DE2954535C2 - - 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 Pulsa­ tionsapparat bekannt, der mehrere nach dem gleichen Funktionsprinzip arbeitende Stufen aufweist, die von der zu behandelnden Flüssigkeit nacheinander kontinuier­ lich durchströmt werden. Die tangential am oberen Ende eines Gehäuses eintretende Flüssigkeit gelangt über eine zentrale Durchlaßöffnung in die oberste Dispergierstufe, in welcher ein mit nach unten weisenden Stiften besetzter Stator mit einem auf einer durchgehenden Antriebswelle befestigten scheibenförmigen Rotor zusammenwirkt, auf dessen Oberseite gegenüber den Stator-Stiften auf Lücke gesetzte Stiftreihen angeordnet sind. Zwischen dem radialen Außenrand der Stator-Rotor-Kombination und der Gehäuse­ innenwand sind Strömungskanäle vorgesehen, in denen bei der hochtourigen Verdrehbewegung des Rotors vertikale Ringströme erzeugt werden. Durch die zusammenwirkenden und auf Lücke gesetzten Stifte bzw. Zähne der Stator- Rotor-Kombination entstehen in der Flüssigkeit hoch­ frequente Druckpulsationen, die den angestrebten Dis­ pergier- bzw. Zerkleinerungseffekt bewirken. Die be­ handelte Flüssigkeit verläßt die erste Stufe nach ra­ dial auswärts und wird durch ortsfeste Leitelemente nach radial innen zur nächstfolgenden Stufe geleitet. Der dritten - gleich aufgebauten - Stufe sind ebenfalls sich nach radial innen trichterförmig verjüngende Leit­ elemente nachgeordnet, welche die behandelte Flüssig­ keit in den Einwirkungsbereich eines am unteren Ende der Antriebswelle befestigten Schaufelrades leiten. Dieses Schaufelrad versetzt die behandelte Flüssigkeit in eine horizontale Ringströmung, so daß sie durch ei­ ne poröse bzw. gelochte Trennwand hindurch tangential aus dem Gehäuse abgeführt werden kann. Trotz der Mehr­ stufigkeit dieses Pulsationsapparates ist sein Disper­ gier- und Zerkleinerungseffekt doch nicht optimal, und zwar insbesondere aufgrund der sich in den einzelnen Stufen ausbildenden vertikalen Ringströmungen. Darüber hinaus ist durch die Mehrstufigkeit der Energieaufwand dieses bekannten Pulsationsapparates relativ hoch.

Ferner ist aus der US-PS 39 98 433 ein Mischgerät bekannt, mit dem pulverförmige Materialien fortlaufend angefeuchtet bzw. mit einer Flüssigkeit gemischt wer­ den können. Diese Flüssigkeit befindet sich in einem oberen Behälter und fließt an den Wänden eines zentra­ len Überlauftrichters in Form eines Filmes in eine un­ mittelbar anschließende Mischkammer. Das anzufeuchtende Pulver wird über ein Zentralrohr vertikal von oben in den Trichter und in die Mischkammer eingeführt. An der Unterseite des Behälterbodens sind Zähne bzw. Stifte in mehreren Reihen befestigt, in deren Zwischenräume Gegen­ zähne greifen, die an der Oberseite eines scheibenförmi­ gen Rotors angeordnet sind. Durch eine Drehbewegung des Rotors wird das anzufeuchtende Pulver zusammen mit der an den inneren Trichterwänden abfließenden Flüssigkeit durch die Wirkung der sich aneinander vorbeibewegenden Zahnreihen gemischt und nach radial außen transportiert. Ein Dispergier- bzw. Zerkleinerungseffekt wird bei die­ ser Vorrichtung weder angestrebt, noch erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pulsations­ apparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emul­ sion und/oder einer Suspension zu schaffen, welche die feindisperse Einmischung einer zusätzlichen Kom­ ponente in den zu behandelnden Flüssigkeitsstrom er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Das Einführen der zusätzlichen Gemischkomponen­ te direkt in den Flüssigkeitsstrom erfolgt unter einem Überdruck, der die zusätzliche Gemischkomponente durch die feinen Öffnungen in den Behälterwänden hindurch­ drückt und auf diese Weise bereits einen Dispergier­ effekt erzeugt.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Er­ findung können die Behälterwände feinporös sein, wo­ bei eine im Behälter angeordnete Heizvorrichtung die zusätzliche Gemischkomponente verdampft und auf diese Weise einen Durchtritt der Dampfbläschen durch die feinporige Behälterwandung ermöglicht. Die schroffe Abkühlung an der Außenseite der Behälterwandung führt zu der Umwandlung der zusätzlichen dampfförmigen Ge­ mischkomponente in ein feindisperses Kondensat. Die feinen Kondensatteilchen bilden eine Art von Zentren, welche von Teilchen anderer Komponenten umhüllt wer­ den, was die Ausbildung eines hochstabilen feindisper­ sen Flüssigkeitsgemischs fördert.

