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Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung feinstverteilter fließ-
oder schwemmfähiger Mischungen, wie Dispersionen, Suspensionen und Emulsionen
Die
Erfindung hat zur Aufgabe, Stoffe beliebiger Zusamensetzung feinst zu zerkleinern
oder in feinstunterteilte, beständige innige Mischung, wie Emulsionen, Suspensionen
oder Dispersionen, zu bringen.
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Es gibt bereits zahlreiche Verfahren und Einrichtungen zu diesem
Zweck, die in der Mehrzahl auf der Einwirkung äußerer Kräfte, wie Schlag, Stoß,
Scherung, Reibung, Aufprall od. dgl., auf das zu zerteilende Gut beruhen. Bei diesen
Verfahren werden Aufteilungen bis zur kolloidalen Größenordnung nur durch übermäßigen
Energieaufwand oder durch sehr lange Behandlungszeiten erreicht.
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Es ist fernerhin bekannt, feinstunterteilte innige Mischungen in
flüssiger Phase mit Hilfe von Ultraschallgebern zu erzeugen. Nach der zur Zeit herrschenden
Auffassung wird hierbei die Massezerkleinerung in der Hauptsache durch die äußere
Einwirkung t der Schallenergie auf die Randzone des Gutes hervorgerufen. Dabei tritt
in den Randzonen des beschallten Gutes Kavitation auf. Diese Kavitation bewirkt
aber nicht nur die erwünschte Massezerkleinerung, sondern wirkt gleichzeitig zerstörend
auf die Behälterrandzone. Infolgedessen besitzen Ultraschallaufteilungsgeräte eng
begrenzte Lebensdauer, und es besteht ständig die Gefahr, daß Spuren von Behälter-
oder Fremdmaterial in
das Fertigungserzeugnis gelangen. Außerdem
ist bei der Behandlung mit Ultraschall auch sehr hohe Schallintensität oder lange
Behandlungszeit erforderlich.
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Die Erfindung hat eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Gegenstand,
darin bestehend, daß feinstverteilte fließ- oder schwemmfähige Mischungen - auch
breiigen Charakters - als Grobgemisch einen engen Arbeitsspalt durchlaufen, dessen
beide Begrenzungskörper auf der Durchlaufstrecke des Gutes eine Vielzahl von örtlich
begrenzten, ständige Spannungswechsel des Gutes beim Durchlauf bewirkenden Vertiefungen
aufweisen. Hierbei ist der Förderantrieb für die Bewegung des Gutes durch den Spalt
so eingerichtet, daß dem zu behandelnden Gut eine solche Durchfiießgeschwindigkeit
erteilt wird, daß an den durch die Vertiefungen bestimmten Entspannungsstellen Kavitation
auftritt. Hierbei wird unter Kavitation der ständige Wechsel von Guteinbrüchen in
die Vertiefungen und Hohlsaugen der letzteren verstanden.
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Gegenüber der bekannten Ultraschallbehandlung liegt der grundlegende
und fortschrittliche Unterschied darin, daß Kavitation nicht nur in der Randzone
des Gutes und indirekt über Schallgeber, sondern im Kern des Gutes auf direktem,
mechanischem Wege erzeugt wird. Infolgedessen erfolgt die Feinstzerteilung bzw.
Mischung einerseits in vergleichsweise sehr kurzer Zeit und mit hohem Wirkungsgrad
und andererseits praktisch ohne Verunreinigung des Gutes, hervorgerufen durch Angriff
der Kavitationskräfte auf die Apparatur oder das Behältermaterial. Ein weiterer
Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die die Aufteilung
bewirkenden inneren Kräfte, nach derzeitiger Anschauung also insbesondere die Kavitation,
nicht an die Anwendung von Ultraschall gebunden ist, sondern daß die Frequenz der
die Kavitation erzeugenden Vorgänge auch wesentlich niedriger sein kann. Man kann
daher mit geringem apparativem und mechanischem Aufwand, das heißt, z. B. dn ganz
kleinen Apparaturen, Kavitation erzeugen und mit deren Hilfe selbst schwer zerteilbares
Gut in feinstunterteilte, beständige innige Mischungen bringen. Eine solche Maschine,
die beispielsweise in 8 Stunden über 6ooo kg Obst, Feld- oder Wildfrüchte, z. B.
Äpfel mit Kerngehäusen, in eine streichfertige Paste mit hohem kolloidalem Anteil
umwandelt, benötigt nur einen Platz von weniger als I qm Grundfläche und einen Kraftbedarf
von rund 23 kW.
