DE3627428A1 - Kontinuierlich arbeitender rotations-mischer-dispergator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einrich­ tungen zur Bildung verschiedener hochkonzentrierter Emul­ sionen, Suspensionen und Pasten, insbesondere betrifft sie einen kontinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdisperga­ tor, der zur Herstellung von feindispersen Gemischen aus ineinander unlöslichen Flüssigkeiten, zur Dispergierung fester Phasen in Flüssigkeiten, zur Homogenisierung und Dispergierung von Komponenten pastenartiger und zäher Stoffe verwendet werden kann.

Die zur Zeit bestehenden unterschiedlichen Typen von Rotationsmischern sind zur Behandlung entweder nur flüssi­ ger Komponenten oder Suspensionen oder aber zäher und pasten­ artiger Materialien bestimmt. Dieser Umstand machte es not­ wendig, über eine große Typenvielfalt von Rota­ tionsmischern zu verfügen, die zur Behandlung konkreter Stoffe bestimmt sind. Produktionsbetriebe, bei denen das Programm des technologischen Zwischenprozesses die Behand­ lung verschiedener Materialien, von den flüssigen bis zu den pastenartigen, vorsieht, oder bei denen der Ausstoß der fertigen Produktion in Form solcher Stoffe vorgesehen ist, müssen bauartlich verschiedenartige Ausrüstungen, die zur Behandlung verschiedener flüssiger und pastenarti­ ger Stoffe bestimmt sind, sowie entsprechende Einrichtungen zur Reparatur und Bedienung dieser Ausrüstungen besit­ zen. So muß z. B. in der Bauindustrie in verschiedenen Tätigkeitsstufen die Behandlung verschiedener Stoffe vor­ nehmen: feste Einschlüsse in Flüssigkeiten und Pasten di­ spergieren (abdichtende wasserdispergierbare Mastix, Spach­ telmassen, Klebemischungen usw.); ineinander unlösliche flüssige Stoffe behandeln (Gemische von Wasser und Öl in verschiedenen Verhältnissen, Schmier- und Imprägnierlö­ sungen, verschiedene flüssige Emulsionen, die bei Putzar­ beiten notwendig sind); nach Bedarf wasserdispergierbare Färbemittellösungen und Tünchen zubereiten; verschiedene untauglich gewordene wasserdispergierbare Mischungen und Fargmischungen wiederherstellen. Somit ist bei der her­ kömmlichen Behandlung für die Ausführung jeder der aufge­ zählten Operationen eine eigens vorgesehene Bauart des be­ handelten Apparates erforderlich.

Bei dieser konstruktiven Mannigfaltigkeit der existie­ renden Rotationsmischer, die zur Behandlung dieser oder je­ ner Stoffe bestimmt sind, verfügen sie alle über einen Sta­ tor mit einem Eintrittsstutzen und einem Austrittsstutzen und über einen im Stator konzentrisch angeordneten Rotor. In Abhängigkeit von den physikalischen Kennwerten der Aus­ gangskomponenten, solchen wie Viskosität, Korngrößenvertei­ lung der festen Einschlüsse und ihre Schlagfestigkeit, und je nach dem erforderlichen Grad der Behandlung von Stof­ fen besitzt der Rotor verschiedene Arbeitselemente, welche diesen oder jenen Behandlungsprozeß realisieren.

So besitzt ein bekannter kontinuierlich arbeitender Ro­ tationsmischer (siehe z. B. den UdSSR-Urheberschein Nr. 10 11 219, IPK B 01 F 7/00), der zur Behandlung von flüssi­ gen Komponenten bestimmt ist, in Form von Schraubenflügeln ausgebildete Arbeitselemente, die auf der Seite des Zustroms des zu behandelnden Mediums mit Quertrennwänden versehen sind.

Eine solche Ausführung der behandelnden Arbeitslemen­ te ist durch den weit bekannten Mechanismus der Bildung von Emulsionen bedingt (V. M. Ivanov, B. B. Kantorovich "Verbren­ nungsemulsionen und -suspensionen", SS. 54-55, Verlag Metallurgizdat, 1963).

