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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von feintei-
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ligen Dispersionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer feinteiligen Dispersion, bei dem die zu dispergierenden Phasen einer Scherbeanspruchung
in einer Rotor-Stator-Zahnkranzdispergiermaschine ausgesetzt werden. Die Dispersion
kann dabei aus zwei flüssigen Phasen (Emulsion) oder einer festen und einer flüssigen
Phase (Suspension) bestehen.
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üblicherweise werden Dispersionen mit Hilfe einer Rotor/Stator-Mascine
so hergestellt, daß zunächst kontinuierlich oder diskontinuierlich eine Vormischung
der beiden Phasen erzeugt wird, die anschlie-Bend durch die Rotor/;tator-Dispergiermaschine
strömt.
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Der notwendige Förderdruck wird dabei durch die Rotor/Stator-Maschine
selbst aufgebaut. Es ist auch möglich, die Mischung kontinuierlich in einer Vordispergierzone
der Rotor/Stator-Maschine herzustellen.
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Aufbau und Wirkungsweise von Zahnkranzdispergiermaschinen werden ausführlich
in der Dissertation von W.M.
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Wiedmann, 1975, Univ. Stuttgart behandelt. Charakteristisch für eine
solche Dispergiermaschine ist ein radial und tangential geschlitzter Rotor hoher
Umfangsgeschwindigkeit in einem konzentrischen, ebenfalls radial und tangential
geschlitzten, feststehenden Stator.
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Sowohl der Rotor als auch der Stator besitzen-mehrere Zahnkränze,
so daß das zu dispergierende Medium bei einem Durchgang-mehrmals tangential beschleunigt
und abgebremst wird. Die Dispergierung erfolgt in den radial aufeinanderfolgenden
Zahnkranzpaaren, wobei die inneren zur Vordispergierung und die äußeren zur Feindispergierung
dienen. Häufig sind mehrere Dispergierstufen dieser Art axial hintereinandergeschaltet.
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Das Grundprinzip einer weitverbreiteten, von verschiedenen Firmen
hergestellten Rotor/Stator-Dispergiermaschine zeigt die Fig. 1. Axial sind drei
Paare von Rotor/Stator-Scheiben angeordnet, wobei jede Scheibe zwei bzw. drei konzentrische
Zahnkränze enthält. Die Dispersion wird in den Zahnkranzspalten des Rotors auf Umfangsgeschwindigkeiten
von 20 bis 30 m/s beschleunigt, so daß im Scherspalt zwischen Rotor- und Statorzahnkränzen
eine turbulente Strömung vorherrscht.
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Die Dispersion wird im Scherspalt mehrfach tangential beschleunigt
und abgebremst und durch die Statorzahnbuchten gepumpt. Insgesamt strömt die Dispersion
durch acht Scherspalte zwischen Rotor- und Statorzahnkränzen.
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Auf zusätzliche Pumpen kann verzichtet werden, da das Rotor/Stator-System
den erforderlichen Förderdruck aufbaut.
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Systematische Untersuchungen (Dissertation Wiedmann l.c.) haben ferner
gezeigt, daß die Verweilzeit in der Dispergier ozone keinen Einfluß auf die Dispergierfeinheit
hat und daß der Dispergiereffekt weitgehend unabhängig von der Scherspaltbreite
ist.
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Zur Herstellung von sehr feinteiligen Emulsionen reicht die mit den
bekannten, auf dem Rotor/Stator-Prinzip beruhenden Dispergierverfahren erzielbare
Feinheit der Teilchen oft nicht aus. Will man z.B. mit der der oben beschriebenen
Rotor/Stator-Dispergiermaschine feinteiligere Emulsionen herstellen, müßte man die
Drehzahl des Rotors erhöhen. Dies ist jedoch in der Regel aus technischen Gründen
nicht möglich, da die maschinenbaulich vorgegebene Höchstdrehzahl oft nur geringfügig
über der normalen Betriebsdrehzahl liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von-dem Rotor/Stator-Prinzip
ein Dispergierverfahren zu entwickeln, mit dem feinteilige Emulsionen mit einem
Teilchendurchmesser im Bereich von 0,2m bis 2m hergestellt werden können. Es schien
zunächst, daßdie Lösung dieser Aufgabe nur mit Hilfe von aufwendigeren Maschinen
(Vergrößerung der Antriebsleistung) gelingen würde. Schließlich wurde jedoch ein
ganz anderer Weg eingeschlagen, der von einer modifizierten Rotor/Stator-Dispergiermaschine
ausgeht und bestimmte Betriebsdaten (Verfahrensparameter) vorsieht.
