DE2633288A1

DE2633288A1 - Verfahren und vorrichtung zum homogenisieren von fluessigen emulsionen und dispersionen

Info

Publication number: DE2633288A1
Application number: DE19762633288
Authority: DE
Inventors: Lancelot Harry Rees
Original assignee: GAULIN CORP
Current assignee: GAULIN CORP
Priority date: 1975-07-23
Filing date: 1976-07-23
Publication date: 1977-02-17
Also published as: SE7608371L; NL7608187A; DK333976A; US4081863A; JPS5214963A

Description

U.Z.i 5121

PATENTANWÄLTE Λ £ O O O O Q

DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

GAULIN CORPORATION
Garden Street, Everett, Massachusetts 02149 / USA

Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren von flüssigen Emulsionen und Dispersionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren von flüssigen Emulsionen und Dispersionen durch Einführen des Fluids unter Druck in ein Homogenisierungsventil, welches eine äomogenlsierungsöffnung aufweist.

Auf dem Gebiet der Standardhomogenisierung, auf dem hoher

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Druck im Bereich von 35 kg/cm und etwa 840 kg/cm die Energiequelle darstellt, zum Unterschied von Kolloid-Mühlen und mithoher Geschwindigkeit arbeitenden Mischern, in denen kein nennenswerter Druck angewendet wird, treten bestimmte Probleme auf. Ein solches Problem ist die Erscheinung der radialen Divergenz einer Fluidströmung. Diese beruht zum Teil auf der Tatsache, daß alle üblichen Homogenisierungsventile gleich welcher Art einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und einen inneren Durchmesser von einer vorbestimmten Größe und einen äußeren Durchmesser von einer darüberliegenden Größe besitzen.

ORIGINAL INSPECTED^

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Typische Standardventile dieser Art finden sich dargestellt und beschrieben in den US-Patentschriften 2 137 854, 2 242 809, 2 304 689, 2 504 678 und 2 882 025.

Das Fluidmaterial wird unter Druck durch ein Loch in einem Ventilsitzelement zugeführt. Die Strömung wird durch ein dazu passendes Ventilglied mit einer Oberflächejparallel zu der des Ventilsitzes eingeschnürt. Das unter Druck stehende Fluid strömt von dem Loch, das allgemein als der Innenöffnungsdurchmesser bezeichnet wird, nach außen und prallt gegen einen Prallring, der den äußeren größeren Durchmesser der Öffnung umgibt. Hierbei findet eine radiale Divergenz oder Aufspreizung der Strömung statt. Diese radiale Divergenz dieser Strömung erzeugt Erscheinungen zweiter und dritter Ordnung und zwar bezüglich des Druckgradienten. Diese Einflüsse variieren mit dem Verhältnis des äußeren Durchmessers der Öffnung zum inneren Durchmesser. Dies kann jedes spezielle Material, das behandelt wird bei einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit unter Erzeugung sehr störender Ergebnisse beeinflussen.

Aufgrund dieser Bedingungen, die von der radialen Divergenz herrühren, ist es praktisch unmöglich, die Ergebnisse und das Verhalten, das in einem Ventil mit einer vorbestimmten Größe und Gestalt erhalten werden, auf andere ähnlich gestaltete Ventile unterschiedlicher Größe und Strömungsgeschwindigkeitserfordernisse zu extrapolieren. In einigen Fällen können ähnliche Effekte auf das zu behandelnde Material von unterschiedlichen Ausgängen erhalten werden, jedoch nur nach entsprechendem Herum-

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probieren, was zeitraubend und teuer und in einigen Fällen auch praktisch nicht durchführbar ist. Ein anderes Problem, das auf die radiale Divergenz der Strömung zurückgeführt werden l&nn, hat mit der Notwendigkeit zu tun, ein Leitungssystem zu versorgen, wobei ein steuerbarer Gegendruck aufrechterhalten werden muß, um eine Homogenisierungswirkung im zufriedenstellenden Ausmaß zu erhalten. Ein anderes Problem ist der Abfall der Wirksamkeit bei sehr hohen und sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die dargestellten Schwierigkeiten zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen Emulsionen und Dispersionen homogenisiert werden können, ohne daß die Erscheinung der radialen Divergenz der Strömung und die daraus resultierenden Probleme auftreten.

Gemäß dem neuen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Fluid über einen Eintrittsquerschnitt in die Homogenisierungsöffnung eingeleitet und in dieser über im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitte bis zu einem dem Eintrittsquerschnitt ähnlichen Austrittsquerschnitt geleitet wird, und daß dabei dem Fluid Energie im Maße der Strömungslänge zwischen Einlaß und Auslaßquerschnitt und der Dicke der Fluidströmung entzogen wird, worauf man dasFluid aus dem Auslaßquerschnitt entlang eines im wesentlichen linearen Strömungsweges austreten läßt.

