DE1802959A1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen von Fluiden mit einem hochtourigen Ruehrer - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierhohen Mischen von Pluiden mit einem hochzourigen Rührer.
• Die Erfindung besieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von gleichmäßigen homogenen Mischungen.
• Naoh einer besonderen Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines kontinuierlichen Mischvorganges zur Gewinnung von homogen dispergierten Gemischen, aus welchen dann anschließend feste Lösuzngen oder Verbindungen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen und unter ilderen Reaktionsbedimgungen gewonnen werden können als es bei der Herstellung der gleichen Phasen nach konventionellen Verrahren und in bekannten Vorrichtungen möglich ist, so daß mit der Vorrichtung der Erfindung homogenere und feinteiligere Produkte erhalten werden können.
• In Vielen Fällen ist es erwünscht, zwei ode mehr Flüssigkeiten oder Gase miternander zu vermischen, um kontinuierlich Niederschläge ode Mischniederschläge zu bilden, welche sehr reaktionsfähige Pulverergeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermäglicht num die Gewinnung von feinteiligen innig gemischten Oxydpulvern, welche wesentlich bessere Eigenschaften als mit anderen Vorrichtungen hergestellte Pulver der gleichen Zusammensetzung haben. Diese innig gemischten Pulver sintern bei nied rigeren Temperaturen zu hoher Dichet, bilden bei niedrigeren Temperaturen feste Lösungen und ergeben bein Sintern unter relativ milden Bedingungen feste keramische Körper. Die nachstehend beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise zum innigen Nischen von Vorprodukten für feinnteilige Oxyde wie beispielsweise gefällten Oxydhydraten oder Carbonaten verwendet werden. D1e erhaltenen Produkte können dann durch weitere Behandlung in die gewünschten Pulver, Hydrogele, Gele oder Sole überführt werden.
• In Mehkomponentensystemen hängt die Reaktion zwischen zwei oder mehr anorganischen Oxyden in fester Zustand in erster Linie vom Diffusionsweg und dem damin verbundenen Massentransport ab. Je inniger und homogener die verschiedenen Oxyde vermischt werden, desto kUrzer ist der Diffusionsweg. Es ist einleuchtend, daß die Bildung fester Lösung bei kleinen innig gemischten Oxyden kinetisch begünstigt wird. Mit der erfindungsge i'ißen Vorrichtung können aus mehreren Komponenten bestehende Oxydsysteme innig gemischt werden, so daß Pro dukte erhalten werden, welche leicht in den Zustand feste Lösungen übergehen.
• Das übliche Verfahren zur Herstellung von Mischungen dieser Art besteht in einem physikalischen Vermischen und Zerkleinern der einzelnen Oxyde. Dieses Verfahren ist jedoch kaum geeignet, eine Submikrohomogenität zu erzielen.
• Im Gegensatz dazu können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei FEllungs- und Mischfällungsreaktionen gleichmäßige innig gemischte Vorprodukte von äußerster Homogenität erhalten werden.
• Dies wird dadurch erreicht, daß man die Komponenten mit hoher Geschwindigkeit in einen MIschraum einftihrt, wo sie voll den Flügeln eines hochtourig - beispielsweise mit ei ner Geschwindigkeit von 3000 bis 16000 U/Min. - laufenden RUhrers erfaßt werden. Nach Eintritt in den Mischraum werden die Komponenten innerhalb weniger Millisekunden gründlich durchgemischt. Dies beruht auf der Zusammenwirkung der starken Rührbewegung mit der linearen Geschwindigkeit der in den Mischraum eintretenden Komponenten. Die lineare Geschwindigkeit wird durch geeignete Kombination von Druck und Weite der Düsenöffnung, durch welche die Komponenten eingeflihrt werden, im Bereich von 152 bis 1525 Meter Je Minute gehalten. Als Produkt wird ein gleichmäßiges, äußerst reines, homogenes, feinteiliges Gemimsch erhalten.
• Mit der Erfindung wird demzufolge eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen von mehreren Fluiden, dh.
