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Die Erfindung betrifft ein Rührorgan,
insbesondere ein Radial-Rührorgan
zur Behandlung von Feststoffströmen
und hochviskosen Medien, wie zum Beispiel Pulvern, Schüttungen,
Granulaten, Haufwerken oder dergleichen, in einem Rührbehälter, der
mit einer im wesentlichen lotrechten Antriebswelle versehen ist,
an der wenigstens ein radial sich erstreckendes Rührblatt
angebracht ist.
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Bei der Behandlung von Feststoffen
wird das unbehandelte Material in der Regel kontinuierlich oben
in den Rührbehälter eingegeben,
im Behälter behandelt,
worauf das behandelte Material am unteren Ende des Rührbehälters abgezogen
wird. Der Transport des Materials durch den Behälter erfolgt gewöhnlich durch
die Schwerkraft, es ist aber auch eine Durchströmung des Behälters von
unten nach oben möglich.
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Das Behandlungsergebnis ist optimal,
wenn sich alle Feststoffteilchen im wesentlichen gleich lange Zeit
im Behälter
aufhalten und dabei den gleichen Bedingungen ausgesetzt sind. Dies
wird bei einer sogenannten Kolbenströmung erreicht, bei der die Feststoffteilchen
mit praktisch gleicher mittlerer Axial-Geschwindigkeit über den Querschnitt des Rührbehälters nach
unten strömen.
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Mit den bisher für diesen Zweck eingesetzten Rührorganen
wird dies nicht erreicht. So wird zum Beispiel bei geraden, senkrechten
Rührblättern sowie durch
die Welle des Rührbehälters der
Kernfluß gefördert, d.h.
im Zentrum des Rührbehälters fließt das Material
schneller nach unten als in den Randbereichen, wodurch stark unterschiedliche
Verweilzeiten der Feststoffteilchen im Rührbehälter entstehen.
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Die Erfindung sucht diesen Nachteil
zu vermeiden.
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Ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine möglichst
gleichmäßige mittlere
Strömungsgeschwindigkeit
der Feststoffteilen über
den Querschnitt des Rührbehälters zu
erreichen. Vorzugsweise sollen sich ferner die Feststoffteilchen
eine gleich lange Zeit im Rührbehälter aufhalten.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Rührblatt
in einer Ebene quer zur Antriebswelle gekrümmt ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist das Rührblatt
spiralförmig, insbesondere
in Form einer logarithmischen oder einer archimedischen Spirale
gekrümmt.
Zweckmäßigerweise
kann es aber auch kreisbogenförmig
gekrümmt
sein.
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Insbesondere bei einer Krümmung des Rührblattes
in Form einer logarithmischen Spirale hat die Tangente an jedem
Punkt des Rührblattes
den selben Winkel zur Umfangsrichtung. Dieser Winkel kann dem Fließverhalten
des jeweils zu behandelnden Gutes angepaßt werden, so daß ein konstanter Fluß des Gutes
längs des
Rührblattes
zur Behälterinnenwand
oder zur Behältermitte
erreicht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung nimmt die axiale Blatthöhe des Rührblattes von der Antriebswelle
aus nach außen
in Richtung zur Innenwand des Rührbehälters ab.
Die Abnahme kann nach der Funktion y = c·x–a erfolgen,
wobei a vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,0 liegt,
während
die Konstante c masstabsabhängig
ist und etwa im Bereich von 100 bis 50 000 liegt.
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Die axiale Blatthöhe kann aber von innen nach
außen
auch trapezförmig
abnehmen.
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Auf diese Weise wird die Blatthöhe an die nach
außen
zur Behälterwand
hin zunehmende Umfangsgeschwindigkeit des Rührblattes angepaßt, um ein
konstantes verdrängtes
Volumen und somit einen konstanten Volumenstrom längs des
Rührblattes
zu erzeugen.
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Zweckmäßigerweise ist das Rührblatt
in seiner unteren Hälfte
und insbesondere im Bereich der Welle angestellt, um dem den Rührbehälter von
oben nach unten durchströmenden
Gut eine axial nach oben gerichtete Bewegungskomponente zu erteilen und
damit dem Kernfluß entgegen
zu wirken.
