DE3919828C2 - Schlaufenreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schlaufenreaktor mit einem zylin­ drischen Reaktorgehäuse, dessen eine Stirnwand eine Einlaßseite für das zu bearbeitende Produkt und dessen andere Stirnwand eine Auslaßseite für das bearbeitete Produkt bildet und in dem ein inneres Leitrohr eine Mischkammer einer endlosen Mischschlaufe bildet, in der das Produkt aufgrund eines Einpreßdruckes auf der Einlaßseite oder aufgrund einer in der Mischkammer angeordneten Förderschnecke in der Mischkammer von der Einlaßseite zur Auslaß­ seite und auf der Außenseite des Leitrohres von der Auslaßseite zur Einlaßseite umläuft.

Derartige Schlaufenreaktoren sind für die Bearbeitung von Flüssig­ keiten unterschiedlicher Viskosität, einschließlich sehr hoher Viskosität, beispielsweise durch die DE 25 16 284 B2 bekannt. Insbesondere in der Lebensmittelverfahrenstechnik spielen der­ artige Schlaufenreaktoren eine große Rolle für das Mischen, Emul­ gieren, Homogenisieren, Suspendieren, Aufschlagen, Glattrühren, Unterziehen usw. von zu bearbeitenden Flüssigkeiten und ggf. Feststoffen. Je nach Anwendungsfall sind derartige Schlaufenreak­ toren als statische Reaktoren oder dynamische Reaktoren ausgebil­ det. Bei statischen Reaktoren wird das zu bearbeitende Produkt in die Mischkammer eingepreßt, wodurch der Produktumlauf in der Mischschlaufe und der Austritt des bearbeiteten Produktes auf der Ausgangsseite bewirkt wird. Bei dynamischen Mischern, die insbe­ sondere für hochviskose Materialien verwendet werden, befindet sich in der Mischkammer eine Förderschnecke, deren Antriebswelle aus der die Einlaßseite bildenden Stirnwand heraus geführt und mit einem Antriebsmotor verbunden ist. Bei den dynamischen Reaktoren ist es auch bekannt, am stromabwärts gelegenen Ende der Mischkam­ mer eine rotierende Werkzeuganordnung vorzusehen, die in der be­ kannten Ausführungsform eine Scheranordnung mit einer Vielzahl von auf den Umfangswänden eines Rotors und eines Stators, der die Um­ fangswand der Mischkammer im wesentlichen fortsetzt, angeordneten Schlitzen ist.

Die Scheranordnung bewirkt beispielsweise die Verkleinerung von Tröpfchen bei Emulsionen. Bei den bekannten dynamischen Mischern ist der Rotor der Scheranordnung mit der Welle der Förderschnecke verbunden, so daß der Rotor gemeinsam mit der Förderschnecke in Rotation versetzt wird. Mit einem derartigen dynamischen Mischer mit der Scheranordnung lassen sich durchschnittliche Tröpfchen­ größen von 2,5 µ in einer Emulsion herstellen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für manche Anwendungsfälle eine wei­ tere Verbesserung der Scherwirkung wünschenswert ist, z. B. für die Homogenisierung von Milch, deren Tröpfchen kleiner als 1 µ sein sollten, um ein Aufsahnen der Milch zu vermeiden. Die Erhöhung der Dispergierleistung könnte durch eine Verengung der Spalte von Ro­ tor und Stator der Scheranordnung erreicht werden. Hierdurch wird jedoch die Strömungsgeschwindigkeit durch die Schlitze verringert, außerdem werden bei höherviskosen Produkten erhebliche Belastungen des Rotorantriebs wirksam, die einer Verengung der Spalte entge­ gensteht.

Aus der DE-AS 11 81 675 ist eine Vorrichtung zum Mischen und gleichzeitigen Be- und Entgasen von Flüssigkeiten bekannt, deren Gehäuse aus einem stirnseitig verschlossenen Rohr besteht, das sich an einem oberen Ende erweitert. Ein inneres Leitrohr besteht aus jeweils drei Wänden und bildet ein System aus ringförmigen Kanälen, in dem die Flüssigkeit bezüglich der Länge der Mischvor­ richtung abwechselnd aufwärts und abwärts bewegt wird. Der Antrieb der Flüssigkeit erfolgt durch Ausnutzung der Zentrifugalkraft, indem das innere Leitrohr in eine hochtourige Rotation versetzt wird. Das Gehäuse der Mischvorrichtung wird mit der Flüssigkeit nur teilweise gefüllt. Zum Anheben der Flüssigkeit in den Bereich des radialen Austritts aus dem inneren Leitrohr dient ein in dem inneren Leitrohr angeordneter Saugpropeller. Die Mischvorrichtung ist nicht kontinuierlich sondern nur chargenweise betreibbar.