• Flüssigkeiten oder Gasen, vorgeschlagen, welche aus einem im wesentlichen geschlossenen zylindrischen Misch gefäß, einem hoehtourigen Antriebsmotor mit einer in das MIschgefäß verlauffenden Welle und Rühelementen an dem innerhalb des Mischgefäßes befindlichen Teil der Welle, mehreren in das Mischgefäß mündenden Düsen, Vorrichtungen zum dosierten Zuführen von Fluiden zu den DUsen und einer Abzugsöfftung zum Abziehen des Mischproduktes" alls dem Mischgefäß besteht. Vorzugsweise ist das Mischgefäß mit einen: Heiz- oder Kühlmantel umkleidet. Die zugeführten Komponenten werden aus den DUsen in den Mischraum gedrückt, in welchem eine äußerst schnelle intensive Durchmischung innerhalb sehr kurzer Zeit ststtfindet, so daß örtliche Konzentrationsschwankungen während des Fällungsvorganges in der Vorrichtung vermieden werden.
• Eine zuaätzliche Mischwirkung kann dadurch erzielt werden, daß man in einem vom ersten Mischraum entfernten Reaktiomsabschnitt des Mischgefäßes, wo eine oder mehrere Komponeneten ziemlich viskos sind und eine starke Soherwirkung erwünscht ist, Ablenk- oder Mischelemente anordnet.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten schematischen Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nöher erlautert.
• Die dargestellte Vorrichtung umfaßt einen allgemein sylindrischen Mischraum, in welchen EinspritzdUsen 13,14 und 16 münden. Das zu vermisohende Material wird den EinspritadUsen aus Vorratsbehältern 10 durch geeignete Doslerputpen 11 (bei flüssigem Material) und anschließend durch Strömungsmesser 12 zugeführt. Auz einem Vorratsbehält er 23 wird ein gasförmiges Material ebenfalls duroh einen Strömungsmesser 12 der Einspritzdüse 16 geführt.
• Die in den MIschraum gelangenden Komponenten werden von den Flügeln eines hochtourigen Rührers 18 an einer Welle 15 erfaßt und innig gemischt. Die Welle verläuft durch eine wurde 19 aus Polytetrafluoräthylen und wird durch einen Motor oder einen sonstigen hochtourigen Antriebsmechanismus 21 angetrieben. Ein Reaktionsabechnitt des Mischge fäßes ist mt einem Abflußrohr 22 versehen. Gegebenenfalls kann das Produkt durch einen Schlauch 23 in einen Produktbehälter 24 geleitet werden. Die Vorrichtung kann durch einen Heiz- und Kühlmantel mit einer Zuflußöffnung 26 und einer Abflußöffnung 27 beheizt oder gekühlt werden.
• Bei Benutzung der Vorrichtung werden eine oder mehrere flüssige bzw. gasförmige Komponenten durch die Einspritzdüsen 13,14 und 16 eingeführt. Aufgrund de Anordnung der D*en und der starken Rührwirkung werden die Komponenten in der Vorrichtung schnell vermischt. Die Komponenten wer den dem Misohraum kontinuierlich zugeführt und das Mischprodukt wird kontinuierlich durch das Abf lußrohr 22 abgesogen.
• Die Vorrichtung ist insbesondere für kontinulierliche Fällungs- und Mischfällungreaktionen geeignet. Die zu vermischenden Komponeneten können dabei aus Lösung, Suspensionen, Gasen oder Kombinationen derselben bestehen.
• Bei einer typischen Reaktion werden beispielsweise zwei Lösungen von Vorprodukten des herzustellenden Produktes zum Ausfällen mit gasförmigem Ammoniak vermischt. Die Um setzung erfolgt dabei sehr schnell, weil der Mischer mit Geschwindigkeiten zwischen 2000 und 16000 U/Min. arbeitet.
• Die RUhrflUgel an der Mischwelle sind so konstruiert, daß sie bei diesen homogenen Fällungsreaktionem eine starke Turbulerg und starke Scherwirkung erzeugen. Die dargestelle Vorrichtung weist nur drei ZufUhrleitungen und Einspritzdüsen 13, 14 und 16 auf, Jedoch können beliebig viele Leitungen und DUsen zus Speisen des Mmischraumes benutzt werden.
• Die DUsen können gegebenenfalls verengte Öffnungen haben, 80 daß die Flüssigkeiten bzw. Gase unter Druck direkt in die schnellaufenden Rotorflügel gespritzt oder geblasen werden. Bei der dargestellten Vorrichtung wird das zu vermischende Materie von unten in den Mischraum eingeführt, jedoch kann die Zufuhr in den Mischraum gegebenenfalls auch von den Seiten her erfolgen. Im Miscnraus 17 können alle pumpfähigen Flüssigkeiten gemischt werden. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung fur # Fällungsreaktionen, in welchen Oxydvorprodukte unter Verendung von gasförmigen Ammoniak oder Kohlendioxyd ausgefällt werden. In diesem Fall kann daß Gas direkt durch die DUse 16 aus dem Vorratsbehälter 23 eingeblasen werden.
