DE69613596T2 - Energiesparender zentrifugal-zerkleinerer - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentrifugalzerkleinerer zum Zerkleinern von Festkörpern in Flüssigkeiten in eine resultierende Fest-Flüssig- Aufschlämmung, aufweisend eine Gehäuse mit einer runden Siebwandung, die das Gehäuse in eine erste Kammer und eine zweite Kammer teilt.
• Es ist häufig erforderlich, Festkörper in Flüssigkeiten zu zerkleinern, ohne in bestimmten Prozessen Luft einzubringen, da Luft zur unerwünschten Oxidation der resultierenden Fest-Flüssig-Aufschlämmung führen könnte und/oder zum Schäumen. Ein Beispiel ist das Zerkleinern von Sojabohnen in Wasser, um Sojamilch herzustellen, wie beschrieben in US 4 915 972.
• Die Zerkleinerung von Festkörpern in Flüssigkeiten wird häufig mit Hammermühlen durchgeführt, die mit hoher Geschwindigkeit rotieren. Jedoch erzeugen die Hammermühlen des Standes der Technik starke Wirbel in den Flüssigkeiten, was das Einsaugen von Luft in den Zerkleinerungsbereich verursacht. Eine Hammermühle erfordert auch ein sehr großes Start-Drehmoment, falls sich die Festkörper schon in der Mühle befinden, wenn diese gestartet wird. Der Antriebsmotor muss so bemessen sein, dass er das große Start-Drehmöment erzeugt, was teuer ist und für dessen Normalbetrieb ineffizient ist. Zusätzlich führt es zu Festkörperteilchen mit starken Größenvariationen, so dass es häufig erforderlich ist, zwei oder mehrere Mühlen hintereinander vorzusehen, um eine vernünftige Zerkleinerung der Festkörper zu erreichen. Alternativ muss die Aufschlämmung viele Male durch dieselbe Hammermühle geführt werden. Jeder dieser bekannten Ansätze führt zu erhöhten Kapitalkosten und einem reduzierten energetischen Wirkungsgrad. Die US-2 738 930 und US-2738 931 offenbaren eine Zersetzungsvorrichtung, in der einem vorbereitenden Zerkleinerungssystem eine Mehrzahl von Zersetzungssystemen folgt. US 2 519 198 beschreibt Kaffeezerkleinerungs- oder Zersetzungsmaschinen mit einer Mehrzahl von rotierenden Elementen. US 3 993 791 offenbart eine kontinuierliche "Lautering"-Vorrichtung, in der eine Reihe von kontinuierlich dekantierenden Zentrifugen und eine gleiche Anzahl von Re-Aufschlämmungsstationen vorgesehen sind.
• FR 2 171 671 offenbart einen Zerkleinerer, bei dem Hämmer auf rotierenden Scheiben an deren Umfängen vorgesehen sind. FR 2 112 030 offenbart auch einen Zerkleinerer, bei dem Schneiden an einer Seite einer rotierenden Scheibe vorgesehen sind und Hämmer an der anderen Seite dieser Scheibe. Die Zerkleinerer, die in den zuvor beschriebenen Patenten offenbart sind, weisen eine abgeschirmte Wand oder Wände auf, die erste und zweite Kammern definieren. Beide Zerkleinerer könnten jedoch einen Wirbel in den Flüssigkeiten erzeugen und erfordern große Startdrehmomente.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Zentrifugalzerkleinerer der vorgenannten Art vorgesehen, gekennzeichnet durch eine erste drehbare Kreisscheibe in der ersten Kammer, die im Wesentlichen an die Größe der ersten Kammer angepasst ist, die die erste Kammer in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt und die um eine Mittelachse drehbar ist; Schneiden, die in dem ersten Bereich angeordnet sind und an einer ersten Seite der ersten drehbaren Scheibe in der Nähe des Umfangs der