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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung zur
Herstellung einer flüssigen Suspension
von Feststoffen mit einer gleichmäßigen Konzentration gemäß der Präambel aus
Anspruch 1. Solch eine Vorrichtung ist bekannt aus der Patentschrift
US-A-5944418.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele
chemische Verfahren implizieren Mischoperationen, die Feststoffe
in Flüssigkeiten suspendieren
und zu Misch-, Kristallisations-, Reaktions- und Aufschlämmungssuspensionen
führen. Der
Umgang mit frei schwimmenden Feststoffen ist oft ein bedeutender
Aspekt der Mischoperation. Feststoffe können aus einer beliebigen Anzahl
von Gründen
frei schwimmend sein, einschließlich
wegen einer geringen Feststoffdichte, einer geringen Schüttdichte
und/oder der nicht netzenden Merkmale eines besonderen Feststoffes.
Solche Feststoffe schwimmen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit,
die der Luft ausgesetzt ist, und dieselben unterliegen solchen Einwirkungen
wie etwa dem Mitfortreißen
mit der Luft. Die Fähigkeit,
eine Aufschlämmung
von solchen Materialien herzustellen, erfordert typischerweise die Schritte
eines Untertauchens, einer Entgasung und einer Verteilung. Die Lösungen nach
dem bisherigen Stand der Technik zur Verteilung von frei schwimmenden
Feststoffen gingen von der Annahme aus, dass mehrfache Stufen von
Flügel-
bzw. Schaufelradmischern erforderlich sind. Die meisten Vorrichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik positionieren ein Flügelelement
in die Nähe
der Oberfläche der
Flüssigkeit/Luft,
um die frei schwimmenden Feststoffe mit zu erfassen und sie ordneten
mindestens ein anderes Flügelelement
unterhalb die Oberfläche der
Flüssigkeit
an, um das Mischen der Feststoffe fortzusetzen, wenn sie in den
eingetauchten Zustand übertreten.
Für viele
Operationen jedoch führt
ein solches Umrühren
zu der Ausübung
eines hohen Grades an Scherkraft, was eine Beschädigung des Produktes verursacht,
insbesondere dann wenn die Feststoffe bröcklige, korpuskelförmige Teilchen
sind. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Mischvorrichtung
für eine Überführungsoperation
eingesetzt wird, wobei chargenweise durchgeführte Arbeitsschritte während einer
Zeitdauer von mehreren Stunden einer Stillhaltezeit ausgesetzt sein
können,
während
sie auch ausgedehnten Perioden eines Umrührens unterliegen. Die Auslegungen
mit mehrfachen Flügelelementen
nach dem bisherigen Stand der Technik zum Kombinieren von Feststoffen
und Flüssigkeit
sind in den Patenten U.S. Patent 5399014 (Takata et al.), U.S. Patent
4614439 (Brunt et al.), U.S. Patent 4934828 (Janssen) und U.S. Patent
4552463 (Hodson) beschrieben worden. Ein Mischen, welches eine hohe
Energiezufuhr in eine Aufschlämmung
impliziert, kann eine Gleichmäßigkeit
fördern,
aber dies ist nicht erwünscht,
wenn es zu einer Produktschädigung
kommt.
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Behälter für ein inniges
und wirksames Durchmischen von Flüssigkeiten unter Verwendung von
Flügelelementen
mit Schaufeln, die sich um eine zentrale Welle herum drehen, wurden
in den Dokumenten EP-A-0598253,
EP
0647468 und
EP 0402317 offenbart.
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Darüber hinaus,
wenn der Mischtank als ein Zuführungstank
zu einem anderen Arbeitsschritt bei einem chemischen Verfahren verwendet
wird, wie etwa für
einen Vorgang des Trocknens, dann besteht die Notwendigkeit zu vermeiden,
dass Feststoffe sich auf dem Boden des Tanks absetzen. Die Feststoffe neigen
dazu, am Ende einer Charge in dem Tank zurückzubleiben und sich so von
einer Charge zur nächsten
Charge zu akkumulieren. Dies ist eine instabile Situation, welche
eine Ungleichmäßigkeit
von einer Charge zu einer anderen Charge erzeugen kann und welche
eventuell gezielt dadurch angegangen werden muss, indem man das
Verfahren abschaltet und den Tank reinigt, wenn die Konzentration an
Feststoffen in dem Schlamm im Laufe der Zeit zu hoch wird. Rührbehälter, welche
entweder eine gleichmäßige Suspension
aufrechterhalten oder welche die abgesetzten Feststoffe erneut suspendieren können, sind
wünschenswert.
