DE19943695C2

DE19943695C2 - Dispersionsmischer

Info

Publication number: DE19943695C2
Application number: DE19943695A
Authority: DE
Inventors: Ella Kunina; Michail Chejfez
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: DE19943695A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Dispersionsmischer gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der Dispersionsmischer ist eine Einrichtung zum gleichzeiti gen Vermischen und Dispergieren mindestens zweier Flüssigkei ten untereinander, insbesondere dient er zur Herstellung von Wasser in Öl-Emulsionen.

Weitere Anwendungen der Erfindung sind in der chemischen Industrie zur. Herstellung von Hydrierkraftstoffen, Emulsio nen, Lösungen, Katalysatoren, Bitumenemulsionen und -masti xen, Farbstoffen und Klebstoffen denkbar. In der Parfümindu strie kann der Dispersionsmischer zur Herstellung von Extrak ten, Cremen und Toilettenwässern, in der pharmazeutischen Industrie für die Herstellung von Arzneipräparaten und in der Nahrungsmittelindustrie für die Zubereitung von Kindernah rung, Gewürztunken und Cremen Anwendung finden.

Es ist bekannt, aus zwei oder mehreren, grundsätzlich nicht mischbaren Flüssigkeiten mittels schnelllaufender Flügelräder oder turbinenartiger Rotoren, Dispersionen und Emulsionen herzustellen.

In den meisten Einrichtungen wird die turbulente Bewegung der aus mindestens zwei Phasen bestehenden Stoffsystemen durch einen mechanischen Aktivator (Rotor) erzeugt. Er muß eine sehr hohe Geschwindigkeit in bezug auf einen Stator besitzen, um eine gleichmäßige feine Verteilung eines Stoffes innerhalb eines anderen zu erreichen.

Der Nachteil aller bekannten Dispersionsmischer besteht in dem hohen Energieaufwand zum Erzeugen der Dispersionen, verbunden mit einem hohen Verschleiß der mechanischen Teile. Eine Veränderung des Dispersionsgrades beim Einsatz von Stoffen unterschiedlicher Viskosität ist nur durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit möglich.

Eine Einrichtung zur Herstellung von Dispersionen bzw. homo gener Emulsionen (Dispergator) ist in der sowjetischen Erfindungsbeschreibung SU 1422441 A dargestellt. Der Dispergator besteht aus einem Gehäuse (Stator) und einem Gehäusedeckel mit einem Eingangsstutzen. Im inneren des Statorgehäuses ist ein zylindrischer Rotor angeordnet. Durch den Rotor sind in seinem zentralen Teil und parallel zu seiner Drehachse durch gehende Öffnungen in Form von kreisförmig angeordneten Boh rungen eingebracht und an seinen beiden Stirnseiten sind Rillen bzw. Nuten radial angeordnet. Durch ein Kanalsystem im Gehäuse des Dispergators sind die radialen Rillen oder Nuten auf beiden Seiten des Rotors derart miteinander verbunden, dass zuerst die Rillen auf der einen Seite und dann die Rillen auf der anderen Seite des Rotors von dem Medium durch strömt werden.

Der Aufbau dieses Dispergators, mit seinen vielen Kanälen und den am Rotor doppelseitig angeordneten Rillen, verlangt zur Erreichung eines guten Dispersionsgrades einen hohen Energie einsatz. Beim Dispergieren von Flüssigkeiten unterschiedli cher Viskosität und einem unterschiedlichen Mischungsverhält nis lässt sich der Dispersionsgrad durch einfache konstrukti ve Maßnahmen nicht definiert einstellen.

Insgesamt ist bei den bekannten Dispersionsmischern der Durchsatz (Herstellung einer bestimmten Menge an Dispergens in einer bestimmten Zeiteinheit) zum Erzielen eines hohen Dispersionsgrades und einer langen Standzeit der Dispergens relativ gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dispersionsmischer für flüssige Medien, die grundsätzlich nicht miteinander mischbar sind, zu schaffen, welcher bei einem hohen Durchsatz an Dis persionsgut einen hohen Dispersionsgrad, eine gute Homogenie sierung der Emulsion und eine lange Standzeit (Aufrechter haltung der Dispergens) erreicht, einfach im Aufbau ist, den Energieaufwand verringert und sich der Dispersionsgrad unter schiedlicher Flüssigkeiten, die grundsätzlich nicht mischbar sind, in einem frei wählbaren Mischungsverhältnis definiert einstellen lässt.

