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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines vlskosen Flüssigkeitsstromes.
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Wuppertal -.-.-.-.-Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung
eines vislosen Flüssigkeitsstromes, wie Mischen und/oder Homogenisieren einer oder
mehrerer viskoser Flüssigkeiten oder Vergrößerung der Anzabl von Schlchten in einem
Flüssigkeitsstrom, wobsi einem sich in axlaler Richtung durch ein Gehäuse bewegenden
Flüssigkeitsstrom mit weitgchend ringförmigem @uerschnitt eine Rotationsbewegung
mit in radialer Richtung zu- oder abnehmender Wlnkelgeschwindigkeit erteilt wird,
Ein solches Verfahren ist u.a. aus der niederländischen Patentanmeldung Nr. 68 09
285 (=deutsche Patentanme P 19 07 928.8) bekannt, Bei dleser bekannten Vorrichtung
werden zwei viskose Polymerströme nebene@nander in Flüasigem Zustand in den Raum
zwischen einer rotierenden Achse und einem stillstehenden Gehäuse geleitet. Als
Folge der Rotation nimmt die Flüssigkeit, die mit dem Rotor in Berilhrung ist, dieselbe
Winkelgeschwindigkeit ein wie der Rotor. Die Flüssigkeitsschicht, die mit dem stillstehenden
Gehäuse in Berührung ist, wird praktisch nicht rotieren, so daß der Fl@ssigkeitsstrom
mit ringförmigem Querschnitt eine in radialer Richtung nach außen allmählich abnehmende
Winkelgeschwindigkeit besitzt. Ausgehend von einem Strom von zwei Polymerschichten,
@ntsteht als Folge des Verlaufus
der wlnkelgeschwindigkit ein Aufwicke@n
oder "Sp@ralisleren" der boiden Schlchten zu einem Flüssigkeitsstrom mit viel mehr
als zwel, @.B. 8 - 20, Schichten. Unter dem Einfluß eines axlaion Druckge@äl@es
wird der sich "spiralisierende" Flüsslgkeitsstrom @n @@ia@er R@chtung zu einer Austragsseite
transportiert, Mit H@@@e der bekannten Mittel kann demnacheine Vergrößerung der
Schichtenzahl eines viskosen Flüssigkeitsstromes erfolgen, wobei die Anzahi der
Schichten durch die Verweilzeit und die W@nkelgeschwindigkeit oder die Tourenzahl
des Rotors bestimmt wlrd. Wenn man damit die Anzah@ der Schichten sehr groß werden
lassen würde, so würde eine gute Mischung der belden @olymeren erfolgen. Würde man
im letzteren Fall anstelle von zwel Polymeren nur ein einziges Polymer oder eine
andere viskose Flüssigkeit der bekannten Vorrichtung zuführen, so würde dle Zunahme
der Schichtenanzahl eine Homogenisierung der betreffenden Flüssigkeit bewirken.
Tatsächlich erfolgt dann eine derartige Mischung oder Homogenisierung in dieser
als Couette-Mlsch@r bekannten Vorrichtung.
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Obwohi mit den bekannten @lttein annchmbare Resultate erzielt w@rd@n
können, hat s@@h doch gezeigt, daß in bestimmten Fällen Nachteile vorhanden s@@d.
@nsbesondere ist dies der Fall, wenn die Flässigkeit tang@@@@ale Verunreinigungen
oder Inhomogenitäten enthält. Namentllch tr@tt bei der Anwendung des bekannten Verfahren
zum Homogenisieren e@ner viskosen Flüssigkeit der Nachteil auf, daß mit tangentialen
Verunre@n@gungen oder Inhomogenitäten wä@rend des "Spirallsierens" oder @ufwicklns
im allgemeinen n@chts passlert, so daß derartige Verunreinigungen @n @hrem ursprüngllchen
vollen @mfang vorhanden bleiben. Weiter hat sich be@ der Anwendung des bekannten
Verfahrens zur Vergrößerung der Sch@chtenanzabl gez@lgt, daß es aus praktischen
Gründen schwierig est, die Anzabl der Schichten sehr groß zu machen.
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Erfindung hat ein Verfahren des eingangs erwähnten Typs zum ziel,
wobei die genannten Nachteile behoben sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom am Ende einer axialen Rotationszone in
einer Umienkzone mit hilfe von Umlenkorganen so behandelt wird, daß stromaufwärts
der Umlenkzone tangential gerichiete Flüssigheitsteile unmittelbar stromabwärts
der Umlenkzone größtenteils eine Richtung einnehmen, in der sie einen deutlichen
\ nkel mit der tangellt ialen Ri Richtung bilden.
