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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Material mit einem Behälter, in dem ein um eine zentrale Achse drehbarer Rührer angeordnet ist, und mit einer ersten Umlenkeinrichtung, die im Behälter oberhalb des Rührers angeordnet ist, um einen durch den Rührer geförderten Materialstrom zur Behältermitte umzuleiten.
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Es sind unterschiedliche Arten von Rührern bekannt, die in der Regel nach oben offen sind. Der Materialstrom wird daher im Rührerbehälter umgerührt und Material, das dabei nach oben gerührt wird, gelangt so weit nach oben, bis es durch die Schwerkraft wieder nach unten gelangt.
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Die Veröffentlichungen
WO 2011/144196 ,
WO 2012/041269 und
WO 2013/135224 zeigen Materialbehandlungsvorrichtungen mit Behältern, die so geformt sind, dass der durch den Rührer beförderte Materialstrom durch eine innere Behälterwandung oberhalb des Rührers zur Behältermitte hin umgeleitet wird. Eine zentrale Schraube führt das Material aus einem oberen Bereich des Behälters zum Rührer, von dort wandert der Materialstrom radial nach außen, nach oben und von der Umlenkeinrichtung geführt in Richtung zur Behältermitte.
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Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere bei der Behandlung von grobstückigen Materialien Klumpen entstehen, die sich im Rührer nicht mehr oder nur schlecht auflösen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, derartige Vorrichtungen so weiterzubilden, dass Klumpenbildungen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei der der Rührer einen koaxialen Achskörper aufweist, dessen Durchmesser im Bereich des Rührers mindestens ein Viertel des Durchmessers des Rührers beträgt.
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Um den Rührer im radial äußeren und auch in seinem radial inneren Bereich zu nutzen, wurde bisher vorgeschlagen, die Funktionsbereiche des Rührers an einer Achse mit kleinem Durchmesser anzuordnen. Dabei gelangt das Material in die Mitte des Rührers und dann von den radial inneren Bereichen zu den radial äußeren Bereichen des Rührers.
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In den radial inneren Bereichen des Rührers ist die Umfangsgeschwindigkeit relativ niedrig und dadurch bilden sich dort am ehesten unerwünschte Verklumpungen. Auch durch Zuführspiralen und eine spezielle Formgebung der Rührerarme ist eine Klumpenbildung kaum zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, dass der zentrale Bereich des Rührers, in dem die Achse liegt, in Folge der dort vorliegenden niedrigen Beschleunigung für die Rührerfunktion von untergeordneter Bedeutung ist und daher als koaxialer Achskörper mit vergrößertem Durchmesser ausgebildet sein sollte. Der koaxiale Achskörper bezeichnet einen Körper, der von der Achse selber gebildet ist, einen um die zentrale Achse angeordneten Zylinder oder einem anderen Körper, der so ausgebildet ist, dass er diesen mittleren Bereich von Material freihält. Dies führt dazu, dass das Material nur in einem von der Mitte des Rührers beabstandeten Bereich durch den Rührer behandelt wird und der zentrale Bereich für das Material nicht zugänglich ist und daher dort auch keine Verklumpung entstehen kann. In dem radialäußeren Bereich ist die Umfangsgeschwindigkeit jedoch so hoch, dass dort eine gute Umwälzung erreicht wird und daher keine Verklumpungen zu befürchten sind.
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Um eine besonders gute Umwälzung bei geringem Energieaufwand zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der Behälter unterhalb des Rührers einen Boden aufweist und ein Abstand zwischen dem Boden und der Umlenkeinrichtung maximal die Hälfte des maximalen Durchmessers des Behälters zwischen dem Boden und der Umlenkeinrichtung beträgt.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Abstand zwischen der zentralen Achse und der radial äußeren Behälterinnenwand im Bereich des Rührers etwa dem Abstand zwischen dem Boden und der Umlenkeinrichtung entspricht. „Etwa” bedeutet hierbei eine Abweichung von maximal 30% und vorzugweise maximal 20% des größeren Abstandes.
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Dabei kann der Boden wie bei einem Kneter als durchgehende Bodenfläche ausgebildet sein oder wie bei einem Aufbereiter als Lochblech.
