EP1925358B1 - Rührwerkzeug zur Herstellung eines flüssigen Gemischs aus wenigstens zwei Komponenten, sowie die Verwendung des Rührwerkzeugs - Google Patents

Rührwerkzeug zur Herstellung eines flüssigen Gemischs aus wenigstens zwei Komponenten, sowie die Verwendung des Rührwerkzeugs Download PDF

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EP1925358B1
EP1925358B1 EP07120436A EP07120436A EP1925358B1 EP 1925358 B1 EP1925358 B1 EP 1925358B1 EP 07120436 A EP07120436 A EP 07120436A EP 07120436 A EP07120436 A EP 07120436A EP 1925358 B1 EP1925358 B1 EP 1925358B1
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stirring tool
components
bores
mixing
radial
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Sebastian Koltzenburg
Wolfgang Schrof
Eva Wagner
Thomas Brinz
Tobias Burk
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/43—Mixing liquids with liquids; Emulsifying using driven stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/111—Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05—Stirrers
    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/116—Stirrers shaped as cylinders, balls or rollers
    • B01F27/1161—Stirrers shaped as cylinders, balls or rollers having holes in the surface

Definitions

  • the invention relates to a stirring tool for producing a liquid, optionally gaseous and / or fine-grained constituents containing mixture of at least two components according to the preamble of claim 1.
  • Fluid mixing partners are usually mixed in fixed containers with rotating mixers arranged in the center of the container by forced flows.
  • a homogeneous distribution state of the mixing partners is sought.
  • the achievable homogeneity of the mixture is often unsatisfactory, especially when higher-viscosity mixing partners have to be processed.
  • the problem also arises when mixing, dispersing, emulsifying, stirring in various components, at least one of which is in a readily flowable state, in small containers, such as e.g. be used in a laboratory.
  • the reason for this is the mixing energy that can not be supplied to a sufficient extent to the components to be mixed, so that only a correspondingly low displacement and shear action in the component mixture can be achieved.
  • a motor-driven stirrer for mixing small amounts of liquids, emulsions, dispersions and dry or wet mixtures of fine-grained solids known in the end to a stirring shaft, a rotor disk is attached.
  • the rotor disk consists of a circular disk disk and has flow-through openings which extend radially from the center of the disk to the vicinity of its outer periphery.
  • a stirring tool for producing a mixture of at least two components known with a drivable agitator shaft and a rotor disk attached thereto end having a plurality of flow passages. These flow passages are made of symmetrically arranged axial bores and radial or tangential bores.
  • another stirring tool is known, which has an end attached to a driven agitator shaft rotor disk, which is provided with holes.
  • a rotary dispenser known, in which the medium to be distributed is fed axially through a bore and is ejected through radial bores.
  • a plurality of, preferably 4-6, flow-through channels are provided in a circular or polygonal rotor disk attached to one end of a stirring shaft.
  • These consist of aerodynamically interconnected axial bores and radial or tangential bores.
  • the flow channels according to the invention may have circular or polygonal cross-sections and optionally be conical. They are preferably arranged symmetrically to each other, such that on a pitch circle of the upper or lower end face of the rotor disk axial bores are introduced as far into the rotor disk until they intersect the radial or tangential bores.
  • gases or solids can be distributed homogeneously in a component mixture in a particularly effective manner.
  • the axial bores are through holes.
  • the rotor disk consisting of a cylindrical section can be designed with a cone or frusto-conical shape on at least one end face of the cylinder section.
  • a polygonal rotor disk may be formed on at least one end face a corresponding polyhedral elevation.
  • the axial bores extend in these embodiments of the rotor disc, of course, by the conical or polyhedral elevations.
  • the stirring tool according to the invention is suitable for example for mixing, emulsifying liquids, slightly pasty formulations and for dissolving or dispersing solids and / or gases in liquids, in particular for mixing chemically reactive components such as paint binders and hardeners, monomer solutions and catalysts, polymer solutions and active ingredients and adhesive formulations.
  • the stirring tool is after the FIGS. 1 to 3 from a drivable agitator shaft (1) and a rotor disk (2) fastened at the end to the agitator shaft in the form of a cylinder section.
  • the rotor disk contains four symmetrically arranged through-flow channels, which are formed from four axial bores (3) and four radial bores (4). In each case an axial bore is connected to a radial bore.