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Es
bleibt ein Bedarf bestehen nach einer Ausführung eines Rührbehälters, welcher
eine gleichmäßige Konzentration
an Feststoffen in einer Flüssigkeit
sowohl innerhalb eines Tanks als auch innerhalb eines den Tank verlassenden,
ausfließenden Stromes
erzeugen kann. Das System sollte eine gleichmäßige Konzentration liefern,
unabhängig
davon, ob die Feststoffe dazu neigen, frei zu schwimmen oder sich
abzusetzen. Die gleichmäßige Konzentration
sollte ausgehend von einer vollen Höhe in dem Mischtank bis hin
zu einer Höhe
in dem Tank aufrechterhalten werden, die so klein wie möglich ist. Die
Auslegung sollte ein Maximum an Arbeitsvolumen innerhalb des Tanks
liefern und ein Minimum an Anhäufung
von Schlamm auf dem Boden des Tanks zurücklassen, wenn der Tank geleert
wird. Schließlich
sollte das System ein schwaches Scherungsumfeld erzeugen, um eine
Beschädigung
des Produktes zu vermeiden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung liefert einen Rührbehälter gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen
der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche geliefert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht im Schnitt einer bevorzugten Ausführung des
Rührbehälters gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Muster einer Suspensionszirkulation in dem Behälter ist
diagrammatisch dargestellt.
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2 ist
eine Teilansicht, welche eine erste Anordnung von 4 vertikalen,
flachen Flügelschaufeln zeigt.
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3 ist
eine Teilansicht, welche eine zweite Anordnung von 6 vertikalen,
gekrümmten
Flügelschaufeln
zeigt.
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4 ist
eine Vorderansicht im Schnitt eines Rührbehälters, welche eine bevorzugte
Ausführung illustriert,
in welcher die Ablenkbleche in einem Winkel zu der vertikalen Richtung
der Seitenwände
positioniert sind.
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5 ist
eine schematische Ansicht, die ein allgemeines Verfahrensdiagramm
zeigt, welches den Rührbehälter gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf die 1 wird hier in allgemeiner Weise
eine bevorzugte Ausführung
eines Rührbehälters 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt, welcher eingesetzt wird zum Herstellen und wahlweise
zum Zuführen
einer Suspension von Feststoffen in einer Flüssigkeit mit einer gleichmäßigen Konzentration.
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Im
Rahmen dieser Erfindung ist unter dem Ausdruck "Suspension von Feststoffen" die Verteilung eines
festen, korpuskelförmigen
Materials quer durch ein flüssiges
Medium hindurch gemeint. Die Erfindung erzeugt vorzugsweise als
ihr Endprodukt eine Suspension in einer gleichmäßigen Konzentration, welche
alsdann im Hinblick auf die Verwertung aus dem Rührbehälter 10 heraus transportiert
wird. Anschließend
an das Erzielen der Verteilung kann der Mischvorgang jedoch eine
weitergehende Größenreduktion
der Partikel bewirken, was zu einer Dispersion oder sogar zu einer
Auflösung
führen
kann, wenn es die Eigenschaften des Feststoffs und der Flüssigkeit
erlauben. Alternativ kann der Rührbehälter 10 in
einer Umgebung eingesetzt werden, welche die Partikel dazu bringt,
in ihrer Größe zu wachsen, wie
etwa die Verwendung des Behälters
als Kristallisator, in welchem Fall die wachsenden Partikel durch die
Nährflüssigkeit
hindurch verteilt gehalten werden, ohne dass dabei Rücksicht
auf eine Beschädigung der
Partikel genommen wird.
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Der
Rührbehälter 10 umfasst
einen vertikalen, zylindrischen Tank 1, der Seitenwände 3 und
einen Boden 4 mit geneigten Oberflächen 5 aufweist, welche
einen Innenraum 6 zum Halten einer Suspension von Feststoffen
in einer Flüssigkeit
bilden. In einer bevorzugten Ausführung weist der Boden 4 geneigte,
geradlinige Oberflächen
auf, d.h. er besitzt eine konische Form mit einer Neigung von annähernd 15
Grad, so wie dies gezeigt ist, aber andere Auslegungen mit geneigten
Oberflächen,
wie etwa mit leicht gekrümmten
Linien, welche eine Schalenform definieren, sind auch nützlich.
Es sind Hilfsmittel vorgesehen, um eine Flüssigkeit und Feststoffe in den
vertikalen, zylindrischen Tank 1 einzuführen. Die Vorrichtung zum Einspeisen
der Flüssigkeiten
und der Feststoffe in den vertikalen, zylindrischen Tank kann ein
Behälter
sein, welcher sowohl die Flüssigkeits-
als auch die Feststoffkomponenten enthält. Die Flüssigkeiten und die Feststoffe
können
in den Tank eingeführt
werden mit Hilfe einer einzigen Eingangsöffnung für das Zuführen 2. Alternativ
können
die Feststoffe und die Flüssigkeiten
durch irgendein geeignetes (nicht gezeigtes) System für das Zuführen der
Feststoff- und Flüssigkeitskomponenten
getrennt von einander zugeführt
werden, und sie können
eine getrennte Eingangöffnung
jeweils für
die Feststoffe und für
die Flüssigkeiten
verwenden.
