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Vorrichtung zum stationären Mischen fließfähiger Stoffe
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum stationären Mischen fließfähiger
Stoffe mit einem rohrartigen Gehäuse, in welchem Füllkörper angeordnet sind.
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In der Verfahrenstechnik kommt neben den Energieumsetzungen und Transportfragen
den Vorgängen bei der Stoffvereinigung eine große Bedeutung zu . Bei der Stoffvereinigung
kommt es darauf an, Mischungen jeglicher Art herzustellen. Die an einer Mischung
beteiligten Produkte reichen von Gasen oder Dämpfen bei einem verhältnismäßig einfachen
Mischvorgang bis zur Knetung schwerer plastischer Massen. Allgemein können derartige
Mischvorgänge die Vereinigung gasförmiger, flüssiger oder fester Körper mit anderen
derartigen Körpern einschließen. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter
Mischen allgemein das Eindringen von Teilen eines Stoffes zwischen die Teile eines
anderen Stoffes oder mehrerer anderer Stoffe verstanden.
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Das Ziel eines Mischprozesses ist es in der Regel, durch eine möglichst
homogene Vereinigung verschiedener Komponenten ein möglichst gleichförmiges Gemisch
oder Gemenge herzustellen. In Abhängigkeit von den beteiligten Stoffen kann anstatt
von Mischen in speziellen Fällen von Homogenisieren, Dispergieren, Emulgieren, Rühren,
Aufschlagen, oder dergl.
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gesprochen werden.
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Grundsätzlich kommt als Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die gesamte Verfahrenstechnik in Betracht. Ein besonders interessantes Gebiet ist
die Nahrungsmittelindustrie. Beispielsweise kann dabei die eingangs genannte Vorrichtung
zur Herstellung von Schlagrahm oder auch zur Erzeugung von Speiseeis verwendet werden.
Weiterhin ergeben sich interessante Anwendungsmöglichkeiten
jedoch
auch bei der Herstellung von Teig- und Backwaren.
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Darüber hinaus eignet sich die eingangs näher erläuterte Vorrichtung
jedoch gemäß den obigen Ausführungen für die gesamte Verfahrenstechnik.
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Im Hinblick auf eine günstige Weiterverarbeitung eines Stoffgemisches
müssen häufig Stoffe möglichst feinteilig vorliegen, die sich molekulardispers nicht
oder nur teilweise ineinander lösen. Für die hierzu erforderliche mechanische Stoffverteilung
und Stoffvereinigung zu solchen Mischsystemen, die makroskopisch möglichst homogen,
mikroskopisch jedoch stets mehrphasig sein können, dient ein sogenannter Homogenisierungsvorgang.
Dabei werden Flüssigkeiten durch feine Verteilung zu Emulsionen vereinigt, Feststoffe
werden mit Flüssigkeiten zu Dispersionen umgeformt und auch teigige und plastische
Massen werden in entsprechenden Homogenisierungseinrichtungen verarbeitet, um möglichst
gleichmäßige plastische Eigenschaften zu erzielen.
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Eine Vorrichtung der eingangs näher genannten Art ist aus der Deutschen
Offenlegungsschrift 2 532 355 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung
zum statischen Mischen von fließfähigen Stoffen, bestehend aus einem rohrartigen
Gehäuse mit darin fest angeordneten Mischeinsätzen.
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Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß freie Räume innerhalb
des Gehäuses durch Füllkörper ausgefüllt sind. Für die Füllkörperschüttung werden
bei dieser bekannten Einrichtung vorzugsweise Sandkörner oder Füllkörperringe in
Form von Glasperlen verwendet. Weiterhin werden in dieser bekannten Einrichtung
auch komplizierter gestaltete Körper als Füllkörper verwendet.
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Weiterhin ist aus der US-Patentschrift 3 865 352 ein statischer Mischer
bekannt, welcher zur Mischung von Fluiden
dient, und dieser statische
Mischer zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Rohr eine Packung aus Füllkörpern
angeordnet ist, die grundsätzlich ringförmig ausgebildet sind und an einem Ende
einen radial abstehenden Flansch aufweisen.
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Weiterhin ist es aus den Deutschen Offenlegungsschriften 2 262 016
und 2 459 355 grundsätzlich bekannt, in einer statischen Mischvorrichtung, die rohrförmig
ausgebildet ist, als Leitflächen dienende und verhältnismäßig kompliziert ausgebildete
Einsätze zu verwenden.
