erreicht wird. Der insgesamt für einen Mischvorgang erforderliche Energieaufwand wird gleichzeitig auf 75 bis 80% des sonst üblichen Energieaufwandes reduziert. Dies führt zusätzlich dazu, dass die zu mischenden Stoffe weniger stark erwärmt werden, der Aufwand für eine gegebenenfalls notwendige Kühlung kann also verringert werden. Erklärt werden kann dieses überraschende Ergebnis damit, dass die einzelnen Stoffpartikelchen bzw. Flüssigkeitströpfchen nach Passieren des radial am weitesten aussenliegenden Kreises von Scherspalten von den radial ganz aussenliegenden Zähnen des Rotors eine hohe Tangentialbeschleunigung erfahren, die zur Ausbildung sehr starker Zirkularströmungen führt, die alle Partikelchen bzw. Tröpfchen sehr viel öfter pro Zeiteinheit in das Rotor-Stator-System zurückführen, so dass alle Teilchen ausserordentlich hohen hydrodynamischen Scherbeanspruchungen ausgesetzt werden. Weiterhin treten aufgrund der erfindungsgemässen Ausbildung Kavitationserscheinungen in den Scherspalten zwischen den Zähnen des Rotors und des Stators auf, die darauf zurückzuführen sind, dass die relativ zu den Zähnen des Stators aussenliegenden Zähne des Rotors im Scherspalt einen hohen Unterdruck erzeugen, der zur kurzzeitigen Überführung der Flüssigkeit in die Dampfphase führt, die anschliessend jeweils sofort wieder zusammenbricht. Hierdurch erfahren die zu mischenden bzw. rührenden Stoffe zusätzliche hohe Beschleunigungen. Ausserdem zerplatzen Feststoff-Agglomerate in den sich aufgrund der Kavitation bildenden Dampfblasen. Es hat sich als äusserst vorteilhaft erwiesen, wenn die Zähne aneinander konzentrisch und mit geringem radialem Abstand umgebenden Ringscheiben des Stators bzw. des Rotors angebracht sind. Die stillstehenden Zähne des Stators und die umlaufenden Zähne des Rotors können hierbei in beliebig kleinem Abstand voneinander angeordnet werden, d. h. die Scherspalte zwischen den relativ aneinander vorbeilaufenden Zähnen können den jeweils vorgegebenen Bedingungen entsprechend angeordnet werden. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Zähne hierbei nach beiden Seiten der jeweiligen Ringscheibe, so dass sich den gesamten Behälterinhalt erfassende Zirkularströmungen einstellen können, d. h. es bilden sich keine Toträume im Behälter. Zweckmässigerweise haben die Zähne des Rotors und die zugeordneten Zähne des Stators axial die gleiche Erstrek-kung und sind parallel zueinander angeordnet. Hierdurch wird jeweils die volle Länge der Zähne zur Bildung über ihre Länge konstanter Scherspalte ausgenutzt. Mindestens eine Ringscheibe des Rotors ist vorteilhafterweise über Rotorarme an

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der Welle befestigt, die einerseits noch zusätzliche Tangentialbeschleunigungen auf die zu mischenden Stoffe ausüben, was zu einer weiteren Verstärkung der Zirkularströmungen beiträgt und die zulassen, dass durch die Öffnungen zwischen ihnen zusätzliche Axialströmungen auftreten. Zur weiteren Verstärkung der Zirkularströmungen können die Rotorarme gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur tangentialen Beaufschlagung der Stoffe schaufelartig oder propellerartig ausgebildet sein. Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die Rotorarme eine die Stoffe vom Boden des Behälters abhebende Schräganstellung aufweisen. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn Feststoffe in Flüssigkeit zu dispergieren sind, die vor dem Beginn des Disper-giervorganges sehr stark zum Absetzen neigen. Zweckmässigerweise ist die Ringscheibe des Stators über Speichen an einem die Welle umgebenden Statorrohr angebracht, wodurch ermöglicht wird, dass auch durch die Öffnungen zwischen den Speichen Axialströmungen auftreten.

Vorteilhafterweise sind die Zähne als Stifte ausgebildet. Üblicherweise werden Vorrichtungen gemäss der Erfindung -wie an sich bekannt — in der Art eingesetzt, dass das Rührwerk senkrecht von oben in einen Behälter eintaucht.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäss der Erfindung im Vertikalschnitt,

Fig. 2 einen Stator der Vorrichtung nach Fig. 1 im Vertikalschnitt in vergrösserter Darstellung,

Fig. 3 den Stator nach Fig. 2 in Halbdarstellung in Draufsicht,

Fig. 4 einen Rotor der Vorrichtung nach Fig. 1 im Vertikalschnitt in vergrösserter Darstellung und

Fig. 5 den Rotor nach Fig. 4 in Halbdarstellung in Draufsicht.