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Eine
Vielzahl von stationären
Ablenkblechen 7 ist im Inneren 6 des Tanks 1 angeordnet
und diese Ablenkbleche erstrecken sich über die Länge des Tanks aus, bis hin
die Nähe
des konisch geformten Bodens, um ein nach oben gerichtetes Fließen der Suspension
in die Richtung der Flüssigkeitsoberfläche zu gewährleisten,
so wie dies später
noch erklärt werden
wird. In einer bevorzugten Ausführung
werden vier Ablenkbleche 7 von voller Länge in gleichem Abstand zueinander
in der Nähe
der Seitenwände 3 angeordnet,
sie sind aber gegenüber
den Seitenwänden
abgesetzt, um ein Fließen
hinter den Ablenkblechen 7 zu ermöglichen. In dieser bevorzugten
Ausführung
sind die Ablenkbleche von der Wand um etwa 1,5 Zoll (3,8 cm) abgesetzt
und sie erstrecken sich bis hinein in einen Bereich von 0,5 Zoll
(1,27 cm) von dem konisch geformten Boden. Verglichen mit den Ablenkblechen,
die man in herkömmlichen Mischern
findet, welche typischerweise 1/12 des Behälterdurchmessers ausmachen,
sind die Ablenkbleche in dieser bevorzugten Ausführung der Erfindung relativ
schmal. Die Breite eines jeden Ablenkbleches ist vorzugsweise kleiner
als 8% des Tankdurchmessers und in der hierin beschriebenen, bevorzugten Ausführung beträgt sie 6,6%.
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Die
in der 1 gezeigten Ablenkbleche sind im Allgemeinen entlang
der vertikalen Richtung der Seitenwände 3 angeordnet.
In einer bevorzugten Konfiguration jedoch, wie sie in der 4 gezeigt wird,
sind die Ablenkbleche unter einem geringen Winkel (annähernd 10
Grad) gegenüber
der vertikalen Richtung der Seitenwände angeordnet. 4 ist eine
Ansicht eines vertikalen Tanks 21, von der Vorderseite
her gesehen, mit vier in einem gleichen Abstand voneinander angeordneten
Ablenkblechen 27. Die seitlichen Ablenkbleche sind mit 27S gekennzeichnet.
So wie das vordere Ablenkblech 27F (F = Front) und das
hintere Ablenkblech 27R (R = Rückseite) gezeigt sind, sind
sie unter einem Winkel von 10 Grad gegenüber der vertikalen Richtung
der Seitenwände 3 angeordnet,
wobei dieselben von dem Boden aus bis hin zu der Kopfebene gewinkelt
sind, wobei die Richtung der Drehung des Flügelelements durch den Pfeil
A angezeigt wird. Man hat herausgefunden, dass Ablenkbleche, die
einen leichten Winkel bilden, den Fluss der Aufschlämmung unterstützen und
ein Verstopfen auf ein Minimum herabsetzen.
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Bezieht
man sich jetzt auf die 1, so ist dort eine rotierende
Welle 8 vertikal im Zentrum des vertikalen, zylindrischen
Tanks 1 angeordnet und sie wird durch ein Getriebegehäuse 9 in
Rotation versetzt, welches oben auf dem Mischtank befestigt ist und
welches durch den Motor 11 angetrieben wird. Die Drehrichtung
der Welle wird durch den Pfeil A angezeigt. Ein einzelner Turbinenflügel 12 mit
vertikalen Schaufeln 13, welche sich radial von der drehenden
Welle 8 ausgehend erstrecken, ist so angeordnet, dass die
unteren Kanten 15 der Schaufeln des Turbinenflügels so
nahe wie möglich
an den Boden 4 des Tanks heranreichen, so dass sie gerade
noch eine ungehinderte Rotationsbewegung ermöglichen. Die Flügelschaufeln 13 weisen
eine solche Umgrenzungslinie auf, dass sie an die Neigung der geneigten Oberflächen des
Bodens 4 des Tanks angepasst sind. Das Flügelelement
erzeugt anfänglich
ein radiales Fließen
der Suspension. Wie dies später
weiter unten diskutiert werden wird, verursacht jedoch die gesamte
Behälterauslegung,
welche die vertikale Ausdehnung der Ablenkbleche in Verbindung mit
einem Flügelelement,
der in dem Bodenteil des Tanks angeordnet ist, verursacht, einen
globalen von dem Boden aus nach oben gehenden Strom entlang den Seitenwänden 3.
Das Flügelelement
ist ausreichend nahe an dem Boden des Tanks angeordnet, so dass ein
Fließen
unterhalb des Flügelelements
verhindert wird. Enge Abstände
von 0,5 bis 3 Zoll (1,27 bis 7,62 cm), vorzugsweise von 0,5 bis
1 Zoll (1,27 bis 2,54 cm), von den unteren Kanten 15 der
Flügelschaufeln 13 aus
bis hin zu dem Boden des Tanks werden vorgezogen, um eine Feststoffansammlung
in dem Tank zu vermindern, insbesondere dann wenn der Flüssigkeitsspiegel 18 absinkt.
