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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Übergangselemente zum Überleiten
einer Dispersion bei der Behandlung in einer Anlage mit einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine.
Im Speziellen stellt die Erfindung ein Zwischenstück für
den Anschluss einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine an einen Behälter,
eine Auslasseinrichtung für den Anschluss einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine
an eine Abführvorrichtung, insbesondere eine Rohrleitung,
und einen Einlaufstutzen zum Zuführen eines Fluids in einen
Behälter zur Verfügung.
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In
der Verfahrenstechnik geht man für die Herstellung von
Produkten allgemein von einem Rezepturmäßigen
Mengenverhältnis aus. Einige Rohstoffe werden im Grammbereich
zugegeben andere in großen Mengen. Desweiteren erfordern
einige Rohstoffe beim einbringen ins Produkt hohe Scherraten, andere
niedrige Scherraten. 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 thermischer und mechanischer Belastung sowie
zeitlichen Veränderungen gegenüber wichtig, dass
die notwendigen Schritte des Einbringens der inneren Phase in die äußere
Phase sowohl beim Dispergieren als auch beim Stabilisieren des erhaltenen Produktes
prozesstechnisch definiert und zuverlässig durchgeführt
werden. 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 Partikelgrößenverteilung der dispersen
Phase und/oder dessen Fließverhalten insbesondere dessen
Viskosität sich über einen vorgegebenen Zeitraum
im Wesentlichen nicht ändert. Die Erfindung bezieht sich
auf die Herstellung von Dispersionen durch Vorlegen eines Pre-Mixes
in einem Behälter mit Rührwerk, wobei der Pre-Mix
zumindest einem Durchlauf durch eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine
ausgesetzt wird.
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Besonders
bei Emulsionen und Suspensionen mit einem hohen Dispersphasenanteil
kommt es häufig zu teilweisen Überkonzentrationen,
das heißt lokalen und/oder zeitlichen Abweichungen in der
Dichte an Partikeln im umgebenden Fluid. Solche Überkonzentrationen
können herkömmlicherweise nur durch lange Misch- und
Dispergierzeiten zur gewünschten Homogenität gebracht
werden. Die Gefahr für Überkonzentrationen tritt verstärkt
auf bei geringen Füllständen in den Behältern,
da die gängigen Maschinen die Flüssigkeit im Behälter in
eine Rotationsbewegung versetzen. Dadurch wird der tatsächlich
in das Fluid dissipierte Anteil der eingebrachten Energie vermindert.
Besonders stark ist dieser Effekt unter Vakuumbedingungen, wenn
die Ansaugung des Fluids aus dem Behälter abreißt.
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Daher
ist es erforderlich, eine bestimmte minimale Füllhöhe
des Behälters einzuhalten, um den Pre-Mix mit den gewünschten
definierten Eigenschaften der Rotor-Stator-Dispergiermaschine zuführen
zu können und insbesondere den Einzug von Luft in das Rotor-Stator-System
zu verhindern. Dieses minimale Ansatzvolumen liegt derzeit bei marktgängigen
Rotor-Stator-Dispergiermaschinen bei etwa 35% des maximalen Füllstandes
des Behälters bei voller Dispergierleistung. Nur dann sind
zwischen einem Teilansatz und einem Vollansatz keine Tröpfchenverteilungs-Unterschiede
mehr feststellbar.
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Übliche
Rotor-Stator-Dispergiermaschinen haben daher den Nachteil, einen
relativ hohen Mindestfüllstand aufzuweisen. Daher sind
die Möglichkeiten zur Variation der mit einer maschine
zu verarbeitenden Ansatzmengen, die sogenannte Ansatzgrößenbreite,
sehr beschränkt. Zudem muß der Mindestfüllstand
auch bei der Reinigung der Maschinen eingehalten werden, so dass
große Mengen Reinigungsmittel benötigt werden. Da
somit immer eine relativ große Menge an Fluid in den betreffenden
Anlage bewegt wird, wird die insgesamt in das Fluid eingebrachte
Leistung in einem großen Volumen dissipiert, so dass die
erreichte Energiedichte im Produkt verhältnismäßig
gering ist. Dies kann zu ineffizienten Bedingungen für
das Dispergieren führen. Zudem besteht die Gefahr, dass
die Partikel beziehungsweise die Tropfen einer Emulsion koaleszieren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine größere
Flexibilität bei der Ansatzgrößenbreite,
das heißt eine größere Bandbreite von
minimal zu maximal zufriedenstellend verarbeitbarer Ansatzgröße,
zu ermöglichen. Zudem soll ein verbesserter Energieeintrag
in das Produkt erreicht werden, indem die Ausnutzung der eingebrachten
Leistung verbessert und so für Emulsionen ein effizienter
Tropfenaufbruch ermöglicht wird. Des Weiteren ist es ein
Ziel der Erfindung, Koaleszenz von Tropfen beziehungsweise Aggregation
von Partikeln beim Verlassen des Rotor-Stator-Dispergiermaschine
möglichst weitgehend zu unterbinden. Außerdem soll
durch die Erfindung eine Möglichkeit für schnellere
Batch-Zeiten, das heißt weniger Durchläufe und damit schnelleres
Erreichen des Ziels bei der Dispergieraufgabe, erreicht werden.
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Diese
Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst,
indem die Erfindung Übergangselemente gemäß den
unabhängigen Ansprüchen schafft. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils zugeordneten Unteransprüche.
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Die
Erfindung stellt ein Zwischenstück für den Anschluss
einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine an einen Behälter,
zur Verfügung. Die Rotor-Stator-Dispergiermaschine umfaßt
ein Rotor-Stator-System mit zumindest einem Zahnkranz. Der Behälter
weist eine Längsachse und einen Auslass auf. Das Zwischenstück
weist eine erste Öffnung zum Anschluss an den Auslass des
Behälters und eine zweite Öffnung zum Anschluss
an die Rotor-Stator-Dispergiermaschine auf. Das Zwischenstück
umfaßt eine Rohrleitung, welche sich zwischen der ersten
und der zweiten Öffnung erstreckt und zumindest abschnittsweise
eine gegenüber der Längsachse des Behälters
um einen Winkel α30 (alpha_30)
im Bereich von 0° bis 90° geneigte Längsachse
aufweist.
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Der
Erfinder hat erkannt, dass gerade Rotor-Stator-Dispergiermaschinen
mit hoher Saugleistung dazu neigen, die angesaugte Flüssigkeit
in Drehbewegung zu versetzen, und dass dadurch Dispergierleistung
herabgesetzt wird. Es kommt bei Emulsionen damit zu einer breiten
Tropfengrößenverteilung und/oder größerem mittleren
Tropfendurchmesser. Zudem kann im Fluid eine Trombe im Behälter
entstehen und Luft in das Produkt eingesaugt werden. Bei hoher Saugleistung
des Rotr-Stator-Systems ist häufig ein Förderhilfsmittel
wie ein Propellerrührer nötig, um dem Rotor-Stator-System
genügend Produkt zuzuführen. Die Rotation des
Produkts vor dem Einlauf in das Rotor-Stator-System entsteht jedoch
auch beziehungsweise wird noch gefördert durch das Förderhilfsmittel
Propeller.
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Indem
die Erfindung durch das geneigte Zwischenstück für
eine Unterbrechung der Rotation des Fluids vor der Zufuhr des Fluids
zu der Rotor-Stator-Dispergiermaschine sorgt, werden diese Probleme
unterbunden. Damit löst die Erfindung die oben genannten
Aufgaben und trägt zur Überwindung der Nachteile
herkömmlicher Rotor-Stator-Systeme bei. Das Zwischenstück
bestimmt den Einbauwinkel, unter welchem die Dispergiermaschine
an den Behälter angeschlossen wird. Durch Vermindern der
Rotationsbewegung des Produkts werden kleinste Ansatzgrößen
von 10% des maximalen Behälterinhaltes möglich.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Längsachse
der Rohrleitung mit der Längsachse des Behälters
einen Winkel α30 einschließt.
Dabei ist das Zwischenstück zum Anschluss einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine
an einen Behälter vorgesehen, welcher einen im Winkel αKonus (alpha_konus) konisch zum Auslass zulaufenden
Behälterboden aufweist. Der Wert für den Winkel α30 beträgt dann im wesentlichen
die Hälfte von αKonus.
Auf diese Weise kann das Produkt aus dem Behälter in einem
ausreichend großen Bereich im wesentlichen direkt über
den konischen Behälterboden der Dispergiermaschine zugeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Zwischenstücks umfaßt die Rohrleitung zumindest
einen Bereich, in welchem die Wand der Rohrleitung von deren Längsachse
her gesehen nach außen gewölbt ist. Damit wird
die Möglichkeit geschaffen, die Strömung des Fluids
vor dem Eintritt in das Rotor-Stator-Dispergiersystem zusätzlich
derart zu lenken, dass eine Rotation unterbunden wird. Insbesondere
ist vorgesehen, dass der Bereich, in welchem die Wand der Rohrleitung
von deren Längsachse her gesehen nach außen gewölbt
ist, in die zweite Öffnung zum Anschluss des Zwischenstücks
an die Rotor-Stator-Dispergiermaschine mündet.
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Je
nachdem, welche Art von Fluid zu verarbeiten ist, kann auf den Einsatz
des gewölbten Bereiches verzichtet werden. Um flexibel
auf unterschiedliche Prozeßanforderungen reagieren zu können,
sieht die Erfindung in einer vorteilhaften Weiterbildung vor, dass
das Zwischenstück mehrteilig ausgebildet ist und zumindest
zwei lösbar miteinander verbindbare Teile umfaßt.
Ein ein erstes Teil umfaßt die Rohrleitung im Anschluss an
die erste Öffnung. Ein zweites Teil umfaßt den
Bereich, in welchem die Wand der Rohrleitung von deren Längsachse
her gesehen nach außen gewölbt ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung bietet den Vorteil, eine starre Einspannung
der Rotor-Stator-Dispergiermaschine zu vermeiden, so dass insbesondere
auch die Geräuschentwicklung der Maschine im Betrieb reduziert
wird und Ausdehnungen beziehungsweise das Auftreten von Biegemomenten
zu Lasten der Rotor-Stator-Dispergiermaschine kompensiert werden
können, insbesondere bei Ansätzen mit hoher Temperatur, während
der CIP-Reinigung beziehungsweise beim Sanitisieren bei hohen Temperaturen.
Dazu umfaßt der zweite Teil des Zwischenstücks
zumindest in dem Bereich, in welchem die Wand der Rohrleitung von
deren Längsachse her gesehen nach außen gewölbt
ist, ein flexibles Element wird und insbesondere durch das flexible
Element definiert. Als flexibles Element wird zum Beispiel ein geeignet
geformter Gummibalg verwendet.
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Um
für Rotor-Stator-Systeme mit hoher Saugleistung ein zusätzliches
Fördermittel bereitstellen zu können, sieht die
Erfindung des Weiteren vor, dass der Bereich, in welchem die Wand
der Rohrleitung von deren Längsachse her gesehen nach außen
gewölbt ist, eine Kammer zur Aufnahme eines solchen Fördermittels zum
Fördern eines aus dem Behälter der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
zuzuführenden Fluids, insbesondere zur Aufnahme zumindest
eines Blatts eines Rührers, definiert. In einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform ist die Kammer zur Aufnahme
eines Fördermittels in Abstimmung auf die Abmessungen des
Fördermittels, insbesondere in Abstimmung auf den Durchmesser
eines Rührerblatts, derart dimensioniert, dass im Betrieb
der Anteil ΔV . = V . – V .RS des
der Rotor-Stator-Dispergiermaschine durch das Fördermittel
zugeführten Fluids V . (V_punkt), welcher die Förderleistung
der Rotor-Stator-Dispergiermaschine V .RS (V_punkt_RS) übersteigt,
von der Druckseite des Fördermittels an der gewölbten
Wand der Kammer entlang auf die Saugseite des Fördermittels
geführt wird.
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Um
eine weitere Möglichkeit zum Unterbrechen einer Rotation
in dem der Rotor-Stator-Dispergiermaschine zugeführten
Fluid zu schaffen, bietet die Erfindung die Möglichkeit,
dass das Zwischenstück ein Teil umfaßt, welches
die Rohrleitung unmittelbar vor der zweiten Öffnung des
Zwischenstücks umfaßt und zumindest einen, vorzugsweise
drei, besonders bevorzugt vier Strombrecher enthält. Diese
können insbesondere als sogenannte Sanitary-Strombrecher
ausgestaltet sein. Besonders günstig hat sich eine Konstruktion
erwiesen, bei welcher die Strombrecher derart dimensioniert sind,
dass sie bei Anschluss des Zwischenstücks an die Dispergiermaschine
bis dicht über das Rotor-Stator-System, insbesondere bis
dicht über den Rotor geführt sind. Der Abstand
zwischen Strombrecher und Rotor beträgt dabei vorzugsweise
etwa 0,25% bis etwa 1% des Rotordurchmessers.
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Um
auf besonders zuverlässige Weise eine gezielte Strömungsführung
im Fluid beim Zuströmen auf das Rotor-Stator-System erreichen
zu können, stellt die Erfindung ein Fördermittel
zum Einsatz in einem oben beschriebenen Zwischenstück zur
Verfügung, wobei das Fördermittel einen Rührer
mit zumindest einem Rührerblatt und einer Hülse
aufweist, welche das Rührerblatt umschließt.
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Die
Hülse, welche auf als Führungshülse in
Bezug auf das von ihr im Betrieb geförderte Fluid bezeichnet
werden kann, bildet einen Mantel um das Rührerblatt und
verhindert so den Austoß von Fluid radial von der Längsachse
des Schaftes des Rührers her gesehen nach außen.
Indem die Führungshülse für den radialen
Ausstoß von Fluid verhindert, wird für einen höheren
Rückfluß von der Druck- auf die Saugseite des
Rührers gesorgt. Ein Propellerrührer als Fördermittel
kann so beispielsweise etwa das Doppelte bis Dreifache des Volumenstroms
fördern, der von dem Rotor-Stator-System verarbeitet wird.