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Der Rührer oder die Arme des Rührers sollten möglichst weit in den radialäußeren Bereichen des Behälters reichen, damit keine Totzonen entstehen. Daher wird vorgeschlagen, dass der Durchmesser des Rührers mindestens 70%, vorzugweise mindestens 80% des maximalen Durchmessers des Behälters im Bereich des Rührers beträgt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Rührer einen oder mehrere Arme aufweist, die sich von dem zentralen Achskörper radial nach außen erstrecken.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Umlenkeinrichtung eine im Behälter angeordnete Ronde mit einem zentralen freien Durchlass aufweist. Dies ist in einer einfachen Ausgestaltung ein waagerechtes Blech mit einem zentralen freien Durchlass, das die Beschickung des Behälters mit Material ermöglicht.
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Der Behälter kann auch so geformt sein, dass die erste Umlenkeinrichtung von einer Einschnürung am Behälter gebildet ist. Der Behälter hat somit im Bereich der Umlenkeinrichtung einen kleineren Durchmesser als unterhalb der Einschnürung und vorzugweise auch einen kleineren Durchmesser als oberhalb der Einschnürung. Dies erlaubt es, den Bereich oberhalb der Einschnürung als Zuführ- und Pufferbereich zu verwenden, während unterhalb der Einschnürung der Reaktionsbereich mit dem Rührer liegt.
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Um einerseits eine ausreichende Umlenkung des Materials mittels der ersten Umlenkeinrichtung nach innen zu bewirken und andererseits weiteres Material einfach zentral zuführen zu können, wird vorgeschlagen, dass die erste Umlenkeinrichtung einen zentralen freien Durchlass mit einem Durchmesser von mindestens 0,8 m aufweist. Beispielsweise kann der freie Durchlass einen Durchmesser von weniger als 80% oder sogar weniger als 60% des maximalen Behälterdurchmessers haben.
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Bei der Verwendung des Kneters sollte der Wasserspiegel in oder oberhalb der Durchmesserverengung liegen. Ist beispielsweise die Durchmesserverengung durch eine Platte gebildet, liegt die Wasserfläche in der Ebene der Platte oder etwas darüber. Dadurch wird die Wasseroberfläche beruhigt und es geht weniger Energie durch eine Wellenbildung verloren.
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Der freie Durchmesser soll es ermöglichen, dass Feststoff dem unteren Bereich zugeführt wird. Dieser Feststoff sollte eigenständig in den unteren Bereich fallen, so dass eine Zuführschraube überflüssig ist.
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Bei einer Vorrichtung mit zwei Rührern, die übereinander angeordnet sind, muss die Umlenkeinrichtung nicht aus einem festen Material hergestellt werden, da jeweils ein Stoffstrom als Umlenkeinrichtung für den anderen Stoffstrom dienen kann. Daher wird vorgeschlagen, dass die erste Umlenkeinrichtung von einem durch einen oberhalb des ersten Rührers angeordneten weiteren Rührer nach unten zur Behältermitte hin geförderten Materialstrom gebildet ist.
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Es hat sich herausgestellt, dass ein Förderer oberhalb des Rührers, der Material zum Rührer befördert, nicht notwendig ist und sogar schädlich sein kann. Daher wird vorgeschlagen, dass der Behälter auf der zentralen Achse zumindest oberhalb der Umlenkeinrichtung keinen Förderer aufweist, der zum Rührer fördert.
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Als Puffer und zur Erhöhung des Druckes im Rührerbereich eignet sich ein Zuführraum, der oberhalb der Umlenkeinrichtung als Teil des Behälters ausgebildet ist. Dieser Zuführraum kann auch ein weiterer Behälterteil, ein Kragen oder ein zylindrischer Behälterteil sein.
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Insbesondere wenn die Vorrichtung als Kneter verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn sie eine tangentiale Zuleitung zum Behälter aufweist. Das zugeführte Material hat in der Regel durch die Zuführung bereits eine Geschwindigkeitskomponente, die bei einer tangentialen Zuführung im Behälter zur Entlastung des Rührers verwendet werden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten sehen vor, dass oberhalb des Rührers eine zweite konzentrische Umlenkeinrichtung angeordnet ist.
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Diese zweite Umlenkeinrichtung kann einen Konus aufweisen, der konzentrisch oberhalb des Rührers angeordnet ist. Dieser Konus hat die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes und er erleichtert es, das Material in der Vorrichtung zu lenken.