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Hierdurch kann die Verweilzeitverteilung
der Feststoffteilchen im Rührbehälter eingeengt
und dem jeweils zu behandelnden Material angepaßt werden.
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Der Anstellwinkel α der unteren
Hälfte
des Rührblattes
liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2° bis etwa 30°.
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Die Verweilzeit des Rührgutes
im Rührbehälter liegt
zweckmäßigerweise
im Bereich von etwa 10 Minuten bis etwa 2 Stunden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, wobei auf der Antriebswelle eine Mehrzahl von Rührorganen
axial über
bzw. untereinander angeordnet ist, sind vorteilhafterweise jeweils
zwei axial benachbarte Rührblätter in
Umfangsrichtung entgegengesetzt zueinander angestellt, so daß das eine
Rührblatt
einwärts
zur Antriebswelle hin und das andere nach außen zur Behälterwand hin fördert.
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Auf diese Weise wird zwischen diesen
beiden eine Rührstufe
bildenden Rührblättern eine
optimale Quervermischung des Rührgutes
erzielt (Kaskade).
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Zwischen den verschiedenen Rührstufen können zweckmäßigerweise
Einbauten zum Beispiel in Form von Scheiben vorgesehen sein, wodurch
die Quervermischung weiter verbessert werden kann.
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Der Durchmesser dieser Scheiben kann etwa
ein Drittel bis zwei Drittel des Durchmessers der Rührorgane
haben.
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Beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert, in
der
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1 schematisch
im Schnitt einen Rührbehälter mit
einer lotrechten Welle und mehreren an dieser in axialen Abständen angebrachten
Rührorganen
zeigt;
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1a eine
Modifikation des Rührbehälters nach 1 zeigt;
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1b eine
Modifikation der Antriebswelle nach 1 zeigt;
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2 schematisch
einen Schnitt durch den Rührbehälter nach 1 quer zur Antriebswelle zeigt;
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3 schematisch
einen Ausschnitt des Rührbehälters nach 1 zeigt, wobei ein Rührblatt in
Seitenansicht dargestellt ist;
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4 schematisch
eine Ansicht der Antriebswelle zeigt, an der mehrere Rührblätter axial beabstandet
angeordnet sind;
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5 im
Schnitt längs
der Linie 5-5 in 3 eine
Einzelheit eines Rührblattes
zeigt.
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In 1 ist
schematisch ein Rührbehälter 10 dargestellt,
der eine in beliebiger Weise von oben oder unten her angetriebene
vertikale Antriebswelle 12 aufweist. Auf der letzteren
sind in axialen Abständen
Rührorgane 14 angebracht.
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Der Rührbehälter 10 hat an seinem
oberen Ende einen Anschluß 16 für die Zufuhr
des zu behandelnden Gutes, im Bereich seines unteren Endes Anschlüsse 18 für die Zufuhr
eine Behandlungsmittels, zum Beispiel eines Gases, und einen Anschluß 20 für den Abzug
dieses Behandlungsmittels.
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Am unteren Ende des Rührbehälters 10 wird das
behandelte Gut zum Beispiel mittels einer Förderschnecke 22 abgezogen.
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Die zu behandelnden Feststoffe werden
in der Regel kontinuierlich zum Beispiel mittels Schnecken, Zellenradschleusen
oder pneumatisch über den
Anschluß 16 in
den Rührbehälter zugegeben.
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Das Rührgut durchströmt den Rührbehälter 10 aufgrund
der Schwerkraft von oben nach unten, und es wird während dieser
Strömung
zum Beispiel mittels eines heißen
Gases behandelt, was noch erläutert
wird.
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Das Behandlungsergebnis ist optimal,
wenn sich alle Feststoffteilen möglichst
gleich lange Zeit im Rührbehälter aufhalten,
und mit möglichst
gleicher mittlerer Geschwindigkeit über den Querschnitt des Rührbehälters nach
unten strömen.
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Am unteren Ende wird das behandelte
Rührgut
dann kontinuierlich abgezogen.