Der Propeller ist mit der Führungshülse in dem
flexiblen Element so positioniert, dass eine optimale Rückführung
des entsprechenden Ansaugüberhangs in eine Richtung quer
strömungsaufwärts vor das Rührerblatt
erfolgt. Die Rückführung des Fluids auf die Saugseite
des Fördermittels erfolgt unter einem Winkel, so dass eingesaugtes
und rückgeführtes Produkt kollidieren und die
Kollision eine mögliche Rotationsbewegung im Ansaugkanal
abbremst. Dadurch wird die Rotationsbewegung im Fluid unterdrückt
und mögliche Überkonzentrationen und Inhomogenitäten
im Produkt werden vermieden. Desweiteren wird durch die teilweise
Rückführung eine bessere Durchmischung des Produkts
vor der Zuführung zur Dispergiermaschine erreicht.
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Nach
der Behandlung des Fluids in der Dispergiermaschine sind häufig
zumindest teilweise zerkleinerte Tropfen oder Partikel enthalten,
die noch nicht ausreichend stabilisiert sind und daher dazu neigen,
wieder zu koaleszieren beziehungsweise zu aggregieren. Um dies zu
vermeiden ist es vorteilhaft, auch nach dem Verlassen der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
turbulente Strömungsverhältnisse beibehalten zu
können, damit die Partikel nicht in laminarer Strömung
lange relativ nahe beieinander sein können, sondern lediglich
relativ kurzen Kollisionen ausgesetzt sind. Koaleszenz beziehungsweise
Aggregation werden darüber hinaus gefördert in
Bereichen, in welchen das strömende Fluid einem Staudruck
unterworfen ist.
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Herkömmliche
Dispergiermaschinen verwenden häufig ein Rohr als Auslasskanal
aus der Rotor-Stator-Dispergiermaschine. Vergleicht man die Austrittsflächen
des äußeren Stator-Zahnkranzes mit der Rohrquerschnittsfläche,
so stellt man fest, das die Rohrquerschnittsfläche erheblich
kleiner ist. Der gesamte radiale Ausstoß an Fluid durch
den äußeren Statorzahnkranz muß durch
diese kleine Öffnung, dies bedeutet, dass das Fluid zum
Teil lange Wege zurückzulegen hat und Bereichen mit unterschiedlichen
Strömungsgeschwindigkeiten sowie Zonen mit geringer Bewegung
und hohem Staudruck ausgesetzt ist. Ein solcher Auslasskanal in
Gestalt eines relativ dünnen Rohres kann wie eine plötzliche
Verengung angesehen werden.
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Basierend
auf den Grundlagen zur Definition turbulenter und laminarer Strömungen
von Reynolds, wonach der Gesamtwiderstand in einem strömenden
Fluid die Summe aus Reibungswiderstand und Druckverlustwiderstand
ist, hat der Erfinder folgende Maßnahmen zur Minimierung
des Gesamtwiderstandes entwickelt.
- – Der
Reibungswiderstand ist dadurch zu minimieren, dass man nach Möglichkeit
für eine laminare Grenzschicht sorgt. Dazu sind sanfte Übergänge
in der geometrischen Gestaltung der strömungsführenden
Bauteile vorgesehen.
- – Der Druckverlustwiderstand im Falle der Umströmung
eines Körpers ist dadurch zu verringern, dass man die Ablösestelle
möglichst weit ans Körperheck verschiebt. Beide
Einflüsse überlagern sich.
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Der Übergang
von laminaren zu turbulenten Strömungsverhältnissen
läßt sich durch Angabe der Reynoldszahl Re für
verschiedene Arten von Strömungen charakterisieren. Nach
der Modellvorstellung von Reynolds wird eine laminare Strömung
bei höheren Re-Zahlen instabil gegenüber Störungen
wie zum Beispiel Schwinkungen, Vibrationen, die in Natur und Technik
immer vorhanden sind. Derartige kleinen Störungen können
den Umschlag von laminarer in turbulenter Strömung beeinflussen
und verursachen. Für die Durchströmung eines Rohres
mit kreisförmigem Querschnitt erfolgt dieser Umschlag etwa
bei Re = 2300. Je heftiger diese Störungen sind, bei desto
kleineren Werten der Reynolds-Zahl findet der Umschlag von laminarer
in turbulente Strömung statt.
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Gemäß der
Erfindung werden daher der Auslasskanal oder die Auslasskanäle
so ausgeführt, dass ein großer, sanfter, kontinuierlicher Übergang
vom äußeren Zahnkranz im Rotor-Stator-System hin
zur das Fluid abführenden Leitung, beispielsweise der Rezirkulationsleitung
geschaffen wird, um Staudrücke zu minimieren. Dies wird
durch einen großflächigen Auslasskanal erreicht.
An den großflächigen Ober- und Unter-Seiten des Auslasskanals,
das heißt den flachen Seiten, kommt es durch die hohen
Fließgeschwindigkeiten zu Schwingungen beziehungsweise
Vibrationen, welche die turbulente Strömung unterstützen.
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Die
Erfindung stellt damit eine Auslasseinrichtung für den
Anschluss einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine, welche ein Rotor-Stator-System
mit zumindest einem Zahnkranz umfaßt, an eine Abführvorrichtung, insbesondere
eine Rohrleitung, zum Abführen von Fluid aus der Rotor-Stator-Dispergiermaschine,
zur Verfügung, wobei die Auslasseinrichtung zumindest einen
Auslasskanal mit einer ersten Öffnung zum Anschluss an das
Außengehäuse der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
in einem das Rotor-Stator-System umfangenden Bereich, und mit einer
zweiten Öffnung zum Anschluss an die Abführvorrichtung
aufweist. Die erste Öffnung weist einen rechteckigen Querschnitt
auf. Die zweite Öffnung weist eine kleinere Querschnittsfläche
als die erste Öffnung auf, so dass über die Länge
der Auslasseinrichtung zwischen der ersten und der zweiten Öffnung
im wesentlichen ein Konus ausgebildet wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung entspricht die Länge
Laus des Auslasskanals mindestens der größten
Breite der rechteckigen ersten Öffnung. Auf diese Weise
wird ein besonders langer, flacher Auslasskanal mit allmählichem Übergang
in die Abführeinerichtung gebildet. Um die Auslasseinrichtung
einfach an ein Rohr anschließen zu können sieht
die Erfindung des Weiteren vor, dass die zweite Öffnung
kreisförmig ist.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Anschlussmaß der
ersten Öffnung an die Durchtrittsfläche des Fluids
beim Verlassen des Rotor-Stator-Systems angepaßt, um die
Strömung im wesentlichen ohne die Passage einer Erweiterung
oder Verengung aus dem Rotor-Stator-System in die Auslasseinrichtung übernehmen
zu können. Dazu ist die Auslasseinrichtung derart ausgebildet,
dass die Summe der Querschnittsflächen der ersten Öffnung
aller Auslasskanäle im wesentlichen der gesamten freien
Fläche zwischen den Zähnen des Zahnkranzes entspricht,
welcher der ersten Öffnung benachbart ist, wenn die Auslasseinrichtung
an die Rotor-Stator-Dispergiermaschine angeschlossen ist.
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Bei
der Verwendung von einem Auslasskanal kann es auch bei einer gemäß der
Erfindung gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten
Strömungsführung bisweilen schwierig sein, einen
turbulenten Durchfluß durch die gesamte Anlage mit der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine zu gewährleisten. Eine
weitere erhebliche Verbesserung ist daher eine Auslasseinrichtung
mit mehreren Auslasskanälen. Bereits bei einem sogenannten „dualen
Auslasskanal”, das heißt einer Auslasseinrichtung
mit zwei Auslasskanälen, kann die turbulente Strömung
im Betrieb zuverlässiger aufrecht erhalten werden. Als
besonders günstig hat sich ein sogenannter „Quadro-Auslasskanal”,
das heißt eine Auslasseinrichtung mit vier Auslasskanälen,
erwiesen. Gerade auch die unten näher beschriebene Kontur
der vier Auslasskanäle trägt dazu bei, dass es
zu verhältnismäßig niedrigen Staudrücken
an den Wandungen und Übergängen kommt. Eine Reynolds-Zahl
Zahl von Re = 10.000 kann aufrechterhalten werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Auslasseinrichtung verläuft
der Übergang von der Seitenfläche eines Auslasskanals
in die Seitenfläche eines benachbarten Auslasskanals bogenförmig.
Zu dem gewünschten sanften Übergang der strömungsführenden
Bauteile ineinander trägt des Weiteren bei, wenn gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung die erste Öffnung
eines jeden Auslasskanals derart dimensioniert ist, dass jeder Auslasskanal
im wesentlichen direkt in den benachbarten Außenkanal übergeht.
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Um
die Auslasseinrichtung flexibel für die Verarbeitung unterschiedlicher
Stoffsysteme nutzen zu können und insbesondere eine sogenannte
late product differentiation zu ermöglichen umfaßt
in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zumindest ein
Auslasskanal eine Zuführeinrichtung zum Zuführen
von Zutaten in fester, pulverförmiger und/oder flüssiger
Form zu dem Fluid, welches im Betrieb durch den Auslasskanal aus der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine fließt.
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Im
Rahmen der Erfindung wird anhand der einzelnen Maßnahmen
die Herstellung stabiler, feindisperser Dispersionen vereinfacht,
indem die Strömungsführung durch eine gesamte
Anlage mit Vorlagebehälter, Rotor-Stator-Dispergiermaschine
und Zirkulationsleitung beziehungsweise Abführeinrichtung
zum Aufrechterhalten turbulenter Strömungsverhältnisse
optimiert wird. Um beim Rückführen von Produkt
aus der Rotor-Stator-Dispergiermaschine in den Behälter
das rückgeführte Produkt gleichmäßig
und mit einer möglichst geringen Störung der Strömungsverhältnisse
in dem im Behälter befindlichen Fluid in dieses einzubringen,
schafft die Erfindung einen Einlaufstutzen.
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Der
Einlaufstutzen ist zum Zuführen von Fluid in einen Behälter
ausgebildet, welcher zur Bereitstellung des Fluids für
die Behandlung in einer Rotor-Stator-Dispergiermaschine vorgesehen
ist und eine Längsachse und eine Behälterwand
mit einer Behälterwandöffnung aufweist. Der Einlaufstutzen
hat eine Einlauföffnung zum Anschluss an die Behälterwandöffnung
und eine Zulauföffnung zum Anschluss an eine Zuführleitung.
Des weiteren umfaßt der Einlaufstutzen eine Rohrleitung,
welche sich im wesentlichen zwischen der Zulauföffnung und
der Einlauföffnung erstreckt. Die Rohrleitung weist zumindest
abschnittsweise eine gegenüber der Senkrechten auf die
Längsachse des Behälters um einen Winkel im Bereich
von 0° bis 180°, vorzugsweise eine Winkel im Bereich
von 30° bis 150°, besonders bevorzugt um einen
Winkel im Bereich von 90° bis 120° geneigte Längsachse
auf.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung schließt
die Längsachse der Rohrleitung mit der Senkrechten auf
die Längsachse des Behälters einen Winkel α100 (alpha_100) ein, wobei der Einlaufstutzen zum
Anschluss an einen Behälter vorgesehen ist, welcher einen
im Winkel αKonus konisch zum Auslass
zulaufenden Behälterboden aufweist, welcher mit der Behälterwandöffnung
in Kontakt steht. Der Wert des Winkels α100 beträgt
dabei α100 = 90° bis 90° + ½ αKonus.
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Um
die gewünschten definierten Strömungsverhältnisse
einstellen zu können, genügt gemäß der
Erfindung ein Einlaufstutzen, bei welchem die Länge LEin der Rohrleitung einen Wert im Bereich
des doppelten bis sechsfachen des Durchmessers der Zulauföffnung
aufweist.
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Zur
gleichmäßigen Verteilung des im Betrieb in den
Behälter zurückgeführten Produkts über
einen möglichst großen Bereich zu ermöglichen,
weist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der
Bereich der Rohrleitung, welcher in die Zulauföffnung mündet,
eine sich in Richtung auf die Zulauföffnung hin erweiternde
Kontur auf. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der
Bereich der Rohrleitung, welcher in die Einlauföffnung
mündet, eine sich in Richtung auf die Einlauföffnung
hin kreisbogenförmig mit einem Radius R1 erweiternde
Kontur aufweist, wobei der Radius R1 vorzugsweise
mindestens die Hälfte des Durchmessers D1 des
Behälters ist.
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In
einer Anlage zum Herstellen von Dispersionen, welche zumindest ein
Fluid enthalten, umfassend einen Behälter, eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine
und eine Abführvorrichtung sowie ein Zwischenstück
für den Anschluss der Rotor-Stator-Dispergiermaschine an
den Behälter und/oder eine Auslasseinrichtung für
den Anschluss der Rotor-Stator-Dispergiermaschine an die Abführvorrichtung
und/oder einen Einlaufstutzen zum Zuführen des Fluids in
den Behälter können einer oder mehrere Aspekte
der Erfindung genutzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Dieselben Bauteile sind dabei mit denselben
Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 schematische Darstellungen 1A, 1B, 1C, 1D und 1E von
Anlagen gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung eines an einen Behälter und eine
Rotor-Stator-Dispergiermaschine angeschlossenen Zwischenstücks
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung im Querschnitt,
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3 eine
schematische Darstellung eines Teils eines Zwischenstücks
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung im Querschnitt,
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4 ein
erfindungsgemäßes Fördermittel in Vorderansicht,
Aufsicht und Teilschnitt,
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5 eine
schematische Darstellung eines an einen Behälter und eine
Rotor-Stator-Dispergiermaschine angeschlossenen Zwischenstücks
gemäß einer weiteren Ausführungsform
im Querschnitt,
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6 eine
Fotografie einer Innenansicht eines Strombrecher aufweisenden Teils
eines Zwischenstücks gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung,
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7 eine
schematische Darstellung eines Stators für eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine,
insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einer Auslasseinrichtung
gemäß der Erfindung, im Querschnitt und teilweise
geschnittener Aufsicht,
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8 eine
Skizze des Rotor-Stator-Systems im Querschnitt zur Illustration
einer Modellvorstellung der Durchströmung,
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9 eine
schematische Darstellung einer Auslasseinrichtung, welche an eine
Rotor-Stator-Dispergiermaschine angeschlossen ist, in Aufsicht mit
Illustration einer Modellvorstellung der Durchströmung,
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10 eine
schematische Darstellung einer Auslasseinrichtung gemäß der
Erfindung in Vorderansicht, Rückansicht und Seitenansicht,
Aufsicht sowie in perskeptivischer Darstellung von vorne und von
hinten,
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11 eine
schematische Darstellung einer Auslasseinrichtung mit zwei Auslasskanälen
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung in Aufsicht,
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12 eine
schematische Darstellung einer Auslasseinrichtung mit vier Auslasskanälen
gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung in Aufsicht und Seitenansicht,
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13 eine schematische Darstellung eines
Einlaufstutzens in Aufsicht und im Schnitt (13A),
eine
schematische Darstellung des Anschlusses eines Einlaufstutzens gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht
(13B),
eine schematische Darstellung eines
Einlaufstutzens gemäß einer weiteren Ausführungsform
in Aufsicht (13C),
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14 eine
schematische Darstellung einer Anlage gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht,
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15 eine
schematische Darstellung einer Zuführeinrichtung im Längsschnitt
sowie in Seitenansicht,
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16 ein
Diagramm, in welchem der Volumenstrom des das Rotor-Stator-Systems
in Abhängigkeit von dessen Drehzahl aufgetragen ist,
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17 ein
Diagram, in welchem das Drehmoment des Rotor-Stator-Systems in Abhängigkeit
von dessen Drehzahl aufgetragen ist.
