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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Homogenisieren
eines hochviskosen Gemisches, mit der das Gemisch einer intensiven Scheroeanspruchung
unterworfen werden kann. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn in druckempfindliche
Klebstoffzubereitungen auf Kautschukbasis Farbstoffzusätze oder natürlicher oder
synthetischer Latex eingearbeitet und untergemischt werden müssen.
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Mit den bekannten Homogenisatoren ist es nicht möglich, den gewünschten
Dispersionsgrad in einem Durchgang zu erzielen. Vielmehr ist es erforderlich, das
zu homogenisierende Gemisch eine Vorrichtung bei verschiedenen Einstellungen mehrfach
durchlaufen zu lassen oder mehrere Vorrichtungen hintereinander zu schalten. Dies
erfordert einen hohen Investitionsaufwand und ist zeitraubend in der Betriebsweise.
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Es ist eine Vorrichtung zum Zerkleinern bzw.
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Homogenisieren von pastifizierten Masser; und Suspendieren derselben
in Flüssigkeit bekannt, die einen einseitig geschlossenen, perforierten Zylinder
aufweist, dem das Gemisch unter Druck zugeführt wird und der auf seiner Außenseite
von geneigt zur Zylinderachse angeordneten umlaufenden Messern bestrichen wird.
Das dem Inneren des Lochzylinders zugeführte viskose Gemisch tritt durch diesen
in Form von Strängen aus, die durch die umlaufenden Messer an der Außenseite in
kleine Abschnitte unterteilt werden und so ohne weitere Bearbeitung zusammen mit
einem der Außenseite des Zylinders zugeführten Suspensionsmedium die Vorrichtung
verläßt. Auch bei dieser Vorrichtung werden die einzelnen Teilbereiche des viskosen
Gemisches nur einmal bei ihrem Durchgang durch die Homogenisiervorrichtung in Einzelstränge
unterteilt und einer Scherbeanspruchung durch die Messer unterworfen.
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Daher darf das zu verarbeitende Gemisch auch eine bestimmte Viskosität
nicht überschreiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Homogenisieren
hochviskoser Gemische zu schaffen, bei der die Homogenisierwirkung gegenüber den
bekannten Geräten erhöht ist und dazu das zu homogenisierende Gemisch in zahlreiche
kleine Teilmengen aufgeteilt werden kann, die jeweils einer hohen Scherbeanspruchung
ausgesetzt werden und danach wieder vereinigt werden, und mit der diese Vorgänge
wenigstens einmal, vorteilhafterweise mehrmals, wiederholt werden können, um ein
einwandfreies, keine Klumpen mehr enthaltendes homogenes Gemisch in einmaligem Durchgang
zu erhalten.
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Die Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe von einer Vorrichtung
aus, die aus einem von einem Gehäusemantel mit radialem Abstand umgebenen, gelochten,
zylindrischen Stator besteht, in dem ein mit die Innenseite des Stators bestreichenden,
achsparallelen oder schraubenförmigen Schneidorganen besetzter Rotor umläuft und
dem das zu homogenisierende Gemisch von außen durch einen in eine vom Gehäusemantel
und dem Stator eingeschlossene Ringkammer mündenden Gemischeinlaß zugeführt wird.
Gemäß der Erfindung ist eine solche Vorrichtung derart ausgestaltet, daß der Stator
an beiden Stirnseiten geschlossen ist und in der Ringkammer zwischen mit axialem
Abstand voneinander angeordnetem Einlaß und Auslaß für das Gemisch mindestens ein
die Ringkammer axial unterteilender Trennring vorgesehen ist. Durch diese Ausbildung
wird
erreicht, daß das zu homogenisierende Gemisch mehrfach durch den Lochzylinder geführt,
dabei mehrfach unterteilt und der Scherbeanspruchung durch den Schneidrotor unterworfen
wird, um so eine besonders intensive und wiederholte Homogenisierung zu erzielen.
Außerdem ist hierdurch die Verarbeitung sehr hoch viskoser Gemische ermöglicht.
