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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen
Herstellung einer Mischung aus wenigstens zwei fließfähigen
Phasen, insbesondere zur Herstellung von Emulsionen oder Dispersionen.
Eine solche Vorrichtung weist ein allseitig geschlossenes, um seine
Längsachse rotationssymmetrisches oder drehsymmetrisches
Mischgefäß auf. Sie umfasst ferner wenigstens
zwei in das Mischgefäß führende Zufuhrleitungen
zum Eintrag jeweils einer fließfähigen Phase sowie
wenigstens eine aus dem Mischgefäß führenden
Austragsleitung zum Austragen einer aus diesen Phasen gemischten Mischung.
Ferner weist eine solche Vorrichtung einen rotierbaren Rührer
zum Rühren der Phasen auf, dessen Rotationsachse in der
Längsachse des Mischgefäßes liegt.
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1 zeigt
eine derartige bekannte Vorrichtung
1 in einer schematischen
Ansicht, wie sie bspw. aus
EP
1 606 044 B1 bekannt ist.
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Über
zwei Zufuhrleitungen 2, 3 werden zwei fließfähige
Phasen A, B einem Mischgefäß 4 zugeführt.
Dieses Mischgefäß weist ferner eine Austragsleitung 5 auf,
die dem Austrag der aus diesen Phasen gemischten Mischung dient.
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Die
Zufuhrleitungen 2, 3 sind am unteren Ende des
Mischgefäßes 4 angeordnet, während
die Austragsleitung 5 am oberen Ende des Mischgefäßes 4 vorgesehen
ist.
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Das
Mischgefäß ist zylinderförmig ausgebildet.
Die Zufuhr- und Austragsleitungen sind senkrecht zur Zylinderachse
vorgesehen.
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Ferner
ist bei dieser bekannten Vorrichtung ein von einem Antriebsmotor 6 angetriebener
Rührer 7 vorgesehen, der die zu mischenden Phasen
in Rotation versetzt. Durch die bei einer derartigen Rotation auftretenden
Zentrifugalkräfte wird das Mischgut nach außen
und die sich in dem Gefäß befindende Luft nach
innen gedrückt. Bei hohen Rührerdrehzahlen können
dabei Beschleunigungen von über 1000 m/s2 auftreten.
Dies führt dazu, dass sich das zu mischende Gut, wie mit
der Linie 8 dargestellt, parabolidartig verteilt. In diesen
Fällen wird die Mischung, zumindest während eines
Anfahrvorganges, mit Luft versetzt in die Zufuhrleitung 5 geführt.
Dies ist nachteilig, da somit Luft im weiteren Produktionsvorgang enthalten
ist.
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Zur
Verhinderung dieses Problems wird herkömmlicherweise das
Mischgefäß 4 vor dem Einschalten des
Rührers 7 mit einer der Phasen geflutet. Dies
führt jedoch zu erhöhten Verlusten von Rohstoffen
während des Anfahrvorganges.
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Ferner
kann während des Mischbetriebs durch Ausgasungen der regelmäßig
gasgesättigten Phasen aufgrund der niedrigeren Gaslöslichkeit
bei höheren Temperaturen und aufgrund des verminderten
Druckes dennoch eine Gasblase in dem Mischgefäß entstehen.
Unter Umständen kommt es auch zur Bildung einer Dampfblase.
Durch derartige Gas- oder Dampfblasen wird jedoch die Mischwirkung
deutlich verschlechtert.
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Ferner
nimmt aufgrund der Zentrifugalkräfte der Druck in dem zu
mischenden Gut von der Längsachse des Mischgefäßes 4 zur
Wandung des Mischgefäßes 4 hin zu. Die über
die Zufuhrleitungen 2, 3 zugeführten
Phasen müssen dann gegen diesen erhöhten Druck
dosiert werden. Dies ist nachteilig, insbesondere, da es auf die
exakte Dosierung der zuzuführenden Phasen oftmals genau
ankommt.
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, die Herstellung von
Mischungen aus zwei fließfähigen Phasen zu verbessern.
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Die
Erfindung löst dieses Problem mittels einer Vorrichtung
nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren nach Anspruch 15.
