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vrRFARRiN UND VORRICHTUNG ZUM MISCHEN VISKOSER MATERIALIEN.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mischverfahren und Vorrichtungen;
insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Mischen hoch viskoser, flüssiger Massen durch Änderung des Strömungsbildes eines
viskosen Flüssigkeitsstroms, um innerhalb der Flüssigkeit Grenz -flächen zu schaffen.
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Das sorgfältige Mischen hoch viskoser Materialien ist ein Problem
von beträchtlicher wirtschaftlicher Bedeutung. Ein
Versuch zum Mischen
viskoser Materialien besteht darin, eine viskose Flüssigkeit durch eine Leitung
hindurchzuführen, die Mischbleche oder andere Hindernisse enthält, welche dazu dienen,
den Strom des flüssigen Materials, der durch die Leitung fließt, aufzuspalten, den
Strom in wirksamer Weise auszubreiten und eine große Oberfläche zu bilden, und dann
die Ströme sich wieder überdecken zu lassen, um so eine verhältnismäßig wirksame
Mischung ohne Turbulenz zu schaffen, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit
des Reaktionsstroms. Typische solche Vorrichtungen sind die, wie sie in den amerikanischen
Patentschriften 3 239 197 und 3 664 638 beispielsweise be -schrieben sind. Zu den
Nachteilen der Mischvorrichtungen des eben erwähnten Typs gehört die verhältnismäßig
starke Druckverminderung, die mit den ausgedehnten, im Innern vorhandenen Mischblechen
zusammenhängt, sowie die Schwierigkeit der ReinigunÇsolcher Vorrichtungen, besonders
wenn es sich bei der flüssigen Masse um hoch reaktionsfähiges Material, wie wärmehärtendes
Harz, handelt, das verhältnismäßig rasch hart wird und in eine feste Masse übergeht.
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Im einfachsten Sinne schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Mischen eines Stroms einer flüssigen Masse, besonders einer viskosen flüssigen
Masse, indem man den Flüssigkeitsstrom in eine Mehrzahl von Unterströmen teilt und
wechselweise einzelnen Teilströmen eine Drehung in einer bestimmten Richtung erteilt,
während man den übrigen Teilströmen eine
entgegengesetzte Drehrichtung
gibt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
eine hoch viskose Flüssigkeit durch Bildung eines Stroms der flüssigen Masse gemischt.
Der Strom wird in eine Mehrzahl von Teilströmen geteilt, indem man eine Mehrzahl
von Strömen eines Hochdruckmediums, vorzugsweise eines Gases, auf den Flüssigkeitsstrom
an bestimmten Punkten längs der Strömung der Masse auftreffen läßt. Wechselweise
wird damit bestimmten Teilströmen, beilspielsweise den Teilströmen 1, 3, 5, 7 usw.
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eine gewisse Drehströmung in einer ersten Richtung erteilt, indem
man diese Teilströme tangential auftreffenden Strömen eines Hochdruckmediums aussetzt.
Die übrigen Teilströme, beispielsweise die Teilströme 2, 4, 6, 8, usw. werden in
entgegengesetzter Richtung zur ersten Drehrichtung durch tengentiales Auftreffen
von Strömen eines Hochdruckmediums in Drehung versetzt.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein
statischer Mischer zum Mischen hoch viskoser und gleichzeitig rasch reagierender
Materialien vorgesehen. Die Mischvorrichtung besteht aus einem verlängerten Rohr
oder einer Leitung, durch die die Reaktionsteilnehmer hindurchgedrückt werden. An
bestimmten Stellen längs des langen Rohres sind eine Mehrzahl von Einrichtungen
zur Einführung eines Stromes eines Hochdruckwediums, vorzugsweise eines Gases, im
wesentlichen
rechtwinlig zu der Längsachse des Rohres vorgesehen,
so daß sie den Strom des Reaktionsmaterials in eine Mehrzahl von Teilströmen teilen.
Ebenfalls verteilt auf bestimmte Stellen längs des langen Rohres oder der Leitung
sind eine Mehrzahl von Einrichtungen zum Einleiten von Strömen des gleichen oder
eines anderen Hochdruckmediums vorgesehen, die im wesentlichen tangential zur inneren
Oberfläche des langen Rohres oder der Leitung gerichtet sind; vorzugsweise hat das
lange Rohr oder die Leistung einen kreisförmigen Querschnitt. Ebenso sind vorzugsweise
die Einrichtungen zur Einführung der Ströme des Hochdruckmediums in etwa gleichen
Abständen längs des langen Rohres verteilt. Vorzugsweise sind alle Einrichtungen
zur Einführung von Strömen des Hochdruckmediums rechtwinklig gegenüber der nächsten
folgenden Einrichtung zur Einleitung eines Stromes des Hochdruckmediums angeordnet.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein Strom eines hoch viskosen Materials durch die Leitung oder das Rohr hindurchgedrückt.
