WO2013189830A1 - Vorrichtung und verfahren zum mischen, insbesondere zum dispergieren - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum mischen, insbesondere zum dispergieren Download PDF

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WO2013189830A1
WO2013189830A1 PCT/EP2013/062280 EP2013062280W WO2013189830A1 WO 2013189830 A1 WO2013189830 A1 WO 2013189830A1 EP 2013062280 W EP2013062280 W EP 2013062280W WO 2013189830 A1 WO2013189830 A1 WO 2013189830A1
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process area
housing
mixing
mixture
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Philipp Schmitt
Wendelin Kneisl
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Bühler AG
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    • B02C17/163—Stirring means

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for mixing, in particular dispersing.
  • a predetermined amount of liquid is often premixed with a predetermined amount of a powdery solid, usually pigment. Such mixtures are then further ground and dispersed in stirred mills, if necessary.
  • Exemplary industrial applications are the production of paint and varnish or the like.
  • mixing is understood as meaning the combination of substances or streams in such a way that the composition is as uniform as possible.
  • the mixing is used in particular for the preparation of dispersions, ie dispersing.
  • a dispersion is understood as meaning a heterogeneous mixture of at least two substances which do not dissolve or hardly dissolve into one another or chemically combine with one another.
  • a substance disperse phase
  • a substance is dispersed as finely as possible in another substance (dispersion medium or continuous phase), if appropriate using grinding aid bodies; In stirred mills, for example, spherical grinding aids are frequently used.
  • the present invention relates in particular to (the preparation of) suspensions - ie dispersions in which a liquid forms the continuous phase and a solid forms the disperse phase.
  • the dispersion also means the wetting of the material to be dispersed with the dispersing agent and the comminution of the substance to be dispersed (and, if appropriate, the subsequent stabilization).
  • Comminution may typically be the dissolution of agglomerates into primary particles. However, aggregates or associates (if an assembly by van der Waals forces or stronger chemical bonding types is effected) can be comminuted when dispersed in primary particles.
  • Generic devices for mixing two substances usually have a housing and a rotor rotating therein. By means of at least one supply line, the substances are introduced into the housing. During operation of the device, the substances are mixed by means of the rotor and then discharged from the housing.
  • the dispersing apparatus comprises a dispersing chamber, at least one stirring disk, an inlet through which the liquid with the material to be treated and the dispersion medium are sucked by the rotation of the stirring disk, an outlet, and a separator.
  • the separating device is arranged at the outlet. By means of the separator, the Mahltosêt be separated from the dispersion.
  • the separator may discharge the dispersion through the outlet, retaining the grinding aids as described.
  • the device comprises a stator and a rotor driven in rotation about an axis, the stator and the rotor having shearing and / or conveying elements. Furthermore, the device has a shear area, where the shear and / or conveying elements run past each other during the rotation of the motor. In addition, the device has at least one supply line. The supply line opens directly into the shear area. It is disadvantageous that an effective comminution of agglomerates in the known devices takes place only to a small or insufficient extent.
  • the known devices are not optimized with regard to discharging the prepared mixture from the device.
  • auxiliary means such as upstream pumps or the like to assist them.
  • the inventive device comprises: a housing having at least one, preferably two inlets and at least one outlet, a separating device which is arranged in the housing and with which the housing in a a first process area and a second process area is divisible, and a rotor unit, which is rotatably disposed in the housing, wherein the first process area comprises a first portion of the rotor unit, so that during operation of the device mixing of supplied by the at least one inlet materials by means of first portion of the rotor unit is feasible in the first process area, and the second process area is downstream of the first process area downstream of the separation device and includes a second portion of the rotor unit, wherein the second portion of the rotor unit comprises an ejector.
  • the device according to the invention can be used, for example, for the production of paints, in particular car paints, printing inks, emulsion paints, emulsions, ceramic dispersions or the like.
  • the device according to the invention can be used as a premixing or predispersing unit, wherein the mixture produced by means of the device according to the invention can subsequently be fed to an agitating mill in order to achieve an even greater fineness of the dispersion.
  • smaller grinding auxiliary bodies typically spherical
  • At least two substances can be fed to the device via the at least one inlet.
  • this is a solid, such as a powder, as well as a liquid.
  • each substance may be supplied to the device via a separate inlet, with each material being supplied to the first process area.
  • the device is charged with a prescriptive premix of the substances to be mixed.
  • two inlets are present; This makes it possible to charge the device with separate streams of dispersant and disperse phase.
  • the device according to the invention is used for processing or producing mixtures with low to medium viscosity.
  • the dynamic viscosity of the mixtures is between about 0.1 and about 20,000 mPas, measured at the appropriate operating conditions of the device according to the invention for the respective product to be produced. Suitable operating conditions may be between -10 ° C and 110 ° C, preferably between room temperature and 60 ° C.
  • the at least two substances pass through the at least one inlet into the first process area of the device.
  • the at least two substances are mixed by means of the first section of the rotating rotor unit.
  • This first section of the rotor unit preferably comprises a stirring disk known per se, which is designed in such a way that it is able to entrain particles not only on account of adhesion, but in particular also due to form-fitting effects (for example channels penetrating into the stirring disk).
  • Centrifugal forces generated by the rotation of the first section of the rotor unit flow the mixture of substances as well as the subsequent material flows from the first process area in the direction of the separation device; This is further supported by a negative pressure generated in the second process area by the ejection means, as will be explained below.
  • the separator may have static gaps, dynamic gaps, and combinations thereof.
  • Static columns are understood to mean those that are not under at least partially limited by the rotor are formed.
  • dynamic gaps are understood to mean those which are formed between the rotor and static elements of the device. It is understood that a separator may have both static and dynamic gaps. A respective gap width of the static and dynamic column does not have to be identical in this case.
  • Elements of a static separator may be fixedly connected to the housing or to the rotor unit in the first section.
  • Suitable elements of the separating device can extend perpendicularly from the respective surface of the housing into the interior and thus have two opposite axial ends.
  • the separator also has the task of a separation point for coarse contaminants, which may be contained in the solid, for example. These may be coarse particulate contaminants. By means of the separation device, at least such impurities are retained.
  • the gap width of the separator should not be greater than the distance of the ejector from the housing, starting from the smallest distance. In this way, damage to the ejection can be effectively prevented by means. Furthermore, various embodiments can be implemented to carry out this task, some of which will be explained by way of example in the further course.
  • a gap is formed between the second end of the separator opposite the first end of this element of the separator and the first portion of the rotor unit (eg, the stirring disk).
  • the first section of the rotor unit preferably extends at least partially into the separating device in this case.
  • the gap thus formed is referred to as a dynamic gap, as explained above.
  • at least one planned gap or gap is formed in the radial direction between the separating device and the first section of the rotor unit.
  • the first portion of the rotor unit may have a bead have, so that also in the axial direction, a gap between the first portion of the rotor unit and the separating device is formed.
  • elements of the separator may be attached to the first portion of the rotor assembly.
  • the dynamic gap is formed between the element of the separating device rotating during operation of the device and the housing.
  • the separation device itself has gaps. These are referred to below as the static column.
  • the gap width of the static column corresponds to the gap width of the dynamic gap or gap.
  • the gap width of the separating device can be designed such that particles with a diameter of less than 4 mm, less than 3 mm, or less than 2 mm, or less than 0.25 mm can pass through the separating device when used as intended.
  • coarser particles, in particular foreign bodies are thus retained, which prevents destruction of the device according to the invention. This is due to the fact that no particles with a diameter greater than the distance between the ejector and the housing can pass through the separator.
  • the separator After the mixture has passed the separator, it enters the second process area.
  • the second process area In the second process area is the second section of the rotor unit, which has the ejection means.
  • a pressure difference is generated, which has been found in the context of the invention to be advantageous.
  • the ejection means supports a discharge of the mixture formed in the first process area through the outlet.
  • the ejection means preferably comprises a plurality of blades, paddles or the like for this purpose.
  • the ejection means extend in the housing such that only a small distance is formed between the housing and the ejection means.
  • the lower limit of a reasonable distance between ejection means and housing (or other static parts) is due to the manufacturing tolerance of the device on the one hand and, on the other hand, due to the urgent need that the ejector freely must pass static parts; Under these conditions, the distance can be chosen as small as possible.
  • the distance is typically between 20 mm and 0.25 mm, or between 15 mm and 0.25 mm, or between 5 mm and 0.25 mm. It was found that such selected distances between the ejection means and the housing caused an additional dispersing effect between the ejection means and the housing. This further improves the quality of the produced mixture.