Die Wände des Behälters in der Vormischkammer können auch aus einem elastischen Werkstoff bestehen, wobei in diesem Fall die zusätzliche Komponente Fest­ stoffteilchen enthält, welche durch den die Behälter­ öffnungen durchfließenden Flüssigkeitsstrom aufgelöst bzw. zerkleinert werden. Beim Durchtritt des Flüssig­ keitsstroms durch die perforierten Behälterwände ent­ stehen federnde Schwingungen, welche ein Steckenblei­ ben der einzelnen Feststoffteilchen in den feinen Öff­ nungen der Behälterwände vermeiden und eine vollstän­ dige Auflösung bzw. Zerkleinerung der Feststoffteil­ chen fördern.

Die Ausführung des Behälters als torusförmiger Ringkern sichert einen besonders gleichmäßigen Durch­ gang der Gemischströmung durch die gelochten Behälter­ wände sowie eine intensive Umspülung des Behälters. Auf diese Weise wird die Herstellung eines hochstabilen und feindispersen Flüssigkeitsgemischs mit einer ein­ fachen und betriebssicheren Vorrichtung gewährleistet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Pulsationsapparat im Axial­ schnitt;

Fig. 2 einen anderen Pulsationsapparat eben­ falls im Axialschnitt.

Der dargestellte Pulsationsapparat besitzt ein zylindrisches Gehäuse 1 mit vertikaler Längsachse. Im oberen Teil des Gehäuses 1 ist eine zylindrische Vormischkammer 2 vorgesehen, die von den Gehäusewän­ den begrenzt wird. Eine Einlaßöffnung 3 für das zu be­ handelnde Flüssigkeitsgemisch befindet sich im oberen Teil der Seitenwand der Vormischkammer 2. Im mittle­ ren Teil des Gehäuses 1 ist eine Mischkammer 4 vorge­ sehen, welche mit der Vormischkammer 2 über einen zen­ tralen Kanal 5 verbunden ist. In der gleichachsig zur Vormischkammer 2 angeordneten zylindrischen Mischkammer 4 befindet sich ein Rotor-Stator-System 6, 7, das im Flüssigkeitsstrom hochfrequente Druckpulsationen er­ zeugt. Der scheibenförmige Rotor 6 ist an einer An­ triebswelle 8 starr befestigt, die zentral im Gehäuse 1 die Vormischkammer 2 und die Mischkammer 4 durchragt. Ein auf dem Deckel 1 a des Gehäuses 1 montierter Elek­ tromotor 9 treibt die Welle 8 an.

Der Stator 7 wird von der unteren Trennwand der Mischkammer 4 gebildet, die mit dem gleichen Bezugs­ zeichen 7 versehen ist. An der Oberfläche dieser Trenn­ wand 7 sind trapezförmige Zähne 10 symmetrisch zur Ge­ häuse-Längsachse in konzentrischen Kreisen gleichmäßig und nach Radien im gleichen Abstand voneinander befe­ stigt.

Der scheibenförmige Rotor 6 hat eine ebene Ober­ fläche und trägt an seiner Unterseite den Stator-Zähnen ähnliche Zähne 11, die in konzentrischen Kreisen ange­ ordnet sind und in die Zwischenräume zwischen den Sta­ tor-Zähnen 10 greifen. Bei einer Drehbewegung der An­ triebswelle 8 kommen die Rotor-Zähne 11 in die Nähe der Stator-Zähne 10, wodurch im Flüssigkeitsstrom Druck­ pulsationen erzeugt werden, welche den Dispergierungs­ grad der Emulsion und/oder der Suspension steigern.

In der Gehäuselängsachse ist in der unteren Trenn­ wand eine zentrale Auslaßöffnung 12 vorgesehen, durch welche das Flüssigkeitsgemisch in eine untere zusätz­ liche Mischkammer 15 abfließt.

An der Antriebswelle 8 sind in der Vormischkammer 2 Schaufeln 13 symmetrisch zur Gehäuselängsachse starr befestigt, deren konvexe Seite der Drehrichtung ent­ gegengesetzt ist. Diese Schaufeln 13 fördern das Flüssig­ keitsgemisch von der Einlaßöffnung 3 durch die Vormisch­ kammer 2 in die Mischkammer 4. An der Antriebswelle 8 sind in der Mischkammer 4 weitere Schaufeln 14 starr be­ festigt, deren Funktion und Wirkungsweise derjenigen der Schaufeln 13 entspricht.