Die Aufgabe wird mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der neue Dispersionsmischer besteht aus einem zylinderförmi gen Statorgehäuse mit einem als Auslasskanal dienenden Aus gangsstutzen und einem kreisförmigen Gehäusedeckel, durch den in der Mitte der Einlasskanal mit dem Eingangsstutzen geführt ist.

Innerhalb des Gehäuses ist ein scheibenförmiger Rotor ange ordnet, der in seinem Zentrum, rotationssymmetrisch zu seiner Achse, eine kreisförmige Vertiefung besitzt, von der aus, in Form von Lamellen, radial ausgerichtete Nuten ausgehen. Diese Nuten weisen einen variablen Querschnitt auf, der sich nach außen von der Rotorachse zur Peripherie hin stetig verrin gert.

Die radialen Nuten im Rotor werden durch den Gehäusedeckel derart abgedichtet, dass dadurch drehende Kanäle entstehen, die in einen zwischen der Peripherie des Rotors und dem Statorgehäuse gebildeten ringförmigen Kanal münden.

Der ringförmige Kanal besitzt an der Stelle des Ausgangsstut zens, der senkrecht zur Achse des Rotors am Statorgehäuse angeordnet ist, eine Ausgangsöffnung zur Ableitung der ferti gen Dispergens.

Im Zentrum des scheibenförmigen Rotors ist zweckmäßigerweise innerhalb der kreisförmigen Vertiefung ein Kegel angeordnet, der zur Aufteilung der zu dispergierenden Flüssigkeiten, die durch den Eingangsstutzen axial in den Dispersionsmischer einströmen, auf die radial angeordneten Nuten dient. Der Kegel ragt mit seiner Spitze axial in den Eingangsstutzen hinein.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist im Bereich der Ausgangsöffnung mindestens aber auf der Seite, in die die radial ausgerichteten Nuten nacheinander beim Drehen in die Ausgangsöffnung einmünden, eine Wulst oder Umlenkeinrichtung zur weiteren Erhöhung der Verwirbelung der Dispergens ange ordnet. Verengungen können aber auch bereits schon im ring förmigen Kanal eingefügt sein.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Dispersionsmischers gewähr leistet, in Abhängigkeit von der Geometrie des Rotors und seiner Nuten, bei einem hohen einstellbaren Dispersionsgrad eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit des Mediums und somit einen höheren Durchsatz der Flüssigkeiten durch den Dispersionsmischer.

Die in einem bestimmten Verhältnis zueinander vorgemischten Flüssigkeiten, die vorzugsweise z. B. Öl und Wasser sind, strömen durch den Einlasskanal in den Dispersionsmischer. Durch die Verringerung (Verjüngung) des Querschnitts der sternförmig, radial ausgerichteten Kanäle vom Zentrum des Rotors zu seiner Peripherie erhöht sich stetig die Strömungs geschwindigkeit der gemischten Flüssigkeiten, was zu einem Fortschreiten des Dispersionsgrades führt.

Durch den Einsatz unterschiedlicher Rotoren mit Nuten unter schiedlicher Größe und Verjüngungsgrad, können die Turbulen zen in den Kanälen und somit der Dispersionsgrad unterschied licher Medien mit verschiedener Viskosität eingestellt wer den.

Bei Rotation des Rotors wirken auf die Partikel der zu dis pergierenden Substanzen Zetrifugalkräfte und in Rotations richtung Seitenkräfte von den Wänden der Nuten. Da die Dis pergens den Seitenkräften nicht ausweichen kann, wirkt eine dritte Kraft als Gegenkraft zu den Seitenkräften.

Wegen der unterschiedlichen Viskosität der zu dispergierenden Substanzen werden die Stoffe schon in den Nuten durch diese Kräfte gut durchgemischt und dispergiert.

Am Ausgang der Nuten in den ringförmigen Kanal erreichen die genannten Kräfte ihre maximale Größe.