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Zum
Herstellen von Dispersionen, welche mindestens ein Fluid enthalten,
werden häufig Anlagen eingesetzt, von denen in 1 einige typische Beispiele gezeigt sind.
Die Anlagen umfassen einen Behälter 1, in welchem
zumindest das Fluid vorgelegt wird, eine Dispergiermaschine 4 und
eine Zirkulationsleitung 10, mit welcher das in der Dispergiermaschine 4 behandelte
Fluid in den Behälter 1 zurückgeführt
wird. Diese Grundform einer Anlage ist in 1A dargestellt.
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Zur
Verbesserung der Durchmischung des Fluids im Behälter 1 kann
ein Schaberrührwerk eingesetzt werden (siehe 1B).
Des weiteren können zur Unterstützung der Durchmischung
des Fluids im Behälter 1 gegenläufige
Rührwerke, wie in 1C gezeigt,
verwendet werden. Die Dispergiermaschine 4 wird an dem Behälterboden
des Behälters 1 angeschlossen und saugt das Produkt
aus dem Behälter 1 an und pumpt es über
die Zirkulationsleitung 10, welche außerhalb des
Behälters 1 liegt, wieder in den Behälter
hinein. Die Rückführung des Produkts in den Behälter
kann zum einen oberhalb des Fluidspiegels, wie in den Abbildungen in 1 jeweils oben gezeigt, erfolgen.
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Zum
anderen kann die Rückführung des Produkts in den
Behälter 1 auch unterhalb des Fluidspiegels erfolgen,
wie die in den Abbildungen von 1 dargestellten,
seitlich von der Zirkulationsleitung 10 in den Behälter 1 führenden
Leitungen, zeigen. Die Dispergiermaschine 4, welche unter
den Behälter 1 angebaut ist, ist zur Herstellung
fließfähiger Stoffe, wie zum Beispiel Emulsionen
oder Suspensionen ausgelegt. Diese werden im folgenden mit dem Begriffen „Dispersion” beziehungsweise „Fluid” umfaßt
und teilweise auch als „Produkt” bezeichnet.
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In
den in den 1A bis 1C dargestellten
Anlagen ist die Rotor-Stator-Dispergiermaschine koaxial zur Längsachse
des Behälters 1 angeordnet. Die 1D zeigt
eine Lösung aus dem Stand der Technik, bei welcher die
Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 in einem Winkel von mehr
als 90° bis 120°, geneigt zur Längsachse
des Behälters 1, angeordnet ist. Bei dieser Anordnung
entstehen große Probleme durch Biegespannungen innerhalb
der Dispergiermaschine. Die Rotationsbewegung des Fluids, welche
dieses aus dem Behälter beim Übergang in die Rotor-Stator-Dispergiermaschine
mitbringt, wird jedoch nur leicht eingedämmt. 1E zeigt
eine im Winkel von 90° zur Längsachse des Behälters 1 angeordnete
Rotor-Stator-Dispergiermaschine. Bei dieser Lösung aus
dem Stand der Technik entsteht jedoch der Nachteil einer verringerten
Ansaugleistung für die Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 infolge
der Umlenkung des Fluids.
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Besonders
Rotor-Stator-Dispergiermaschinen mit hoher Ansaugleistung neigen
jedoch dazu, dass aus dem Behälter 1 angesaugte
Fluid in eine Drehbewegung zu versetzen, wodurch die Dispergierleistung
herabgesetzt wird. Das bedeutet beispielsweise eine verbreiterte
Tropfengrößenverteilung bei einer Emulsion. Bei
einem geringen Fluidniveau im Behälter 1 kommt
es unter diesen Bedingungen zu einer Trombenbildung, wodurch auch
noch Luft in unerwünschter Weise in das Produkt eingezogen
werden kann. Um diese nachteilige Rotation des Fluids beim Übergang
vom Behälter 1 in die Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 zu
vermeiden, dient das erfindungsgemäße Zwischenstück 2.
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In 2 ist
eine Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, bei welcher ein Zwischenstück 2 am Übergang
zwischen dem Behälter 1 und der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 angeordnet
ist. Die Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 umfaßt
ein Gehäuse 40, in welchem ein Rotor 41 und ein
Stator 42 koaxial zueinander angeordnet sind. Der Rotor 41 ist
drehbar auf einer Welle 115 gelagert und kann von einem
Motor 116 angetrieben werden. Der Behälter 1 geht
an seinem Boden 14 in den Auslass 12 des Behälters über.
Das Zwischenstück 2 ist in dem Bereich 13,
der dem Auslass 12 benachbarten Behälterwand des
Bodens 14 an den Behälter 1 angeschlossen,
wie in 2 durch die angedeutete Flanschverbindung gezeigt
ist.
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Das
Zwischenstück 2 weist eine Öffnung 21 zum
Anschluss an den Auslass 12 des Behälters 1 auf. Das
Zwischenstück weist eine weitere Öffnung 22 auf,
mit welchem das Zwischenstück 2 an die Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 angeschlossen
werden kann. In Betrieb wird Fluid aus dem Behälter 1 durch
den Auslass des Behälters 2 in die Öffnung 21 des
Zwischenstücks 2 eingezogen. Es passiert das Zwischenstück 2 durch
dessen Rohrleitung 25 und tritt durch die Öffnung 22 in
die Dispergiermaschine 4 ein. Das Fluid durchläuft den
Rotor 41 und den Stator 42 der Dispergiermaschine 4 und
tritt durch eine Auslasseinrichtung 5 aus der Dispergiermaschine
aus.
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Die
Rohrleitung 25 des Zwischenstücks 2 weist
eine Längsachse 250 auf, welche um den Winkel α30 gegenüber der Längsachse 150 des
Behälters 1 geneigt ist. Der Winkel α30 kann im Bereich von weniger als 90° gewählt
werden. Zweckmäßigerweise liegt der Winkel α30 im Bereich zwischen etwa 20° und
etwa 60°. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
ist das Zwischenstück 2 zum Anschluss einer Dispergiermaschine 4 an
einen Behälter 1 vorgesehen, der einen zum Auslass 12 des
Behälters konisch im Winkel αKonus zulaufenden
Behälterboden 14 aufweist. Beträgt der
Winkel α30 die Hälfte
des Winkels αKonus, tritt Fluid
aus dem Behälter 1 im Betrieb in die Rohrleitung 25 des
Zwischenstücks 2 direkt über den Konusboden
in die Dispergiermaschine unter den Winkel des Zwischenstücks
zugeführt. Die Zufuhr des Produkts direkt über
den Konusboden in die Dispergiermaschine infolge des Einbauwinkels α30 des Zwischenstücks 2 führt
zu einer besonders effizienten Unterdrückung der Rotationsbewegung
des Fluids im Behälter vor dem Eintritt des Fluids in die
Dispüergiermaschine 4.
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In
der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Zwischenstück 2 zweiteilig
ausgebildet und umfaßt einen ersten Teil 210 und
einen zweiten Teil 220. Die Teile 210 und 220 können integrale
Bestandteile eines Zwischenstücks 2 gemäß der
Erfindung sein. Um eine größere Flexibilität
zu erreichen, ist, wie in 2 gezeigt,
das Teil 220 jedoch als separate Komponente des Zwischenstücks 2 ausgebildet
und kann nach Art einer Flanschverbindung an das Teil 210 angeschlossen
werden. Das Zwischenstück 2 übernimmt
mit der in 2 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform eine Doppelfunktion. Zum einen erfolgt
die Umlenkung des Fluids vor dem Eintritt in die Dispergiermaschine
um den Winkel α30 und zum anderen kann
das Fluid mit Hilfe eines Rührers 31 vor dem Eintritt
in die Dispergiermaschine 4 beschleunigt werden.
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Der
Rührer 31 umfaßt beispielsweise ein Propeller-Rührerblatt 3 und
ist mit seinem Schaft 32 mit dem Rotor 41 verbunden.
Der Rührer 31 kann dann im Betrieb durch den Motor 116 angetrieben
werden. Mit Hilfe des Rührers tritt das aus dem Behälter 1 und
die Rohrleitung 25 des Zwischenstücks der Dispergiermaschine 4 zugeführte
Fluid in Richtung auf die Dispergiermaschine hin beschleunigt. Durch
die Unterdrückung der Rotationsbewegung, welche das Fluid
aus dem Behälter 1 mitbringen könnte,
in der Rohrleitung 25 des Zwischenstücks 2,
wird eine optimale Pumpwirkung der Dispergiermaschine unterstützt.
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Diese
Wirkung gemäß der Erfindung wird weiter verbessert,
indem das Zwischenstück 2 eine Kammer 26 zur
Aufnahme des Rührerblatts 3 definiert, wobei die
Kammer 26 durch Auswölbung der Wand des Zwischenstücks
von dessen Längsachse 250 her gesehen, nach außen
begrenzt wird. Wird das zweite Teil 220 des Zwischenstücks 2 von
einem flexiblen Element, wie einem Gummibalg 27 gebildet,
ist durch den zweiteiligen Aufbau des Zwischenstücks 2 eine
besonders einfache und gleichzeitig robuste Konstruktion des Zwischenstücks 2 möglich.
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Der
Gummibalg 27 weist eine vorgeformte bauchige Struktur auf
(vergleiche 2) und bildet so die Kammer 26,
in welcher das Rührerblatt 3 des Rührers 31 angeordnet
werden kann. Die Auswölbung im Bereich der Kammer ist dabei
in etwa so bemessen, dass zwischen der äußeren
Begrenzung des Rührerblattes 3 und der benachbarten
Innenwand des Gummibalgs 27 ein Ringspalt ausgebildet wird,
dessen Breite höchstens etwa ein Viertel des Durchmessers
der Rohrleitung 25 außerhalb der Kammer 26,
dass heißt in dem Bereich, in dem keine Auswölbung
vorhanden ist, ist.
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Durch
diese Konstruktion wird mit Hilfe des Rührerblatts 3 im
Betrieb durch den Rührer 31 der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 aus
dem Behälter 1 ein Volumenstrom V .Propeller (V_punkt_Propeller)
zugeführt. Die Dispergiermaschine 4 selbst hat
eine Förderleistung V .RS (V_punkt_RS).
Der Propeller ist so ausgelegt, dass der Volumenstrom V .Propeller größer
ist als die Förderleistung V .RS.
Das heißt, ein Anteil des durch den Rührer der
Dispergiermaschine zugeführten Fluids strömt in
Betrieb nicht durch die Dispergiermaschine, sondern wird von der
Druckseite 34 des Fördermittels 3 wieder
auf die Saugseite 35 gebracht.
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Für
eine besonders effiziente Strömungsführung ist
es vorteilhaft, die auftretenden Teilströme, möglichst
gerichtet, insbesondere im Zwischenstück 2 zu
führen. Um dafür den radialen Ausstoß von
Fluid aus dem Rührerblatt 3 nach außen
und damit die Rückvermischung dieses nach außen
ausgestoßenen Produkts mit auf die Dispergiermaschine 4 am
Rührerblatt 3 vorbei zu- und von der Dispergiermaschine 4 nicht
aufgenommenen und daher zurückströmenden Produkt
zu vermeiden, weist das Rührerblatt eine Hülse 33 auf.
Dadurch wird Fluid, welches in dem von der Hülse umschlossenen
Bereich von dem Rührerblatt auf die Druckseite und damit
zur Dispergiermaschine hin geförderdes Fluid, gerichtet
in einem definierten Teilstrom, der Dispergiermaschine zugeführt.
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Gleichzeitig
bildet die Hülse die Innenwand des oben beschriebenen Ringkanals
in der Kammer 26 zwischen der Außenwand der Kammer
und dem Rührerblatt 3. Der Ringkanal ist somit
innen zur Längsachse 250 des Rohrs 25 hin
von der Hülse begrenzt und bildet einen definierten Bereich
für den von der Druckseite 34 auf die Saugseite 35 des
Rührerblatts 3 zurückströmenden
Fluids. Auf der Saugseite 35 kollidiert das rückgeführte
Fluid mit dem angesaugten Fluid, so dass durch die Kollision der
entsprechenden Produktströme ein weiterer Beitrag zum Verhindern
einer Rotation des Fluids beim Austritt aus dem Behälter
geleistet wird.
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In 3 ist
der zweite Teil 220 des Zwischenstücks 2 dargestellt.
Ein Gummibalg 27 stellt die Wand 23 der Rohrleitung
des Zwischenstücks in dessen zweitem Teil 220 dar.
An seinen beiden Enden weist der Gummibalg 27, eine von
der Längsachse 250 des Teils 220 aus
gesehen nach außen umgebogene Lippe auf. Die Lippe steht
in Eingriff mit einem entsprechend geformten Anschlussring, mit
welchem das Teil 220 nach Art einer Flanschverbindung mit
dem ersten Teil 210 des Zwischenstücks beziehungsweise
mit dem Gehäuse 40 der Dispergiermaschine verbunden
werden kann. Der Gummibalg 27 ist in seinem mittleren Bereich 260 konvex
geformt. Der Gummibalg 27 weist demnach eine Ausbuchtung
auf, welche eine Kammer 26 definiert.