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Vorzugswiese wird die Flüssigkeit in der Umlenkzone so behandelt,
daß stromaufwärts der Umlenkzone tangential gerichtete Flüssigkeitsteile unmittelber
stromabwärts der Umlenkzone eine ungefähr radiale Richtung einnehmen.
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Zweckmäßigerweise durchläuft der Flüssigkeitsstrom nach dem Verlassen
der Umlenkzone eine zweite, daran anschließende, axiale Rotationszone, in der die
Flüssigkeit neben der axialen Bewegung auch eine Rotationsbewegung mit in n radialer
Richtung zu-oder abnehmender Winkelgeschwindigkeit ausführt. Vorzugsweise durchläuft
dabei entsprechend der Irfindung der Flüssigkeitsstrom nach Verlassen der zweiten
axialen Rotationszone eine zweite Umlenkzone, in der die Flüssigkeit t mit Hilfe
von Umlenkorganen derart behandelt wird, daß unmittelbar stromaufwärts der zweiten
Umlenkzone tangential gerichtete Flüssigkeitsteile unmittelbar stromabwärts der
Umlenkzone größtenteils eine Richtung einnehmen, die einen deutlichen Winkel mit
der tangentialen Richtung bildet, wobei sie vorzugsweise eine ungefähr radiale Richtung,
einnehmen. Vorzugsweise durchläuft entsprechend der Erfindung der Flüssigkeitsstrom
drei oder mehrere aufeinanderfolgende Zonengruppen, von denen jede- aus der genannten
axialen Rotationszone und der genannten zugehörigen Umlenkzone besteht.
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Optimale Resultate können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt
werden, wenn in jeder Umlenkzone von dem gesamten Flüsslgkeltsatrom alle stromaufwArts
der Umlenkzone tangential gerichteten FlÜssigkeitsteile unmittelbar stromabwärts
der Umlenkzone eine ungefähr radiale Richtung einnehmen.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tangentiale Inhomogenit§-ten
durch die Umlenkorgane in radiale Inhomogenitäten umgewandelt werden, wobei letztere
in der folgenden axialen Rotationszone infolge des "Spiralisierens" sehr stark verteilt
werden, liefert das erfindungsgemäßc Verfahren beim Homogenisieren einer Flüssigkeit
besonders gute Resultate. Weiterhin kann man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren
auf einfache Weise eine sehr große Anzahl von Schichten erreichen, so daß das erfindungsgemäße
Verfahren durch die Schichtenanzahlvergrößerung für die Herstellung von stark geschichteten
Flüssigkeitsströmen oder stark geschichteten Produkten besonders geeignet ist.
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Entsprechend der Erfindung kann in der Umlenkzone die genannte Xnderung
der Richtung der Flüssigkeitsteile elnfach dadurch erreicht werden, daß die Flüssigkeitsteile
in einem Winkel von wenigstens 300 bis 600, jedoch vorzugsweise von etwa 900 oder
einem ungeraden Vielfachen davon, in einer Anzahl über den Umfang des ringförmigen
Querschnitts verteilten Umlenkorganen abgelenkt werden.
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Die Rotationsbewegung des Flüssigkeitsstromes mit in radialer Richtung
zu- oder abneEmender Winkelgeschwindigkeit kann in an sich bekannter Weise einfach
bewerkstelligt werden, indem die Flüssigkeit in einen Raum mit ringförmigem Querschnitt
geleitet wird, der zwischen einem Gehäuse und einer dari angeordneten zentralen
Welle gebildet wird, wobei Gehäuse und Welle relativ zueinander rotieren.
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Vorzugsweise wird die Flüssigkeit unmittelbar an der ersten axialen
Rotationszone zugeführt und unmittelbar nach dem Passieren der letzten Umlenkzone
aus der letzten axialen Rotationszone abgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Flüssigkeiten,
deren dynamische Viskosität mehr als 1 Newton Sekunde pro m2 beträgt.
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Besonders günstige Resultate können mit den erfindungsgemäßen Verfahren
erzielt werden, wenn es dadurch gekennzeichnet ist, daß in einer axialen Rotationszons
über den ringförmigen Querschnitt die Tourenzahl zwischen 0,5 und 50 bis 20O Umdrehungen
pro Minute zu- oder abnimmt. Die Verweilzeit der Flüssigkeit in einer axialen Rotationszone
beträgt worzugsweise ungefähr drei bis zehn Sekunden.