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Das
Flügelelement 12 stellt
eine vertikale Turbinenauslegung dar und es wird eine Ausführung in
der 2 in Draufsicht gezeigt, wobei dieselbe aus 4
vertikalen, flachen Schaufeln 13 besteht, die unter einem
Winkel von jeweils 90 Grad voneinander angeordnet sind. Der innere
Abschnitt 14 einer jeden vertikalen Schaufel ist an der
Antriebswelle 8 befestigt und die Bodenkante 15 einer
jeden Schaufel 13 ist so angewinkelt, dass sie an die Neigung
der geneigten Oberflächen
des Bodens des Tanks angepasst ist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
sind die Schaufeln dieser Erfindung relativ schmal. Das Verhältnis der
Schaufelbreite, wenn man sie entlang der äußeren Kante 16 misst,
zu dem gesamten Durchmesser des Flügelelements, liegt zwischen
1/12 und 1/3, vorzugsweise zwischen 1/8 und 1/4. Der gesamte Durchmesser
des Flügelelements
ist relativ groß, wobei
das Flügelelement
einen Durchmesser aufweist, welcher sich auf mindestens 60% des
Durchmessers des zylindrischen Tanks beläuft.
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Eine
alternative Konfiguration von Schaufeln ist in der 3 dargestellt,
in welcher das Flügelelement
mit Hilfe von 6 vertikalen, gekrümmten
(gewöhnlich
auch als zurückgebogen
bezeichnet) Schaufeln 13' ausgelegt
ist. Der Krümmungsradius, so
wie er gezeigt ist, liegt in der Richtung der Rotationsebene. Die
Bodenkanten der Flügelschaufeln 13' weisen wieder
eine solche Umgrenzungslinie auf, dass sie an die Neigung der geneigten
Oberflächen des
Bodens des Tanks angepasst sind.
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Eine
Ausgangsöffnung 20 ist
an der Seitenwand annähernd
auf der Höhe
des Flügelelements 12 (vorzugsweise
annähernd
an dem Mittelpunkt des Flügelelements
entlang der vertikalen Achse) derart angeordnet, dass das Flügelelement
so wirkt, dass er radial in die Richtung der Ausgangsöffnung pumpt, um
auf diese Weise eine kontinuierliche Entnahme der Suspension und
ein Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Konzentration in dem
aus dem Tank ausfließenden
Strom zu gewährleisten.
So wie dies in der 1 gezeigt wird, besteht die
Ausgangsöffnung 20 vorzugsweise
aus einer seitlichen Düse
mit einem Eintauchrohr 19, welches in den Tank und in den
von dem Flügelelement
erzeugten radialen Strom hinein vorsteht.
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Die
Auslegung der vorliegenden Vorrichtung umfasst auch eine Spülöffnung 17 mit
einem vergrößerten Durchmesser,
um einen relativ großen
Ausfluss zu gewährleisten
im Vergleich zu der Ausgangsöffnung 20.
Die Öffnung 17 wird
im Allgemeinen im Routinearbeitsbetrieb des Behälters nicht verwendet, aber
sie ist vorgesehen für
ein gelegentliches Reinigen und Spülen des Behälters, wobei es wünschenswert
ist, sämtliche
Inhalte in einem einzigen Arbeitsschritt schnell zu entfernen.
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Der
Rührbehälter der
vorliegenden Erfindung kann in der Tat bei einer ganzen Anzahl von chemischen
Herstellungsverfahren eingesetzt werden. So wie dies in der 5 gezeigt
ist, kann ein typisches Verfahrensflussdiagramm einen ersten Arbeitsgang 50 aufweisen,
einen Überführungstank 51 und
einen zweiten Arbeitsgang 52. In diesem Schema weist der Überführungstank 51 die
Elemente des in der 1 beschriebenen Rührbehälters auf,
um eine Suspension mit einer gleichmäßigen Konzentration zu erzeugen.
Der erste Arbeitsgang kann zum Beispiel ein Reaktor, ein Kristallisator
oder eine Granuliervorrichtung sein. Der zweite Arbeitsgang kann zum
Beispiel ein Trockner, eine Siebvorrichtung, ein Filter oder eine
Dekantiervorrichtung sein.
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Der
Rührbehälter und
die Flügelschaufeln gemäß dieser
Erfindung werden gewöhnlich
aus Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl oder aus Legierungen gebaut,
welche für
Anwendungen in einem korrosiven Umfeld maßgeschneidert sind, wie etwa HASTELLOY®,
INCONEL® usw.
