DE2953838C1 - Pulsationsapparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emulsion oder einer Suspension - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pulsationsapparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emulsion oder einer Suspension der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 28 82 149 ist ein derartiger Apparat zum Mischen, Dispergieren und Homogenisieren von Flüssig­ keitsgemischen bekannt, bei dem in einem zylindrischen Gehäuse insgesamt drei Stator-Rotor-Systeme übereinander angeordnet sind, die jeweils eine Behandlungsstufe für das Flüssigkeitsgemisch darstellen. Jeder Stator ist unterhalb einer zentralen Einströmöffnung angeordnet und als mit nach unten weisenden Zahnreihen besetzte Ringscheibe ausgebildet. Die scheibenförmigen Rotoren sind an einer durchgehenden Antriebswelle befestigt und tragen an ihrer Oberfläche mindestens eine Zahn­ reihe, die gegenüber den Zahnreihen am Stator radial versetzt sind, so daß die Stator- und die Rotor-Zähne auf Lücke ineinandergreifen. Die zu behandelnde Flüssig­ keit wird in eine Vorkammer durch einen tangentialen Einlaufstutzen zugeführt und fließt durch ein trichter­ förmiges Leitelement in den Wirkungsbereich des obersten Stator-Rotor-Systems. Durch die Drehbewegung der Rotoren werden aufgrund der Zusammenwirkung der sich relativ zueinander bewegenden Zahnreihen vorzugs­ weise radial gerichtete Teilströmungen erzeugt. Zwischen der äußeren Umfangsfläche des Stators und der Behälterinnenwand ist in jeder Stufe ein vertikaler Ringkanal ausgebildet, in dem beim Betrieb des Rotors vertikale Wirbelströmungen erzeugt werden. Die sich an­ einander vorbeibewegenden Zähne des Stators und des Rotors und die vertikalen Ringströmungen führen zu einer intensiven Vermischung verschiedener Flüssigkeits­ komponenten, haben jedoch einen für hohe Ansprüche unzu­ reichenden Dispergiereffekt, weil die durch die Zahnbe­ wegungen erzeugten Strömungsänderungen keine ausreichend intensiven Pulsationen in der im Apparat strömenden Flüssigkeit hervorrufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pulsationsapparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emulsion oder einer Suspension zu schaffen, der die Erzeugung von intensiven quergerichteten Druckpulsationen im flüssigen Gemischstrom und dadurch hocheffektive Dispergiereffekte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 gelöst. Das durch die in der Seitenwand des Stutzens angeordnete Einströmöffnung in den Innenraum des Stutzens einströmende Flüssigkeits­ gemisch trifft auf die als elastisch verformbares Leit­ element wirkende Buchse, welche durch die Strömungs­ energie der turbulenten Strömung in Schwingungen ver­ setzt wird und dadurch im strömenden Flüssigkeitsgemisch Druckpulsationen erzeugt, die sich mit den vom Stator- Rotor-System erzeugten Pulsationen überlagern. Die in Form einer Buchse ausgeführten elastischen Leit­ elemente können auf einfache Weise gegen andere mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften ausge­ tauscht werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können an der Buchse innere Falten in Form von z.B. mehrgängigen Schraubengewinden ausgeführt sein, was Pulsationen der Buchse selbst ermöglicht, welche die quergerichteten Wellenpulsationen beim Durchströmen des Flüssigkeitsgemischs durch die Buchse verstärkt. Die Ausbildung der inneren Falten als mehrgängiges Schraubengewinde erhöht die Frequenz der erzeugten Druckpulsationen.

Die Buchse kann auch an ihrer Außenseite ringförmige oder spiralförmige Rippen aufweisen, was eine Intensi­ vierung der Pulsationen durch intermittierende ela­ stische Verformungen der Innenwandabschnitte der Buchse sowie ggf. auch eine zusätzliche Verdrehwirkung des Flüssigkeitsstromes ergibt.

Der erfindungsgemäße Pulsationsapparat ist kostengünstig in der Herstellung, hat geringe Abmessungen, ist be­ triebssicher und einfach in der Bedienung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzel­ nen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Pulsationsapparat im Axialschnitt mit einer glatten elastischen Buchse im Einlauf­ stutzen;

Fig. 2-4 Axialschnitte des Einlaufstutzens mit unterschiedlich geformten elastischen Buchsen.