Zur Behandlung von flüssigen und schwerlöslichen Kom­ ponenten und zur Herstellung von Emulsionen aus ihnen wird eine Einrichtung verwendet (siehe z. B. den UdSSR-Urheber­ schein Nr. 7 01 681, Int. Kl. B 01 F 7/28), in welcher als Arbeitselemente Längszähne benutzt werden. Bei ihrer Ver­ schiebung rufen sie Kavitationsprozesse in dem zu behandeln­ den Medium hervor, was die Behandlung der Flüssigkeiten be­ günstigt.

Einrichtungen, die zur Behandlung eines Gemisches von einer Flüssigkeit mit einem festen Körper in unterschied­ lichem Verhältnis bestimmt sind, verfügen über Arbeitsele­ mente, die in Form von Scheiben mit verschiedener geometri­ scher Konfiguration der Oberfläche ausgebildet sind. Die mit hoher Drehzahl rotierenden Scheiben erzeugen an der Grenze des Kontaktes mit dem zu behandelnden Stoff hohe Tangentialspannungen, was bekanntlich zur Dispergierung fester Einschlüsse in der Flüssigkeit führt (siehe das Buch von F. Strenk "Vermischen und Apparate mit Mischern", SS. 66-65, 72-73, Verlag Khimiya, 1975).

Die Arbeitselemente von Apparaten, die zur Homogeni­ sierung hochviskoser und pastenartiger Komponenten be­ stimmt sind, stellen in konstruktiver Hinsicht Schnecken- bzw. Bandmischer oder keilförmige Längselemente dar. Solch eine Ausführung der Arbeitselemente gestattet es, in dem zu behandelnden Medium Schubspannungen und Scherkräfte zu erzeugen, wodurch ein hoher Homogenisierungsgrad des Me­ diums herbeigeführt wird.

Somit werden die Prozesse der Bildung von Emulsionen, der Dispergierung der festen Phase in Flüssigkeiten (Sus­ pendieren), der Homogenisierung von zähen und pastenarti­ gen Stoffen durch unterschiedliche phy­ sikalische Behandlungsprinzipien an verschiedenen Arbeits­ elementen und folglich in verschiedenen Bauarten von Rota­ tionsmischern zustande gebracht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kontinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdisperga­ tor mit einer solchen konstruktiven Ausführung seiner Ar­ beitselemente (der Schraubenflügel des Rotors) zu schaffen, dank denen ein und derselbe Rotations-Mischerdispergator zur Behandlung verschiedener Stoffe - von den flüssigen bis zu den zähen und pastenartigen - eingesetzt werden könnte.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im kon­ tinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdispergator, der einen Stator mit einem Eintrittsstutzen und einem Aus­ trittsstutzen enthält, in welchem Stator ein Rotor mit Schraubenflügeln und einem Pumpenflügelrad konzentrisch an­ geordnet ist, erfindungsgemäß jeder Schraubenflügel durch trapezförmige Vorsprünge zweier Typen gebildet ist, die über die Länge des Schraubenflügels einander abwechseln und unter Belassung eines Spalts angeordnet sind, wobei die Höhe jedes Vorsprungs des einen Typs und dessen Breite am Scheitel größer sind als die Höhe jedes Vorsprungs des andern Typs und dessen Breite am Scheitel.