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In
der Kammer 26 kann ein Fördermittel 3,
insbesondere ein Rührerblatt, angeordnet werden. In 4 ist
ein entsprechendes Fördermittel dargestellt. Der Rührer 31 umfaßt
einen Schaft 32. Mit dem Schaft 32 kann der Rührer 31 mit
dem Rotor 41, beziehungsweise der Antriebswelle 115 der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 (in 4 nicht dargestellt)
verbunden werden. Der Rührer 31 weist ein Rührerblatt 3 auf,
welches einen Propellerrührer definiert. Das Rührerblatt 3 ist
an seinen äußeren Enden mit einer Hülse 33 verbunden.
Die Hülse 33 bildet somit einen Mantel für
das Rührerblatt 3 und wirkt in Betrieb als Führungshülse
für Flüssigkeit, welche von der in der 4 unterhalb
des Rührerblatts 3 liegenden Druckseite des Rührerblatts
außen an der Hülse 33 vorbei geführten
Flüssigkeit auf die in 4 oberhalb
des Rührerblatts 3 liegenden Saugseite, sowie
für von der Saugseite auf die Druckseite unter Passage
des Rührerblatts 3 durch die Hülse 33 hindurch
zu führenden Flüssigkeit.
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Durch
das speziell ausgebildete Fördermittel 3 mit einem
Propellerrührer in einer Führungshülse,
welches in einem flexiblen Element, wie einem Gummibalg, plaziert
wird, wobei der Gummibalg konvex geformt wird, ermöglicht
die Erfindung eine deutliche Verbesserung der Ansaugkonditionen
für das verwendete Rotor-Stator-Dispergiersystem. Durch
die Unterdrückung der Rotationsbewegung des Fluids im Zwischenstück 2 kann
eine optimale Pumpwirkung erreicht werden. Durch die Ansaugung durch
den Propeller-Rührer mit Ringhülse hindurch wird
der radiale Ausstoß von Fluid aus dem Rührerblatt
einerseits und andererseits ein verbesserter Rückfluß von
Fluid von der Druck- auf die Saugseite des Rührers erreicht.
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Mit
Hilfe des Propeller-Rührers mit Ringhülse kann
ein Volumenstrom V .Propeller angesaugt werden,
welcher zwei- bis dreimal größer ist, als der
Durchsatz V .RS. Damit wird eine Rückführung
des überschüssig angesaugten Volumenstroms ΔV . auf
die Saugseite des Propellers erreicht. Dieser zurückgeführte
Volumenstrom wird unter einem Winkel in den von Rohrleitung 25 im
Zwischenstück 2 gebildeten Ansaugkanal zurückgeführt, so
dass eine Kollision des angesaugten mit dem Zurückgeführten
Produkts entsteht. Durch diese Kollision wird die Rotationsbewegung,
die durch die hohe Drehzahl des Propellers entsteht, stark gebremst.
Ein Teil des zurückgeführten Volumenstroms wird
dadurch wieder dem Propeller, bei leichtem Überdruck, zugeführt.
Dies fördert des weiteren die Durchmischung des Produkts,
bevor das Produkt das Rotor-Stator-System erreicht. Statt eines
Propellerrührers kann im Rahmen der Erfindung auch jede
andere Rührerblattgeometrie verwendet werden, die der Fachmann
insbesondere für das jeweils zu verarbeitende Produkt als
geeignet ansieht.
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Die
Rückführung des Volumenüberhangs ΔV . auf
die Saugseite des Propellers wird gemäß der Erfindung
möglich durch das Zusammenspiel des Rührerblatts
mit einer Hülse, da der radiale Ausstoße aus dem Rührer
unterbunden wird, der Geometrie des flexiblen Elements (vergleiche 3)
und dem Anschlusswinkel der Rotor-Stator-Dispergiermaschine α30 über das Zwischenstück
mit zumindest einem Bereich, der dem Auslass 12 benachbarten
Behälterwand 13 parallelen Anschluss.
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Im
Betrieb, wenn die Rotor-Stator-Dispergiermachine an den Behälter
angeschlossen ist, wird Fluid, welches sich im Bereich des konischen
Behälterbodens befindet, zusätzlich durchmischt.
Diese zusätzliche Durchmischung ist dann besonders stark
ausgeprägt, wenn dem im Konus des Behälterbodens 14 befindlichen
Fluid möglichst wenig bis gar kein Fluid nachgeführt
wird. Wie unten anhand von 14 erläutert
werden wird, werden diese Bedingungen dadurch erreicht, dass die
Rückführung von über die Auslasseinrichtung 5 (vergleiche 2)
aus der Dispergiermaschine 4 entnommenen Produkt in den
Behälter 1 über die Rezirkulationsleitung 10 mit
Hilfe eine Ventils 9 (siehe 14) stark
gedrosselt, beziehungsweise vollständig unterbunden wird.
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Die
obigen Ausführungen beschreiben unter anderem, wie mit
Hilfe der Erfindung die Rotation des Fluids im Bereich des Übergangs
aus dem Behälter 1 unterdrückt werden
kann. Wird ein Zwischenstück 2 mit einem Fördermittel 3 verwendet,
besteht infolge der Drehbewegung des Rührers auch im Bereich
des Übergangs von der Druckseite des Fördermittels 3 hin
zur Dispergiermaschine 4 die Gefahr, dass das Fluid in
eine Rotationsbewegung versetzt und somit die Ansaugleistung der
Dispergiermaschine 4 vermindert wird. Um diese Gefahr zu
vermeiden, sieht die Erfindung vor, dass zumindest ein Strombrecher
im Zwischenstück 2, vor dem Dispergierraum der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4, angeordnet wird. Der
Dispergierraum wird von dem Rotor 41 und dem Statur 42 der
Dispergiermaschine 4 definiert.
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In 5 ist
die entsprechende Anordnung mit einem Strombrecher 28 dargestellt.
Auf der Saugseite der Rotor-Stator-Dispergiermaschine wird im Betrieb
Fluid durch die Rohrleitung 25 des Zwischenstücks
dem Dispergierraum mit Hilfe des Rührers 31, von
dem in 4 der Schaft 32 gezeigt ist, zugeführt.
Mindestens ein Strombrecher 28 ist in diesem Bereich angeordnet.
Der Strombrecher 28 umfaßt ein, entlang der Längsachse 250 der
Rohrleitung 25, angeordnetes längliches Element,
wie beispielsweise ein Blech. Dieses Blech ist radial zur Längsachse 250 in
der Rohrleitung 25 angeordnet und beispielsweise über
eine Schraubverbindung 280 mit der Wand 23 der
Rohrleitung 25 verbunden.
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Neben
der Wand 23 kommt auch jede andere feststehende, das heißt
nicht rotierende, Komponente der Dispergiermaschine 4 als
Halterung für den Strombrecher 28 in Frage. Beispielsweise
kann der Strombrecher 28 auch mit seinem Außengewinde
mit einem Innengewinde kämmen, welches an einem Flansch
angebracht ist, der zur Befestigung des Zwischenstücks 2 am
Gehäuse der Dispergiermaschine 4 vorgesehen ist. Dieser
bildet in der in 5 (vergleiche auch 2)
dargestellten Ausführungsform der Erfindung einen dritten Teil 230 des
Zwischenstücks 2.
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Der
Teil 230 liegt unmittelbar vor der zweiten Öffnung 22 des
Zwischenstücks, durch welche im Betrieb Fluid aus dem Zwischenstück 2 in
die Dispergiermaschine 4 eintritt. Die Strombrecher 28,
die vom Fachmann auch als Leitbleche bezeichnet werden, sind bis
dicht an den Rotor 42 herangeführt, um eine Rotationsbewegung
bei der Übernahme des Produkts aus der Rohrleitung 25 in
den Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems zu verhindern. Zwischen
den Strombrechern 28 und der der Längsachse 250 zugewandten
Innenseite des inneren Zahnkranzes des Rotors entsteht im Betrieb
eine starke Verwirbelung im Fluid, wenn der innere Zahnkranz des
Rotors die Strombrecher passiert. Dadurch wird die Durchmischung
des Produkts weiter verbessert. Das Zwischenstück 2 und
insbesondere das Teil 230 mit den Strombrechern 28 kann
in Kombination mit verschiedensten Rotorzahngeometrien verwendet
werden.
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In
der in 5 gezeigten Darstellung sind drei Strombrecher 28 gleichmäßig
um die Längsachse 250 herum verteilt angeordnet.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform der
Erfindung für das Zwischenstück 2 in
dem Teil 230 gezeigt. In der Rohrleitung 25 sind
vier Strombrecher 28 angeordnet. In Betrieb durchströmt das
Fluid das Teil 230 in der in 6 dargestellten Ausführungsform
in Richtung in die Papierebene hinein. Bevor das Fluid durch die Öffnung 22 in
die Dispergiermaschine 4 eintritt, passiert es die Strombrecher 28. Eine
mögliche Drehbewegung des Fluids, welche durch die Rotation
des Rührers 31 hervorgerufen werden kann (vergleiche 2),
wird dabei durch die Strombrecher 28 durchbrochen.
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Durch
die Umlenkung der Strömung des den Behälter 1 verlassenden
Fluids mit Hilfe des Zwischenstücks 2 und dessen
Neigung um den Winkel α30 gegenüber
der Längsachse des Behälters, sowie durch Verwendung
des flexiblen Elements 27 mit der Ausbuchtung zur Bildung
einer Kammer 26, in welcher ein Fördermittel 3 angeordnet
werden kann und schließlich durch die Strombrecher 28,
stellt die Erfindung Mittel zur Verfügung, mit welchen
eine Rotation des Fluids unmittelbar vor dem Eintritt in die Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 verhindert
werden kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass elektrostatische
Aufladungen im Produkt vermieden werden können, welche
insbesondere einen unkontrollierbaren Einfluß auf die Wirkung
der Emulgatoren haben können. Derartige elektrostatische
Aufladungen des Produkts werden durch Reibung zwischen dem Produkt
und dem Gehäuse der Dispergiermaschine verursacht. Durch
eine Rotation des Produkts entsteht eine zusätzliche Reibung
zwischen dem Produkt und dem Gehäuse.
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Um
im Dispergierraum Kavitation im Fluid beim Betrieb der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
und/oder Koaleszenz von Tropfen beziehungsweise Aggregation von
Partikeln der durch die Dispergiermaschine geförderten
Dispersion zu vermeiden, muß die Fließgeschwindigkeit
des Fluids und damit der Druck im Dispergierraum vom Eintritt nach
Passieren der Öffnung 22 des Zwischenstücks 2 bis
zum Austritt, also von innen nach außen, durch den Dispergierraum
zunehmen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn mit einem Zwischenstück 2,
wie es oben beschrieben wurde, ein Stator 42 für
den Dispergierraum der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 verwendet
wird, bei welchem die durchströmte Fläche von
innen nach außen kleiner wird.
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In 7 ist
als Beispiel für einen derartigen Stator ein Stator 42 mit
zwei Zahnkränzen 431 und 432 gezeigt.
Die Durchtrittsfläche 433 zwischen den Zähnen
des äußeren Zahnkranzes 431 ist kleiner
als die Durchtrittsfläche 430 zwischen den Zähnen 432 des
inneren Zahnkranzes. Die äußere Durchtrittsfläche 433 kann
um einen Faktor zwischen 10 und 30 Prozent kleiner sein als die
Durchtrittsfläche 430 innen, wobei der genaue
Wert abhängig von Geometrie und Anzahl der Zähne
des äußeren Zahnkranzes des Stators ist. Die Verringerung
der Durchflußfläche kann durch zwei Maßnahmen
erreicht werden.
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Zum
einen können bei gleicher Zahl der Öffnungen die Öffnungen
schmaler gestaltet werden. Jedoch sollte ein Verhältnis
der Öffnungsbreite zur Öffnungstiefe von zirka
1 zu 1 beibehalten werden, um den Druckverlust beim Durchtritt des
Fluids durch die Zähne des äußeren Zahnkranzes
nicht zusätzlich zu erhöhen. Bei vergleichbaren
Maschinen liegt diese Verhältnis bei etwa 1 zu 3 bis 1
zu 4. Die Tiefe wird dabei radial zur Längsachse des Stators
gemessen. Zum anderen kann das Gehäuse 40 der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine in seinem dem Dispergierraum zugewandten
Bereich entsprechend gestaltet werden.
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Hierzu
ist in 8 eine schematische Darstellung des Dispergierraums
mit dem Rotor 41 und dem inneren und äußeren
Zahnkranz 431, 432 des Stators dargestellt. Der
obere Teil des dem Dispergierraum zugewandten Bereichs des Gehäuses 40 wird,
von der Längsachse des Rotors her gesehen, von innen nach
außen derart abgeschrägt, dass die Höhe
der Durchtrittsöffnungen des äußeren
Zahnkranzes des Stators verringert wird. In der in 8 gezeigten
Darstellung ist diese Schräge mit dem Winkel α8 gekennzeichnet. Der Vorteil dieser Maßnahme
ist, dass der Produktstrom beim Durchtritt durch den Dispergierraum
nicht nur radial, sondern auch axial beschleunigt wird und dadurch
die Durchmischung in dem dem Dispergierraum folgenden Auslasskanal
verbessert wird. In diesem Aulaßkanal gelangt das Fluid
durch die in 8 eingezeichnete erste Öffnung 51 des
Auslasskanals.
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Nach
der Erzeugung feinster Partikeln im Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems
ist es wichtig, dass diese stabilisiert werden. Insbesondere bei
Emulsionen hat es sich gezeigt, dass eine Stabilisierung in turbulenter
Strömung zum Vermeiden der Koaleszenz der Tröpfchen
beiträgt. Im Rahmen der Erfindung wird daher des weiteren
eine Auslasseinrichtung geschaffen, mit welcher im gesamten Raum
zwischen dem äußeren Zahnkranz des Stators und
dem benachbarten Gehäuse 40 der Dispergiermaschine,
welches in eine Aulaßeinrichtung übergeht, ein
turbulenter Produktstrom aufrecht erhalten werden kann. Die Auslasseinrichtung ist
daher so ausgeführt, dass ein großer sanfter kontinuierlicher Übergang
für das Fluid nach der Passage des äußeren
Zahnkranzes des Stators hin zur Abführvorrichtung aus der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine geschaffen wird. Dadurch können
insbesondere hohe Staudrücke minimiert werden.
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Dies
wird durch ein großflächigen Auslasskanal erreicht.