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Erfindungsgemäß ist
demnach eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung einer
Mischung aus wenigstens zwei fließfähigen Phasen,
insbesondere zur Herstellung von Emulsionen oder Dispersionen vorgesehen,
mit einem allseitig geschlossenen, um seine Längsachse
rotationssymmetrischen oder drehsymmetrischen Mischgefäß,
wenigstens zwei in das Mischgefäß führenden
Zufuhrleitungen zum Eintrag jeweils einer fließfähigen
Phase, wenigstens einer aus dem Mischgefäß führenden
Austragsleitung zum Austragen einer aus diesen Phasen gemischten Mischung
und einem rotierbaren Rührer zum Rühren der Phasen,
dessen Rotationsachse in der Längsachse des Mischgefäßes
liegt, wobei die Austragsleitung im Bereich eines ersten Durchtritts
der Längsachse durch das Mischgefäß angeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß ist
ferner ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen einer Mischung
aus wenigstens zwei fließfähigen Phasen, insbesondere zum
Herstellen von Emulsionen oder Dispersionen, vorgesehen, bei dem
wenigstens zwei Ströme dieser Phasen getrennt kontinuierlich
einem Mischgefäß zugeführt werden, in
dem sie mittels eines rotierenden Rührers gerührt
werden, wobei das Verfahren in einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung durchgeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist
die Austragsleitung des im Mischgefäß gemischten
Mischproduktes in der Mitte einer Stirnseite des Mischgefäßes,
nämlich im Bereich eines Durchtritts, d. h. Schnittpunktes,
der Längsachse des Mischgefäßes durch
das Mischgefäß angeordnet. Durch diese mittige
Anordnung der Austragsleitung wird auch bei einer parabolidartigen Verteilung
des Mischgutes im Mischgefäß während des
Anfahrvorganges zunächst ausschließlich Luft aus
dem Mischgefäß ausgetragen. Erst wenn die Luft im
Wesentlichen vollständig aus dem Mischgefäß entfernt
ist, wird die Mischung aus dem Mischgefäß ohne
störende Luft ausgetragen.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass der Druck
im Mischgut im Bereich der Wandung des Mischgefäßes
aufgrund der Zentrifugalkräfte höher ist als an
der Austragsleitung für die Mischung. Im Bereich der Wandung
treten jedoch die höchsten Schergefälle auf. Aufgrund
des bei dieser Konstruktion im Bereich der Wandung auftretenden hohen
Druckes wird die Gefahr von Kavitation verringert. Im Bereich der
Austragsleitung ist zwar der Druck geringer, so dass dort grundsätzlich
die Gefahr von Kavitation größer wäre.
Jedoch sind im Bereich der Austragsleitung nur noch sehr geringe
oder keine Schergefälle vorhanden, so dass dadurch die
Gefahr von Kavitation im Bereich der Austragsleitung ohnehin gering
sind.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass bereits während des
Anfahrvorganges die entstehende Mischung nicht als Ausschuss entfernt
werden muss, sondern als Produkt verwendet werden kann. Dies ist deshalb
möglich, weil das Mischgefäß bei rotierendem
Rührer gefüllt werden kann. Somit entsteht eine bereits
ordnungsgemäß durchmischte Mischung ohne Luftblasen,
welche über die Austragsleitung ausgetragen wird. Insgesamt
ist erfindungsgemäß die Gefahr von Luftansammlungen
in der Mischkammer deutlich reduziert. Luft wird bevorzugt zunächst ausgetragen.
Der Mischprozess ist dadurch insgesamt einfacher anzufahren. Ein
vorzeitiger Austrag von gemischten Flüssigkeiten zu einem
Zeitpunkt, in dem im Mischgefäß noch Luft vorhanden
ist, wird vermieden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens eine
oder alle Zufuhrleitungen im Bereich eines zweiten Durchtritts der
Längsachse durch das Mischgefäß angeordnet.
D. h. auch die Zufuhrleitungen erfolgen in einem mittigen stirnseitigen
Bereich des Mischgefäßes. Durch diese Anordnung
der Zufuhrleitungen erreicht man vorteilhafterweise, dass die zugeführten
Phasen nicht gegen den aufgrund der Zentrifugalkräfte im
Mischgefäß entstehenden erhöhten Druck
im Bereich der Wandung des Mischgefäßes angepumpt
werden müssen. Dies erleichtert das dosierte Zuführen
der Phasen. Hierdurch wird auch die Auswahl der erforderlichen Dosierpumpen zum
Zuführen der zu mischenden Phasen erleichtert. Insbesondere
können die Dosierpumpen einfacher hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise
können die Austragsleitung sowie wenigstens eine oder alle
Zufuhrleitungen entweder parallel oder winklig geneigt aus dem Mischgefäß austreten.