Diese Ausführung der Schraubenflügel bietet die Möglich­ keit, den Prozeß der Behandlung von Stoffen gleichzeitig mit der Förderung derselben über den Strömungsteil des Mischers von dem Eintritts- bis zum Austrittsstutzen zu realisieren. Außerdem werden im gesamten Volumen des zu behandelnden Stoffes, der sich im Strömungsteil des Mi­ schers befindet, Bedingungen geschaffen zur Bildung von ro­ tierenden Zirkulationsströmungen, die einen unterschied­ lichen Verdrehungsgrad haben; zum Ausziehen des zu disper­ gierenden flüssigen Mediums zu einem Faden kritischer Län­ ge, wobei hierzu bekannte Prinzipien der Bildung von Emulsi­ onen mit angewendet werden; zur nach dem bekannten Prin­ zip erfolgenden Erzeugung beträchtlicher Tangentialspan­ nungen und Scherkräfte in zähen und pastenartigen zu be­ handelnden Materialien sowohl innerhalb ihrer Struktur als auch an der Berührungsfläche der Vorsprünge des Rotors und der Innenfläche des Stators. Die unterschiedliche Höhe der Vorsprünge zweier Typen schafft Bedingungen zur Entste­ hung von Kavitationserscheinungen in flüssigen Komponenten, was zur Intensivierung von Dispergierungsprozessen zusätz­ lich beiträgt und in pastenartigen Stoffen erhebliche Scher­ kräfte bildet. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Ausfüh­ rung der Schraubenflügel es, verschiedene Stoffe (im ge­ samten Bereich von den flüssigen bis zu den pastenartigen) zu behandeln, und je nach der Art des zu behandelnden Stof­ fes verschiedene Behandlungsprinzipien zu realisieren.

Die Vorsprünge des einen Typs, die eine kleinere Höhe und Breite haben, können mit einer größeren Dicke als die Dicke der Vorsprünge des anderen Typs ausgeführt sein. Dem­ nach erfüllen die Vorsprünge verschiedene Funktionen. Der breitere Vorsprung erzeugt mit seiner Fläche auf der An­ strömungsseite eine Verdrehung des zu behandelnden Mediums zu transversalen rotierenden Zirkulationsströmungen und be­ günstigt die Förderung des Produktes der Behandlung über die Länge des Apparates sowie die Übertragung des er­ forderlichen Impulses zu dem zu behandelnden Medium gemäß der bekannten Eulerschen Gleichung. Überdies erzeugen die genannten Oberflächen (die Fläche des breiteren Vorsprungs) ein beträchtliches Feld von Fliehkräften im Schaufelraum des Strömungsteils des Apparates. Alle entstandenen Strö­ mungen tragen je nach der Viskosität des zu behandelnden Mediums zur Erzeugung einer entwickelten Mikro- und Makro­ turbulenz, einer Kavitation, von räumlichen Schubspannungen (Tangentialspannungen) in seinem Volumen bei, was die Ef­ fektivität und Intensität der Behandlung dieser oder jener Materialien (Stoffe) wesentlich beeinflußt.

Die Vorsprünge der Schraubenflügel, die eine größere Höhe und Breite haben, können auf der arbeitenden Seite des Schraubenflügels eine Keilform aufweisen.

Die Keilform zerteilt die Strömung der Flüssigkeit oder der zähen und pastenartigen Stoffe und leitet sie in die zwischen den unterschiedlichen Vorsprüngen gebildeten Spal­ te, wo beim Umlauf des Rotors erhebliche Gradienten der Tangentialspannungen und das Feld von Fliehkräften erzeugt werden. Außerdem zerstört diese Form der Kanten infolge von beim Umlauf des Rotors entstehenden Schlag- und Scherwir­ kungen die Struktur der Einschlüsse der festen und der flüs­ sigen Phase in dem zu behandelnden Medium.

Jeder Schraubenflügel wird zweckmäßigerweise in der Bewegungsrichtung des zu behandelnden Stoffes in der Höhe abnehmend ausgeführt, was es gestattet, die Intensität von Dispergierungs- und Homogenisierungsprozessen je nach der Vorwärtsbewegung des zu behandelnden Mediums im Strömungsteil des Apparates von dem Eintritts- bis zum Austrittsstutzen zu steigern.

Am Rotor des Dispergators kann man zwischen den schraubenförmigen Arbeitselementen und dem Pumpenflügelrad eine Scheidewand mit Austragsöffnungen anbringen, die sich zwischen den benachbarten Schraubenflügeln befinden, was eine Regelung der Verweilzeit des zu behandelnden Mediums in den Arbeitselementen des Rotors gestattet und hierdurch den vorgegebenen Grad der Behandlung dieses oder jenes Stoffes sicherstellt.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels des kontinuierlich arbeitenden Rotations-Mischerdispergators gemäß der Er­ findung unter Hinweisen auf Zeichnungen erläu­ tert; es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt des Rotations-Mischerdisper­ gators;

Fig. 2 den Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 die Gesamtansicht des Rotors mit vereinfacht darge­ stellten Flügeln;

Fig. 4 einen Flügelabschnitt, vergrößert.