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Erfindungsgemäß wird eine nicht-fördernde Rotor/Stator-Dispergiermaschine
mit nur einem Statorzahnkranz und
einem konzentrisch in einem Abstand
von 0,05 bis 0,6 mm angeordneten Rotorzahnkranz verwendet, der mit einer Umfangsgeschwindigkeit
von 30 bis 100 m/s rotiert. Dabei wird der Durchsatz in der Maschine mit Hilfe einer
Förderpumpe so eingestellt, daß die Verweilzeit eines Flüssigkeitselements in der
Scherzone zwischen 0,001 s und 1 s liegt. Die Verweilzeit ergibt sich dabei aus
dem Quotient von Scherspaltvolumen und Volumenstrom.
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Der Volumenstrom ergibt sich allein aus der Förderleistung der verwendeten
Pumpe. Im Gegensatz zu den bekannten Rotor/Stator-Dispergiermaschinen hat die modifizierte
Vorrichtung keine Pumpwirkung. Das zu dispergierende Gemisch (Voremulsion) muß mit
definiertem Mengenstrom durch die Vorrichtung gepumpt werden. Das Scherspaltvolumen,
das durch Scherspaltlänge, Scherspaltbreite und Rotorumfang vorgegeben ist, hat
entscheidenden Einfluß auf die Dispergierfeinheit. Da die Maßstabsvergroßerung bei
konstanter Scherspaltbreite durch Erhöhung der Scherspaltlänge erfolgt, hat gerade
die Scherspaltbreite entscheidenden Einfluß auf die Dispergierfeinheit. Ebenfalls
entgegen dem Stand der Technik wurde gefunden, daß durch Erhöhung der Verweilzeit
der Emulsion im Scherspalt feinere Partikelgrößen resultieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im wesentlichen darauf, daß
die zur Verfügung stehende Dispergierleistung in nur einer Dispergierzone bei möglichst
kleinem Volumen umgesetzt wird. Auf diese Weise lassen sich hohe volumenbezogene
Dispergierleistungen verwirklichen. Demgegenüber ist bei den bekannten Dis-
pergiermaschinen
von Nachteil, daß die zur Verfügung stehende Dispergierleistung in einem sehr großen
Dispergiervolumen umgesetzt und zusätzlich auch noch auf mehrere Dispergierzonen
aufgeteilt wird. Durch Beschränkung auf ein Scheibenpaar von Rotor und Stator mit
einem einzigen Zahnkranzpaar und durch Reduzierung des Scherspaltvolumens (Produkt
von Scherspaltlänge, Scherspaltbreite und Rotorumfang) konnte das Volumen der Dispergierzone
gegenüber handelsüblichen Maschinen ca. um den Faktor 300 verringert werden. Vorzugsweise
liegt die Scherspaltbreite im Bereich von 0,05 bis 0,1 mm und die Scherspaltlänge
zwischen 0,5 und 1 mm.
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Da die Maschine nur noch eine einzige Dispergierzone hat, wird insgesamt
weniger Energie benötigt. Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen, mit höheren
Rotorumfangsgeschwindigkeiten zu arbeiten. Zu diesem Zweck wird der Rotordurchmesser
und/oder die Drehzahl erhöht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich bei der Emulgierung von dispersen
Systemen mit wäßriger äußerer Phase oder anderen äußeren Phasen vergleichbarer Viskosität
bewährt. Dabei werden die Drehzahl des Rotors und der Durchsatz mittels der Förderpumpe
vorteilhaft so eingestellt, daß in der Scherzone eine Dispergierleistung zwischen
1 kW/cm3 und 200 kW/cm3 umgesetzt wird. Die in der Scherzone umgesetzte Leistung
ergibt sich als Differenz der von der Emulgiermaschine insgesamt aufgenommenen elektrischen
Leistung und der Leerlaufleistung ohne Flüssigkeit. Derart hohe volumenbezogene
Dispergierleistungen konnten bisher mit den üblichen Dispergiermaschinen nicht erreicht
werden.
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Wichtig ist dabei, daß die gesamte verfügbare Leistung in einer wesentlich
kleineren Dispergierzone freigesetzt wird. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen
konnte das Volumen der Dispergierzone gegenüber einer handelsüblichen Maschine bis
um den Faktor 300 verringert werden.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung werden die getrennt zugepumpten
Stoffströme der beiden-Phasen zunächst zu einer Vordispersion vermischt, mit einer
Verweilzeit von 1 s bis 100 s durch ein temperierbares Zwischenvolumen gefördert
und dann der Rotor/Stator-Dispergiermaschine für die Feindispergierung zugeführt.
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Spezielle Ausführungsformen der modifizierten Rotor/ Stator-Dispergiermaschine
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit der Erfindung werden folgende. Vorteile erzielt: a) Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren lassen sich stabile, feinteilige Emulsionen mit einem Teilchengrößenspektrum
herstellen, das mit den auf, dem Markt befindlichen Rotor/Stator-Maschinen nicht
erreicht werden konnte. Dies gilt vor allem für schwer emulgierbare Systeme wie
z.B. Paraffinöl in wäßriger Emulgatorlösung.
