DE102008022355A1

DE102008022355A1 - Rotor-Stator-System zum Herstellen von Dispersionen

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Publication number: DE102008022355A1
Application number: DE102008022355A
Authority: DE
Inventors: Axel Wittek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US20110158931A1; DE202009017944U1; WO2009135624A3; BRPI0912523A2; EP2285476B1; WO2009135624A4; WO2009135624A2; EP2285476A2; US9527048B2; BRPI0912523B1

Abstract

Um auf konstruktiv einfache Weise ein Rotor-Stator-System zu schaffen, mit dem in einem Durchlauf stabile Dispersionen hergestellt werden können und das flexibel auf wechselnde Anforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung der Dispersion angepaßt werden kann, schafft die Erfindung einen Stator (1) für ein Rotor-Stator-System (6) mit einem Dispergierbereich (17), welcher mit einem zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotor (4) einen Dispergierraum (7) des Rotor-Stator-Systems (6) definiert und mit einem Einlaß (15) zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich (17), wobei im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer (2) außerhalb des Dispergierbereiches (17) angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich (17) hinein öffnet, und wobei der Stator (1) mindestens einen Zulauf (25) zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die Vormischkammer (2) aufweist und wobei der Stator (1) derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich (17) aus und von dem Zulauf (25) aus in die Vormischkammer (2) eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der Vormischkammer (2) in den Dispergierbereich (17) austreten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator und einen Rotor für ein Rotor-Stator-System sowie ein Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen. Die Erfindung betrifft die Herstellung und/oder Behandlung von Dispersionen im allgemeinen und von Emulsionen im besonderen.
Unter dem Begriff ”Dispersion” wird ein Mehrphasensystem verstanden, welches mindestens ineinander im wesentlichen nicht lösliche Komponenten umfaßt. Dispersionen umfassen insbesondere Emulsionen, bei welchen eine Flüssigkeit in Form von Tropfen in einer anderen Flüssigkeit verteilt vorliegt. Die Phase, welche die Tropfen bildet, wird als disperse Phase oder innere Phase bezeichnet. Die Phase, in welcher die Tropfen verteilt sind, wird als kontinuierliche Phase oder äußere Phase bezeichnet.
Dispersionen umfassen des Weiteren Suspensionen, bei welchen Feststoffpartikel in einer flüssigen kontinuierlichen Phase dispergiert sind. Außerdem gehören Stoffsysteme, welche sowohl feste als auch flüssige Phasen in dispergierter Form aufweisen, ebenfalls zu Dispersionen. Beispielsweise könnte ein Feststoff in einer ersten Flüssigkeit verteilt vorliegen, wobei diese Suspension die disperse Phase einer Emulsion bildet. Auch in der kontinuierlichen Phase von Emulsionen können Feststoffe verteilt sein. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Suspoemulsionen.
Sind zwei ineinander im Wesentlichen unlösliche Flüssigkeiten miteinander vermischt, so daß jede der beiden Phasen zugänglich ist, wird das entsprechende Stoffsystem als Gemisch bezeichnet. Ein Gemisch kann durch Zugabe sowohl der einen, als auch der anderen Phase verdünnt werden. Im Gegensatz dazu ist bei einer Emulsion die disperse Phase von außen nicht zugänglich; eine Emulsion kann nur durch Zugabe der kontinuierlichen Phase verdünnt werden. Bei der Herstellung einer Emulsion kann ein Gemisch als Zwischenstufe auftreten.
Mit dem Begriff ”Komponente” wird im Folgenden insbesondere eine Phase einer Dispersion bezeichnet. Eine Komponente kann aber auch ein Bestandteil einer Phase sein. Beispielsweise kann eine Phase aus mehreren, insbesondere ineinander löslichen, Komponenten gebildet werden.
Beim Herstellen von Dispersionen insbesondere beim Herstellen von Emulsionen ist es für den Erhalt eines Endprodukts mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Größenverteilung der dispersen Phase, des Fließverhaltens und der Stabilität des Produkts gegenüber thermische und mechanische Belastung sowie zeitlichen Veränderungen gegenüber wichtig, dass die notwendigen Schritte des Einbringens der inneren Phase in die äußere Phase zum Herstellen eines Pre-Mixes, das Feindispergieren und das Stabilisieren des erhaltenen Produktes prozesstechnisch definiert und zuverlässig durchgeführt werden. Aus der Küche kennt man den entsprechenden Vorgang durch die Herstellung einer Mayonnaise. Die Ölphase wird langsam in die Wasserphase eingerührt. Es entsteht dabei zuerst eine grobe Emulsion mit geringer Viskosität als Pre-Mix. Durch weiteres, schnelles Rühren wird die Emulsion feiner und die Viskosität steigt an. Industriell werden Dispersionen insbesondere Emulsionen durch verschiedene Prozesse hergestellt. Welcher Prozess ausgewählt wird hängt von der Art der Dispersion ab sowie von der Feinheit der dispersen Phase, mit welcher eine über den geforderten Zeitraum hinweg stabile Dispersion erhalten werden kann. Unter einer stabilen Dispersion wird ein Stoffsystem verstanden, dessen Artikelgrößenverteilung der dispersen Phase und/oder dessen Fließverhalten insbesondere dessen Viskosität sich über einen vorgegebenen Zeitraum im Wesentlichen nicht ändert.
Zum industriellen Herstellen von Dispersionen werden für relativ grobe Dispersionen häufig Behälter mit einem Rührwerk beispielsweise einem Schaberrührwerk oder einer Rührwerksturbine eingesetzt. Für feinere Dispersionen werden zweistufige Prozesse verwendet, in welchem zunächst in einem Behälter mit Rührwerk ein Pre-Mix hergestellt wird und anschließend ein Durchlauf durch eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine erfolgt. Diese kann beispielsweise eine Koloidmühle sein. Besonders feine Dispersionen lassen sich erzielen, indem als zusätzlicher Prozessschritt das Dispergieren in einem Hochdruck-Homogenisator eingesetzt wird.
Zum Herstellen einer feinen Dispersion mit einem Rotor-Stator-System aus einem Pre-Mix, welche in einem Behälter mit Rührwerk hergestellt wurde, geht man in der Regel von einer Dispersion mit einer sehr breiten Partikelgrößenverteilung aus. Als Beispiel sei eine Emulsion betrachtet mit einer Tröpfchengrößenverteilung zwischen 30 und 500 μm. Mit einem herkömmlichen Rotor-Stator-System (vgl. 11, siehe Beschreibung unten) werden die Tropfen des Pre-Mixes, welcher im Fall einer Emulsion auch als Rohemulsion bezeichnet wird zerkleinert, bis eine mittlere Tröpfchengröße erreicht ist, die dem spezifischen Energieeintrag des Rotor-Stator-Systems (Energiedichte) entspricht. Um eine relativ enge Tropfengrößenverteilung mit Tröpfchendurchmessern zwischen 5 und 10 μm und darunter zu erreichen, sind in der Regel mehrere Durchläufe durch das Rotor-Stator-System erforderlich. Häufig werden 5 bis 10 Durchläufe benötigt. Dies bedeutet auf der einen Seite eine hohe Beanspruchung des Produktes und auf der anderen Seite einen hohen Wärmeeintrag und damit eine ineffiziente Ausnutzung der eingesetzten Energie.
Um den oben beschriebenen Prozess zu beschleunigen, haben einige Dispergiermaschinen-Hersteller angefangen, die innere Phase über Zuführungen wie Rohre oder Bohrungen direkt vor die Rotorzähne oder auf die Rotorzähne eines Rotor-Stator-Systems zu geben. Derartige Rotor-Stator-Systeme werden in WO 00/01474 und US 5,590,961 beschrieben. Die innere Phase kommt dabei örtlich sehr begrenzt und dadurch in einem relativ massiven Strahl in den Rotor-Stator-System und dessen Dispergierzone. Dadurch entsteht im ersten Durchlauf durch das Rotor-Stator-System eine Emulsion, welche eine breite Tröpfchengrößenverteilung hat, da die innere Phase nicht genügend fein in die äußere Phase eingearbeitet werden kann, da es in dem örtlich sehr begrenzten Bereich des Kontaktes an Austauschfläche fehlt. Zudem ist die Emulsion in starkem Maße Koaleszenz ausgesetzt, da auf engem Volumen viele kleine Tröpfchen gebildet werden, die jedoch nicht schnell genug voneinander entfernt und stabilisiert werden können, so dass sie wieder zusammenfließen (Koaleszieren). Auch eine damit verbundene Schlierenbildung läßt sich beobachten. Die Koaleszenz und Schlierenbildung nimmt zu, je größer das Zugabevolumen der inneren Phase ist. Auf diese Art und Weise können geringe Mengen der inneren Phase in die äußere Phase eingebracht werden. Erhebliche Probleme bestehen jedoch dann, wenn größere Mengen an innerer Phase eingebracht werden müssen.
Die Schwierigkeiten beruhen hauptsächlich darauf, dass es nicht gelingt, eine homogene Rohemulsion beziehungsweise einen homogenen Pre-Mix mit einer definierbaren Partikelgrößenverteilung aus der äußeren und der inneren Phase herzustellen bevor die Phasen in die Zonen hoher Scherkräfte des Rotor-Stator-Systems gelangen.
In WO 01/56687 ( PCT/EP00/117700 ) wird ein Rotor-Stator-System beschrieben, dessen Rotor eine Vormischkammer aufweist. Die Vormischkammer öffnet sich in mehrere kleine Kammern, die sich am Rotorumfang befinden. Alle Kammern wirken zusammen als eine Vormischkammer im Rotor, welche sich im Dispergierraum befindet und im Betrieb des Rotor-Stator-Systems rotiert. Durch die Geometrie des Rotors und sich daraus ergebenden Volumen, welches als Vormischkammer zur Verfügung steht, ist jedoch die Menge der inneren Phase, welche in die äußere Phase eingebracht werden kann, sehr begrenzt. Durch die Positionierung der Vormischkammer im Rotor und damit im bewegten Teil des Rotor-Stator-Systems wird das Herstellen von Dispersionen mit komplexen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Komponenten, welche teilweise gleichzeitig in eine bestehende Vorlage eingebracht werden sollen, äußerst kompliziert, wenn nicht gar unmöglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Möglichkeit zu schaffen, um in einem Rotor-Stator-System auch bereits mit einem Durchlauf stabile Dispersionen herstellen zu können. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um mit einem Rotor-Stator-System flexibel auf wechselnde Anforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung der herzustellenden Dispersion reagieren zu können. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Rotor-Stator-System bereitzustellen, welches eine Vielzahl möglichst energiereicher Wirbel in turbulenter Strömung erzeugen kann, um Partikel der dispersen Phase einer Dispersion effizient zerkleinern zu können.
Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst, mit einem Stator für ein Rotor-Stator-System gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung stellt einen Stator für ein Rotor-Stator-System zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einem Dispergierbereich, welcher mit einem zu dem Stator korrespondierenden Rotor einen Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems definiert und mit einem Einlaß zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich zur Verfügung, wobei im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer außerhalb des Dispergierbereiches angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich hinein öffnet, wobei der Stator mindestens einen Zulauf zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators in die Vormischkammer aufweist und wobei der Stator derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich aus und von dem Zulauf aus in die Vormischkammer eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der Vormischkammer in den Dispergierbereich austreten.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Stator zumindest zwei Vormischkammern auf, welche jeweils einen Zulauf zum Zuführen einer Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators in die betreffende Vormischkammer aufweisen. So können entweder über jede Vormischkammer eine andere Komponente zugeführt werden. Oder eine große Menge einer Komponente kann aufgeteilt über mehrere Vormischkammern zugeführt werden. In jedem Fall wird die Effizienz des Mischvorganges gegenüber einer Zuführung der Komponenten direkt in den Dispergierraum erhöht.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wölbt sich die Vormischkammer vom Übergang zum Dispergierbereich aus in den Stator hinein. Die gewölbte Formgebung ermöglicht ein leichtes und zuverlässiges Reinigen der Vormischkammer. Zudem wird die Bildung von Toträumen vermieden, welche sich negativ auf die Mischwirkung ind er Vormischkammer auswirken können.
