DD272039A1

DD272039A1 - Einrichtung zur herstellung von feinteiligen dispersionen

Info

Publication number: DD272039A1
Application number: DD30259087A
Authority: DD
Inventors: Peter Belowski; Matthias Schuster; Eberhard Heidenreich; Lothar Teich
Original assignee: Nagema Veb K
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1989-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen, bestehend aus einer einstellbaren Foerderpumpe, einem geschlossenen Gehaeuse, einem mit der Antriebswelle fest verbundenen Feindispergierring und einem, dem Feindispergierring gegenueberliegenden Teller, wobei zwischen Feindispergierring und Teller ein Scherspalt vorhanden ist und Feindispergierring und Teller mit Scherelementen versehen sind. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Dispergierzeit zu senken und eine universelle Anwendbarkeit der Einrichtung zu gewaehrleisten. Der Erfindung liegt als Aufgabe die Entwicklung einer Vorrichtung zugrunde, durch die eine aktive Beeinflussung des Dispergierergebnisses moeglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass ein Vordispergierring fest ueber einen sich konisch erweiternden Grobdispergierring mit einem Feindispergierring verbunden ist und ein Teller fest auf einer Hohlwelle angeordnet ist. Die Hohlwelle umschliesst die Antriebswelle und weist dieser gegenueber eine Relativgeschwindigkeit auf. Die Hohlwelle ist axial verstellbar. Fig. 2

Description

Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen,bestehend aus einer einstellbaren Förderpumpe, einem geschlossenen Gehäuse, einem mit der Antriebswelle fest verbundenen Feindispergierring und einem dem Feindispergierring gegenüberliegenden Teller, wobei zwischen Feindispergierring und Teller ein Scherspalt vorhanden ist und Feindispergierring und Teller mit Scherelementen versehen sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der DE-OS 2 823 801 wird eine Vorrichtung beschrieben, durch die Gas in Form von feinen Gasbläschen in einer Flüssigkeit verteilt wird. Diese Vorrichtung besteht aus einer angetriebenen, senkrecht stehenden Welle, die am unteren Ende mit einer Scheibe fest verbunden ist. Die Scheibe ist mit radial angeordneten Stegen versehen, deren Breite nach außen hin abnimmt. Eine flachkegelige, ortsfeste, aber frei bewegliche Scheibe deckt diese Scheibe ab» Dabei entsteht zwischen der oberen Begrenzung der drehbaren Scheibe und der unteren Begrenzung der ortsfesten Scheibe ein sich radial nach außen verjüngender Spalt. Eine zweite ortsfeste Scheibe ist unterhalb der Stege angeordnet und mit der ersten ortsfesten Scheibe starr verbunden. An der seitlichen Begrenzung sind Düsenspalte angeordnet. Die Vorrichtung wird in die Flüssigkeit getaucht. Durch die Bewegung der drehbaren Scheibe wird im Spalt zwischen dieser Schei be und de.r ortsfesten Scheibe eine Kraft auf die Flüssigkeit aus geübt. Die Flüssigkeit tritt dadurch aus den Düsenspalten mit hoher Geschwindigkeit aus. Es entsteht im Bereich der Düsenspalten ein Unterdruck* Dadurch wird das Gas angesaugt. Unter Einwirkung der Scherkraft, die von der aus den Strömungskanälen auutretenden Flüssigkeit ausgeübt wird, wird dae Gas in sehr feine Bläschen zerlegt und mit der Flüssigkeit vermischt.

Diese Lösung ist nur für die Pispergierung von Gasen geeignet. Die erreichbare Dispersionsfeinheit ist stark begrenzt, und die

Volumenaηteile der Komponenten in der Dispersion lassen sich nur durch Dimensionierung, d. h· durch Veränderung der Abmessungen der Bauteile verändern.

Das liegt darin begründet, daß die angesaugten Volumenströme nur von der Umfangsgeschwindigkeit abhängig sind. Sei Änderung der Drehzahl ändern sich dio Voluraonströme im gleichen Verhältnis.