  • the mixture can either be re-supplied to the inventive device or it can be supplied for further processing, for example, a stirred mill.
  • An advantage of the inventive device is due to the separation device, as discussed above, the integrated filter function against foreign substances and the advantageous in the context of the invention suction effect.
  • the rotor unit comprises a rotor disk which extends through elements of the separator and forms a dynamic gap therewith.
  • the second section of the rotor unit is thus located radially farther from the rotor axis than the first section of the rotor unit.
  • the first portion and the second portion of the rotor unit are arranged adjacent to the rotor axis.
  • the first and the second section of the rotor unit can thus be arranged one above the other with respect to a drive shaft of the rotor unit.
  • the separating device may be arranged adjacent to the drive shaft on the first portion of the rotor unit, which increases the load on the separating device in the operation of the device in comparison to vernnindert described above embodiment. This will also be explained in detail later with reference to the drawings.
  • auxiliary grinding body in the context of the present invention comprises any freely movable, physically acting on the solid agent, in particular causing a mixing, (intensive) dispersion and / or a real comminution of aggregates, crystalline and amorphous structures.
  • the auxiliary grinding bodies have in particular a diameter, for example in the range of 0.5 to 8 mm, or 1 to 3 mm, or 0.7 to 2 mm.
  • a Mahltos crusher for example with a diameter of 8 mm.
  • Another Mahltosmaschine may Mahltosmaschine having an exemplary diameter of 1 mm.
  • the separating device furthermore serves to retain these auxiliary grinding bodies in the first process area. Accordingly, the gap width of the separation device, both with regard to the dynamic gap and the possibly existing static gaps, must be adjusted accordingly.
  • the gap width therefore preferably corresponds at most to half the diameter of the auxiliary grinding bodies and is selected in particular within the scope of the size ranges specified above.
  • mixing tools are provided in an equally preferred embodiment in the first process area. These may be provided on the first section of the rotor unit, on the housing or on both.
  • the mixing tools are pins that extend vertically into the first process area from the housing and / or the surface extend the first portion of the rotor unit. In this way, accumulation of the Mahlospian is prevented on the separator.
  • the mixing method according to the invention can be carried out in particular in a device according to the invention and comprises the following steps: introducing at least two substances, in particular a solid and a liquid, into the device, then mixing the at least two substances in the first process region by means of the first section of the rotating rotor unit and passing the mixture through the separation device into the downstream second process region and then discharging the mixture from the second process region by means of the ejection means arranged on the second section of the rotor unit.
  • predispersion takes place.
  • the dispersion is further refined and homogenized by the ejection agent.
  • a premix stage can be arranged, as will be illustrated below on the basis of exemplary embodiments.
  • the mixing method according to the invention has the advantages already discussed above with reference to the device. Therefore, reference is made to the illustrations of the advantages of the invention as well as the mode of operation of the embodiments.
  • the mixing method comprises the further step of: dispersing the mixture in the second process area, in particular between the ejection means and the housing. If the distance between the ejection means and the housing chosen low enough, as described above, then it can lead to an intensification of the dispersion in this area.
  • the mixing method has the further step of: (intensive) dispersing the mixture in the first process area by means of in particular spherical grinding aid bodies, wherein the gaps of the separation apparatus are preferably less than or equal to half the diameter of the auxiliary grinding bodies.
  • the device has mixing tools in the first process area on the housing and / or on the first section of the rotor unit.
  • FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the inventive device
  • FIG. 2 is a plan view of the first embodiment of the inventive device in the open state
  • FIG. 3 is a sectional view of a second embodiment of the inventive device
  • Fig. 6 is a sectional view of a fifth embodiment of the inventive device
  • Fig. 7 is a sectional view of a sixth embodiment of the inventive device.
  • the device according to the invention can be used in particular for mixing a solid, such as a powder, with a liquid.
  • a paint in particular a car paint
  • the apparatus is used to prepare mixtures that are low to medium viscosity.
  • the inventive device 1 is shown in a first embodiment in the sectional view and in plan view. In the following, the device 1 will be described during operation. In this case, a rotor unit of the device 1 according to FIG. 2 rotates clockwise.
  • the device 1 has a housing 10.
  • the housing 10 includes a fluid inlet and a solids inlet. The supply of the liquid and the solid can be effected via corresponding lines 20, 22.
  • the solid may be a powder 30 held in a container 32.
  • the liquid is for example water, oil or solvent, which is supplied in the direction of arrow A of the device 1 or is sucked by this.
  • the suction effect of the device 1 will be explained later in detail, so that it will not be discussed further at this point.
  • a separation device 40 which divides the housing 10 into a first process area 12 and a downstream second process area 14. Furthermore, in the housing 10, the rotor unit 50 is arranged, which is driven via an associated drive shaft 52.
  • the rotor unit 50 has a first section 54, which is arranged in the first process area 12, and a second section 56, which is arranged in the second process area 14.
  • the first portion 54 of the rotor unit 50 has a plurality of openings 58. Through the openings 58, the supplied powder 30 can be distributed together with the liquid in the entire first process area 12. A thorough mixing of powder 30 and Liquid is caused due to the rotation of the rotor assembly 50 and the openings 58 present in the first section.
  • the separation device 40 extends perpendicularly from the bottom or cover of the housing 10 in the direction of the surface of the first section 54 of the rotor unit 50.
  • the separation device 40 has static gaps and at least one dynamic gap.
  • the static gaps are formed in the separator 40 itself.
  • the separator may consist of a skeleton having corresponding static gaps.
  • the dynamic gap (s) are formed between the first portion 54 of the rotor unit 50 and the separator 40. Only a plan gap is shown.
  • the first portion 54 of the rotor unit 50 may have a bead so that an axial dynamic gap is also formed between the separator 40 and the first portion 54 of the rotor unit 50.
  • both the dynamic column and the static column are less than or equal to 4 mm. In this way, effectively contained in the powder, coarse particulate foreign body can be retained. This is, as will be explained later, particularly advantageous, since thus damage to the second portion 56 of the rotor unit 50 can be avoided.
  • the mixture produced in the first process region 14 flows through the separating device 40 into the second process region 14.
  • an ejection means is arranged at the second portion 56 of the rotor unit 50.
  • the ejection means may be a plurality of blades 60.
  • a pressure difference is generated in the device 1, whereby at least the powder 30 can be sucked in automatically by the device during operation.
  • the device 1 according to the invention has a greater suction effect due to the ejection means. In this way, no forced conveyor are required to supply the solid of the device 1.
  • the blades 60 have a distance to the housing 10 of less than 2 mm in both the radial and in the axial direction.
  • the blades 60 support a discharge of the mixture from the outlet 70 of the housing 10 in the direction of arrow B.
  • the blades 60 may also have a curved shape in addition to the shape shown in FIG. 2, which leads to a fluidically improved behavior of the device 1.
  • the mixture exiting the device 1 through the outlet 70 may be supplied again to the first process area 12.
  • the mixture can be further processed in a subsequent work step.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the device 3 according to the invention.
  • the device 3 additionally has grinding auxiliary bodies 80 in the first process area 12.
  • 50 mixing tools 82 are arranged on the first portion 54 of the rotor unit.
  • the grinding aid bodies 80 and the mixing tools 82 in addition to a mixing of powder 30 and liquid in the first process area 12, an (intensive) dispersion up to the real comminution of aggregates, crystalline or amorphous structures can be realized.
  • the mixing tools 82 also ensure that the auxiliary grinding bodies 80 do not collect on the separating device 40 but remain in motion.
  • the housing 10 also has mixing tools.
  • Mahlos emotions depends in particular on the substances to be processed. Usually, however, the grinding auxiliary bodies have a diameter of less than or equal to 8 mm, preferably less than or equal to 3 mm and particularly preferably less than or equal to 1 mm. In order for the separating device 40 to effectively retain the grinding aid bodies 80 in these cases in the first process area 12, the gap width in these cases may not be greater than half the diameter of the used Mahlosharm 80. This applies to both the dynamic gap and for any existing static column.
  • a third embodiment of the device 5 according to the invention is shown.
  • it is a horizontal device 5, with respect to the drive shaft 52.
  • the embodiments of Figs. 1 to 3 represent a vertical device 1, 3.
  • the basic operation of the device 5 is identical to the operation described above for the other embodiments.