Scheibe aber innerhalb des Umfangs befestigt sind; Hämmer, die in dem zweiten Bereich angeordnet sind und an einer zweiten Seite der ersten drehbaren Scheibe in der Nähe des Umfangs der Scheibe aber innerhalb des Umfangs befestigt sind; einen Einlass, der mit der ersten Kammer verbindet zum Einführender Festkörper in Flüssigkeiten in den ersten Bereich auf der ersten Seite der Scheibe; einen Auslass, der mit der zweiten Kammer verbindet zum Abführen der Fest-Flüssig-Aufschlämmung aus dieser zweiten Kammer; und einen Motor, der mechanisch mit der ersten drehbaren Scheibe verbunden ist, um die erste drehbare Scheibe anzutreiben.
• Die vorliegende Erfindung eliminiert Nachteile einer Hammermühle und liefert ein sehr kosteneffektives Verfahren zum Zerkleinern für allgemeine Zwecke, wie etwa Trockenzerkleinerung von Granulaten, Gewürzen, Mineralien und anderen Lebensmittel- und Nicht-Lebensmittelprodukten. Es ist auch geeignet zum Zerkleinern von Festkörpern in Flüssigkeiten wie etwa zum gewöhnlichen, verschlammten, gefluteten und luftlosen Zerkleinern. Dies wird ermöglicht, indem die Hammerelemente nur in der Nähe der auftreffenden Oberfläche angeordnet werden und nicht das gesamte rotierende Element als ein Hammer benutzt wird. Das erforderliche Start- und Betriebsdrehmoment des Antriebsmotors ist stark reduziert und die Energieeinsatzeffizienz verbessert. Das erforderliche Motordrehmoment und die Energieeffizienz wird weiter verbessert, indem die Mühlbereiche in zwei oder mehr Abschnitte geteilt werden. Dieses Teilen führt auch zu einer guten Kontrolle der Teilchengrößenverteilung der Zerkleinerung und eliminiert den Bedarf an vielen Mühlen oder vielen Durchläufen, um gute Resultate zu erreichen.
• Die Erfindung wird nun anhand der begleitenden Figuren beschrieben:
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht des Zerkleinerers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
• Fig. 2 bis 4 sind Schnittansichten von Vielstufenzerkleinerern gemäß mehrerer Ausführungsformen der Erfindung.
• Eine schematische Darstellung eines Zerkleinerers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Der Zerkleinerer weist ein Gehäuse (10) auf, das mit einem Einlass (12) und einem Auslass (14) versehen ist. Das Gehäuse ist im Querschnitt zylindrisch und ist in zwei Kammern (16), (18) geteilt durch eine Siebwand (20). Ein Scheibenteller (22) ist in der ersten Kammer (16) angeordnet und ist an einer Achse (24) befestigt, die selbst ausgelegt ist, mit hoher Geschwindigkeit von einem Motor (26) gedreht zu werden. Der Scheibenteller (22) hat zwei oder mehr Schneidenelemente (28), die an dessen oberer Seite befestigt sind oder zwei oder mehr Hammerelemente (30), die an dessen Unterseite befestigt sind. Die Schneiden- und Hammerelemente sind an dem Scheibenteller (22) befestigt in der Nähe von dessen Umfang. In einer weiteren Ausführungsform ist der Scheibenteller mit einige kegeligen Löchern (32) versehen, die zu schmal sind, um die unzerkleinerten Festkörper hindurchzulassen. Diese Löcher verbessern die Zirkulation des zerkleinerten Produktes unterhalb des Tellers. Sie sind speziell hilfreich, wenn die Festkörper in der Anwesenheit einer Flüssigkeit zu zerkleinern sind.