Die Erfindung sieht zudem vor, daß die Vormischkammer am Übergang zum Dispergierbereich die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweisen kann, wobei der Ausschnitt insbesondere eine durchgängig geschwungen verlaufende Umfangslinie hat. Auch durch diese Gestaltung werden Ecken vermieden, was unter anderem der leichten Reinigbarkeit entgegenkommt.
Die Erfindung bietet zudem den Vorteil, mit der Lage der Vormischkammern die Strömungsführung der Dispersion in den Dispergierbereich den jeweiligen Prozeßanforderungen anpassen zu können. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse des Stators, welche der Rotationsachse des zu dem Stator korrespondierenden Rotors entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer oberhalb eines Dispergierwerkzeuges, insbesondere eines Zahnkranzes des Rotors positioniert ist, wenn der Stator mit dem korrespondieren Rotor zu dem Rotor-Stator-System kombiniert ist. Die Vormischkammern können somit über dem Zahnkranz eines Rotors mit einem Zahnkranz angebracht sein.
Eine Vormischkammer kann bei einem Rotor mit mehreren Zahnkränzen über dem inneren Zahnkranz, über dem äußeren Zahnkranz oder sich über mehrere Zahnkränze hinweg erstreckend angebracht sein. Demgemäß ist der Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse des Stators, welche der Rotationsachse des zu dem Stator korrespondierenden Rotors entspricht, positioniert, daß die Vormischkammer zumindest oberhalb des inneren Dispergierwerkzeuges, insbesondere des inneren Zahnkranzes eines Rotors mit mehreren Dispergierwerkzeugen positioniert ist, wenn der Stator mit dem korrespondieren Rotor zu dem Rotor-Stator-System kombiniert ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung stellt die Erfindung ferner einen Stator zur Verfügung, welcher Vormischkammern aufweist, die in unterschiedlichen radialen Entfernungen zur Längsachse des Stators positioniert sind. Auf diese Weise wird zum Beispiel ein Stator zur Verwendung mit einem Rotor, welcher mindestens einen inneren und einen äußeren Zahnkranz aufweist, geschaffen, wobei zumindest eine Vormischkammer über dem inneren Zahnranz des Rotors und zumindest eine weitere Vormischkammer über dem äußeren Zahnkranz des Rotors positioniert ist, wenn der Stator mit dem Rotor zusammen verwendet wird.
Werden Vormischkammern sowohl über dem inneren als auch über weiter außen liegenden Zahnkränzen des Rotors vorgesehen, können bei einem einzigen Durchlauf durch das Rotor-Stator-System Medien mit relativ hoher Viskosität innen und Medien mit relativ geringer Viskosität außen zugeben. Dies bietet Vorteile zum Beispiel beim Eindispergieren von dünnflüssigen Medien wie Parfum oder Konservierungsstoffen einerseits und beim Eindispergieren von Fluiden mit höherer Viskosität und/oder größeren resultierenden Tropfengrößen andererseits.
Die über die näher an der Zentrumsachse liegenden Vormischkammern zugegebenen Fluide werden bei im Übrigen gleichen Parametern, insbesondere bei gleichem Fließverhalten der Fluide, in der Regel zu kleineren Tropfen dispergiert als die über weiter außen liegende Vormischkammern zugegebenen Fluide, da der Weg durch den Dispergierraum für sie weiter ist. Dadurch sind die innen eingebrachten Fluide länger der Dispergierwirkung des Rotor-Stator-Systems ausgesetzt.
Um weiteren Einfluß auf die Strömung am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum nehmen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierbereich ein Übergangsstück angeordnet. Im Betrieb des Rotor-Stator-Systems wird Fluid aus der Vormischkammer in den Dispergierraum injiziert und aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer ejiziert. Im Folgenden wird das Übergangsstück auch als Injektor beziehungsweise Ejektor bezeichnet. Je nach Anwendungsfall kann das Übergangsstück den Übergang zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierbereich bereichsweise oder vollständig ausfüllen.
In Abstimmung auf die vorteilhafte Geomentrie der Vormischkammer weist das Übergangsstück in einer Ausführungsform der Erfindung die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment auf. Das Übergangsstück kann dann eine geschwungene Umfangslinie haben, so daß es genau an die Form der Vormischkammer an ihrem Übergang zum Dispergierraum angepaßt ist.
Für eine besonders gute Vermischung der Flüssigkeit am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum ist des Weiteren vorgesehen, daß das Übergangsstück in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eines oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung des Übergangsstücks verlaufen.
Auf die Strömungsverhältnisse in der Nachbarschaft des Übergangsstücks kann ferner durch die Richtung der Orientierung der Löcher im Übergangsstück Einfluß genommen werden. Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausführungsform vor, daß die Löcher durch das Übergangsstück jeweils entlang einer Lochachse verlaufen, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
Außerdem können die Löcher durch das Übergangsstück eine sich von einer zur anderen Seite des Übergangsstücks hin verjüngende Form aufweisen, um die Injkektor- beziehungsweise Ejektorwirkung zu verstärken. Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Löcher von einer Mantelfläche mit einem ersten Teilbereich und zumindest einem weiteren Teilbereich begrenzt werden, wobei zumindest ein Teilbereich entlang einer Schnittfläche verläuft, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
Um den erfindungsgemäßen Stator so zu designen, daß er auf einfache Weise ein flexibles Anpassen des Rotor-Stator-Systems an unterschiedliche Dispergieraufgaben ermöglicht, ist des Weiteren vorgesehen, den Stator zweiteilig auszubilden. Der Stator umfaßt dann einen Statorkopf sowie einen Statorrumpf, wobei die zumindest eine Vormischkammer im Statorkopf angeordnet ist und der Statorrumpf ein Dispergierwerkzeug des Stators, insbesondere mindestens einen Zahnkranz, umfaßt.
Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Stator zum Nachrüsten bestehender Rotor-Stator-Systeme geschaffen werden. Ein derartiger Stator umfaßt mehrere Statorköpfe, welche sich in Anzahl und/oder Geometrie der Vormischkammern unterscheiden und auf einen Statorrumpf montierbar sind, um einen Stator mit auswechselbarem Statorkopf zu bilden.
Eine besonders einfache Kontruktion wird realisiert, indem die Vormischkammer als Kavität derart im Statorkopf ausgebildet ist, daß ein Übergangsstück als Abschluß der Kavität am Statorkopf montierbar ist.
Die Erfindung betrifft somit auch einen Statorkopf für einen oben beschriebenen Stator, welcher zum Nachrüsten herkömmlicher Statoren geeignet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein oben beschriebenes Übergangsstück.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines oben beschriebenen Stators oder Statorkopfes als Gehäusekomponente einer Pumpe, insbesondere einer ein- oder mehrstufigen Kreiselpumpe, oder eines Rührwerkes, insbesondere betrieben mit einem Propellerrührer oder einem Scheibenrrührer, oder einer Dispergiereinrichtung. Diejenige Apparatekomponente, welche die Vormischkammer umfaßt, ist im montierten Zustand ein integraler Bestandteil des Gehäuses.
Die Erfindung stellt zudem einen Rotor, insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einem oben beschriebenen Stator, für ein Rotor-Stator-System zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen zur Verfügung mit einer bezogen auf die Zentrumsachse des Rotors rotationssymmetrische Trägerscheibe, aus welcher zumindest ein Rotorzahn entspringt, wobei der Rotorzahn eine der Zentrumsachse zugewandte Innenseite, eine dem äußeren Rand der Trägerscheibe zugewandte Außenseite, eine im Betriebszustand des Rotors in dessen Drehrichtung gesehen vorne liegende Vorderseite, eine im Betriebszustand des Rotors in dessen Drehrichtung gesehen hinten liegende Rückseite, und eine den Rotorzahn auf der der Trägerscheibe abgewandten Seite abschließende Oberseite aufweist, wobei die Vorderseite zumindest einen der Trägerscheibe zugewandten unteren Bereich umfaßt, welcher gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe um einen Winkel α₄ (alpha-4) nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist. Der Winkel α₄ liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen 0° und etwa 45°, bevorzugt zwischen etwa 15° und etwa 45°.
Durch die Neigung um den Winkel α₄ entsteht im Betrieb des Rotor-Stator-Systems eine Strömung des Fluids in der Umgebung des Rotorzahns, welche in Richtung des Stators gerichtet ist. Das zu dispergierende Medium wird im Dispergierraum gegen den Stator gefördert. Dadurch werden Kräfte ausgebildet, die beispielsweise bei der Herstellung von Emulsionen zur Zerkleinerung der Tropfen der dispersen Phase beitragen. Wird ein oben beschriebener Stator mit Vormischkammer verwendet, verstärkt diese auf den Stator zu gerichtete Strömung das Einschießen des Fluids aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer und führt so zu einer sehr guten Vermischung der Komponenten der Dispersion und gegebenenfalls einer Zerkleinerung von Tropfen an disperser Phase.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorderseite zumindest einen Bereich umfaßt, welcher gegenüber einer radial von der Zentrumsachse nach außen verlaufenden Bezugslinie um den Winkel α₆ (alpha-6) nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist. So kann im Betrieb des Rotors die radiale Beschleunigung des Fluids von der Rotationsachse weg verstärkt werden, was zu einer Verbesserung der Misch- und gegebenenfalls Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems beiträgt. Der Winkel α₆ liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen 0° und etwa 60°, bevorzugt zwischen etwa 10° und etwa 60°.
Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, daß die Vorderseite zumindest einen der Trägerscheibe abgewandten oberen Bereich) umfaßt, welcher gegenüber der Parallelen zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe um einen Winkel α₅ (alpha-5) zur Trägerscheibe hin geneigt ist. Der Winkel α₅ liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen etwa 5° und etwa 45°.
Die Parallele auf die Trägerscheibe entspricht der Senkrechten auf die Zentrumsachse, welche mit der Rotationsachse des Rotors übereinstimmt. Die Neigung um den Winkel α₅ verstärkt die Wirkung der Neigung um den Winkel α₄. Insbesondere kann durch die Neigung um den Winkel α₅ eine als ”Jet-Stream” bezeichnete Strömungskomponente erzeugt oder verstärkt werden. Auf diese Strömungskomponente wird weiter unten anhand der Ausführungsbeispiele näher eingegangen.
Beim Einsatz des Rotor-Stator-Systems zum Emulgieren ist die Effizenz des Tropfenaufbruchs von mehreren Faktoren abhängig, unter anderem von der in das Fluid im Dispergierraum eingebrachten kinetischen Energie, der erzeugten Turbulenzwirbel, sowie von der Dichte der Turbulenzen. Die Turbulenzwirbel werden im Rahmen der Erfindung durch ein Rotor-Stator-System erzeugt. Hier spielt die Kantenlänge der Rotor- und/oder Statorzähne, die die Wirbel erzeugen, eine erhebliche Rolle. Je länger die wirksame Kantenlänge eines Zahnes, umso effektiver ist das System.
Es wird durch die Erfindung eine neuartige Form der Zähne zur Verfügung gestellt, die Turbulenzwirbel mit sehr hohen kinetischen Energien erzeugen und das Fluid zusätzlich in sich dreidimensional verwirbeln. Dadurch wird ein Rotor-Stator-System bereitgestellt, welches eine Vielzahl möglichst energiereicher Wirbel in turbulenter Strömung erzeugen kann, um Partikel der dispersen Phase einer Dispersion effizient zu zerkleinern. Unter Turbulenz wird eine Strömungsform verstanden, die, ”chaotisch” wirkt und sowohl zeitlich als auch räumlich instationär ist. Turbulenz ist durch statistische Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Fluids gekennzeichnet und kann durch die Theorie von Kolmogorov beschrieben werden.
Jeder einzelne Rotorzahn ist so ausgebildet, daß sowohl eine hohe radiale Komponente der Strömung entsteht durch den Winkel α₆, das heißt durch den Dispergierraum hindurch in Richtung zum Auslaßkanal, als auch eine nach oben gerichtete vertikale Komponente (siehe 18 und 12 durch die Formgebung mit den Winkeln α4 und α5).