Diese Nachteile werden teilweise durch die in der DE-OS 3 319 beschriebenen Lösung beseitigt. Die Vorrichtung wird für die Herstellung von feinteiligen Dispersionen, insbesondere von Emulsionen, angewendet.

Für die Einstellung des Volumendurchsatzes bzw. der Feinheit der Dispersionen ist eine einstellbare Förderpumpe vorgesehen. Die Vorrichtung besteht aus einem umlaufenden Rotor und einem feststehenden Stator. Rotor und Stator sind mit ineinandergreifenden Zahnkränzen versehen. Die Spaltbreite des Scherspa1tes zwischen den Zähnen beträgt 0,03 bis 0,6 mm , und die Spaltlänge beträgt 0,5 bis 1 mm.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung beruht auf der mechanischen Beanspruchung des vordiepergierten Verarbeitungsgutes im Scherspalt· Dabei ist eine hohe Umfangsgeschwindigkeit des Rotors notwendig.

Bei dieser Lösung ist die Verweilzeit der Dispersion in der Dispergiermaschine für die meisten Anwendungsfälle zu hoch. Es besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen Dispergierzeit und Volumendurchsatz, d. h., daß gute Dispergierzeiten nur durch geringe Volumendurchsätze erreichbar sind. Ein weiterer Nachteil ist das durch den Scherspalt bedingte Verschleißverhalten der Vorrichtung. Da sich infolge des Verschleisses die Scherspaltgeometrie ändert, kommt es zu einer Änderung des Endproduktes über die Zeit.

Die Ursache dafür ist der fest eingestellte Spalt. Die Feinheit der Dispersion kann nur durch die Verweilseit eingestellt werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Dispergierzeit zu senken und eine universelle Anwendbarkeit der Einrichtung zu gewährleisten.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Entwicklung einer Vorrichtung zugrunde, durch die eine aktive Beeinflussung des Dispergierergebnisses möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Vordispergier-ring fest über einen sich koaiach erweiternden Grobdispergierring mit einem Feindispergiarring verbunden ist und ein Teller fest auf einer Hohlwelle angeordnet ist. Die Hohlwelle umschließt die Antriebswelle und weist dieser gegenüber eine Relativgeschwindigkeit auf. Die Hohlwelle ist axial verstellbar.

Durch die Verstellbarkeit der Hohlwelle ist der damit verbundene Teller und damit der Spalt zwischen den Scherelementen des Tellers und des Feindispergierringes einstellbar. Das bringt den Vorteil, daß daa Dispergierergebnis aktiv beeinflußbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der erreichboren höheren volumenbezogenen Dispergierleistung.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden* Die dazugehörigen Zeichnungen haben folgende Bedeutung:

Figur 1: Schema zur kontinuierlichen Herstellung von Dispersionen aus wenigstens zwei fluideη Komponenten.

Figur 2: Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von flüssig-flüssig-Dispersionen und Gasflüssig-Dispersionen.

Figur 3i Komponentenzufuhr für Gas-flüssig-Dispersionen als Einzelheit*

Wie aus Figur 2 ersichtlich, münden die Zuführrohrc 1, die mit Ventilen 2 versehen sind, durch eine stationäre Begrenzungswand 3 in eine Vordispergierzone 4, die radial durch einen Vordispergierring 5 begrenzt wird. Die Abdichtung zur BegrenzungR-wand 3 wird durch berührungsfreie Dichtung mittels eines Außenringes 6 erreicht, der mit der Begrenzungswand 3 fest verbunden ist. Der Vordispergierring 5 ist mit einem sich konisch erweiternden Grobdispergierring 7 verbunden, der in einem radial verstärkten und mit Aussparungen 8.1 versehenen Feindispergierring endet. Der Feindispergierring 9 ist mittels speichenartig gestalteter Streben 10 mit einem Kegelstumpf 11 verbunden, der das abtriebseitige Ende einer Antriebswelle 12 bildet. Auf dem Feindispergierring ist ein Ringschere lenient 13.1 angeordnet. Das Ringscherelement 13*1 ist vorzugsweise aufgeschraubt, wobei am Innenradius ein stetiger übergang vom Feindispergierring 9 erfolgt.