  • a difference from the embodiment according to FIG. 3 is only in the horizontal arrangement instead of the vertical arrangement shown in FIG.
  • the device 5 according to FIG. 4 has a supply hopper 90 for storing solid, which is supplied to the device in the direction of arrow C.
  • the presentation hopper 90 can be shut off with a slide 92.
  • the liquid line 20 has a slider 94.
  • liquid can be supplied via a bypass line 98 to the first process area 12 on the housing side opposite the solids inlet.
  • the one end of the bypass line 98 is for this purpose arranged on the first process area 12, while the second end of the bypass line 98 is arranged on the liquid line 20 upstream of the slide 94.
  • the bypass line 98 also has a slide 96.
  • the liquid is supplied to the first process area from a liquid container 100.
  • the mixture from the outlet 70 is supplied to the liquid container 100.
  • the liquid container 100 has a stirring tool 102 for stirring the liquid.
  • a fourth embodiment of the device 7 according to the invention is shown in FIG.
  • a metering element 34 is arranged in the solids line 22 adjacent to the feed hopper 90.
  • the metering element 34 is, for example, a rotary valve.
  • the supply of solids in the first process area 12 can be controlled in more detail.
  • the device 7 on the rotor unit on a Vormischabites 62 The premixing section 62 is axially spaced and disposed upstream of the first 54 and second sections 56 of the rotor assembly and is located in a premixing region 16 of the housing 10.
  • a distance of the premixing section 62 to the housing 10 is greater compared to the spacing of the first 54 and second sections
  • the premixing section 62 serves for pre-mixing of powder and liquid in the premixing region 16. In terms of flow, powder and liquid thus first move from the respective inlet into the premixing region 16.
  • Rotor unit 52 is a pre-mixing instead.
  • the premix flows via a separating element 42 into the first process region 14.
  • the separating element serves in particular for retaining grinding auxiliary bodies 80.
  • a gap width, both dynamic and static, or an opening size is therefore preferably at or below 4 mm.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of the device 9.
  • the first 12 and the second process region 14 are arranged axially spaced from one another.
  • the first portion 54 and the second portion 56 of the rotor unit are arranged axially spaced apart.
  • the second section 56 of the rotor unit openings 58. These openings are arranged distributed between the blades 60 and the drive shaft 52 of the rotor unit.
  • the general mode of operation of the device 9 is identical to the mode of operation described with reference to FIGS. 1 to 4. For this reason, no further statements are made, but refer to the above statements.
  • the first 12 and the second process area 14 are arranged axially one above another, as already in the exemplary embodiment according to FIG. 6.
  • an intermediate wall 18 is arranged in the housing between the first 12 and the second process area 14.
  • the separator 40 is disposed on the first portion 54 of the rotor unit adjacent the drive shaft 52. Between the separator 40 and the intermediate wall 18 thus the dynamic gap is formed.
  • the dynamic gap may be a plan gap.
  • the sixth embodiment is particularly advantageous, since the separation device 40 does not have to retain the auxiliary grinding bodies in the mass, as in the other embodiments.
  • the auxiliary grinding bodies 80 are transported outwardly away from the separating device 40 as a result of the centrifugal forces acting on the auxiliary grinding bodies 80.
  • FIG. 8 shows the sequence of a mixing method according to the invention.
  • the inventive mixing method uses the inventive device.
  • a first step I at least two substances, in particular a solid and a liquid, are introduced into the first process area 12 of the device 1, 3, 5, 7, 9, 10.
  • step II the at least two substances are mixed in the first process area 12 by means of the first section 54 of the rotating rotor unit 50.
  • the device 1, 3, 5, 7, 9, 10 further comprises auxiliary grinding bodies 80 in the first process area 12, then In addition, an (intensive) dispersion of the mixture in the first process region 12 by means of the preferably spherical Mahltospian.
  • the gaps of the separating device 40 are less than or equal to half the diameter of the auxiliary grinding bodies 80.
  • step III the mixture thus produced flows through the separator 40 into the downstream second process area 14 (step III).
  • step IV takes place Dispersing the mixture in the second process area 14, in particular between the ejection means and the housing 10.
  • step V takes place from the second process area 14 by means of the ejection means arranged on the second section 56 of the rotor unit.

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Abstract

Eine erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst ein Gehäuse (10), eine Trennvorrichtung (40) sowie eine Rotoreinheit (50). Das Gehäuse weist mindestens einen Einlass sowie mindestens einen Auslass (70) auf. Die Trennvorrichtung ist im Gehäuse angeordnet und unterteilt das Gehäuse in einen ersten Prozessbereich (12) sowie einen zweiten Prozessbereich (14). Die Rotoreinheit besteht aus einem ersten (54) sowie einem zweiten (56) Abschnitt und ist drehbar im Gehäuse angeordnet. Während eines Betriebs der Vorrichtung ist ein Mischen von durch den Einlass zugeführten Stoffen mittels des ersten Abschnitts der Rotoreinheit im ersten Prozessbereich durchführbar. Der zweite Prozessbereich ist stromabwärts des ersten Prozessbereichs hinter der Trennvorrichtung angeordnet und umfasst den zweiten Abschnitt der Rotoreinheit. Der zweite Abschnitt der Rotoreinheit umfasst ein Auswurfmittel, um ein Austragen des Gemischs zu verbessern.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM MISCHEN, INSBESONDERE ZUM DISPERGIEREN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen, insbesondere Dispergieren.
In der Praxis, beispielsweise in der Farbenindustrie, wird häufig eine vorgegebene Menge Flüssigkeit mit einer vorgegebenen Menge eines pulverförmigen Feststoffs, in der Regel Pigment, vorgemischt. Derartige Gemische werden anschliessend in Rührwerksmühlen nötigenfalls noch weiter gemahlen und dispergiert. Beispielhafte industrielle Anwendungen sind die Herstellung von Farbe und Lack oder Ähnlichem.
Unter Mischen wird vorliegend das derartige Vereinigen von Stoffen oder Stoffströmen verstanden, dass eine möglichst gleichmässige Zusammensetzung erreicht wird; im Rahmen der Erfindung dient das Mischen insbesondere der Herstellung von Dispersionen, also dem Dispergieren. Unter einer Dispersion wird hierbei ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen verstanden, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden. Beim Vorgang des Dispergierens wird ein Stoff (disperse Phase) möglichst fein in einem anderen Stoff (Dispersionsmittel bzw. kontinuierliche Phase) verteilt, ggf. unter Verwendung von Mahlhilfskörpern; in Rührwerksmühlen werden bspw. häufig kugelförmige Mahlhilfskörper eingesetzt. Die vorliegende Erfindung betrifft vor allem (die Herstellung von) Suspensionen - also Dispersionen, bei welchen eine Flüssigkeit die kontinuierliche Phase und ein Feststoff die disperse Phase bildet. Neben der gleichmässigen Verteilung der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase wird unter der Dispergierung auch die Benetzung des zu dispergierenden Stoffs mit dem Dispersionsmittel sowie die Zerkleinerung des zu dispergierenden Stoffes (und ggf. die anschliessende Stabilisierung) verstanden. Bei der Zerkleinerung kann es sich typischerweise um die Auflösung von Agglomeraten in Primärteilchen handeln. Auch Aggregate bzw. Assoziate (wenn eine Zusammenlagerung durch van-der-Waals Kräfte oder stärkere chemische Bindungsarten bewirkt ist) können jedoch beim Dispergieren in Primärteilchen zerkleinert werden. Während die Auflösung von Agglomeraten auch in Vorrichtungen ohne Mahlhilfskörper wie in einem Disperser oder Dissolver gelingen kann, werden zur Zerkleinerung von Aggregaten oder Kristallen Vorrichtungen mit Mahlhilfskörpern benötigt, wie beispielsweise eine Rührwerksmühle mit kugelförmigen Mahlhilfskörpern. Unter Aggregaten im weiteren Sinne können hierbei auch grössere kristalline oder amorphe Strukturen verstanden werden. Im Falle der Zerkleinerung von Aggregaten, kristallinen oder amorphen Strukturen wird von Echtzerkleinerung gesprochen.
Gattungsgemässe Vorrichtungen zum Mischen von zwei Stoffen, insbesondere von einer Flüssigkeit und einem Feststoff wie beispielsweise einem Pulver, weisen üblicherweise ein Gehäuse sowie einen sich darin drehenden Rotor auf. Mittels mindestens einer Zuführleitung werden die Stoffe in das Gehäuse eingeleitet. Während eines Betriebs der Vorrichtung werden die Stoffe mittels des Rotors vermischt und anschliessend aus dem Gehäuse ausgeleitet.