Das durch den Lochstator in einzelne Stränge aufgeteilte und durch die Schneidorgane
unterteilte Gemisch wird nach jedem Durchgang wieder vereinigt und tritt mit geänderter
gegenseitiger Zuordnung der einzelnen Teilmengen des Gemisches erneut durch den
Lochzylinder, wobei es dann ein um das andere Mal zunächst von den Schneidorganen
erfaßt und dann durch den Lochzylinder durch diese gedrückt wird. Eine zweckmäßige
Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß bei Anordnung mehrerer
Trennringe in der Ringkammer der Rotor zwischen je zwei Trennringen eine in axial
unterteilende ringartige Trennscheibe aufweist. Dies hat den Vorteil, daß nach Ausbau
der Zwischenscheibe ein Nacharbeiten der Schneiden der Schneidorgane gut möglich
ist.
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Ist in der Ringkammer in jeder Ebene der Trennscheiben ein Lochring
vorgesehen, so wird der Lochzylinder an dieser Stelle gut abgestützt, die Axialströmung
des Gemisches in der Ringkammer vor dem nächsten Durchtritt durch den Lochzylinder
radial nach innen in den Schneidrotor jedoch nicht gehindert. Durch den Lochring
wird ferner ein vorteilhafter Gegendruck oder Rückstau erzeugt, der zur Wiedervereinigung
der aus dem Lochzylinder austretenden Gemischstränge führt.
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Die Schneidorgane des Rotors sind mit Vorteil in an sich bekannter
Weise radial nachstellbar, um den Verschleiß der Schneidorgane ausgleichen zu können.
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Eine vorteilhafte Durchsatzgeschwindigkeitserhöhung durch die Vorrichtung
läßt sich dadurch erreichen, daß bei schraubenförmiger Ausbildung der zueinander
parallelen Schneidorgane deren Gangrichtung und die Drehrichtung des Rotors derart
aufeinander abgestimmt sind, daß das Gemisch vom Einlaß zum Auslaß gefördert wird.
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Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeichnungen an einem vorteilhaften
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Homogenisiervorrichtung zeigt F i g. 1 im Längsschnitt
und F i g. 2 im Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
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Die Vorrichtung 10 hat ein zylindrisches ortsfestes doppelwandiges
Gehäuse 12 mit einem Außenmantel 14 und einem Innenmantel 16 zwischen den beidseitigen
Stirnwänden 18 und 20. In die zentrale Bohrung 24 des Gehäuses ist unter Bildung
einer konzentrischen Ringkammer 38 ein zylindrischer Einsatz 30 mit einem gelochten
zylindrischen Stator 32 eingepaßt, dessen Löcher 34 nach Größe und Anzahl den Erfordernissen
angepaßt sind, wobei es unter Umständen vorteilhaft sein kann, Größe und Zahl vom
einen Ende des Rotors zum anderen hin fortschreitend zu vergrößern. Für viele Anwendungszwecke
hat sich ein Lochdurchmesser von 2,4 mm und eine Teilung von 4,8 mm als günstig
erwiesen.
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Zwischen dem Stator 32 und dem inneren Gehäusemantel 16 sind mit axialem
Abstand mehrere die zwischen Stator und Gehäuse eingeschlossene Ringkammer 38 unterteilende
Trennringe 36,36 a, 36 b, 36c und 36d vorgesehen. Zwischen ihnen bilden
sich
die Kammern 38 a, 38 b, 38 c und 38 d. Der Trennring 36 b weist zur Rotorachse etwa
parallele Bohrungen 40 auf, um so als Lochring die Kammern 38 b und 38 c miteinander
zu verbinden. Die Kammern 38 a und 38 b sowie die Kammern 38 c und 38 d stehen dagegen
nur über die Löcher 34 des Stators 32 miteinander in Verbindung.
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Im Stator läuft ein mit dessen Innenseite bestreichenden schraubenförmigen
Schneidorganen 42 besetzter Rotor auf einer Welle 44 um, die in Lagern 46 und 48
in den Gehäusedeckeln 50 und 52 gelagert ist. Der Rotor ist geteilt und weist zwischen
den Trennringen 36 a und 36c eine ihn axial unterteilende ringartige Trennscheibe
54 auf, die die Wirkung hat, daß die Strömung in den Nuten zwischen den Schneidorganen
vom einen Rotorteil zum anderen unterbunden ist. Sie lenkt die Strömung vielmehr
durch die Löcher 34 des Stators 32 in die Kammer 38 b.
