DE3413675C2 - Vorrichtung zum Dispergieren oder Emulgieren mindestens zweier Medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zum Dispergieren bzw. Emulgieren einer aus wenigstens zwei Produkten bestehenden Menge mittels eines Scherfeldes, das zwischen mindestens einem Rotor (5) und mindestens einem Stator (2) erzeugt wird, deren einander zugewandte und mit geringem Spalt (s) benachbarte Scherflächen Durchbrechungen für die Durchführung der Menge aufweisen. Es ist der Zweck der Erfindung, die Vorrichtung so auszugestalten, daß auch bei gegenseitigem Kontakt zu einer Zustandsveränderung neigende Produkte dispergiert bzw. emulgiert werden können. Erfindungsgemäß sind für die Zuführung der Produkte wenigstens zwei voneinander getrennte Zuführungskanäle (6, 7) vorgesehen, die direkt in das Scherfeld (21) münden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dispergieren oder Emulgieren mindestens zweier Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus dem DE-GM 75 14 424 bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung sind in der Außenumfangsfläche des Rotors von beiden Stirnflächen ausgehende Schlitze vorgesehen, die zur Zufuhr der Med;en zu dem einzigen Scherfeld zwischen Rotor und Stator dienen. Zur Zufuhr zusätzlicher weiterer Medien sind Zuführkanäle innerhalb des Rotors vorgesehen, die zu den erwähnten Schlitzen korrespondierenden öffnungen in der Umfangswand des Rotors verlaufen. Dadurch ergibt sich offensichtlich ein vergleichsweise komplizierter Aufbau, bei dem auch die Dichtheit der Medien gegeneinander nicht gewährleistet ist, bevor sie in das einzige Scherfeld zwischen Stator und Rotor eintreten.

Aus der DE-OS 27 02 183 ist eine andere Vorrichtung vergleichbarer Bauart bekannt, bei der die beiden Medien zunächst in einer Mischkammer zu mischen und anschließend im Bereich von scherend zusammenwirkenden Werkzeugkränzen zu dispergieren sind. Die Werkzeugkränze sind an einem Rotor und einem Stator ausgebildet, deren einander zugewandte und mit geringem Spalt benachbarte Scherflächen Durchbrechungen für die Durchführung der Medien aufweisen.
Schwierigkeiten treten insbesondere dann auf, wenn mehr als zwei Medien zu dispergieren oder zu emulgieren sind oder v/enn solche Medien zu dispergieren bzw. zu emulgieren sind, die eine Zustandsveränderunj; erfahren, z. B. eine Viskositätsveränderung, oder die in einer anderen Weise reagieren, wenn i:e miteinander in Kontakt geraten. Bei den bekannten Vorrichtungen kann nämlich zum einen aufgrund der Reaktion eine ungleichmäßige Verteilung von Medienieilchen nicht ausgeschlossen werden, ferner kann zum anderen eine große Anzahl der Medienteilchen gar nicht zur Reaktion gelangen und daher später als Fehlstelle in dem Endprodukt vorliegen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Reaktion bei im Scherfcld erzeugten Teilchengrößen von 1 μιη ablaufen.

Das gleiche Problem stellt sich auch bei der Emulgierung von stark unterschiedlich viskosen Medien, /.. B. Silikonöl und Wasser. Silikonöl neigt bekanntlich bei dei Bearbeitung in einem Scherfeld zum Aufbau von extrem hohen Viskositäten. Hierdurch ist es schon aufgrund der Änderung der Eigenschaft des einen Mcdiums eine gleichmäßige Dispersion bzw. Emulsion erschwert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch solche Produkte sicher dispergiert bzw. emulgiert werden können, die bei gegenseitigem Kontakt zu einer Zustandsveränderung neigen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unicran-Sprüche weitergebildet.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Medien vollständig voneinander getrennt zu Durchbrechungen geführt werden, die unmittelbar im

inneren Scherfeld munden, wobei ferner die Zuführungen ausschließlich im Stator ausgebildet sind. Eine Reaktion der Medien kann somit erst im Scherfeld stattfinden, weshalb die Dispergierung bzw. Emalgierung bereits eingeleitet wird, bevor die Medien aufgrund gegenseitigen Kontakts einer Zustandsänderung unterliegen. Die Medien können somit fein zerkleinert und verteilt werden, bevor eine wesentliche Einschränkung und Behinderung dieser Maßnahme aufgrund der Zustandsänderung der Meciien stattfindet. Darüber hinaus ist der Aufbau vergleichsweise unkompliziert, da der Rotor einfach ausgebildet ist und die Trennung und Zufuhr der Medien ausschließlich über den Stator erfolgt, wodurch sich keine Dichtungsprobleme ergeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft für alle Dispergierverfahren, bei denen es auf eine möglichst vollständige Reaktion der beteiligten Medien ankommt oder auch für alle Emulgierverfahren, bei denen mindestens eines der zu verarbeitenden Medien nur sehr schwer in einem freien Turbulenzraum bewegt werden kann, da bei den erforderlichen hohen Strömungsgeschwindigkeiten Viskositäten aufgebaut wenden, die eine exakte Vermischung und kolloidale Verteilung der dispersen Phase nicht zulassen.