Der weitere Verlauf der Leitungen kann dann ebenfalls parallel oder
winklig geneigt oder erst parallel und dann winklig geneigt oder umgekehrt
erfolgen. Aufgrund der mittigen Anordnung der Zufuhrleitungen und
der Austragsleitung ist die Anordnung der Zufuhr- und Austragsleitungen geringen
Beschränkungen unterworfen, so dass die jeweilige Anordnung
andere Anforderungen erfüllen kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Mischgefäß zylinderartig
ausgebildet. Die Zufuhr- und Austragsleitungen befinden sich dann
an gegenüberliegenden Grundflächen des Zylinders.
Eine derartige Ausbildung des Mischgefäßes ist
vorteilhaft, da sie einfach und somit kostengünstig herzustellen
ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Mischgefäß sich
konisch zur Austragsleitung verjüngend ausgebildet. D.
h. der Querschnitt des Mischgefäßes verringert
sich in Richtung der Austragsleitung. Eine derartige Konstruktion
ist vorteilhaft, da aufgrund der größeren Radien
im Bereich der Zufuhrleitung eine höhere Rotationsgeschwindigkeit
des Mischgutes und somit eine intensivere Mischwirkung erzielt wird.
Dadurch werden die zu mischenden Phasen zunächst besonders
intensiv gemischt. Im weiteren Verlauf des Mischprozesses werden
die entsprechenden Volumina in Richtung der Austragsleitung geführt,
wo die Umfangsgeschwindigkeiten, insbesondere im Bereich der Umwandung
des Mischgefäßes niedriger sind. Dadurch wird
die Gefahr einer Überscherung der Mischung, insbesondere
auch aufgrund der mit zunehmender Bearbeitungszeit zunehmenden Viskosität,
verringert. Insgesamt ergibt sich dadurch eine verbesserte Qualität
der zu erzeugenden Mischung.
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Vorteilhafterweise
sind Flügel des Rührers an die Konizität
des Mischgefäßes angepasst, d. h. die Flügelradien
nehmen entsprechend der Konizität zur Austragsleitung hin
ab. Durch eine derartige Ausbildung der Flügel des Rührers
werden die vorstehend beschriebenen Vorgänge im Hinblick
auf die höheren Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich der
Zufuhrleitung und der niedrigeren Um fangsgeschwindigkeit im Bereich
der Austragsleitung weiter verstärkt, so dass hierdurch
die Produktqualität weiter verbessert wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Antriebsmotor
des Rührers im Bereich der Zufuhrleitungen angeordnet.
Die Welle des Rührers geht dabei durch die Zufuhrleitung
hindurch. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da die entsprechende
Wellendichtung somit lediglich von einer zugeführten Phase
umspült wird. Die Dichtung muss daher nur an diese Phase
angepasst werden. Dies vereinfacht die Auswahl der Dichtung. Ein
Austausch der Dichtung wird dabei vereinfacht.
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Bei
einer weiteren besonderen Ausführungsform sind in der Mischkammer
Strömungsbrecher vorgesehen. Derartige Strömungsbrecher
können bspw. an der Wandung des Mischgefäßes
angeordnet sein. Mittels dieser Strömungsbrecher kann die Rotationsgeschwindigkeit
des zu mischenden Gutes zumindest partiell verringert werden. Dies
verbessert die Scherwirkung des Rührers.
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Das
Mischgefäß kann stehend oder liegend angeordnet
werden. Bei einer stehenden Anordnung ist die Längsachse
des Mischgefäßes vertikal ausgerichtet. Vorteilhafterweise
sind dabei die Zufuhrleitungen an einem unteren Abschnitt und die
Austragsleitungen an einem oberen Abschnitt des Mischgefäßes angeordnet.
Der Produktstrom erfolgt somit von unten nach oben, so dass Luftblasen
bevorzugt nach oben austreten und über die Austragsleitung
abgeführt werden können.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist die Längsachse
horizontal angeordnet. Dies ermöglicht eine Installation
des Mischgefäßes auch an Orten mit einer geringen
Höhe. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Anordnung der Austragsleitung und ggf. der Zufuhrleitungen in einem
mittigen Bereich des Mischgefäßes ist die Ausrichtung
des Mischgefäßes weniger entscheidend. Dies eröffnet
weitere Freiheitsgrade bei der Konstruktion der gesamten Mischvorrichtung.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläuterten Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung
zeigen:
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1 eine
Mischvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mischvorrichtung und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mischvorrichtung.