Die radiale Komponente hängt von dem Anstellungswinkel α6 der Rotorzähne und der Umfangsgeschwindigkeit ab, je höher diese sind, um so größer ist der Durchfluß bei gleicher Statorgeometrie. Durch die zurückfallende Zahngeometrie (α4) des Rotors und der senkrechten Zähne des Stators kommt es an den Dispergierkanten zu den starken Mikroturbulenzwirbeln (Bild 18, Turbulenz I), dies bei Außendurchmessern des Rotors im Bereich von 50 bis etwa 300 mm besonders bei Umfangsgeschwindigkeiten, die höher als 22 m/s liegen (Reynoldszahl Re mindestens 10.000).
Da die schrägen Rotorzähne gegen die geraden Statorzähne schließen, kommt es im Dispergierraum zu einer dreidimensionalen Verwirbelung des Fluids. Die Turbulenzwirbel werden im Dispergierraum von innen nach außen energiereicher, und dadurch können die Tröpfchen immer weiter zerkleinert werden, wenn Emulsion den Dispergierraum im wesentlichen von innen nach außen durchströmt.
Eine Druckerhöhung von innen nach außen führt zudem zu energiereicheren Turbulenzen hin zum äußeren Rand des Dispergierraumes. Dieser Druckaufbau wird dadurch erreicht, durch das die Durchtrittsfläche für das Fluid am inneren Zahnkranz des Stators größer ist als am äußeren Zahnkranz des Stators (siehe 9 oben).
Die vertikale Komponente des Rotors erzeugt einen Druck in Richtung zu dem Statorobergehäuse. Durch die vertikale Komponente wird die Flüssigkeit zwischen dem Statorobergehäuse und dem Rotorzahn hindurchgedrückt, dadurch entsteht der Jetstream (18), der an Energie zunimmt je höher die Umfangsgeschwindigkeit oder die Reynoldszahl ist. Wie beispielsweise in 12 zu ersehen ist, ist der vordere Bereich der Rotorzähne mit dem Winkel α4 im Uhrzeigersinn versehen. Dieser Winkel, der dafür vorzugsweise zwischen etwa 15° und etwa 45° sein kann, erzeugt die vertikale Komponente sowie die Mikroturbulenzen mit den Statorzähnen.
Der obere Bereich der Zähne ist so ausgebildet, das zwischen den Zähnen mit dem Winkel α5 und dem Statorobergehäuse die Flüssigkeit so beschleunigt wird und dann schlagartig in einen Unterdruckbereich kommt, dass eine energiereiche Verwirbelung entsteht, hier Jet-stream genannt (vergleiche die im Zusammenhang mit 12 beschriebene Ausfräsung, siehe auch 18). Der Winkel α5 kann dazu vorzugsweise zwischen etwa 5° und etwa 45° liegen. Die Wirkungsweise der Zahngeometrie gemäß der Erfindung entspricht nach einer Modellvorstellung damit einem Injektor beziehungsweise einer Düse.
Durch diese neuartige Konstruktion der Erfindung wird die Dispergierkantenlänge gegenüber herkömmlichen Rotor-Stator-Systemen (siehe 11) um bis zu 35% erhöht, indem die Zahnbreite zur Ausbildung mindestens einer zusätzlichen, definierten Dispergierkante genutzt wird. Im Gegensatz zu bekannten Dispergiermaschinen (siehe 11), bei denen die Rotor- und Statorzähne gerade sind, wird durch die Erfindung das Potenzial von Mikro-Turbulenzen zum Tropfenaufbruch genutzt.
Entsprechende Effekte werden auch erreicht, indem man die Rotorzähne gerade läßt und die Statorzähne unter einem Winkel schräg ausführt. Die Erfindung betrifft somit allgemein ein Rotor-Stator-System, bei welchem zwischen den Dispergierkanten eines Rotorzahns und eines zu dem Rotorzahn korrespondierenden Statorzahns ein Winkel, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 45°, ausgebildet ist, wenn der Rotor und der Stator miteinander in Eingriff stehen und der Rotor- und der Statorzahn einander benachbart positioniert sind. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Stator für ein Rotor-Stator-System, dessen Zähne in der Weise ausgebildet sind, wie oben am Beispiel der Rotorzähne beschrieben wurde.
Die Mehrheit der bekannten Rotoren haben einen nahezu vollständig mit Zähnen besetzten Rotor. Es hat sich aber gezeigt, daß dies für die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung nicht notwendig ist. Eine gute Dispergierwirkung in Bezug auf das Mischen der Komponenten und das Zerkleinern der dispersen Phase wird bereits erreicht, wenn der Rotor einen ersten Zahnkranz aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, Rotorzähne umfaßt, die einen ersten radialen Abstand d₁ von der Zentrumsachse des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Gemäß der Erfindung kann der Rotor derart weiter gebildet werden, daß er einen zweiten Zahnkranz aufweist, um die Dispergierwirkung zu verstärken, Der zweite Zahnkranz weist zumindest zwei, vorzugsweise vier, besonders bevorzugt acht, Rotorzähne auf, die einen zweiten radialen Abstand d₂ von der Zentrumsachse des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei d₂ größer ist als d₁.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen unter Verwendung eines Rotor-Stator-Systems mit einem oben beschriebenen Stator mit folgenden Schritten

a) Bereitstellen einer ersten Phase der Dispersion in einem ersten Vorlagebehälter, welcher mit dem Dispergierraum in Verbindung steht und Bereitstellen zumindest einer zweiten Phase der Dispersion in zumindest einem zweiten Vorlagebehälter, welcher mit einer Vormischkammer in Verbindung steht,
b) Zuführen der ersten Phase der Dispersion in den Dispergierraum,
c) Zuführen der zweiten Phase der Dispersion in die Vormischkammer,
d) Antreiben des Rotors,

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, zumindest eine Phase oder eine Komponente einer Dispersion in dem im Verhältnis zum Dispergierraum kleinen Volumen einer Vormischkammer zuzugeben. So wird ein Pre-Mix der Komponenten dem Dispergierraum zugeführt, wobei bereits die Komponenten des Pre-Mixes homogen ineinander verteilt sind.
Gemäß der Erfindung kann vorteilhafterweise der Durchsatz der Komponenten und die Drehzahl des Rotors so eingestellt und/oder geregelt und/oder gesteuert werden, daß die Verweilzeit in einer Vormischkammer im Bereich zwischen etwa 0,005 Sekunden und etwa 0,02 Sekunden liegt. Durch die innerhalb dieses kurzen Zeitraums erfolgende Bildung des Pre-Mixes und dessen Weiterförderung in den Dispergierraum wird der Koaleszenz der in der Vormischkammer gebildeten Fluidelemente der dispersen Phase entgegengewirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein Stator mit zumindest einer weiteren Vormischkammer verwendet und in Schritt a) zumindest eine weitere Phase der Dispersion in zumindest einem weiteren Vorlagebehälter, welcher mit der weiteren Vormischkammer in Verbindung steht, bereitgestellt. In Schritt c) wird die weitere Phase der Dispersion in die weitere Vormischkammer des Rotor-Stator-Systems zugeführt, so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems die erste Phase durch den Dispergierraum und gegebenenfalls durch das Übergangsstück in die Vormischkammern gelangt und dabei in der jeweiligen Vormischkammer mit der zweiten oder weiteren Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus den Phasen gebildet wird, und wobei die zweite oder zumindest eine weitere Phase und/oder das Gemisch und/oder die in einer Vormischkammer gebildete Dispersion aus zumindest zwei Phasen durch die jeweilige Vormischkammer und gegebenenfalls durch das jeweilige Übergangsstück in den Dispergierraum gefördert wird.
Durch das Zudosieren über mehrere, räumlich voneinander getrennte Vormischkammern wird ein Parallel-betrieb der Vormischkammern möglich. Außerdem können die einzelnen Komponenten jeweils gesondert einer Vormischung unterzogen werden, bevor sie dem Dispergierraum zugeführt werden. Die Entzerrung des Mischvorganges aller Komponenten der Dispersion durch das Aufteilen des Zumischens der Komponenten über Vormischkammern verbessert den Mischvorgang gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Verfahren.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte b), c) und d) gleichzeitig durchgeführt. So kann das Verfahren kontinuierlich betrieben werden.
Um insbesondere für die Herstellung von Dispersionen mit hohem Dispersphasenanteil über 50 Vol.-% die größere Menge an disperser Phase in die kleinere Menge an kontinuierlicher Phase einzubringen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, durch Zuführen der dispersen Phase als in Schritt b) zugeführte erste Phase und Zuführen der kontinuierlichen Phase oder eines Bestandteil der kontinuierlichen Phase der Dispersion als in Schritt c) zugeführte zweite Phase und das Durchlaufen eine Phaseninversion bei der Herstellung der Dispersion durch die Dispergierung einerseits infolge der Mischwirkung und der Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems und andererseits zusätzlich durch die Neuordnung der Fluidelemente bei der Inversion der Phasen besonders homogene Dispersionen herstellen zu können, auch wenn der Dispersphasenanteil hoch ist.
Verglichen mit Dispersionen, die ohne Phaseninversion hergestellt wurden, haben diese Dispersionen eine engere Partikelgrößenverteilung. Diese Vorteile sind besonders wertvoll beim Herstellen von Dispersionen mit hohem Dispersphasenanteil, da dort aufgrund der hohen Dichte an Partikeln, insbesondere Tropfen (bei Emulsionen) der dispersen Phase, die Gefahr der Koaleszens groß ist. Durch Koaleszenz wird die Mischung beziehungsweise Zerkleinerung der dispersen Phase wieder zunichte gemacht. Die Vorteile der Phaseninversion lassen sich jedoch auch bei Dispersionen mit niedrigerem Dispersphasenanteil nutzen.
Um die Vorteile der Strömungsführung im Dispergierraum hin zur Vormischkammer zu nutzen, wird in einer Weiterbildung des Verfahrens ein oben beschriebener Rotor als Rotor des Rotor-Stator-Systems verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dieselben Bauteile sind in allen Zeichnungen mit den selben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 das Rotor-Stator-System gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in eingebautem Zustand in eine Dispergiermaschine im Querschnitt,
2 einen Ausschnitt aus einer Fotografie eines erfindungsgemäßen Statorkopfes, wobei der Ausschnitt eine Vormischkammer zeigt,
3 eine Fotografie eines Übergangsstücks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht,
4 eine Fotografie eines Übergangsstücks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht,
5 eine Fotografie eines erfindungsgemäßen Statorkopfes mit einer Vormischkammer, an deren Übergang zum Dispergierbereich im komplett montierten Zustand des Statorkopfes ein Übergangsstück eingeschweißt ist,
6 verschiedene Gestaltungen von Übergangsstücken gemäß der Erfindung, nämlich in
6a eine Aufsicht auf ein Übergangsstück mit schematisch angedeuteten Geometrien für die Anordnung von Schlitzen B10) und A10), in
6b Ausschnitte aus Querschnitten durch Übergangsstücke gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung, zu welchen als Verständnishilfe jeweils ein Ausbruch aus einem Rotorzahn dargestellt ist, mit unterschiedlichen Gestaltungen der Löcher im Übergangsstück A11, B11, C11, A12 und B12, und in
6c eine Aufsicht auf den Übergang zwischen Vormischkammern gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung und dem Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems, für welchen oben schematisch Zähne des inneren Rotorkranzes angedeutet sind. Dargestellt sind Geometrien A15, B15, C15 und D15 für Größe der Vormischkammer und Gestaltung von Übergangsstücken (A15, B15), wie sie miteinander kombiniert oder alternativ eingesetzt werden können. Zur Orientierung ist in
6c rechts unten ein schematischer Schnitt durch eine Vormischkammer eingezeichnet.