Es ist zu erwähnen, daß aus der DE-OS 30 02 429 eine Vorrichtung zum Dispergieren bekannt ist, bei der separate Zuführungskanäle zum Zuführen verschiedener Medien vorgesehen sind, jedoch weist die bekannte Vorrichtung kein für beide Medien gemeinsames Scherfeld auf, in das die Zuführungen direkt münden, im übrigen sollen bei der bekannten Vorrichtung giftige oder fluidisierende Pulver, Gase oder Fluide so unter Niveau eingemischt werden, daß sie keinen Kontakt zur Atmosphäre erhalten.

Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß zumindest zwei .Scherfelder gebildet werden, wodurch der Wirkungsgrad erhöht und die Dispergierung bzw. Emuigierung intensiviert sind. Durch die konzentrische Anordnung der mindestens zwei Scherfelder und die Zufuhr zum inneren Scherfeld wird die Fliehkraft zur Unterstützung der Strömung der Medien ausgenutzt. Durch die Ausbildung der Zuführungen im Stator sind die Zuführungsleilungcn leicht anschließbar, wobei Abdichtprobieme sicher vermieden sind.

Durch die abwechselnde Zufuhr der Medien wird die Dispergierung bzw. Emuigierung verbessert, da die pro Zeiteinheit in das innere Scherfeld eintretenden kleinen Medienmengen grob vorverteilt zugeführt und abwechselnd in das innere Scherfeld eingebracht werden.

Vorteilhaft sind daher c'ne möglichst große Anzahl mündender Durchbrechungen vorgesehen, die vorzugsweise am Umfang gleichmäßig verteilt sind.

Eine einfach und preiswert herstellbare Ausbildung mit kompaker und platzsparender Bauform ist dann erreicht, wenn eine miltige erste Kammer mit radial wegragenden ersten Zuführkanälen und eine diese umgebende ringförmige zweite Kammer vorgesehen sind, von der zunächst axial und dann radial zweite Zuführkanäle zum inneren Scherfeld führen. Die im Vergleich zu den Zuführungen großes Volumen aufweisenden Kammern dienen als Zwischenbehälter und begünstigen die von der Zuflußmenge von Zuführungsleitungen unabhängige Zumessung im Bereich des Scherfeldes. Durch Zuordnung weiterer ringförmiger Kammern mit zunächst axial und dann radial verlaufenden weiteren Zuführkanälen sind mehr als zwei Medien verarbeitbar. Strömlingsgünstig werden die zu verarbeitenden Medien der mittleren Kammer axial und den ringförmigen Kammern radial über Anschlußstutzen zugeführt.

Die Feinverteilung kann dadurch verbessert werden, daß die Durchbrechungen am Rotor im Querschnitt gesehen breiter sind als die am Stator. Aufgrund der unterschiedlichen Querschnitte der Durchbrechungen wird der Medienstrom ungleichmäßig, weshalb eine innigere Vermischung bzw. Feinverteilung stattfindet.

Es sei erwähnt, daß vorzugsweise die Mischung in einem das Gehäuse im wesentlichen ringförmig umgebenden Sammelraum aufgefangen und dann über einen Auslaufstutzen abgeführt werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung zum Dispergieren bzw. Emulgieren einer hier aus zwei Medien bestehenden Menge;

F i g. 2 einen Schnitt durch das Scherfeld der Vorrichtung gemäß der Linie 11-11 in Fig. 1.

Die in Fig. 1 allgemein mit 1 bez/.:hnete Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse ais Stato- 2, einem im Stator 2 um eine Drehachse 3 mittels eines Motors 4 drehbaren Rotor 5 und im einzelnen noch zu beschreibenden, voneinander getrennten Zuführungen 6, 7 von zwei unterschiedlichen, zu dispergierenden bzw. emulgierenden Medien.