Eine Vorrichtung gemäss der Erfindung weist einen oben offenen, etwa zylindrischen Behälter 1 auf, in den von oben ein Rührwerk 2 hineinragt. Das Rührwerk 2 weist eine in einem nur angedeuteten Gehäuse 3 fliegend gelagerte Welle 4 auf, die von einem ebenfalls nichtdargestellten Antriebsmotor hochtourig antreibbar ist. Derartige Anordnungen sind allgemein bekannt und handelsüblich. Die Welle 4 wird über den grössten Teil ihrer Länge von einem Statorrohr 5 umgeben, das in dem Bereich, in dem es in den Behälter 1 eintaucht, mit zwei einander gegenüberliegenden, längsverlaufenden Schlitzen 6 versehen ist, durch die beispielsweise eine Reinigung der Welle 4 möglich ist. Am unteren Ende des Statorrohres 5 ist ein Befestigungsring 7 angebracht, an dem ein Stator 8 angebracht ist. Der Stator besteht aus einem Nabenring 9, von dem sich radial einige Speichen 10 erstrecken, an denen eine Ringscheibe 11 befestigt ist. An dieser Ringscheibe 11 sind Zähne 12 in Form von Stiften angebracht, die in der Nähe des Aus-senrandes 13 der Ringscheibe 11 gleichmässig verteilt über deren Umfang angeordnet sind. Diese zylindrischen Stifte sind durch entsprechende Bohrungen 14 in der Ringscheibe 11 hindurchgesteckt und mit dieser verschweisst. Die Befestigung des Stators 8 am Befestigungsring 7 erfolgt mittels Schrauben 15.

Am unteren freien Ende der Welle 4 ist ein Gewinde 16 angebracht, auf das ein Rotor 17 aufgeschraubt ist. Der Rotor 17 weist eine Nabe 18 auf, die eine Gewindebohrung 19 aufweist, in die das Gewinde 16 der Welle 4 einschraubbar ist. Das Gewinde 16 bzw. das Gewinde der Gewindebohrung 19 hat den gleichen Drehsinn wie die Drehrichtung 20 der Welle 4, so dass beim Antrieb der Welle 4 die Nabe 18 sich nicht von der Welle 4 lösen kann.

Von der Nabe 18 erstrecken sich radial nach aussen propellerartige Rotorarme 21, die an der Nabe 18 angeschweisst sind. Aufgrund ihrer propellerartigen Ausgestaltung beschleunigen sie die im Behälter befindlichen Medien bei ihrer Drehbewegung tangential. Hierzu sind sie gegenüber der Horizontalen schräg angestellt, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist.

An ihren radial aussenliegenden Enden sind an den Rotorarmen ebenfalls propellerartig oder schaufelartig ausgebildete Vertikalstücke 22 angebracht, die eine die Ringscheibe 11 des Stators 8 konzentrisch mit geringem Abstand umgebende Ringscheibe 23 tragen, die ebenfalls an den Vertikalstücken 22 angeschweisst ist. Die Rotorarme 21 und die Vertikalstücke 22 können selbstverständlich auch einstückig ausgebildet sein.

An der Ringscheibe 23 des Rotors 17 sind gleichermassen wie an der Ringscheibe 11 des Stators 8 Zähne 24 in Form von Stiften angebracht, die in Bohrungen 25 der Ringscheibe 23 durch Anschweissen befestigt sind, und die sich in der Nähe des Innenrandes 26 der Ringscheibe 23 befinden. Die als Stifte ausgebildeten Zähne 24 haben den gleichen Durchmesser und die gleiche Länge wie die als Stifte ausgebildeten Zähne 12 und überdecken sich auch in ihrer jeweiligen Längsrichtung (siehe Fig. 1), so dass bei einem Vorbeilauf eines Zahnes 24 des Rotors 17 an einem Zahn 12 des Stators 8 ein Scherspalt 27 gebildet wird, dessen Breite einige Millimeter betragen kann. Die als Stifte ausgebildeten Zähne 12, 24 sind achsparallel zur Drehachse 28 der Welle 4 ausgerichtet. Der vertikale Abstand der Rotorarme 21 von den Ringscheiben 11 bzw. 23 ist grösser als die Länge der jeweils nach unten aus den Ringscheiben 11 bzw. 23 herausragenden stiftartigen Zähne 12 bzw. 24.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