Die DE 31 03 681 A1 offenbart einen Schlaufen- bzw. Blasensäulen­ reaktor mit zentralem Hilfsrührer. Die in dem Reaktor vorgesehene Fermentationsreaktion wird durch Einbringen von Luft in eine Flüs­ sigkeitssäule initiiert. In dem zylindrischen Reaktor ist ein Strömungsleitrohr angeordnet, in dem sich durch die aufsteigenden Sauerstoffbläschen eine Flüssigkeitsströmung mit den Bläschen aus­ bildet, die auf der Außenseite des Leitrohres zu einer Rückströ­ mung führt. Um das Entstehen großer Luftbläschen zu verhindern, ist in dem Leitrohr oder oberhalb des Leitrohres ein Rührer ange­ ordnet, der große Luftblasen zerschlägt und wieder die gewünschten kleinen Luftbläschen entstehen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirksamkeit der be­ kannten Schlaufenreaktoren der eingangs erwähnten Art für spe­ zielle Anwendungsfälle zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schlaufenreaktor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß am stromabwärts gelege­ nen Ende der Mischkammer eine das in der Mischschlaufe umlaufende Produkt bearbeitende rotierende Werkzeuganordnung vorgesehen ist, deren Rotor eine zentrale Antriebswelle aufweist, die aus der die Auslaßseite bildenden Stirnwand herausgeführt und mit einem eigenen, in seiner Drehzahl einstellbaren Motor verbunden ist, wobei der Austritt des Produkte s aus der Mischschlaufe auf der Außenseite des Leitrohres entgegen der Strömungsrichtung des in der Mischschlaufe umlaufenden Produktes erfolgt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß - entgegen der bisherigen Auffassung - eine rotierende Werkzeuganordnung vorzugs­ weise in Form einer an sich bekannten Scheranordnung nicht nur bei dynamischen Schlaufenreaktoren sondern auch bei statischen Schlau­ fenreaktoren, beispielsweise zum Homogenisieren von Milch, mit Vorteil einsetzbar ist. Die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung ist sowohl beim statischen als auch beim dynamischen Schlaufenreaktor so angeordnet, daß eine geringstmögliche Belastung der Antriebs- und Lageranordnungen hervorgerufen wird. Daher ist der Rotor mit einer zentralen Antriebswelle aus der die Auslaßseite des Schlau­ fenreaktors bildenden Stirnwand herausgeführt und mit einem eigenen, in seiner Drehzahl einstellbaren Motor verbunden. Diese Anordnung ermöglicht es, mit kürzestmöglichen Antriebswellen zur Übertragung der Rotation des Motors auf den Rotor auszukommen, so daß die durch lange Antriebswellen entstehenden Lagerprobleme vermieden werden. Solche Lagerprobleme mußten entstehen, wenn bei einem dynamischen Schlaufenreaktor der Rotor mit der Welle der Förderschnecke verbunden war, weil die Welle der Förderschnecke an ihrem freien Ende nicht gelagert werden konnte, so daß alle auf die lange Welle der Förderschnecke und auf den Rotor der Scheran­ ordnung wirkenden Kräfte von der Lagerung der Antriebswelle in der die Einlaßseite bildenden Stirnwand aufgenommen werden mußten. Erfindungsgemäß wird der Tatsache, daß Antriebswellen in den Schlaufenreaktoren nicht an ihren freien, in den Schlaufenreaktor hineinragenden Enden gelagert werden können, dadurch Rechnung ge­ tragen, daß der sich nahe der die Auslaßseite bildenden Stirnwand befindende Rotor mit einer eigenen Antriebswelle aus der die Aus­ laßseite bildenden Stirnwand herausgeführt und dort mit seinem Antriebsmotor verbunden wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Rotors der Scheranordnung er­ laubt die Realisierung hoher Scherleistungen, beispielsweise zum Dispergieren und Emulgieren, wobei sowohl hohe Rotationsgeschwin­ digkeiten des Rotors als auch kleine Spaltgrößen aufgrund der kür­ zestmöglichen Anordnung des Lagers für die Antriebswelle des Ro­ tors realisierbar sind. Selbstverständlich lassen sich für die schonende Bearbeitung, beispielsweise empfindlicher Lebensmittel, auch scherkraftarme Bearbeitungen durchführen, indem mit großen Spaltweiten der Scheranordnung und geringen Umdrehungsgeschwindig­ keiten gearbeitet wird. Dieser Betrieb ist auch bei hochviskosen Flüssigkeiten, also bei einer hohen mechanischen Belastung auf­ grund der erfindungsgemäßen Anordnung möglich. Die Scheranordnung muß nicht unbedingt aus rotierenden Schlitzen bestehen sondern kann auch durch rotierende Messer gebildet sein.