• Festkörper oder Festkörper in Flüssigkeiten werden in den Zerkleinerer durch den Einlass (12) eingeführt. Wenn der Scheibenteller (22) rotiert wird, werden die Festkörper zentrifugal herausgeschleudert in Richtung auf die Siebwand in den Weg der sich drehenden Scheiden (28), die die Festkörper in kleine Teile zerhacken. Die kleinen Festkörperteile treten dann in den unteren Bereich ein, in dem sich drehende Hämmer (30) diese auf eine Partikelgröße zerkleinern, die eine Funktion der Lochgröße in Sieb ist. Die zerkleinerten Festkörper, die sich in der Flüssigkeit befinden werden durch den Auslass 14 entfernt.
• In dieser Ausführungsform werden das erforderliche Drehmoment und die Wirbelbildung gegenüber den Zerkleinerern des Standes der Technik Verbessert, was folglich die Energieeffizienz verbessert. Diese Verbesserungen resultieren aus den folgenden Merkmalen. Anstelle eines oder mehrerer vertikale Stäbe als Hämmer benutzt die Erfindung die Schneid- und Hammerelemente, die an einem horizontalen kreisförmigen Teller befestigt sind. Die Mühlkammer ist in zwei Bereiche geteilt.
• Die Verbesserung kann wie folgt dargestellt werden. Falls die Dicke eines Schneidelements t1 ist und die Höhe h1 ist, die Dicke eines Hammerelementes t2 ist und die Höhe h2 ist und der Durchmesser des Scheibentellers D ist, dann ist das Gesamtvolumen V1, das von den Schneid- und Hammerelementen überstrichen wird:
• V1 = πD(t1 · h1 + t2 · h2) [π = 3,14159]
• Hammermühlen des Standes der Technik weisen feste Metallstäbe als Hämmer auf. Wenn man h1 + h2 als deren Höhe und D als deren Länge annimmt, ist das von diesen überstrichene Volumen V2:
• V2 = πD · D (h1 +h2)/4
• Zur Vereinfachung wird angenommen, dass die Dicke der Schneid- und Hammerelemente dieselbe ist, t1 = t2 = t, und V1 durch V2 geteilt:
• V1/V2 = 4t/D.
• Typischerweise ist t = 1/8" wenn D = 4", was führt zu V1/V2 = 1/8. Dieses Verhältnis definiert dann ungefähr das Verhältnis der Stärke des Wirbels für die zwei Mühlen ohne den Scheibenteller. Jedoch reduziert die Anwesenheit des Scheibentellers das für die Wirbelbildung der vorliegenden Erfindung verfügbare überstrichene Volumen deutlich - der Einlass kann nur das überstrichene Volumen V1' oberhalb des Scheibentellers sehen. Da h1 typischerweise 1/3 von h2 ist,
• V1' = πD · t · h1; oder V1'/V2 = t/D,
• das einen Wert von 1/32 hat für die typischen Dimensionen, die hier betrachtet werden. Der Zerkleinerer der Erfindung hat daher einen sehr kleinen Wirbel und als ein Resultat davon ein äußerst geringes Einsaugen von Luft, die in diesen eintritt. Falls dieser kleine Wirbel immer noch problematisch ist, könnte er weiter reduziert werden, indem ein Wirbelkreuz in den Einlass des Zerkleinerers eingesetzt wird.
• Angenommen s ist das spezifische Gewicht des Fest-Flüssig-Gemischs, das von dem Zerkleinerer überstrichen wird und r ist die Entfernung einer Elementdicke dr von der Achse, dann kann das Verhältnis der Drehmomente (T1 bei der vorliegenden Erfindung und T2 bei der Hammermühle des Standes der Technik) einfach wie folgt bestimmt werden:
• T1 = K · Masse · Entfernung² = {2πR(h1 + h2)t · s} R² [R = D/2]
• T2 = K · Integral (0 bis R) [{2πR(h1 + h2)dr · s} r²] = 2π(h1 + h2)s · r&sup4;/4
• T1/T2 = 8t/D = ¹/&sub4;(für t = 1/8" und D = 4" wie oben).
• Hier ist K eine Proportionalitätskonstante.