An den großflächigen Ober- und Unterseiten dieses
Auslasskanals, also an dessen flachen Seite, kommt es durch die
hohen Fließgeschwindigkeiten des Fluids im Betrieb der
Vorrichtung zu Schwingungen bzw. Vibrationen, welche die turbulente
Strömung unterstützen. Der erfindungsgemäßen
Gestaltung der Auslasseinrichtung mit der speziellen Geometrie des
Auslasskanals liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Fluid vor
Erreichen der Auslasseinrichtung den Dispergierraum in Teilströmen
passiert hat, welche bei ihrer Passage eine unterschiedliche Geschichte
erfahren haben. Diese Teilströme werden im folgenden mit β1, β2, β3 und β4 bezeichnet.
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In
den 8 und 9 sind die Wege dieser Teilströme
schematisch dargestellt. Ein erster Teilstrom β2 verläßt den Dispergierraum
des Rotor-Stator-Systems und wird, beginnend an der der Öffnung 51 hin
zum Auslasskanal gegenüberliegenden Seite unter dem Rotor 41 entlang,
in den Auslasskanal gefördert. Der Teilstrom β2 wird dabei durch die Drehbewegung des Rotors 41 beschleunigt.
Diese zusätzliche Beschleunigung korreliert damit, dass
der Teilstrom β2 den längsten
Weg aller vier betrachteten Teilströme zurücklegen
muß und daher dem größten Druckverlust
begegnet.
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Es
sei betont, dass es sich bei den Ausführungen zu den Teilströmen β1 bis β4 und
deren Weg hin zum Auslasskanal um eine Modellvorstellung handelt,
welche sich als geeignet herausgestellt hat, um den Grundgedanken
für die Gestaltung der erfindungsgemäßen
Auslasseinrichtung zu erläutern. Ein zweiter Teilstrom β4 wird nach der Passage des Dispergierraums
direkt hin zur Öffnung 51 in den Auslasskanal
hinein gefördert. Dieser Teilstrom β4 erfährt
die geringsten Druckverluste, da er nicht, wie die drei anderen
Ströme umgelenkt wird. Um diesen geringen Druckverlust
zu begegnen und die Unterschiede zu den drei anderen Teilströmen auszugleichen,
kann der Bereich der Zähne des Stators, welche von dem
Teilstrom β4 passiert werden, eine um
zirka 10 bis 30 Prozent, vorzugsweise 10 bis 15 Prozent kleinere
Durchlaßfläche als die übrigen Zähne aufweisen.
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Während
im Querschnitt in 8 die beiden Ströme β2 und β4 der Übersichtlichkeit
halber, jedoch nicht die Ströme β1 und β3 dargestellt sind, ist in der Aufsicht in 9 die
vollständige Einströmung in den Auslasskanal 50 mit
allen vier Teilströmen schematisch dargestellt. Die in 9 gezeigt
Ansicht blickt auch den Rotor 41 aus der in Bezug auf die
Darstellung in 8 von unten gesehenen Perspektive.
Der Rotor 41 und mit ihm der Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems
wird außen vom Gehäuse 40 umgeben. Zwischen
dem Rotor 41 und dem Gehäuse 40 ist ein
Ringkanal 49 ausgebildet.
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Die
Teilströme β1 und β3 verlassen den Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems
seitlich, das heißt bezogen auf die Papierebene von 8 nach
vorne oder nach hinten. Im Ringkanal 49 werden die Teilströme β1 und β3 hin
zum Auslasskanal 50 gefördert. Dreht der Rotor 41 entgegen
dem Uhrzeigersinn (vergleiche 8), kann
ein Teil des Teilstroms β1 unter
den Rotor 2 gefördert und mit dem Teilstrom β2 vermischt werden. Zum großen Teil
wird der Teilstrom β1 jedoch in
den Ringkanal 49 und von dort zum Auslasskanal 50 hin
gefördert. Der Teilstrom β3 wird
bei seinem Weg hin zum Ringkanal 49 und von dort zum Auslasskanal 50 durch Rotationsbewegung
des Rotors unterstützt. Die vier Teilströme β1 bis β4 kommen
bei ihrem Eintritt in den Auslasskanal 50 aus verschiedenen
Richtungen an, prallen aufeinander und vermischen sich intensiv.
Dies trägt dazu bei, dass die Strömung des Fluids
auch nach Verlassen des Dispergierraums im turbulenten Bereich bleibt.
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Die
Auslasseinrichtung 5 umfaßt einen Auslasskanal 50,
welcher eine erste Öffnung 51 hat, in den im Betrieb
das Fluid aus dem Dispergierraum beziehungsweise aus dem Ringkanal 49 in
den Auslasskanal 50 eintritt. Der Auslasskanal 50 weist
eine zweite Öffnung 52 auf, durch welche im Betrieb
das Fluid den Auslasskanal 50 verläßt.
Die erste Öffnung 51 hat eine größere
Querschnittsfläche als die zweite Öffnung 52.
Die Auslasseinrichtung ist somit als ein konzentrisches Reduzierstück
ausgebildet. Die erste Öffnung 41 ist rechteckig ausgebildet
und hat ihre größte Breite 510 parallel
zu der Ebene, in welcher sich der Rotor 41 dreht. Mit dem Bezugszeichen 44 wird
die Durchflußfläche des Ringkanals an der Stelle
bezeichnet, wo dieser in den Auslasskanal 50 übergeht.
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Die
Durchtrittsfläche 44 wird von dem Teilstrom β1 gemäß der Modellvorstellung
passiert. Mit dem Bezugszeichen 45 wird die Durchtrittsfläche
bezeichnet, durch welche gemäß der Modellvorstellung
der Teilstrom β2 unter dem Rotor
durchtritt. Mit dem Bezugszeichen 46 wird die Durchflußfläche
des Ringkanals an der Stelle, wo dieser in den Auslasskanal 50 übergeht,
bezeichnet. Die Durchflußfläche 46 wird
gemäß der Modellvorstellung von dem Teilstrom β3 passiert. Die Durchflußfläche 47 ist
die Durchflußfläche aus dem Dispergierraum heraus,
wo gemäß der Modellvorstellung der Teilstrom β4 den Dispergierraum verläßt.
Die Teilfläche 47 ist insbesondere die Fläche
in dem Bereich, in welchem die Zähne des Stators derart
gestaltet sind, dass sie eine um zirka 10 bis 30 Prozent, vorzugsweise
10 bis 15 Prozent kleinere Durchlaßfläche, als
die übrigen Zähne haben (vergleiche Ausführungen
oben).
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Die
Durchlaßflächen 44, 45, 46 und 47 sind
alle in etwa gleich groß mit Ausnahme der Fläche 47,
welche um mindestens 5 Prozent, vorzugsweise um mindestens 10 Prozent,
bis zu höchstens 30 Prozent, vorzugsweise bis zu höchstens
15 Prozent kleiner als die übrigen Flächen ist.
Die Summe der Durchflußflächen 44 bis 47 entspricht
in etwa der freien Durchflußfläche in der Abführeinrichtung 48,
welche an den Auslasskanal 50 angeschlossen werden kann.
In dem Auslasskanal 50 und der anschließenden
Abführvorrichtung 48 wird die Stabilisierung des
Produkts in turbulenter Strömung abgeschlossen.
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Dazu
hat sich folgende Abstimmung der Druchflußflächen
aufeinander als vorteilhaft herausgestellt. Bezug genommen wird
auf die Querschnittsfläche der Rohrleitung 25 im
Zwischenstück 2. Ihre Durchflußfläche
wird mit 100 Prozent angesetzt. In Bezug darauf beträgt
die Durchflußfläche durch den inneren Zahnkranz des
Stators 430 etwa 50 bis etwa 85 Prozent. Die Durchflußfläche
durch den äußeren Zahnkranz des Stators 433 beträgt
etwa 35 bis etwa 70 Prozent. Die Summe der Flächen 44, 45, 46 und 47 beträgt
etwa 35 bis etwa 65 Prozent. Die Durchflußfläche
der Abführvorrichtung 48 beträgt ebenfalls
etwa 35 bis etwa 65 Prozent.
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Besonders
wichtig ist, dass die Summe der Flächen 44 bis 47 etwa
der Durchflußfläche der Abführvorrichtung 48 entspricht.
Die oben genannten Verhältnisse der Durchflußflächen
innerhalb des Dispergierraums tragen zur Unterdrückung
der Kavitationsneigung im Dispergierraum bei. Die gewählten
Verhältnisse für die Durchflußflächen
zwischen den Zähnen des äußeren Zahnkranzes
des Stators, sowie für die Flächen 44 bis 47 und
die Abführvorrichtung 48 tragen zur Verhinderung
eines Geschwindigkeitsabfalls nach dem Verlassen des Dispergierraums
bei. Die kritische Durchflußmenge ist β1.
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In 10 ist
die Auslasseinrichtung 5 in verschiedenen Perspektivicen
dargestellt. Links oben ist eine Vorderansicht der Auslasseinrichtung 5 gezeigt,
in welcher die zweite Öffnung des Auslasskanals 52 dem
Betrachter zugewandt ist. In der rechts oben gezeigten zweiten Ansicht
erkennt man die im wesentlichen konische Form der Auslasseinrichtung 5 mit
dem als Konus bezeichneten Teil 53. Auf der linken Seite
in der Mitte in 10 ist eine Aufsicht auf die
Auslasseinrichtung 5 gezeigt in der Nachbarschaft der ersten Öffnung 51, mit
welcher die Auslasseinrichtung 5 an eine entsprechende Öffnung
in Gehäuse 40 der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 angeschlossen
werden kann, hat die rechteckige Öffnung der Auslasseinrichtung 5 ihre
größte Breite 510.
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Die
auf der rechten Seite in 10 unten
gezeigte Rückansicht der Auslasseinrichtung 5 zeigt
einen Blick in die im wesentlichen rechteckige Öffnung 51.
Diese ist, vergleichen mit der kreisförmigen Öffnung 52 als
ein langer und relativ schmaler Schlitz gestaltet, dessen Enden
abgerundet sind. Die perspektifischen Darstellung auf der rechten
Seite in der Mitte und auf der linken Seite unten für die
Auslasseinrichtung 5 illustrieren, wie durch die Gestaltung
der im wesentlichen konischen Form 53 ein sanfter geschwungener Übergang zwischen
der Öffnung 51 und der Öffnung 52 erreicht
wird.
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In 11 ist
eine weitere Ausführungsform der Auslasseinrichtung 5 gezeigt.
Diese umfaßt zwei Auslasskanäle 50, welche
in der gezeigten Darstellung einander gegenüberliegen.
Von beiden Auslasskanälen 50 aus wird im Betrieb
das Fluid in eine oder mehrere Abführvorrichtungen 48 geleitet.
Diese sind durch den ausgeführten Pfeil angedeutet. Im
Ringkanal 49 zwischen dem Rotor-Stator-Dispergiersystem
und dem Gehäuse 40 erfolgt eine Umlenkung des
Fluids, welches den Dispergierraum verläßt.
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Diese
Umlenkung ist durch die Pfeile mit durchgezogenen Linien dargestellt.
Das Fluid wird in Richtung auf die beiden Auslasskanäle 50 hin
gelenkt. Mit den gestrichelten Pfeilen sind die Teilströme
angedeutet, in denen das Fluid im Betrieb unter dem Rotor hin zu
den Auslasskanälen 50 gelenkt wird. Die Auslasskanäle haben
Seitenwände 54 und 55 beziehungsweise 56 und 57.
Am Übergang zwischen einer Seitenwand 54, eines
Auslasskanals 50 zu der Seitenwand 56 des benachbarten
Auslasskanals 50 befindet sich ein Abschnitt des Ringkanals 49.
Der Ringkanal 49 wird somit von den Auslasskanälen 50 unterbrochen.
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Die
Auslasseinrichtrung mit zwei Auslasskanälen kann über
ein zwischengeschaltetes T-Stück (nicht dargestellt) mit
einer Zirkulationsleitung verbunden werden. Die in 11 gezeigten
Abführeinrichtungen 48 werden somit in eine gemeinsame
Leitung zusammengeführt. Vor dem Eintritt in die beiden
Zuführstutzen des T-Stücks können in
jeder Abführeinrichtung 48 beziehungsweise in
jedem Auslasskanal 50 und/oder in der gemeinsamen Abführleitung
des T-Stücks Ventile vorgesehen sein (vergleiche auch unten
die Beschreibung zu 14), mit welchen die gegendrücke
in den beiden Produktströmen der Zuführstützen
des T-Stücks eingestellt werden können, insbesondere
um Kavitation zu vermeiden.
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Die
Funktionsweise des in 11 gezeigten dualen Systems
einer Auslasseinrichtung mit zwei Auslasskanälen basiert
auf den Modellvorstellungen, wie sie oben anhang von 9 erläutert
wurde. Die Auslasseinrichtung mit zwei Auslasskanälen stellt
demgegenüber eine Verbesserung dar, da es mit den beiden
breiten Auslasskanälen weniger Umlenkungen des Fluids nach
dem Verlassen des Dispergierraums gibt. Damit wird das Risiko für
die Ausbildung von Toträumen und somit teilweise laminaren
Durchfluß nach dem Dispergierraum weiter minimiert. Die
Auslasseinrichtung mit zwei Auslasskanälen bietet die Möglichkeit,
das Produkt, welches rechtwinklig zu den beiden Auslasskanälen
aus dem Dispergierraum ausgestoßen wird, durch die Drehung
des Rotors 41 auf einen Auslasskanal 50 zu zu
beschleunigen.
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Die
Durchtrittsflächen in dem Bereich des äußeren
Statorzahnkranzes, welcher einem Auslasskanal 50 benachbart
ist, sind den Flächen im Auslasskanal angepaßt.
Die Auslegung erfolgt derart, dass im Betrieb für das betreffende
Fluid eine Reynolds-Zahl oberhalb von 10.000 eingehalten werden
kann. Dadurch wird auch einer Koaleszenz von Tropfen einer Emulsion
bei der Passage der Auslasskanäle und des Übergangs vom
Dispergierraum in die Auslasskanäle entgegengewirkt.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt
die Auslasseinrichtung 5 vier Auslasskanäle 50.
Diese Ausführungsform ist in 12 dargestellt.
Die Kontur der Auslasskanäle 50 ist so gewählt,
dass beim Übergang zwischen den Kanälen nur kleine
Stege verbleiben und dadurch nur sehr geringe Staudrücke entstehen
können, die den Durchfluß in turbulenter Strömung
kaum bremsen. Die sanften gechwungenen Übergänge
von den Stegen zu den Auslasskanälen 50 minimieren
den Staudruck in jedem Auslasskanal.
