DE10206829C2 - Vorrichtung mit einem Stator und einem zu diesem drehbeweglichen Rotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren oder Suspendieren eines flüssigen, gasförmigen oder festen Mediums in einem Fluid, insbesondere von Feststoffpartikeln in einer Flüssigkeit. Das Medium wird hierzu gemeinsam mit dem Fluid einer Scherzone (11) zwischen einem Rotor (3) und einem Stator (12) der Vorrichtung (1) zugeführt. Um eine wahlweise Zufuhr von unterschiedlichen Medien zu der Scherzone (11) mit geringem Aufwand zu ermöglichen, hat der Stator (12) zwei koaxiale, relativ zueinander bewegliche Hohlkörper (13, 14) mit jeweils am Umfang angeordneten Öffnungen (15, 16). Die resultierende Querschnittsfläche der Öffnungen (15, 16) kann daher auch während des Betriebes insbesondere stufenlos einegestellt werden, so dass die Vorrichtung (1) insbesondere auch für verschiedene Medien geeignet ist. Die Vorrichtung (1) weist eine durch einen am Umfang einer Rotornabe (8) angeordneten Vorsprung und durch eine an einer Innenwandfläche eines zu der Rotornabe (8) beabstandeten Primärrotors (6) angeordnete Ausnehmung (5) begrenzte Mischkammer (4) für das Medium und das Fluid auf, von der das Medium und das Fluid der Scherzone (11) zuführbar sind. Hierdurch erfolgt die Zusammenführung des Mediums und des Fluides bereits vor dem Eintritt in die Scherzone (11) zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (12), wodurch die Durchmischung sowie der in der Scherzone (11) auftretende Prozess der Dispersion, Emulsion, Homogenisation oder ...

Description

Die Erfindung betrifft eine zum Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren oder Suspendie­ ren eines flüssigen, gasförmigen oder festen Mediums in einem Fluid, insbesondere von Feststoffpartikeln in einer Flüssigkeit, bestimmte Vorrichtung mit einem Stator und einem zu diesem drehbeweglichen Rotor, die mit einer Auslassöffnung sowie beidseitig des Rotors mit jeweils zumindest einer Einlassöffnung ausgestattet ist, wobei das Medium durch am Um­ fang des Stators angeordnete Öffnungen einer Scherzone zwischen dem Rotor und dem Stator zuführbar ist, wobei die Öffnungen des Stators eine einstellbare Querschnittsfläche aufweisen.

Eine solche Vorrichtung wird in der Praxis beispielsweise dann eingesetzt, wenn die ge­ wünschte Durchmischung, beispielsweise in Form einer Dispersion, Emulsion, Homogenisa­ tion oder Suspension, mit Hilfe von einfachen Rührwerken nicht oder nur mit unzureichender Qualität bzw. Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Durch jeweils eine der beiden Einlass­ öffnungen wird hierzu das Fluid bzw. auf der anderen Seite des Rotors das in dem Fluid zu mischende Medium der Scherzone zwischen dem Rotor und dem Stator zugeführt. Die dort auftretenden Scherkräfte führen zu einer optimalen Durchmischung. Prinzipbedingt unter­ stützt der beidseitig des Rotors auftretende Unterdruck die Strömung des Mediums und des Fluides, die dann durch den Rotor unter dem Einfluss der auftretenden Fliehkräfte durch die Auslassöffnung nach außen gefördert werden.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einem Stator und einem zu diesem drehbeweglichen Rotor ist auch durch die DE 32 20 092 A1 bekannt. Diese beschreibt bereits eine Vorrich­ tung, bei der die Schlitze zur Anpassung an unterschiedliche zu dispergierende Partikel ver­ stellbar sind. Hierbei steht die Überlegung im Vordergrund, dass die Schlitze zumindest der Größe der Partikel entsprechen müssen, um einen ungehinderten Durchtritt zu gestatten. Dabei kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass es bei stark zum Agglomerieren nei­ genden Substanzen zu einer unzureichenden Benetzung kommt, weil die Partikel direkt ein­ gesogen werden und auf die flache Rotorscheibe treffen und dann dem Flüssigkeitsstrom zugeführt werden. Ein Aufbrechen vorhandener Agglomerate findet anschließend nicht mehr statt.