7 eine schematische Darstellung der Passage von zu behandelndem Fluid bei der Herstellung von Dispersionen mit Vormischkammer und Dispergierraum im Querschnitt,
8 eine Fotografie der Seitenansicht eines Stators,
9 Zahnkränze für einen Stator gemäß einer Ausführungsform in Querschnitt und Aufsicht,
10 Fotografie eines Stators mit zwei Vormischkammern und zwei Zahnkränzen sowie eines Rotors mit einem inneren und einem äußeren Zahnkranz, wobei der Rotor und der Stator ein Rotor-Stator-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bilden,
11 eine Fotografie eines Stators mit zwei Zahnkränzen (rechts) und eines Rotors mit mehreren schräg angeordneten Zähnen (links) eines herkömmlichen Rotor-Stator-Systems,
12 einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (vergleiche 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in 12) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in 12),
13 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in 13) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in 13),
14 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in 14) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in 14),
15 einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (vergleiche 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in 15) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in 15),
16 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in 16) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in 16),
17 Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen für Rotorzähne gemäß der Erfindung,
18 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Modellvorstellung der Passage einer Emulsion durch den Dispergierraum eines erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Systems,
19 eine schematische Darstellung einer Modellvorstellung zum Herstellen einer Emulsion während des Durchlaufs durch ein erfindungsgemäßes Rotor-Stator-System,
20 eine schematische Darstellung einer Vormischkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche in ein Pumpengehäuse eingeschweißt werden kann,
21 eine schematische Darstellung einer Vorderansicht einer Pumpe mit Pumpengehäuse, in welcher eine Vormischkammer angeordnet ist (vgl. 20).
1 zeigt eine Gesamtansicht einer Dispergiermaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor-Stator-System. In einem ersten Vorlagebehälter 101 kann eine erste Phase einer herzustellenden Dispersion vorgelegt werden. Durch den Einlaß 8 kann diese Phase in den Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems gelangen, welches vom Rotor 4 und dem Stator 1 gebildet wird. Durch Zuläufe 25 kann eine weitere Phase der Dispersion in Vormischkammern 2, welche sich im Kopf 11 des Stators befinden, zugeführt werden. In 1 ist ein Rotor-Stator-System mit zwei Vormischkammern gezeigt. Durch die Zuläufe 25 kann entweder in jede der beiden Vormischkammern 2 die Hälfte der insgesamt zuzuführenden zweiten Phase eingebracht werden, oder es können verschiedene Komponenten über jeweils einen Zulauf 25 und eine Vormischkammer 2 gleichzeitig und dennoch getrennt in die herzustellende Dispersion eingebracht werden.
Der Rotor 4 kann durch einen Motor 116 über die Antriebswelle 115 angetrieben werden. Die Zähne des Rotors 4 rotieren dann benachbart zu den Zähnen des Stators und unter dem Übergang zwischen den Vormischkammern 2 und dem Dispergierraum des Rotor-Statur-Systems. Im Betrieb des Rotor-Statur-Systems wird dadurch die Dispersion sowohl im Dispergierraum als auch in den Vormischkammern und am Übergang zwischen den Vormischkammern und dem Dispergierraum unter anderem Scherbeanspruchungen ausgesetzt. Des Weiteren werden zumindest teilweise turbulente Strömungsverhältnisse erzeugt. Bei der Passage der Vormischkammer, des Übergangs zwischen Vormischkammer und Dispergierraum sowie des Dispergierraums selbst, wird die disperse Phase der Dispersion zerkleinert.
Der Dispergierraum ist außen durch einen Ringkanal 112 umgeben, welcher vom Gehäuse 113 der Dispergiermaschine begrenzt wird. Aus dem Ringkanal 112 kann die Dispersion durch einen Auslass 9 aus dem Dispergierraum abgezogen werden.
Dichtungen 117 und 118, die als mechanische Dichtung, das heißt als rotierenden Gleitringdichtung, oder als statische Dichtung, das heißt zum Beispiel als O-Ring, ausgestaltet sein können, trennen den Dispergierraum von den weiteren angetriebenen beziehungsweise bewegten Komponenten der Dispergiermaschine ab.
In 2 ist ein Einblick von unten vom Dispergierraum ausgesehen in eine Vormischkammer 2 zu sehen. Die Vormischkammer 2 ist als Kavität im Inneren des Statorkopfes 11 ausgebildet. Die Vormischkammer 2 hat eine geschwungen verlaufende Umfangslinie 28. Die Vormischkammer 2 ist in das Innere des Statorkopfes 11 hineingewölbt ausgebildet. Das bedeutet, die Form der Vormischkammer 2 ist derart gestaltet, dass im Wesentlichen keine Ecken und Kanten vorhanden sind. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und zuverlässiges Reinigen der Vormischkammer.
In 2 ist des Weiteren der Einlauf 25 zu sehen, durch welchen eine zweite Phase in die Vormischkammer zugeführt werden kann. Die erste Phase kann durch die Vormischkammer durch den von der Umfangslinie 28 begrenzten Übergang der Vormischkammer zum Dispergierraum (nicht dargestellt) eintreten. Am Übergang zwischen Vormischkammer 2 und Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems ist bei der in 2 gezeigten Darstellung kein Übergangsstück montiert.
In den 3 und 4 sind Ausführungsformen von Übergangsstücken dargestellt, die zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierraum eingebaut werden können. Im einfachsten Fall werden solche Übergangsstücke als Verschluß der Vormischkammer hin zum Dispergierraum in den Statorkopf eingeschweißt. Die Geometrie derartiger Übergangsstücke kann in Breite, Form und Lage zu den Rotorzähnen je nach Dispergieraufgabe spezifisch gewählt werden, um einen optimalen Dispergierprozess zu ermöglichen.
In 3 ist ein Übergangsstück mit schlitzförmigen Löchern dargestellt. α₆ ist der Winkel, um welchen die in Rotationsrichtung vorne liegende Fläche eines Rotorzahns gegenüber der Radialen nach hinten geneigt ist (vergleiche 12). Eine Anordnung der Schlitze wie in 3 gezeigt im Wesentlichen parallel zur Vorderseite eines Rotorzahns sorgt für eine gute Eindringtiefe des durch das Übergangsstück in die Vormischkammer injizierten Fluids aus dem Dispergierraum. Verglichen mit anderen Anordnungen (siehe 4) werden in der Vormischkammer dabei Strömungsverhältnisse mit relativ wenig Turbulenzen erzielt.
Das in 4 dargestellte Übergangsstück weist schlitzförmige Öffnungen 31 auf, welche gegenüber der Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 verglichen mit der Ausführungsform in 3 in die andere Richtung geneigt sind. Dadurch verlaufen die Schlitze 31 auch geneigt zu der um den Winkel α₆ gegenüber der Radialen geneigt angeordneten Vorderseite 53 des Rotorzahns 5. Diese Anordnung bringt eine gute Eindringtiefe des aus dem Dispergierraum durch das Übergangsstück 3 in die Vormischkammer 2 injizierten und aus der Vormischkammer in den Dispergierraum ejizierten Fluids.
Gleichzeitig werden im Vergleich zu den Strömungsverhältnissen, welche mit einem Übergangsstück wie dem in 3 gezeigten erzielt werden, Strömungsverhältnisse mit relativ starken Turbulenzen erzeugt, da bei der Passage der Vorderkante des Rotorzahns Fluid in mindestens zwei Injektorschlitze 31 gleichzeitig gefördert wird. Dadurch werden je Zeiteinheit unterschiedliche Öffnungsquerschnitte der Schlitze 31 passiert, was zu einer pulsierenden Strömung in den dem Übergangsstück 3 benachbarten Bereichen führt.
Anzahl, Abmessungen und Form der Öffnungen 31 können je nach Dispergieraufgabe flexibel gewählt werden. Mit unterschiedlich gestalteten Übergangsstücken kann dann ein Statorkopf gemäß der Erfindung leicht verschiedenen Dispergieraufgaben angepaßt werden. Beispielsweise kann die Breite der Stege 39 zwischen den Schlitzen 31 im ähnlichen Bereich wie die Breite der Schlitze 31 gemessen in Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 gewählt werden.
In 5 ist ein Statorkopf 11, gesehen von der Seite des Dispergierraums des Rotor-Stator-Systems aus, gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform weist der Statorkopf 11 eine Vormischkammer 2 auf. Die Vormischkammer 2 ist an ihrem Übergang zum Dispergierraum von einem Übergangsstück 3 begrenzt. Das Übergangsstück füllt die Öffnung der Vormischkammer 2 zum Dispergierraum hin vollständig aus. Die äußere Kontur des Übergangsstück 3 stimmt im Wesentlichen mit der geschwungenen Umfangslinie 28 des Übergangs der Vormischkammer 2 zum Dispergierraum überein. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist nicht identisch mit der in 1 dargestellten Variante der Erfindung, denn dort wird eine Ausführungsform mit zwei Vormischkammern gezeigt.
Die Vormischkammern können in Anzahl, Geometrie der Injektoren/Ejektoren, deren Größe und deren Lage gemäß den prozesstechnischen Erfordernissen definiert werden. Beispielsweise können für eine Dispergiermaschine mit einer Nennleistung von 30 kW bei einem Volumen für eine Vormischkammer von ca. 24 cm³ über dem inneren Rotorkranz vier Vormischkammern platziert werden.
Die Erfindung ermöglicht es somit, durch die außerhalb des Dispergierraums angebrachten und ohne bewegte Teile, das heißt statisch wirkenden Vormischkammern eine Anpassung gemäß der jeweiligen Dispergieraufgabe an das Produkt vorzunehmen. Insbesondere können mehrere Komponenten gleichzeitig, jedoch räumlich getrennt verarbeitet werden. Über einen auswechselbaren Statorkopf können zum Beispiel je nach Rezeptur mehrere Vormischkammern oberhalb jedes Rotorkranzes angebracht werden. Somit kann insbesondere auch für die kontinuierliche Dispergierung verschiedener Rohstoffe das Ausmaß der Scher- und/oder Dehnkräfte, welche auf den jeweiligen Rohstoff wirken sollen, variiert werden. Wenn sehr große Rohstoffmengen eingebracht werden sollen, kann über mehrere Vormischkammern derselbe Rohstoff in kleineren Einzelmengenströmen zudosiert werden.
Die Rohstoffe beziehungweise Komponenten beziehungsweise Phasen der Dispersion werden durch die Vormischkammern über Pumpen eingebracht. An die Einläufe 25 sind entsprechende Leitungen angelegt. Durch diese Leitungen können aus entsprechenden Vorlagebehältern 102 (vergleiche 1) zum Beispiel über Dosierpumpen, Zahnradpumpen oder ähnliche Fördereinrichtungen die Komponenten der Dispersion in die Vormischkammern eingebracht werden.
Der Anteil der Phase beziehungsweise der Phasen, welche dem Dispergierraum über die Vormischkammern zugeführt werden, ist abhängig von der Einstellung der verwendeten Pumpen und kann in der Regel über einen Frequenzumrichter vorgewählt werden, zum Beispiel in Kombination mit einem Durchflußmesser.
Auch die Größe der Vormischkammern selbst und damit das Kontaktvolumen zwischen den Phasen, welche in der Vormischkammer miteinander in Kontakt gebracht werden, kann variiert werden, um die Geometrie des Statorkopfes an verschiedene Dispergieraufgaben anzupassen. Durch ein Auswechseln des Statorkopfes, der die Vormischkammern enthält, können Anzahl, Lage und Größe der Vormischkammern sowie der Injektoren/Ejektoren und deren Anordnung den jeweiligen Prozeßanforderungen schnell angepaßt werden.
Die Anzahl der Vormischkammern wird dabei je nach Anzahl der Rohstoffe beziehungsweise Komponenten, welche gleichzeitig oder zeitlich versetzt eingebracht werden sollen, gewählt. Die Größe der Vormischkammern und/oder die Geometrie der Löcher im Übergangsstück können in Abstimmung auf die Partikelgrößenverteilung gewählt werden, welche durch die Behandlung in der Vormischkammer und beim Durchtritt durch das Übergangsstück erreicht werden soll.
Die Abstimmung dieser Parameter auf die jeweilige Dispergieraufgabe ist wichtig für das Herstellen stabiler Dispersionen. Durch diese Abstimmung kann beispielsweise beim Herstellen von Emulsionen verhindert werden, daß hohe Konzentrationen frisch gebildeter Tropfen an disperser Phase in solchen Bereichen auftreten, in welchen die Strömungsverhältnisse die Tropfen nicht ausreichend schnell voneinander entfernen, so daß die Tropfen nach ihrer Entstehung wieder koaleszieren.