Für einige
extreme Anwendungen kann Titan verwendet werden. Eine Ausrüstung, die
aus beschichtetem Stahl hergestellt ist, kann ebenso in besonderen
Anwendungen verwendet werden und die Beschichtung kann zum Beispiel
aus Glas, Glasfasern, Fluorpolymeren oder aus Elastomeren bestehen.
Der Behälter
kann abwechslungsweise auch aus Glasfaser bestehen.
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So
wie in der 1 gezeigt, verleiht der Rührbehälter gemäß der Erfindung
der Suspension ein einziges Zirkulationsmuster, das die Herstellung und
Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Konzentration
von Feststoffen in einer Flüssigkeit
ermöglicht. Das
Zirkulationsmuster weist ein globales, von dem Boden nach oben gehendes
Fließmuster
entlang den Seitenwänden 3 in
dem vertikalen, zylindrischen Tank 1 auf. Ein Vortex bzw.
Wirbel V wird an der Oberfläche
der Flüssigkeit/Luft
gebildet, was die frei schwimmenden Feststoffe dazu bringt unterzutauchen
und in einer engen Spirale S nach unten in die Richtung des Flügelelements 12 gezogen
zu werden. Das Flügelelement
drückt
die Suspension hinaus zu den Seitenwänden 3 in radialer
Richtung zu den Ablenkblechen 7. Die Ablenkbleche dehnen
sich über die
Länge des
Behälters
aus und sie helfen dabei mit, die Suspension geradewegs von dem
Boden aus bis zur Oberseite des Tanks nach oben zu reißen, wo
die Suspension dann wieder auf einen Wirbel stößt, welcher das erneute Zurücktauchen
in einer abwärts
gerichteten Spirale verursacht.
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In
den meisten Arbeitsgängen
ist die Suspension während
einer bestimmten Zeitdauer einem Umrühren ausgesetzt und zwar so
lange bis es wünschenswert
wird, die Suspension aus dem Rührbehälter zu
entnehmen. Die Suspension mit einer gleichmäßigen Konzentration an Feststoffen
in einer Flüssigkeit
kann kontinuierlich aus der Ausgangsöffnung 20 in der Seitenwand
entnommen werden, weil, wie dies das Zirkulationsmuster illustriert,
das Flügelelement 12 die
Suspension radial in diese Richtung drückt, wobei nur eine geringe
Möglichkeit
zur Akkumulation von Feststoffen auf dem Boden des Tanks besteht.
Dasselbe globale Zirkulationsmuster, wie es in der 1 illustriert
wird, kann aufrechterhalten werden, wenn die Höhe der Suspension absinkt.
Die Suspension wird mit einer konstanten Geschwindigkeit herausgepumpt,
so dass die Ausgangsgeschwindigkeit der Suspension, welche durch
die Größe des Eintauchrohres 19 geregelt
wird, die gleiche ist wie die Geschwindigkeit bei dem Herannahen
an den Ausgang, um die Änderungen
der Partikelkonzentration an dem Ausgang klein zu halten. Wenn es erwünscht ist,
kann die den Behälter
verlassende Suspension dann in Form einer kontinuierlichen, abgemessenen
Einspeisung hin zu einem weiter unten in der Verfahrenskette liegenden
Schritt geführt
werden. Alternativ kann die Suspension in kleinen Chargen aus dem
Behälter
heraus entnommen werden und zu einem anderen Verfahrensschritt geführt werden,
zum Beispiel zu einem Trennungsschritt, etwa zu einem Zentrifugieren.
In der Zwischenzeit wird die in dem Behälter zurückgelassene Suspension gut verteilt
gehalten und die Feststoffe sind keinen harten Bedingungen ausgesetzt,
welche zu einem Partikelschaden führen können.
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Der
beschriebene Behälter
steht im Gegensatz zu dem nach dem bisherigen Stand der Technik erfolgten
Einsatz von mehrfachen Flügelelementen, etwa
derart wie in dem Fall, wo ein Flügelelement auf dem oberen Niveau
des Tanks eingesetzt wird und ein Flügelelement auf der Bodenhöhe des Tanks
eingesetzt wird. Die Zirkulationsmuster bei solchen Vorrichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik neigen dazu, zwei Mischzonen
aufzubauen: eine oben und eine unten am Boden, mit einer Zone einer getrennten
Flüssigkeit
zwischen den zwei sich mischenden Zonen. Mit solch einem Mischregime
kann die Konzentration an Feststoffen in einer Flüssigkeit quer
durch den Innenraum des Behälters
hindurch variieren. Wenn der Flüssigkeitsspiegel
unter die Höhe
des oberen Flügelelements
abfällt,
dann verändert
sich das Zirkulationsmuster in typischer Weise und dies kann die
Mischung auf nachteilige Weise beeinflussen. Weiterhin ist es bei
den herkömmlichen Mischern
so, dass wenn der Flüssigkeitsspiegel durch
den oberen Flügelbereich
hindurch nach unten fällt,
die Flüssigkeitsoberfläche, die
auf das Flügelelement
auftritt, ein enormes Spritzen verursacht, was möglicherweise an den Seitenwänden zu
Akkumulationen von Feststoffen führt.