Der Rotor 5 ist topfförmig ausgebildet und weist ein Flanschteil 8 auf, von dessen Umfang auf der dem Motor 4 abgewandten Seite eine hohlzylindrische Wand 9 axial vorspringt. Die Wand 9 faßt mit Bewegungsspiel in eine Ringnut 11 des Stators 2 ein, wobei das Bewegungsspiel durch innenseitige und außenseitige Spalte s gebildet ist. Der Stator 2 und die !hohlzyiindrische Wand 9 des Rotors 5 weisen eine Vielzahl auf dem Umfang verteilte Durchbrechungen 12, 13 bevorzugt rechteckigen Querschnitts auf, die sich radial erstrecken und auch radial übereinanderliegen, so daß beim Drehen des Rotors 5 die Durchbrechungen 12,13 wechselseitig ur.i! für

einen kurzen Zeitabschnitt in Überdeckung kommen.

Im Bereich der Durchbrechungen 12, 13 münden aus einem in den topfförmigen Rotor 5 einfassenden Ansatz 14 des Stators 2 eine Vielzahl sich radial erstreckende, von den Zuführungen 6,7 ausgehende Zuführkanäle 15, 16, die wechselseitig angeordnet sind, so daß in Umfangsrichtung ein Zuführkanal 15 der Zuführung 6 einen Zuführkanal 16 der Zuführung 7 folgt, wobei deren mündende Durchbrechungen mit 17,18 bezeichnet sind.

Die einander zugewandten Flächen des Stators 2 und des Rotors 5 bilden mit ihren Kanten 19 im Bereich der Durchbrechungsränd'ir bzw. Mündungsränder ein inneres Scherfeld 21 und ein äußeres Scherfeld 22, die e'm^p. zylindrische Form aufweisen.

Die ~u emulgierenden bzw. dispergierenden Medien werden durch Stutzen 23, 24 zugeführt, an die nirht dargestellte Zuführungsleitungen, z. B. Schläuche angeschlossen sein können. Die Zuführung 6 weist eine zentrische, erste Kammer 25 im Stator 2 auf, von der sich die zugehörigen Verbindungskanäle 15 radial erstrekken und der der sich axial erstreckende Stutzen 23 zugeordnet ist. Die Zuführung 7 weist eine zweite Kammer 26 auf, die sich ringförmig um die erste Ka.-nrner 25 erstreckt und an der der radiale Stutzen 24 angeschlossen ist. Die von der zweiten Kammer 26 ausgehenden Verbindungskanäle 15 erstrecken sich zunächst axial und dann radial, wie schon beschrieben.

Die beiden Medien, die zwecks gegenseitiger Unterscheidung durch kleine Kreise bzw. durch Punkte ge

kennzeichnet sind, werden im Betrieb der Vorrichtung durch die Stutzen 23, 24, durch die Zuführungen 6, 7 (Kammern 25, 26) und durch die Verbindungskanäle 15, 16 voneinander getrennt, zunächst in das innere Scherfeld 21 geführt. Da der Rotor 5 verhältnismäßig schnell dreht, werden die Substanzen der Medien verformt, zerkleinert sowie innig miteinander vermischt und verteilt. Die emulgierte bzw. dispergierte Charge gelangt radial durch die Durchbrechungen 12 des Rotors 5 in das äußere Scherfeld 22, wo die Charge ein zweites Mal frei verteilt und innig miteinander vermischt wird.

Die Scherfelder 21, 22 bzw. die Ringspaite 5 stellen sich somit als Emulgier- bzw. Dispergierzonen dar, in denen eine optimale Feinvermischung und Feinverteilung der Medien erfolgt.

Die Ringspalten 5 sind sehr klein bemessen und so ausgelegt, daß nur Schichtdicken bis ca 0,1 mm auftreion ΔιιίσηιηΗ <-)i*»spr ΑιιςσρςίϊΐΙίΜηρ Wann die S

schwindigkeit entsprechend niedrig bemessen werden, was zu einer enormen Einsparung an Energie und gleichzeitig zu einer sicheren und feinen Emulgierung bzw. Dispergierung führt.

In der allgemein mit 27 bezeichneter. Emulgier- bzw. Dispergierzone sind die Produktteilchen als kleine Kreise und Punkte miteinander vermischt dargestellt (Fig. 1).

Die Charge tritt im Bereich einer Ringkammer 28 des Stators 2 aus den Durchbrechungen 13 aus, die einen die Charge aufnehmenden Speicher darstellt, in dem die Charge ungestört strömen kann. Von der Ringkammer 28 führt radial ein Auslaufstutzen 29 ab, der an seinem freien Ende einen Flansch 31 aufweisen kann, der in vorteilhafter Weise zur Befestigung der Vorrichtung 1 dienen kann. Entsprechende Befestigungsschrauben sind durch strichpunktierte Linien angedeutet.