Eine Vorrichtung zum Dispergieren sowie ein dazugehöriges Verfahren sind in US 6,029,853 beschrieben. Die Vorrichtung zum Dispergieren umfasst eine Kammer zum Dispergieren, mindestens eine Rührscheibe, einen Einlass, durch den die Flüssigkeit mit dem zu behandelnden Material sowie das Dispersionsmedium durch die Drehung der Rührscheibe eingesaugt werden, einen Auslass sowie eine Trennvorrichtung. Die Trennvorrichtung ist am Auslass angeordnet. Mittels der Trennvorrichtung werden die Mahlhilfskörper von der Dispersion getrennt. Zusätzlich kann die Trennvorrichtung die Dispersion durch den Auslass auslassen, wobei die Mahlhilfskörper zurückgehalten werden, wie beschrieben.
Eine Vorrichtung zum Homogenisieren und/oder Dispergieren eines fliessfähigen Gutes ist in DE 200 09 105 U1 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Stator und einen um eine Achse drehangetriebenen Rotor, wobei der Stator und der Rotor Scher- und/oder Förderelemente aufweisen. Weiterhin verfügt die Vorrichtung über einen Scherbereich, wo die Scher- und/oder Förderelemente bei der Drehung des Motors aneinander vorbei laufen. Zudem weist die Vorrichtung mindestens eine Zuleitung auf. Die Zuleitung mündet direkt in den Scherbereich. Es ist nachteilig, dass eine effektive Zerkleinerung von Agglomeraten bei den bekannten Vorrichtungen nur in geringem bzw. unzureichendem Masse stattfindet.
Aus WO 2007/104297 A2 ist eine Vorrichtung zur Erzaufbereitung bekannt, mit welcher das mineralische Produkt zunächst trocken vorzerkleinert und anschliessend mit Flüssigkeit benetzt und vorgemahlen wird. Am Ende dieses Zerkleinerungsprozesses wird vorgeschlagen, das Produkt durch einen Ringspalt zu führen, dessen Spaltweite zwischen 50 nm bis 3 mm beträgt; dieser Ringspalt dient als Zerkleinerungsvorrichtung, in welcher die Suspension eine grössere Feinheit erreicht. Die Verwendung von Mahlhilfskörpern wie bspw. Kugeln wird nicht gelehrt. In einer nachgeschalteten, separaten Verarbeitungsstufe („Endstufe") kann sodann die gewünschte Endfeinheit erreicht werden.
Zudem sind die bekannten Vorrichtungen im Hinblick auf ein Austragen des hergestellten Gemischs aus der Vorrichtung nicht optimiert. Ebenso ist es in Abhängigkeit von den zu verarbeitenden Stoffen zum Einsaugen dieser Stoffe erforderlich, unterstützend weitere Hilfsmittel wie vorgeschaltete Pumpen oder ähnliches zu verwenden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden; insbesondere sollen eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Mischen bereitgestellt werden, womit eine effektive Vermischung, insbesondere Dispergierung, sowie ein verbesserter Austrag bei dennoch möglichst kompakter Bauweise ermöglicht wird.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung sowie ein Verfahren gemäss den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst: ein Gehäuse, das mindestens einen, vorzugsweise zwei Einlässe sowie mindestens einen Auslass aufweist, eine Trennvorrichtung, die im Gehäuse angeordnet ist und mit der das Gehäuse in einen ersten Prozessbereich sowie einen zweiten Prozessbereich unterteilbar ist, sowie eine Rotoreinheit, die drehbar im Gehäuse angeordnet ist, wobei der erste Prozessbereich einen ersten Abschnitt der Rotoreinheit aufweist, so dass während eines Betriebs der Vorrichtung ein Mischen von durch den mindestens einen Einlass zugeführten Stoffen mittels des ersten Abschnitts der Rotoreinheit im ersten Prozessbereich durchführbar ist, und der zweite Prozessbereich ist stromabwärts des ersten Prozessbereichs nach der Trennvorrichtung angeordnet und umfasst einen zweiten Abschnitt der Rotoreinheit, wobei der zweite Abschnitt der Rotoreinheit ein Auswurfmittel umfasst.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann beispielsweise zur Herstellung von Lacken, insbesondere Autolacken, Druckfarben, Dispersionsfarben, Emulsionen, keramischen Dispersionen oder ähnlichem verwendet werden. Weiterhin kann die erfindungsgemässe Vorrichtung als Vormisch- bzw. Vordispergiereinheit verwendet werden, wobei das mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung hergestellte Gemisch anschliessend einer Rührwerksmühle zugeführt werden kann, um eine noch grössere Feinheit der Dispersion zu erreichen. Durch die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung als Vormisch- bzw. Vordispergiereinheit können in einer nachgeschalteten Rührwerksmühle im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Mahlhilfskörper (typischerweise kugelförmig) verwendet werden, was zu einer effektiveren Arbeitsweise der nachgeschalteten Rührwerksmühle führt.
Über den mindestens einen Einlass sind der Vorrichtung mindestens zwei Stoffe zuführbar. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Feststoff, wie ein Pulver, sowie um eine Flüssigkeit. Alternativ kann jeder Stoff über einen eigenen Einlass der Vorrichtung zugeführt werden, wobei jeder Stoff dem ersten Prozessbereich zugeführt wird. Sofern nur ein Einlass vorhanden ist, wird die Vorrichtung mit einer rezeptgemässen Vormischung der zu vermischenden Stoffe beschickt. Bevorzugt sind zwei Einlässe vorhanden; hierdurch ist es ermöglicht, die Vorrichtung mit getrennten Stoffstömen von Dispersionsmittel und disperser Phase zu beschicken.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Verarbeiten bzw. Herstellen von Gemischen mit niedriger bis mittlerer Viskosität verwendet. Die dynamische Viskosität der Gemische liegt dabei zwischen ungefähr 0.1 und ungefähr 20,000 mPas, gemessen bei den geeigneten Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das jeweilige herzustellende Produkt. Geeignete Betriebsbedingungen können zwischen -10°C und 1 10°C, bevorzugt zwischen Raumtemperatur und 60°C liegen.
Während des Betriebs der Vorrichtung wird zumindest ein Stoff, vorzugsweise ein oder mehrere Feststoffe aufgrund der sich im Inneren des Gehäuses drehenden Rotoreinheit selbsttätig angesaugt. Die Verwendung von Zwangsfördermitteln für Feststoffe ist somit nicht notwendig. Im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen entsteht bei der erfindungsgemässen Vorrichtung aufgrund des am zweiten Abschnitt der Rotoreinheit angeordneten Auswurf mittels eine vorteilhafte und insbesondere auch über die Umfangsgeschwindigkeit der Rotoreinheit steuerbare Sogwirkung, die den Austrag der Mischung aus der Vorrichtung verbessert, was später detailliert erläutert wird. Darüber hinaus kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls eine Flüssigkeit selbsttätig angesaugt werden.
Wie oben beschrieben gelangen die mindestens zwei Stoffe während des Betriebs der Vorrichtung durch den mindestens einen Einlass in den ersten Prozessbereich der Vorrichtung. Im ersten Prozessbereich erfolgt ein Mischen der mindestens zwei Stoffe mittels des ersten Abschnitts der sich drehenden Rotoreinheit. Dieser erste Abschnitt der Rotoreinheit umfasst bevorzugt eine an sich bekannte Rührscheibe, welche derart ausgebildet ist, dass sie Partikeln nicht nur aufgrund von Adhäsion, sondern insbesondere auch aufgrund von Formschlusseffekten (bspw. in die Rührscheibe durchdringenden Kanälen) mitzureissen vermag.
Durch die Drehung des ersten Abschnitts der Rotoreinheit erzeugten Zentrifugalkräfte strömen das Stoffgemisch sowie die nachfolgenden Stoffströme vom ersten Prozessbereich in Richtung der Trennvorrichtung; dies wird weiter unterstützt durch einen von den Auswurfmitteln erzeugten Unterdruck im zweiten Prozessbereich, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Die Trennvorrichtung kann statische Spalte, dynamische Spalte und Kombinationen davon aufweisen. Unter statischen Spalten werden solche verstanden, die nicht unter zumindest teilweiser Begrenzung durch den Rotor gebildet werden. Unter dynamischen Spalten werden hingegen solche verstanden, die zwischen dem Rotor und statischen Elementen der Vorrichtung gebildet werden. Es versteht sich, dass eine Trennvorrichtung sowohl statische als auch dynamische Spalte aufweisen kann. Eine jeweilige Spaltweite der statischen und dynamischen Spalte muss hierbei nicht identisch sein.