  • the radial distance of the bores (3) from the agitator shaft (1) can be varied depending on the diameter of the rotor disk and the flow-through channels.
  • conical protrusions are designated on the end faces of the cylinder portion of the rotor disk.
  • the stirring tool is immersed in the components contained in a stationary stirring container and set in a rotary motion.
  • the resulting centrifugal forces cause a component delivery through the radial bores (4) while the axial bores (3) continuously flow component flows from above and below.
  • a mixing of the components or the emerging from the flow passages component flow with the Rlick hereerinhalt.
  • the stirring tool according to the FIGS. 4 and 5 extend the axial holes (3) from below only as far in the circular rotor disk (2) until they cut the center mounted in the cylinder section holes (4), so that only from below components or mixture is sucked.
  • Such a construction is particularly suitable when fine-grained solid is mixed into a liquid or when the entry of gases into the liquid should be avoided.
  • the rotor disk (2) is circular. But it can also consist of a polygon, as in the 6 and 7 is shown.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Rührwerkzeug zum Herstellen eines flüssigen, gegebenenfalls gasförmige und/oder feinkörnige Bestandteile enthaltenden Gemischs aus wenigstens zwei Komponenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Mischen ist eine in der chemischen Technik oft ausgeübte Operation. Fluide Mischungspartner werden üblicherweise in feststehenden Behältern mit rotierenden Mischeinrichtungen, die in der Mitte des Behälters angeordnet sind, durch Zwangsströmungen gemischt. In der Regel wird ein möglichst homogener Verteilungszustand der Mischungspartner angestrebt. In den bekannten Mischapparaturen für Fluide, beispielsweise Rührbehälter mit einem mechanisch bewegten Scheibenrührer, ist die erreichbare Homogenität der Mischung häufig unbefriedigend, insbesondere wenn höherviskose Mischungspartner verarbeitet werden müssen. Das Problem stellt sich auch beim Durchmischen, Dispergieren, Emulgieren, Einrühren von verschiedenen Komponenten, von denen zumindest eine in einem leicht fließfähigen Zustand vorliegt, in kleinen Behältern, wie sie z.B. in einem Labor eingesetzt werden. Ursächlich hierfür ist die den zu mischenden Komponenten nicht in ausreichendem Maße zuführbare Mischenergie, so dass nur eine entsprechend geringe Verdränger- und Scherwirkung in dem Komponentengemisch erreicht werden kann.
  • Aus der DE 195 04 033 C2 ist ein motorgetriebener Rührer zum Mischen kleiner Mengen von Flüssigkeiten, Emulsionen, Dispersionen und von Trocken- oder Nassmischungen aus feinkörnigen Feststoffen bekannt, bei dem endseitig an einer Rührwelle eine Rotorscheibe befestigt ist. Die Rotorscheibe besteht aus einer kreisförmigen Flügelscheibe und besitzt Durchströmöffnungen, welche sich radial vom Zentrum der Scheibe bis in die Nähe ihres Außenumfangs erstrecken.
  • An den radialen Seitenkanten der Durchströmöffnungen sind nach oben und nach unten gerichtete Mischflügel angebracht, über die eine gleichförmige Wellenströmung in dem Mischgut erzeugt werden soll. Die mit einer solchen Rührerkonstruktion erzielbare Mischgüte befriedigt jedoch nicht in jeder Hinsicht, da die durch die Mischflügel gebildeten Kanäle nach oben bzw. unten offen sind und sich somit nur bedingt Zwangsströmungen ergeben. Darüber hinaus ist während der Rotation des Rührers ein Mitdrehen des Mischgutes im Behälter praktisch nicht zu vermeiden.
  • Weiterhin ist aus der US 2004/022122 A1 ein Rührwerkzeug zum Herstellen eines Gemischs aus wenigstens zwei Komponenten bekannt mit einer antreibbaren Rührwelle und einer endseitig daran befestigten Rotorscheibe, die mehrere Durchströmkanäle aufweist. Diese Durchströmkanäle sind aus symmetrisch angeordneten axialen Bohrungen und radialen oder tangentialen Bohrungen ausgeführt. Weiterhin ist aus der US-A-4018598 ein weiteres Rührwerkzeug bekannt, das eine an einer antreibbaren Rührwelle endseitig befestigte Rotorscheibe aufweist, die mit Bohrungen versehen ist. Darüber hinaus ist aus der DE 1032 719 B1 ein Rotationsdispenser bekannt, bei dem das zu verteilende Medium axial durch eine Bohrung zugeführt wird und über radiale Bohrungen ausgeschleudert wird.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Rührwerkzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, dass mit einfachen Mitteln eine stärkere örtliche Durchmischung von wenigstens zwei Komponenten erzielbar ist und dass besonders rasch reproduzierbare Komponentengemische in verbesserter Mischgüte erhalten werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen vorgeschlagen.