Die gewölbte Gestaltung der Vormischkammer (vergleiche 2) ermöglicht einerseits eine sehr gute Vermischung der Phasen und andererseits eine leichte Reinigung der Vormischkammer. Dies wird erreicht durch den Verzicht auf scharfe Ecken und Kanten, an welchen Produkt haften bleiben könnte beziehungsweise welche zur Bildung von Toträumen führen könnte. Dadurch wird auch das im wesentlichen vollständige Abfließen des Spülwassers erleichtert.
Neben den Variationsmöglichkeiten, die die Vormischkammern selbst bieten, kann über die Gestaltung der Übergangsstücke zusätzlich Einfluß auf die Strömungsverhältnisse genommen werden, welche sich beim Betrieb Rotor-Stator-Systems einstellen. In 6 sind für die Übergangsstücke verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt.
In 6a ist eine Aufsicht auf ein Übergangsstück dargestellt, in welcher beispielhaft zwei verschiedene Geometrien für die Ausbildung der Einlaß-/Auslaßkanäle 31 dargestellt ist. Die Geometrie A10 entspricht der in 4 gezeigten Ausführungsform des Übergangsstücks. Die Geometrie B10 entspricht der in 3 dargestellten Geometrie des Übergangsstücks.
Neben der Ausrichtung der Löcher bzw. Schlitze 31 in Relation zur Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 spielt auch die Gestaltung der Löcher in ihrem Durchgang durch die Dicke des Übergangsstücks senkrecht zur in 6a dargestellten Ebene des Übergangsstücks eine Rolle. Für den Einfluß auf die Strömungsverhältnisse in Nachbarschaft des Übergangsstücks.
In 6b sind verschiedene Kanalformen für die Löcher in Übergangsstücken dargestellt. A11 zeigt gerade Durchgangslöcher. Diese Form ist bei den in den 3 und 4 dargestellten Übergangsstücken realisiert. Die Eindringtiefe (Penetrationstiefe) von Fluid aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer ist mit dieser Geometrie A11 relativ groß.
Die Löcher 31 im Übergangsstück 3 werden von einer Mantelfläche 35 begrenzt. Gemäß den Ausführungsformen B11 und C11 sind die Löcher schräg durch das Übergangsstück gebohrt. Die Lochachse 33 ist gegenüber der Senkrechten auf das Übergangsstück geneigt. Die Neigung liegt im Bereich bis etwa 45°. Gemäß den Ausführungsformen A12 und B12 hat die Mantelfläche der Löcher verschiedene Bereiche 36, 37. Ein erster Teilbereich der Mantelfläche 36 verläuft geneigt in Bezug auf die Senkrechte auf das Übergangsstück 3. Ein zweiter Bereich 37 der Mantelfläche verläuft parallel zur Senkrechten auf das Übergangsstück 3.
Aufgrund der gegenüber der Senkrechten auf das Übergangsstück geneigten Lochachse haben die Geometrien B11 und C11 eine geringere Penetrationstiefe. Jedoch ist dadurch eine erhöhte Verwirbelung des Fluids in Nachbarschaft des Übergangsstückes gewährleistet.
Mit Geometrie A12 kann ein großes Volumen an Fluid in die Vormischkammer gefördert werden. Durch die Verengung der Löcher in Richtung zur Vormischkammer hin wird gleichzeitig ein Injektoreffekt erzielt, welcher zu hohen Verwirbelungen in der Vormischkammer führt. Die Geometrie B12 führt dagegen zu einer geringeren Penetrationstiefe. Im allgemeinen gilt: wenn der Zufluß durch die Einlässe 25 in die Vormischkammern 2 groß ist, soll mit der über den Einlauf 8 in den Dispergierraum und von dort in die Vormischkammer 2 zugeführten Flüssigkeit eine große Eindringtiefe in die Vormischkammer erzielt werden.
In 7 ist ein Schnitt durch ein Übergangsstück in einer schematischen Darstellung der Fluidbewegung beim Betrieb des Rotor-Stator-Systems gezeigt. Man erkennt die Stege 39 des Übergangsstücks, welches am Übergang zwischen der Vormischkammer 2 und dem Dispergierraum angeordnet ist, welcher zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 4 besteht.
Der Rotor 4 trägt Rotorzähne 5. Drehen sich die Rotozähne 5 unter dem Übergangsstück 3 hinweg, entstehen Bereiche mit einem Überdruck vor dem Rotorzahn, so daß Flüssigkeit aus dem Dispergierraum durch die Kanäle 31 in die Vormischkammer 2 gefördert wird. Während die Flüssigkeit am Rotorzahn entlang in Richtung auf das Übergangsstück beziehungsweise die Vormischkammer gefördert wird, kann es bei der Passage des Rotorzahns, dessen Geometrie weiter unten näher beschrieben wird, zur Ausbildung von Jet-Streams und Unterdrücken kommen. Mit ”Jet-Stream” wird in Anlehnung an den meteorologischen Fachbegriff eine strahlförmig ausgerichtete Strömung bezeichnet, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit deutlich höher als in der Umgebung des Jet-Streams ist.
Die in 7 gezeigte schematische Darstellung illustriert eine vereinfachte Modellvorstellung, welche nicht den Anspruch erhebt, die tatsächlich herrschenden Strömungsverhältnisse vollständig wiederzugeben.
In 8 ist ein Stator gemäß der Erfindung in Außenansicht gezeigt. Der Statorkopf 11 hat eine Einlaufbohrung 25, welche den Zulauf zu einer Vormischkammer 2 im Inneren des Stators ermöglicht. Der Statorkopf 11 ist mit einem Zahnkranz 123 versehen. Der Stator weist einen Schnellverschluß 109 auf, mit welchem er an den Behälter 101 (vergl. 1) montiert werden kann. An die Bohrung 25 kann ein Einlaufrohr mit Ventil, wie in 1 dargestellt, montiert werden. Der Stator weist Statorzähne auf, welche parallel zu seiner Längsachse (im Bild vertikal) verlaufen.
In 9 ist ein Statorrumpf 12 eines Stators mit zwei Zahnkränzen gezeigt. Parallel zur Längsachse 14 des Statorrumpfes verlaufen ein innerer Zahnkranz 124 und äußerer Zahnkranz 123. Die Zähne des inneren Zahnkranzes sind etwa ein halb so lang wie die Zähne des äußeren Zahnkranzes. Der Statorrumpf weist Durchgangslöcher auf, durch die er mit Hilfe von Schrauben am Statorkopf befestigt werden kann.
In 10 ist eine Ausführungssform des erfindungsgemäßen Rotor-Status-Systems gezeigt. Oben ist der Stator 1 abgebildet. Der Stator 1 weist einen inneren und einen äußeren Zahnkranz 123, 124 auf. Im Zentrumsbereich des Stators 1 befindet sich der Einlaß 15, durch welchen im Anschluß an den Einlaß 8 Fluid aus dem Vorlagenbehälter 101 (vergleiche 1) in den Dispergierbereich gelangen kann. Im Inneren des Stators 1 sind zwei Vormischkammern 2 angeordnet, an deren Übergang 27 zum Dispergierbereich Übergangsstücke 3 mit Schlitzen angeordnet sind.
Der Stator 1 bildet zusammen mit einem Rotor ein Rotor-Stator-System gemäß der Erfindung. In radialer Richtung gesehen von der Rotationsachse des Rotors aus besteht zwischen dem Rotor und dem Stator ein Spalt. Die Breite dieses Spaltes beträgt etwa 0,1 mm bis etwa 1,5 mm. Die Spaltweite wird der Dispergieraufgabe angepaßt. W erden Vormischkammern sowohl über dem inneren als auch über weiter außen liegenden Zahnkränzen des Rotors vorgesehen, um bei einem einzigen Durchlauf durch das Rotor-Stator-System Medien mit relativ hoher Viskosität innen und Medien mit relativ geringer Viskosität außen zuzugeben, kann die Spaltweite von beispielsweise 0,35 mm bei Zugabe über gleich weit von der Zentrumsachse entfernten Vormischkammern auf 0,8 mm erhöht werden, um größere Tröpfchen zu erhalten.
Ein solcher Rotor des erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Systems kann beispielsweise wie der in 10 unten dargestellte gestaltet sein. Dieser Rotor 4 hat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Trägerplatte 42, welche eine inneren Zahnkranz 424 und einen äußeren Zahnkranz 423 trägt. Die Zähne 5 weisen in Aufsicht eine prallelogrammartige Form auf. Es ist hervorzuheben, daß die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vormischkammern nicht auf eine derartige bestimmte Zahngeometrie beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung eines Stators mit innenliegenden Vormischkammern mit allen Zahngeometrien beziehungsweise Rotoren arbeiten, die einen Druck in Richtung auf die Vormischkammer vom Dispergierraum aus gesehen aufbauen können.
Zum Vergleich ist 11 ein Rotor und ein Stator eines herkömmlichen Rotor-Stator-Systems gezeigt. Bezogen auf die Erfindung erkennt man deutlich die Unterschiede in der Gestaltung des Stators (rechts in 11), welcher keine Vormischkammern aufweist, sowie dies Rotors (links in 11), welcher wesentlich mehr Zähne aufweist, die jedoch keine Zahnkränze bilden und unterschiedliche Ausrichtungen zu einer Radialen von der Rotationsachse des Rotors aus haben.
In den 12 bis 16 ist für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung die Geometrie des Rotors und insbesondere der Rotorzähne 5 dargestellt. Der Rotor 4 weist eine Trägerscheibe 42 auf mit einem Durchgangsloch koaxial zur Rotationsachse 14 des Rotors. Dieses Durchgangsloch dient dem Anschluß des Rotors 4 an die Antriebswelle 115 zur Verbindung mit dem Motor 116 (vergleiche 1). Die Trägerscheibe 42 des Rotors 4 trägt Rotorzähne 5.

Die Außenmaße des Rotors und die Höhe der Rotorzähne werden gemäß der Erfindung in Abstimmung auf die Nennleistung des Motors und somit des Rotor-Stator-Systems gewählt. Die folgende Tabelle gibt einen beispielhaften Überblick über geeignete Kombinationen der genannten Parameter.

Außendurchmesser des Rotors in mm	Nennleistung des Motors in kW	Höhe der Rotorzähne in mm
50	2,2	8 bis 10
75	5,5	10 bis 12
100	11	12 bis 18
150	22	18 bis 24
175	30 bis 45	24 bis 32
285	55 bis 75	24 bis 40

Rotor-Stator-Systeme können ein- oder mehrstufig ausgebildet sein, als Beispiel wird hier eine zweistufige Dispergiermaschine gezeigt. Es handelt sich um ein Rotor-Stator-System mit zwei Zahnkränzen des Rotors, einem inneren und einem äußeren Zahnkranz. Der innere Zahnkranz 424 weist 4 Rotorzähne auf. Der äußere Zahnkranz 423 weist acht Rotorzähne auf. Dieses Verhältnis 1 zu 2 ist gewählt um in der Maschine einen kontinuierlichen Druckaufbau von innen nach außen zu gewährleisten. Auch ein anderes Verhältnis, zum Beispiel 1 zu 3, bringt einen solchen Erfolg.
Die Rotorzähne des inneren Zahnkranzes 424 haben eine Breite, gemessen in radialer Richtung von der Rotationsachse 14 aus, welche zirka doppelt so groß ist wie die Breite der Rotorzähne des äußeren Zahnkranzes 423 (siehe 12 links oben).
Ein Rotorzahn 5 weist eine der Zentrumsachse 14 des Rotors 4 zugewandte Innenseite 51 und eine der Außenkante der Trägerscheibe 42 zugewandte Außenseite 52 auf. In Drehrichtung des Rotors 4 vorne liegend befindet sich die Vorderseite 53 des Rotors. In Drehrichtung des Rotors hinten liegend ist die Rückseite 54 des Rotorzahns. Auf der von der Trägerscheibe 42 abgewandten Seite wird ein Rotorzahn von der Oberseite 55 des Rotorzahns abgeschlossen. Die Rotorzähne des inneren Zahnkranzes haben einen Abstand d₁ von der Zentrumsachse 14 des Rotors gesehen, welche kleiner ist als der Abstand d₂ der Rotorzähne des äußeren Zahnkranzes 423.