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Insbesondere für den Einsatz der Vorrichtung als Kneter mit tangentialem Zulauf wird vorgeschlagen, dass die zweite Umlenkeinrichtung einen sich zum Rührer hin verjüngenden Kegelstumpf aufweist, um den radial nach innen zur zentralen Achse hin umgelenkten Materialstrom zum Rührer hin umzuleiten. Bei zwei Rührern, die übereinander angeordnet sind, werden in entsprechender Ausführung zwei Kegelstümpfe verwendet, deren radial größere Kreisflächen aneinander anliegen.
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Wenn hingegen ein zentraler Zulauf zu der Vorrichtung vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn die zweite Umlenkeinrichtung einen sich zum Rührer hin verbreiternden Kegelstumpf aufweist, um den Materialstrom nach außen umzuleiten.
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Besonders gute Vermengungsergebnisse werden mit Vorrichtungen erzielt, die an der radial äußeren Behälterinnenwand Schikanen aufweisen. Dies wird beispielsweise mit einem Behälter erreicht, der eine Umfangswand aufweist, die im radial äußersten Bereich mindestens einen umlaufenden Knick mit einem zur Behälterinnenseite geöffneten stumpfen Winkel aufweist. Vorzugsweise werden zwei Knicke vorgesehen, die es auch ermöglichen, zwischen diesen Knicken einen Bereich einer senkrechten Behälterwandung vorzusehen.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung wird im Behälter vorzugsweise ein Füllniveau oberhalb der ersten Umlenkeinrichtung eingestellt. Dadurch wird ein Materialpuffer bereitgestellt und das Material selber wirkt als Druck auf den Bereich, in dem der Rührer angeordnet ist. Beispielsweise beim Einsetzen einer Platte sollte diese im Flüssigkeitspiegel liegen oder nur leicht darunter. Die Flüssigkeit oberhalb des Flüssigkeitsspiegels bringt technologisch nur einen erhöhten Wasserdruck. Der Bereich oberhalb der Einschnürung sollte daher gar nicht oder nur geringfügig überspült werden.
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Eine vorteilhafte Verfahrensführung ergibt sich, wenn während der Befüllung mit zunehmender Beladung die Drehzahl des Rührers gesenkt wird.
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Eine mittlere Drehzahl sollte bei 3 bis 10 m/s am radial äußersten Rührerende liegen und in der Praxis sind etwa 5 m/s ein guter Wert, um eine gute Vermengung mit einem wirtschaftlichen Energieeintrag zu kombinieren.
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Die Drehzahl des Rührers kann auch so eingestellt werden, dass das Material derart in die radial äußeren Bereiche des Behälters gedrängt wird, dass in der Mitte des Behälters, vorzugweise im Bereich von mindestens 50% der Achse, sämtliches Material durch die Zentrifugalkraft nach außen getrieben ist.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigt
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1 eine einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Ronde,
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2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem sich zum Rührer hin verbreiternden Kegelstumpf,
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3 eine Vorrichtung mit Zuführraum,
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4 eine Vorrichtung mit tangentialem Zulauf und sich zum Rührer hin verjüngendem Kegelstumpf und
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5 eine Vorrichtung mit zwei übereinander angeordneten Rührern.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 hat einen Behälter 2, in dem als Boden 3 ein Siebblech 4 angeordnet ist. Konzentrisch zu dem zylinderförmigen Behälter 2 ist auf einer zentralen Achse 5 direkt oberhalb des Bodens 3 ein Rührer 6 vorgesehen. Oberhalb des Rührers 6 ist als erste Umlenkeinrichtung 7 eine waagerecht angeordnete Ronde 8 mit einem kreisförmigen zentralen freien Durchlass 9 vorgesehen.
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Der Rührer 6 hat einen koaxialen Achskörper 10, von dem sich sechs gebogene Arme 11 radial erstrecken.
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Der Achskörper 10 hat einen Durchmesser 12 im Bereich des Rührers 6, dessen Länge mindestens ein Viertel des Durchmessers 13 des Rührers 6 beträgt.
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Der Rührer 6 wird über ein Getriebe 14 und einen Motor 15 angetrieben. Dadurch drehen sich die Arme 11 um die zentrale Achse 5, um Material (nicht gezeigt) zwischen der Ronde 8 und dem Boden 3 umzuwälzen.