Elemente einer statischen Trennvorrichtung können fest mit dem Gehäuse oder mit der Rotoreinheit im ersten Abschnitt verbunden sein. Geeignete Elemente der Trennvorrichtung können sich dabei senkrecht von der jeweiligen Fläche des Gehäuses ins Innere erstrecken und weisen somit zwei entgegengesetzte axiale Enden auf.
Die Trennvorrichtung hat zudem die Aufgabe einer Trennstelle für grobe Verunreinigungen, die beispielsweise im Feststoff enthalten sein können. Hierbei kann es sich um grobpartikuläre Verunreinigungen handeln. Mittels der Trennvorrichtung werden mindestens solche Verunreinigungen zurückgehalten.
Die Spaltweite der Trennvorrichtung soll nicht grösser sein, als der Abstand der Auswurfmittel vom Gehäuse, ausgehend vom kleinsten Abstand. Auf diese Weise kann eine Beschädigung des Auswurf mittels effektiv verhindert werden. Weiterhin sind verschiedene Ausführungsformen realisierbar, um diese Aufgabe auszuführen, von denen einige beispielhaft im weiteren Verlauf erläutert werden.
Wenn Elemente der Trennvorrichtung mit einem ersten Ende am Gehäuse befestigt sind, dann ist zwischen dem zweiten Ende der Trennvorrichtung, welches dem ersten Ende dieses Elements der Trennvorrichtung entgegengesetzt ist, und dem ersten Abschnitt der Rotoreinheit (bspw. der Rührscheibe) ein Spalt gebildet. Der erste Abschnitt der Rotoreinheit erstreckt sich in diesem Fall vorzugsweise mindestens teilweise in die Trennvorrichtung hinein. Der so gebildete Spalt wird als dynamischer Spalt bezeichnet, wie vorstehend erläutert. Somit ist mindestens ein Planspalt bzw. ein Spalt in radialer Richtung zwischen der Trennvorrichtung und dem ersten Abschnitt der Rotoreinheit gebildet. Weiterhin kann der erste Abschnitt der Rotoreinheit einen Wulst aufweisen, so dass ebenfalls in axialer Richtung ein Spalt zwischen dem ersten Abschnitt der Rotoreinheit und der Trennvorrichtung gebildet ist.
Alternativ können Elemente der Trennvorrichtung am ersten Abschnitt der Rotoreinheit befestigt sein. Hierbei wird der dynamische Spalt zwischen dem sich im Betrieb der Vorrichtung drehenden Element der Trennvorrichtung und dem Gehäuse gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trennvorrichtung selbst Spalte auf. Diese werden im Folgenden als statische Spalte bezeichnet. Die Spaltweite der statischen Spalte entspricht der Spaltweite der bzw. des dynamischen Spalts. Die Spaltweite der Trennvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass Partikel mit einem Durchmesser kleiner 4 mm, kleiner 3 mm, oder kleiner 2 mm, oder kleiner 0.25 mm bei bestimmungsgemässem Gebrauch die Trennvorrichtung passieren können. Vorteilhafterweise werden somit gröbere Partikel, insbesondere Fremdkörper, zurückgehalten, was einer Zerstörung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeugt. Dies ist darin begründet, dass keine Partikel mit einem Durchmesser größer als der Abstand zwischen dem Auswurfmittel und dem Gehäuse die Trennvorrichtung passieren kann.
Nachdem das Stoffgemisch die Trennvorrichtung passiert hat, gelangt es in den zweiten Prozessbereich. Im zweiten Prozessbereich befindet sich der zweite Abschnitt der Rotoreinheit, der das Auswurfmittel aufweist. Durch die Rotation des Auswurfmittels wird eine Druckdifferenz erzeugt, die sich im Kontext der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt hat.
Weiterhin unterstützt das Auswurfmittel ein Austragen des im ersten Prozessbereich gebildeten Gemischs durch den Auslass. Das Auswurfmittel umfasst dazu vorzugsweise eine Mehrzahl von Schaufeln, Paddeln oder dergleichen. Die Auswurfmittel erstrecken sich derart im Gehäuse, dass zwischen dem Gehäuse und dem Auswurfmittel ein nur geringer Abstand gebildet ist. Die untere Grenze eines sinnvollen Abstands zwischen Auswurfmittel und Gehäuse (bzw. anderen statischen Teilen) ist durch die Fertigungstoleranz der Vorrichtung einerseits und, andererseits, durch die zwingende Notwendigkeit bedingt, dass sich das Auswurfmittel frei an statischen Teilen vorbeibewegen muss; unter diesen Rahmenbedingungen kann der Abstand so klein wie möglich gewählt werden. Der Abstand liegt typischerweise zwischen 20 mm und 0,25 mm, oder zwischen 15 mm und 0,25mm, oder zwischen 5 mm und 0,25 mm. Es wurde gefunden, dass derartig gewählte Abstände zwischen dem Auswurfmittel und dem Gehäuse einen zusätzlichen Dispergiereffekt zwischen Auswurfmittel und Gehäuse bewirkten. Dies verbessert die Qualität des erzeugten Gemischs weiterhin.
Nach Verlassen der Vorrichtung durch den Auslass kann das Gemisch entweder erneut der erfindungsgemässen Vorrichtung zugeführt werden oder es kann zur weiteren Verarbeitung beispielsweise einer Rührwerksmühle zugeführt werden.
Ein Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist aufgrund der Trennvorrichtung, wie oben diskutiert, die integrierte Filterfunktion gegenüber Fremdstoffen sowie die im Rahmen der Erfindung vorteilhafte Sogwirkung. Ebenfalls ist durch die Vermischung der Stoffe in der erfindungsgemässen Vorrichtung ein Vorgemisch erzeugbar, was im Vergleich zum Stand der Technik in nachfolgenden Arbeitsschritten leichter verarbeitbar ist; so können in nachgeschalteten Rührwerksmühlen bspw. kleinere Kugeln eingesetzt werden. Je nach Anwendungsfall kann jedoch ggf. auch auf nachgeschaltete Vorrichtungen vollständig verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Rotoreinheit eine Rotorscheibe, die sich durch Elemente der Trennvorrichtung erstreckt und mit diesen einen dynamischen Spalt bildet. Der zweite Abschnitt der Rotoreinheit liegt somit radial entfernter von der Rotorachse als der erste Abschnitt der Rotoreinheit. Diese Bauweise ist relativ flach und einfach zu realisieren. Somit ist diese Bauweise auch kostengünstig.
Alternativ sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der Rotoreinheit entlang der Rotorachse benachbart angeordnet. Insbesondere können so der erste und der zweite Abschnitt der Rotoreinheit in Bezug auf eine Antriebswelle der Rotoreinheit übereinander angeordnet werden. In dieser Ausführungsform kann die Trennvorrichtung benachbart zur Antriebswelle am ersten Abschnitt der Rotoreinheit angeordnet sein, was die Belastung der Trennvorrichtung im Betrieb der Vorrichtung im Vergleich zur oben beschriebenen Ausführungsform vernnindert. Dies wird auch später detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind im ersten Prozessbereich kugelförmige Mahlhilfskörper angeordnet. Vorliegend umfasst der Begriff Mahlhilfskörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes frei bewegliche, physikalisch auf den Feststoff wirkende Mittel, insbesondere bewirkend ein Mischen, eine (Intensiv)-Dispergierung und/oder eine Echtzerkleinerung von Aggregaten, kristallinen und amorphen Strukturen. Die im ersten Prozessbereich angeordneten Mahlhilfskörper werden als eine Mahlhilfskörperfüllung bezeichnet. Die Mahlhilfskörperfüllung weist üblicherweise vor der ersten Verwendung der Mahlhilfskörper in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen möglichst einheitlichen Durchmesser der Mahlhilfskörper mit geringen Abweichungen auf. Die Mahlhilfskörper weisen insbesondere einen Durchmesser bspw. im Bereich von 0,5 bis 8 mm, oder 1 bis 3 mm, oder 0,7 bis 2 mm auf. Somit umfasst eine Mahlhilfskörperfüllung beispielsweise Mahlhilfskörper mit einem Durchmesser von 8 mm. Eine andere Mahlhilfskörperfüllung kann Mahlhilfskörper mit einem beispielhaften Durchmesser von 1 mm aufweisen.