Zum Ausführen des neuen Verfahrens geht die Erfinduig von einer

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Vorrichtung aus, welche eine Speisepumpe und eine Ventilanordnung aufweist, welch letztere mit der Druckseite der Speisepumpe verbunden ist und eine Homogenisierungsöffnung aufweist. Diese Vorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, daß die erwähnte Homogenisierungsöffnung ähnliche Eintritts- und Austrittsquerschnitte und zwischen diesen einen Verbindungskanal aufweist, dessen Querschnittsfläche über die ganze KanallSnge im wesentlichen konstant ist, und der sich gegenüberliegende Wandabschnitte mit einem gegenseitigen Abstand im Bereich zwischen 0,025 und 1,27 mm aufweist.

Anstelle oder zusätzlich der angegebenen Abstandsabstände von Wandbereichen des Verbindungskanals kann dieser eine begrenzte Länge aufweisen, entlang der das Fluid in einer im wesentlichen linearen Strömung fließt, wobei ein Leitungssystem an das Homogenisierungselement angeschlossen ist, um einen geschlossenen Raum zu bilden, der mit dem Auslaßquerschnitt in Verbindung steht, wobeiein Prallelement in der Strömungsbahn des Fluids in dem eingeschlossenen Raum angeordnet ist, welches eine Prallfläche im Abstand von dem Auslaßquerschnitt darbietet, die sich im wesentlichen im rechten Winkel erstreckt.

Aufgrund des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung wird es möglich, die Ergebnisse und das Verhalten, welche bei einem Ventil bestimmter Größe und bestimmter Gestalt gewonnen wordenklnd, auf andere ähnliche Gestalten zu extrapolieren, und zwar über einen großen Bereich verschiedener Größen und Strömungsgeschwindigkeiten.

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Es kann ein einziges Ventil mit einer gewünschten Anpassungsfähigkeit auf variierende Produkterfordernisse vorgesehen werden. Hierbei verwendet man zweckmäßigerweise eine einstellbare Homogenisierungsöffnung, welche einstellbare Wandabschnitte besitzt, deren Größe und Form in Übereinstimmung mit den variierenden Produkteigenschaften oder Strömungsgeschwindigkeiten verändert werden können.

Das Verfahren zum Homogenisieren gemäß der Erfindung basiert auf dem Konzept ein unter Druck stehendes Fluid durch einen Homogenisierungskanal entlang einer im wesentlichen linearen Strömungsbahn und in einen Strömungsmuster zu führen, welche anknüpfen an dünne oder feine Fluidströme, welche durch kleine parallele Röhrchen geführt sind, welche Röhrchen dicht beieinander liegen. Es wurde weiterhin bestimmt, daß dieses Konzept praktisch in einem Ventilkanal verwirklicht werden kann, in dem alle Bereiche, die senkrecht zu der Strömung des unter Druck stehenden Fluids verlaufen gleich und konstant gemacht werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen, ist ein Ventil vorgesehen, welches eine Homogenisierungsöffnung aufweist, die durch ähnliche Einlaß- und Auslaßquerschnitte und einen Verbindungskanal bestimmt ist, dessen Querschnittsfläche konstant bleibt und zwar an allen Punkten zwischen Einlaß-und Auslaßquerschnitt. Mit einer Homogenisierungsöffnung dieser Konstruktion wurde festgestellt, daß ein im wesentlicher linearer Weg für die Fluidströmung induziert wird, wodurch ein Energieverlust auftritt, und welche Strömung frei von jeglicher radialer Divergenz ist, wobei der Energieverlust eine Funktion von der Länge des Ver-

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bindungskanals, dem Abstand von sich gegenüberliegenden Seitenwandabschnitten und dem ausgeübten Druck ist.

Für einige Produkte kann eine bevorzugte Form der Erfindung, ein Prallelement oder eine Zielfläche umfassen, die im vorbestimmten Abstand zum Auslaßquerschnitt der öffnung angeordnet ist. Dabei läßt man das energiegeladene Fluid gegen die Oberfläche dieses Ziels prallen, um eine weitere Energiefreigabe zu erzeugen und den die Homogenisierungswirkung zu verbessern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen :

Fig.1 eine Seitenansicht einer einfachen Form eines Homogenisierungsventils gemäß der Erfindung mit einer schlitzartigen öffnung.