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Die Schneidorgane 42 können verschieden ausgebildet sein. Sie können
beispielsweise die Form von aus Schnellarbeitsstahl hergestellten Fräsern mit mehreren
geraden oder schraubenlinienförmigen Zähnen haben; sie können aber auch, wie es
nicht dargestellt ist, in an sich bekannter Weise radial nachstellbare Schneid-
oder Messerstücke haben, um ein bequemes Nachschleifen zu ermöglichen und auch bei
Verschleiß ein bündiges Überstreichen der Innenfläche des Stators zu gewährleisten.
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Um einen unerwünschten Temperaturanstieg des Gemisches in der Vorrichtung
zu verhindern, sind das zylindrische Gehäuse 12 und die Deckel 50 und 52 doppelwandig
ausgebildet. Die Kühlkammer60 des Deckels 50 hat einen Kühlwasseranschluß 56.
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Das eingeleitete Kühlwasser tritt durch eine Bohrung 64 in die Kühlkammer
22 des zylindrischen Gehäuses 12 stirnseitig über und von hier an der gegenüberliegenden
Stirnseite durch eine Axialbohrung 66 in die Kühlkammer 62 des Deckels 52 über,
aus der sie über den Anschluß 58 abgelassen wird.
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Der Stator 32 ist mit dem Gehäuse über Stifte 68 drehfest verbunden,
die einerseits in Bohrungen 69 des mit dem Stator verbundenen Trennringes36d und
andererseits in entsprechende Bohrungen des Deckels 52 eingreifen. Die Deckel50
und 52 sind gegenüber dem Gehäuse 12 mittels Dichtungen 70 und 72 abgedichtet. Die
Abdichtung gegenüber der durch den Deckel 50 geführten Antriebswelle erfolgt durch
einen Dichtungsring 74 zwischen der Stirnfläche des Gleitlagers 46 und einer das
Lager übergreifenden Überwurfmutter 76. Außerdem schließen die Mutter76 und ein
auf das Wellenende aufgekeiltes Kupplungsteil 80 eine in radialer Richtung wirkende
Labyrinthdichtung 78 ein. Der Antrieb der Welle erfolgt von einem Motor 82 über
eine auf dessen Welle 83 aufgeschraubte Klauenkupplung 84.
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Zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse ist die Verwendung
eines drehzahlsteuerbaren Antriebsmotors zweckmäßig.
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Das zu homogenisierende Gemisch wird der Vorrichtung über einen Einlaß
90 in die Ringkammer 38 a zugeführt. Mit axialem Abstand vom Einlaß 90 befindet
sich der Auslaß92; zwischen Einlaß und Auslaß befinden sich die Trennringe 36 a
und 36c und der Lochring 36 b. In die Kammer 38 gelangte Fremdkörper können bei
stillstehender Vorrichtung durch einen Gewindestopfen94 auf der Unterseite der Vorrichtung
entfernt werden.
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Die Durchsatzregelung erfolgt im wesentlichen durch die Wahl des
Druckes und der Geschwindigkeit, mit der das Gemisch durch den Einlaß 90 in den
Arbeitsraum der Vorrichtung eingelassen wird.
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Die Gangrichtung der schraubenförmigen Schneidorgane und die Drehrichtung
des Rotors sind derart aufeinander abgestimmt, daß das Gemisch vom Einlaß 90 zum
Auslaß 92 gefördert wird. Die Schneidorgane wirken also als Pumpe. Dies ist insbesondere
dann erforderlich, wenn Gemische von sehr hoher Viskosität zu homogenisieren sind,
der Rotor wirkt dann selbst als Förderorgan innerhalb des Arbeitsraumes.