Der Strom wird in eine Mehrzahl von Teilströmen mit Hilfe des Auftreffens eines
Stromes des Hochdruckmediums, beispielsweise Luft, aufgeteilt, die durch Düsen eingeleitet
wird, welche im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des Rohres an einer Mehrzahl
von Stellen längs des Rohrumfangs angeordnet sind. Bestimmten Teilströmen wird eine
Drehbewegung in einer bestimmten Richtung durch Einleitung eines Hochdruckmediums
wie Luft tangential
zur inneren Peripherie des Rohres erteilt.
Die übrigen Teilströme erhalten eine Drehbewegung im entgegengesetzten Sinne durch
Einleiten eines Hochdruckmediums wie Luft tangential zum Innenumfang des Rohres
mit Hilfe einer Mehrzahl von Düsen,die längs des Rohrumfangs angeordnet sind.
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Die allgemeine Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung der
Erfindung läßt sich klarer aus der folgenden, ins einzelne gehende Beschreibung
verstehen, die auf die beiliegenden Zeichnungen Bezughimst.
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Fig. 1 ist eine perspektivische, isometrische Ansicht einer einfachen
Form einer Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung.
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht, teilweise im Schnitt, die
den Flüssigkeitsstrom in der Vorrichtung nach Fig. 1 erkennen läßt.
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Fig. 3 ist ein Querschnitt längs der Linie 3--3 in Fig. 1, wobei einzelne.
Teile weggeschnitten sind, die die Bewegungsrichtung der auftretenden Flüssigkeits
-ströme zeigt.
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Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Düse zur Einleitung eines Hochdruckmediums
tangential zur Innenfläche der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung.
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Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer Düse, die zur Teilung des Stromes
der flüssigen Masse in Teilströme gemäß
vorliegender Erfindung
dient.
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Eine besonders erwünschte Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht
in dem raschen Mischen ausserordentlich viskosen Reaktionsmaterials, wie beispielsweise
einer schäumenden flüssigen Harzmasse, insbesondere eines verschäumbaren Harzes,
das Verstärkungsfasern, feste Füllmittel und dergleichen enthält.
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Dementsprechend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf diese besonders
erwünschte Anwendung beschrieben werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die
Erfindung nicht genau auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt sein soll,
die hier gezeigt und beschrieben sind, sondern daß sie in weitem Maße modifiziert
werden kann, wobei man jedoch immer im Gebiet der vorliegenden Erfindung bleibt.
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Bei der Herstellung von faserverstärktem plastischem Schaum ist es
notwendig, die Harzvorprodukte, die mit den Glasfasern und anderen Verstärkungsmaterialien
gemischt sind, zusammen mit einem Katalysator, falls dieser erwünscht ist, sowie
blähenden Mitteln und anderen erwünschten Zusatzstoffen in die Mischvorrichtung
einzuleiten. Diese Reaktionsteilnehmer müssen sorgfältig und rasch gemischt werden,
da sie innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer zu reagieren beginnen. Infolgedessen
müssen sie rasch unmittelbar nach dem Mischen in eine Form eingefüllt werden, in
der der Verschäumungsvorgang eintreten kann. In den Zeichnungen und insbesondere
in Fig. 1 ist die
Mischvorrichtung, die die Erfindung ausmacht,
als Ganzes mit der Ziffer 12 bezeichnet. Ein Strom viskosen Materials der oben-erwähnten
Art ist mit dem Pfeil 10 bezeichnet, der in die Öffnung 15 hineinführt. Genau bestimmte
Mengen des viskosen Materials können mit Hilfe einer volumetrisch geregelten Präzisionspumpe
oder dergleichen, die nicht dargestellt ist, eingeleitet werden.
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Der viskose Materialstrom tritt in jedem Fall zunächst durch die Öffnung
15 ein und wird durch das lange Rohr oder die Leitung 11 des Mischers 12 beispielsweise
mit Hilfe eines Druckkolbens oder eines Ausstoßdorns hindurchgedrückt.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht die Mischvorrichtung aus einem
verlängerten Rohr oder einer Leitung 11, die ein Vorderende 14 und ein Hinterende
16 besitzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
die lfischvorrichtung 12 mit einem Befestigungsflansch 17 ausgestattet, um das Eintrittsende
der Mischvorrichtung mit einer Meß- und Pumpeinrichtung zu verbinden. Wie dargestellt
sind Zuführungsleitungen 18 und 19 zum Einströmen flüssiger Reaktionsteilnehmer
aus nicht dargestellten Meß- und Pumpvorrichtungen in die Hauptströmungsleitung
der Mischvorrichtung 12 durch die Öffnung 15 am Eintritt sende 14 vorgesehen. Der
Flansch 17 stellt eine bevorzugte Befestigungseinrichtung zur Anbringung des Mischers
an einem Zuführungssystem dar, das einen entsprechenden
Flansch,
beispielsweise den Flansch 20, besitzt.
