DE3319921A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von feinteiligen dispersionen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von feinteiligen dispersionen

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von feintei-
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufbau und Wirkungsweise von Zahnkranzdispergiermaschinen werden ausführlich in der Dissertation von W.M.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf zusätzliche Pumpen kann verzichtet werden, da das Rotor/Stator-System den erforderlichen Förderdruck aufbaut.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Spezielle Ausführungsformen der modifizierten Rotor/ Stator-Dispergiermaschine sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Fig. 1 wurde schon im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert. Es handelt sich dabei um eine bekannte Maschine vom Typ Dispax-Reaktor.
  • 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.
  • Die Scherspaltgeometrie ist aus Fig. 4 ersichtlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als Förderorgan kann eine Zahnraddosierpumpe benutzt werden, die die Voremulsion mit einem definierten Durchsatz der modifizierten Rotor/Stator-Maschine zuführt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiel Eine 20 %ige Paraffinölemulsion, bestehend aus 20 % Paraffinöl und 80 % Wasser, wurde mittels einfachem Rührwerk vorgemischt und mit der Apparatur gemäß Fig.
  • 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.
  • Oberhalb 3ßm wurden mikroskopische Methoden benutzt.
  • 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.
  • Män erkennt deutlich die Vorteile des neuen Verfahrens.
  • 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.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1) Verfahren zur Herstellung einer feinteiligen Dispersion, bei dem die zu dispergierenden Phasen einer Scherbeanspruchung in einer Rotor/Stator-Zahnkranzdispergiermaschine ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht-fördernde Rotor/Stator-Maschine mit nur einem Statorzahnkranz und einem konzentrisch in einem Abstand von 0,05 mm bis 0,6 mm (Scherzone) angeordneten Rotorzahnkranz verwendet wird, der mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 bis 100 m/s rotiert und daß der Durchsatz in der Maschine mittels Förderpumpen. so eingestellt wird, daß die Verweilzeit eines Flüssigkeitselements in der Scherzone zwischen 0,001 s und 1 s liegt.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Scherzonengeometrie disperse Systeme mit-wäßriger äußerer Phase oder anderen äußeren Phasen vergleichbarer Viskosität die Drehzahl und der Durchsatz so eingestellt werden, daß in der Scherzone eine Dispergierleistung zwischen 1 kW/cm3 und 200 kW/cm3 umgesetzt wird.
  3. 3) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator, sowie die von der erzeugten Dispersion durchströmten Rohrleitungen, derart gekühlt werden, daß die Dispersion innerhalb von 1 s bis 10 s nach der Dispergierung auf die Temperatur vor der Dispergierzone abgekühlt ist.
  4. 4) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom zwischen 50 und 90 % des Gesamtstromes nach der Dispergierzone abgezweigt und erneut im Kreislauf der Dispergierzone zugeführt wird.
  5. 5) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die getrennt zugepumpten Stoffströme der beiden Phasen zu einer Vordispersion vermischt werden, die mit einer Verweilzeit von 1 s bis 100 s durch ein temperierbares Zwischenvolumen dem Rotor/ Stator-Zahnkranzpaar für die Feindispergierung zugeführt wird.
  6. 6) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 5 mit einer Dispergiermaschine nach dem Rotor/Stator-Prinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispergiermaschine aus einem einzigen Rotor/Stator-Zahnkranzpaar mit einer Spaltbreite s zwischen 0,05 mm und 0,6 mm und einer Spaltlänge 1 zwischen 0,5 mmund 1 mm besteht und daß das Rotor/Stator-Zahnkranzpaar mit einem Antrieb versehen ist, der eine Drehzahl aufweist, die einer Rotor-Umfangsgeschwindigkeit zwischen 30 m/sec und 100 m/sec entspricht und der in der Scherzone eine volumenbezogene Dispergierleistung zwischen 1 kW/cm3 und 200 kW/cm3 erzeugt.
  7. 7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb des Statorzahnkranzes angeordnete Rotorzahnkranz aus einem abriebfesten Kunststoff gefertigt ist.
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