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Ein
unerwartetes Merkmal dieser Erfindung besteht darin, dass eine gleichmäßige Konzentration von
Feststoffen bei einer niedrigeren Eingangsleistung erzielt wird
als dies bei herkömmlichen
Auslegungen der Fall ist, wo zum Beispiel so genannte Flügelelemente
mit Hydroflügeln
von einer niedrigen Scherkraft eingesetzt werden. Eine Vorrichtung
dieses Typs wird zum Beispiel in dem U.S. Patent 4468130 (Weetman)
gezeigt. In einem Vergleichstest werden ein Behälter mit einem Durchmesser
von 1 Fuß (30
cm) gemäß der vorliegenden
Auslegung und ein ähnlicher
Behälter
mit einem Durchmesser von 1 Fuß (30
cm) mit einem Flügelelement
mit Hydroflügeln
bewertet und der Leistungs/Energieverbrauch verglichen. Das gewisse
Umgrenzungslinien aufweisende Flügelelement
mit 4 vertikalen, flachen Flügelschaufeln,
so wie er in der 2 illustriert worden ist, ist
unten in dem Tank angeordnet, so wie dies beschrieben worden ist.
Das Modell mit den Hydroflügeln
erlaubt jedoch keine Anpassungen an bestimmte Umgrenzungslinien,
so dass das Flügelelement nicht
so tief unten in dem Tank angeordnet ist. In einem ersten Teil des
Tests werden beide Behälter
mit gleich viel Wasser und einer gleich hohen Konzentration an Feststoffen
gefüllt,
um die Geschwindigkeit zu bestimmen, welche erfordert ist, um eine
gleichmäßige Mischung
in einem jeden Behälter
zu erzielen. Diese wird als die Anfangsgeschwindigkeit für einen jeden
Behälter
angesehen. In dem zweiten Teil des Tests wird ein jeder Behälter nur
mit Wasser gefüllt und
auf seine Anfangsgeschwindigkeit eingestellt und es werden die Voltspannung
und die Stromstärke der
Energieversorgung gemessen. Die von dem Flügelelement verbrauchte Leistung
wird einschließlich der
Anpassung für
die Motorverluste berechnet. Die Rührer werden auch bei mehreren
Geschwindigkeiten betrieben, wobei die Anfangsgeschwindigkeit ausgedehnt
wird, und es wird der Leistungsverbrauch gemessen, um die Genauigkeit
der Messung bei der Anfangsgeschwindigkeit zu bestätigen. Die Eingangsleistung
pro Volumeneinheit für
den Behälter
gemäß der vorliegenden
Auslegung, welcher bei diesem Vergleich verwendet wird, beträgt 3,2 Pferdestärken pro
1000 Gallonen (0,64 Watt/Liter). Die Eingangsleistung für den Behälter mit
Flügelelementen mit
Hydroflügeln,
welcher in diesem Vergleich verwendet wird, beträgt 5,4 Pferdestärken pro
1000 Gallonen (1,1 Watt/Liter). Das an Umgrenzungslinien angepasste
Flügelelement
gemäß der vorliegenden
Erfindung liefert einen äquivalenten
Mischungsgrad bei annähernd
60% der Leistung, die bei dem Flügelelement
mit Hydroflügeln
erforderlich ist.
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Die
Eingangsleistung für
Behälter
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,1–50 Pferdestärken pro
1000 Gallonen (0,2–10
Watt/Liter), stärker
bevorzugt in dem Bereich von 2,5–18,0 Pferdestärken pro
1000 Gallonen (0,5–3,5
Watt/Liter). Das Behältermodell,
so wie es beschrieben worden ist, führt zu einer nur geringen Beschädigung an
dem Produkt und zu einem niedrigeren Leistungsverbrauch. Das Ergebnis
ist unerwartet, da die vertikalen Turbinenflügel im Allgemeinen bekannt
sind für
die Merkmale ihrer hohen Scherwirkung und ihrer hohen Leistung.
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Ein
anderes unerwartetes Merkmal besteht darin, dass dann wenn man das
einzelne Flügelelement
ganz auf den Boden des Tanks stellt, ein ausgezeichnetes Untertauchen
der frei schwimmenden Feststoffe erzielt wird. Der Ansatz nach dem
bisherigen Stand der Technik, welcher mehrfache Flügelelemente
verwendet, stellt ein oberes Flügelelement
in einer Entfernung von annähernd ½ seines
Durchmessers unter der oberen Oberfläche auf, um auf diese Weise
behilflich zu sein und die Feststoffe nach unten in das Tankvolumen
zu pumpen.