Um die mechanische Beaufschlagung des Mediums und des Fluides und somit die Zerklei­ nerung, Dispersion, Emulsion, oder Suspension zu verbessern, wird in der US 31 94 540 und in der EP 05 87 714 B1 vorgeschlagen, den Stator in der Benetzungs- und Dispergierzone mit radialen Öffnungen zu versehen. Hierdurch sollen die Stoffe getrennt voneinander bis unmittelbar in den Bereich der Dispergierzone zugeführt werden. Dadurch soll der Vorteil erreicht werden, dass die Zusammenführung der Stoffe und insbesondere die Benetzung von Pulver oder körnigen Stoffen erst in dem Bereich erfolgt, in dem die Stoffe mechanisch beaufschlagt und miteinander vermischt werden. Die Vereinigung bzw. die Reaktion der Stof­ fe kann somit zeitlich erstmals im Bereich der Dispergierzone stattfinden, weshalb die Mi­ schung der Stoffe zeitgleich mit dem ersten gegenseitigen Kontakt und der damit gegebe­ nenfalls verbundenen Zustandsänderungen erfolgt.

Als nachteilig erweist sich bei diesem Stand der Technik jedoch, dass die Zuführung des Mediums zu der Scherzone insbesondere im Bereich der Öffnungen eine spezielle Abstim­ mung auf die physikalischen Eigenschaften des jeweils zugeführten Mediums erfordert. Hierdurch wird der Aufwand bei einer Änderung des eingesetzten Mediums vergleichsweise hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine wahlweise Zu­ fuhr von unterschiedlichen Medien ohne einen konstruktiven Eingriff im Bereich der Öffnun­ gen zu der Scherzone zu ermöglichen, sowie die Vorrichtung derart auszugestalten, dass dadurch die Strömungsverhältnisse optimiert werden. Insbesondere soll dabei eine vorteilhafte Injektorwirkung erreicht werden, durch die eine Beschleunigung der Partikel und damit ein erhöhter Energieeintrag realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß weist also die Vorrichtung eine durch einen am Umfang einer Rotornabe angeordneten Vorsprung und durch eine an einer Innenwandfläche eines zu der Rotornabe beabstandeten Primärrotors angeordnete Ausnehmung begrenzte Mischkammer für das Medium und das Fluid auf, von der das Medium und das Fluid der Scherzone zuführbar sind. Hierdurch erfolgt die Zusammenführung des Mediums und des Fluides bereits vor dem Ein­ tritt in die Scherzone zwischen dem Rotor und dem Stator, wodurch die Durchmischung so­ wie der in der Scherzone auftretende Prozess der Dispersion, Emulsion, Homogenisation oder Suspension begünstigt werden. Der Kontakt des Mediums und des Fluides wird da­ durch zeitlich verlängert. Weiterhin werden auf diese Weise durch die im Bereich der Ausnehmung abweichende Bahngeschwindigkeit der Rotoroberfläche unterschiedliche Strömungs­ geschwindigkeiten mit einem für die Durchmischung günstigen Strömungsprofil erzeugt. Ne­ ben einer Veränderung der Größe der Öffnungen können durch eine gegebenenfalls geän­ derte Geometrie zudem auch die Strömungseigenschaften und das Strömungsprofil verän­ dert werden. Ferner kann die Querschnittsfläche der Öffnung auch vollständig geöffnet wer­ den, um so eine reine Pumpfunktion für das Fluid zu erreichen.

Die Öffnungen können mittels eines Antriebes veränderliche Absperrmittel aufweisen. Be­ sonders einfach ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn der Stator zwei koaxiale, relativ zueinander bewegliche Hohlkörper mit jeweils am Umfang angeordne­ ten Öffnungen aufweist. Hierdurch kann durch eine problemlos erzielbare relative Bewegung der beiden Hohlkörper eine unterschiedliche Querschnittsfläche der Öffnungen erreicht wer­ den, indem die jeweilige gegenseitige Abdeckung der Öffnungen der beiden Hohlkörper mi­ nimiert oder maximiert wird, wodurch sich dementsprechend eine große oder eine kleine Querschnittsfläche der resultierenden Gesamtöffnung ergibt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hohlkörper von einer ersten Funktionsstellung, bei der sich die jeweiligen Öffnungen deckungsgleich sind, und einer zweiten Funktionsstel­ lung, bei der die Öffnungen zumindest abschnittsweise verdeckt sind, relativ zueinander be­ weglich sind. Hierzu werden insbesondere solche Hohlkörper eingesetzt, deren jeweilige Öffnungen im wesentlichen übereinstimmen und daher in eine deckungsgleiche Funktions­ stellung gebracht werden können. Der Strömungsverlauf wird daher von den Öffnungen in dieser Funktionsstellung nicht behindert. Die Wirkungsweise entspricht daher im wesentli­ chen einer verstellbaren Blende, deren Querschnittsfläche der Öffnung beliebig festlegbar ist.