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1 wurde
bereits zur Erläuterung des Standes der Technik einleitend
erörtert. Das grundlegende Konzept, nämlich die
Mischung mehrerer Phasen in einem kontinuierlichen Prozess, gilt
auch für die vorliegende Erfindung, so dass auf die obigen
Erläuterungen zur 1 auch im
Hinblick auf die Erfindung Bezug genommen wird.
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2 zeigt
eine entsprechende Vorrichtung 10 zur kontinuierlichen
Herstellung von einer Mischung aus mehreren fließfähigen
Phasen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Phasen
A und B über separate Zufuhrleitungen 11, 12 einem Mischgefäß 13 zugeführt.
Dieses Mischgefäß hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine zylinderförmige Ausgestaltung. Die Zufuhrleitungen 11, 12 sind
am Zylinderboden vorgesehen und zwar in einem mittleren Bereich
des Zylinderbodens.
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An
der gegenüberliegenden Stirnseite des Zylinders weist das
Mischgefäß 13 eine Austragsleitung 14 auf.
Diese Austragsleitung befindet sich wiederum in einem mittleren
Bereich der Stirnseite. Dieser mittlere Bereich wird bestimmt durch
den Durchtritt der Zylinderlängsachse 15 durch
das Mischgefäß 13 bzw. durch die Stirnseiten
des Zylinders. Die Zufuhrleitungen 11, 12 sowie
die Austragsleitung 14 treten parallel zur Längsachse 15 in
das Mischgefäß 13 ein. Der weitere Verlauf
der Zufuhr- und Austragsleitungen ist von den weiteren örtlichen
Gegebenheiten abhängig.
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Innerhalb
des Mischgefäßes 13 befindet sich ein
Rührer 16, der eine Rührerwelle 17 mit
an dieser Rührerwelle 17 befestigten Rührerflügeln 18 aufweist.
Entlang der Rührerwelle 17 sind in vorzugsweise
gleichmäßigen Abständen derartige Flügel 18 vorgesehen.
Die Flügel 18 sind jeweils paarweise oder in einer
Gruppe mit mehr als zwei Flügeln 18 an der Welle 17 angeordnet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform sind zwischen derartigen
Gruppen von Rührerflügeln 18 Strömungsbrecher 19 an
der Wandung des Mischgefäßes 13 angeordnet.
Bspw. handelt es sich hierbei um einfache, an der Wandung des Mischgefäßes 13 angeordnete
streifenartige oder auf andere Weise ausgebildete Elemente, welche
die Rotationsgeschwindigkeit des Mischgutes in dem jeweiligen Bereich
des Strömungsbrechers 19 verringern.
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Die
Rührerwelle 17, welche zugleich als Antriebswelle
für die Flügel 18 dient, wird durch die
Austragsleitung 14 aus dem Mischgefäß 13 herausgeführt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform wird diese Welle 14 durch
eine der Zufuhrleitungen 11, 12 herausgeführt.
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Die
Rührerwelle 17 ist mit einem Antriebsmotor 20 verbunden,
welcher den Rührer 16, insbesondere die Rührerflügel 18 in
Rotation versetzt.
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In
der in 1 gezeigten Anordnung werden die Phasen A und
B dem Mischgefäß 13 von unten zugeführt.
D. h. die Achse 15 steht vertikal. Folglich findet der
Austrag der Mischung mittels der Austragsleitung 14 oberhalb
des Mischgefäßes 13 statt.
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Bei
einem alternativen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Achse 15 jedoch horizontal oder schräg
geneigt angeordnet.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 10'. Wiederum sind Zufuhrleitungen 21, 22 an
einem nunmehr konisch ausgebildeten Mischgefäß 23 angeordnet. Auch
dieses konisch ausgebildete Mischgefäß 23 weist
zwei sich gegenüberliegende Stirnseiten auf. Die Zufuhrleitungen 21, 22 erfolgen über
eine erste Stirnseite, während eine Austragsleitung 24 eine
an dieser ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite
angeordnet ist.