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Auch
kann eine Suspension in unerwarteter Weise noch wirksam aus dem
Tank heraus entnommen werden, sogar dann wenn der Flüssigkeitsspiegel
auf die Höhe
des Flügelelements
herab gefallen ist oder sogar dann, wenn er unter die Oberseite
des Flügelelements
fällt,
während
dabei eine gleichmäßige Konzentration
an Feststoffen in einer Flüssigkeit aufrechterhalten
wird. Bei niedrigem Tankspiegel drückt der Rührbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung
die verbleibende Aufschlämmung
in die Richtung der Seitenwand auf die Ausgangsöffnung zu, dies mit einem minimalen
Spritzen. In den Auslegungen nach dem bisherigen Stand der Technik,
welche herkömmliche
Flügelelemente
mit Hydroflügeln
oder mit schrägen
Schaufelturbinen verwenden, z.B. so wie dies in dem U.S. Patent
5297938 (von Essen et al.) gezeigt wird, tritt ein übermäßiges Spritzen
auf, wenn der Spiegel in dem Tank auf das Flügelelement herabsinkt, was
das Produkt einem möglichen
Schaden aussetzt. Wenn der Spiegel in den Auslegungen nach dem bisherigen
Stand der Technik bis unter das Flügelelement absinkt, dann können sich
Feststoffe und Flüssigkeit
trennen, wodurch die Gleichmäßigkeit
der Konzentration zerstört
wird. Eine große Rückstandsmenge
an Feststoffen wird deswegen in dem Tank verbleiben weil die Flüssigkeit
vorzugsweise abgezogen wird (für
frei schwimmende Feststoffe) wenn die Gleichmäßigkeit der Mischung verloren geht.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Akkumulierung von Feststoffen
auf dem Boden des Tanks vermieden. Eine gute Mischung wird sogar
bei sehr niedrigen Höhen
in dem Tank erreicht. Die Auslegung liefert ein Maximum an Arbeitsvolumen
in dem Tank und lässt
ein Minimum an Rückständen von
Feststoffen auf dem Boden des Tanks zurück, wenn der Tank geleert wird.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt eine Beseitigung von bis zu 95% der
gebildeten Suspension. Daher besteht dann, wenn der Rührbehälter als
eine Vorrichtung zum Vermischen und zum Weiterbefördern des
Produktes hin zu einem anderen Schritt im Rahmen eines Chargenverfahrens
eingesetzt wird, ein Minimum an Rückständen, die sich mit der eintretenden
Charge verbinden werden. Eine übermäßige Bearbeitung
und eine qualitative Entwertung des Materials, das von einer früheren Charge
her angesammelt worden ist, werden dadurch minimiert.
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Der
Rührbehälter, so
wie er beschrieben worden ist, kann dazu verwendet werden, um irgendeine
Art von Feststoffen in einer Flüssigkeit
zu suspendieren, und er ist besonders nützlich beim Suspendieren von
frei schwimmenden Feststoffen. Unter dem Ausdruck von frei schwimmenden
Feststoffen sind korpuskelförmige
Teilchen oder Agglomerate gemeint, welche die Neigung besitzen zu schwimmen.
Solche frei schwimmenden Feststoffe können von einer niedrigen Feststoffdichte
oder von einer niedrigen Schüttdichte
sein oder sie können das
Merkmal aufweisen nicht benetzt zu werden. Der Behälter ist
besonders zum Suspendieren von nicht benetzenden Feststoffen angepasst.
Unter nicht benetzenden Feststoffen ist gemeint, dass die Feststoffe
gegenüber
dem flüssigen
Medium, in welchem sie gemischt werden, abweisend sind. Nicht benetzende Feststoffe
sind einer nach oben gerichteten Kraft ausgesetzt, dies auf Grund
eines Oberflächenphänomens,
das sie dazu veranlasst, trotz ihrer Dichten in einer Grenzfläche zu schwimmen.
Wenn sie untergetaucht sind, dann findet man sie häufig mit
einem Gasfilm umhüllt,
welcher ihre tatsächliche
Dichte mindert. Sie verhalten sich dann ähnlich wie schwimmende Feststoffe
mit niedriger Dichte. Feste Agglomerate können sich ähnlich wie nicht benetzende Feststoffe
verhalten, dies so lange bis sie verteilt sind.
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Zusätzlich zu
der Verwendung des Rührbehälters, um
eine gleichmäßige Konzentration
einer Suspension zu erzielen, kann der Behälter auch dazu verwendet werden,
das Auflösen,
das Kristallisieren und die chemische Reaktion zu fördern. Für Verfahren,
die ein gutes Auflösungsverhalten
erfordern, müssen
die Partikel in einem engen Kontakt mit der Flüssigkeit stehen, in welcher
sie sich auflösen.