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Den bekannten Einrichtungen ist jedoch gemeinsam der Nachteil eigen,
daß sie in der Herstellung verhältnismäßig aufwendig sind, daß sie einen verhältnismäßig
großen Wartungsaufwand erfordern und daß insbesondere die Reinigung einen beträchtlichen
Aufwand bedingt.
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Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Vorrichtung zum
stationären Mischen fließfähiger Stoffe der eingangs genannten Art zu schaffen,
welche bei möglichst geringem Fertigungsaufwand und besonders guter Arbeitsleistung
an die Wartung ebenso wie an die Reinigung außerordentlich geringe Anforderungen
stellt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß dem rohrartigen
Gehäuse wenigstens ein Vibrator zugeordnet ist, durch welchen die Füllkörper in
Bewegung versetzt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird der Wirkungsgrad beim Mischen
insbesondere dadurch wesentlich gesteigert, daß die Füllkörper während des Arbeitsvorganges
durch einen der Vorrichtung zugeordneten Vibrator in Bewegung versetzt werden. Vorzugsweise
ist gemäß der Erfindung die Anordnung derart getroffen, daß die Füllkörper derart
in Bewegung versetzt werden, daß sie bei einer in Abhängigkeit von den durch das
Gehäuse hindurchgehenden Stoffen hinreichend dichten Packung fortwährend gegeneinander
schlagen. Vorzugsweise soll die Packung mit einer solchen Dichte gewählt werden,
daß zwar die meisten Füllkörper einander berühren, andererseits jedoch noch ein
ausreichender freier Raum zur Verfügung steht, so daß die Kugeln "arbeiten" und
damit gegeneinander schlagen können.
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Da gemäß der Erfindung der Wirkungsgrad der Vorrichtung stark erhöht
wird, ergibt sich der Vorteil, daß keine Füllkörper mit komplizierten geometrischen
Formen erforderlich sind, sondern vielmehr vorzugsweise Kugeln verwendet werden
können. Obwohl Füllkörper mit verhältnismäßig komplizierten geometrischen Formen
wie Ringe, Perlen, Ringe oder Perlen mit radial abstehenden Flanschen oder dergleichen
die Durchmischung der Komponenten aufgrund ihrer geometrischen Form fordern, läßt
sich der Wirkungsgrad gemäß der Erfindung mit wesentlich einfacheren Füllkörpern
dennoch erheblich steigern.
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Die Verwendung von Kugeln als Füllkörper in Verbindung mit einem Vibrator
führt nicht nur beim eigentlichen Arbeitsgang der Vorrichtung zu wesentlichen Vorteilen,
sondern bietet den weiteren großen Vorteil, daß die Vorrichtung einschließlich der
Füllkörper nach einem Arbeitsgang außerordentlich einfach gereinigt werden kann.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß es sich erübrigt, die Vorrichtung zu zerlegen und
die einzelnen Teile zu reinigen, wie es bisher üblich war, denn die erfindungsgemäße
Vorrichtung läßt sich im betriebsfertigen Zustand
durch das Hindurchströmen
einer Spüllösung absolut einwandfrei reinigen. Einerseits bieten die als Kugeln
ausgestalteten Füllkörper weniger Möglichkeit, daß Reste des Produktes haften bleiben,
und andererseits wird der Reinigung vorgang durch das Aufeinanderschlagen der Kugeln
außerordentlich stark gefordert. Der Vibrator erfüllt daher nicht nur während des
eigentlichen Arbeitsganges eine außerordentlich wesentliche Funktion, sondern es
ist seine Wirkung auch bei der Reinigung der Vorrichtung von entscheidender Bedeutung.
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Es ergibt sich somit der weitere Vorteil, daß die Ausfallzeiten der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch die Reinigung bedingt sind, außerordentlich
kurz gehalten werden können.
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Beispielsweise hat sich bei der praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gezeigt, daß bei der Herstellung von Schlagrahm unter Verwendung von
Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm ein sogenannter "AuSschlag" von
170 % erreicht werden konnte. Da im allgemeinen nur etwa 130 bis 140 % verlangt
werden, und bekannte Einrichtungen dieses Ergebnis nicht immer erreichen, ist das
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielte Ergebnis als ausgezeichnet zu werten.
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Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich dann, wenn als Rüttelfrequenz
für den Vibrator die Netzfrequenz von 50 Hz verwendet wird. Natürlich kann in Abhängigkeit
von den verarbeiteten Produkten auch eine andere Vibrationsfrequenz verwendet werden.