In dem Behälter 1 befinden sich mindestens zwei verschiedene Stoffe, von denen mindestens einer eine Flüssigkeit ist. Durch entsprechend hochtourigen Antrieb der Welle 4 in Drehrichtung 20 dreht sich der Rotor 17 relativ zum Stator 8 mit sehr hoher Umfangsgeschwindigkeit der Zähne 24, die mehr als 50 m/s betragen kann. Durch diese hohe Umfangsgeschwindigkeit erfahren die im Behälter 1 befindlichen Stoffe durch den Rotor 17 eine hohe Tangentialbeschleunigung, die dazu führt, dass sich eine stark ausgebildete Zirkularströmung einstellt, die durch die Strömungslinien 29 und 30 angedeutet sind. In Fig. 1 sind durch die Strömungslinien 29, 30 naturge-mäss nur die im Vertikalschnitt auftretenden Bewegungskomponenten dargestellt, während die Rotationsbewegungskomponente nicht dargestellt werden kann. Es handelt sich natürlich um eine dreidimensionale Strömung. Nach der stark vereinfachten Darstellung der Strömungslinien 29, 30 stellt sich eine Strömung gemäss der Strömungslinie 29 ein, die durch den oberhalb der Ringscheiben 11, 23 liegenden Teil des Scherspaltes 27 radial etwa nach aussen verläuft und dann nach oben und zurück in den Bereich der Welle 4 geht. Weiterhin stellt sich eine Strömung entsprechend der Strömungslinie 30 ein, die durch den unterhalb der Ringscheiben 11, 23 liegenden Teil des Scherspaltes 27 radial nach aussen und dann nach unten und zurück in den Bereich der Welle 4 verläuft. Die Strömung gemäss der Strömungslinie 30 kann ohne weiteres durch die grossen Öffnungen 31 zwischen den Rotorarmen 21 bzw. den Vertikalstücken 22 hindurchtreten. Ausserdem können sich Strömungen durch die Öffnungen 32 zwischen den Speichen 10 des Stators 8 ausbilden. Dadurch, dass die ringförmig angeordneten Zähne 24 des Rotors 17 die ebenfalls ringförmig angeordneten Zähne 12 des Stators 8 radial aussen umgeben, werden die Stoffe nach dem Durchtritt durch den Scherspalt 27 noch stark tangential beschleunigt, so dass sich sehr stark ausgebildete Zirkularströmungen einstellen, die dafür sorgen, dass alle Stoffteilchen den Scherspalten 27 sehr oft zugeführt werden. Verstärkt werden diese Zirkularströmungen noch durch die propeller- bzw. schaufelartige Ausgestaltung der Rotorarme 21 und der Vertikalstücke 22.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, haben die Rotorarme eine entgegen der Drehrichtung in axialer Richtung anstei5

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gende obere Schrägfläche 33, durch die der Flüssigkeit eine leichte, nach oben gerichtete Bewegungskomponente erteilt wird, so dass sich schwer dispergierbare Feststoffe nicht am Boden 34 des Behälters absetzen können.

Selbstverständlich können auch innerhalb der Ringscheibe 11 des Stators 8 eine weitere Ringscheibe des Rotors 17 und innerhalb dieser gegebenenfalls wieder eine weitere Ringscheibe des Stators 8 vorgesehen sein.

•Zweckmässigerweise wird die Welle 4 unter Zwischenschaltung eines stufenlos regelbaren Getriebes angetrieben, damit die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 17 im Hinblick auf die zu mischenden bzw. zu rührenden Stoffe optimal einge-5 stellt werden kann. Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors 17 im Bereich von 15 bis 30 m/s werden für die meisten zu mischenden Stoffe ausreichend sein.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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1. Vorrichtung zum diskontinuierlichen Mischen von mindestens zwei Stoffen, von denen mindestens einer eine Flüssigkeit ist, bestehend aus einem Behälter und einem im Behälter angeordneten Rührwerk, das aus einem über eine Welle hoch-tourig antreibbaren Rotor und aus einem Stator besteht, die jeweils auf zueinander konzentrischen Kreisen angeordnete, unter Bildung von Scherspalten aneinander vorbeilaufende Zähne aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der radial aussenliegende Kreis von Zähnen (24) des Rotors (17) ausserhalb des radial aussenliegenden Kreises von Zähnen (12) des Stators (8) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (12 bzw. 24) aneinander konzentrisch und mit geringem radialem Abstand umgebenden Ringscheiben (11, 23) des Stators (8) bzw. des Rotors (17) angebracht sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (12 bzw. 24) sich nach beiden Seiten der jeweiligen Ringscheibe (11 bzw. 23) erstrecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (24) des Rotors (17) und die zugeordneten Zähne (12) des Stators (8) axial die gleiche Erstreckung haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (24, 12) des Rotors (17) und des Stators (8) parallel zueinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (12, 24) als Stifte ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ringscheibe (23) des Rotors (17) über Rotorarme (21) an der Welle (4) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorarme (21) zur tangentialen Beschleunigung der Stoffe schaufelartig oder propellerartig ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorarme (21) eine die Stoffe vom Boden (34) des Behälters (1) abhebende Schräganstellung aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheibe (11) des Stators (8) über Speichen (10) an einem die Welle (4) umgebenden Statorrohr (5) angebracht ist.