  • Bei dem Rührwerkzeug nach der Erfindung sind in einer endseitig an einer Rührwelle befestigten kreis- oder polygonförmigen Rotorscheibe mehrere, vorzugsweise 4-6 Durchströmkanäle vorgesehen. Diese bestehen aus strömungstechnisch miteinander verbundenen axialen Bohrungen und radialen oder tangentialen Bohrungen. Beim Durchführen des Mischungsvorgangs entsteht infolge der durch die Rotorscheibe erzeugten Fliehkräfte ein Unterdruck in den Durchströmkanälen, der eine zusätzliche vertikale Strömung im Komponentengemisch induziert. Es werden entsprechend der Anzahl der Durchströmkanäle Teilströme aus dem Mischgut angesaugt, in den axialen Bohrungen umgelenkt und aus den radialen oder tangentialen Bohrungen ausgetragen, wobei eine kräftige Turbulenz erzeugt wird. Die sich einstellende Zirkulationsströmung führt zu einem besonders homogenen und stabilen Komponentengemisch.
  • Die erfindungsgemäßen Durchströmkanäle können kreisrunde oder polygonförmige Querschnitte aufweisen und gegebenenfalls konisch ausgebildet sein. Sie sind vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet, derart, dass auf einem Teilkreis der oberen oder unteren Stirnfläche der Rotorscheibe axiale Bohrungen soweit in die Rotorscheibe eingebracht werden bis sie die radialen oder tangentialen Bohrungen schneiden. Hierdurch lassen sich besonders wirksam Gase oder Feststoffe in einem Komponentengemisch homogen verteilen.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die axialen Bohrungen Durchgangsbohrungen. Auf diese Weise können bei Anordnung der Rotorscheibe im Bereich der Phasengrenze der zu mischenden Komponenten diese oberhalb und unterhalb der Rotorscheibe angesaugt, in den radialen oder tangentialen Bohrungen zusammengeführt und in turbulenter Strömung ausgetragen werden, wobei kontinuierlich Komponententeilströme nachgesaugt werden. Durch diese Zwangsströmungen ergibt sich eine intensive Durchmischung von Komponenten, insbesondere Komponenten unterschiedlicher Konsistenz innerhalb kurzer Rührzeiten.
  • Um die beim Mischen flüssiger Komponenten in einem Rührbehälter sich einstellende und das Mischergebnis nachteilig beeinflussende Trombenbildung zu vermeiden, kann in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rührwerkzeugs die aus einem Zylinderabschnitt bestehende Rotorscheibe auf wenigstens einer Stirnfläche des Zylinderabschnitts kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Bei einer polygonförmigen Rotorscheibe kann auf wenigstens einer Stirnfläche eine entsprechend polyederförmige Erhebung ausgebildet sein. Die axialen Bohrungen erstrecken sich bei diesen Ausführungensformen der Rotorscheibe natürlich auch durch die kegel- oder polyederförmigen Erhebungen.
  • Das Rührwerkzeug nach der Erfindung eignet sich beispielsweise zum Mischen, Emulgieren von Flüssigkeiten, leicht pastösen Formulierungen sowie zum Lösen oder Dispergieren von Feststoffen und/oder Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zum Mischen von chemisch reaktionsfähigen Komponenten wie beispielsweise Lackbindemittel und Härter, Monomerlösungen und Katalysatoren, Polymerlösungen und Wirkstoffe sowie Klebstoff-Formulierungen.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
  • Es zeigt
    • Fig. 1
    eine Ausführungsform des Rührwerkzeuges mit 4 Durchströmkanälen in perspektivischer Darstellung
    Fig. 2
    einen Längsschnitt des Rührwerkzeuges entsprechend Fig. 1
    Fig. 3
    eine Draufsicht auf das Rührwerkzeug entsprechend Fig. 1
    Fig. 4
    eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Rührwerkzeuges
    Fig. 5
    eine Draufsicht des Rührwerkzeuges gemäß Fig. 4
    Fig. 6
    eine Seitenansicht eines Rührwerkzeuges mit sechseckiger Rotorscheibe und
    Fig. 7
    das Rührwerkzeug nach Fig. 6 in der Draufsicht.