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Die Erfindung umfaßt gleichfalls eine Vorrichtung zur usCührung der
genannten Verfahren, wobei die Vorrichtung einen als Gehäuse dienenden Mantel mit
einer darin angeordneten zentralen Welle und einen Antrieb zum Erzeugen einer Rotationsbewegung
von Welle und Mantel relativ zueinander aufweist, wobei zwischen der Welle und Mantel
eine axiale Rotationszone mit ringförmigem Querschnitt für die zu behandelnde Flüssigkeit
vorhanden ist und wobei die axiale Rotationszone mit einem Flüssigkeitseinlaß versehen
ist.
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Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß an
dem Ende einer ersten axialen Rotationszone eine erste Zwischenwand in dem ringförmigen
Querschnitt angeordnet ist, wobei in der Zwischenwand eine Anzahl von Umlenkorganen
angebrachtist.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß sich unmittelbar hinter der ersten Zwischenwand eine zweite axiale Rotationszone
mit ringförmigem Querschnitt
anschließt. Bevorzugt ist dann am Ende
der zweiten axialen Rotationszone eine zweite mit Umlenkorganen versehene Zwischenwand
mit ringförmigem Querschnitt vorhanden.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä.ßen Vorrichtung ist
dadurch gekennzsichnet, daß drei oder mehr aufeinanderfolgende Gruppen angeordnet
sind, von denen jede aus der genannten axialen Rotationszone und der genannten,
mit Umlenkorganen versehenen Zwischenwand besteht.
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Eine besonders zweckmäßige AusfÜhrung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenk@rgane von vorwiegend spiral- odr schraubenförmigen
Leitorganen gebildet werden deren Schraube über einen Winkel von wenigstens 300
- 600, jedoch vorzugsweise von etwa 900 oder einem ungeraden Vielfachen davon, verläuft.
Dabei it>t jedes der spiral- oder schraubenförmigen Leitorgane in einer axialen
Bohrung in der Zwischenwand angeordnet.
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Insbesondere kann entsprechend der Erfindung jede Zwischenwand zwei
oder mehr, vorzugswaise 5 bis 15 Umlenkorgane enthalten.
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Die Erfindung umfaßt weiterhin die Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei einem aus einem Gehäuse und einer darin drehbar angeordneten Schnecke
bestehenden Extruder, wobei die erfindungsgemäße Vorrlchtung innerhalb des Extruders
angeordnet oder an diesen angekoppelt ist. Vorzugsweise kann dabei durch den Einbau
einer oder mehrerer mit Umlenkorganen versehener Zwischenwände in den Ringraum zwischen
Extrudergehäuse und Antriebswelle für die Schnecke die beabsichtigte Wlrkung erzielt
werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Mischers liegt in der Möglichkeit,
die Schubspannung in den zu mischenden oder zu
homogenisierenden
Flüssigkeiten exakt an den £ur die betreffen den Flüssigkeiten günstigsten Wert
anzupassen. Diese Schubspannung muß manchmal einen bestimmten Wert überschreiten,
da zum Verformen der Komponenten bestimmte Widerstände überwunden werden müssen.
Diese Widerstände können mancherlei Art sein.
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Beispielsweise können sie sich auf den Zusammenhalt von Teilcnen
beziehen, die zerkleinert werden müssen, um eine gute Verteilung dieser Teilchen
über den gesamten Flüssigkeitsstrom zu ermöglichen. Auch können Grenzflächenspannungen
zwischen den zu mischenden Komponenten einen Widerstand gegen Verformung darstellen
und damit eine Behinderung der Mischwirkung erzeugen.
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Die Schubspannung wird bestimmt nach der Formel # = #1 . R1, hierin
bedeuten 7 = Schubspannung in dem betr. Flüssigkeitsteilchen = Viskosität des betr.
Flüssigkeitsteilchens. Diese Viskosi-1 tät hängt bei den sogenannten Nicht-Newtonschen
Flüssigkeiten von der Schubspannung ab.
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R = Schergeschwindigkeitsgradient an Ort und Stelle.
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Für R gilt:
Hierin bedeuten: (vergleiche Fig. 1) r Radius des Gehäuses 1 #2 ° Radius der Welle
2 N - Anzahl Umdrehungen pro Sekunde der Welle 2.
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Wählt man z.B. für: N - 2 Umdrehungen pro Sekunde - = 55 mm r2 -
50 mm, dann wird R = 2 # # 50 # 2 = 126 sec -1 55 - 50 Angenommen, die Viskosität
beträgt 100 Nsec/m2, dann ist # = 100 # 126 = 12600 N/m2.