Die erfindungsgemäße rotierende Werkzeuganordnung kann auch andere Werkzeuge aufweisen, wie z. B. Walzen zum Quetschen von Teig oder ähnlichen Materialien. Dabei können die rotierenden Werkzeuge ggf. mit einem Stator, der die Umfangswand der Mischkammer im wesent­ lichen fortsetzt, zusammenwirken, um beispielsweise ein wirksames Zerkleinern durch Quetschen zu erreichen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen statischen Schlaufenreaktor mit einer Scher­ anordnung

Fig. 2 einen dynamischen Schlaufenreaktor mit einer Scher­ anordnung.

Der in Fig. 1 dargestellte statische Schlaufenreaktor weist ein zylindrisches Reaktorgehäuse 1 auf, das eine erste Stirnwand 2 mit einer mittigen Einlaßöffnung 3 und eine zweite Stirnwand 4 aufweist, die eine seitliche Auslaßöffnung 5 begrenzt. Die erste Stirnwand 2 ist von der mittigen Einlaßöffnung 3 zur Umfangswand gewölbt ausgebildet und bewirkt so eine Umlenkung des Produktes in einer Mischschlaufe. Etwa mit dem halben Durchmesser des Reak­ torgehäuses 1 befindet sich zentrisch in diesem ein Leitrohr 6, das an seinem zur ersten Stirnwand 2 zeigenden Ende mit die Um­ lenkung begünstigenden Verdickungen 7 versehen ist. Das Innere des Leitrohres 6 bildet eine Mischkammer 8, in die das über die Einlaßöffnung 3 neu hinzutretende Produkt axial eingeleitet und mit dem sich bereits in der Mischschlaufe befindlichen Produkt in Kontakt gebracht wird. Am stromabwärts gelegenen Ende 9 weist das Leitrohr 6 in seiner Umfangswand Durchtrittsöffnungen auf, durch die das durch die Mischkammer 8 gewanderte Produkt in den ringför­ migen Außenraum des Leitrohres 6 eintritt und im Gegenstrom zum unteren Ende des Leitrohres 6 wandert, um dort mit Hilfe der verdickten Enden 7 und der gewölbten Stirnwand 2 in das Innere des Leitrohres 6 - also in die Mischkammer 8 - wieder umgelenkt zu werden, wodurch die endlose Mischschlaufe entsteht. Der Austritt des bearbeiteten Produkt s ist über eine schmale ringförmige Öffnung 10 möglich, die sich am Ende eines ringförmigen Leitbleches 11 befindet, das sich auf der Außenseite des Leitrohres 6 befindet und sich in Strömungsrichtung zum Leitrohr 6 hin verengt, so daß ein Eintritt des Produktes in den Ringspalt 10 nur aufgrund des in der Mischschlaufe bestehenden Überdrucks möglich ist, da der Eintritt in den Ringspalt 10 entgegen der Strömungsrichtung im Außenraum des Leitrohres 6 erfolgen muß. Das durch den Ringspalt 10 getretene Produkt gelangt in einen ringförmigen Sammelraum 12 und wandert von dort axial durch einen Ringraum 13 in eine unmit­ telbar an die zweite Stirnwand 4 angrenzende Auslaßkammer 14, die mit der Auslaßöffnung 5 versehen ist.

Am stromabwärts gelegenen Ende der Mischkammer 8 befindet sich eine Scheranordnung 15, die aus einem Stator 16 und einem Rotor 17 besteht. Der Stator 16 ist einerseits durch das stromabwärts gelegene Ende des Leitrohres 6, andererseits durch zwei weitere, dazu parallel angeordnete Wandstücke gebildet, die miteinander verbunden sind. Zwischen die drei, den Stator 16 bildenden Wand­ stücke ragen zwei Wandstücke des Rotors 17. Alle Wandstücke sind mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Schlitzen 18 versehen. Durch die Rotation des Rotors 17 variiert die Durchtritts­ möglichkeit des aus der Mischkammer 8 austretenden Produktes, das dadurch einer Scherwirkung unterworfen wird.