• Die in der Zeichnung veranschauliche Vorrichtung stellt nur eine besondere Ausführungsform der Erfindung dar, welche je nach Bedarf abgewandelt oder anders angeordnet werden kann.
• Im tolgenden werden einige Beispiele für in der erfin-Dungsgemäßen vorrichtung durchführbare Mischvorgänge bzw.
• Fällungsreaktionen gegeben.
• Beispiel 1 Zur Herstellung eines Zinkorthosilikat-Leuchtstoffes wurden eine Natriumsilikat-Natri umhydroxyd-Lösung und eine Zinksulfat-Mangansulfat-Lösung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermischt. Das Natriumsilikat wurde als Wsung mit einem SiO2-Gehalt von 28% und einem Na2O-Gehalt von 8,7% zugeführt. Die beiden Lösungen waren wie folgt zusammengesetzt: Lösung A: 4860 g Natriumsilikatlösung 2890 g NaOH 18990 g entionisiertes Wasser Lösung B: 12770 g ZnSO4#7H2O 77,1 g MnSO4#H2O 14000 g entionisiertes Wasser.
• Die Lösungen wurden durch die Einspritzdüsen in den Mischer eingeführt und die Rührflügel mit 3500 U/Min. gedreht. Die Lösung A wurde durch eine DosierverdrUngerpumpe mit einer geschwindigkeit von 100 ml/Min. und die Lösung B durch eine andere Pumpe mit einer Geschwindigkeit von 114 ml/Min. zugeführt. Das aus dem Abflußrohr abgezogene Mischprodukt hatte einen pH-Wert von 7,6. Die Aufschlämmung aus dem Reaktor wurde auf einen: Filter entwässert und mit Gebläseluft bei 150°C getrocknet. Das getrocknete Pulver wurde dann mit entionisiertem Wasser, welches mit Ammoniak auf einen pH-Wert von 8,5 bis 9,0 eingestellt war, so lange gewaschen bis mit BaCl2-Lösung kein Sulfat mehr nachgewiesen werden konnte. Die entwässerte Aufschlämmung wurde in Luft bei 150°C vorgetrocknet. Das erhaltene Pulver wurde dann 90 Minuten bei 955°C in Luft zu einem wei0en Pulver kalziniert, welches unter einer Quecksilberlampe leuchtend grün fluoreszierte und ein klares Röntgenbeugungsbild rur Zinkorthosilikat (Willesit) zeigte. Normalerweise sind zur Entwicklung der Willemit-Phase und der Fluoresens Kalrinierungstemperaturen von 1095 bis 1315°C erforderlich.
• Beispiel 2 Zur Veranschaulichnung der wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für homogene Fällungsreaktionen wurde ein Versuch durchgeführt, bei welchem eine wässrige Chiridlösung mit einem als Oxyd ausgedruckten Feststoffgehalt von 6,5 Gew.% ünd einem Ti/Zr-Molvelhältnis von 1,00 mit einer 4m NH4OH-Lösung umgesetzt wurde. Die Chloridlösung wurde durch eine Dosierpumpe mit einer Geschwindigkeit von 240 ml/Min. und die NH2OH-Lösung durch eine zweite Düse ist einer Geschwindigkeit von 120 ml/Min. zugeführt. Das aus der Abflußöffnung abge zogene Mischprodukt hatte einen pH-Wert von 4,5. Die Mischflügel wurden während der Umsetzung mit 3500 U/Min.
• gedreht. Anschließend wurde die erhaltene Aufschlämmung Über Nacht bei 40 bis 500C mit einen pH-Wert von 8,0 gealtert. Die Chloridverunreinigungen wurden durch Waschen und Filtrieren entfernt. Der nasse Filterkuchen wurde in einem Umluftofen bei 120°C getrocknet, mit Wasser durch 0,177-bis 0,044mm-Siebe (80-325 mesh screens) gesiebt, getrocknet und bei verschiedenen Temperaturen kalziniert.
• Ein Röntgenbeugungsbild für ZrTiO4 wurde bereits bei 7000C erhalten. Entsprechende Ergebnisse wurden unter Anwendung bekannter Vorrichtungen erst nach einem Erhitzen auf mindestens 1000°C ersielt. Das Produkt hatte eine innere Oberfläche nach der Brunauer-Emmett-Teller-Methode von 50 m2/g, eine scheinbare Paokdiohte von 0,93 g/cm³ und ein Wasserporenvolumen von 0,44 cm³/g. Die Teilchen bildeten einen ausgezeichneten Fließbettkatalysatorträger und ließen eich leicht nttt verschiedenen katalytischen Komponenten imprügnieren.