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b) Die bessere Energieausnutzung bei höherer volumenbezogener Leistung
ist bezüglich der Energieeinsparung nur bei höherviskosen Dispersionen von Bedeutung.
Viel wichtiger ist jedoch die Vermin-
derung der thermischen Belastung
der Dispersion, weil der für eine bestimmte Feinheit notwendige Energieeintrag durch
höhere volumenbezogene Leistung vermindert werden kann. Dieser Gesichtspunkt spielt
bei der Verarbeitung von thermisch instabilen Dispersionen eine wesentliche Rolle.
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c) Die hohe volumenbezogene Dispergierleistung führt auch dazu, daß
die Gefahr des Verstopfens, Verklebens oder Zusetzens der Dispergierzone deutlich
vermindert wird. Es besteht ein intensiver Selbstreinigungseffekt.
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d) Die modifizierte Rotor/Stator-Dispergiermaschine ist technisch
weniger aufwendig und daher in der Herstellung kostengünstiger. Außerdem lassen
sich bereits vorhandene Maschinen verhältnismäßig leicht umrüsten und in der angegebenen
Weise modifizieren.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Das Prinzip einer Rotor/Stator-Maschine nach
dem Stand der Technik; F-ig. 2 einen Querschnitt durch die modifizierte Rotor/Stator-Dispergiermaschine;
Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht; Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt
aus Fig. 2, um die Scherspaltgeometrie zu verdeutlichen und Fig. 5 die erzielte
mittlere Partikelgröße als Funktion der Verweilzeit im Dispergiervolumen bei verschiedenen
Scherspaltgeometrien (Parameter).
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Fig. 1 wurde schon im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
Es handelt sich dabei um eine bekannte Maschine vom Typ Dispax-Reaktor.
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Die in Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellte neue Ausführung einer Rotor/Stator-Zahnkranzdispergiermaschine
besteht aus einem zylindersymmetrischen Gehäuse 1 mit einem darin befindlichen feststehenden
Stator 2 und einem drehbaren Rotor 3. Der Rotor 3 ist über eine Achse 4 mit einem
geeigneten Antrieb verbunden. Er besteht im wesentlichen aus einer kreisförmigen
Scheibe 5, an deren Umfang Rotorzähne 6 angeordnet sind, die sich in geringem Abstand
an den Statorzähnen 7 vorbeidrehen. Das zu dispergierende Flüssigkeitsgemisch, z.B.
eine Emulsion, wird durch die Öffnung 8 zudosiert, strömt dann radial nach außen
und tritt durch den zwischen den Rotor- und Statorzähnen (6 und 7) verbleibenden
Scherspalt hindurch, wo die Feindispergierung stattfindet. Die fertige Dispersion
wird an der Austrittsöffnung 9 entnommen. Da die Vorrichtung keine Pumpwirkung hat
(nicht selbstfördernd) muß die Strömung mittels einer geeigneten vorgeschalteten
Dosierpumpe aufrechterhalten werden.
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Die Scherspaltgeometrie ist aus Fig. 4 ersichtlich.
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Die Scherzone 10 wird begrenzt durch die Scherspaltlänge 1 und die
Scherspaltbreite s. Durch axiale Verstellung des Rotors kann man erreichen, daß
die Scherspaltlänge l variabel ist und in der Weise dem Durchsatz angepaßt werden
kann, daß die Verweilzeit im Schervolumen auch bei variierendem Durchsatz konstant
bleibt. Die Spaltbreite s beträgt 0,05 bis 0,6 mm, die Spaltlänge 1 0,5 bis 1 mm.
Die radiale Stärke der
Rotor- und der Statorzähne beträgt 1/500
bis 1/50 des Rotor-Zahnkranzdurchmessers. Der Antrieb für den Rotor ist so ausgelegt,
daß am Rotor Umfangsgeschwindigkeiten von 30 bis 100 m/s erzeugt werden können.
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Besonders bewährt hat sich eine Ausführung, bei der der innerhalb
des Statorzahnkranzes 7 angeordnete Rotorzahnkranz 6 aus abriebfestem Kunststoff
gefertigt ist, so daß die Spaltbreite ohne die Gefahr einer Schädigung der Maschine
bis auf 0 reduziert werden kann (Berührung3.
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Durch Wahl eines Kunststoffes mit einem geeigneten Elastizitätsmodul
kann man erreichen, daß sich im Betrieb mit zunehmender Drehzahl aufgrund der Zentrifugalkraft
die Spaltbreite s verringert.