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Nimmt man dagegen: N - 1 Umdrehungen pro Sekunde #1 = 30 mm r2 -
20 mm, dann wird R - 2 # # 20 # 1 - 12,6 sec-1 30 - 20 Mit derselben Viskosität
würde die Schubspannung in der Flüssigkeit dann nur 108 von der im ersten Beispiel
betragen. Ein zusätzlicher Vorteil ist noch, daß, je größer #@, gegenüber #@, -2
ist, in den Räumen 3, in denen das "Spiralisieren" der Flüssigkeitskomponenten erfolgt,
ein homogeneres Schubspannungsfeld herrscht. Dadurch braucht die Schubspannung in
dem Mischer nirgends viel größer zu sein als das für das Mischen geforderte Minimum.
Dadurch kann der Energieverbrauch des Mischers auf ein Minimum begrenzt werden.
Da der Energieverbrauch in Form von Wärme in der Flüssigkeit aufgebracht wird, ist
ein niedriger Energieverbrauch vor allem dort für die Mischarbeit wichtig, wo die
Temperatur der Flüssigkeit bestimmte Grenzen nicht dberschreiten darf.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung
näher erläutert. Darin ist
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Längsschnitt; Fig 2 ein Querschnitt längs der Linie II-II in Fig.
1; Fig. 3 die schematische Darstellung eines Umlenkorgans in größerem Maßstab; Fig.
4, 5 und 6 dienen zur Illustration der Schichtenanzahlvervielfältigung mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens und Vorrichtung.
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Fig; 1 zeigt im Längsschnitt sehr schematisch eine Vorrichtung zur
Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei ist in dem als Mantel dienenden,
fest angeordneten Gehäuse 1 eine mit einem nicht gezeichneten Antrieb versehene
zentrale Welle 2 angebracht. Zwischen der Welle 2 und dem Gehäuse 1 ist ein Raum
3 mit ringförmigem Querschnitt vorhanden. Die Vorrichtung ist mit einem Einlaß 4
und einem Auslaß 5 für das zu behandelnde Flüssigkeit versehen. Der ringförmige
Raum 3 innerhalb der Vorrichtung ist durch zwei Zwischenwände 6 und 7 in drei axiale
Rotationszonen lA, 2A und 3A aufgeteilt. Die Zwischenwände 6 und 7 bilden für sich
Umlenkzonen IB bzw. 2B und sind jede mit zwölf Umlenkorganen 8 versehen, die jedes
in der Hauptsache aus Bohrungen 9 mit in den Zwischenwänden angeordneten spiral-
oder schraubenförmigen Leitorganen (siehe Fig. 2 und 3) bestehen. Das in Fig. 3
dargestellte Leitorgan 8 besteht aus einem spiralig verdrillten Bandabschnitt, welcher
in seinen äußeren Formen der (gestrichelt dargestellten) Bohrung angepaßt ist. Die
Bohrungen 9 sind hier als öffnungen kreisförmigen Querschnitts dargestellt.
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Sie können aber auch anders, z.B. quadratisch oder rechteckig profilierte
öffnungen sein.
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Während des Betriebes wird die zu behandelnde hochviskose Fldsssgkeit
in
Richtung des Pfeiles 10 durch den Einlaß 4 in die erste axiale Rotationszone lA
geleitet. Die Vergrößerung der Schichtenanzahl wird anhand der Fig. 4, 5 und 6 erläutert,
die im Querschnitt längs der Linien IV-IV, V-V und VI-VI schematisch zeigen, was
nacheinander mit den Flüssigkeitsschichten passiert. In Fig.