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Der Übergang
von einer Seitenfläche 54 (55) in die
Seitenfläche 57 (56) des jeweils benachbarten Auslasskanals 50 verläuft
bogenfömig. Die Pfeile in der in 12 unten
dargestellten Schnittansicht illustrieren die Modellvorstellung
zum Durchfluß des Fluids durch Auslasseinrichtung 5 beim
Austritt aus dem Ringkanal 49 und dem Eintritt in die Auslasskanäle 50.
Sollte sich an den Stegen am Übergang zwischen zwei benachbarten
Auslasskanälen 50 ein Staudruck ausbilden, würde
das Produkt kurzzeitig unter den Rotor gedrückt werden,
dort beschleunigt und dann in den nächsten Auslasskanal
gepreßt werden.
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Die
Auslasseinrichtrung mit vier Auslasskanälen kann über
ein zwischengeschaltetes Doppel-T-Stück (nicht dargestellt)
mit einer Zirkulationsleitung verbunden werden. Die in 12 gezeigten
Abführeinrichtungen 48 werden somit in eine gemeinsame
Leitung zusammengeführt. Vor dem Eintritt in die vier Zuführstutzen des
Doppel-T-Stücks können in jeder Abführeinrichtung 48 beziehungsweise
in jedem Auslasskanal 50 und/oder in der gemeinsamen Abführleitung
des T-Stücks Ventile vorgesehen sein (vergleiche auch unten
die Beschreibung zu 14), mit welchen die Gegendrücke
in den vier Produktströmen der Zuführstützen
des Doppel-T-Stücks eingestellt werden können,
insbesondere um Kavitation zu vermeiden.
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Passend
zu der in 12 gezeigten Auslasseinrichtung 5 mit
vier Auslasskanälen 50 kann der in Kombination
mit der Auslasseinrichtung 5 verwendete Stator der Dispergiermaschine
derart gestaltet sein, dass die Statorabschnitte, welche den Eintrittsöffnungen
der Auslasskanäle 50 gegenüberstehen,
eine passend zu den Eintrittsöffnungen der Auslasskanäle 50 dimensionierte
Austrittsfläche aufweisen. Beispielsweise unter Zuhilfenahme
von Strömungssimulationen kann der Fachmann diese Auslegung
derart durchführen, dass im Betrieb eine Reynolds-Zahl
von Re < 10.0000
eingehalten werden kann. Dabei wird die Gesamtsumme der Eintrittsflächen
in die Auslasskanäle 50 kleiner oder gleich der
Gesamtsumme der Austrittsflächen aus dem Stator betragen.
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Durch
die oben beschriebenen Maßnahmen, welche die Erfindung
für das Zwischenstück 2 und die Auslasseinrichtung 5 vorsieht,
wird gewährleistet, dass das Fluid von dem Behälter,
in welchem es vorgelegt wird, hin zur Verarbeitung in der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
und nach der Verarbeitung darin bei der Entnahme aus der Dispergiermaschine
mit Hilfe der Auslasseinrichtung stets in turbulenter Strömung
gehalten wird. Wie anfangs dargestellt, ist es manchmal erforderlich,
Fluide nach einem Durchlauf durch die Dispergiermaschine zumindest
einem weiteren Durchlauf auszusetzen. Dazu weisen entsprechende
Anlagen eine Zirkulationsleitung auf, welche als Abführvorrichtung
an die Auslasseinrichtung angeschlossen werden kann.
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Diese
Zirkulationsleitung führt das Produkt, welches über
die Auslasseinrichtung die Dispergiermaschine verläßt,
dem Behälter wieder zu. Um auch die Zuströmung
zu dem Behälter zu optimieren, hat die Erfindung des weiteren
einen Einlaufstutzen geschaffen. Das Produkt hat in der Zirkulationsleitung
eine sehr hohe Fließgeschwindigkeit, beispielsweise im
Bereich zwischen 2 und 4 m/s, und neigt beim ungebremsten Eintritt
in dem Behälter zum Spritzen. Der Einlaufstutzen trägt
dazu bei, die Fließgeschwindigkeit beim Eintritt des rückgeführten
Produkts in den Behälter allmählich herabzusetzen
und dass sich das hereinströmende Produkt sanft über
den Konusboden in das schon im Behälter vorgelegte Produkt
einfügt, besonders bei einer Füllhöhe
im Behälter, die unterhalb des Einlaufstutzens liegt. In 13 ist ein solcher Einlaufstutzen schematisch dargestellt.
Auf der rechten Seite in 13A ist
eine Schnittansicht gezeigt, welche den Einlaufstutzen 7,
der in eine Öffnung 16 in der Behälterwand 15 übergeht,
zeigt.
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Der
Einlaufstutzen 7 hat eine Einlauföffnung 71,
durch welche das über die Abführvorrichtung zurückgeführte
Fluid in den Einlaufstutzen 7 eintritt. Die Einlauföffnung 71 ist
als Durchgangsbohrung mit dem Durchmesser D2 in
der Seitenwand des Einlaufstutzens 7 ausgebildet und hat
eine Längsachse, welche die Senkrechte 180 auf
die Längsachse 150 des Behälters 1 ist.
Der Einlaufstutzen 7 hat des weiteren eine Zulauföffnung 72,
mit welcher der Einlaufstutzen 7 in die Behälterwandöffnung 16 mündet.
Zwischen der Einlauföffnung 71 und der Zulauföffnung 72 verläuft
eine Rohrleitung 75 des Einlaufstutzens 7. Die
Rohrleitung 75 des Einlaufstutzens hat eine Längsachse 76,
welche mit der senkrechten 180 auf die Längsachse
des Behälters einen Winkel α110 einschließt.
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Der
Einlauf zum Behälter ist gemäß der Erfindung
so konstruiert, dass die Fläche vom Eingangsrohr, das heißt
die Querschnittsfläche 710 der Einlauföffnung 71 maximal
50 Prozent der Fläche des Produkteintritts in den Behälter,
das heißt der Querschnittsfläche 720 der
Zulauföffnung 72 entspricht. Wie die Aufsicht
in der linken Seite von 13A zeigt, öffnet
sich die Kontur der Rohrleitung 75 in dem Bereich 751,
welcher in die Einlauföffnung 71 mündet,
zum Behälter 1 hin über einen Radius
R1 nach außen.
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Dadurch
wird im Betrieb das in den Behälter einströmende
Produkt über einen großen Bereich des Behälterbodes
verteilt. Eine plötzliche Erweiterung in den Bereich 751 wird
damit verhindert, so dass das Auftreten eines Borda-Carnot-Stoßverlustes
unterbunden wird. Durch einen Borda-Carnot-Stoß könnten
in einem Bereich des Fluids im Behälter, in den durch den
Einlaufstutzen zurückgeführtes Produkt eintritt,
starke Verwirbelungen auftreten. Die Länge dieses Bereichs
mit Verwirbelungen würde etwa das zehnfache des Durchmessers
der Zulauföffnung 72 betragen. Das Produkt soll
aber gleichmäßig dem Fluid zugeführt
werden können, welches sich noch im Behälter 1 befindet.
Durch vorteilhafte Konstruktion gemäß der Erfindung
wird das Produkt unter einem Winkel α110 von
zirka 90° bis 150° gegen die gegenüberliegende
Wand geführt und dadurch sich ausbreitend in der Rohrleitung 75 zum
Behälter gedrückt. Die Geschwindigkeit nimmt kontinuierlich ab
und das Produkt folgt der speziellen Kontur im Bereich 751 der
Zulauföffnung. Hierbei entstehen keine Verwirbelungen,
welche die Strömungsführung des Fluids im Behälter
stören könnten. Die Gesamtlänge LEin des Einlaufstutzens braucht dabei lediglich
das zwei- bis sechsfache des Durchmessers DEin der
Einlauföffnung 71 sein. Je länger diese
Länge des Einlaufstutzens ist, desto größer
ist die Beruhigung des eintretenden Mediums in den Behälter.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann der Winkel α110 in einem Bereich zwischen 45° und
180° liegen. Beträgt der Winkel 180°,
kann der Einlaufstutzen, wie in 13B gezeigt,
zur Ausbildung eines oberen Einlaufes in den Behälter horizontal
an die obere Wölbung des Behälters herangeführt
werden. Der Einlaß kann auch vertikal zum Behälter
gestaltet werden, so dass das Produkt an der Behälterwand
heruntergeführt und auf den Produktspiegel des im Behälter
befindlichen Produkts verteilt werden kann.
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Die
folgende Tabelle bietet eine Übersicht über mögliche
Verhältnisse der Querschnittsflächen
710,
720 bei
unterschiedlichen Nenndurchmessern DN der Rohrleitung
75 des
Zwischenstücks
7:
Nenndurchmesser
von 75 | 710 in
mm2 | 720 in
mm2 |
DN
40 (41 × 1,5 mm) | 1134 | 120 × 20
= 2400 |
DN
50 (53 × 1,5 mm) | 1963 | 200 × 20
= 4000 |
DN
65 (70 × 2,0 mm) | 3420 | 250 × 30
= 7500 |
DN
80 (85 × 2,0 mm | 5150 | 250 × 40
= 10.000 |
DN
100 (104 × 2,0 mm), | 7850 | 320 × 50
= 16.000 |
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In 13C ist eine weitere Ausführungsform
für den Einlaufstutzen 7 dargestellt. Zusätzlich
zur in Bezug auf die Längsachse 76 der Rohrleitung 75 gesehen
konkaven Ausbildung mit dem Krümmungsradius R1 weist
der Bereich 751, in welchem die Zulauföffnung
in den Behälter mündet, der Behälterwandöffnung 16 zugewandte
Bereiche auf, in welchen die Zulauföffnung in Bezug auf
die Längsachse 76 der Rohrleitung 75 gesehen
konvexe Konturen hat. Dort hat die Öffnung einen Krümmungsradius
R3 beziehungsweise R2.
Der Radius R3 beziehungsweise R2 beträgt
mindestens das 1,2-fache der Hälfte des Behälterdurchmessers
D1 und höchstens das Doppelte der
Hälfte des Behälterdurchmessers D1.
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In 14 ist
eine Anlage 120 dargestellt, welche einen Behälter 1 umfaßt.
Die im Inneren der schematischen Darstellung des Behälters 1 eingetragenen
Prozentangaben illustrieren verschiedene Füllstände des
Behälters, angefangen von 100 Prozent oben bis zu einem
Füllstand von 4 Prozent, bei welchem das betreffende Fluid
sich lediglich im konisch zulaufenden Behälterbodenbereich
befindet. Aus dem Behälter 1 tritt das Fluid im
Betrieb in das Zwischenstück 2 ein, bevor es der
Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 zugeführt wird.
Nach der Behandlung im Dispergierraum tritt es durch die Auslasseinrichtung 5 aus
der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 aus. An die Auslasseinrichtung 5 ist
eine Abführvorrichtung 48 in Form einer Rohrleitung angeschlossen,
welche eine Zirkulationsleitung 10 bildet. Über
die Zirkulationsleitung 10 wird das Produkt wieder dem
Behälter zugeführt. In der Darstellung in 14 eingezeichnet,
sind zwei Einlaufstutzen 7 und 8, durch welche
das Produkt in das Behälterinnere zurückgeführt
werden kann. Hat das Produkt die gewünschten Eigenschaften
erreicht, kann es über eine Entnahmevorrichtung 100 der
Anlage 120 entnommen werden. In die Abführvorrichtung 48 ist
ein Ventil 9, insbesondere ein Drosselventil, eingebaut,
um den Durchfluß in der Zirkulationsleitung einstellen,
beziehungsweise steuern, beziehungsweise regeln zu können.
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Das
Ventil 9 kann in einer Ausführungsform der Erfindung
als Bestandteil einer Regeleinheit sein und als Einstellventil,
zum Beispiel als Klappenventil mit Feststellarretierung ausgebildet
sein. Die Regeleinheit umfaßt neben dem Regelventil einen
Durchflußmesser zur Kontrolle des Volumenstroms. Die Verweilzeit
im Rotor-Stator-System, insbesondere im Dispergierraum kann dann
durch das Ventil 9 kontrollierbar eingestellt werden. Bei
gleicher Drehzahl kann damit die Verweilzeit im Rotor-Stator-System
durch den mit dem Ventil 9 einzustellenden Gegendruck variiert
werden. Werte für die Verweilzeit zwischen 0,05 Sekunden
und 0,5 Sekunden haben sich als sinnvoll herausgestellt. Gemäß der
Erfindung können auch alle Auslasskanäle 50 der Auslasseinrichtung 5 mit
einem Ventil und Durchflussmesser versehen sein, um den jeweiligen
Durchfluß regeln zu können.
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Die
Dispergiermaschine ist mit einem Frequenzumrichter (nicht dargestellt)
ausgerüstet, so dass die Drehzahl des Rotors wählbar
ist. Neben der Drehzahl des Rotors ist damit der Volumenstrom durch
die Anlage 120 und/oder der Gegendruck flexibel einstellbar.
Insbesondere können für die Verwendung der Anlage
zum Dispergieren einerseits und für die Reinigung der Anlage,
beispielsweise für die CIP-Reinigung, unterschiedliche
Parameter für die Drehzahl, den Durchfluß und
den Gegendruck eingestellt werden, um die jeweiligen Prozesse möglichst
optimal fahren zu können.
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Nach
der Passage des Ventils
9 tritt das Fluid in die Zirkulationsleitung
10 ein.
Aus dieser kann es über die Entnahmestelle
100 entnommen
oder in die Dispergiermaschine zurückgeführt werden.
Die Anlage
120 ist derart konzipiert, dass dem Produkt
in verschiedenen Stadien weitere Zutaten in fester und/oder flüssiger
Form zugegeben werden können. Beispiele für solche
Zutaten sind unter anderem Wirkstoffe oder Trägersubstanzen
wie Liposome, welche feindispergiert dem Fluid zugegeben werden
können. Dazu umfaßt die Anlage
120 mehrere
Zuführeinrichtungen. Beispielsweise ist ein Injektor
64 vorgesehen,
welcher in der Abführvorrichtung nach der Auslasseinrichtung
5 positioniert
ist. Über den Injektor können insbesondere pulverförmige
Zutaten dem Fluid beigemengt werden. Weitere Zuführvorrichtungen
60,
61,
62 und
63,
66 erlauben
die Zugabe von Zutaten in der Zirkulationsleitung beziehungsweise
Abführeinrichtung, in den Dispergierraum, insbesondere
in den Ringkanal
49, und in die Rohrleitung des Zwischenstücks
2.