• Dies ist eine deutliche Verringerung des erforderlichen Drehmoments. Die vorhergehende Analyse kann qualitativ anhand der Fig. 1 deutlich gemacht werden. Wenn axial rotiert wird, ist der Bereich, der durch die Hammer- und Schneidelemente überstrichen wird, offensichtlich ein Bruchteil des Bereiches, der durch das Rechteck überstrichen wird, das durch Verbinden der Elemente, wie gezeigt durch die gestrichelten Linien 32, gebildet wird. Es würde viel mehr Drehmoment erfordern, die letztere Anordnung zudrehen als die erstere, wenn der Raum innerhalb des Siebes mit Festkörpern gefüllt ist. Es ist nicht schwierig einzusehen, dass sogar das Betriebsdrehmoment geringer ist, was zu erhöhter Energieeffizienz führt.
• In den Fig. 2-4 sind drei zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung ebenfalls schematisch gezeigt.
• In Fig. 2 hat der Zerkleinerer einen einzelnen Rührflügel, der an einer Antriebswelle 50 eines Motors befestigt ist und von einem festen zylindrischen Sieb 52 umgeben ist. Der Rührflügel hat viele Zerkleinerungsstufen, die durch hinsichtlich der Welle konzentrische Scheiben 54 und 56 getrennt sind. Die Zerkleinerungselemente wie Schneiden und Hämmer sind symmetrisch auf diesen Scheiben befestigt. Wenn die Festkörper wie etwa Bohnen von einer Stufe des Zerkleinerns auf eine bestimmte Größe zerkleinert oder zerhackt werden, wandern sie zu der nächst feineren Stufe des Zerkleinerns oder Zerhackens durch die Öffnung zwischen den Scheiben und dem Sieb. Der Siebabschnitt, der die Endstufe des Zerkleinerers umgibt, weist Perforationen auf, die es den endgültig zerkleinerten Festkörpern erlauben, den Zerkleinerer zu verlassen. Obwohl das Zerkleinerersieb überall perforiert sein kann ist es aus den zwei folgenden Gründen nicht erwünscht es so zu machen: a) die Aufschlämmungsströmung zwischen den Stufen wird verbessert, falls das Wasser nicht aus dem Sieb in den früheren Stufen des Zerkleinerns ausströmen kann und b) kostet es Geld, in ein Material Perforationen einzubringen, das heißt, je weniger Perforationen, desto billiger das Sieb. Für einige Anwendungen kann es wünschenswert sein, auch in dem oberen Abschnitt des Siebs Öffnungen zu haben, um eine lokale Zirkulation der Flüssigkeit und der Aufschlämmung in dem Zerkleinerer zu ermöglichen. In anderen Ausführungsformen werden die Scheiben mit Löchern versehen, die zu schmal sind, als dass Festkörper, die eine bestimmte Größe übertreffen, hindurchtreten könnten.
• In den Fig. 3 und 4 werden Vielstufenzerkleinerer gezeigt, in denen progressiv größere Scheiben eingesetzt werden, um eine bessere Zerkleinerungswirkung zu erreichen.
• Die Zerkleinerer der vorliegenden Erfindung produzieren eine einheitlichere Partikelgrößenverteilung in dem zerkleinerten Material als der Stand der Technik und reduziert die Energie- und Leistungsanforderungen für das Zerkleinern eines Materials auf eine erwünschte Feinheit. Die Zerkleinerungselemente halten länger und sind preiswert herzustellen. Der Zerkleinerer der Erfindung erzielt auch eine größere Ausbeute und Qualität des Endproduktes. Er ist einsetzbar für Trockenzerkleinerung von Granulaten, Gewürzen, Mineralien und anderen Lebensmittel- und Nicht-Lebensmittelprodukten; und er ist geeignet für gewöhnliches, verschlammtes, geflutetes und luftloses Zerkleinern.