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Wie ersichtlich, ist die Mischvorrichtung 12 mit einem zweiten Flansch
21 am Austrittsende 16 versehen, um sie hier mit irgendwelchen erwünschten Verteilsystemen
zu verbinden. Beispielsweise ist ein Leitungsbogen 22 an einem Flansch 23 befestigt,
und bei Verbindungen mit der Mischvorrichtung 12 kann der sorgfältig gemischte Materialstrom,
der aus dem Mischer am Hinterende 16 austritt, beispielsweise nach unten in eine
passende,nicht-dargestellte Form geleitet werden.
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In verschiedenen Abständen längs der Mischvorrichtung 12 ist eine
Reihe von Befestigungsblöcken 24 vorgesehen, um die Mischvorrichtung in geeigneter
Stellunizu halten. Es können naturgemäß auch andere Befestigungseinrichtungen verwendet
werden.
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Längs der Leitung oder dem langen Rohr 11, welches die zentrale Mischkammer
12 gemäß vorliegender Erfindung darstellt, ist eine Mehrzahl von Düsen zur Einleitung
eines Hochdruckmediums in den Reaktor im wesentlichen in radialer Richtung vorgesehen,
um den durch die Mischvorrichtung fließenden Materialstrom in eine Mehrzahl von
Teilströmen zu unterteilen. Diese Verteileinrichtungen sind als Düsen B1, D1, B2
und D2 in Fig. 1 dargestellt.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird vorzugsweise jede Teildüse im
wesentlichen um 1800 versetzt gegenüber der nächsten Teildüse angeordnet. So befindet
sich die Düse D1 gegenüber der Düse
Düse B1 auf der gegenüber liegenden
Seite des rohrförmigen Teiles 11 der Mischvorrichtung 12; allerdings in einem entsprechenden
Längsabstand.
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Wie weiterhin gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind die Teildüsen oder Strahlvorrichtungen wie B1 in
einem Winkel @ # von von etwa 100 gegenüber dem Radius des rohrförmigen
Teiles geneigt, so daß sie einen Strahl eines Hochdruckmediums erzeugen, der sowohl
eine Vorwärtskomponente wie eine Radialkomponente für die im folgenden näher beschriebenen
Zwecke aufweist.
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Zurückkommend auf Fig.1 ist ersichtlich, daß die Mehrzahl der Einrichungen
zur Einleitung eines Hochdruckmediums tangential zur Peripherie des Hauptrohrabschnitts
des Mischers 12 angeordnet ist. Die eine Drehung des Flüssigkeitsstroms bewirkenden
Düsen sind in der Figur mit A1, C1, A2 und C2 bezeichnet. Wie insbesondere aus Fig.
3 ersichtlich ist, sind diese Düsen,beispielsweise die Düsen A1 und C1, an gegenüberliegenden
Seiten des Hauptrohrteiles der Mischvorrichtung 12 angeordnet. Wie weiterhin aus
Fig. 2 ersichtlich ist, sind diese Düsen ebenfalls in einem Winkel @ 6 von
von etwa 100 gegenüber dem Radius des Hauptrohrteils geneigt, so daß sie eine Hochdruck-Drehströmung
entstehen lassen, die sowohl eine vorwärts gerichtete wie eine tangentiale Komponente
besitzt, wodurch ein Teilstrom im Uhrzeigersinn und der andere im entgegengesetzten
Sinne
in Drehung versetzt wird. Die Düsen sind so angeordnet, daß
abwechselnd ihre tangentiale Eintrittsrichtung entgegengesetzt ist.
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In Fig. 3 ist mit den Pfeilen 1, 2, 3 und 4 schematisch die allgemeine
bewegungsrichtung des durch die einzelnen Düsen eingeleiteten Hochdruckmediums dargestellt.