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Es wurde gefunden, daß es zur Herstellung von feinteiligen Emulsionen
darauf ankommt, daß möglichst viel Energie auf kleinstem Raum umgesetzt wird. Bei
dem beschriebenen Verfahren wird dies einerseits durch eine Minimierung des Scherspaltvolumens
und andererseits durch eine Vergrößerung der Drehzahl erreicht.
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Bei einer typischen Ausführung beträgt das Scherspaltvolumen 0,05
cm3, die Drehzahl 10 000 min-1 und die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 73 m/s.
Daraus resultiert eine volumenbezogene Dispergierleistung von 100 kW/cm3. Demgegenüber
beträgt das Gesamtmischvolumen bei einer handelsüblichen, 8-stufigen Rotor/ Stator-Dispergiermaschine
8,4 cm3 und die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors bei einer Drehzahl von max.
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10 000 min höchstens 28 m/s. Im Mittel werden also pro cm3 Mischvolumen
0,1 kW Dispergierleistung aufgebracht; d.h. mehr als drei Zehnerpotenzen weniger
als
bei den neuentwickelten einstufigen Maschinen.
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Als Förderorgan kann eine Zahnraddosierpumpe benutzt werden, die die
Voremulsion mit einem definierten Durchsatz der modifizierten Rotor/Stator-Maschine
zuführt.
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Das Verfahren kann auch für eine kontinuierliche Betrieb weise ausgebaut
werden. Dementsprechend besteht eine Weiterentwicklung darin, daß mit einem zusätzlichen
Mischsystem aus den getrennt zugepumpten Stoffströmen beider Phasen eine Vordispersion
erzeugt wird, die über ein temperierbares Zwischenvolumen, in dem die Verweilzeit
zwischen 1 s und 100 s eingestellt werden kann, dem Rotor/ Stator-Zahnkranzpaar
für die Feindispergierung zugeführt wird. Dabei besitzt zweckmäßig das Mischsystem
für die Vormischung den selben Antrieb wie das Rotor-Zahnkranzpaar für die Feindispergierung.
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Um die bei der Dispergierung erzeugte Wärme abzuführen, sind der Stator
sowie die Rohrleitungen, durch die die fertige Dispersion abgeführt wird, mit einem
Kühlkreislauf versehen. Die Kühlung wird dabei so eingestellt, daß die Dispersion
0,1 s bis 10 s nach der Dispergierung auf die Temperatur vor der Dispergierung abgekühlt
ist.
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Eine bevorzugte Möglichkeit, die Verweilzeit in der Dispergierzone
aufzuteilen besteht darin, daß ein Teilstrom zwischen 50 und 90 % des Gesamtstroms
nach der Dispergier ozone abgezweigt und erneut im Kreislauf der Dispergierzone
zugepumpt wird. Zweckmäßig wird auch in diese Beipassleitung ein Wärmetauscher (Kühlung)
eingebaut.
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Ausführungsbeispiel Eine 20 %ige Paraffinölemulsion, bestehend aus
20 % Paraffinöl und 80 % Wasser, wurde mittels einfachem Rührwerk vorgemischt und
mit der Apparatur gemäß Fig.
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2 - 4 dispergiert. In Fig. 5 ist die erzielte mittlere Partikelgröße
als Funktion der Verweilzeit, die sich aus dem Quotienten von Schervolumen und Durchsatz
errechnet, aufgetragen. Parameter ist die volumenbezogene Dispergierleistung in
kW/cm3, die durch Variation der Scherspaltgeometrie (Scherspaltbreite s und Scherspaltlänge
1) eingestellt wurde. Die Partikelgröße wurde im Bereich = 3ßm mit Hilfe der dynamischen
Lichtstreuung bestimmt.
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Oberhalb 3ßm wurden mikroskopische Methoden benutzt.
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Man erkennt, daß ein einheitlicher Zusammenhang besteht zwischen Partikelgröße,
volumenbezogener Dispergierleistung und Verweilzeit in der Dispergierzone. Zum Vergleich
sind in das Diagramm die Ergebnisse bei einer konventionellen 8-stufigen Rotor/Stator-Dispergiermaschine
eingetragen, die mit gleicher Leistung gefahren wurde. Dabei ergab sich eine volumenbezogene
Dispergierleistung von nur 0,1 kW/cm3. Die damit erzielten Meßergebnisse entsprechen
der Geraden am rechten oberen Bildrand.
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Män erkennt deutlich die Vorteile des neuen Verfahrens.
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Schon mit einer Dispergierleistung von 2,1 kW/cm3 konnte bei gleicher
Verweilzeit in der Dispergiermaschine eine Verringerung der Partikelgröße um eine
Zehnerpotenz erreicht
werden. Mit der volumenbezogenen Dispergierleistung
von 120 kW/cm3 (erste Gerade am linken Rand der Figur) ließ sich die gleiche Teilchenfeinheit
schon bei einer 200 mal kleineren Verweilzeit erzielen.