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Die
Konizität des Mischgefäßes 23 ist
derart gewählt, dass der Durchmesser des Mischgefäßes und
damit sein Querschnitt vom Bereich der Zufuhrleitungen 21,
22 zum Bereich der Austragsleitung 24 hin kleiner wird.
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Ein
innerhalb des Mischgefäßes 23 angeordneter
Rührer 25 weist, korrespondierend zu 2, mehrere
Gruppen von Rührerflügeln 26 auf, welche an
einer gemeinsamen Rührerwelle 27 angeordnet sind.
Die Radien der Rührerflügel 26 sind an
den jeweiligen Querschnitt des Mischgefäßes angepasst, d.
h. etwas kleiner gewählt als die entsprechenden Radien
des Mischgefäßes 23 an diesen Orten.
Wiederum sind bei einem besonderen Ausführungsbeispiel
zwischen den Flügeln 26 Strömungsbrecher 28 angeordnet,
um die Rotationsgeschwindigkeit des zu mischenden Gutes zumindest örtlich
herabzusetzen.
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Die
Rührerwelle 27 ist wiederum mit einem Antriebsmotor 29 verbunden,
welcher diese Welle und damit die Flügel 26 in
Rotation versetzt.
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Im
Unterschied zu 2 ist der Antriebsmotor 29 bei
diesem Ausführungsbeispiel auf der Seite der Zufuhrleitungen
angeordnet. Die Rührerwelle 27 durchdringt dabei
eine der beiden Zufuhrleitungen 21. Alternativ kann jedoch
der Antriebsmotor 29 auch auf der gegenüberliegenden
Seite des Mischgefäßes 23 angeordnet
sein. Bei dieser alternativen Anordnung durchdringt die Rührerwelle 27 die
Austragsleitung 24.
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Entsprechend
den obigen Ausführungen zur Anordnung der Längsachse
des Gefäßes gilt auch für das Ausführungsbeispiel
gemäß 3, dass eine Längs achse 30 des
Mischgefäßes entweder vertikal oder horizontal
oder schräg geneigt angeordnet sein kann. Vorzugsweise
ist jedoch die Austragsleitung 24 an einem oberen Bereich
des Mischgefäßes 23 angeordnet, während
die Zufuhrleitungen 21, 22 an einem unteren Bereich
vorgesehen sind.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Mischgefäße
rotationssymmetrisch ausgebildet. Alternativ können die
Mischgefäße jedoch auch drehsymmetrisch um eine
Längsachse ausgebildet sein, bspw. indem die Strömungsbrecher
direkt in die jeweilige Wandung des Mischgefäßes
integriert sind.
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Insgesamt
ermöglicht die Erfindung aufgrund der Entnahme des gemischten
Produktes im mittigen Bereich einer der Stirnseiten des Mischgefäßes
eine Verbesserung der Mischeigenschaften einer Mischvorrichtung
sowie einer Effizienzsteigerung des Anfahrvorganges. Insbesondere
entsteht beim Anfahrvorgang kein Ausschuss aufgrund einer Flutung
des Mischgefäßes mit nur einer Phase bzw. zwei
nicht ordentlich durchgemischten Phasen. Insbesondere verhindert
die Erfindung einen vorzeitigen Austrag von Flüssigkeit,
wenn sich im Mischgefäß noch Luft befindet. Dank
der wirkenden Zentrifugalkräfte, welche auf das rotierende,
zu mischende Gut einwirken, wird Material mit niedrigerer Dichte
zur Längsachse des Mischgefäßes hin gefördert,
während Material mit einer höheren Dichte sich
in Richtung der Wandung des Mischgefäßes bewegt.
Durch diesen Effekt sammelt sich Luft bzw. Gas in einem zentralen
Bereich des Mischgefäßes und wird aufgrund der
zentralen Anordnung der Austragsleitung zuerst ausgetragen. Sobald
Mischgut während eines Anfahrvorganges den Bereich der
Austragsleitung erreicht, ist im Wesentlichen die gesamte zuvor
in dem Mischgefäß enthaltene Luft bereits ausgetragen.
Es entsteht somit kein oder nur ein sehr geringer Ausschuss der gemischten
Substanz.
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Derartige
Mischgefäße eignen sich insbesondere für
Prozesse bei der Herstellung von Emulsionen und Dispersionen, bei
denen unterschiedliche Phasen miteinander gemischt werden. Insbesondere erzielt
die Erfindung signifikante Vorteile bei Phasen von mäßiger
oder niedriger Viskosität.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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