Fig.2 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig.1,

Fig.3 eine Seitenansicht von der entgegengesetzten Seite des Ventils nach Fig.1,

Fig.4 im größeren Ausschnitt einen Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform der Homogenisierungseinrichtung gemäß der Erfindung;

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Fig.5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 5-5 der Fig.4;

Fig.6 einen Querschnitt durch dieFluidströmung entlang der Schnittlinie 6-6 der Fig.4;

Fig.7 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 7-7 der Fig.4;

Fig.8 ein Schema für eine Form des Fluidbehandlungsapparates, in dem das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt werden kann;

Fig.9 eine perspektivische Ansicht einer einstellbaren Ventilkonstruktion gemäß der Erfindung;

Fig.10 eine perspektivische Ansicht eines abgewandelten Typs des einstellbaren Ventils nach der Erfindung;

Fig.11 im perspektivischer Ansicht ein weiteres einstellbares Ventil;

Fig.12 eine Seitenansicht eines einstellbaren Ventils mit zum Einstellen dienenden Schrauben;

Fig.13 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 13-13 der Fig. 12;

Fig.14 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausftihrungsform des einstellbaren Ventils, bei dem Teile unter Wiedervorspannung stehen;

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P, -

die F£g.13» 16 laad, 17 oia© abgewandelt© ^sf'lüirungsfsrm des Ventils gemäß der Erfindung;

;.1S eine weitere abgewandelte AusfUhrungsform für eine Einstelleinrichtung für die Ventilöffnung-;

Fig. 19 eine perspektivische Darstellung einer Ventilanordnung mit Eishrsren schlitzförmigen öffnungen;

Fig.20 ein Diagramm, welches die Homogeriisisrui*gK*;*Irk*Hig ^curvenföraig für ein üb'liches Homogenisierungs¥@ntil und für ein Ventil gemäß der Erfindung wiedergibt und

FIg.21 ein Diagramm, welches Wirkungskurven eines Standardventils unter Anwendung eines Gegendruckes und eines Ventils gemäß der Erfindung in Abhängigkeit vom Gegendruck wiedergibt.

Das Verfahren nach der Erfindung wird allgemein dadurch ausgeführt, daß man ein unter Druck stehendes Fluid durch eine Homogenisierungsöffnung oder einen Kanal von konstanter Querschnittsfläche entlang einer im wesentlichen linearen Strömungsbahn so leitet, daß keine nennenswerte radiale Divergenz auftritt. In einer wünschenswerten Ausführungsform kann das Ventil gemäß der Erfindung mit linearem Strömungsmuster beispielsweise eine öffnung in Form eines Schlitzes aufweisen. Die Erfindung wird, wenn sie auch nicht darauf beschränkt ist, nachfolgend zuerst an einem Ventil beschrieben, welches eine schlitzförmige öffnung aufweist.

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¥i@ die Fig.1 bis Fig.3 zaigen_s. kann das Ysntil in einer vrsM-sshsnswerten Ausführung;*fers von rechteckfünsiger Gestalt s®in rsd, aus einem Vollmetallk5rpsr_s s_aB_a Stahl bestehen, der mit V ■fcszeichnet ist. Durch diesen Metallkörper ist zentral eins HomogQHi£sierungs3ffhung A gsf'iShrt. Bis Sinlaßseite des VentilkSrpers ist mit 2 und die Auslaßseite dss VentilkSrpers mit 4 bezeichnet BiQ Sinlaßseite 2 weist bsi 10 ein» Erweiterung um einen k©ilfwiiaigen Eintritt zu bildsn auf, dar in einen Eintrittsquef-3iL:sitt 6 der öffnung A führt. Am anderen Eide der öffnung L ist QjLa Äuslaßqiierschnitt 8, Di© öffnung ist an allen Punkten zwiseiisn dem Einlaßquersöhnitt β und dem Auslaßquerschnitt 8 mit Qixsi· konstanten Quersehnit^sflache versehen. Die Höhe der öffi. sg A ist mit dem Doppelpfeil h in Fig.1 und 3 angegeben. Die LSsige der öffnung, d.h. die Länge des Strömungsweges zwischen Sinlaßquerschnitt 6 ynd Auslaßquerschnitt 8 ist mit dem Pfeil 1 gssslß Fig.2 wiedergegeben. Die Breite desKanals ist durch dan Pfeil w bezeichnet, der in den Fig.1 und 3 eingezeichnet ict.