Im unteren Teil des Gehäuses 1 ist die zusätzliche Mischkammer 15 koaxial zu den beiden Kammern 2, 4 ange­ ordnet. Auf der Antriebswelle 8 sind in der Kammer 15 zwei Reihen von elastischen Schaufeln 16, 17 starr be­ festigt. An den Seitenwänden der zusätzlichen Misch­ kammer 15 sind ebenfalls elastische Schaufeln 18 be­ festigt, die zwischen die Reihen der elastischen Schau­ feln 16, 17 eingreifen. Die elastischen Schaufeln 16, 17, 18 erzeugen einen zusätzlichen Dispergiereffekt in dem Gemisch. Am Boden der zusätzlichen Mischkammer 15 ist ein Sicherheitsventil 19 angeordnet, um den sich beim Dispergieren entwickelnden Gasdruck abzubauen. Ferner ist im Boden der zusätzlichen Mischkammer 15 eine Auslaßöffnung zum Abziehen der fertigen feindis­ persen Emulsion und/oder Suspension ausgeführt.

In der Vormischkammer 2 befindet sich bei der Aus­ führung nach Fig. 1 ein Behälter 21, der über eine Rohrleitung 23 mit einer Quelle 22 für mindestens ei­ ne zusätzliche Komponente des herzustellenden Gemischs in Verbindung steht. Die Wände des Behälters 21 weisen eine Vielzahl von Öffnungen auf. Beim Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 ist die zusätzliche Komponente flüssig und wird von der Quelle 22 über eine Rohrleitung 23 un­ ter Druck in den Behälter 21 eingeführt. Die Öffnungen in den Behälterwänden sind Poren. Im Behälter 21 befin­ det sich ein Heizelement 24, das die flüssige Komponen­ te im Behälterinneren verdampft. Beim Gasaustritt durch die Poren der Behälterwände wird die verdampfte Kompo­ nente kondensiert. Das im Behälter 21 untergebrachte Heizelement 24 ist an eine nicht dargestellte Strom­ quelle angeschlossen. Die Behälterwände bestehen aus Metallpulver.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 hat der Behälter 25 in der Vormischkammer elastische Wände. Die zusätzliche Komponente enthält Feststoffteilchen, die von dem den Behälter 25 durchfließenden Gemisch­ strom aufgelöst bzw. zerkleinert werden. Die Abmessun­ gen der Öffnungen in den Behälterwänden werden ent­ sprechend der Größe der Feststoffteilchen bestimmt.

Die Behälter 21 bzw. 25 sind in Form eines Ring­ kernes ausgeführt, der symmetrisch zur Gehäuselängs­ achse angeordnet ist.

Der Pulsationsapparat nach Fig. 1 arbeitet wie folgt:

Beim Einschalten des Elektromotors wird die An­ triebswelle 8 in hochtourige Umdrehungen versetzt. Das Flüssigkeitsgemisch gelangt über die Einlaßöff­ nung 3 in die Vormischkammer 2 und fließt unter der Einwirkung der Schaufeln 13, 14 durch den Kanal 5 aus der Vormischkammer 2 in die Mischkammer 4. Während der Drehbewegung des Rotors im Flüssigkeitsgemisch werden unter Einwirkung der erzeugten Druckwellen Gasbläschen gebildet und anschließend zerrissen. Die dabei ent­ stehenden hochfrequenten Mikroexplosionen erzeugen einen wirksamen Zerkleinerungseffekt der Flüssigkeits­ teilchen.

Die zusätzliche flüssige Komponente tritt unter Druck aus der Quelle 22 über die Rohrleitung 23 in den Behälter 21 ein, in welcher sie durch die Wirkung der Heizelemente verdampft und in Form von Mikro­ tropfen die porösen Behälterwände durchdringt sowie an deren Außenseite auskondensiert. Diese auskonden­ sierten Mikrotropfen werden von Tropfen des in der Vormischkammer strömenden Flüssigkeitsgemisches um­ hüllt, was ein hochstabiles Flüssigkeitsgemisch mit hohem Dispergiergrad ergibt.

Bei der hochtourigen Drehbewegung des Rotors 6 durchströmt das Flüssigkeitsgemisch periodisch die Spalträume zwischen den Rotorzähnen 11 und den von den Seitenflächen der Statorzähne 10 gebildeten Nu­ ten oder zwischen den Statorzähnen 10 und den an den Seiten der Rotorzähne 11 gebildeten Nuten. Dabei er­ geben sich periodische Unterbrechungen des Flüssig­ keitsstromes und turbulente Druckpulsationen in Form eines Wellenfeldes, was die Steigerung des Dispergier­ grades fördert. Aus der Mischkammer 4 gelangt das flüssigkeitsgemisch in die zusätzliche Mischkammer 15, in welcher es zusätzlichen Pulsationen unterzo­ gen wird, und zwar einer niederfrequenten Vibrations­ wirkung durch die Drehbewegung der elastischen Schau­ feln 16, 17 und einer hochfrequenten Vibrationswirkung, die in der zusätzlichen Mischkammer 15 durch die Wir­ kung der Antriebswelle 8 auf den Flüssigkeitsstrom er­ zeugt wird. Das fertige hochdisperse Gemisch wird schließlich über die Auslaßöffnung 20 in einen Spezial­ behälter abgezogen.