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Damit das Material an der Unterseite der Ronde 8 anschlägt und dort umgeleitet wird, beträgt der Abstand 16 zwischen dem Boden 3 und der Umlenkeinrichtung 7 maximal die Hälfte des Durchmessers 17. Der Durchmesser 17 ist der maximale Durchmesser des Behälters 2 zwischen dem Boden 3 und der Umlenkeinrichtung 7.
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Bei der Verwendung der Vorrichtung wird Material mit Wasser oberhalb der Ronde 8 in den Behälter 2 gegeben. Das Material fällt durch den freien Durchlass 9 in den Bereich unterhalb der Ronde 8 auf den Rührer 6. Dieser Rührer 6 dreht das Material im Behälter 2 zwischen dem Boden 3 und der Umlenkeinrichtung 7, wobei das Material durch die Formgebung von Behälter 2 und Rührer 6 im radial äußeren Bereich nach oben getrieben wird und so lange nach oben fließt, bis es an der Unterseite der Ronde 8 anschlägt und zur Mitte 18 des Behälters gelangt. Dort fällt das Material nach unten zum Rührer 6 und wird vom Rührer 6 wieder nach radial außen gefördert.
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Dadurch entstehen insbesondere bei grobstückigem oder pastösem Material hohe Scherkräfte zwischen den Materialpartikeln und eine gute Vermischung des Materials.
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Im Zentrum des Rührers 6 hat das Material die geringste Umfangsgeschwindigkeit und daher entstehen hier gerne Verklumpungen. Daher hat der Rührer den koaxialen Achskörper 10, der hier eine Materialansammlung vermeidet und das Material nach radial außen und zu den Rührerarmen 11 hin umlenkt.
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Die 1 zeigt einen besonders kleinen Rührer. Vorteilhaft ist ein Rührer wie er beispielsweise in der Vorrichtung 20 gezeigt ist. Hier hat der Rührer 21 einen Durchmesser 22, der fast so groß ist wie der maximale Durchmesser 23 des Behälters 24 zwischen der Umlenkeinrichtung 25 und dem Boden 26 des Behälters 24.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Umlenkeinrichtung 25 eine vom maximalen Behälterdurchmesser 21 radial nach innen weisende Behälterwandung, durch die eine Einschnürung 27 am Behälter gebildet ist.
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Dieser Behälter hat oberhalb des koaxialen Achskörpers 28 als zweite Umlenkeinrichtung 29 einen Konus 30, der konzentrisch oberhalb des Rührers 21 angeordnet ist. Dieser Konus 30 hat die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes, dessen Mantelfläche sich zum Rührer hin verbreitert.
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Unter dem Rührer 21 ist ein Siebblech 31 und darunter ist der Motor 32 als Antrieb für den Rührer 21.
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Material, dass tangential (nicht gezeigt) oder von oben in den Behälter 24 gelangt, wird somit von der konischen Mantelfläche des Konus 30 radial nach außen zum Rührer 21 umgelenkt und wandert an der Innenwandung des Behälters 24 im radial äußeren Bereich nach oben, um von der Umlenkeinrichtung 25 wieder nach radial innen umgelenkt zu werden.
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Die in 3 gezeigte Vorrichtung 40 hat einen Trichter 41, der in einen zylindrischen Kragenbereich 42 und dann in einen unten durch eine Ronde 43 begrenzten Zuführraum 44 übergeht. Unterhalb der Ronde 43 verbreitert sich der Behälter 45. Dort hat die Umfangswand im radial äußersten Bereich des Behälters 45 einen ersten umlaufenden Knick 46, der in einen kurzen zylinderförmigen Mantelbereich 47 überleitet und dabei einen zur Behälterinnenseite geöffneten stumpfen Winkel 48 bildet. Daran schließt sich nach unten ein weiterer Knick 49 an, der wiederum einen zur Behälterinnenseite 51 geöffneten stumpfen Winkel 50 aufweist.
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Das Material gelangt somit entweder über den Trichter 41 oder über eine tangentiale Zuleitung 52 in den Zuführraum 44 und von dort durch den freien Durchlass 53 zum Konus 54. Der freie Durchlass hat im Ausführungsbeispiel einen Durchmesser 55 von etwa einem Meter.
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Der Behälter 45 hat auf der zentralen Achse 56 sowohl oberhalb der Umlenkeinrichtung 43 als auch darunter keinen Förderer, der zum Rührer 57 fördert.