i.£ezuvor bemerkt, muS die H3he der Öffnung und ihre Läng© 1 innerhalb von Grenzen gehalten werden, usl eine Hoaogenisieznmgs- wirkung von annehmbarer GrSSs 2U erhalten. Im Falle der Höhe h müQ der Bereich zwissiie-a 0,025 und 1,27 ms liegen. Bei einem

n©h mit ©is©® V@atil

©la© ©rh©1bli©Ii© HoiiogeaigieFuags^lrfmiag @Aalt©a ait liG la νβη ©twa 0_s025 Hue B@i kl©iaere© Abstand tritt @£sa s©teE»f©r Abfall d©F Wirkung bis mi Qinom Punkt auf _g d©r p ehr¹ von Mutzen ist» Bei Qtwa O₅05 im wurde ebenfalls tflFtaag ersielt ρ wlh3?©jad ©ia rfessiaiaa bei ©tim. O₉ 075 um dies©® ¥eft feil sm @ti-m 1₀25 am erhält eaa ©ia

g. Oberhalb ©ia©s Wo^tos τ®η ©twa 1₉27 e h fällt di© Wirkuag ^iQdSE⁹UB abrupt bis auf eisa©a praktisch unbedeutenden Wert ab_o

d©s StrSiiumgsweges 1, d©r praktisch das t, während dem der StrSmwig Energie entzogen wird₉ stiren die Eigenschaften des speziellen Produktes ₃ das d@lt wirdj im großen Umfang© den Wert, den die Läng® 1 in Qia@a von 0,2 mm und etwa 25,4 mm annehmen muß.

wurde beispielsweise beim Sprengen von Hefezellen, bakt©^!©!

Zellen oder dgl. im Stand der Technik festgestellt, daß augenblickliche Freigabe der Energie, wie sie bei einer artigen öffnung auftritt, wesentlich wirksamer ist, als ein® Anordnung, bei der die Energie über eine längere Zeitperiode fr@ig@setzt wird. Beim Honogenisieren von anderen Produkten (Diary products) kann dann, wenn im hohen Umfang Energie im Augenblick freigesetzt wird, die Struktur des Proteins chemisch geändert werden, so Aß man als Ergebnis möglicherweise ein un~ @rwttessht©s₉ homogenisiertes P_rodukt erhält. Andere Typen von

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Emulsionen und Dispersionen erfordern Energie/Zeit-Niveaus zwischen diesen beiden Bedingungen«

Im Hinblick auf die Breite w der öffnung vom linearen Strömungstyp ist praktisch eine Begrenzung nicht vorhanden und die Abmessungen können von einer Breite so klein wie etwa 0,25 mm bis zu einer Breite von 1,20 m oder mehr variieren. Jedoch liegt ein wesentliches Merkmal der Erfindung in der Dehnbarkeit dieser Dimension. Bei irgendeinem vorgegebenen und unter Druck stehenden Produkt, deren Strömungslänge und öffnungs höhe für ein erforderliches Effektivitätsniveau bestimmt worden ist, wird es möglich, dieses Effektivitätsniveau beizubehalten, während man die Leistung oder den Ausstoß über einen großen Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten und -drücken variiert, indem man die Größe "w" zunehmend wachsen läßt.

In Abhängigkeit von den zwei beschriebenen Abmessungsbegrenzungen kann das Ventil V vom linearen Strömungstyp in einem entsprechenden Haltekörper in Verbindung mit einer Quelle von unter Druck stehendem Fluid montiert werden, wie dies in Fig.8 schematisch angedeutet ist. Das Ventil kann bei Drücken im Be-

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reich zwischen 35 km/cm bis zu 840 kg/cm verwendet werden. Wie aus Fig.8 hervorgeht, ist ein Vorrat 3 aus eines Fluidprodukt, das homogenisiert werden soll, vorgesehen, der in eine Pumpeinrichtung 5 eingeleitet wird, die geeignet ist, in dem angegebenen Bereich Drücke zu erzeugen. Das unter Druck stehende Fluid wird dann in die Ventilöffnung A durch den keilförmigen Einlaß 10 eingeleitet. Danach wird das unter Druck stehende

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Fluid entlang der Öffnung geleitet» die konstante Querschnittsfläche aufweists so daß sich ein im wesentlichen linearer Strömungsweg ergibt. Dabei tritt eine Freisetzung von Energie in Abhängigkeit von der Höhe h der Öffnung ^, der Strömungsmenge 1 und dsm ausgeübten Druck auf. Von dem Ventil V tritt das Produkt nach außen entlang einer linearen Bahn aus und wird in einem Produktibehälter 7 gemiß Figo8 au£gene»©2io

Wie früher son-zn angegeben, sind intensive Untersuchungen mit dem Ventil vom linearen Strömungstyp ausgeführt worden. Diese Experimente haben gezeigt, daß die Homogenisierungswirkung von wünschenswerter Natur erhalten wird, wobei das Ventil in verschiedener Hinsicht gegenüber Ventilen mit üblichen kreisförmiger Quersehnittsfläche und variierendem Durchmesser überlegen istο Di© Überlegenheit ist schematisch teilweise in Fig.20 dargestellt ο Wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist, fällt di® Homogenisierungswirkung ziemlich scharf mit der Abnahme a@r Strömungsgeschwindigkeit unter bestimmte Grenzwert© ab₉ solaag© ein konstanterBruck aufrechtgehalten wird_o Di©s ist schematised durch di© ausgezogen© Kiarv© der Figo20 veranschaulicht₀ welch© das Verhalten eines üblichen Homogenisierungsventils zeigte Es ist ersichtlich, daß bei einem konstanten Druck von etwa 175 kg/cm die Abnahme der Effektivität in Abhängigkeit von dem Partikelchendurchmesser in einem Strömungsbereich von 230 - 190 Litern/Stunde beginnt« Bei den niedrigeren dieser beiden Werte und unterhalb findet ein starker Abfall der Wirksamkeit statt.