Dem Feindispergierring 9 zentrisch gegenüber ist ein Teller 14 angeordnet. Dieser Teller besitzt Aussparungen 8.2 und ein Tellerschere lement 13.2. Beide Scherelemente 13 haben glatte Oberflächen, zwischen denen sich ein Spalt bildet.

Der Teller 14 ist fest mit einer Hohlwelle 15 verbunden. In seinem Zentrum befindet sich eir kreisförmiger Durchbruch, durch den die Antriebswelle 12 verläuft. Zwischen dem Innenradius des Durchbruchs und der Antriebswelle 12 befinden sich Dichtungsele-

mente 16.1, vorzugsweise Wellendiohtringe. Die axial verschiebbare Hohlwelle 15 ist gegen die Begrsnzungswand 3 ebenfalls mit Dichtungselementen 16.2 abgedichtet.

Die axiale Umfassung der Vorrichtung wird durch üie Begrenzungswand 3 gebildet. Die Doppelwand 17 umschließt die Einrichtung. Der Hohlraum innerhalb der Doppelwand 17 steht für Heiz- bzw. Kühlzwecke zur Verfügung.

Der untere Teil der Vorrichtung wird durch den trichterförmigen Auslaß 18 gebildet.

Aus Figur 3 ist eine spezielle Ausführung der Vorrichtung für Luft-Flüssigkeit-Dispersionen ersichtlich.

Die Begrenzungswand 3 besitzt einen Durchbruch, dessen Radius mit dem Innenradius des Vo.r-dispergierringes 5 identisch ist. Über diesen Durchbruch besteht eine direkte Verbindung zwischen der Vordispeigierzone 4 und einem Schacht 19. Der Schacht 19 wiederum steht mit der Umgebung bzw» mit dem gasförmigen Medium in direkter Verbindung. Die Zuführrohre 1 durchstoßen die Wandung des Schachtes und enden in der Vordispergierzone 4.

nachfolgend soll die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand der beiden näher erläuterten Figuren und der Figur 1 oeschrieben werden*

Der Komponententransport und die Dosierung erfolgen außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Über die Zuführrohre 1 werden die Komponenten in die Vordispergierzone 4 gefördert. Die Antriebswelle 12 rotiert mit einer Drehzahl von 1000 bis 35OO min . Diese Bewegung wird über den Kegelstumpf 11 und den Streben 10 auf den Feindispergierring 9 übertragen, der wiederum über den Grobdispergierring V seine Bewegung dem Vordispergierring 5 mitteilt. Infolge der Rotation wird die Wirksamkeit der berührungsfreien Dichtung zwischen dem Vordispergierring 5 und dem Außenring 6 hergestellt. Der Teller 14 kann entweder im stationären Zustand sein oder über die Hohlwelle 15 angetrieben werden. Entscheidend jedoch ist, daß zwischen dem Ringscherelement 13*1 und dem Tellerscherelement 13.2 eine Differenzgeschwindigkeit von 15 bis

30 m · s"^ vorhanden ist. In der Vordispergierzone 4 werden die zugeführten Komponenten duroh den rotierenden Vordispergier ring in Rotation versetzt und dabei infolge der Fliehkraft vorgemischt. Physikalisch zwangsläufig bewegen sich die vorgemischten Komponenten entlang der Innenwandung des Grobdispergierringes 7 in Richtung des sich erweiternden Querschnitts, wobei bei stetig wachsender Fliehkraftwirkung ein Grobdispergieren stattfindet. Nach dem Durchtritt duroh die Öffnungen zwischen den Streben 10 gelangt das grobdiapergierte Stoffsystem ir. die Nähe des relativ zum Ringscherelement 13*1 bewegten Tellers 14, wobei eine zusätzliche Turbulenz aufgeprägt wird, die in Verbindung mit der Fliehkraftwirkung das Feindispergieren gewährleistet.