Der kontinuierlich arbeitende Rotations-Mischerdisper­ gator besteht aus einem Stator 1 (Fig. 1, 2), der einen Eintrittsstutzen 2 und einen Austrittsstutzen 3, einen Kühlraum 4, Abschlußdeckel 5 und Stutzen 6 für Ein- und Auslauf eines Kühlmediums besitzt, und aus einem Rotor 7, an welchem mehrere Schraubenflügel 8 (Fig. 3) und ein Pum­ penflügelrad 9 angebracht sind, das sich unter dem Aus­ trittsstutzen 3 (Fig. 1) befindet. Der Rotor 7 ist auf ei­ ner Antriebswelle 10 angeordnet.

Jeder Schraubenflügel 8 ist durch trapezförmige Vor­ sprünge 11 und 12 von jeweils zwei Typen A und B gebildet, die einander über die Länge des Schraubenflügels abwech­ seln, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Vorsprünge 11 und 12 sind mit einem Spalt 13 voneinander angeordnet.

Die Höhe h ( Fig. 4) und die Breite a am Scheitel der Vorsprünge 11 vom Typ A sind größer als die Höhe h ₁ und die Breite a ₁ am Scheitel der Vorsprünge 12 vom Typ B.

Die Dicke b ₁ der Vorsprünge 12 vom Typ B ist größer als die Dicke b der Vorsprünge 11 vom Typ A.

Die Vorsprünge 11 vom Typ A weisen auf der arbeiten­ den Seite des Schraubenflügels 8 (das heißt auf der Seite des anlaufenden zu behandelnden Mediums) eine Keilform auf, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Der Unterschied der geometrischen Parameter und der Konfiguration der Vorsprünge 11 und 12 sowie das Vorhanden­ sein von Spalten zwischen ihnen gestatten es, den Gesamt­ strom in einzelne Volumina in der gesamten Masse des zu be­ handelnden Stoffes, der sich im Strömungsteil des Apparates befindet, aufzuteilen und in ihnen Bedingungen zur Emulgie­ rung, Dispergierung und Homogenisierung des Mediums zu schaffen.

Jeder Schraubenflügel 8 ist in der Bewegungsrichtung des zu behandelnden Mediums in der Höhe abnehmend ausge­ führt, wie dies aus Fig. 1 erkennbar ist, was durch steti­ ge Vergrößerung des Durchmessers des Rotors 7 in Richtung zum Pumpenflügelrad 9 erreicht werden kann, wobei der Außen­ durchmesser der Schraubenflügel 8 konstant bleibt.

Am Rotor 7 ist hinter den Schraubenflügeln 8 eine Scheidewand 14 mit Austragsöffnungen 15 angebracht, die sich zwischen den benachbarten Schraubenflügeln befinden.

Die Vorsprünge 11 und 12 der Typen A und B, welche den Schraubenflügel 8 bilden, sind derart angeordnet, daß ihre Seitenflächen auf der zur Anströmung entgegengesetzten Sei­ te auf einer Linie C-C liegen, wie dies in Fig. 2 ge­ zeigt ist, wodurch hinter dem Schraubenflügel 8 eine Unter­ druckzone erzeugt werden kann, welche in diesem Bereich Ka­ vitationserscheinungen begünstigt.

Dank der vorstehend beschriebenen Form der Vorsprün­ ge 12 (Fig. 1) und 11 bilden sich zwischen den Scheiteln dieser Vorsprünge und der Innenfläche des Stators jeweili­ ge Spalte 16 und 17 unterschiedlichen Durchgangsquerschnitts, welche einen stufenförmigen Durchströmkanal 18 bilden, wie es aus Fig. 2 erkennbar ist.