Die vorliegende Erfindung minimiert das Absetzen oder das Schwimmen
von sich auflösenden
Partikeln. Auflösungszeiten
werden minimiert, wenn das Diffundieren durch ein Bett von abgesetzten
Feststoffen im Wesentlichen ausgeschaltet ist. Das Flügelelement der
vorliegenden Erfindung erhöht
den Kontakt von Flüssigkeiten
und Partikeln, was zu einem verminderten Leistungsverbrauch führt. Als
ein Kristallisator liefert der Behälter eine Umgebung zur Bildung,
zum Wachsen und zum Suspendieren von Kristallen, ohne dass dabei
Anlass zu der Beunruhigung hinsichtlich einer großen Scherkraft
besteht, welche eine Beschädigung
der wachsenden Kristalle verursachen kann. Die Kristalle können, wenn
sie eine bestimmte Größe erreichen,
kontinuierlich in einer Suspension einer gleichmäßigen Konzentration entfernt und
zu einem Trocknungsarbeitsschritt wie etwa einem Filterband oder
einem Trocknungsband hingeführt
werden. Der Behälter
der vorliegenden Erfindung ist besonders nützlich bei vielen der Niederschlags-
und Kristallisationsverfahren, welche mit der Herstellung von landwirtschaftlichen
und pharmazeutischen Produkten verbunden sind. Mehrere Typen von
kristallinen Produkten, welche in vorteilhafter Weise in Behältern gemäß dieser
Erfindung hergestellt werden können,
enthalten zum Beispiel Adipinsäure,
Calciumsulfat, Bariumsulfat und Natriumcyanid.
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Der
Behälter,
so wie er beschrieben worden ist, kann auch als ein Reaktor oder
als ein Überführungstank
bei der Verarbeitung von Polymerprodukten wie etwa Polystyrol, Polytetrafluorethylen
usw. verwendet werden.
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Bei
einem Polymerisationsverfahren wie etwa bei der Herstellung von
Polytetrafluorethylen (PTFE) treten zahlreiche Verarbeitungsschritte
auf, die das Polymer in verschiedenen Formen liefern wie etwa als
ein fein unterteiltes Granulatharz oder als ein Granulatharz in
Form von Pellets. In solchen Verfahren wird das PTFE oft als eine
Suspension eines frei schwimmenden Feststoffproduktes in Wasser
gehandhabt und im Innern von Rührbehältern gemischt. Der
Behälter
der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, als ein Zwischen- oder Überführungstank
zu dienen, wenn einzelne Chargen eine Haltezeit mit einer nachfolgenden
Zuführung
zu den Arbeitsschritten des Siebens und Trocknens erfordern. Eine
gleichmäßige Konzentration
an Feststoffen, die einen solchen Zuführungstank verlassen, ist wünschenswert, um
einen stabilen und kontinuierlichen Betrieb der Arbeitsschritte
des Siebens und Trocknens bei einem maximalen Durchsatz zu gewährleisten.
Solch ein Mischen, so wie es hierin beschrieben worden ist, erzeugt
eine Gleichmäßigkeit
von Charge zu Charge, während
eine hohe Energiezufuhr in das bröcklige Produkt vermieden wird.
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Der
Rührbehälter der
vorliegenden Erfindung findet auch Verwendung bei Verfahren zum Herstellen
von an Ort und Stelle geschäumten
Kügelchen
wie etwa bei der Herstellung von expandierten, aus Polystyrol gebildeten
Partikeln, die als Verpackungsmaterialien verwendet werden. Das
Verfahren impliziert das Hinzugeben zylindrischer, thermoplastischer
Polymerpartikel in einen Behälter
mit heißem Wasser,
welcher ein Suspensionsmittel enthält und eine nachfolgende Zugabe
eines Schäumungs-
oder Treibmittels erfährt.
Der Behälter
wird erwärmt
bis über
die Glasübergangstemperatur
des Polymers und die Partikel verändern sich von einer zylindrischen
Form in eine kugelige Form während
des Erwärmungszyklus.
Die Chargen werden auf Umgebungstemperaturen abgekühlt, gelüftet, um überschüssiges,
entzündbares
Treibmittel zu beseitigen, und die Schaumkügelchen werden zurückgewonnen. Mit
den Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik sind ideale
Suspensionsbedingungen dieser frei schwimmenden Feststoffe niemals
erzielt worden, wie dies zur Genüge
nachgewiesen ist durch die Partikelagglomerate, die wie Krusten
an den Wänden,
an der Welle, an den Ablenkblechen und an dem Flügelelement hängen. Wenn
die Suspensionsbedingungen insbesondere nicht gleichmäßig sind, dann
kann eine massive Krustenbildung oder Partikelagglomeration entstehen,
welche eine feste Brückenschicht
auf der Oberseite der Flüssigkeit
bildet. Im Gegensatz dazu werden die Polymerpartikel in dem Rührbehälter gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichmäßig durch
den Behälter
hindurch verteilt und die Feststoffpartikel in der Nähe der Oberseite
werden in einer konstanten Bewegung gehalten und sie werden kontinuierlich
benetzt und mit Suspensionsflüssigkeit
erneuert, wodurch eine Agglomerations- und Krustenbildung vermieden
wird.