Im Vergleich dazu gibt die unterbrochene Kurve gemäß Fig_o20

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die Ergebnisse eines Ventils vom linearen Strömungstyp der Erfindung w leder. Bei diesem Ventil setzt sich die als gerade Linie auch bis zu niedrigeren Strömungsgeschwindig·= keiten fort. Es wird klar deutlich, daß kein Wirkungsabfall im nennenswerten Ausmaß im Bereich von 190 Litern/Stunde bis herab zu 75 Litern/Stunde und tiefer festgestellt werden kann. Di©g igt im hohen Maße wichtig und ein völlig neues Merkmal, da @g nunmehr möglich wird, in einem wesentlich breiteren Bereleh asa Strömungsgeschwindigkeiten und Drücken zu arbeiten, ohne daß di@ Effektivität nachläßt und ohne daß unvorhersehbare Veränderungen auftreten.

Ein zweiter Vorteil, der an einem Ventil des linearen Strömmigs= typs nach der Erfindung beobachtet werden konnte, ist ein© wesentlich gleichförmigere Reduktion der Teilchengröße, was in vielan Fällen zu einem wesentlich mehr zufriedenstellenden Produkt führt.

Es ist ersichtlich, daß die hervorragenden Eigenschaften eines Yentils mit linearem Strömungstyp für einige Fluidprodukte mit einer Öffnung erhalten werden können, derenAbmessungθε herbestimmt und festgelegt sind und die ohne weitere Einrleli» tungen verwendet werden können. Jedoch ist das Ventil vom linearen Strömungstyp im höchsten Maße anpassungsfähig, indem es in in Verbindung mit einem Prallkörper verwendet werden kann₀ u® die Homogenisierungswirkung noch zn steigern. Auch kann es sit wünschenswerten einstellbaren Eigenschaften ausgebildet werden. U 8 "© Ο ι / 0 7 2 s)

Ia diesem Zusammenhang wird die Aufmerksamkeit auf Fig.4 gelenkt„ wle&e ein Leitungselement 12 geigt _s in d@m mittels O-Ring 13 ausdichtet, ein ■ Ventilkörper 14 von zylindrischem Quer®elmitt montiert ist, der eine schlitzförmig© Öffnung A1 aufweist, ehe innerhalb der Abmessungsgrensen konstruiert ist, welche B©f©ieh der weiter oben im Zusammenhang mit der Öffnung A und Ventil. V angeführten Bereich© li©g®n_o In der Leitung 12 ist

ein Prallkörper 16 montiert, d©r auf einer Halterung 17 angeordnet ist, die in dem El@a©nt 12 an einer Stelle strom·= abwärts vom Ventilkörper 14 montiert ist. Der Prallkörper bi©t©t ©in® Prallfläche 18 für das Fluid dar, das aus der Öffnung A1 austritt, - .

Wie schematisch durch die Strömungspfeile auf der linken Seite der Fi.4 angedeutet ist, wird unter Druck stehendes Fluid in den Kanal über den keilförmigen Einlaufabschnitt 10' eingeleitet. Das Fluid gelangt dann in einen linearen Strömungsweg durch die öffnung Al entlang dem Kanal von der Länge 1* und der Höhe h^f (vergl. dazu auch Fig.5). Eine Homogenisierung von erheblicher Wirkung tritt durch die Energiefreigabe beim Durchgang durch diesen Kanal auf. Das Fluidmaterial, das energiemäßig auf diese Weise eingestellt «orden ist, wird aus der Öffnung A1 in einer fortgesetzten linearen Strömungsbahn 20 ausgestoßen, wobei diese Strömung im wesentlichen frei von ;)eder radialen Divergenz ist, wie dies schematisch in Fig.4 und in Flg.6 angedeutet ist. Der Strömungsstrahl prallt dann gegen die Fläche 18, wobei ein wei^

terer Energieverlust auftritt und die Homogenisierungswirkung ■ 709807/0729

verstärkt wird. Die konstante lineare Gestalt der Strömung bei ihrem Austritt aus der Öffnung wird zuverlässig bestätigt durch die Tatsache, daß auf derPrallflache 18 ein Abnutzungsbereich g bemerkt werden kann, der in Fig.7 eingezeichnet ist und der das Spiegelbild der Querschnittsfläche 20 des in Fig.6 dargestellten linearen Fluidstrahls ist.