Die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Pul­ sationsapparates entspricht im wesentlichen der vor­ stehend beschriebenen. Bei dieser Ausführung werden jedoch aus der Quelle 22 über die Rohrleitung 23 Fest­ stoffteilchen in den Behälter 25 als zusätzliche Kom­ ponente gefördert. Beim Hindurchtritt des Flüssigkeits­ gemisches durch die Wandöffnungen des Behälters 25 lö­ sen sich die Feststoffteilchen auf. Die entstehenden Schwingungen der elastischen Behälterwände fördern eine weitgehende Auflösung und Zerkleinerung der Fest­ stoffteilchen und verhindern das Steckenbleiben einzel­ ner Teilchen in den Wandöffnungen.

Der vorstehend beschriebene Pulsationsapparat er­ möglicht die Herstellung eines Flüssigkeitsgemisches aus schwer mischbaren Komponenten, z. B. Benzin und Wasser, Dieselkraftstoff und Wasser usw. mit einem ausreichend hohen Dispergiergrad und einer Beständig­ keit von 7 bis 20 h, was die Verwendung des so behan­ delten Flüssigkeitsgemisches als Kraftstoff für Brenn­ kraftmaschinen ermöglicht. Dabei ergeben sich erhebli­ che Verringerungen der Toxizität der Auspuffgase, eine um etwa 10% verbesserte Wirtschaftlichkeit und eine gewisse Leistungssteigerung der Brennkraftmaschinen.

Der beschriebene Pulsationsapparat kann vorteil­ haft in wärmetechnischen Anlagen zur Herstellung von hochdispergierten stabilen anderen Brennstoffflüssig­ keiten verwendet werden. Ferner ist sein Einsatz in der Bauindustrie zur Herstellung von Baustoffen so­ wie in der chemischen Industrie zur Herstellung von z. B. verschiedenen Klebstoffen und Imprägniermitteln für Gewebe zweckmäßig. Weitere Einsatzgebiete sind die Nahrungsmittelindustrie, die pharmazeutische In­ dustrie und die Möbelindustrie zur Herstellung von dekorativen Deckschichten, Farben und Lacken.

Claims (7)

1. Pulsationsapparat zum kontinuierlichen Herstellen einer Emulsion oder einer Suspension mit einem Gehäuse, mit einer Vormischkammer und einer mit ihr verbundenen Misch­ kammer in dem Gehäuse, wobei die Vormischkammer eine Einlauföffnung und die Mischkammer eine Auslauföffnung für die hergestellte Emulsion bzw. Suspension aufweist, und mit einem drehbaren Rotor und einem feststehenden Stator in der Mischkammer zur Erzeugung einer Pulsation des Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zugabe einer zusätzlichen Komponente in die Vor­ mischkammer (2) eine Leitung (23) einmündet, die mit einer Quelle (22) außerhalb der Vormischkammer verbun­ den ist, daß innerhalb der Vormischkammer ein Behälter (21, 25) angeordnet ist, der mit der Leitung (23) ver­ bunden ist, und daß die Wände des Behälters (21, 25) eine Vielzahl von Öffnungen für den Durchtritt der zu­ sätzlichen Komponente in die Vormischkammer aufweist.

2. Pulsationsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Behälter Poren sind, und daß die zusätzliche Komponente eine bis zu ihrem Siedepunkt aufgeheizte Flüssigkeit ist, welche die Poren dampf­ förmig durchströmt und in der Vormischkammer feindispers auskondensiert.

3. Pulsationsmischkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter (21) eine Heizung (24) angeordnet ist.

4. Pulsationsmischkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Behälters (21) aus Metallpulver her­ gestellt sind.

5. Pulsationsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Behälters (25) aus einem elastischen Werkstoff bestehen und daß die in den Behälter einge­ führte zusätzliche Komponente Feststoffteilchen ent­ hält.

6. Pulsationsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (21, 25) in Form eines Ringkerns ausge­ bildet und symmetrisch zur Längsachse der Vormisch­ kammer (2) angeordnet ist.

7. Pulsationsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des Behälters (21, 25) ein an der durch­ gehenden Rotorwelle (8) befestigtes Schaufelrad (13) angeordnet ist.