Die durch die Unterteilungsdüsen B1 und D1 zugeführten Düsen für das Hochdruckmedium
lassen dieses im allgemeinen radial einströmen, wie durch die Pfeile 1 und 2 angedeutet
ist. Das durch die Langen tialdüsen A1 und C1 eingeleitete Hochdruckmedium besitzt
entgegengesetzte Drehrichtung, wie aus den Pfeilen 3 und 4 ersichtlich ist. Demnach
liegt die Drehrichtung der durch die Düsen C1 eintretenden Flüssigkeit im Uhrzeigersinn,
während die Drehrichtung der durch die Düse A1 eintretenden Flüssigkeit entgegengesetzt
ist. Diese im Uhrzeigersinn und im entgegengesetzten Sinne liegende Drehrichtung
ist auch aus Fig.2 er -sichtlich.
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Die Zahl der zur Unterteilung des Hauptstromes dienenden Düsen, der
zur Schaffung von Teilströmen dienenden Düsen und der zur Erteilung von Drehungen
der verschiedenen Teilströme dienenden Düsen kann verschieden sein, um die gewünschte
Wirkungsweise bei jedem speziellen Mischproblem von viskosen Flüssigkeiten zu erzielen.
Wie ersichtlich ist, kann die Apparatur aus einer großen Zahl von Materialien einschließlich
Metall und dergleichen
hergestellt werden, wobei die Materialwahl
von den besonderen Bedingungen abhängt, die in dem Fall vorliegen, für den die Vorrichtung
bestimmt ist.
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Wie aus den Zeichnungen und besonders in Fig. 4 und 5 hervorgeht,
besitzen die verschiedenen Düsen Schraubengewinde, um die Düsen mit einer Quelle
für ein Hochdruckmedium zu verbinden. So ermöglicht das Gewinde 32 eine leichte
Verbindung der Quelle des Hochdruckmediums mit der Mischvorrichtung. Ebenso gestattet
das Gewinde 33 eine leichte Entfernung des Einsatzteils zur etwa notwendigen Reinigung
der radial gerichteten Öffnung 31 der Düse B1 und der tangential gerichteten Öffnung
35 der Düse A1.
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Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung besteht
das im allgemeinen angewendete Hochdruckmedium aus einem Gas, wie Luft oder Stickstoff;
indessen kann das unter hohem Druck eingeführte Medium auch eine der Komponenten
des Hauptflüssigkeitsstromes darstellen, die mit ihm zu mischen sind.
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Die Arbeitsweise aller oder einiger der vorstehend beEchriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen folgende: (a) Ein Strom eines zu
mischenden, verhältnismäßig viskosen Materials wird am Eintritt sende 14 der Mischvorrichtung
12
eingeleitet. Beispielsweise kann ein Vorprodukt eines Polyurethanharzes mit Glasfasern
abgemessen und durch die Leitung 18 eingeleitet werden, während der Eatalysator
und das Blähmittel in abgemessener Menge durch die Leitung 19 eingeleitet werden,
wobei ein Strom 10 entsteht, der durch die Rohrleitung 11 der Mischvorrichtung 12
hindurchströmt.
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(b) Der so gebildete Hauptstrom wird in eine Mehrzahl von Teilströmen
durch Hochdruckströme unterteilt, die in bestimmten Abständen längs der Längsachse
des Hauptstroms und im wesentlichen radial hierzu beispielsweise durch die Düsen
B1, D1, B2 und D2 eingeleitet werden.
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(c) Die Teilströme werden dann in einem bestimmten Strömungsbild durch
die tangential in bestimmten Abständen längs der Längsachse des Hauptstromes eingeleiteten
Ströme des Hochdruckmediums in Drehung versetzt, beispielsweise mit Hilfe der Düsen
A1, C1, A2 und D2.
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Es sei darauf hingewiesen, daß Teilströme, denen eine Drehung in
einer bestimmten Richtung erteilt ist, mit den übrigen Teilströmen abwechseln, denen
eine Drehung im entgegengesetzten Sinne erteilt ist. So kann beispielsweise eine
Mehrzahl der Teilströme eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn besitzen, während die
übrigen Teilströme sich im entgegengesetzten Sinne drehen.
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Die Teilung des Hauptstroms des viskosen Materials in Teilströme und
Drehung der verschiedenen Teilströme in entgegengesetzten Richtungen dient dazu,
die Teilströme kontinuierlich zu teilen und wieder zu kombinieren, so daß eine vollständige
Mischung erzielt wird. Dabei wird das viskose Material gezwungen, auf einem Serpentinenweg
zu strömen, ohne daß es mit Schikanen oder Ablenkblechen oder anderen internen Anordnungen
in Berührung kommt. Bei der Bildung einer schäumenden Harzmasse die beispielsweise
innerhalb 30 Sekunden zu härten beginnt, nachdem die Einzelkomponenten miteinander
in Berührung kommen, bietet die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung einen beträchtlichen
Vorteil hinsichtlich der Reinigung der Mischvorrichtung nach ihrer Verwendung.