Wenn auf diese Weise die lineare Fluidströmung gegen die Prallfläch© 18 trifft, ist ersichtlich, daß der Aufprall unter einem Winkel von 90° erfolgt. Es wurde festgestellt, daß die Prallfläche eingestellt werden kann und einen Abstand in Bezug auf den Auslaßquerschnitt des Ventilkörpers 14 in der Größenordnung von etwa 0,25 mm bis zu Werten laben kann, die zwischen 1,27 und
2,54 mm liegen.

Es wird bemerkt, daß bei Verwendung eines üblichen Homogenisierungsventils bekannterweise eine Prallfläche, welcheden Ausgang des Ventils umgibt, die Homogenisierungswirkung wesentlich verbessert. Es ist jedoch unmöglich, die Lage dieser Fläche für
unterschiedliche Ventilgrößen, Strömungsgeschwindigkeiten oder Produkte vorherzuberechnen. Vielmehr muß diese Größe experimentell bestimmt werden. Bei einem Ventil mit linearer Strömung gemäß der Erfindung liegt dieser Abstand für einen weiten Bereich an Drücken, Produkten und Strömungsgeschwindigkeiten vorhersagbar in einem Bereich von 1,27 und 2,5 mm.

Ein weiterer Punkt wesentlich verbesserter Wirksamkeit liegt im Bezug auf den Rückdruck vor. Bei üblichen Homogenisierungsventi-

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len vergrößert ein Rückdruck am Ausgang des Ventils die Homogenisierungswirkung , vrobei der größte Wert erzielt wird, wenn der

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Rückdruck im Bereich zwischen 24,5 kg/cm und 35*2 kg/cm liegtο Danach fällt die Wirksamkeit bei jeder weiteren Zunahme des Rückdruckes stark ab. Bei einem Ventil mit linearem Strömungsmuster nach der Erfindung erhält man eine konstante Abnahme der Wirksam= keit mit zunehmendem Rückdruck und zwar bei jeder Strömungsgeschwindigkeit und jeder Produktfließfähigkeit„ Dies wird zum Ausdruck gebracht durch die ausgezogene Kurv© für ein übliches Homo= genisierungsventil nach Fig.21. Es ist ersichtlich, daß diese ausgezogene Linie eine Spitze bei 35 kg/cm aufweist und bei

2 einem Strömungsdruck von etwa 105 kg/cm <,

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einen Verbindungskanal aufweist, dessen ßuerschnittsflache an allen Punkten über die Länge des Verbindungskanals konstant sindL Außerdem haben sich gegenüberliegende Wandbereiche einen Abstand im Bereich zwischen 0,025 und 1,27 mm. Die Länge des Produktweges in dem Kanal wird begrenzt auf einen Bereich von etwa 0p25 und 25,4 mm. Die Höhe dieses Ventils ist bei h" ^f angedeutete während der Strömungsweg mit I¹" wiedergegeben ist. Die Nummer¹ 72 bestimmt die Einlaßseite des Ventils, während die Nummer 7k d©n Auslaß uerschnitt wiedergibt. Es wird unterstellt, daB die Öffnung A6 auch einstellbar ausgebildet sein kann, wie dies setiematisch in Fig. 18 angedeutet ist. Hier ist ein Ventilkörp©r 80 dargestellt, der mit einer Iris-förmigen Einstellkomponente 82 ausgerüstet ist. Dadurch läßt sich die Größe der Homogenisierungsöffnung A7 variieren.

Es kann bei Verwendung eines Ventilkörpers mit einer Homogenisierungsöffnung, die einen linearen Strömungsweg für das Fluid bestimmt, wünschenswert sein, mehrere öffnungen ineinem einsigen Ventilkörper vorzusehen, welche in gegenseitigen Abständen zueinander angeordnet sind. Fig.19 zeigt hierfür ein Beispiel. Hier ist ein Ventil 90 mit drei Homogenisierungsöffnungen A8, A9 und A10 wiedergegeben. Durch diese öffnungen tritt das unter Druck stehende Fluid und verläßt die öffnungen in Form von dünnen Bändern von energiebestimmtem Fluid, welche Bänder bei 92, 94 und 96 gezeigt sind. Diese Bänder prallen gegen das Glied 98.