Der in Fig. 1 dargestellte Pulsationsapparat weist im oberen Teil seines Gehäuses 1 eine im wesentlichen zy­ lindrische Vormischkammer 2 auf, in deren oberen Quer­ wand ein Einlaß 3 für das in den Pulsationsapparat einströmende Flüssigkeitsgemisch zentral angeordnet ist. Im mittleren Teil des Gehäuses 1 befindet sich eine Mischkammer 4, die über einen zentralen Kanal 5 mit der Vormischkammer in Strömungsverbindung steht. In der gleichachsig zur Vormischkammer 2 angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Mischkammer 4 ist ein Stator-Rotor-System 7, 6 angeordnet, welches im Gemisch­ strom pulsierende Änderungen der Strömungswiderstände erzeugt. Der scheibenförmige Rotor ist starr an einer zentralen Antriebswelle 8 befestigt, welche die Vor­ mischkammer und die Mischkammer durchragt und von einem auf dem oberen Teil des Gehäuses 1 montierten Elektro­ motor 9 angetrieben wird. Als Stator 7 dient die untere Trennwand der Mischkammer 4, auf deren Oberfläche trapezförmige Zähne in konzentrischen Kreisen symme­ trisch zur Längsachse angeordnet sind. Die obere Fläche des Rotors 6 ist eben und an seiner unteren Fläche sind den Zähnen 10 des Stators zugekehrte trapezförmige Zähne 11 befestigt, deren Form und Abmessung denen der Stator-Zähne 10 entspricht. Die Radien der konzen­ trischen Zahnreihen der Stator-Zähne 10 und der Rotor- Zähne 11 sind unterschiedlich, so daß die Rotor-Zähne zwischen die Stator-Zahnreihen eingreifen. Beim Durch­ strom des Flüssigkeitsgemisches von radial außen nach innen werden aufgrund der Wirkung der sich aneinander vorbeibewegenden Zähne hochfrequente Strömungsände­ rungen im Flüssigkeitsgemisch erzeugt, die Druckpul­ sationen und damit einen gesteigerten Dispergiergrad hervorrufen. Aus der Mischkammer 4 fließt das behan­ delte Flüssigkeitsgemisch durch eine in der unteren Trennwand der Mischkammer 4 vorgesehene zentrale Aus­ laßöffnung 12 in eine untere zusätzliche Kammer 15, die im Gehäuse 1 gleichachsig zu den Kammern 2 und 4 angeordnet ist.

An der Antriebswelle 8 sind in der Vormischkammer 2 Schaufeln 13 symmetrisch zur Längsachse starr befestigt, die eine gekrümmte Profilsehne besitzen, deren Ausbau­ chung in die dem Drehsinn entgegengesetzte Richtung weist. Diese Schaufeln erzeugen den notwendigen Gemisch­ strom vom Einlaß 3 durch die Vormischkammer 2 in die Mischkammer 4. In der Mischkammer 4 sind an der Antriebs­ welle 8 weitere Schaufeln 14 starr befestigt, deren Be­ stimmung, Form und Anordnung denen der Schaufeln 13 entspricht.

In der im unteren Teil des Gehäuses 1 vorgesehenen zu­ sätzlichen Kammer 15 erfolgt eine weitere Vermischung und Dispergierung des Flüssigkeitsgemisches. An der An­ triebswelle 8 sind in der Kammer 15 zwei Reihen von elastischen Schaufeln 16, 17 starr befestigt. An den Seitenwänden der Kammer 15 sind weitere elastische Schaufeln 18 befestigt, die zwischen die Schaufelkränze 16, 17 hineinreichen. Die Schaufeln 16 bis 18 bewirken eine zusätzliche Verdrehung und Dispergierung des Ge­ misches. Am Boden der Kammer 15 ist ein Sicherheits­ ventil 19 zur allmählichen Verminderung des sich beim Dispergieren von Flüssigkeitsgemischen entwickelnden Gasdrucks sowie eine Öffnung 20 zum Auslassen des fertigen Gemisches vorgesehen.

An die Einlauföffnung 3 ist ein Stutzen 21 angeschlossen, der am Gehäuse 1 starr befestigt ist. An der Innenseite des Stutzens 21 sind Elemente 22 aus einem elastischen Material angeordnet, die bei der Ausführung nach Fig. 1 als elastische glatte Buchse 22 ausgeführt sind. Auf­ grund ihrer Elastizität werden von der Buchse 22 inten­ sive turbulente Pulsationen und Wirbelströmungen sowie quer zur Strömungsrichtung verlaufende Wellen erzeugt, was eine Intensivierung der Kavitationsvorgänge und eine Erhöhung des Dispergier- und Homogenisierungsgrades des Flüssigkeitsgemisches bewirkt. Die Buchse 22 ist im Stutzen 21 gleichachsig angeordnet und liegt mit ihrer Außenfläche an dessen Innenfläche an.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 weist die Buchse 23 an ihrer Innenfläche Falten auf, welche einen weiter ge­ steigerten Dispergiereffekt ergeben. Zweckmäßig haben die Falten die Form eines mehrgängigen Schraubengewin­ des, was zu einer zusätzlichen Verdrehung des Flüssig­ keitsgemisches führt.

Gemäß Fig. 3 weist die elastische Buchse 24 an ihrer Außenfläche Rippen 25 auf, die an der Innenfläche des Stutzens 21 anliegen. Die Rippen 25 sind als Ringe aus­ gebildet, die in unterschiedlichen Abständen voneinan­ der angeordnet sind. Wie in Fig. 4 dargestellt, können die Rippen 25 a an der Außenfläche der elastischen Buchse 24 auch in einer Spirale verlaufen.