Die Wandstücke des Rotors 17 sind durch eine zentrale Basisplatte 19 miteinander verbunden. Die Basisplatte 19 bildet zugleich den stirnseitigen Abschluß der Mischkammer 8 und muß daher in radialer Richtung eine Dichtigkeit mit ortsfesten Umfangswänden des Reak­ torgehäuses bewirken, die ein Durchtreten des Produktes in axialer Richtung verhindert. An die Basisplatte 19. ist zentrisch eine Antriebswelle 20 angeformt, die aus der zweiten Stirnwand 4 heraus­ geführt und dort in einem Lager 21 gehalten ist. Die Antriebswelle 20 kann sehr kurz ausgeführt sein, da der zugehörige Antriebsmotor an der Antriebswelle 20 unmittelbar nach Austritt aus dem Reaktor­ gehäuse 1 angreifen kann. Verbindungen der Antriebswelle sind daher auch bei hohen Scherkraftwirkungen durch die Scheranordnung 15 nicht zu befürchten.

Fig. 2 zeigt eine analoge Anordnung eines dynamischen Schlaufen­ reaktors, der im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten statischen Schlaufenreaktor in seiner Mischkammer 8 eine Förder­ schnecke 22 aufweist, deren Antriebswelle 23 auf der Eingangsseite des Reaktorgehäuses 1′ herausgeführt ist. Das zu bearbeitende Produkt wird folglich über eine seitlich abgewinkelte Eingangsöff­ nung 3′ der Mischkammer 8 zugeführt. Die Welle 23 der Förderschnecke 22 endet vor der Schervorrichtung 15, deren Rotor 17 - wie anhand der Fig. 1 bereits erläutert worden ist - über die Antriebswelle 20 aus der zweiten Stirnwand 4 des Reaktorgehäuses 1′ herausgeführt ist und mit einem separaten, in seiner Drehzahl einstellbaren Motor verbunden wird. Dadurch sind Förderschnecke 22 und Rotor 17 unabhängig voneinander in ihrer Drehzahl einstellbar, wodurch eine Vielzahl von neuen Verfahrensmöglichkeiten gegenüber dem bisherigen, gekoppelten Antrieb von Förderschnecke 22 und Rotor 17 eröffnet wird.

Claims (3)

1. Schlaufenreaktor mit einem zylindrischen Reaktorgehäuse (1, 1′), dessen eine Stirnwand (2, 2′) eine Einlaßseite für das zu bearbeitende Produkt und dessen andere Stirnwand (4) eine Auslaßseite für das bearbeitete Produkt bildet und in dem ein inneres Leitrohr (6) eine Mischkammer (8) einer endlosen Mischschlaufe bildet, in der das Produkt aufgrund eines Ein­ preßdruckes auf der Einlaßseite oder aufgrund einer in der Mischkammer (8) angeordneten Förderschnecke (22) in der Misch­ kammer (8) von der Einlaßseite zur Auslaßseite und auf der Außenseite des Leitrohres (6) von der Auslaßseite zur Einlaß­ seite umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärts gelegenen Ende der Mischkammer (8) eine das in der Misch­ schlaufe umlaufende Produkt bearbeitende rotierende Werkzeug­ anordnung (15) vorgesehen ist, deren Rotor (17) eine zentrale Antriebswelle (20) aufweist, die aus der die Auslaßseite bil­ denden Stirnwand (4) herausgeführt und mit einem eigenen, in seiner Drehzahl einstellbaren Motor verbunden ist, wobei der Austritt des Produktes aus der Mischschlaufe auf der Außen­ seite des Leitrohres (6) entgegen der Strömungsrichtung des in der Mischschlaufe umlaufenden Produktes erfolgt.

2. Schlaufenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Werkzeuganordnung (15) mit einem die Umfangs­ wand der Mischkammer (8) im wesentlichen fortsetzenden Stator (16) zusammenwirkt.

3. Schlaufenreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Werkzeuganordnung eine Scheranordnung (15) mit einer Vielzahl von auf den Umfangswänden des Rotors (17) und des Stators (16) angeordneten Schlitzen ist.