In der Ausführungsform, in der Mahlhilfskörper verwendet werden, dient die Trennvorrichtung weiterhin zum Zurückhalten dieser Mahlhilfskörper im ersten Prozessbereich. Dementsprechend muss die Spaltweite der Trennvorrichtung, sowohl im Hinblick auf den dynamischen Spalt als auch die eventuell vorhandenen statischen Spalte, entsprechend angepasst sein. Die Spaltweite entspricht daher vorzugsweise maximal dem halben Durchmesser der Mahlhilfskörper und wird insbesondere im Rahmen der vorstehend angegebenen Grössenbereiche ausgewählt.
Zur Intensivierung der Dispergierung des Feststoffes sowie zur Unterstützung der Auflockerung der Mahlhilfskörper im ersten Prozessbereich sind in einer ebenso bevorzugten Ausführungsform im ersten Prozessbereich Mischwerkzeuge vorgesehen. Diese können am ersten Abschnitt der Rotoreinheit, am Gehäuse oder an beiden vorgesehen sein. Bei den Mischwerkzeugen handelt es sich beispielsweise um Stifte, die sich senkrecht in den ersten Prozessbereich vom Gehäuse und/oder der Oberfläche des ersten Abschnitts der Rotoreinheit erstrecken. Auf diese Weise wird ein Ansammeln der Mahlhilfskörper an der Trennvorrichtung verhindert.
Das erfindungsgemässe Mischverfahren kann insbesondere in einer erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt werden und umfasst die folgenden Schritte: Einbringen von mindestens zwei Stoffen, insbesondere eines Feststoffs und einer Flüssigkeit, in die Vorrichtung, danach Mischen der mindestens zwei Stoffe im ersten Prozessbereich mittels des ersten Abschnitts der drehenden Rotoreinheit und Leiten des Gemischs durch die Trennvorrichtung in den stromabwärtigen zweiten Prozessbereich sowie anschliessend Austragen des Gemischs aus dem zweiten Prozessbereich mittels des am zweiten Abschnitt der Rotoreinheit angeordneten Auswurfmittels.
Im ersten Prozessbereich erfolgt eine Vordispergierung. Im zweiten Prozessbereich wird die Dispersion durch das Auswurfmittel weiter verfeinert und homogenisiert. Vor dem ersten Prozessbereich kann eine Vormischstufe angeordnet sein, wie nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch illustriert wird.
Das erfindungsgemässe Mischverfahren weist die vorstehend bereits anhand der Vorrichtung diskutieren Vorteile auf. Daher wird zur Darstellung der Vorteile sowie zur Funktionsweise auf die Ausführungen zur erfindungsgemässen Vorrichtung verwiesen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mischverfahren vor dem Austragen des Gemischs den weiteren Schritt auf: Dispergieren des Gemischs im zweiten Prozessbereich, insbesondere zwischen dem Auswurfmittel und dem Gehäuse. Wird der Abstand zwischen dem Auswurfmittel und dem Gehäuse gering genug gewählt, wie vorstehend beschrieben, dann kann es zu einer Intensivierung der Dispergierung in diesem Bereich kommen.
In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform weisst das Mischverfahren den weiteren Schritt auf: (Intensiv-)Dispergieren des Gemischs im ersten Prozessbereich mittels insbesondere kugelförmiger Mahlhilfskörper, wobei die Spalte der Trennvorrichtung vorzugsweise kleiner oder gleich dem halben Durchmesser der Mahlhilfskörper sind. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung im ersten Prozessbereich am Gehäuse und/oder am ersten Abschnitt der Rotoreinheit Mischwerkzeuge aufweist. Zu den sich daraus ergebenen Vorteilen wird ebenfalls auf die dazugehörigen Ausführungen zur erfindungsgemässen Vorrichtung verwiesen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nachfolgend aus der detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in geöffnetem Zustand,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 6 eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung
Fig. 7 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung und
Fig. 8 einen schematischen Verfahrensablauf des erfindungsgemässen Mischverfahrens. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann insbesondere zum Mischen eines Feststoffs, wie beispielsweise eines Pulvers, mit einer Flüssigkeit verwendet werden. Beispielsweise kann mittels der Vorrichtung ein Lack, insbesondere ein Autolack, hergestellt werden. Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Herstellung von Gemischen verwendet, die nieder bis mittelviskos sind.
Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 in einer ersten Ausführungsform in der Schnittansicht sowie in der Draufsicht dargestellt. Im Folgenden wird die Vorrichtung 1 während eines Betriebs beschrieben. Hierbei dreht sich eine Rotoreinheit der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 im Uhrzeigersinn.
Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 umfasst einen Flüssigkeitseinlass sowie einen Feststoffeinlass. Die Zufuhr der Flüssigkeit und des Feststoffs kann über entsprechende Leitungen 20, 22 erfolgen.
Bei dem Feststoff kann es sich um ein Pulver 30 handeln, das in einem Behälter 32 bevorratet gehalten ist. Die Flüssigkeit ist beispielsweise Wasser, Öl oder Lösungsmittel, welches in Pfeilrichtung A der Vorrichtung 1 zugeführt wird oder von dieser angesaugt wird. Der Ansaugeffekt der Vorrichtung 1 wird später im Detail erläutert, so dass an dieser Stelle darauf nicht weiter eingegangen wird.
Im Gehäuse 10 befindet sich eine Trennvorrichtung 40, die das Gehäuse 10 in einen ersten Prozessbereich 12 und einen stromabwärtigen zweiten Prozessbereich 14 unterteilt. Weiterhin ist im Gehäuse 10 die Rotoreinheit 50 angeordnet, die über eine dazugehörige Antriebswelle 52 angetrieben wird. Die Rotoreinheit 50 verfügt über einen ersten Abschnitt 54, der im ersten Prozessbereich 12 angeordnet ist, sowie über einen zweiten Abschnitt 56, der im zweiten Prozessbereich 14 angeordnet ist.
Der erste Abschnitt 54 der Rotoreinheit 50 weist mehrere Öffnungen 58 auf. Durch die Öffnungen 58 kann sich das zugeführte Pulver 30 zusammen mit der Flüssigkeit im gesamten ersten Prozessbereich 12 verteilen. Eine Durchmischung von Pulver 30 und Flüssigkeit wird aufgrund der Drehung der Rotoreinheit 50 sowie den im ersten Abschnitt vorhandenen Öffnungen 58 bewirkt.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 strömt das im ersten Prozessbereich 12 erzeugte Gemisch aufgrund der Drehung der Rotoreinheit 50 radial nach aussen in Richtung der Trennvorrichtung 40. Im vorliegenden Beispiel erstreckt sich die Trennvorrichtung 40 jeweils vom Boden bzw. Deckel des Gehäuses 10 senkrecht in Richtung der Oberfläche des ersten Abschnitts 54 der Rotoreinheit 50. Die Trennvorrichtung 40 weist statische Spalte sowie mindestens einen dynamischen Spalt auf. Die statischen Spalte sind in der Trennvorrichtung 40 selbst gebildet. Beispielsweise kann die Trennvorrichtung aus einem Grundgerüst bestehen, das entsprechende statische Spalte aufweist. Der bzw. die dynamischen Spalte sind zwischen dem ersten Abschnitt 54 der Rotoreinheit 50 und der Trennvorrichtung 40 gebildet. Dargestellt ist ausschliesslich ein Planspalt. Zusätzlich kann der erste Abschnitt 54 der Rotoreinheit 50 jedoch eine Wulst aufweisen, so dass ebenso ein axialer dynamischer Spalt zwischen der Trennvorrichtung 40 und dem ersten Abschnitt 54 der Rotoreinheit 50 gebildet ist. Beispielsweise sind sowohl die dynamischen Spalte als auch die statischen Spalte kleiner oder gleich 4 mm. Auf diese Weise können effektiv im Pulver enthaltene, grobpartikuläre Fremdkörper zurückgehalten werden. Dies ist, wie später erläutert wird, besonders vorteilhaft, da somit eine Beschädigung des zweiten Abschnitts 56 der Rotoreinheit 50 vermieden werden kann.
Im Betrieb der Vorrichtung strömt die im ersten Prozessbereich 14 hergestellte Mischung durch die Trennvorrichtung 40 in den zweiten Prozessbereich 14.