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Wenn auch vorzugsweise der Vibrator von außen an das Gehäuse angesetzt
wird, ist es grundsätzlich auch möglich,
beispielsweise einen stabförmigen
Vibrator in den Innenraum des rohrförmigen Gehäuses einzufügen.
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Um in flexibler Weise der Viskosität der verarbeiteten Stoffe Rechnung
tragen zu können, kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß entlang dem rohrförmigen
Gehäuse mehrere Produktauslässe vorgesehen sind. Durch einen entsprechenden Schieber
oder dergleichen kann wahlweise der eine oder der andere Produktauslaß geöffnet
werden.
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Eine besonders vielseitig verwendbare, flexible Anordnung ergibt sich
gemäß der Erfindung dadurch, daß mehrere rohrförmige Gehäuseabschnitte hintereinander
geschaltet sind.
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Dabei können die einzelnen Gehäuseabschnitte vorzugsweise durch Flanschen
miteinander verbunden werden. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß in Abhängigkeit
vom Produkt und unter Berücksichtigung des fortschreitenden Mischungsvorganges in
den einzelnen Rohrabschnitten Füllkörper unterschiedlicher Größe verwendet werden
können.
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Auf diese Weise lassen sich noch bessere Ergebnisse erreichen.
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Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Gehäuseabschnitte wird
der Vorteil erreicht, daß verhältnismäßig kurze Gehäuseab schnitte gefertigt werden
können, die entsprechend den Erfordernissen jeweils baukastenmäßig in einer solchen
Anzahl zusammengefügt werden, daß die günstigsten Mischungsergebnisse erreicht werden.
Dadurch entfällt die Notwendigkeit, verschiedene Baulängen herzustellen, so daß
auch dadurch die Fertigung weiter vereinfacht wird. Weiterhin wird auf diese Weise
dem Anwender die Möglichkeit gegeben, durch Zuschaltung oder Wegnahme eines oder
mehrerer Gehäuseabschnitte die für ein Produkt jeweils günstigste Länge auf besonders
einfache Weise experimentell systematisch zu ermitteln.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung mit einem Produkteinlaß und einem Produktau s laß Fig. 2 einen Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Produkteinlaß
und mehreren Produktauslässen, Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei hintereinander geschalteten Gehäuseabschnitten
und Fig. 4 eine schematische Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem Rüttelmotor.
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In der Fig. 1 ist in vereinfachter schematischer Darstellung eine
erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt dargestellt.
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Zwischen einem Produkteinlaß 13 und einem Produktauslaß 14 ist ein
langgestrecktes rohrförmiges Gehäuse 10 angeordnet.
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Im linken Teil der Darstellung sind Füllkörper 12 dargestellt, von
denen jedoch zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung nur ein geringer Teil
gezeichnet ist. Tatsächlich erstrecken sich die Füllkörper bei den meisten Stoffen
über den größten Teil des Innenraumes des Gehäuses 10. Bei Stoffen mit besonders
hoher Viskosität kann es jedoch zweckmäßig sein, das Füllkörperbett auf einen kleinen
Teil des Gehäuses 10 zu beschränken. Im Bereich des Produkteinlasses 13 ist ein
Sieb 21 und im Bereich des Produktauslasses 14 ist ebenfalls ein Sieb 22 angebracht.
Diese Siebe dienen unter anderem dem Zweck, die Füllkörper 12 im Innenraum des Gehäuses
10 zu halten.
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Weiterhin ist im Bereich des Einlasses 13 ein zusätzlicher Einlaß
15 vorgesehen, welcher als seitlicher Rohrstutzen ausgebildet ist und beispielsweise
zur Begasung verwendet werden kann.
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Das Gehäuse 10 ist zumindest in seinem mittleren Bereich von einem
Mantel 18 konzentrisch umgeben. Dadurch wird zwischen dem Gehäuse 10 und dem Mantel
18 ein Ringraum gebildet, durch den beispielsweise ein Kühlfluid hindurchgeführt
werden kann. Ein entsprechender Eintrittsstutzen 19 sowie ein zugehöriger Austrittsstutzen
20 sind seitlich an dem Mantel 18 angebracht. Ein gemäß der Erfindung vorgesehener
Vibrator 11 ist außen an den Mantel 18 angesetzt. Der Vibrator könnte jedoch auch
an einer anderen Stelle der Vorrichtung angeordnet sein. In bestimmten Anwendungsfällen
ist es auch zweckmäßig, mehrere Vibratoren zu verwenden.