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4 ist eine einzelne radiale Schicht 11 der viskosen Flüssigkeit direkt
nach dem Eintritt in die erste axiale Rotationszone lA gezeichnet. Infolge des Unterschiedes
in der Winkelgeschwindigkeit zwischen der rotierenden Welle 2 und dem feststehenden
Gehäuse 1 bleibt die hochviskose Flüssigkeit bei Punkt 12 in derselben Position,
während die Flüssigkeit in Punkt 13 mit der Achse 2 mit dreht, so daß die ursprüngliche
radiale Schicht 11 aufgewickelt wird oder "spiralislert" zu der in Fig. 5 gezeigten
spiralförmigen Schicht 14, die die Situation unmittelbar stromaufwärts der Zwischenwand
6 bei der Linie V-V wiedergibt. Anstelle einer einzelnen radialen Schicht 11 sind
also am Ende der ersten axialen Rotationszone über den größten Teil des Querschnitts
drei quasi tangentiale Flüssigkeitsschichten entstanden. Unter dem Einfluß des Druckunterschiedes
zwischen dem Einlaß 4 und dem Auslaß 5 wird der so geschichtete Flüssigkeitsstrom
am Ende der axialen Rotationszone lA durch die daran anschließende Umlenkzone lB
gedrückt, wobel an jedem der Umlenkorgane 8 die drei tangentialen Flüssigkeitsschichten
um 90° gedreht werden, so daß unmittelbar stromabwärts der Umkehrzone IB (Fig. 6,
Querschnitt VI-VI),also am Ausgang jedes Umlenkorgans 8, drei radiale Schichten
entstehen. Da im Ausführungsbeispiel insgesamt zwölf Umlenkorgane vorhanden sind,
sind unmittelbar stromabwArts der Umlenkzone lB insgesamt bereits 12 x 3 s 36 radiale
Schichten vorhanden.
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In der zweiten axialen Rotationszone 2A wird jede der zu Beginn der
Zone 2 vorhandenen radialen Schichten wieder in drei tangentiale Schichten umgewandelt,
vorausgesetzt, daß die Zone 2A die selben Abmessungen hat wie die Zone lA. Dadurch
werden am Ende
der Zone 2A insgesamt 3 x 36 = 108 tangentiale Flüssigkeits-Schichten
vorhanden sein. Jedes der zwölf Umlenkorgane 8 in der zweiten Umlenkzone 2B dreht
diese 108 tangentialen Schichten um 900, so daß unmittelbar stromabwärts der Umlenkzone
2B, also am Beginn der dritten axialen Rotationszone 3A, insgesamt 108 x 12 = 1296
radiale Flüssigkeitsschichten vorhanden sind. Wenn die dritte axiale Rotationszone
3A dieselben Abmessungen besitzt wie die vorhergehenden Zonen lA und 2A, dann werden
am Ende der axialen Rotationszone 3A insgesamt 3 x 1296 " 3888 tangentiale Schichten
vorhanden sein.
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Per Schichtenanzahlvervielfältigungsfaktor am Ende der n-ten Grup.pe
aus axialer Rotationszone und Umlenkzone kann wahlweise eingestellt werden und wird
faktisch bestimmt nach der Formel Z = (k # N # tA)n, worin bedeuten: Z " Schichtenanzahlvervielfältigungsfaktor
der gesamten Vorrichtung k = Anzahl Umlenkorgane pro Umlenkzone (lB, 2B usw.) N
- Anzahl Umdrehungen der Welle 2 pro Sekunde tA mittlere Verweilzeit in der axialen
Rotationszone (lA, 2A, 3A usw.) in Sekunden n a Anzahl der Gruppen aus axialen Rotationszonen
(lA, 2A, 3A usw.) und Umlenkzonen (lB, 2B, 3B usw.) Wählt man z.B.
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k = 10 Umlenkorgane pro Zwischenwand oder Umlenkzone N W 2 Umdrehungen
pro Sekunde tA = 5 Sekunden n S 5 komplette Gruppen
dann wird der
Schichtenvervielfältigungsfaktor Z 3 (10.2.5)5 = 1005 = 1010, so daß am Ende einer
solchen Vorrichtung 1010 mal soviel Schichten vorhanden sind. Die beschriebene Vergrößerung
der Schichtenanzahl stellt faktisch gleichermaßen eine große Mischwirkung wie eine
gute homogenisierende Wirkung dar.
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Die gleiche Vergrößerung der Schichtenanzahl und damit gleiche Mischwirkung
wie im letztgenannten Beispiel kann auch mit einer anderen Wahl der genannten Größen
ereicht werden, beispielsweise mit k - 20 Umlenkorgane pro Umlenkzone N " 1 Umdrehung/Sekunde
tA - O,5 Sekunden n = 10 komplette Gruppen, wobei gleichfalls Z = (20.1.0,5)10 =
1010 wird.
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Bei einer entsprechenden Wahl von k und n ist der Mischer entsprechend
der Erfindung besonders zum Einbau in oder zur direkten Kopplung an einen Extruder
geeignet. Ganz allgemeln läßt er sich jedoch überall dort einsetzen, wo höherviskose
Flüssigkeiten gemischt und/oder homogenisiert werden müssen.
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Schaltet man der letzten Umlenkzone noch eine einzelne axiale Rotationszone
nach, so erhöht sich der Schichtenvervielfältigungsfaktor Z um den Faktor (N e tA)