Am zweiten Abschnitt 56 der Rotoreinheit 50 ist ein Auswurfmittel angeordnet. Bei dem Auswurfmittel kann es sich um eine Mehrzahl von Schaufeln 60 handeln. Mittels der Schaufeln 60 wird eine Druckdifferenz in der Vorrichtung 1 erzeugt, wodurch mindestens das Pulver 30 selbsttätig von der Vorrichtung im Betrieb angesaugt werden kann. Gegenüber den bekannten Vorrichtungen weist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 eine grössere Ansaugwirkung aufgrund des Auswurfmittels auf. Auf diese Weise sind auch keine Zwangsfördereinrichtung erforderlich, um den Feststoff der Vorrichtung 1 zuzuführen. Weiterhin weisen die Schaufeln 60 einen Abstand zum Gehäuse 10 von weniger als 2 mm sowohl in radialer als auch in axialer Richtung auf. Auf diese Weise ist neben dem Mischen im ersten Prozessbereich 12 ein Dispergieren zwischen den Schaufeln 46 und dem Gehäuse 10 im zweiten Prozessbereich 14 realisierbar. Zudem unterstützen die Schaufeln 60 ein Austragen des Gemischs aus dem Auslass 70 des Gehäuses 10 in Pfeilrichtung B. Die Schaufeln 60 können neben der in Fig. 2 gezeigten Form auch eine geschwungene Form aufweisen, was zur einem strömungstechnisch verbesserten Verhalten der Vorrichtung 1 führt.
Das Gemisch, das die Vorrichtung 1 durch den Auslass 70 verlässt, kann beispielsweise erneut dem ersten Prozessbereich 12 zugeführt werden. Alternativ kann das Gemisch in einem nachfolgenden Arbeitsschritt weiterverarbeitet werden.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung 3. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist die Vorrichtung 3 zusätzlich Mahlhilfskörper 80 im ersten Prozessbereich 12 auf. Zudem sind am ersten Abschnitt 54 der Rotoreinheit 50 Mischwerkzeuge 82 angeordnet.
Mittels der Mahlhilfskörper 80 und der Mischwerkzeuge 82 ist neben einem Mischen von Pulver 30 und Flüssigkeit im ersten Prozessbereich 12 ein (Intensiv-)Dispergieren bis hin zur Echtzerkleinerung von Aggregaten, kristallinen oder amorphen Strukturen realisierbar. Die Misch Werkzeuge 82 sorgen weiterhin dafür, dass sich die Mahlhilfskörper 80 nicht an der Trennvorrichtung 40 sammeln, sondern in Bewegung bleiben. Vorzugsweise weist das Gehäuse 10 ebenfalls Mischwerkzeuge auf.
Die Grösse der Mahlhilfskörper hängt insbesondere von den zu verarbeitenden Stoffen ab. Üblicherweise weisen die Mahlhilfskörper jedoch einen Durchmesser von kleiner oder gleich 8 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm auf. Damit die Trennvorrichtung 40 die Mahlhilfskörper 80 in diesen Fällen wirksam im ersten Prozessbereich 12 zurückhalten kann, darf die Spaltweite in diesen Fällen nicht grösser sein als der halbe Durchmesser der verwendeten Mahlhilfskörper 80. Dies gilt sowohl für den dynamischen Spalt als auch für eventuell vorhandene statische Spalte.
Nun Bezugnehmend auf Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine horizontale Vorrichtung 5, bezogen auf die Antriebswelle 52. Im Gegensatz dazu stellen die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 eine vertikale Vorrichtung 1 , 3 dar.
Wieder Bezugnehmend auf Fig. 4 ist die grundsätzliche Arbeitsweise der Vorrichtung 5 identisch mit der oben zu den anderen Ausführungsformen beschriebenen Arbeitsweise. Ein Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 3 liegt lediglich in der horizontalen Anordnung anstelle der in Fig. 3 gezeigten vertikalen Anordnung. Weiterhin weist die Vorrichtung 5 gemäss Fig. 4 einen Vorlagetrichter 90 zur Bevorratung von Feststoff auf, der der Vorrichtung in Pfeilrichtung C zugeführt wird. Der Vorlagetrichter 90 ist mit einem Schieber 92 absperrbar. Ebenso weist die Flüssigkeitsleitung 20 einen Schieber 94 auf.
Zusätzlich kann Flüssigkeit über eine Bypassleitung 98 dem ersten Prozessbereich 12 an der dem Feststoffeinlass gegenüberliegenden Gehäuseseite zugeführt werden. Das eine Ende der Bypassleitung 98 ist dazu am ersten Prozessbereich 12 angeordnet, während das zweite Ende der Bypassleitung 98 an der Flüssigkeitsleitung 20 stromaufwärts des Schiebers 94 angeordnet ist. Die Bypassleitung 98 verfügt ebenfalls über einen Schieber 96.
Die Flüssigkeit wird dem ersten Prozessbereich aus einem Flüssigkeitsbehälter 100 zugeführt. Ebenso wird das Gemisch aus dem Auslass 70 dem Flüssigkeitsbehälter 100 zugeführt. Der Flüssigkeitsbehälter 100 weist zum Umrühren der Flüssigkeit ein Rührwerkzeug 102 auf.
Mittels der dritten Ausführungsform der Vorrichtung 5 kann somit das Gemisch mehrfach durch die Vorrichtung 5 strömen, wodurch die Qualität des zu erzeugenden Gemischs verbesserbar und die Dispersität genauer einstellbar ist. Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 7 ist in Figur 5 dargestellt. Hierbei ist in der Feststoffleitung 22 benachbart zum Vorlagetrichter 90 ein Dosierelement 34 angeordnet. Bei dem Dosierelement 34 handelt es sich beispielsweise um eine Zellradschleuse. Mittels des Dosierelements 34 kann die Zufuhr von Feststoff in den ersten Prozessbereich 12 genauer geregelt werden.
Ebenso weist die Vorrichtung 7 an der Rotoreinheit einen Vormischabschnitt 62 auf. Der Vormischabschnitt 62 ist axial beabstandet und stromaufwärts zum ersten 54 und zweiten Abschnitt 56 der Rotoreinheit angeordnet und befindet sich in einem Vormischbereich 16 des Gehäuses 10. Hierbei ist ein Abstand des Vormischabschnitts 62 zum Gehäuse 10 größer im Vergleich zum Abstand des ersten 54 und zweiten Abschnitts 56 der Rotoreinheit zum Gehäuse 10. Während eines Betriebs der Vorrichtung 7 dient der Vormischabschnitt 62 zum Vormischen von Pulver und Flüssigkeit im Vormischbereich 16. Strömungstechnisch bewegen sich Pulver und Flüssigkeit somit vom jeweiligen Einlass zunächst in den Vormischbereich 16. Dort findet mittels des Vormischabschnitts 62 der Rotoreinheit 52 eine Vorvermischung statt. Von dem Vormischbereich 16 strömt das Vorgemisch über ein Trennelement 42 in den ersten Prozessbereich 14. Das Trennelement dient insbesondere dem Zurückhalten von Mahlhilfskörpern 80. Eine Spaltweite, sowohl dynamisch als auch statisch, bzw. eine Öffnungsgrösse liegt daher bevorzugt bei oder unter 4 mm. Hierzu sei ebenfalls auf die Ausführungen zur Spaltweite bei der Trennvorrichtung 40 verwiesen. Im Hinblick auf den weiteren Stoffstrom wird auf die obigen Ausführungen verwiesen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
Figur 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung 9. Hierbei sind der erste 12 und der zweite Prozessbereich 14 axial voneinander beabstandet angeordnet. Dementsprechend sind auch der erste Abschnitt 54 und der zweite Abschnitt 56 der Rotoreinheit axial voneinander beabstandet angeordnet. Weiterhin weist der zweite Abschnitt 56 der Rotoreinheit Öffnungen 58 auf. Diese Öffnungen sind zwischen den Schaufeln 60 und der Antriebswelle 52 der Rotoreinheit verteilt angeordnet. Die allgemeine Funktionsweise der Vorrichtung 9 ist identisch mit der zu den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Funktionsweise. Aus diesem Grund werden hierzu keine weiteren Ausführungen gemacht, sondern auf die obigen Ausführungen verwiesen. In einer sechsten Ausführungsform gemäss Fig. 7 sind der erste 12 und der zweite Prozessbereich 14 axial übereinander angeordnet, wie bereits im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6. Weiterhin ist zwischen dem ersten 12 und dem zweiten Prozessbereich 14 eine Zwischenwand 18 im Gehäuse angeordnet. Die Trennvorrichtung 40 ist am ersten Abschnitt 54 der Rotoreinheit benachbart der Antriebswelle 52 angeordnet. Zwischen der Trennvorrichtung 40 und der Zwischenwand 18 ist somit der dynamische Spalt gebildet. Der dynamische Spalt kann ein Planspalt sein.