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bei @inem Ventilblock 40 mit einem festen Ventilelement 42 bswegllchen Komponenten 44„ 46 und 48 verwirklicht werden, di©· gegenseitig im gleitenden Eingriff stehen. Der Ventilkörper 40 tinterstützt die beweglichen Teils₉ die ihrerseits mit Hilfe von Einstellschrauben' 5O₉ 52 und 54 verstellbar sind* Verschieden©

mechanische Vorrichtungen können zur Veränderung der Höhe der Breite des Schlitzes und in einigen Fällen auch zur Verlnd©räng der Länge des Schlitzkanals verwendet werden«

auch wünschenswert sein, einen Ventilkörper etwa der Fig.14 vorzusehen, der mit 60 bezeichnet ist und der ein ©instellbares Ventilelement 62 aufweist, um eine öffnung A5 der Höhe nach in Abhängigkeit von der Federvorspannung einer Feder 64 zu variieren. Die Federvorspannung kann durch eine Schraube 66 verändert werden. Diese Anordnung kann wünschenswert sein für bestimmte Produkttypen, bei denen nennenswerte Fluktuationen im Pumpendruck auftreten können. Der Zweck der unter Federvorspannung stehenden Komponente besteht darin, den Fluktuationen im Pumpendruck zu folgen, um die tatsächliche Höhe des Spaltes im Ventil innerhalb der Grenzen zu verändern, die oben näher angegeben worden sind.

Das Ventil mit linearer Strömung kann auch in einigen Fällen mit bestimmten Produkten betrieben werden mit Hilfe eines Ventilkörpers von kreisförmiger Form, wie dies in den Fig.15, 16 und 17 dargestellt und mit 70 bezeichnet ist. Dieses Ventil weist eine Homogenisierungsöffnung A6 von kreisförmiger Gestalt auf, wobei diese Öffnung jedoch ähnliche Einlaß- und Auslaß^uerschnitte und

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Im Vergleich dazu zeigt die unterbrochene Kurve des Ventils gemäß der Erfindung eine Abnahme in Form einer geraden Linie mit zunehmendem Druck. Hieraus wird deutlich, daß für die beste Wirksamkeit in vielen Fällen bei einem üblichen Homogenisierungsventil die Notwendigkeit besteht, einen kontrollierbaren Rückdruck anzuwenden, was entsprechende Einrichtungen erfordert. Mit dem Ventil gemäß der Erfindung wird eine vergleichbare Wirkung ©rzieltj, ohne daß ©in kontrollierbarer Rückdruck In dem Leitungs- ©l©ment auf der Ausgangsseite des Ventils aufrecht gehalten werden muß.

Wie oben vorgeschlagen, können die Abmessungen des Ventilkörpers und den Homogenisierungsschlitzes einstellbar sin, wie dies in den Fig.9-13 veranschaulicht 1st. Die Fig.9 zeigt einen Ventilkörper 24 mit einer schlitzförmigen öffnung A2, deren Höhe hⁿ dadurch eingestellt werden kann, daß man die Lage des beweglichen Ventilteils 26 in Richtung des Doppelpfeiles verändert.

In Fig.10 ist ein Ventil gezeigt, daß aus zwei Elementen 28 und 30 besteht, die in Bezug aufeinander verschiebbar sind, um die Breite w" der öffnung A3 verändern zu können.

In Fig.11 ist ein Ventil aus mehreren Ventilkomponenten 32, 34, 36 und 38 gezeigt, mit deren Hilfe sowohl die Höhe h als auch die Breite w des Öffnungsschlitzes A4 verändert werden kann.

Wie aus den Fig.12 und 13 hervorgeht, kann die Einstellbarkeit, die schematisch in Flg.9 bis Fig.11 angedeutet ist, mechanisch

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Bei den zuvor beschriebenen Typen von einstellbaren Ventilkörpern wurde festgestellt ₉ daß die Länge, die Höhe und die Breite der die lineare Strömung bestimmenden Öffnungen maßstabsgerecht heraufgesetzt oder herabgesetzt werden für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und -produkte. Dies kann mit üblichen Homogenisierungsventilen aus gutbekannten Gründen nicht getan werden„ Es ist wichtig zu bemerken, daß bei Verkleinerung der Ventilgroß© eines.üblichen Ventils ein .Punkt erreicht wird, in dem das Ventil mechanisch unstabil wird. Dies ist mit ©inem Ventil des linearen Strömungstyps gemäß der Erfindung nicht der Fall. Es ist außerdem ersichtlich, daß die Variation und die Verweilzeit des Produktes, d.h. die Läng© des Durchganges in dem gewünschten Umfang leicht geändert werden können.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

py Verfahren zum Homogenisieren von flüssigen Emulsionen und Bis= persionen durch Einführen des Fluids unter Druck in ein Homoge·= nisierungsventilelement, welches eine Homogenisierungsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid über einen Eintrittsquerschnitt in die Homogenisierungsöffnung eingeleitet und in dieser über im wesentlichen gleichbleibende Querschnitte bis zu einem dem Eintrittsquerschnitt ähnlichen Austrittsquerschnitt geleitet wird und daß dabei dem Fluid Energi© im Maße der Strömungslänge zwischen Einlaß- und Auslaßquerschnitt und der Dicke der Fluidströmung entzogen wird, worauf man das Fluid aus dem Auslaßquerschnitt entlang eines im wesentlichen linearen Strömungsweges frei von radialer Divergenz austreten läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einer Strömungsdicke im Bereich zwischen etwa 0,025 mm und etwa 1,27 mm über eine Strömungslänge zwischen etwa 0,25 mm und etwa 25,4 mm geführt wird.
3 ο Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid unter einem Druck zwischen etwa