Dabei erweist sich eine Ausgestaltung der Erfindung als besonders praxisnah, bei der die beiden Hohlkörper relativ zueinander axial verschiebbar angeordnet sind. Mittels eines Stell­ gliedes kann daher eine gewünschte Überdeckung der beiden Öffnungen der Hohlkörper problemlos eingestellt und zuverlässig reproduziert werden. Hierzu dient beispielsweise eine Steuereinheit, in der wesentliche Parameter des jeweils eingesetzten Mediums gespeichert sind und beispielsweise zusätzlich relevante Prozessparameter erfasst werden können.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch er­ reicht, dass die beiden Hohlkörper relativ zueinander schwenkbeweglich sind. Hierdurch kann die relative Bewegung problemlos auch manuell von einer Bedienperson aufgebraucht werden, wobei die jeweilige Überdeckung der Öffnung durch eine Skalierung auf den von außen sichtbaren Bereichen der Hohlkörper unmittelbar ablesbar ist.

Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn die beiden Hohlkörper stufenlos relativ zueinander beweglich sind, um so beliebige Querschnittsflächen einstellen zu können. Zur einfachen Bedienung kann die Veränderung der Querschnittsfläche auch in einer nicht­ linearen Funktion von der Relativbewegung der Hohlkörper abhängen.

Hierzu wird die Verstellbarkeit bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung da­ durch erreicht, dass die beiden Hohlkörper mittels eines Pneumatikantriebes relativ zueinan­ der beweglich sind. Dieser Antrieb ist problemlos in der Handhabung und zudem weitgehend verschleißfrei. Mehrere dieser Antriebe können seriell angeordnet werden, um so schrittwei­ se durch individuelle Ansteuerung der Antriebe eine vorbestimmte Schrittweite bei der Ver­ änderung der Querschnittsfläche zu erreichen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass die relative Beweglichkeit der Hohlkörper durch einen einstellbaren Anschlag begrenzbar ist. Hierdurch wird zugleich die maximale Querschnittsfläche der Öffnung be­ grenzt, so dass eine zusätzliche Steuerung eines Antriebes für die relative Beweglichkeit entfallen kann.

Eine weitere besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch er­ reicht, dass die Vorrichtung weitere, insbesondere mit jeweils einem Absperrorgan ausges­ tattete Einlassöffnungen aufweist, durch die unterschiedliche Medien wahlweise zuführbar sind. Hierdurch kann während des Prozessverlaufes die Zufuhr verschiedener Medien reali­ siert werden, die insbesondere eine jeweils geänderte Querschnittsfläche der Öffnung erfor­ dern. Beispielsweise können so weitere Medien zugeführt werden, wenn der erfasste Zu­ stand des durch die Auslassöffnung austretenden Produktes von einem vorbestimmten Soll­ wert abweicht. Hierdurch kann die Qualität der so geschaffenen Produkte durch ständige Überwachung und den aufgrund der Einstellbarkeit der Öffnungen möglichen schnellen Ein­ griff wesentlich verbessert werden.

Die Mischkammer ist durch einen Vorsprung am Umfang der Rotornabe begrenzt ist. Die dabei auftretenden Strömungsverhältnisse führen zu einer gleichmäßigen Durchmischung, ohne dass dabei bereits die in dem nachfol­ genden Schritt auftretenden Scherkräfte auftreten.

Dabei wird durch eine Ausgestaltung, bei der die Mischkammer zur Umlenkung des Fluides einen an der Rotornabe fluideinlassseitig im wesentlichen radial nach außen weisenden Vorsprung aufweist, bereits eine Ablenkung des das Medium enthaltenden Fluides nach außen in Richtung der Scherzone erreicht. Der Prozess verläuft dadurch wesentlich stabiler, so dass insbesondere lokal unterschiedlich ausgeprägte Scherkraftprofile vermieden werden.

Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn der Vorsprung zumindest annä­ hernd in der Mitte der axialen Erstreckung der Rotornabe positioniert ist, um so das Maximum des Strömungsprofils in dem axialen Zentrum der Rotornabe zu realisieren. Die Durchmischung bleibt daher weitgehend unbeeinflusst von möglichen Strömungsverlusten und Grenzflä­ cheneinflüssen im Kopfbereich des Stators.