  • Im Wesentlichen besteht das Rührwerkzeug nach den Figuren 1 bis 3 aus einer antreibbaren Rührwelle (1) und einer endseitig an der Rührwelle befestigten Rotorscheibe (2) in Form eines Zylinderabschnitts. Die Rotorscheibe enthält vier symmetrisch angeordnete Durchströmkanäle, die aus vier axialen Bohrungen (3) und vier radialen Bohrungen (4) gebildet sind. Jeweils eine axiale Bohrung ist mit einer radialen Bohrung verbunden. Der radiale Abstand der Bohrungen (3) von der Rührwelle (1) kann in Abhängigkeit der Durchmesser der Rotorscheibe und der Durchströmkanäle variiert werden. Mit (5) sind kegelförmige Erhebungen auf den Stirnflächen des Zylinderabschnitts der Rotorscheibe bezeichnet.
  • Zur Herstellung eines homogenen Gemischs wird das Rührwerkzeug in die in einem feststehenden Rührbehälter enthaltenden Komponenten eingetaucht und in eine Drehbewegung versetzt. Die hierdurch entstehenden Fliehkräfte bewirken eine Komponentenförderung durch die radialen Bohrungen (4) während durch die axialen Bohrungen (3) kontinuierlich Komponentenströme von oben und unten nachfließen. In den radialen Bohrungen sowie beim Austreten der Komponenten bzw. des Komponentengemischs aus den Durchströmkanälen erfolgt eine Vermischung der Komponenten bzw. des aus den Durchströmkanälen austretenden Komponentenstromes mit dem Rührbehälterinhalt. Durch wiederholtes Fördern des Mischgutes durch die Durchströmkanäle werden besonders homogene Gemische erhalten. Strömungsbeeinflussende Körper in den Durchströmkanälen (in den Zeichnungen nicht dargestellt) können die Mischwirkung erhöhen.
  • Bei der Ausführungsform des Rührwerkzeuges gemäß der Figuren 4 und 5 reichen die axialen Bohrungen (3) von unten nur soweit in die kreisförmige Rotorscheibe (2) bis sie die mittig in dem Zylinderabschnitt angebrachten Bohrungen (4) schneiden, so dass nur von unten Komponenten oder-gemisch angesaugt wird. Eine solche Konstruktion eignet sich besonders dann, wenn feinkörniger Feststoff in eine Flüssigkeit eingemischt oder wenn der Eintrag von Gasen in die Flüssigkeit vermieden werden soll. Für ein besonders schonendes Mischen von Komponenten hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Bohrungen (4) nicht radial sondern tangential, d.h. unter einem Winkel von etwa 30 bis etwa 45 Grad zur Radialen entgegen der Drehrichtung des Rührwerkzeuges anzuordnen.
  • Im Allgemeinen ist die Rotorscheibe (2) kreisförmig ausgebildet. Sie kann aber auch aus einem Polygon bestehen, wie dies in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist.

Claims (5)

  1. Rührwerkzeug zum Herstellen eines flüssigen, gegebenenfalls gasförmige und/oder feinkörnige Bestandteile enthaltenden Gemischs aus wenigstens zwei Komponenten, mit einer antreibbaren Rührwelle (1) und endseitig daran befestigter Rotorscheibe (2), die mehrere Durchströmkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmkanäle aus symmetrisch angeordneten axialen Bohrungen (3) und radialen oder tangentialen Bohrungen (4) bestehen, wobei jeweils eine axiale Bohrung eine radiale oder eine tangentiale Bohrung schneidet.
  2. Rührwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Bohrungen (3) Durchgangsbohrungen sind.
  3. Rührwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (2) aus einem Zylinderabschnitt besteht und wenigstens eine Stirnfläche des Zylinderabschnitts kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
  4. Rührwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (2) polygonförmig ausgebildet ist und auf wenigstens einer Stirnfläche eine entsprechende polyederförmige Erhebung aufweist.
  5. Verwendung des Rührwerkzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zum Mischen von chemisch reaktionsfähigen Komponenten.
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