Claims (11)

1. Zentrifugal-Zerkleinerer zum Zerkleinern von Festkörpern in Flüssigkeiten in eine resultierende Fest-Flüssig-Aufschlämmung, aufweisend

ein Gehäuse (10) mit einer runden Siebwandung (20), die das Gehäuse in eine erste Kammer (16) und eine zweite Kammer (18) teilt;

gekennzeichnet durch

eine erste drehbare Kreisscheibe (22) in der ersten Kammer (16), die im Wesentlichen an die Größe der ersten Kammer angepasst ist, die die erste Kammer in einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich unterteilt und die um eine Mittelachse (24) drehbar ist;

Schneiden (28), die in dem ersten Bereich angeordnet sind und an einer ersten Seite der ersten drehbaren Scheibe (22) in der Nähe des Umfangs der Scheibe aber innerhalb des Umfangs befestigt sind;

Hämmer (30), die in dem zweiten Bereich angeordnet sind und an der zweiten Seite der ersten drehbaren Scheibe (22) in der Nähe des Umfangs der Scheibe aber innerhalb des Umfangs befestigt sind;

einen Einlass (12), der mit der ersten Kammer (16) verbindet, zum Einführen der Festkörper in Flüssigkeiten in den ersten Bereich auf der ersten Seite der Scheibe (22);

einen Auslass (14), der mit der zweiten Kammer (18) verbindet, zum Abführen der Fest-Flüssig-Aufschlämmung aus dieser zweiten Kammer (18); und

einen Motor (26), der mechanisch mit der ersten drehbaren Scheibe (22) verbunden ist, um die erste drehbare Scheibe anzutreiben.

2. Zerkleinerer gemäß Anspruch 1, der weiter aufweist eine zweite drehbare Kreisscheibe (56), die parallel und benachbart zu der zweiten Seife der ersten drehbaren Scheibe (22) angeordnet ist und um die Achse (50) drehbar ist;

wobei die zweite drehbare Kreisscheibe (56) im Wesentlichen an die Größe der ersten Kammer angepasst ist und die Hämmer aufweist, die mit der ersten Seite der zweiten drehbaren Scheibe (56) in der Nähe aber innerhalb deren Umfangs verbunden sind; und Feinzerkleinerungshämmer, die in der Nähe aber innerhalb des Umfangs der zweiten Seite der zweiten drehbaren Scheibe (56) befestigt sind.

3. Zerkleinerer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste drehbare Kreisscheibe (22) Löcher (32) aufweist, deren Größe kleiner ist als die der unzerkleinerten Festkörper.

4. Zerkleinerer gemäß Anspruch 2, wobei jeweils die erste und zweite drehbare Scheibe Löcher aufweist, deren Größen kleiner sind als die der unzerkleinerten Festkörper.

5. Zerkleinerer gemäß Anspruch 4, wobei die Siebwandung eine zylindrische Form aufweist, die darin die erste Kammer festlegt und wobei die Siebwandung Sieblöcher aufweist.

6. Zerkleinerer gemäß Anspruch 5, wobei die Sieblöcher nur benachbart der Feinzerkleinerungshämmer angeordnet sind.

7. Zerkleinerer gemäß Anspruch 5, wobei die zweite drehbare Kreisscheibe einen größeren Durchmesser aufweist als die erste drehbare Kreisscheibe.

8. Zerkleinerer gemäß Anspruch 4, wobei die Siebwandung eine konische Form aufweist, und darin die erste Kammer bildet und wobei die Siebwandung Sieblöcher aufweist.

9. Zerkleinerer gemäß Anspruch 8, wobei die zweite drehbare Kreischeibe einen größeren Durchmesser aufweist als die erste drehbare Kreisscheibe.

10. Zerkleinerer gemäß Anspruch 8, wobei die Schneiden auf der ersten drehbaren Scheibe, die Hämmer auf den ersten und zweiten drehbaren Scheiben und die Feinzerkleinerungshämmer auf der zweiten drehbaren Schreibe unter derartigen Winkeln an deren entsprechenden Kreisscheiben befestigt sind, dass eine annähernde Anpassung an die konische Form der ersten Kammer gewährleistet ist.

11. Zerkleinerer gemäß Anspruch 10, wobei die Sieblöcher nur in der Nähe der Feinzerkleinerungshämmer sind.