Zweckmäßig ist es dabei auch, wenn der Rotor einzelne Klauen aufweist, die durch einen Kopfring miteinander verbunden sind, um so eine unerwünschte Verformung der Klauen zu verhindern, indem der Kopfring die radialen Kräfte aufnimmt.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren oder Suspendieren eines flüssigen, eines nicht dargestellten gasförmigen oder festen Mediums in einem ebenfalls nicht dargestellten Fluid. Das Medium wird hierzu durch eine Einlassöffnung 2 einem Rotor 3 der Vorrichtung 1 stirn­ seitig zugeführt und gelangt von dort in eine Mischkammer 4. Die Mischkammer 4 ist durch eine Ausnehmung 5 eines Primärrotors 6 und eine als Vorsprung ausgeführte Ausformung 7 einer Rotornabe 8 des Rotors 3 begrenzt. Die Ausformung 7 führt durch ihre Formgebung zu einer Umlenkung des durch eine der ersten Einlassöffnung 2 gegenüberliegende zweite Ein­ lassöffnung 9 eintretenden Fluides, dessen Strömung so nach radial außen gelenkt wird. Die Strömung des Mediums und des Fluides tritt zwischen einzelnen Klauen 10 des Primärrotors 6 hindurch und trifft in einer Scherzone 11 auf einen Stator 12. Dieser Stator 12 umfasst zwei relativ zueinander bewegliche Hohlkörper 13, 14, die jeweils an ihrem Umfang mit Öffnungen 15, 16 ausgestattet sind. In der dargestellten Funktionsstellung sind die Öffnungen 15, 16 der Hohlkörper 13, 14 zueinander deckungsgleich, so dass die maximale Querschnittsfläche der Öffnungen 15, 16 erreicht ist. Mittels eines nicht dargestellten Antriebes ist der äußere Hohlkörper 14 gemeinsam mit einer Zufuhrleitung 17 für das Medium axial verschiebbar. Die Einstellung der gewünschten verbleibenden Querschnittsfläche der beiden Öffnungen 15, 16 kann daher mühelos während des Betriebes verändert werden, wodurch der Prozessverlauf optimiert und zugleich der Handhabungsaufwand gegenüber dem Stand der Technik ver­ mindert werden kann.

Claims (12)

1. Eine zum Dispergieren, Emulgieren, Homogenisieren oder Suspendieren eines flüssigen, gasförmigen oder festen Mediums in einem Fluid, insbesondere von Feststoffpartikeln in ei­ ner Flüssigkeit, bestimmte Vorrichtung (1) mit einem Stator (12) und einem zu diesem dreh­ beweglichen Rotor (3), die mit einer Auslassöffnung sowie beidseitig des Rotors (3) mit je­ weils zumindest einer Einlassöffnung (2, 9) ausgestattet ist, wobei das Medium durch am Umfang des Stators (12) angeordnete Öffnungen (15, 16) einer Scherzone (11) zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (12) zuführbar ist, wobei die Öffnungen (15, 16) des Stators (12) eine einstellbare Querschnittsfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine durch einen am Umfang einer Rotornabe (8) angeordneten Vorsprung (7) und durch eine an einer Innenwandfläche eines zu der Rotornabe (8) beabstandeten Primär­ rotors (6) angeordnete Ausnehmung (5) begrenzte Mischkammer (4) für das Medium und das Fluid aufweist, von der das Medium und das Fluid der Scherzone (11) zuführbar sind.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) zwei koaxiale, relativ zueinander bewegliche Hohlkörper (13, 14) mit jeweils am Umfang angeordneten Öffnungen (15, 16) aufweist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (13, 14) von einer ersten Funktionsstellung, bei der sich die jeweiligen Öffnungen (15, 16) deckungs­ gleich sind, und einer zweiten Funktionsstellung, bei der die Öffnungen (15, 16) zumindest abschnittsweise verdeckt sind, relativ zueinander beweglich sind.

4. Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei­ den Hohlkörper (13, 14) relativ zueinander axial verschiebbar angeordnet sind.

5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlkörper relativ zueinander schwenkbeweglich sind.

6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlkörper (13, 14) stufenlos relativ zueinander beweglich sind.

7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlkörper (13, 14) mittels eines Pneumatikantriebes relativ zueinander be­ weglich sind.

8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Beweglichkeit der Hohlkörper (13, 14) durch einen einstellbaren Anschlag begrenzbar ist.

9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Vorrichtung weitere, insbesondere mit jeweils einem Absperrorgan aus­ gestattete, Einlassöffnungen aufweist, durch die unterschiedliche Medien wahlweise zuführ­ bar sind.

10. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, dass die Mischkammer (4) zur Umlenkung des Fluides den an der Rotornabe (8) im wesentlichen radial nach außen weisenden Vorsprung (7) fluideinlassseitig aufweist.

11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (7) zumindest annähernd in der Mitte der axialen Erstreckung der Rotornabe (8) positioniert ist.

12. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Rotor (3) einzelne Klauen (10) aufweist, die durch einen Kopfring miteinander verbunden sind.