Im Stutzen 21 sowie in dessen Buchse 22, 23, 24 ist eine seitliche Eintrittsöffnung 26 vorgesehen, durch welche das zu behandelnde Flüssigkeitsgemisch einge­ führt wird.

Der vorstehend beschriebene Pulsationsapparat arbeitet wie folgt:

Beim Einschalten des Elektromotors 9 werden durch die An­ triebswelle 8 die Schaufelkränze 13, 14, 16, 17 und der scheibenförmige Rotor 6 in Drehbewegung versetzt. Das durch die Eintrittsöffnung 26 in den Stutzen 21 einfließende Flüssigkeitsgemisch wird durch die ein Leitelement darstellende elastische Buchse in eine Rotationsströmung verdreht. Gleichzeitig entstehen im Flüssigkeitsgemisch Querwellen durch die Schwingungen der elastischen Buchse 22. Das Gemisch strömt durch die Einlauföffnung 3 in die Vormischkammer 2 und aus dieser durch die Wirkung der Schaufeln 13, 14 über den Kanal 5 in die Mischkammer 4. Durch die sich in den verschiedenen Teilen des Pulsationsapparates än­ dernden Strömungsbedingungen werden die in jeder Flüssigkeit enthaltenen Gasanteile in Form von Gas­ bläschen freigesetzt, welche unter der Wirkung der Druckpulsationen und -wellen zusammen mit den an ihnen anhaftenden Flüssigkeitspartikeln der verschiedenen Gemischkomponenten zerrissen werden. Die dabei auf­ tretenden hochfrequenten Mikroexplosionen und die freigesetzte Energie haben einen erheblichen Verklei­ nerungseffekt auf die Flüssigkeitsteilchen. Diese Druckpulsationen sind in erster Linie auf periodische Unterbrechungen der Strömung des Flüssigkeitsgemisches durch die sich aneinander vorbeibewegenden Zahnreihen des Stators und des Rotors zurückzuführen. Die im Bereich der elastischen Buchse erzeugten Querwellen wirken mit den Längswellen zusammen und führen zu einer intensivierten Dispergierung der verschiedenen Komponenten des Flüssigkeitsgemisches.

Nach dem Passieren der Mischkammer 4 fließt das Flüssigkeitsgemisch in die nachgeschaltete Kammer 15 und wird in dieser einer zusätzlichen Vibrationswir­ kung unterworfen, und zwar aufgrund der von den ela­ stischen Schaufeln 16 bis 18 erzielten Effekte. Das fertige hochdisperse Flüssigkeitsgemisch wird schließ­ lich über die Auslaßöffnung 20 in einen Spezialbehäl­ ter abgezogen.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Pulsationsapparat können Flüssigkeitsgemische aus schwer mischbaren Komponenten, z.B. aus Benzin und Wasser, Dieselöl und Wasser od. dgl. mit einem ausreichend hohen Dispergier­ grad und einer Haltbarkeit von 7 bis 20 h hergestellt werden, die als Kraftstoffe für Brennkraftmaschinen geeignet sind. Derartige Kraftstoffe ergeben eine sprunghafte Verminderung der Toxizität der Auspuffgase, eine um bis zu 10% verbesserte Wirtschaftlichkeit und eine gewisse Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.

Pulsationsapparate gemäß der Erfindung können auch in Wärmekraftanlagen zur Herstellung von hochdispersen flüssigen Brennstoffen eingesetzt werden. Ferner sind sie zur Herstellung von Baustoffen, von Klebstoffen und Imprägniermitteln, von Lebensmitteln, pharmazeu­ tischen Erzeugnissen und Dekorationsüberzügen geeignet.

Claims (5)

1. Pulsationsapparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emulsion oder einer Suspension mit einem Ge­ häuse, mit einer Vormischkammer und einer mit ihr durch einen Kanal verbundenen Mischkammer in dem Gehäuse, mit mindestens einem Einlaßstutzen an der Vormischkammer und einem Gemischauslauf an der Mischkammer und mit einem Rotor und einem Stator in der Mischkammer zur Erzeugung pulsierender Widerstands­ änderungen im strömenden Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß der Stutzen (21) eine seitliche Eintrittsöffnung (26) für das zuströmende Gemisch aufweist, daß im Stutzen (21) an dessen Innenwand eine Buchse (22) anliegt und daß das Material der Buchse (22) elastisch ist, so daß in dem zuströmenden Gemisch Pulsationen erzeugt werden, welche mit den vom Rotor/Stator- System (6, 7) erzeugten Pulsationen zusammenwirken.

2. Pulsationsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (23) innere Falten in Form eines mehr­ gängigen Schraubengewindes aufweist.

3. Pulsationsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (24) äußere Rippen (25, 25 a) aufweist, die an der Innenwand des Stutzens (21) anliegen.

4. Pulsationsapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (25) ringförmig sind und unterschied­ liche Zwischenabstände haben.

5. Pulsationsapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (25 a) der Buchse (24) spiralförmig verlaufen.