Als Injektor kann auch eine Düse, beispielsweise eine Ring-
oder Flachdüse verwendet werden, wie sie im Gebrauchsmuster
des Anmelders
DE
20 2006 001 952 als „Vorrichtung zum Herstellen
von Dispersionen” beschrieben wird. Auch vor der Entnahme
100 sowie
in der Zirkulationsleitung und der Leitung, welche zu der Zuführeinrichtung
66 in
die Dispergiermachine
4 führt, können
weitere Ventile eingebaut sein.
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Das
Einbringen der weiteren Zutaten über den Injektor in die
Abführvorrichtung 48, welche sich an die Auslasseinrichtung 5 anschließt,
geschieht bei leichten Unterdrücken im Behälter,
das heißt einem Druck, der etwa 0,3 bar geringer ist als
der Umgebungsdruck. Bei höheren Drehzahlen, das heißt
Flließgeschwindigkeiten um etwa 3 bis 4 m/s erzeugt der
Injektor einen Unterdruck, der ausreichend ist, Flüssigkeiten
one zusätzlich angelegtes Vakuum in das Fluid einzusaugen.
Die eingebrachten Zutaten werden durch den Injektorstrahl sofort
in das Fluid eingemischt.
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Eine
weitere Verbesserung zur Aufrechterhaltung einer turbulenten Strömung
im Durchfluß durch die Anlage 120 kann dadurch
erreicht werden, dass an das Gehäuse 40 der Rotor-Stator-Dispergiermaschine 4 und/oder
an die Auslasseinrichtung 5 zumindest ein Vibrator (nicht
dargestellt) angebracht wird. Um die damit verbundenen Schwingungen
des mit dem Vibrator verbundenen Bauteils im Betrieb nicht auf die
gesamte Anlage 120 zu übertragen, sind in der
Zirkulationsleitung flexible Elemente 105.1 wie zum Beispiel
Abschnitte aus ausreichend biegsamen Material vorgesehen.
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In 15 ist
eine Ausführungsform für eine Zuführeinrichtung 60 gezeigt.
Die Zuführeinrichtung 60 kann mit einem Verbindungselement 650,
beispielsweise einem Flansch, an die Auslasseinrichtung 5 angeschlossen
werden.
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Mit
einem Verbindungselement 648 kann die Zuführeinrichtung 60 an
die Abführeinrichtung 48, insbesondere an die
Rohrleitung des Zirkulationsrohrs 10, angeschlossen werden.
Für die Zugabe von weiteren Zutaten, die dem Fluid beim
Verlassen der Rotor-Stator-Dispergiermaschine zugesetzt werden sollen,
weist die Zuführeinrichtung 60 Zuführkanäle 60.1 und 60.2 auf.
Je nach Anzahl der betreffenden Zutaten können auch noch
mehr Zuführkanäle vorgesehen sein.
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Die
Zuführeinrichtung 60 ist in ihrem Inneren im wesentlichen
als eine Rohrleitung mit einer Wandkontur in Form eines Doppelkonus
ausgebildet. In Strömungsrichtung (in 15 von
links nach rechts) gesehen verengt sich der Durchmesser zunächst
unter einem Konuswinkel von 150° auf die engste Stelle
hin und erweitert sich dann unter einem Konuswinkel von 58,6°.
Damit wird ein Carnot'scher Stoßdiffusor geschaffen, welcher
im Betrieb solche Strömungsverhältnisse erzeugt,
in denen auch pulverförmige Zutaten über die Zuführöffnungen 60.1, 60.2 zugeführt
und sehr schnell homogen in dem in der Zuführeinrichtung 60 strömenden Fluid
verteilt werden können. Die angegebenen Winkel für
die Koni sind Beispiele, welche sich als vorteilhaft erwiesen haben.
Je nachdem, für welche Art von Fluid die Zuführeinrichtung 60 vorgesehen
ist, wird der Fachmann die Winkel anpassen.
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Damit
diese Strömungsverhältnisse möglichst
lange für das aus der Zuführeinrichtung ausströmende und
in der Abführeinrichtung 48 weiter transportierte
Fluid erhalten bleiben beziehungsweise damit ein allmählicher Übergang
in die Durchströmung der Abführeinrichtung erfolgt,
ist die Austrittsöffnung der Zuführeinrichtung 60 mit
dem Radius R5 abgerundet ausgebildet.
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Im
Diagramm in 16 ist der Volumenstrom in Litern/Minute über
der Drehzahl in Umdrehungen/Minute des Rotor-Stator-Dispergiermaschine
für zwei unterschiedliche Durchmesser di32mm und DN50 aufgetragen.
Dazu wurde zum einen eine Zuführeinrichtung (siehe 15)
eingebaut mit einem Eintritt DN50 und einer Reduzierung auf 32 mm.
Zum anderen wurde eine Zirkulationsleitung mit DN50 ohne Zuführeinrichtung verwendet.
Die verwendete Rotor-Stator-Dispergiermaschine hatte eine Nennleistung
von 22 kW und wurde mit einem Zwischenstück gemäß der
Erfindung betrieben. Mit steigender Drehzahl nimmt der Volumenstrom kontinuierlich
zu.
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In 16 ist
eine Dehmomentenkurve dargestellt, welche mit einem Behälter
eines Fassungsvermögens von 500 Litern bei einem Füllstand
im Behälter von 50 Litern aufgenommen wurde. Die verwendete
Rotor-Stator-Dispergiermaschine hatte eine Nennleistung von 22 kW
und wurde mit einem Zwischenstück gemäß der
Erfindung betrieben. Die Rückführung des Produkts
in den Behälter erfolgte mit einem Einlaufstutzen 7. Die
Drehmomentenkurve zeigt deutlich die kontinuierliche Zunahme des
Drehmoments („Torque”), welches in % bezogen auf
das maximale Drehmoment angegeben wird, das bei der maximalen Drehzahl
des Rotor-Stator-Systems erreichbar ist. Des Weiteren steigt der
jeweils aufgenommene Strom („Amp”), welcher in
Ampere angegeben ist, mit zunehmender Drehzahl des Rotor-Stator-Systems
kontinuierlich an.
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Die
kontinuierliche Zunahme des Volumenstroms sowie des Drehmoments
mit steigender Drehzahl der Rotor-Stator-Dispergiermaschine zeigt,
dass durch das Zwischenstück auch bei geringen Füllständen
wie 10% des Behälters ein Einfluß der Rotation
des Behälterinhalts auf die Förderleistung der Rotor-Stator-Dispergiermaschine
im Betrieb der Anlage unterbunden wird.
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Die
Erfindung schafft somit die Möglichkeit, einen relativ
großen Ansatzbehälter 1 zur Verarbeitung auch
kleinerer Ansatzvolumina zwischen 3% und 10% des maximalen Behälterfüllstandes
verwenden zu können. Mit herkömmlichen Anlagen
benötigt man zum Abdecken des üblichen Bereiches
an Ansatzgrößen neun verschiedene Behälter,
während man mit der Erfindung mit vier Behälter
auskommt. Ein Behälter kann mit einer Anlage, die das erfindungsgemäße
Zwischenstück verwendet, den Bereich zwischen 40 und 500
Litern abdecken, wobei herkömmliche Lösungen dafür
jeweils einen Behälter für 40 bis 100 Liter, 100
bis 250 Liter, 200 bis 500 Liter und 350 bis 1000 Liter benötigt.
Ein weiterer Behälter kann gemäß der
Erfindung den Bereich zwischen 150 und 2000 Litern abdecken, wobei
herkömmliche Lösungen dafür jeweils einen
Behälter für 700 bis 2000 Liter und 1500 bis 4000
Liter benötigen. Ein weiterer Behälter kann gemäß der
Erfindung den Bereich zwischen 500 und 6000 Litern abdecken, wobei
herkömmliche Lösungen dafür jeweils einen
Behälter für 2000 bis 6000 Liter und 4000 bis
12000 Liter benötigen. Ein weiterer Behälter kann
gemäß der Erfindung schließlich den Bereich
zwischen 15000 und 20.000 Litern abdecken, wofür herkömmliche
Lösungen einen Behälter für 7000 bis
20.000 Liter brauchen.
-
Beispiel 1: Haarfarbe
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Für
einen Ansatz von 100 kg in einer Anlage mit einem 500 kg fassenden
Behälter werden einem ersten Ansatzschritt 4 kg Texapon
in 20 kg Wasser dispergiert. Dies stellt für die beschriebene
Anlage mit einem Zwischenstück gemäß der
Erfindung kein Problem dar, da durch den Anschlusswinkel der Dispergiermaschine zum
Behälter und durch den Propeller im Zusammenspiel mit dem
flexiblen Element wie dem Gummibalg die Rotation des Produkts beim
Eintritt in die Dispergiermaschine unterdrückt wird.
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Beispiel 2: Reinigung
-
Die
Erfindung ermöglicht das Minimieren des Wasserbedarfs bei
einer CIP- oder SCIP-Reinigung aufgrund der möglichen minimalen
Mindestwassermengen (Füllmengen des Behälters)
von 4–5% der Batchgröße. Eine Anlage
wie im Beispiel 1 beschrieben kann mit 40 Litern Gesamtmenge, in
zwei Reinigungsgängen vollständig gereinigt werden.
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Beispiel 3:
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Herstellen von Anti-Aging-Creams, welche
Liposomen enthalten
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Zum
Einbringen von Nano-Partikeln wie zum Beispiel Liposomen in Kosmetika
kann eine Flach- oder Ringdüse an verschiedenen Positionen
zwischen dem Ansaugkanal und dem Auslasskanal angebracht werden
(siehe Bezugszeichen 63, 64, 65). Aufgabe
der Flach- oder Ringdüse ist es, hier kleinste Partikel
bei hohen Drücken zu erzeugen und in den Fluidstrom, welcher
die Rotor-Stator-Dispergiermaschine zu durchlaufen hat, hineinzusprühen.
Die Flach- oder Ringdüse wird als Düse eines Hochdruckhomogenisators
betrieben und kann insbesondere wie in dem oben zitierten deutschen
Gebrauchsmuster des Anmelders beschrieben ausgestaltet sein. Die
Position 63 ist besonders gut geeignet, da der Propeller
mit Führungshülse als Fördermittel im
Zwischenstück 2 eine gute Vermischung erreicht.
Jedoch kann die Flach- oder Ringdüse auch in einen oder mehren
der weiteren Anschlüsse 66 angebracht werden.
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Beispiel 4A: LPD (Late Produkt Differentiation)
-
An
der Zuführeinrichtung 61 wird eine Flach- oder
Ringdüse mit der Anlage mit dem Rotor-Stator-System 4 kombiniert.
Große Ansätze haben den Vorteil, das weniger manuelle Arbeit
anfällt und das die Arbeitsgänge nur einmal statt
mehrmals durchgeführt werden müssen. Dies gilt
auch für Labor-Arbeiten. Für das Herstellen von
Haarfarbe erfolgt daher das Einbringen der Einfärbung zweckmäßigerweise
am Ende der Produktion des gesamten Ansatzes. Es wird zum Beispiel
ein Ansatz von 20.000 kg Basisprodukt produziert, wobei die Einfärbung
von cirka 10 kg zunächst nicht in das Basisprodukt eingebracht
wird. Eine geeignete Anlage umfaßt eine Auslasseinrichtung
mit zwei Auslasskanälen und hat eine Nennleistung von 45
KW. In der Anlage wird ein Volumenstrom von cirka 3000 L/min ungedrosselt
umgepumpt. Die Umpumpzeit des Ansatzes beträgt cirka 7
Minuten Das Einfärbungsmittel wird cirka während
einer einzigen Umpumpperiode zudosiert, dadurch entsteht ein sehr
homogenes Produkt.
-
Falls
man den Ansatz teilen möchte und zum Beispiel zwei oder
mehrere Einfärbungen herstellen möchte, wird das
Produkt nach der Entnahme 100 eingefärbt, wobei
die Zirkulationsleitung geschlossen ist. Zwischen dem Einbringen
der ersten und der zweiten Farbe wird eine Kleinmenge verworfen,
welche eine Mischung der ersten und zweiten Farbe enthält.
Anstatt einer Zuführvorrichtung 61, 62, 63,
beispielsweise in Form einer Düse kann man in den Bereichen
der Düsen auch zwei oder mehrere Düsen anbringen.
-
Beispiel 4B: LPD (Late Produkt Differentiation)
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Eine
weitere Möglichkeit ist es, den fertigen Ansatz als eine
Teilmenge über den Auslass
100 abzuziehen und
den Überhang in den Dispergoerraum zurückzuführen
und dabei Farbstoff oder andere Zusätze durch eine Düse
(bevorzugt
61,
62) zuzugeben, damit man eine intensivere
Durchmischung erhält (mehrmaliger Durchlauf durch die Rotor-Stator-Dispergiermaschine).
Die Rückführung in den Dispergierraum kann insbesondere über
eine oder mehrere Vormischkammern des Rotor-Stator-Systems erfolgen,
wenn ein Rotor-Stator-System verwendt wird, wie es in der deutschen
Patentanmeldung DE beschrieben wird.
deutschen Patentanmeldung 10 2008 022
355.7 beschrieben wird.
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Die
Zirkulationsleitung wird hinter der Auslassleitung 100,
durch ein Ventil abgesperrt. Sinnvollerweise fängt man
mit den helleren Farben an die dann durch die dunklere Farbe leichter überdeckt
werden kann. Daher ist es von Vorteil, einen Basis-Ansatz von einem
Produkt herzustellen (Großansatz) und diesen dann beim Abpumpen
vom Behälter fertig zustellen durch den Zusatz der noch
ausstehenden Zusätze.
-
Beispiel 5: Silikondispersion
-
Zum
Herstellen von einer industriellen Dispersion von 5 Gew.-% Silikon
in 95 Gew.-% Wasser (Angaben inklusive Emulgatoren) mit kleinsten
Tröpfchengrößen im Bereich von einigen
Nanometern sind Rotor-Stator-Systeme geeignet. Rotor-Stator-Systeme
zeigen einen sehr guten Tröpfchenaufbruch bei höheren
Viskositäten. Daher wird 5% Silikon im Behälter
vorgelegt, dann cirka 2 bis 3% Wasser mit einem geeigneten Emulgator
eindispergiert, intensiv homogenisiert beziehungsweise dispergiert
und dann mit dem Restwasser vermischt.