Die Vorrichtung 1 eignet sich insbesondere zum Dispergieren bzw. Emulgieren solcher Produkte, die bei gegenseitigem Kontakt eine Zustandsänderung erfahren, z. B. chemisch reagieren oder ihre Viskosität ändern. Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung 1 besteht darin, daß die Produkte in voneinander getrennten Zuführungen 6, 7 zugeführt werden und erst in der Emulgier- bzw. Dispergierzone 27 bzw. im inneren Scherfeld 21 miteinander in Kontakt geraten. Während des Eintritts in das innere Scherfeld 21 werden die Substanzen jedoch schon verformt, zerkleinert sowie innig niiteinander vermischt und fein verteilt. Dies führt dazu, daß eine Zustandsveränderung der Substanzen nicht vor der Emulgierung bzw. Dispergierung erfolgt und deshalb die Zustandsveränderung sich nicht nachteilig auf die Vermischung auswirkt. Andererseits ist bei Produkten, die bei gegenseitigem Kontakt chemisch reagieren, der Vorteil erreichbar, daß die chemische Reaktion im Bereich feiner und fein verteilter Substanzen erfolgen kann und deshalb eine vollständige Reaktion stattfindet. Durch Vorsehen weiterer Zuführungen in im wesentliehen gleicher Beziehung zu erster und zweiter Zuführung 6, Γ, insbesondere deren Kammern 25, 26 und deren münr'-inde Durchbrechungen 17, 18 in das innere Scherfeld 21, können auch mehr als zwei Medien in gleicher Weise verarbeitet werden.

Ferner können Rotor 5 und Stator 2 auch mehrere Kränze aufweisen, derart daß mehrere Schcrfelder hintereinander durchströmt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Dispergieren oder Emulgieren mindestens zweier Medien, mit einem als Stator ausgebildeten Gehäuse, mit einem im Gehäuse angeordneten Rotor, mit einander zugewandten, konzentrisch verlaufenden Scherflächen am Stator und am Rotor, mit radial verlaufenden Durchbrechungen am Stator und am Rotor für den Durchtritt der Medien, wobei diese zwischen den Scherflächen scherbar sind, mit Zuführungen in das Gehäuse für die Medien, die getrennt voneinander zuführbar sind, mit sich an die Zuführungen anschließenden getrennten Zuführkanälen, die direkt zwischen den Scherflächen münden, und mit einem Austritt aus dem Gehäuse für die Mischung, dadurch gekennzeichnet, daß Scherflächen des Stators (2) sowohl am Außenumfang des Rotors (5) als auch am Innenumfang des Rotors (5) den Scherflächen des Rotors (5) zur Bildung eines äußeren Scherfeides (22) bzw. eines inneren Scherfeldes (21) gegenüberliegen und daß die Zuführkanäle (15,16) ausschließlich im Stator (2) ausgebildet sind, in dessen im inneren Scherfeld (21) mündenden Durchbrechungen (17,18) sie enden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkanäle (15,16) in Umfangsrichtung abwechselnd in dem inneren Scherfeld (21) münden (F i g. 2).

3. Vorrichtu.-.g nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mündenden D-rchbrechungen (17, 18) aller Zuführkanäle (15, 16) über den Umfang gleichmäßig verteilt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Medien die erste Zuführung (6) eine etwa mittige erste Kammer (25) aufweist, von der sich radial erste Zuführkanäle (15) zum inneren Scherfeld (21) erstrecken, und die zweite Zuführung (7) eine die erste Kammer (25) ringförmig umgebende zweite Kammer (26) aufweist, von der sich zunächst axial und dann radial zweite Zuführkanäle (16) zum inneren Scherfeld (21) erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes weitere Medium jede entsprechende weitere Zuführung eine die erste Kammer (25) und/oder die zweite Kammer (26) ringförmig umgebende weitere Kammer aufweist, von der sich zunächst axial und dann radial weitere Zuführkanäle zum inneren Scherfeld (21) erstrecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (25) einen bevorzugt mittigen sich axial erstreckenden Anschlußstutzen (23) und die zweite Kammer (26) einen radialen Anschlußstutzen (24) für jeweils eine Zuführungsleitung aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (12) am Rotor (5) — im Querschnitt gesehen — breiter (B) bemessen sind als die Durchbrechungen (13) bzw. mündenden Durchbrechungen (17) am Stator (2).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor (5) und Stator (2) so mit mehreren ineinander eingreifenden konzentrischen Kränzen versehen sind, die jeweils Durchbrechungen (12 bzw. 13) aufweisen, daß mehr als zwei Scherfelder hintereinander durchströmbar sind.