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Auch die 4 zeigt eine Vorrichtung 60 mit einer zweiten konzentrischen Umlenkeinrichtung 61 oberhalb des Rührers 62. Diese zweite Umlenkeinrichtung 61 weist hingegen einen sich zum Rührer 62 hin verjüngenden Kegelstumpf 63 auf. Dieser Kegelstumpf 63 führt durch den tangentialen Zulauf 64 in den Behälter 65 gefördertes Material, das durch den Rührer 62 umgerührt wird und in radial äußeren Bereichen des Behälters 65 nach oben strömt, wieder nach unten zum Rührer 62. Dazu dient eine zur zentralen Achse des Behälters 65 konzentrische konische Umfangsfläche 67.
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Der Motor 68 treibt über das Getriebe 69 den Rührer 62 an, der das Material im Behälter 65 umrührt, und dabei erhält das Material durch die Rührerform, die Zentrifugalkräfte und die Form der inneren Wandung 70 des Behälters 65 zunächst eine Strömung nach oben. Dann gelangt das Material an eine innere Behälterwandung 71 oberhalb des Rührers 62, die als erste Umlenkeinrichtung das Material zur zentralen Achse 66 hin umlenkt. Das Material wird dann über die konische Mantelfläche 67 des Kegelstumpfes 63 wieder nach unten zum Rührer 62 hin umgelenkt. Das Material kreist somit um eine zentrale Ringachse eines Torus und Rührer und Behälterform und die Umlenkeinrichtungen sind so ausgebildet, dass möglichst keine Bereiche mit besonders niedriger Geschwindigkeit entstehen. Dies führt zu einer intensiven Vermengung und verhindert die Bildung von Klumpen.
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Die 5 zeigt an der Vorrichtung 80, dass die erste Umlenkeinrichtung nicht unbedingt eine Behälterwandung oder ein Behältereinbau sein muss, sondern auch durch einen zweiten Materialstrom bereitgestellt werden kann. Diese Vorrichtung 80 hat einen Behälter 81, in dem durch einen ersten Motor 82 und ein erstes Getriebe 83 ein erster Rührer 84 im Behälter 81 angetrieben wird. Darüber ist der zweite Motor 85, der über ein zweites Getriebe 86 einen Rührer 87 im Behälter 81 antreibt. Der Rührer 87 bewirkt somit eine Materialströmung nach unten, während der Rührer 84 eine Materialströmung nach oben bewirkt. An der Stelle, an der diese Materialströmungen aufeinander treffen, bildet die untere Materialströmung eine Umlenkeinrichtung für die obere Materialströmung und die obere Materialströmung bildet eine Umlenkeinrichtung für die untere Materialströmung. Der vom zweiten Rührer 87 bewirkte Materialstrom 88 bildet somit die erste Umlenkeinrichtung für den vom Rührer 84 gebildeten Materialstrom 89 zur Behältermitte 90 hin.
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In der Behältermitte ist als koaxialer Achskörper ein Doppelkonus 91 angeordnet, der eine untere sich zum Rührer 84 hin verjüngende konische Mantelfläche 92 aufweist, um den Materialstrom 89 zum Rührer 84 hin umzulenken.
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Der Doppelkonus 91 hat an seiner Oberseite eine sich zum Rührer 87 hin verjüngende konische Mantelfläche 93, die den Materialstrom 88 zum Rührer 87 hin umlenkt.
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An der in der 3 gezeigten Vorrichtung ist leicht zu erkennen, dass es vorteilhaft ist, wenn im Behälter 45 oberhalb der ersten Umlenkeinrichtung 43 das Füllniveau (nicht gezeigt) eingestellt wird. Dadurch kann der Zuführraum 44 und auch der Raum darüber bis zum Trichter 41 als Stauraum für Material verwendet werden und bei flüssigem Material oder einer Füllung mit Flüssigkeit oder Wasser entsteht ein hydrostatischer Druck, der im Bereich des Rührers 57 auf das Material wirkt.
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Um im Behälter 45 die gewünschte Materialströmung zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass während der Befüllung des Behälters 45 mit Material mit zunehmender Beladung die Drehzahl des Rührers gesenkt wird. Dadurch kann mit geringer Leistungsaufnahme eine besonders intensive Umwälzung des Materials erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/144196 [0003]
- WO 2012/041269 [0003]
- WO 2013/135224 [0003]