Die Vorderseite 53 eines Rotorzahns 5 ist gegenüber einer radial von der Rotationsachse 14 des Rotors 4 aus verlaufenden Bezugslinie 57 um einen Winkel α₆ bezogen auf die Drehrichtung des Rotors nach hinten geneigt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Rückseite 54 des Rotorzahns im wesentlichen senkrecht zur Trägerscheibe 42 orientiert. Die Rückseite des Rotorzahns kann jedoch auch beliebige andere Orientierungen aufweisen. Im Betrieb des Rotor-Stator-Systems bewirkt die Neigung der Vorderseite des Rotorzahns um den Winkel α₆ eine radiale Beschleunigung des Produktes bei der Behandlung im Dispergierraum.
Die Vorderseite 53 weist einen Bereich 56 auf, welche gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe 42 des Rotors 4 um einen Winkel α₄ nach hinten geneigt ist. Durch den Versatz des Bereiches 56 der Vorderseite 53 um den Winkel α₄ wird im Betriebszustand des Rotor-Stator-Systems auf das Fluid im Dispergierraum eine Druckkomponente aufgeprägt, welche das Fluid in Richtung des Statorkopfes und insbesondere in die Vormischkammern hinein fördert. Zudem wird durch die Neigung des Bereiches 56 der Vorderseite des Rotorzahns um den Winkel α₄ beim Passieren der im wesentlichen quaderförmig und parallel zur Rotationsachse 14 verlaufenden Statorzähne der Turbulenzgrad der Strömung erhöht.
Während vorzugsweise der Bereich 56 der Vorderseite, welcher um den Winkel α₄ nach hinten geneigt ist, im unteren Bereich der Vorderseite, also der Trägerscheibe 42 zugewandt, angeordnet ist, weist der Rotorzahn 5 der in den 12, 13, 14 und 16 gezeigten Ausführungsbeispiele an seiner Vorderseite 53 einen oberen Bereich 58 auf, welcher in Bezug auf eine parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe 42 verlaufende Bezugslinie 45 nach unten in Drehrichtung des Rotors 4 um einen Winkel α₅ geneigt ist. Durch die Neigung dieses oberen Bereiches 58 der Vorderseite 53 des Rotorzahns 5 um den Winkel α₅ wird die durch die Neigung α₄ des Bereiches 56 der Vorderseite des Rotorzahns 5 erzeugte, von der Trägerscheibe 42 weg, orientierte Druckkomponente des Fluids noch erhöht. Dies trägt zur Bildung von Jet-Streams an den entsprechenden Bereichen in der Nachbarschaft des Bereiches 58 des Rotorzahns 5 im Dispergierraum beim Betrieb des Rotor-Stator-Systems bei.
Gemäß der Modellvorstellung ist der Jet-Stream besonders dort stark ausgeprägt, wo die Rotorzähne Bereiche des Statorkopfes passieren, welche nicht in eine Vormischkammer übergehen. Durch die mehrteilige Ausbildung der Vorderseite 53 mit den um die Winkel α₄ beziehungsweise α₅ geneigten Bereiche 56 und 58 wird eine zusätzliche Dispergierkante am Rotorzahn bereitgestellt. Durch die zusätzliche Dispergierkante wird die Effizienz der Dispergierung gegenüber einem Rotorzahn mit lediglich einer Kante am Übergang der Vorderseite in die Oberseite des Rotorzahns erhöht.
Zwischen der von der Trägerseite 42 abgewandten oberen Begrenzung der Rückseite 54 des Rotorzahns 5 und der oberen Begrenzung des oberen Bereichs 58 der Vorderseite 53 des Rotorzahns verläuft die Oberseite 55 des Rotorzahns. Gemäß den in den 12, 13, 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Oberseite 55 von ihrem in Rotationsrichtung des Rotors vorne liegenden Beginn am oberen Ende des Bereichs 58 hin zu ihrem rückwärtigen Ende am Übergang zur Rückseite 54 des Rotorzahns abgetragen. In der Detailzeichnung rechts oben in 12 ist eine entsprechend gebogen verlaufende Kontur der Oberseite 55 des Rotorzahns 5 gezeigt, wie sie beispielsweise durch Ausfräsen hergestellt werden kann. Die in Bezug auf die Linie 45 betrachtete Tiefe der Ausfräsung ist ein Maß dafür, wie weit Fluid aus der Vormischkammer in den Dispergierraum eingezogen werden kann, wenn der Rotorzahn 5 im Betrieb des Rotor-Stator-Systems den Übergang von der Vormischkammer in den Dispergierraum passiert. Statt der im Längsschnitt bogenförmigen Ausfräsung (siehe 12) kann beispielsweise auch eine einfache Abschrägung (siehe 13, 15 und 16) gewählt werden.
In Bezug auf die Gestaltung des Rotorzahnes bietet die Erfindung unterschiedliche Möglichkeiten, durch die Formgebung die Strömungsverhältnisse im Dispergierraum beim Betrieb des Rotor-Stator-Systems zu beeinflussen und dabei insbesondere die Vorraussetzungen für einen erhöhten Turbulenzgrad im Vergleich zu herkömmlichen Bauformen (siehe 11) zu schaffen. Alle in den 12 bis 17 gezeigten Beispiele erfüllen diese Anforderungen und bieten durch die im Längssschnitt erkennbaren Abschrägungen am Rotorzahn mindestens eine zusätzliche Dispergierkante im Vergleich zu im wesentlichen quaderförmigen Rotorzähnen, indem die Rotorzähne gemäß der Erfindung eine gezackte Oberfläche auweisen.
Die Rotorzähne sind durch die oben beschriebene Konstruktion so ausgelegt, daß sowohl eine radiale Förderrichtung durch den Dispergierraum entsteht, welche insbesondere durch den Winkel α₆ realisiert wird, als auch eine axiale Druckkomponente auf den Stator hin, hier also aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer, welche insbesondere durch den Winkel α₄ realisiert wird. Passiert ein Rotorzahn den Übergang zwischen den Vormischkammer und dem Dispergierraum, entsteht äußerst schnell, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, an jedem Rotorzahn ein Über- sowie ein Unterdruck, der an das Fluid in der Vormischkammer weitergegeben wird, wodurch in der Vormischkammer starke Verwirbelungen der beiden Phasen ineinander entstehen. Durch die Absenkung der Oberseite 55 des Rotorzahns in Bezug auf die Bezugslinie 45, wird ein Unterdruck erzeugt, so daß Fluid gleichzeitig aus der Vormischkammer in den Dispergierraum gezogen wird.
In 7 ist die Modellvorstellung für die oben beschriebene Fluidbewegung schematisch dargestellt. Die Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems kann durch die Wahl der Geometrie, insbesondere durch die Wahl des Winkels α₄ des Rotorzahns, in Abstimmung auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotorzahns und den Durchsatz durch die Dispergiermaschine vom Fachmann eingestellt werden. Der Winkel α₄ und Umfangsgeschwindigkeit der Rotorzähne bestimmen hauptsächlich das Volumen an Fluid, welches vom Dispergierraum aus in die Vormischkammern hineingefördert wird. Je größer α₄ bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit ist, desto größer ist dieses Volumen.
Das Volumen der über die Vormischkammern zudosierten zweiten Komponente beziehungsweise weiteren Komponenten hängt hauptsächlich von den gewählten Einstellungen der Pumpen im Zulauf 25 ab. Beispielsweise über eine Kombination dieser Pumpen mit einem Frequenzumrichter kann die gewünschte Pumpeneinstellung vorgegeben werden. Durch Positionieren eines Durchflußmessers im Zulauf 25 kann der dem Dispergierraum zugeführte Volumenstrom über den Zulauf 25 angezeigt werden.
In 17 sind weitere Varianten für die Geometrie des Rotorzahns 5 dargestellt. Der in 17a dargestellt Rotorzahn 5 hat eine Vorderseite mit einem, bezogen auf die Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe 42, senkrecht verlaufenden unteren Bereich und einem nach hinten, in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors mit dem Rotorzahn 5, geneigten oberen Bereich. Die Oberseite des Rotorzahns verläuft parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe. In 17b wurde die Oberseite 55 des Rotorzahns 5, verglichen mit der in 17a dargestellten Gestaltung, abgeschrägt. Die in 17c dargestellt Ausführungsform des Rotorzahns hat eine geneigte Vorderseite 53, eine parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe verlaufende Oberseite 55 und eine Rückseite 54, welche auf die Vorderseite 53 zugeneigt ist. Durch eine derartige Neigung der Rückseite 54 kann die Einzugswirkung, welche oben für eine abgesenkte Oberseite 55 des Rotorzahns beschrieben ist, verstärkt werden.
In 18 ist eine Modellvorstellung zur Wirkung unterschiedlicher Gestaltungen von Rotorzähnen auf die Strömungsverhältnisse in deren Nachbarschaft im Betrieb des Rotor-Stator-Systems gezeigt. Bei der Darstellung des Stators 1 wurde ein Bereich gewählt, welcher keine Vormischkammern aufweist, um die Aufmerksamkeit auf die Strömungsverhältnisse in Nachbarschaft des Rotorzahns zu lenken.
In Bild 14a ist ein Rotorzahn mit flacher Ausfräsung der Oberseite dargestellt. Ein solche Gestaltung wird typischerweise für geringe bis mitterle Zugabemengen der über den Einlaß 25 über die Vormischkammer zugeführten Komponenten der herzustellenden Dispersion verwendet. Geringe bis mittlere Zugabemengen entsprechen einem Anteil der betreffenden Komponente an der fertigen Dispersion von etwa 5 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-%.
Der in 18a dargestellte Rotorzahn 5 zeigt zudem einen fließenden Übergang von der Trägerscheibe 42 des Rotors zum Rotorzahn im unteren Bereich seiner Vorderseite 53. Durch eine derart fließende Gestaltung am Ursprung der Vorderseite des Rotorzahns aus der Trägerscheibe reduzierten Totzonen für das Fluid im Dispergierraum. In 18b ist ein Rotorzahn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer im Vergleich zu dem in 18a dargestellten Rotorzahn sehr tiefen Einbuchtung der Oberseite 55 des Rotorzahns gezeigt. Eine solche Gestaltung kann für mittlere bis große Zugabemengen der über den Zulauf 25 durch die Vormischkammern in den Dispergierraum zugeführten Komponenten der Dispersion verwendet werden. Mittlere bis große Zugabemengen der entsprechenden Komponente bedeuten einen Anteil dieser Komponente im Bereich zwischen mehr als etwa 30 Vol.-% und etwa 80 Vol.-% der herzustellenden Dispersion.
Mit den in 18 vom Stator 1 zum Rotor hin verlaufenden senkrechten gestrichelten Linien sind der Statorzähne angedeutet. Wo ein Rotorzahn einen solchen geraden Statorzahn passiert, entstehen gemäß der Modellvorstellung Mikroturbulenzen, die in 18 mit Turbulenz I bezeichnet sind. Im Vergleich zu den mit Turbulenz II bezeichneten Jetstream-Strömungen weisen die Bereiche, in welchen Mikroturbulenzen erzeugt werden, viele energiereiche kleine Wirbel im Fluid des Dispergierraums auf.
19 illustriert eine Modellvorstellung der Herstellung einer Emulsion in einem erfindungsgemäßen Rotor-Stator-System. Links ist der mit 2 gekennzeichnete Bereich dargestellt, welcher eine Emulsion beim Durchlaufen des Dispergierraums 7 zeigt. Im Anschluss an die Behandlung im Dispergierraum kann beim Durchströmen des Auslasses 9 noch eine weitere Stabilisierung der Tropfen der Emulsion stattfinden.
Nach dem ersten Kontakt der beiden Phasen der Emulsion in der Vormischkammer (Beginn ganz links in 19) werden die beiden Phasen vermischt, und es bilden sich Tropfen der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase. Im dargestellten Beispiel der Emulsion ist die disperse Phase eine lipophile Phase und die kontinuierliche Phase eine wässrige Phase. In der kontinuierlichen Phase sind Emulgatormoleküle gelöst. Diese sind in der kontinuierlichen Phase in einer derartigen Menge vorgelegt, dass sich zumindest zu Beginn des Prozesses teilweise Mizellen aus Emulgatormolekülen bilden.