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Die Größe der Erreger, mit deren Hilfe die Kavitation erzeugt wird,
hängt vor allem von der Zerteilbarkeit des Gutes, von dem gewünschten Zerteilungsgrad
und von dem gewünschten Mengendurchsatz ab. Je höher die innere Festigkeit des Materials
ist, desto stärkere Kavitationswirkung und desto höhere Frequenz des Erregerraumplatzwechsels
bzw. desto höhere Durchflußgeschwindigkeit des Gutes im Spalt sind erforderlich.
Man kann also beispielsweise in einer Maschine mit umlaufenden Erregerräumen bei
kleinem Maschinendurchmesser eine bestimmte Frequenz nur dadurch erreichen, daß
man kleine Erregerräume vorsieht.
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Wenn man andererseits einen größeren Mengendurchsatz erzielen will,
muß man bei gleicher Größe des einzelnen Erregerhohlraumes entweder den Apparat-Durchmesser
oder bei gleicher Apparat-Größe die Wechselfrequenz vergrößern. Man kann aber auch
zur Erzielung eines größeren Mengendurchsatzes nur die Erregerräume vergrößern.
Im allgemeinen wird die Größe des Erregerraumes zwischen Erbsen- und Kirschendurchmesser
liegen, sie kann aber auch auf Stecknadelkopfgröße verringert oder über Apfeldurchmesser
vergrößert werden. Die Form des Querschnittes der einander gegenüberstehenden freien
Flächen der Hohlräume kann verschiedenartig sein. Besonders starke Kavitations-
bzw. Hohlsogkräfte lassen sich beispielsweise in halbkugeligen oder zylindrischen
Hohlräumen erzeugen.
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Die in der Erfindung niedergelegten Erkenntnisse lassen sich dahingehend
zusammenfassen, daß durch Abstimmung der Durchflußgeschwindigkeit auf die Zahl und
Anordnung der Vertiefungen eine solche Frequenz der Spannungswechsel erreicht wird,
daß die Gefügefestigkeit der Gutbestandteile überschritten wird, wobei dieser Vorgang
durch Resonanzwirkungen unterstützt werden kann.
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Bei beweglich zueinander angeordneten Begrenzungskörpern lassen sich
die Vertiefungen so anordnen, daß diese bei der Bewegung der Körper periodisch zur
Deckung kommen. Zur Regelung der Geschwindigkeit der gegeneinanderbewegten Teile
zwecks Beeinflussung der Frequenz der Spannungswechsel können beliebige entsprechende
Mittel angewendet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der ersten Art besteht darin, daß
das Gut in einer Vorrichtung behandelt wird, bei der zwei Systeme von mit ihren
freien Flächen einander eng, d. h. um Spalthöhe, gegenüberstehenden Erregerräumen
relativ zueinander bewegt werden.
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Die Relativbewegung der Erregerräume zueinander kann durch eine umlaufende
oder oszillierende Bewegung eines oder beider Erregerraumsysteme erzeugt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht demgemäß darin,
daß die Erregerräume auf konzentrischen Kreisbahnen zweier Körper angeordnet sind,
von denen zumindest der eine umläuft.
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Diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei der das Gut mit hoher
Geschwindigkeit im Spaltraum bewegt wird, kommt vor allem für den Fall in Betracht,
daß die Erregerräume stillstehen oder sich nur langsam relativ zueinander bewegen.
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Im Sinne der Erfindung liegt es, bei gleichzeitiger Bewegung beider
Erregerraumsysteme den Antrieb nur eines Systems nach Geschwindigkeit und/oder Richtung,
insbesondere auch während des Betriebes, regelbar zu machen, um bei insbesondere
konstanter Bewegung des anderen Systems auf maximale Wirkung der inneren Kräfte
einstellen zu können.
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Im Sinne der Erfindung liegt es auch, die Frequenz des Erregerraumvorbeiganges
oder die Geschwindigkeit des Gutes im Spaltraum den Materialeigenschaften des Gutes
derart anzupassen, daß dessen innere Gefügefestigkeit gestört und insbesoridere
das-Gut in Resonanz gebracht wird.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung be-. steht darin, daß das
Gut in einer Vorrichtung behandelt wird, bei der die Erregerräume auf ebenen Flächen
zweier Körper angeordnet sind, von denen zumindest der eine eine hin und her gehende
oder eine zum anderen exzentrische Bewegung ausführt.