Hierbei wird vor dem Vorsprung 12 dank seiner größe­ ren Dicke ein Hohlraum 19 gebildet, der seitlich durch die Vorsprünge 11 begrenzt ist.

Die Arbeit des erfindungsgemäßen Rotations-Mischer­ dispergators geht in folgender Weise vor sich.

Ein zu behandelndes Medium (Flüssigkeit mit fester Pha­ se oder Flüssigkeit mit Flüssigkeit) wird über den Eintritts­ stutzen 2 (Fig. 1) in den Strömungsteil des Dispergators zu­ geführt und füllt denselben aus. Mittels der Welle 10 wird der Rotor 7 mit den an ihm angebrachten Schraubenflügeln 8 in Umdrehungen versetzt. Unter der Einwirkung der umlauf­ enden Vorsprünge 11 und 12 der Schraubenflügel bewegt sich das zu behandelnde Medium, welches unter der Wirkung des Feldes von Fliehkräften steht, in den durch die Vorsprün­ ge 11 und 12 begrenzten Räumen und in den Spalten 13 zwi­ schen ihnen zum peripheren Teil der Schraubenflügel. Bei ihrer Bewegung werden die Komponenten des flüssigen zu dispergierenden Mediums zu Fäden ausgezogen und zerklei­ nert. Gleichzeitig wird das zu behandelnde Medium durch die spitzen Kanten der Vorsprünge 11 in die Spalte 13 zwi­ schen den Vorsprüngen 11 und 12 geleitet, wo es sich in einem intensiven Beschleunigungsfeld befindet, welches um so größer ist, je höher die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ist. Bei ihrer Bewegung erfahren die ineinander un­ löslichen Komponenten große Geschwindigkeitsgradienten im Querschnitt ihres Bewegungsweges in den Spalten 13, 16 und 17. Dies ruft eine Reibung zwischen den einzelnen Strö­ mungen sowie eine intensive Reibung des Mediums in den Hohl­ räumen 19 und in den Spalten 13 hervor. Die Reibung zwi­ schen den einzelnen Strömungen und die Reibung des Stro­ mes an den Vorsprüngen 11 und 12 der Schraubenflügel 8 des Rotors führt zur Zerkleinerung der festen Phase in der Flüssigkeit, zum Ausziehen der zu dispergierenden Masse der ineinander unlöslichen Flüssigkeiten um eine Länge, bei wel­ cher die Selbstbrechung der Flüssigkeitselemente geschieht.

Beim Ablauf von den Schraubenflügeln 8 erfährt das zu behandelnde Medium eine Schlagverformung beim Schlag gegen die Innenfläche des Stators 1, was zur weiteren Zerklei­ nerung des Stoffes beiträgt. An der Schlagstelle ist eine stark entwickelte Turbulenz wegen jäher Veränderungen der Geschwindigkeitsrichtung und -größe zu verzeichnen. In die­ sem Bereich hat die Strömung eine räumliche Absolut- und Relativbewegung.