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Während des Betriebs tritt das in die Kammer 38 a eingelassene Gemisch
durch die Löcher 34 des gelochten Stators 32 hindurch, wird an der Innenwand des
Stators von den Schneidorganen erfaßt, dabei einer Scherbeanspruchung unterworfen
und in die Nuten zwischen den Schneidorganen gedrängt. Das Gemisch strömt dann in
axialer Richtung in Richtung auf die Trennscheibe 54, die die Strömung in radialer
Richtung durch den Lochstator in die Kammer 38 b umlenkt. Nach Aufstau an dem Lochring
36 b tritt das Gemisch dann über in die Kammer 38 c und von dort erneut durch die
Löcher 34 des Lochstators 32 nach Abscherung durch die Schneidorgane 42 in die zwischen
ihnen befindlichen Nuten. Das Gemisch wird durch den Lochstator durch den Trennring
36 c gelenkt. Aus den Nuten zwischen den Schneidorganen 42 wird das Gemisch zuletzt
vom Deckel 52 durch die Löcher 34 des Stators in die Ringkammer 38 d gelenkt, aus
der es durch den Auslaß 92 austritt. Man erkennt, daß das Gemisch wiederholt in
kleine Teilmengen unterteilt und jeweils einer starken Scherbeanspruchung ausgesetzt
und wieder vereinigt wird. Dadurch ist eine intensive Homogenisierung sichergestellt.
Im Bedarfsfall werden Durchsatzgeschwindigkeit des Gemisches, dessen Druck, Zahl
und Größe der Löcher je Flächeneinheit des Lochstators 32, die Drehgeschwindigkeit
der Schneidorgane 42, die Anzahl der Schneidorgane am Umfang des Rotors und/oder
die Zahl der axialen Ringkammern zwischen Gehäuse und Stator aufeinander abgestimmt
Wenn auch die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung nur vier Kammern aufweist,
können durch weitere Anordnung von Trennringen, Lochringen und Trennscheiben weitere
gebildet werden, so daß die Anzahl der Durchtritte des Gemisches durch den Lochstator
und die Anzahl der Scherbeanspruchungen vergrößert ist.
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Beispiel Homogenisierung eines Klebstoffgemisches auf Kautschukbasis,
das sehr leicht zu Klumpenbildung neigt. Das Klebstoffgemisch bestand aus 100 Teilen
Natur-Latex, 50 Teilen Zinkoxyd, 85 Teilen klebenden Harzen und 14,3 Teilen Weichmachern,
Antioxydationsmitteln usw. Es wurde mit einem Toluol-Tolosol-Lösungsmittel bei einer
Temperatur von etwa 280 C auf eine Viskosität von 15000 cP eingestellt. Das Gemisch,
das zu etwa 400/0 aus Feststoffen und etwa 600/0 aus Lösungsmittel bestand, war
stark klumpenhaltig. Vor der Homogenisierung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
betrug bei 280 C die Plastizität, gemessen mit einem Williams-Plastometer, 2, 58
mm. Die zum Homogenisieren verwendete erfindungsgemäße Vorrichtung hatte einen aus
nichtrostendem Stahl gefertigten Lochstator von
75 mm Innendurchmesser
und 305 mm Länge. Der Lochdurchmesser betrug 2,4 mm und die Teilung der reihenweise
gegeneinander versetzten Löcher 4,8 mm. Das Gemisch wurde der Vorrichtung mit einem
Druck von 5,6 atü und einer Durchsatzleistung von 19 1/min zugeführt. Der Stator
hatte vier Frässcheiben mit je 16 Zähnen und einer Länge von etwa 75 mm. Die Antriebsdrehzahl
betrug 2000 UpM. Die Vorrichtung entsprach sonst der in Fig. 1 dargestellten. Der
freie Durchtrittsquerschnitt des Stators innerhalb der einzelnen Kammern, deren
Länge etwa 60mm betrug, war etwa 220/0. Der Außendurchmesser der Ringkammer betrug
etwa 100 mm. Die Abstandsringe hatten eine Dicke von 12,5 mm und waren mit Gleitsitz
in die Gehäusebohrung eingepaßt. Die Trennscheibe 54 hatte eine Dicke von 1,6 mm.
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Das mit einer Temperatur von etwa 650 C austretende Gemisch war völlig
klumpenfrei, besaß eine glatte sahneähnliche Konsistenz und ließ sich gut ausstreichen.
Versuche haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Homogenisierung
von Gemischen mit einer Viskosität bei 280 C zwischen 5 und 50000 cP und einem Feststoffgehalt
zwischen 20 und 42 0/o ermöglicht. Damit ist (ife Homogenisierung auch so hochviskoser
Gemische möglich, die bisher nicht oder nur unter größten Schwierigkeiten homogenisiert
werden konnten.