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Die Berechtigung der obenerwähnten Arbeitstheorie, daß bei dem Verfahren
nach der Erfindung Kavitationskräfte eine wesentliche Rolle spielen, wird durch
die Erfindung gestützt, daß die Zerkleinerung des Gutes wesentlich verbessert wird,
wenn flüssige Stoffe zugemischt werden. Beispielsweise kann man ein Gemenge von
verschiedenen keramischen Pulvern dadurch mit hohem Wirkungsgrad fein zerteilen
und innig miteinander vermischen, daß man das Ausgangsgemisch mit Wasser, Petroleum
oder einer anderen Flüssigkeit anteigt.
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Eine ähnliche günstige Wirkung kann dadurch erreicht werden, daß
man die Aufteilung des Gutes in Gegenwart von Luft oder einem anderen Gas durchführt.
Im Sinne der Erfindung liegt es dabei, solche Gase zu verwenden, die mit dem Gut
in chemische Wechselwirkung eintreten, indem sie entweder mit ihm reagieren oder
Reaktionen zwischen den Gutbestandteilen oder der beigemengten Luft od. dgl. verringern
oder hindern.
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Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich mit allen möglichen bekannten
Vorzerkleinerungsverfahren und -apparaturen vereinigen, die auf dem Prinzip der
Schlag-, Quetsc¼, Reib- usw. Wirkung beruhen. Insbesoridere kann man bei umlaufenden
Vorzerkleinerungseinrichtungen das Erregerraumspaltsystem als besondere Stufe in
die umlaufenden Teile einbauen.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen des Erfindungsprinzips
schematisch und ohne Beschränkung des weitmöglichen Erfindungsgedankens dargestellt.
Es zeigt Abb. I eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung
in schematischer Darstellung und im Schnitt, Abb. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt
der gleichen Maschine längs der Linie A-B der Abb. I, Abb. 3 einen vergrößerten
Teilquerschnitt der gleichen Maschine längs der Linie C-B der Abb. I, Abb. 4 einen
schematischen Längsschnitt' durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung der Erfindung, Abb. 5 eine Aufsicht auf die Spaltwände der Vorrichtung
nach Abb. 4, Abb. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß
ausgestalteten Tellerreiber, Abb. 7 eine Aufsicht auf die Unterseite der Tellerscheibe.
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Die in der Abb. I dargestellte Maschine besteht aus dem Ständermotor
3, auf dessen Oberseite das Gehäuse 4 aufgesetzt ist. Das Gehäuse umschließt den
vom Motor 3 angetriebenen Rektor I; die feststehende Gegenplatte, der Stator 2,
ist an dem Gehäuser fest angeordnet, trägt in seinem mittleren Teil den Zulauftrichter
5 und ist mit dem Auslaß 6 versehen.
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Auf der Oberseite des Rotors 1 sind mehrere Gruppen von Nocken oder
Leitkörpern II, I2, 13, I4 radial und konzentrisch zur Rotorachse angeordnet. Diese
Nocken sind vorzugsweise- so geformt, daß sie als Leitflächen für das abströmende
Gut wirken. Auf der Unterseite der Gegenplatte 2 sind ebenfalls mehrere Gruppen
von Nocken 2I, 22, radial und konzentrisch zur Rotordrehachse derart angeordnet,
daß sie unter Freilassung von Spalträumen c in die Rotornc,zkensysteme II, 12 bzw.
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13, I4 eingreifen.
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Die Wirkungsweise dieser Maschine ist folgende: Das durch den Trichter
5 zugeführte Gut füllt den zwischen Rotor und Gegenplatte befindlichen, nockenbesetzten
Arbeitsraum und tritt schließlich durch den Auslaß 6 aus. Bei laufender Maschine
wird das Gut unter der Einwirkung der vom Rotor ausgeübten Zentrifugalkraft nach
außen und durch die Rotornocken gleichzeitig seitlich bewegt. Hierbei wird es durch
Aufprall zerfetzt und zertrümmert, wie es bei Nocken- oder Schlägerzerkleinern ähnlicher
Bauart der Fall ist. Darüber hinaus unterliegt aber das Gut den weiter oben beschriebenen
inneren Zerreißkräften dadurch, daß es periodisch in den durch die Erregerräume
a und b und die Spalte c gebildeten Kammern unter Druck gesetzt und nach der beim
Weiterdrehen des Rotors erfolgenden Kammerauflösung wieder vom Druck entlastet wird.