Der größere Teil des zu behandelnden Stoffes wird zu relativen transversalen Zirkulationsströmungen durch die Oberflächen der Vorsprünge 12 verdreht, wo der Zerkleine­ rungsprozeß wegen der zwischen den Teilchen vorhandenen Reibung andauert, während ein gewisser Teil des Stoffes durch die Spalte 16 und 17 zwischen Stator 1 und Rotor 7 hindurchgedrückt wird. Hiernach gelangt das zu behandelnde Medium in die Zone der U-Kavitation auf der Rückseite des Arbeitsflügels, wo es verschiedenen Turbulenz- und Kavita­ tionseinwirkungen ausgesetzt wird, was die Intensität der Dispergierung und Homogenisierung erhöht. Die gebildeten Zirkulationsströmungen wirken zusammen (erfahren eine Rei­ bung) sowohl innerhalb ihrer Struktur als auch untereinan­ der sowie auch mit den Oberflächen der Vorsprünge 11 und 12 der Schraubenflügel 8 des Rotors 7 und mit der Innenflä­ che des Stators 1. Die Wechselwirkung verschiedener Strö­ mungen des zu behandelnden Mediums erfolgt in des Disper­ gators. Bei seiner Bewegung längs des Rotors 7 durchläuft das Medium die aufeinanderfolgende Zerkleinerungsbehand­ lung in jedem Hohlraum 19, im stufenförmigen Druchström­ kanal 18 und in den Spalten 13. Da der Rotordurchmesser allmählich zunimmt, wird es möglich, die Zer­ kleinerungsintensität über die Länge des Strömungsteils zu steigern, weil mit der Abnahme der Höhe des Schraubenflü­ gels 8 die Geschwindigkeit des zu behandelnden Mediums am Eintritt in jeden Hohlraum 19 bei konstanten Drehzahlen des Antriebsmotors größer wird. Hierbei werden Bedingungen für eine allmähliche Dispergierung des Stoffes bei dessen Bewegung im Strömungsteil des Apparates geschaffen. Die Scheidewand 14 mit den Austragsöffnungen 15 bestimmt die Verweilzeit des zu behandelnden Stoffes in der Zone der ak­ tiven Einwirkung des Arbeitsorgane, d. h. in der Zone der Stoffbehandlung. Des weiteren gelangt das behandelte Medi­ um, das vorgegebene physikalisch-chemische Parameter be­ sitzt, auf das Pumpenflügelrad 9, das eine Druckhöhe im Austrittsstutzen 3 erzeugt, die den fertigen Stoff zum Verbraucher fördert.

Der Prozeß der Dispergierung und Homogenisierung geht im Apparat unter intensiver Entwicklung von Wärmeenergie vonstatten. Zum Entzug der entwickelten Wärmeenergie und zur Gewährleistung einer normalen Temperaturführung des Prozesses der Stoffdispergierung wird dem Hohlraum 4 des Stators über die Stutzen 6 ein Kühlmedium zu- und abge­ führt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist einfach in Her­ stellung und Bedienung, ist betriebssicher und wirtschaft­ lich. Ihr Einsatz wird es gestatten, verschiedene Gemi­ sche mit feindisperser Struktur und hoher Qualität zu er­ halten.

Claims (5)

1. Kontinuierlich arbeitender Rotations-Mischer­ dispergator, der einen Stator (1) mit einem Eintrittsstut­ zen (2) und einem Austrittsstutzen (3) enthält, in welchem ein Rotor (7) mit Schraubenflügeln (8) und einem Pumpen­ flügelrad (9) konzentrisch angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Schraubenflügel (8) durch trapezförmige Vorsprünge (11 und 12) von jeweils zwei Typen (A und B) gebildet ist, die über die Länge des Schraubenflügels (8) einander abwechseln und mit einem Spalt (13) zwischen sich angeordnet sind, wobei die Höhe (h) jedes Vorsprungs (11) vom Typ (A) und dessen Breite (a) am Scheitel größer als die Höhe (h ₁) jedes Vor­ sprungs (12) vom Typ (B) und dessen Breite (a ₁) am Schei­ tel sind.

2. Rotations-Mischerdispergator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (12) vom Typ (B) eine größere Dicke (b ₁) als die Dicke (b) der Vorsprünge (11) vom Typ (A) aufweisen.

3. Rotations-Mischerdispergator nach den Ansprüchen 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprün­ ge (11) vom Typ (A) auf der arbeitenden Seite des Schrauben­ flügels (8) eine Keilform aufweisen.

4. Rotation-Mischerdispergator nach den Ansprüchen 1- 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schrau­ benflügel (8) in der Bewegungsrichtung des zu behandelnden Mediums in der Höhe abnehmend ausgeführt ist.

5. Rotations-Mischerdispergator nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Schraubenflügeln (8) am Rotor (7) vor dem Pumpenflü­ gelrad (9) eine Scheidewand (14) mit Austragsöffnungen (15) angebracht ist, die sich zwischen den benachbarten Schrau­ benflügeln (8) befinden.