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35 kg/cm und etwa 840 kg/cm in den Eintrittsquerechnitt eingespeist wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Fluid in einer Strömung mit einem Quer-

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schnitt geführt wird, der dem Querschnitt eines Schlitzes ent= spricht.
5 ο ¥erfahren nach Anspruch 1 bis 4 ₉ dadurch g e k e η η 2 ® 1 © h η e t ρ daß der Querschnitt der Fluidströmung wenig» stens einseitig in Abhänigkeit vom Speisedruck elastisch aufgeweitet bzw. eingeschnürt wird»
6₀ Yerfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fluidströmung nach ihrer linearen Führung auf eine Fläche aufprallen läßt*
7 ο Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet ₉ daß man die Fluidströmung nach Verlassen des Austrittsquerschnittes und vor dem Aufprallen Über eine Strecke im Bereich zwischen etwa 0,25 mm und etwa 2,5 mm linear strömen läßt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7* dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß man das homogenisierte Fluid in einem Raum aufnimmt, in dem man keine Staudruckkontrolle vornimmt.
9. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1 8, mit einer Speisepumpe und einer Ventilanordnung, die mit der Drückseite der Speisepumpe verbunden ist und eine Homogenisierungsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsöffnung A ähnliche Eintritts- und Austrittsquerschnitt (6, 8) und zwischen diesen einen Verbindungs-

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kanal aufweist, dessen Querschnittsfläche über die ganze Kanallänge 1 im wesentlichen konstant ist und der sich gegenüberliegende Wandabschnittentt einem gegenseitigen Abstand h im Bereich zwischen O₉025 mm und etwa 1,27 mm aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzei chn e t , daß der Verbindungskanal zwischen Eintritts- und Austrittsquerschnitt eine Länge 1 aufweist_s die im Bereich zwischen etwa 0,2 5nm und etwa 25*4 nna liegt.
11. Vorrichtung nach Ansprach 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Homogenisierungsöffnung A in Form eines Schlitzes ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzei chn e t , daß die Schlitzöffnung A eine Abmessung aufweist, die nicht kleiner als 0,025 mm und nicht größer als etwa 1,27 mm ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η -

ζ e ic h η e t , daß wenigstens eine der Seiten des Schlitzes in einer Ventilkonstruktion einstellbar angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch11, dadurch g e k e η η ze ichn e t , daß wenigstens eine Seite (62) des Schlitzes A5 in einer Ventilkonstruktion (60) elastisch nachgiebig abgestützt ist.

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15. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch g e k en nzeichnet , daß ein Prallelement (16) im Abstand vom Auslaßquerschnitt (8) der Homogenisierungsöffnung A und in der Bahn der aus de» Austrittsquerschnitt austretenden Strömung (20) angeordnet ist.
16. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, mit einer Pumpe zum Zuführen des Fluids unter Druck einer Ventilkonstruktion, die mit der Druckseite der Pumpe verbunden ist und eine darin ausgeformte Homogenisierungsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung A ähnliche Einlaß- und Auslaßquerschnitte (6, 8) und einen zwischen diesen liegenden Verbindungskanal aufweist, dessen Querschnittsfläche an allen Punkten der Länge des Verbindungskanals im wesentlichen konstant ist und daß der Verbindungskanal eine begrenzte Länge 1 aufweist, entlang der das Fluid>in im wesentlichen linearer Strömungsbahn geführt wird und daß man an den Auslaßquerschnitt (8) einen geschlossenen Raum anschließt, in dem ein Prallelement (16) montiert ist, welches eine Prallfläche (18) im Abstand von dem Auslaßquerschnitt (8) darbietet, die sich im wesentlichen unter rechten Winkeln erstreckt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß das Prallelement (16) einstellbar montiert ist, um den Abstand der Prallfläche (18) in Bezug auf den Auslaßquerschnitt (8) einzustellen.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Prallelement eine Prallfläche (18) von einer Größe und Form darbietet, die in vorbestimmter Beziehung zu der linearen Bahn der Fluidströmung durch den Verbindungskanal steht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Prallfläche (18) von dem Auslaßquerschnitt (8) im Bereich zwischen 0,12 mm und 5 mm liegt.

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