Beim Ausstoß der Dispergens aus den Nuten in die Luft des Ringkanals zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse entsteht eine zusätzliche Verwirbelung, die durch die Wulst in der Auslassöffnung oder in dem ringförmigen Kanal verstärkt werden kann.

An Hand von Zeichnungen wird eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Disper sionsmischers im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch den Dispersions mischer nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 zur Darstel lung der Kraftwirkungen.

Der Dispersionsmischer nach Fig. 1 ist zur Herstellung von Wasser in Öl-Emulsionen ausgelegt. Er besteht aus einem zylinderförmigen Statorgehäuse 3 mit einem als Auslasskanal dienenden Ausgangsstutzen 4 und einem kreisförmigen Gehäuse deckel 1 mit einem zentral angeordneten, als Einlasskanal dienenden, Eingangsstutzen 2. Innerhalb des Statorgehäuses 3 ist ein scheiben- oder diskusförmiger Rotor 5 angeordnet, der mit seiner Achse 7 (Rotorwelle) drehbar im Gehäuse 3 gelagert ist.

In der Mitte des Rotors 5 ist, rotationssymmetrisch zur Achse 7, eine kreisförmige Vertiefung 12 ausgefräst. Ausgehend von dieser Vertiefung 12 sind in Form von Lamellen Nuten 6 radial ausgerichtet. Diese Nuten 6 besitzen einen variablen Querschnitt, der sich nach außen hin von der Rotorachse bzw. der Vertiefung 12 zur Peripherie des Rotors 5 verringert.

Der Querschnitt der Nuten 6 kann sich, wie in dem Ausfüh rungsbeispiel, stetig linear oder auch nach einer beliebigen stetigen Funktion verringern.

Die sternförmig, radial ausgerichteten Nuten 6 werden durch den Gehäusedeckel 1 derart abgedichtet, dass die Nuten 6 zu Kanälen werden, die sich zusammen mit dem Rotor 5 drehen. Diese Kanäle bzw. Nuten 6 münden in einen ringförmigen Kanal 8, der zwischen der Peripherie des Rotors 5 und dem Statorge häuse 3, das an dieser Stelle auch teilweise aus dem Gehäuse deckel 1 gebildet ist, angeordnet ist.

Der Ringkanal 8 besitzt an der Stelle des Ausgangsstutzens 4, der senkrecht zur Achse des Rotors 5 am Gehäuse 3 angeordnet ist, eine Ausgangsöffnung 9 zur Ableitung der fertigen Dis pergens.

Im Zentrum des scheibenförmigen Rotors 5 ist zweckmäßigerwei se ein Kegel 10 zur Aufteilung der zu dispergierenden Flüs sigkeiten, die durch den Eingangsstutzen 2 axial in den Dispersionsmischer einströmen, angeordnet. Der Kegel 10 dient als Anlauffläche für die Flüssigkeiten und zur Aufteilung auf die im Rotor 5 radial angeordneten Nuten 6. Der Kegel 10 ragt mit seiner Spitze axial in den Eingangsstutzen 2 hinein.

Im Bereich der Ausgangsöffnung 9 und/oder im Austrittsstutzen 4 ist mindestens auf einer Seite im Bereich der Einmündung der radial ausgerichteten Nuten 6 eine Wulst 11 oder Umlen keinrichtung angeordnet.

In Fig. 2 ist der Dispersionsmischer nach Fig. 1 in einen Schnitt A-A dargestellt. Die Zeichnung zeigt den Rotor 5 mit den eingefrästen Nuten 6 innerhalb des Statorgehäuses 3. Weil in diesem Schnitt A-A der Gehäusedeckel 1 als Teil des Statorgehäuses 3 geschnitten wird, ist nur der Gehäusedeckel 1 in Fig. 2 zu erkennen.

Da die Nuten 6 in diesem Ausführungsbeispiel nur in ihrer Tiefe einen variablen Querschnitt besitzen, ist dies in Fig. 2 nicht zu sehen. Natürlich wäre ein variabler Querschnitt der Nuten 6 statt in der Tiefe auch in Rotationsrichtung (Bildebene) oder in beiden Richtungen gleichzeitig möglich. Wichtig ist nur, dass der größte Querschnitt im zentralen Teil des Rotors 5 und der kleinste Querschnitt an seiner Peripherie am Ausgang der Nuten 6 in den ringförmig angeord neten Kanal 8 vorhanden ist.