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In 2 ist
in einem Schnitt quer zur Antriebswelle 12 ein Rührorgan 14 dargestellt,
das aus vorzugsweise zwei in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzten
Rührblättern 24 gebildet
ist. Die Anzahl der Rührblätter 24 der
Rührorgane 14 kann variabel
sein und auch drei oder mehr betragen. Jedes Rührblatt 24 ist, wie
dargestellt, über
seine radiale Länge
gekrümmt
ausgebildet. Vorzugsweise hat das Rührblatt die Form einer logarithmischen
Spirale, welche die Eigenschaft hat, daß die Tangente an jedem Punkt
des Rührblattes
denselben Winkel zur Umfangsrichtung bildet. Dieser Winkel kann
dem Fließverhalten
des jeweiligen Rührgutes
angepaßt werden,
so daß ein
konstanter Fluß des
Rührgutes längs des
Rührblattes
zur Behälterwand
hin erreicht wird.
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Da jedoch die Umfangsgeschwindigkeit
des Rührblattes
proportional mit seinem Durchmesser zunimmt, würde das durch die Rührblätter 24 verdrängte Volumen
bei konstanter Blatthöhe
ebenfalls proportional ansteigen. Um daher ein konstantes verdrängtes Volumen
und somit einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom längs der
Rührblätter 24 zu
erzeugen, wird die Blatthöhe
der Rührblätter 24 mit
zunehmendem Radius geringer ausgebildet. 3 zeigt ein Blatt 24, das an
der Welle 12 angebracht ist. Es hat seine größte Blatthöhe direkt
an der Welle 12 und seine kleinste Blatthöhe an seinem
radial äußeren, der
Behälterwand 26 gegenüber liegenden
Ende 42.
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Die von innen nach außen kontinuierlich
abnehmende Blatthöhe
des Rührblattes 24 folgt,
um einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom zu erreichen, einer
Funktion nach der Gleichung y = c·x–a,
wobei a im Bereich von 0,5 bis 1,0 liegt, und c eine Konstante ist,
die etwa im Bereich von 100 bis 50 000 liegt.
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Die Rührblätter 24 können auch
in anderer Weise, zum Beispiel in Form einer archimedischen Spirale
oder in Form eines Kreisbogens gekrümmt sein.
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Das von jedem der Rührblätter 24 verdrängte Volumen
wird zu gleichen Teilen oberhalb und unterhalb jedes Rührblattes
verteilt. Bei einer Durchströmung
des Rührbehälters 10 von
oben nach unten hat es sich nun als vorteilhaft gezeigt, dem durchströmenden Gut
eine Bewegungskomponente entgegen der allgemeinen Durchströmungsrichtung
zu geben.
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Die Rührblätter 24 sind zu diesem
Zweck in ihrer unteren Hälfte
um einen Winkel α angestellt,
der im Bereich von etwa 2° bis
etwa 30° liegt.
Durch diese Anstellung wird dem den Rührbehälter 10 durchströmenden Gut
eine Bewegungskomponente nach oben erteilt, wodurch eine leichte
Förderung
des Gutes nach oben bewirkt wird. Das zu behandelnde Gut wird somit
bei jedem Durchgang des Rührorganes
etwas angehoben. Außerdem
wird der Anteil des Gutes, das unterhalb des Rührorganes hindurch verdrängt wird,
minimiert. Durch diese beiden Effekte wird eine Rückhaltung
des Gutes im Bereich der Behältermitte
erreicht, und damit die Verweilzeitverteilung weiter eingeengt.
(5)
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Zusätzlich oder an Stelle der vorstehend
beschriebenen Anstellung der Rührblätter 24 kann
die Antriebswelle 12 mit einem Wendelrührer 44 versehen sein,
wie er schematisch in 1 dargestellt
ist.
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Der Wendelrührer 44 ist in der
Art einer Schraubenwendel ausgebildet und fördert im zentralen Bereich
um die Antriebswelle 12 das Rührgut nach oben zur Oberfläche 46 hin,
um einem Kernfluß im
Rührgut
entgegen zu wirken. Der Wendelrührer 44 ist
an der Antriebswelle angebracht und drehfest mit ihr verbunden.
Er kann, wie dargestellt, einstückig ausgebildet
sein und sich im wesentlichen vom Auslaufbereich des Rührbehälters 10 nach
oben bis annähernd
zur Oberfläche 46 des
Rührgutes
erstrecken. Der Wendelrührer 44 kann
aber auch aus einer Mehrzahl von Schneckensegmenten bestehen, wobei
axial zwischen benachbarten Rührorganen 14 ein solches
Segment oder auch mehrere eingebaut und drehfest mit der Welle 12 verbunden
sind.