• Beispiel 3 Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vermischen von Oxydhydraten bei der Herstellung von Zeolithen konnte anhand der Herstellung eines Vorproduktes unter Anwendung des KomponentenverhXltnisses 20 Na2O: A1203 : 10 8i02 s 800 H2O O gezeigt werden. Die folgenden beiden Lösungen wurden miteinander vermischt: Lösung A: 1000 g Natriumsilikat-pentahydrat 381 g NaOH-Plätzchen 946 g entionisiertes Wasser Lösung Bs 360,8 g Al(NO3)#9H2O 3388,0 g entionisiertes Wasser.
• Die Lösungen wurden mit einer Temperatur von 980C und einer Geschwindigkeit von 350 ml/Min. in die Anlage gepumpt. Das abfließende Mischprodukt bestand aus einer mäßig viskosen Auf schlämmung mit einer Temperatur von etwa 97°C. Dieses Produkt wurde in einem Polypropylen behälter 4,5 Stunden lang einer hydrothermischen Behandlung bei 1000C unterworfen, filtriert, mehrmals gewaschen und schließlich getrocknet Das so erhaltene Produkt wurde mit einem auf Ublichem Wege durch einfaches Vermischen hergestellten entsprechenden Produkt verglichen.
• Nach dem Waschen und Trocknen wurde von beiden Produkten ein Röntgendiagramm angefertigt und die innere Oberfläche bestimmt. Die nach dem üblichen Verfahren hergestellte Probe zeigte ein schwaches Beugungsbild für Zeolith vom Y und eine innere Oberfläche von nur 203 m²/g. Dagegen wies die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte Probe ein gut entwickeltes Beugungabild für Zeolith vom Typ Y und eine innere Oberfläche von 759 auf.
• Hieraus sehen deutlich die Vorteile der efindgungdgemäßen Vorrichtung zum kontinuierlichen homogenen Ausfällen von Vorprodukten für die Zeolithherstellung hervor. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Vorprodukte lassen sich leiahter in einen Zeolith mit großer innerer Oberfläche überführen als auf üblichem Wege hergestellte Vorprodukte.

Claims (11)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zu. kontinuierlichen MIschen von mehreren Fluiden, bei welchem an die Fluide durch Düsen in ein zylindrisches Mischgefäß eindosiert und das Mischprodukt aus dem Gefäß abzieht, dadurch gekennzeichnet, daß man im Mischgefäß im Mischgefäß einen Rührer mit einer Geschwindigkeit von über 2000 Umdrehungen je Minute rotieren läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die dosierten Fluide unter Druck in das Gefäß einführt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die RUhrerwelle rarit einer Geschwindigkeit von 3000 bis 10 000 Umdrehungen 3e Minute rotieren läßt.

4. Verfahren nach den Anspruchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als man Fluide Flüssigkeiten und ein Gas durch getrennte DUsen einführt.

5. Verfahren nach den AnsprUchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fluide mit einer Geschwindigkeit von 152 bis 1525 Metern Je Minute in das Gefäßeinführt.

6. Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen von mehreren Fluiden nach eine Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 mit eine im wesentlichen geschlossenen zylindrischen Mischgefäß, mehreren in das Gefäß mündenden Düsen, Vorrichtungen zum dosierten Zufuhren der Fluide zu den DUsen und einer Abzugsöffnung zum Abziehen des Mischproduktes aus dem Gefäß, gekennzeichnet durch einen hochtourigen Antriebsmotor (21) mit einer in das Mischgefäß hineinreichenden Welle (15) und Rührelementen (18)an dem innerhalb des Gefäßes befindlichen Teil der Welle.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührelemente (18) horizontal an dem innerhalb des Mischgefäßes befindlichen Teil der Welle befestigt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennseichnet, daß weitere RUhreleiente in eine Reaktionsraumabschnitt des Mischgefäßes angeordnet sind

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das die DUsen (13,14,16) aus im Boden des Mischgefäßes angeordneten Druckdüsen bestehen.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgefäß mit einem Heiz-oder Kühlmantel umkleidet ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (21) zum Drehen der Rührerwelle mit einer Geschwindigkeit von Uber 2000 Umdrehungen je Minute eingerichtet ist, L e e r s e i t e