Infolge der Fliehkraftwirkung wird das feindispergierte Stoffsystem in den Spalt zwischen den Scherelementen 13 umgelenkt und durch diese radial hindurch transportiert· Besonders hohe Fliehkräfte und damit geringe Verweilzeiten werden erreicht, wenn beide Scherelemente 13 mit unterschiedlicher Drehzahl in gleiche Richtung rotieren. Beim Durchtritt durch den Spalt zwischen den relativ be wogten Scherelementen 13 wird das Stoffsystem einer hochintensiven Scherung ausgesetzt, die durch veränderbare Spaltweiten von O bis 10 mm variabel ist und bti geringer Verweilzeit von < 20 ms Leiatungseinträge von 1 bis 100 kW/cnr gewährleistet.

Dabei wird das Stoffsystem stabilisiert.

Die Wahl einer erforderlichen Scherintensität im laminaren Scherfeld sichert das Erreichen einer vorgegebenen Teilchengröße, d.h., daß diese unmittelbar >eeinflußbar ist. Von großer Bedeutung ist, daß die Verweilzeit vom Vormischen bis «inschließlich hochintensiveri Scheren lediglich in der Größenordnung von 2 s liegt, wobei das hochinte:i'3ive Scheren den absolut geringsten Anteil ausmacht, was bedeutet, daß beim Scheren eino kurzzeitige hochin-· te.Qsive Beanspruchung auftritt, die die Temperaturerhöhung der Dispersion deutlich in Grenzen hält. Temperaturerhöhungen über 10 K sind kaum zu erwarten.

Bwim Austritt aus dem Spalt eipritzt die Dispersion gegen die Doppe lv/and 17, bewegt sich infolge der Schwerkraftwirkung abwärts

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und verläßt die Vorrichtung. Bei äußerst temperaturempfindlichen Gütern sowie zur Sicherung der Stabilität der Dispersion kann sick ein Kühlen anschließen, bevor die Dispersion vorzugsweise durch Rohrleitungen abtransportiert wird.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen aus wenigstens zwei fluiden Komponenten, bestehend aus . einer einstellbaren Förderpumpe
. einem geschlossenen Gehäuse

• eiuexa wit der Antriebswelle fest verbundenen Feindispergierring

• einem dem Foindispergierring gegenüberliegenden i'eller, wobei

·. zwiechen Feindispergierring und Teller ein Scherspalt vorhanden ist und

• Feindispergierring und Teller mit Scherelementen versehen . sind,

gekennzeichnet dadurch, daß
. ein Vordispergierring (5)
·· fest

• über einen sich konisch erweiternden Grobdispergierring (7) mit

. dem Feindispergierring (9) verbunden ist und . der Teller (H) fest auf einer Hohlwelle (15) angeordnet ist,

.. die Hohlwelle (14) die Antriebswelle (12) uirachließt ... und dieser gegenüber eine Relativgeschwindigkeit aufweist

und
. die Hohlwelle (14) axial verstellbar ist.
2. Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das abtriebseitige Ende der Antriebswelle (12) als Kegelstumpf (11) ausgebildet und über Streben (10) mit dem Feindispergierring (9) verbunden ist.
3. Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die aus einem oder mehreren Zuführrohren (1) bestehende Zuleitung in der innerhalb des Vordispergierringes (5) befindlichen Vordispergierzone (4) endet.

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4. Einrichtung zur Herstellung von feinteiligen Dispersionen nach Anspruch 1, gekennzeichnet daduroh, daß zur Gaaflüssig-Dispergierung ein Schacht (19) angeordnet ist, der in direkter Verbindung mit dem gasförmigen Medium und der Vordispergierzone (4) steht.

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