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4 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Rührbehälter 10 nach 1, wobei auf der Antriebswelle 12 mehrere
Rührblätter 24 in
axialen Abständen über- bzw.
untereinander angeordnet sind.
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Generell können die Rührorgane 14 das zu behandelnde
Rührgut
radial nach außen
oder radial nach innen fördern,
je nach Drehrichtung der Antriebswelle 12, wie in 2 durch den Pfeil 28 angezeigt
ist.
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4 zeigt
nun eine Weiterbildung der Ausführungsform
nach 2.
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Bei dieser Weiterbildung sind jeweils
zwei axial benachbarte Rührblätter 24 in
Umfangsrichtung entgegengesetzt zueinander angestellt, derart, daß das eine
Rührblatt
dieses Paares radial nach außen zur
Behälterwand 26 hin
fördert,
während
das andere Rührblatt
dieses Paares radial nach innen zur Welle 12 hin fördert (Kaskade).
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Durch diese entgegengesetzte Förderrichtungen
wird zwischen den beiden Rührblättern 24 eines
solchen Rührblattpaares
eine etwa elliptische Strömung
erzeugt und eine für
die Gesamtdurchströmung
(Verweilzeitverteilung) vorteilhafte Quervermischung des Rührgutes,
das heißt
der zu behandelnden Feststoffteilen, erzielt.
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Bei den Ausführungsformen nach den 1 und 4 sind die axialen Abstände zwischen
den Rührorganen 14 bzw.
den Rührblättern 24 gleich
ausgebildet. Wie jedoch 1a zeigt,
kann der Abstand A zwischen den beiden zusammenwirkenden Rührorganen 14,
die eine Rührstufe 48 bilden,
geringer sein als der Abstand B zwischen zwei Rührstufen 48. Vorzugsweise
ist B etwa gleich 1,5 × A.
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Zwischen diesen Rührstufen 48 können, wie 4 zeigt, Einbauten 30, 32 vorgesehen
werden, die an der Welle 12 angebracht sind, um die Rührstufen 48 räumlich gegeneinander
zu trennen.
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Die Einbauten 30 sind zum
Beispiel in Form kreisförmiger,
ebener Scheiben ausgebildet, während
die Einbauten 32, in Längsrichtung
der Welle 12 gesehen, ebenfalls z.B. kreisförmig ausgebildet
sind, jedoch einen konischen Querschnitt haben, wobei die axiale
Dicke der Einbauten 32 von innen nach außen abnimmt,
wie 4 zeigt. Der Öffnungswinkel γ des Konus
liegt vorzugsweise im Bereich von 15° bis 45°. Durch einen solchen konischen
Querschnitt der Einbauten lassen sich Ablagerungen von Feststoffteilchen
auf den Einbauten besser vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient allgemein
zur Behandlung von Feststoffströmen,
die in irgendeiner gewünschten
Weise behandelt werden sollen.
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Beispielsweise sollen an den Feststoffpartikeln
anhaftende flüchtige
Komponenten (zum Beispiel Monomere an Polymeren, Extraktionsmittel
an Lebensmitteln, Geruchsstoffe oder dergleichen) abgetrennt werden.
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Zu diesem Zweck wird über die
Anschlüsse 18 in
den Rührbehälter 10 nach 1 ein Gas (zum Beispiel
Luft, Stickstoff oder Wasserdampf) mit einer Temperatur zwischen
etwa 20°C
bis 200°C
eingeblasen, und im Gegenstrom oder Gleichstrom durch die von oben
oder unten in den Rührbehälter 10 eingeführten und
mittels der Rührorgane 14 durchgerührten Feststoffpartikel
hindurchgeführt,
und am oberen Ende des Rührbehälters 10 über den
Anschluß 20 abgezogen.
Bei der Durchströmung
der Feststoffpartikel nimmt dieses Gas die abzutrennende Komponente
auf und trägt
sie oben am Rührbehälter 10 aus.