In jeder Flüssigkeit und insbesondere in Suspensionen usw. sind zahllose Inhomogenitätsstellen
vorhanden, an denen sich im Rhythmus der der Flüssigkeit auferlegten Druckschwankungen
feinste Gasbläschen oder Vakuole bilden und wieder zusammenfallen. Beim Zusammenfalben
dieser Bläschen oder Vaknolen wird die zu ihrer Bildung verbrauchte Energie wieder
frei und wirkt sich dabei hauptsächlich als Aufprallenergie an den ehemaligen Bläschen-
oder Vakuolenwänden aus. Alle an solchen Orten befindlichen festen Teilchen erleiden
dadurch eine starke, bei ausreichender Energie zur Zerlegung führende mechanische
Beanspruchung. Ähnliche Vakuolen bilden sich durch Hohlsog, wenn das Gut mit ausreichender
Geschwindigkeit durch den Spaltraum zwischen zwei mit ihren freien Flächen einander
gegenüberstehenden Erregerräum en hindurchströmt.
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Beide Erscheinungen treten offensichtlich in den obenerwähnten Systemen
ineinandergreifender Nockengruppen 11, 2I, I2 und I3, 22, 14 auf, wobei die Druckwechselfrequenz
im äußeren System größer als im inneren System ist. Demzufolge erleidet das Gut
bei seinem radial auswärts verlaufenden Durchfluß eine zunehmende Feinstzerkleinerung.
Diese hängt unter anderem von der Durchflußgeschwindigkeit und von der Rototdrehzahl
ab und kann daher durch betriebliche Maßnahmen weitgehend geregelt werden.
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In der Abb. 2 ist die Vorrichtung nach Abb. I im Schnitt A-B und
in Abb. 3 im Schnitt C-B dargestellt, wodurch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung noch weiter verdeutlicht ist.
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In den Abb. 4 und 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der das
Gut unter hohem Druck, der durch den schematisch dargestellten Preßstempel 8 erzeugt
wird, durch den regelbaren Arbeitsspalt c hindurchgedrückt wird, dessen beide Begrenzungskörper
2, 2' ortsfest, jedoch gegeneinander verschiebbar und auf ihren einander gegenüberstehenden
Flächen mit Erregerräumen b, b' versehen sind.
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In diesen Erregerräumen entsteht infolge der hohen Durchtrittsgeschwindigkeit
des Gutes durch den Spalt c Hohlsog, der rhythmisch zu- und abnimmt und dadurch
Effekte wie bei der Kavitation erzeugt.
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Bei dem Tellerreiber nach Abb. 6 und 7 sind die ebene Grundfläche
2 des Troges 7 und die Arbeitsfläche des umlaufenden Reibers I je mit einer exzentrisch
zur Drehachse des Reibers angeordneten Kreisserie von Erregerräumen b bzw. a versehen.
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Der Reiber wird durch nicht dargestellte Stützmittel in einstellbarem
Abstand von der Bodenfläche gehalten und durch einen Elektromotor od. dgl. angetrieben.
Bei der Drehung des Reibers verändert sich die gegenseitige Lage der beiden Erregerraumsysteme
a und b periodisch zwischen dem Zustand voller Deckung und dem völliger Versetzung,
wobei auf das im Arbeitsraum befindliche Gut wiederum Kavitationseffekte ausgeübt
werden.
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Bei allen Ausführungsformen sind vorzugsweise die die Erregeraumsysteme
tragenden Bauteile auswechselbar ausgebildet und angeordnet, um je nach den Eigenschaften
des Bearbeitungsgutes Erregerräume größeren oder kleineren Rauminhaltes vorsehen
zu können. Da aus den eingangs erwähnten Gründen die Zerteilungskräfte im Innern
des Gutes und nicht, wie bei der üblichen Ultraschallbehandlung, an den Randzonen
des Schwingorgans oder Behälters auftreten, unterliegt die Auswahl des Materials
für die die Erregerräume tragenden Bauteile keinen besonderen Standardanforderungen,
sondern kann beispielsweise auch der chemischen Empfindlichkeit des Gutes angepaßt
werden.
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PATENTANSPRCHE: I. Vorrichtung zur Herstellung feinstverteilter fließ-
oder schwemmfähiger Mischungen, wie Dispersionen, Suspensionen und Emulsionen, auch
breiigen Charakters, mit einem von dem Grobgemisch zu durchlaufenden engen Arbeitsspalt,
dessen beide Begrenzungskörper auf der Durchlaufstrecke des Gutes eine Vielzahl
von örtlich begrenzten, ständige Spannungswechsel des Gutes beim Durchlauf bewirkenden
Vertiefungen aufweisen, gekennzeichnet durch einen derartigen Förderantrieb für
die Bewegung des Gutes durch den Spalt, daß dem zu behandelnden Gut solche Durchflußgeschwindigkeiten
erteilt werden, daß an den durch die Vertiefungen bestimmten Entspannungsstellen
Kavitation (ständiger Wechsel von Guteinbrüchen in die Vertiefungen und Hohlsaugen
der letzteren) eintritt.