Die sechste Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da die Trennvorrichtung 40 hierbei nicht die Mahlhilfskörper in dem Masse zurückhalten muss, wie in den anderen Ausführungsformen. Insbesondere werden die Mahlhilfskörper 80 in der vorliegenden Ausführungsform nach außen von der Trennvorrichtung 40 wegtransportiert infolge der auf die Mahlhilfskörper 80 wirkenden Zentrifugalkräfte.
Figur 8 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemässen Mischverfahrens. Das erfindungsgemässe Misch verfahren verwendet die erfindungsgemässe Vorrichtung. In einem ersten Schritt I werden mindestens zwei Stoffe, insbesondere ein Feststoff und eine Flüssigkeit, in den ersten Prozessbereich 12 der Vorrichtung 1 , 3, 5, 7, 9, 1 10 eingebracht.
Anschliessend erfolgt in Schritt II ein Mischen der mindestens zwei Stoffe im ersten Prozessbereich 12 mittels des ersten Abschnitts 54 der drehenden Rotoreinheit 50. Wenn die Vorrichtung 1 , 3, 5, 7, 9, 1 10 weiterhin Mahlhilfskörper 80 im ersten Prozessbereich 12 aufweist, dann erfolgte zusätzlich ein (Intensiv-)Dispergieren des Gemischs im ersten Prozessbereich 12 mittels der vorzugsweise kugelförmigen Mahlhilfskörper. Wie bei den unterschiedlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 1 , 3, 5, 7, 9, 1 10 bereits dargelegt sind in diesem Fall die Spalte der Trennvorrichtung 40 kleiner oder gleich dem halben Durchmesser der Mahlhilfskörper 80.
Nachfolgend strömt das so hergestellte Gemisch durch die Trennvorrichtung 40 in den stromabwärtigen zweiten Prozessbereich 14 (Schritt III). In Schritt IV erfolgt ein Dispergieren des Gemischs im zweiten Prozessbereich 14, insbesondere zwischen dem Auswurfmittel und dem Gehäuse 10.
Anschliessend erfolgt das Austragen des Gemischs in Schritt V aus dem zweiten Prozessbereich 14 mittels des am zweiten Abschnitt 56 der Rotoreinheit angeordneten Auswurfmittels.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) zum Mischen, insbesondere Dispergieren,
umfassend
a) ein Gehäuse (10), das mindestens einen, vorzugsweise zwei Einlasse sowie mindestens einen Auslass (70) aufweist,
b) eine Trennvorrichtung (40), die im Gehäuse (10) angeordnet ist und mit der das Gehäuse (10) in einen ersten Prozessbereich (12) sowie einen zweiten Prozessbereich (14) unterteilbar ist, sowie
c) eine Rotoreinheit (50), die drehbar im Gehäuse (10) angeordnet ist, wobei d) der erste Prozessbereich (12) einen ersten Abschnitt (54) der Rotoreinheit (50) aufweist, so dass während eines Betriebs der Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) ein Mischen, insbesondere Dispergieren, von durch den mindestens einen, vorzugsweisen die zwei Einlässe zugeführten Stoffen mittels des ersten Abschnitts (54) der Rotoreinheit (50) im ersten
Prozessbereich (12) durchführbar ist, und
e) der zweite Prozessbereich (14) ist stromabwärts des ersten
Prozessbereichs (12) nach der Trennvorrichtung (40) angeordnet und umfasst einen zweiten Abschnitt (56) der Rotoreinheit (50), wobei f) der zweite Abschnitt (56) der Rotoreinheit (50) ein Auswurfmittel umfasst.
2. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss Patentanspruch 1 , wobei der zweite Prozessbereich (12) und der zweite Abschnitt (56) derart ausgebildet sind, dass eine Dispergierung erzielbar ist.
3. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Auswurfmittel an dem zweiten Abschnitt (56) der Rotoreinheit (50) derart ausgebildet ist, dass es bei bestimmungsgemässem Betrieb in einem Abstand von weniger als 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm an statischen Elementen der Vorrichtung, insbesondere dem Gehäuse (10) vorbeistreicht.
4. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Rotoreinheit (50) in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse im Wesentlichen kreisförmig ist und sich durch die
Trennvorrichtung (40) erstreckt oder der erste (54) und der zweite Abschnitt (56) der Rotoreinheit (50) sind axial voneinander beabstandet.
5. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei während eines Betriebs der Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) mittels des Auswurfmittels ein Ansaugeffekt an dem mindestens einen Einlass erzeugbar ist.
6. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei das Auswurfmittel eine Mehrzahl von Schaufeln (60) oder Paddeln umfasst.
7. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei
- Elemente der Trennvorrichtung (40) am Gehäuse (10) befestigt sind, wodurch zwischen diesen Elementen der Trennvorrichtung (40) und der Rotoreinheit (50), insbesondere dem ersten Abschnitt (54) der Rotoreinheit (50), ein dynamischer Spalt ausgebildet ist;
- oder Elemente der Trennvorrichtung (40) an der Rotoreinheit (50),
insbesondere am ersten Abschnitt (54) der Rotoreinheit (50), befestigt sind, wodurch zwischen diesen Elementen der Trennvorrichtung (40) und dem Gehäuse (10) ein dynamischer Spalt ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei die Trennvorrichtung (40) eine Mehrzahl von in der Trennvorrichtung (40) ausgebildeten statischen Spalten aufweist.
9. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der Patentansprüche 7 oder 8, wobei der dynamische und/oder die statischen Spalte kleiner oder gleich 4 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2 mm sind.
10. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei im ersten Prozessbereich (12) Mahlhilfskörper (80), insbesondere kugelförmige Mahlhilfskörper, angeordnet sind.
1 1 . Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss Patenanspruch 10, wobei der
dynamische und/oder die statischen Spalte kleiner oder gleich dem halben Durchmesser der Mahlhilfskörper (80) sind.
12. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei der erste Abschnitt (54) der Rotoreinheit (50) und/oder das Gehäuse (10) im ersten Prozessbereich (12) Mischwerkzeuge (82) aufweist.
13. Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der vorhergehenden
Patentansprüche, wobei der Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) zum Mischen mindestens ein Feststoff, insbesondere ein Pulver, sowie eine Flüssigkeit zuführbar sind.
14. Verfahren zum Mischen, insbesondere Dispergieren, umfassend die folgenden Schritte, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 13:
a) Einbringen (I) von mindestens zwei Stoffen, insbesondere eines Feststoffs und einer Flüssigkeit, in das Gehäuse (10) der Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10), danach
b) Mischen (II) der mindestens zwei Stoffe im ersten Prozessbereich (12) mittels des ersten Abschnitts (54) der sich drehenden Rotoreinheit (50) und
c) Leiten (III) des Gemischs durch die Trennvorrichtung (40) in den
stromabwärtigen zweiten Prozessbereich (14) d) optional: Dispergieren (IV) des Gemischs im zweiten Prozessbereich (14), insbesondere zwischen dem Auswurfmittel und einer Wand des Gehäuses (10) oder anderen statischen Elementen, sowie anschliessend e) Austragen (V) des Gemischs aus dem zweiten Prozessbereich (14) mittels des am zweiten Abschnitt (56) der Rotoreinheit (50) angeordneten
Auswurfmittels.
15. Misch verfahren gemäss einem der Patentansprüche 13 oder 14, wobei in
Schritt b) das Gemisch im ersten Prozessbereich (12) mittels Mahlhilfskörpern (80), insbesondere kugelförmigen Mahlhilfskörpern, dispergiert, bevorzugt intensivdispergiert, wird, wobei der dynamische und/oder die statischen Spalte der Trennvorrichtung (40) kleiner oder gleich dem halben Durchmesser der Mahlhilfskörper (80) sind.
16. Misch verfahren gemäss einem der Patentansprüche 13 bis 15, wobei die
Vorrichtung (1 ; 3; 5; 7; 9; 1 10) im ersten Prozessbereich (12) am Gehäuse (10) und/oder am ersten Abschnitt (54) der Rotoreinheit (50) Misch Werkzeuge (82) aufweist.
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