In dem Kanal 8 strömen die dispergierten Flüssigkeiten kreis förmig in Rotationsrichtung, um an der Austrittsöffnung 9 das Statorgehäuse 3 mit dem in Fig. 2 dargestellten Gehäusedeckel 1 des Dispersionsmischers zu verlassen.

In der Mitte des Rotors 5 ist rotationssymmetrisch zur Achse 7 die kreisförmige Vertiefung 12 ausgefräst, von der aus die Nuten 6 sternförmig ausgerichtet sind.

In einen Ausschnitt aus Fig. 2 ist in Fig. 3 die Wirkung der Kräfte auf die Partikel der zu dispergierenden Substanzen dargestellt.

Bei Rotation des Rotors 5 wirken auf die Flüssigkeitspartikel Zetrifugalkräfte a in radialer Richtung. Weiterhin wirken durch die Rotation des Rotors 5 Seitenkräfte b in Rotations richtung von den Wänden der Nuten 6. Da die Dispergens den Seitenkräften b nicht ausweichen kann, wirkt eine dritte Kraft c als Gegenkraft zu den Seitenkräften b.

Am Ausgang der Nuten 6 in den ringförmigen Kanal 8 erreichen die genannten Kräfte a, b und c ihre maximale Größe.

Bezugszeichenliste

1

Gehäusedeckel

2

Eingangsstutzen

3

Gehäuse, Stator

4

Austrittsstutzen

5

Rotor

6

radial angeordnete Nuten

7

Antriebswelle, Achse

8

ringförmiger Kanal

9

Austrittsöffnung

10

Kegel

11

Wulst

12

Vertiefung

Claims

1. Dispersionsmischer zum gleichzeitigen Vermischen und Dispergieren flüssiger Medien, insbesondere Wasser in Öl-Emulsionen, bestehend aus einem zylinderförmigen Stator gehäuse (3) mit einem als Ausgangsstutzen (4) ausgebildeten Gehäuseteil und einem als Gehäusedeckel (1) ausgebildeten Gehäuseteil mit einem zentral angeordneten Eingangs stutzen (2), einem innerhalb des Statorgehäuses (3) angeordneten scheibenförmigen Rotor (5), der radial ausgerichtete Nuten (6) besitzt, wobei aus den Nuten (6) zusammen mit dem sie abdichtenden Gehäusedeckel (1) sich drehende Kanäle gebildet sind, die in einen zwischen der Peripherie des Rotors (5) und dem Gehäuse (3) gebildeten Kanal (8), der ei ne Austrittsöffnung (9) aufweist, münden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) auf der Seite des Eingangsstutzens (2) rotationssymmetrisch zur Achse (7) des Rotors (5) eine kreisförmige Vertiefung (12) besitzt, von der aus, in Form von La mellen, die radial ausgerichteten Nuten (6) ausgehen, wobei die Nuten (6) einen sich von innen nach außen verändernden Querschnitt aufweisen und die Nuten (6) im Austrittsbe reich in den Kanal (8) den kleinsten Querschnitt besitzen.

2. Dispersionsmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (6) in ihrem axialen Verlauf kantenfrei ausgebildet sind.

3. Dispersionsmischer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Nuten (6) von innen nach außen stetig verringert.

4. Dispersionsmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der kreisförmigen Vertiefung (12) des scheibenförmigen Rotors (5) ein Kegel (10) zur Aufteilung der Strömung auf die radial angeordneten Nuten (6) angeordnet ist, wobei der Kegels (10) mit seiner Spitze axial in den Eingangsstutzen (2) hineinragt.

5. Dispersionsmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Öffnung der Nuten (6) in den Kanal (8) innerhalb des Kanals (8) eine Wulst (11) oder Umlenkeinrichtung zur weiteren Erhöhung der Verwirbelung der Dispergens ange ordnet ist.

6. Dispersionsmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ausgangsöffnung (9) und/oder im Austrittsstutzen (4) mindestens auf der Seite der Einmündung der radial ausgerichteten Nuten (6) eine Wulst (11) oder Umlenk einrichtung angeordnet ist.