Sobald durch den Kontakt der dispersen Phase mit der kontinuierlichen Phase eine Grenzfläche zwischen den lipophilen und wässrigen Fluiden bereitgestellt wird, beginnen die Emulgatormoleküle, sich an dieser Grenzfläche anzulagern. Beim Durchlaufen der Vormischkammer werden die zunächst großen Tropfen der dispersen Phase weiter zerkleinert. Dabei lagern sich zunehmend Emulgatormoleküle an der Grenzfläche zwischen disperser und kontinuierlicher Phase an. Die Zerkleinerung der Tropfen und die Stabilisierung der Grenzfläche durch Emulgatormoleküle setzt sich beim Durchlaufen des Dispergierraums 7 fort. Auch während des Durchströmens der den Dispergierraum 7 verlassenden Emulsion durch den Auslaß 9 kann der Vorgang der Stabilisierung der gebildeten Tröpfchen durch Emulgatormoleküle fortgesetzt werden.
Die oben beschriebene Erfindung der Vormischkammer kann nicht nur in Statoren für Rotor-Stator-Systeme von Dispergiermaschinen, sondern auch in Pumpen, Rührwerken und ähnlichen Apparaten, in welchen mehrere zumindest teilweise flüssige Komponenten miteinander vermischt werden sollen, eingesetzt werden. In 20 ist eine schematische Skizze einer Vormischkammer gezeigt, die in ein Pumpengehäuse eingeschweißt werden kann. Die Vormischkammer wird beispielsweise aus einem soliden Edelstahlstück gefertigt und entspricht in ihrer Geometrie der beispielsweise in Bezug auf 2 gegebenen Beschreibung.
Die Vormischkammer wird auf der druckerzeugenden Seite des Apparates angebracht. Durch den Überdruck des bewegten Teiles, also beispielsweise des Rotors oder des Rührers oder der bewegten Pumpenkomponente, wird die geförderte Komponente der Dispersion in die Vormischkammer gedrückt. Der Wechsel von Überdruck und Unterdruck in Folge der Bewegung des Dispergierelements beziehungsweise des bewegten Pumpenteils, drückt beziehungsweise saugt das zunehmend homogenisierte Vorgemisch aus der Vormischkammer.
Bei sehr hochviskosen Produkten kann nach dem Durchlauf durch eine mit einer Vormischkammer ausgerüsteten Pumpe, eine Nachvermischung durchgeführt werden. Dazu können beispielsweise statische Mischer oder Rührwerktanks und ähnliche Anordnungen eingesetzt werden.
Die Zuführung von Komponenten in die Vormischkammern erfolgt durch Zulaufrohre entsprechend den Zuläufen 25 in 1. Durch Pumpen wie beispielsweise Verdrängerpumpen, werden die Rohstoffe in die Vormischkammern zugeführt.
In 21 ist eine Vorderansicht einer mit einer Vormischkammer ausgerüsteten Pumpe im Pumpengehäuse dargestellt. Die Pumpe weist einen Einlaß 8 für ein Fluid auf und einen weiteren Einlaß 81 für ein weiteres Fluid, durch welchen dieses in die Vormischkammer 2 zugeführt wird. Durch einen Auslaß 9 wird die Mischung der Fluide aus der Pumpe abgezogen. Die Vormischkammer liegt in der Darstellung in 21 links vom Pumpenauslaß 9. Die Drehrichtung der bewegten Pumpenkomponente ist in der Zeichnungsebene entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Pumpenräder können als Standardpumpenräder wie zum Beispiel solche von Zentrifugalpumpen ausgeführt sein und übernehmen die Funktion des Rotors in der obigen Beschreibung der Rotor-Stator-Systeme.
Beispiel 1
Eine Dispergiermaschine mit einem Rotor und einem Stator gemäß der Erfindung hat eine Nennleistung von 30 kW. Der Rotor hat einen Außendurchmesser von etwa 175 mm. Der Stator weist vier Vormischkammern auf, welche über dem inneren der beiden Rotorkränze des Rotors angeordnet sind. Die Vormischkammern haben eine Länge von jeweils etwa 10 cm, gemessen entlang der Hauptausdehnungsrichtung der Vormischkammern. Senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung sind sie etwa 1,2 cm breit. Sie haben eine mittlere Tiefe von etwa 2 cm, gemessen vom Übergangsbereich der Vormischkammer in den Dispergierraum aus, in das Innere des Stators hinein. Jede Kammer hat ein Volumen von etwa 24 cm³.
Es wird angenommen, das dieses Volumen von jedem in Betrieb des Rotor-Stator-Systems die Vormischkammer passierenden Rotorzahn ausgewaschen wird. Das bedeutet bei 3000 Umdrehungen/Minute und vier Zähnen auf dem inneren Rotorkranz einen Durchsatz von 288.000 cm³/Min oder 0,288 m³/Min oder 17,3 m³/h für jede Vormischkammer.
Bei einem Konzentrationsverhältnis der über die Vormischkammern zugeführten (bei einer Emulsion beispielsweise inneren) Phase zu der im Dispergierraum vorgelegten (am Beispiel einer Emulsion äußeren) Phase von 40 Vol.-% können somit 7 m³/h innere Phase pro Vormischkammer verarbeitet werden. Dies ergibt bei vier Vormischkammern ein mögliches einzubringendes Volumen von 28 m³ in jeder Stunde. Damit ist die Dispergiermaschine gemäß der Erfindung herkömmlichen Apparaten weit überlegen.
Beispiel 2
Für das Verdünnen von Substanzen mit Wasser, wobei ein Übergangszustand durchlaufen wird, in welchem eine dispersionsartiges System aus der Substanz und Wasser vorliegt, bietet die Erfindung weitere Vorteile. Ein Beispiel für solche Substanzen sind waschaktive Substanzen (WAS) wie zum Beispiel AE3S 70%, LES 70% und ähnliche Substanzen. Diese Rohstoffe müssen in einem Durchgang durch die für das Verdünnen eingesetzte Maschine auf einen Volumenanteil von unter 30% in Wasser verdünnt werden, da sich sonst eine hexagonale Phase einstellen kann, welche eine Viskosität aufweisen kann, die um den Faktor 10 höher ist als die Viskosität des ursprünglichen Rohstoffes.
Herkömmliche Maschinen weisen oft das Problem auf, dass die zu verdünnende Substanz nicht genügend mit Wasser in Kontakt gebracht werden kann, so dass örtlich Überkonzentrationen in Bereichen entstehen, wo die beiden Phasen zusammengeführt werden. Diese örtlichen Überkonzentrationen führen beim Verdünnen von waschaktiven Substanzen mit Wasser zu so genannten Fischaugen (hexagonale Phase), die sich im weiteren Verlauf nur schwer wieder aufschließen lassen. Die Kapazitäten der herkömmlichen Dispergiermaschinen zum Verdünnen von waschaktiven Substanzen sind somit äußerst gering. Durch die erfindungsgemäße Vormischkammer dagegen, kann den besonderen Anforderungen des Verdünnens von waschaktiven Substanzen mit Wasser Rechnung getragen werden und die gewünschte Kapazität flexibel angepaßt werden.
Hochkonzentrierte waschaktive Substanzen mit einem Anteil von 70 Vol.-% der Substanz in Wasser gelöst (WAS 70%) wie AE3S, LES oder ähnliche, werden in einem Standardcontainer von etwa 23.000 kg angeliefert. Die Entladezeit liegt bei ca. 60 bis 90 Minuten und ist begrenzt durch die Rohranschlüsse der Container und die hohe Viskosität des Produkts. Die WAS wird in Lagertanks zwischengelagert und dann kontinuierlich auf eine Konzentration von 25 Vol.-% waschaktiver Substanz in Wasser verdünnt. Für die Produktion wird die derart verdünnte waschaktive Substanz in anderen Lagertanks bereitgehalten.
Traditionelle kontinuierliche Verdünnungsanlagen sind teuer. Damit sich die Kosten in Grenzen halten, wird die Größe auf den Bedarf eingestellt. Bei Änderungen der Anwendungen ist der Nutzer somit durch die vorhandene Verdünnungsanlage limitiert.
Eine Anlage mit erfindungsgemäßen Vormischkammern dagegen ist in der Lage, die zuzuführende Menge von waschaktiver Substanz für die Verdünnung direkt aus dem Container, in welchem die Substanz angeliefert wird, in einem kontinuierlichen Prozess zu verdünnen. Nach Bedarf kann auch ein Batch-Verfahren angewendet werden, wozu dann eine entsprechend kleinere Maschine mit Vormischkammern eingesetzt wird. Zum Beispiel können mit einer Dispergiermaschine gemäß der Erfindung 455 kg/Min Wasser unter Kontrolle durch einen Durchflußmesser dem Stator zugeführt werden, so dass dieser Volumenstrom an Wasser in den Dispergierraum gelangt.
Durch die Zuläufe zu Vormischkammern werden 255 kg/Min waschaktive Substanz zugepumpt. In einem Durchlauf ist die waschaktive Substanz dann gemäß der Erfindung auf einen Volumenanteil von 25% verdünnt. Für diese Anwendung kann die kommerziell erhältliche Dispergiermaschine des Anmelders LEXA-MIX LM30, mit einer Nennleistung von 30 kW eingesetzt werden. Die Verarbeitung solch hoher Rohstoffmengen, sowohl im kontinuierlichen als auch im Batch-Prozess ist mit herkömmlichen Dispergiermaschinen, welche einen Durchsatz von 25–80 kg/Min an zu dispergierender Substanz ermöglichen, nicht möglich.
Des Weiteren bietet die Erfindung den Vorteil, die Investitionskosten deutlich senken zu können. Die Anschaffungskosten für eine typische kontinuierliche Anlage zum Verdünnen waschaktiver Substanzen kostet im Jahr 2008 ca. 180.000,- EUR. Die genannte LEXA-MIX Dispergiermaschine dagegen hat Anschaffungskosten von lediglich 50.000,- EUR im Jahr 2008.
Beispiel 3
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung besteht im kontinuierlichen Herstellen von Emulsionen mit einem großen inneren Phasenanteil, sogenannten HIP-Emulsionen (High Internal Phase-Emulsion), wie zum Beispiel Mayonnaise. Im betrachteten Beispiel werden 10.000 kg/h Mayonnaise mit einer Wasserphase von 20 Vol.-% und einer Ölphase von 80 Vol.-% hergestellt. Die Ölphase bildet die disperse Phase einer Öl-in-Wasser-Emulsion. Wasserphase und Ölphase werden der Maschine im richtigen Mengenverhältnis kontrolliert über Durchflußmesser über die Zuläufe zur Vormischkammer (Ölphase) und durch den Stator in den Dispergierraum (Wasserphase) zugeführt.
Soll eine große Menge Öl in eine im Verhältnis kleine Menge Wasser eingearbeitet werden, muss eine große Grenzfläche zwischen den beiden Phasen geschaffen werden. Das kontinuierliche Erzeugen einer solch großen Grenzfläche verbunden mit einer gewünschten homogenen Verteilung der Öltröpfchen in der Wasserphase wird durch die erfindungsgemäße Dispergiermaschine mit Vormischkammer möglich. Falls erforderlich kann eine zweite Dispergiermaschine, welche mit einer ersten in Reihe geschaltet wird, dazu genutzt werden, weitere Zusatzstoffe wie zum Beispiel Zitronensaft kontinuierlich in die in der ersten Dispergiermaschine hergestellte Emulsion einzubringen.
Die Dispergiermaschine kann insbesondere so ausgelegt werden, dass sie ein größeres Volumen, zum Beispiel das drei- bis fünffache des eigentlichen Produktionsvolumen, in einem Bypass umpumpt, um eine optimale Homogenität des Produktes zu erreichen.
Sämtliche Rohrleitungen der Dispergiermaschine können kühlbar ausgestaltet sein. Eine Kühlung ist in der Regel jedoch nicht nötig, da sich die Wärmeentwicklung durch die großen Durchsätze und geringen Verweilzeiten gemäß der Erfindung für die meisten Produkte in Grenzen hält.