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Zusätzlich kann ein solches Gas
(also zum Beispiel Luft, Stickstoff oder Wasserdampf) durch geeignete
in der Antriebswelle 12 und in den Rührorganen 14 ausgebildete
Kanäle
in den Rührbehälter 10 eingeblasen
werden, wodurch das Abtrennen der an den Feststoffpartikeln anhaftenden
flüchtigen
Komponenten verbessert und der Wirkungsrad gesteigert werden kann.
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Nach einer anderen Methode können die
den Rührbehälter 10 von
oben nach unten durchströmenden
Feststoffpartikel getrocknet werden, wozu über die Behälterwand Wärme zugeführt wird, wodurch eine flüchtige Komponente
verdampft wird. Die Heiztemperaturen können hierbei ebenfalls bei
etwa 20°C bis
200°C liegen,
und die Drücke
können
etwa 10 mbar bis 1 bar betragen.
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Dieses Trocknen der Feststoffpartikel
kann verbessert werden durch Umwälzung
eines Wärmeträgers oder
eines Kühlmittels
durch die hohl ausgebildete Antriebswelle 12 sowie durch
in den Rührorganen 14 ausgebildete
Kanäle,
die an die hohle Antriebswelle 12 angeschlossen sind.
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1b zeigt
schematisch die für
diesen Zweck modifizierte Antriebswelle 12. Sie ist gebildet aus
einer inneren rohrförmigen
Welle 50 und einer diese konzentrisch umschließenden äußeren rohrförmigen Welle 52.
Zwischen den beiden Wellen ist ein Ringraum 58 gebildet.
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Als Wärmeträger oder als Kühlmittel
eignet sich beispielsweise Wasser, Wärmeträgeröl, Dampf oder Sole. Dieses
Medium wird beispielsweise über den
Ringraum 58 zugeführt,
strömt
dann in einen im Rührorgan
14/24 ausgebildeten ringförmigen
Kanal 54, der mit dem Ringraum 58 in Verbindung
steht, durch das Rührorgan
14/24 hindurch und wird dann über
einen zentralen Kanal 56 zur inneren rohrförmigen Welle 50 zurückgeführt.
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Der innere Kanal 56 ist
konzentrisch innerhalb des äußeren Kanales 54 angeordnet
und selbstverständlich
sind der äußere Kanal 54 und
der innere Kanal 56 zum Beispiel im Bereich des radial äußeren Endes
des Rührorganes
14/24 miteinander verbunden, damit das über den äußeren Kanal 54 zuströmende Medium über den
inneren Kanal 56 zurückströmen kann.
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Die Antriebswelle 12 ist
somit als Doppelwelle ausgebildet, wodurch eine zusätzliche
Wärmefläche oder
Kühlfläche geschaffen
wird. Außerdem
werden die Rührarme
bzw. Rührorgane
14/24 durch das die Kanäle 54, 56 durchströmende Medium
erwärmt oder
gekühlt,
wodurch die Rührarme/Rührorgane 14/24
als zusätzliche
Wärmeflächen oder
Kühlflächen genutzt
werden können.
Da durch die Formgebung der Rührblätter 24 eine
besonders gute Förderung
längs der
Rührblätter erfolgt,
ergibt sich ein sehr intensiver Kontakt zwischen dem Medium und
der wärmeübertragenden
Oberfläche
der Rührblätter 24 und
damit ein verbesserter Wärmeübergang.
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Bei temperaturempfindlichen Produkten kann
unter Vakuum getrocknet werden, um die Verdampfung flüchtiger
Komponenten bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Rührorgan kann ferner auch zum
Mischen mehrerer Feststoffkomponenten verwendet werden.
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Die Verweilzeiten der Feststoffpartikel
im Rührbehälter 10 betragen
bei diesen Behandlungen zweckmäßigerweise
etwa 10 Minuten bis etwa 2 Stunden.
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Das erfindungsgemäße Rührorgan bewirkt eine intensive
radiale Quervermischung in beiden Richtungen, d.h. radial einwärts und
radial auswärts, so
daß eine
Gesamtströmung
entsteht, die einer Kolbenströmung
sehr nahe kommt, d.h. die Feststoffteilchen strömen über den Querschnitt des Rührbehälters mit
im wesentlichen gleicher mittlerer Geschwindigkeit nach unten und
sie halten sich im wesentlichen gleich lange Zeit im Rührbehälter auf.
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Der ungünstige Kernfluß wird auf
diese Weise weitgehend vermieden.