-
Beispiel 6: Emulsion mit Phaseninversion
O/W
-
Eine
Emulsion mit 4 Gew.-% innerer Phase soll hergestellt werden. Die Öl-
oder Wachs-Phase wird im Behälter vorgelegt. Dann wird
mit zirka 4% ein Teil der Wasserphase zugegeben und eindispergiert,
so dass eine Wasser-in-Öl-Emulsion entsteht. Die Wasserphase
kann kalt zugegeben werden, es entsteht eine Mischtemperatur, die
oberhalb des Erstarrungspunktes der Öle beziehungsweise
Wachse liegen kann. Nach erfolgter Dispergierung wird die Restwassermenge
zugegeben und die Phaseninversion findet statt. Gegebenenfalls können
auch noch weitere Rohstoffe zugegeben werden. Ein Kühlen
des Ansatzes entfällt, da die Wasserphase kalt zugegeben
wurde. Dies führt zu erheblichen Einsparungen an Energie
und Ansatzzeit.
-
Beispiel 7: Scale Up
-
Labor-
und Produktions-Maschinen sollen weitgehend gleiche Geometrieverhältnisse
und Arbeitsparameter aufweisen und darüberhinaus die Durchführung
der betreffenden Verfahren zeitlich gesehen in gleicher Weise erlauben.
Durch den mit Hilfe der Erfindung optimierten Produkt-Durchfluß durch
die Rotor-Stator-Dispergiermaschine beziehungsweise die Anlage ist
es möglich, kleinste Labor-Dispergiermaschinen herzustellen,
die ein Ansatzvolumen zwischen 0,1 und 1,0 Litern haben, und vergleichbare
Produkte zu erzeugen wie mit Produktionsmaschinen.
-
Das
Verhältnis der Oberfläche zum Arbeitsvolumen einer
Dispergiermaschine wird größer, je kleiner die
Dispergiermaschine wird. Daraus resultieren größere
Reibungsverluste beziehungsweise Druckverluste in den Dispergiermaschinen
mit abnehmender Größe. Dieser negative Einfluß ist
besonders groß bei der Verarbeitung von Produkten mit hoher
Viskosität wie zum Beispiel den in den obigen Beispielen
genannten Produkten Aufgrund der Anhaftung des Produktes an den
Oberflächen kommt es zu Strömungsabrissen. Mit
folgenden geometrischen Durchmesserverhältnissen hat sich
ein Scale Up gemäß der Erfindung als sehr gut
möglich erwiesen: Für eine Labormaschine mit einem
Fassungsvermögen von 1 Liter beträgt das Verhältnis
des Durchmessers des Rotor-Stator-Systems zum Durchmesser des Behälters
120 mm/24 mm = 5. Für eine Produktionsmaschine mit einem
Fassungsvermögen von 500 Litern beträgt das Verhältnis
des Durchmessers des Rotor-Stator-Systems zum Durchmesser des Behälters
930 mm/150 mm = 6. Das Verhältnis 5/6 ist als ausreichend ähnlich
zu betrachten.
-
Beispiel 8: Herstellen von Emulsionen
-
Es
wurden Öl-in-Wasser-Emulsionen aus Mineralöl und
Wasser hergestellt. Als Emulgatoren wurden Tween 80 und Span 20
verwendet. Die gesamte Dauer der Herstellung betrug 15 Minuten.
-
Für
die Vorlage der Fluide wurde ein Zweitanksystem verwendet. In einem
Behälter mit einem Volumen von 30 Litern wurden 24 Liter
einer wäßrigen Emulgatorlösung vorgelegt.
In einem weiteren Vorlagetank wurden 6 Liter Öl bereitgestellt.
Der Behälter ist über eine Leitung mit Transferpumpe
mit dem Vorlagetank verbunden. An das Zweitankystem ist eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine
angeschlossen. Vorteilhafterweise kann eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine
mit einer Vormischkammer gemäß der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 022 355.7 des
Anmelders für die Zugabe der Ölphase verwendet
werden.
-
Der
Dispergierraum mit dem Rotor hat einen Durchmesser von 100 mm. Bei
einer Drehzahl des Rotors von 1000 Umdrehungen pro Minute beträgt
die Umfangsgeschwindigkeit 5,2 m/s. Bei einer Drehzahl des Rotors
von 5000 Umdrehungen pro Minute beträgt die Umfangsgeschwindigkeit
26 m/s. nach der Passage der Rotor-Stator-Dispergiermaschine wurde
die Emulsion über eine Auuslaßeinrichtung mit
einem Auslaßkanal in den Behälter zurückgeführt.
-
Für
die in der unten angeführten Tabelle mit den Ziffern 1
bis 6 versehenen Tests wurde das Öl langsam mit 6 Litern
pro Minute zugegeben.
-
Es
wurden Versuche mit vollständig geöffnetem Ventil 9 (vergleiche 14)
durchgeführt, für diese ist in der unten stehenden
Tabelle „offen” vermerkt. Ferner wurden auch Versuche
durchgeführt, bei welchen das Ventil 9 zu 2/3
geschlossen war und so ein künstlicher Staudruck erzeugt
wurde. Für diese Experimente ist in der unten stehenden
Tabelle „Staudruck” vermerkt.
-
Unter
der Rubrik „Test 1 (μm)” sind die Ergebnisse
der mittleren Tropfengröße einer Emulsion nach einmaligem
Durchlauf durch die Dispergiermaschine angegeben. Unter der Rubrik „Test
2 (μm)” sind die Ergebnisse der mittleren Tropfengröße
einer Emulsion nach mehrmaliger Passage der Dispergiermaschine im Kreislauf
nach einer Gesamtversuchsdauer von 15 Minuten angegeben.
-
Die
Tropfengrößenverteilungen wurden mit einem Meßgerät
des Herstellers Horiba nach dem Prinzip der Laserlichtbeugung bestimmt.
Unter „average size” ist der Mittelwert aus den
Ergebnissen des Test 1 und Test 2 angegeben
| Test
1 | Test
2 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 3000 | 3000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0,812 | 1,91 |
Test
2 (μm) | 0,804 | 2,04 |
Average
Size (μm) | 0,808 | 1,975 |
| Test
3 | Test
4 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 4000 | 4000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0,437 | 1.340 |
Test
2 (μm) | 0,440 | 1,330 |
Average
Size (μm) | 0,439 | 1,335 |
| Test
5 | Test
6 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 5000 | 5000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0.374 | 0.608 |
Test
2 (μm) | 0.371 | 0.610 |
Average
Size (μm) | 0.373 | 0.609 |
-
Eine
weitere Versuchsserie mit Tests 7 bis 12 wurde mit einer schnellen
Zugabe des Öls, nämlich mit 6 Litern in 20 Sekunden,
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der unten stehenden
Tabelle dargestellt.
| Test
7 | Test
8 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 3000 | 3000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0,561 | 2,370 |
Test
2 (μm) | 0,562 | 2,290 |
Average
Size (μm) | 0,562 | 2,330 |
| Test
9 | Test
10 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 4000 | 4000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0,405 | 1,710 |
Test
2 (μm) | 0,406 | 1,720 |
Average
Size (μm) | 0,406 | 1,715 |
| Test
11 | Test
12 |
Rotordrehzahl
(rpm) | 5000 | 5000 |
Ventil 9 | offen | Staudruck |
Test
1 (μm) | 0,351 | 0,460 |
Test
2 (μm) | 0,353 | 0,441 |
Average
Size (μm) | 0,352 | 0,451 |
-
In
einem weiteren Experiment bei vollständig geöffnetem
Ventil 9 wurde im Behälter eine Rohemulsion (Pre-Mix)
hergestellt durch Vormischung der Ölphase und der Wasserphase.
Die Rohemulsion hatte eine Tropfengrößenverteilung
mit einem mittleren Durchmesser von etwa 37 Mikrometern.
-
Nach
einem Durchlauf durch das Rotor-Stator-System bei einer Drehzahl
von 4000 Umdrehungen pro Minute betrug der mittlere Durchmesser
noch 5,363 Mikrometer. Wird die Rohemulsion einmal bei 5000 Umdrehungen
pro Minute durch das Rotor-Stator-System geführt, erreicht
man einen mittleren Durchmesser von 2,504 Mikrometern. Wird das
Produkt 15 Minuten lang im Kreislauf durch die Anlage bei einer
Rotordrehzahl von 5000 Umdrehungen pro Minute gefahren, passiert
es etwa 52 mal die Dispergiermaschine und man erreicht einen mittleren
Tropfendruchmesser von 0,347 Mikrometern. Die obigen Zahlenangaben
beziehen sich auf eine Messung. Wie bei den Tests 1 bis 12 auch
wurden mehrere Messungen durchgeführt. Deren Ergebnisse
sind in der folgenden Tabelle dargestellt.
| Rohemulsion | 1
Durchgang, 4000 rpm |
Test
1 (μm) | 36,097 | 5,363 |
Test
2 (μm) | 37,775 | 5,471 |
Average
Size (μm) | 36,936 | 5,417 |
| 1
Durchgang, 5000 rpm | 15
min bei 5000 rpm |
Test
1 (μm) | 2,504 | 0,347 |
Test
2 (μm) | 2,548 | 0,342 |
Average
Size (μm) | 2,526 | 0,345 |
-
Die
oben beschriebenen Versuche zur Emulsionsherstellung zeigen deutlich
den Einfluß des Gegendrucks beziehungsweise Staudrucks,
welcher durch die Ventilstellung des Ventils 9 aufgebracht
werden kann, auf die Tröpfchengröße.
Des Weiteren zeigen die Experimente, dass die Erfindung es ermöglicht,
kleinste Tröpfen zu erreichen. Diese Tropfen sind kleiner
als die kleinsten mittleren Tropfengrößen, die
sich mit herkömmlichen Rotor-Stator-Systemen erzielen lassen.
Darin zeigt sich die vorteilhafte Wirkung der Erfindung, die zu
Ausbildung und Erhaltung einer turbulente Durchströmung
der gesamten Anlage beiträgt.
-
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
- Behälter
(Vorlagebehälter)
- 13
- Bereich
der dem Auslass benachbarten Behälterwand
- 150
- Längsachse
des Behälters
- 180
- Senkrechten
auf die Längsachse des Behälters
- D1
- Durchmesser
des Behälters
- 12
- Auslass
des Behälters
- 14
- Behälterboden
- 15
- Behälterwand
- 16
- Behälterwandöffnung
- 2
- Zwischenstück
(Ansaugkopf)
- 21
- erste Öffnung
des Zwischenstücks
- 22
- zweite Öffnung
des Zwischenstücks
- 25
- Rohrleitung
des Zwischenstücks
- 250
- Längsachse
der Rohrleitung des Zwischenstücks
- α30
- Neigungswinkel
der Längsachse der Rohrleitung des Zwischenstücks
gegenüber der Längsachse des Behälters
- 23
- Wand
der Rohrleitung
- 260
- Bereich
der Rohrleitung des Zwischenstücks, in welchem die Wand
nach außen gewölbt ist
- 210
- erster
Teil der Rohrleitung des Zwischenstücks
- 220
- zweiter
Teil der Rohrleitung des Zwischenstücks
- 230
- dritter
Teil der Rohrleitung des Zwischenstücks
- 26
- Kammer
zur Aufnahme eines Fördermittels
- 27
- flexibles
Element, Gummibalg
- 28
- Strombrecher
- 280
- Schraubverbindung
- 3
- Fördermittel,
insbesondere Rührerblatt
- 31
- Rührer
- 32
- Schaft
des Rührers
- 33
- Hülse
- 34
- Druckseite
des Fördermittels
- 35
- Saugseite
des Fördermittels
- 4
- Rotor-Stator-Dispergiermaschine
- 40
- Gehäuse
- 41
- Rotor
- 42
- Stator
- 431,
432
- innerer
beziehungsweise äußerer Zahnkranz des Stators
- 430,
433
- Durchtrittsfläche
zwischen den Zähnen des inneren beziehungsweise äußeren Zahnkranzes
- 44,
45, 46, 47
- Durchtrittsflächen,
durch welche Fluid aus der Rotor-Stator-Dispergiermaschine austritt
- 48
- Abführvorrichtung,
insbesondere Rohrleitung
- 49
- Ringkanal
- 5
- Auslasseinrichtung
- 50
- Auslasskanal
- 51
- erste Öffnung
des Auslasskanals,
- 510
- größte
Breite der rechteckigen ersten Öffnung des Auslasskanals
- 52
- zweite Öffnung
des Auslasskanals,
- 53
- Konus
des Auslasskanals.
- Laus
- Länge
des Auslasskanals
- 54,
55, 56, 57
- Seitenflächen
des Auslasskanäle
- 60,
61, 62, 63, 64, 65, 66
- Zuführeinrichtung
zum Zuführen von Zutaten in den Auslasskanal, Injektor
- 60.1,
60.2
- Zufuhrkanal
- 650
- Verbindungselement
(Flansch) zum Anschluss der Zuführeinrichtung an die Auslasseinrichtung
- 648
- Verbindungselement
(Flansch) zum Anschluss der Zuführeinrichtung an die Abführeinrichtung
- 7,
8
- Einlaufstutzen
- 71
- Einlauföffnung
- 710
- Querschnittsfläche
der Einlauföffnung
- 72
- Zulauföffnung
- 720
- Querschnittsfläche
der Zulauföffnung
- 75
- Rohrleitung
des Einlaufstutzens
- 751
- Bereich
der Rohrleitung, welcher in die Einlauföffnung mündet
- α100
- Neigungswinkel
der Längsachse der Rohrleitung des Einlaufstutzens gegenüber der
Senkrechten auf die Längsachse des Behälters
- 76
- Längsachse
des Einlaufstutzens
- 9
- Ventil
- 10
- Zirkulationsleitung
- 100
- Entnahme
- 115
- Welle
- 116
- Motor
- 120
- Anlage
- 105.1
- flexibles
Elemente, Abschnitt aus ausreichend biegsamen Material
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202006001952
U [0118]
- - DE 102008022355 [0134, 0141]