Beispiel 4
Beim Einbringen von größeren Wassertröpfchen als Tropfen mit geringer Viskosität in ein deutlich festeres Make-up auf Basis von Silikon sollen die Tröpfchen der Wasserphase einen mittleren Durchmesser von etwa 100 μm (Mikrometer) haben, damit beim Auftragen des Make-ups die Feuchte der Wasserphase als Frischegefühl spürbar ist. Die Silikonbasis des Make-ups führt jedoch dazu, dass mit zunehmender Scherung das Make-up eine immer höhere Viskosität erhält (Shear-Thickening). In Folge dessen würde beim Verteilen des Make-ups immer kleinere Wassertröpfchen erzeugt. Dies ist nicht erwünscht.
Durch einen Einsatz einer Dispergiermaschine mit Vormischkammern kann bei mittleren Umfangsgeschwindigkeiten, welche im Bereich von etwa 10 m/s bis etwa 20 m/s liegen, die Silikonbasismasse über ein Übergangsstück mit der Gestalt B10 (vergleiche 6a) in die Vormischkammer gefördert werden. Die über die Vormischkammer zugeführte Wasserphase wird in Tropfenform in der Silikonbasismasse verteilt und anschließend schonend dispergiert. Gleichmäßige Verteilung und Größe der Wassertropfen in der Grundmasse können durch geeignete Wahl der Dispergiermaschine zugeführten Volumenströme der Drehzahl des Rotors und Gestalt des Übergangsstücks bereits mit einem Durchlauf erreicht werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.

1: Stator
11: Statorkopf
123: äußerer Zahnkranz des Stators
124: innerer Zahnkranz des Stators
12: Statorrumpf
14: Längsachse des Stators = Rotationsachse des Rotors = Zentrumsachse des Rotors
15: Einlaß, Zulauf aus einem Vorlagebehälter in den Dispergierbereich
17: Dispergierbereich des Stators
2: Vormischkammer
25: Zulauf, Einlauf in die Vormischkammer
27: Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich
28: Umfangslinie des Übergangs der Vormischkammer zum Dispergierbereich
3: Übergangsstück, Ejektor, Injektor
31: Öffnungen, Schlitze, Löcher im Übergangsstück
32: Hauptausdehnungsrichtung des Übergangsstücks
33: Lochachse
34: Senkrechte auf das Übergangsstück
35: Mantelfläche der Öffnung im Übergangsstück
36: erster Teilbereich der Mantelfläche
37: weiterer Teilbereich der Mantelfläche
38: Schnittfläche
39: Steg
4: Rotor
423: äußerer Zahnkranz des Rotors
424: innerer Zahnkranz des Rotors
42: Trägerscheibe des Rotors
45: Parallele zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe
5: Rotorzahn
51: Innenseite des Rotorzahns
52: Außenseite des Rotorzahns
53: Vorderseite des Rotorzahns
54: Rückseite des Rotorzahns
55: Oberseite des Rotorzahns
56: Bereich der Vorderseite, welcher nach hinten geneigt ist
57: Bezugslinie
58: oberer Bereich der Vorderseite
59: unterer Bereich der Vorderseite
6: Rotor-Stator-System
7: Dispergierraum
8: Einlaß für ein Fluid in eine Dispergiermaschine oder eine Pumpe
81: Einlaß für ein weiteres Fluid in eine Dispergiermaschine oder eine Pumpe
82: Einlaß für ein weiteres Fluid in eine Dispergiermaschine oder eine Pumpe
9: Auslaß eines Fluids aus einer Dispergiermaschine oder einer Pumpe
10: Dispergiermaschine
101: erster Vorlagebehälter
102: zweiter Vorlagebehälter
109: Schnellverschluß zum Wechseln des Statorkopfes
112: Ringkanal, Spalt zwischen äußerstem Zahnkranz des Stators und dem Gehäuse der Dispergiermaschine
113: Gehäuse
115: Antriebswelle für den Rotor
116: Motor
117: Dichtung, mechanische Dichtung
118: Dichtung, O-Ring, statische Dichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 00/01474 [0009]
- US 5590961 [0009]
- WO 01/56687 [0011]
- EP 00/117700 [0011]

Claims

Stator (1) für ein Rotor-Stator-System (6) zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einem Dispergierbereich (17), welcher mit einem zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotor (4) einen Dispergierraum (7) des Rotor-Stator-Systems (6) definiert und mit einem Einlaß (15) zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich (17) dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer (2) außerhalb des Dispergierbereiches (17) angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich (17) hinein öffnet, wobei der Stator (1) mindestens einen Zulauf (25) zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die Vormischkammer (2) aufweist und wobei der Stator (1) derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich (17) aus und von dem Zulauf (25) aus in die Vormischkammer (2) eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der Vormischkammer (2) in den Dispergierbereich (17) austreten.
Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zumindest zwei Vormischkammern (2) aufweist, welche jeweils einen Zulauf (25) zum Zuführen einer Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die betreffende Vormischkammer (2) aufweisen.
Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vormischkammer (2) vom Übergang zum Dispergierbereich (17) aus in den Stator (1) hinein wölbt.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (2) am Übergang zum Dispergierbereich (17) die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweist, wobei der Ausschnitt insbesondere eine durchgängig geschwungen verlaufende Umfangslinie (28) hat.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Vormischkammer (2) zum Dispergierbereich (17) in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse (14) des Stators, welche der Rotationsachse des zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotors (4) entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer (2) oberhalb eines Dispergierwerkzeuges, insbesondere eines Zahnkranzes (423, 424) des Rotors positioniert ist, wenn der Stator (1) mit dem korrespondieren Rotor (4) zu dem Rotor-Stator-System (6) kombiniert ist.
Stator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Vormischkammer (2) zum Dispergierbereich (17) in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse (14) des Stators (1), welche der Rotationsachse des zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotors (4) entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer (2) zumindest oberhalb des inneren Dispergierwerkzeuges, insbesondere des inneren Zahnkranzes (424) eines Rotors mit mehreren Dispergierwerkzeugen positioniert ist, wenn der Stator (1) mit dem korrespondieren Rotor (4) zu dem Rotor-Stator-System (6) kombiniert ist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zumindest zwei Vormischkammern (2) aufweist, die in unterschiedlichen radialen Abständen zur Längsachse (14) des Stators positioniert sind
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) ein Übergangsstück (3) angeordnet ist.
Stator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) den Übergang zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) bereichsweise oder vollständig ausfüllt.
Stator (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweist.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eines oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung (32) des Übergangsstücks (3) verlaufen.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) durch das Übergangsstück (3) jeweils entlang einer Lochachse (33) verlaufen, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück (3) einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) durch das Übergangsstück (3) von einer Mantelfläche (35) mit einem ersten Teilbereich (36) und zumindest einem weiteren Teilbereich (37) begrenzt werden, wobei zumindest ein Teilbereich (36, 37) entlang einer Schnittfläche verläuft, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück (3) einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zweiteilig ausgebildet ist und einen Statorkopf (11) sowie einen Statorrumpf (12) umfaßt, wobei die zumindest eine Vormischkammer (2) im Statorkopf (11) angeordnet ist und der Statorrumpf (12) ein Dispergierwerkzeug des Stators, insbesondere mindestens einen Zahnkranz (123, 124), umfaßt.
Stator (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Statorköpfe (11), welche sich in Anzahl und/oder Geometrie der Vormischkammern (2) unterscheiden, auf einen Statorrumpf (12) montierbar sind, um einen Stator (1) mit auswechselbarem Statorkopf zu bilden.
Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vormischkammer (2) als Kavität derart im Stator (1), insbesondere im Statorkopf (11), ausgebildet ist, daß ein Übergangsstück (3) als Abschluß der Kavität am Stator, insbesondere am Statorkopf, montierbar ist.
Statorkopf (11) für einen Stator (1) nach Anspruch 14 oder 15.
Übergangsstück (3) für einen Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13.
Verwendung eines Stators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder eines Statorkopfes (11) nach Anspruch 17 als Gehäusekomponente einer Pumpe, insbesondere einer ein- oder mehrstufigen Kreiselpumpe, oder eines Rührwerkes, insbesondere betrieben mit einem Propellerrührer oder einem Scheibenrrührer, oder einer Dispergiereinrichtung.
Rotor (4), insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, für ein Rotor-Stator-System (6) zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einer bezogen auf die Zentrumsachse (14) des Rotors rotationssymmetrische Trägerscheibe (42), aus welcher zumindest ein Rotorzahn (5) entspringt, wobei der Rotorzahn (5) eine der Zentrumsachse (14) zugewandte Innenseite (51), eine dem äußeren Rand der Trägerscheibe 42) zugewandte Außenseite (52), eine im Betriebszustand des Rotors (4) in dessen Drehrichtung gesehen vorne liegende Vorderseite (53), eine im Betriebszustand des Rotors (4) in dessen Drehrichtung gesehen hinten liegende Rückseite (54), und eine den Rotorzahn (5) auf der der Trägerscheibe (42) abgewandten Seite abschließende Oberseite (55) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen der Trägerscheibe (42) zugewandten unteren Bereich (59) umfaßt, welcher gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe um einen Winkel α₄ nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist.
Rotor (4) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen Bereich (56) umfaßt, welcher gegenüber einer radial von der Zentrumsachse (14) nach außen verlaufenden Bezugslinie (57) um den Winkel α₆ nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist.
Rotor (4) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen der Trägerscheibe (42) abgewandten oberen Bereich (58) umfaßt, welcher gegenüber der Parallelen (45) zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe (42) um einen Winkel α₅ zur Trägerscheibe hin geneigt ist.
Rotor (4) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) einen ersten Zahnkranz (423) aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, Rotorzähne (5) umfaßt, die einen ersten radialen Abstand d₁ von der Zentrumsachse (14) des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Rotor (4) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) einen zweiten Zahnkranz (424) aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, besonders bevorzugt acht, Rotorzähne (5) umfaßt, die einen zweiten radialen Abstand d₂ von der Zentrumsachse (14) des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei d₂ größer ist als d₁.
Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen unter Verwendung eines Rotor-Stator-Systems (6) mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit folgenden Schritten a) Bereitstellen einer ersten Phase der Dispersion in einem ersten Vorlagebehälter (101), welcher mit dem Dispergierraum (7) in Verbindung steht und Bereitstellen zumindest einer zweiten Phase der Dispersion in zumindest einem zweiten Vorlagebehälter (102), welcher mit einer Vormischkammer (2) in Verbindung steht, b) Zuführen der ersten Phase der Dispersion in den Dispergierraum (7), c) Zuführen der zweiten Phase der Dispersion in die Vormischkammer (2), d) Antreiben des Rotors (4), so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems (6) die erste Phase durch den Dispergierraum (7) in die Vormischkammer (2) gelangt und dabei mit der zweiten Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus erster und zweiter Phase gebildet wird, und die zweite Phase und/oder das Gemisch aus erster und zweiter Phase und/oder die in der Vormischkammer (2) gebildete Dispersion aus erster und zweiter Phase durch die Vormischkammer (2) in den Dispergierraum (7) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (1) mit zumindest einer weiteren Vormischkammer (2) verwendet wird und in Schritt a) zumindest eine weitere Phase der Dispersion in zumindest einem weiteren Vorlagebehälter, welcher mit der weiteren Vormischkammer (2) in Verbindung steht, bereitgestellt wird und wobei in Schritt c) die weitere Phase der Dispersion in die weitere Vormischkammer (2) des Rotor-Stator-Systems (6) zugeführt wird, so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems die erste Phase durch den Dispergierraum (7) in die Vormischkammern (2) gelangt und dabei in der jeweiligen Vormischkammer (2) mit der zweiten oder weiteren Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus den Phasen gebildet wird, und die zweite oder zumindest eine weitere Phase und/oder das Gemisch und/oder die in einer Vormischkammer (2) gebildete Dispersion aus zumindest zwei Phasen durch die jeweilige Vormischkammer (2) in den Dispergierraum (7) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b), c) und d) gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die in Schritt b) zugeführte erste Phase die disperse Phase der Dispersion und die in Schritt c) zugeführte zweite Phase die kontinuierliche Phase oder einen Bestandteil der kontinuierlichen Phase der Dispersion bilden wird und bei der Herstellung der Dispersion eine Phaseninversion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (4) nach einem der Ansprüche 20 bis 24 als Rotor (4) des Rotor-Stator-Systems (6) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in einer Vormischkammer (2) im Bereich zwischen etwa 0,005 Sekunden und etwa 0,02 Sekunden liegt.