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Die Fig. 2 zeigt eine ähnliche Darstellung wie die Fig. 1, mit dem
Unterschied, daß entlang dem Gehäuse 10 zusätzlich zu dem Produktauslaß 14 am Ende
des Gehäuses weitere Produktauslässe 14', 14" und 14"' vorgesehen sind. Auf diese
Weise wird die Möglichkeit geschaffen, daß in Abhängigkeit von den verarbeiteten
Stoffen jeweils einer der weiteren Auslässe 14', 14" oder 14"' geöffnet werden kann
und auf diese Weise die Strecke den Erfordernissen angepaßt werden kann, welche
zum Erreichen des gewünschten Mischergebnisses am zweckmäßigsten ist.
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Der Vibrator 11 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 zwischen
den beiden Rohrstutzen 19 und 20 angeordnet. Auch bei dieser Anordnung könnte der
Vibrator il jedoch auch an einer oder mehreren anderen Stellen angesetzt sein.
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Beispielsweise könnte in einer alternativen Ausführungsform vorgesehen
sein, daß der Vibrator 11 als elektromagnetischer
Schwinger ausgebildet
ist, welcher einen oder mehrere Rohrstutzen ringförmig umgibt, die seitlich an das
Gehäuse 10 oder an den konzentrischen Mantel 18 angesetzt sind.
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Auf diese Weise könnte beispielsweise der Vorteil erreicht werden,
daß insbesondere im Bereich des Auslasses eine besonders starke Vibration gewährleistet
ist. Mit anderen Worten, vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß ein Vibrator jeweils
im Bereich des gerade geöffneten Auslasses in Betrieb ist, um auf diese Weise der
Gefahr zu begegnen, daß beispielsweise an einem Sieb im Bereich dieses Auslasses
Verstopfungen auftreten.
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Die Fig. 3 zeigt eine Darstellung, in welcher drei Gehäuseabschnitte
10a, 10b und 10c hintereinander angeordnet sind.
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Die Gehäuseabschnitte sind jeweils mit Hilfe von Flanschen 16 und
17 miteinander verbunden. Die einzelnen Gehäuseabschnitte sind weiterhin durch jeweils
einen konzentrischen Mantel 18a, 18b, 18c umgeben. Dieser Mantel weist in den verschiedenen
Abschnitten jeweils einen Eintrittsstutzen 19a, 19b bzw. 19c sowie einen Austrittsstutzen
20a, 20b bzw. 20c auf. An jeden Mantel ist ein Vibrator 11a, 11b bzw. 11c angesetzt.
Aus der Darstellung der Fig. 3 ist ersichtlich, daß auf einfache Weise nach dem
Baukastenprinzip eine Mischvorrichtung gewünschter wirksamer Länge aufgebaut werden
kann, welche den Anwendungsbedürfnissen in Abhängigkeit von den verarbeiteten Stoffen
optimal angepaßt werden kann.
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Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, daß in jedem Abschnitt 10a,
10b bzw. 10c ein (nicht dargestellter) sogenannter Impfstutzen vorhanden ist, durch
welchen ein Gas oder ein anderes Reaktionsmittel eingeführt und dem Gemisch zugesetzt
werden kann.
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Die Fig. 4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung
die Anbringung bzw. Lagerung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Das Gehäuse 10 mit den oben beschriebenen Einrichtungen ist gemäß der Darstellung
in der Fig. 4 auf zwei Ständern 23 und 24 gelagert, welche jeweils im Bereich des
Einlasses 13 bzw. des Auslasses 14 seitlich an den das Gehäuse 10 konzentrisch umgebenden
Mantel 18 angesetzt sind. Uber einen als Vibrator 11 wirkenden Rüttelmotor wird
die gesamte Gehäuseanordnung in die gewünschte Vibration versetzt. Deshalb ist es
zweckmäßig, die Gehäuseanordnung mit dem Vibrator jeweils über Schwingmetall oder
eine andere geeignete Federung an den Ständern 23 und 24 anzubringen.
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Die (nicht dargestellte) Schwingmetall-Lagerung kann herkömmlicher,
bekannter Art sein. Anstatt des in der Fig. 4 dargestellten Rüttelmotors kann natürlich
auch ein anderer geeigneter Vibrator verwendet werden.
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