EP2129454B1

EP2129454B1 - Strahldispergator

Info

Publication number: EP2129454B1
Application number: EP08716547A
Authority: EP
Inventors: Frank Herbstritt; Olaf Behrend
Original assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: ATE516874T1; EP2129454A1; DE102007014487A1; WO2008113519A8; WO2008113519A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahldispergator, mit dem fluide Medien besonders fein vermischt und flüssige Gemische hohen Scherbeanspruchungen ausgesetzt werden können, um z.B. feindispergierte Emulsionen oder Suspensionen zu erzeugen.
Eine Methode, besonders fein dispergierte Emulsionen und Suspensionen zu erzeugen, besteht darin, die Ausgangskomponenten der Dispersion vorzuvermischen und die entstehende Vordispersion mit hohem Druck durch eine oder mehrere enge Öffnungen (Düsen) zu fördern. Es ist bekannt, dass der Druckabfall und damit der spezifische Energieeintrag über die Düse bzw. das Düsensystem, welcher zur Erzielung eines bestimmten Dispergierergebnisses erforderlich ist, in den meisten Fällen bei Verringerung der charakteristischen Abmessungen (z.B. hydraulischer Durchmesser) der verwendeten Düse abnimmt. Um größere Massenströme effizient zu dispergieren, greift man daher bevorzugt auf Systeme mit vielen parallel durchströmten besonders feinen Öffnungen zurück. Um ferner mit einer gegebenen Dispergiervorrichtung auch bei veränderlichen Massenströmen der Ausgangsstoffe ein gutes Dispergierergebnis mit geringem Energieaufwand zu realisieren, werden manche Dispergierapparate außerdem mit einer Vorrichtung zur Veränderung der Zahl der durchströmten Öffnungen ausgestattet.
So ist beispielsweise aus der EP 0 685 544 ein Strahldispergator bekannt, bei dem über radial verlaufende Bohrungen die zu vermischenden Fluide in einen Prozessraum gelangen. Die Bohrungen können mit Hilfe eines innerhalb des Prozessraums geführten axial verschiebbaren Rohres oder Kolbens ganz oder teilweise verschlossen werden, um die Anzahl der durchströmten Bohrungen an den gewünschten Druck und Durchsatz anzupassen, wodurch eine gute Feinvermischung der fluiden Medien erreicht werden soll.
Nachteilig bei einem derartigen Strahldispergator ist, dass der Gesamtquerschnitt der durchströmten Öffnungen bei kleinen Massenströmen nicht mehr kontinuierlich sondern nur noch stufenweise variiert werden kann und letztlich durch den minimal erreichbaren Bohrungsquerschnitt limitiert ist. Dabei ist es auch mit hohem technischem Aufwand verbunden, sehr viele Bohrungen mit Durchmessern deutlich unterhalb von 0.1 mm, wie sie für viele Anwendungen wünschenswert wären, in die Wandungen des Prozessraums einzubringen, welche aufgrund der hohen Druckbelastungen gleichzeitig eine nicht unerhebliche Stärke aufweisen müssen. Schließlich wirken im Betrieb auf den Kolben, mit dem die Düsenöffnungen in der Wand des Prozessraums verschlossen werden, hohe Kräfte in Richtung seiner Bewegungsachse, die durch eine geeignete Vorrichtung gehalten werden müssen, um eine unerwünschte Verschiebung des Kolbens zu verhindern. Es ist somit zumindest äußerst schwierig, in Prozessen mit variierten bzw. schwankenden Mengenströmen mit geringem Energieaufwand besonders fein dispergierte Emulsionen und Suspensionen zu erzeugen.
Die US 2005/072300 A1 beschreibt auch einen Strahldispergator zur Feinver-mischung fluider Medien, offenbart aber nicht, dass dessen Spalthöhe variabel einstellbar ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Strahldispergator zu schaffen, mit dem in Prozessen mit variierten bzw. schwankenden Mengenströmen besonders fein dispergierte Mischungen mit geringem Energieaufwand erzeugt werden können.
Die Aufgabe wurde überraschend durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Strahldispergator zur Feinvermischung bzw. Dispergierung fluider Medien weist ein Gehäuse auf, in dem ein Prozessraum zur Vermischung der fluiden Medien angeordnet ist, welcher in Verbindung mit einem Zu-Abführkanal für ein fluides Medium steht. Mindestens zwei zur Längsachse des Prozessraums im Wesentlichen senkrecht verlaufende Spalten, die jeweils ebenfalls in Verbindung mit wenigstens einem weiteren Zu-Abführkanal für ein fluides Medium stehen, münden jeweils über eine Spaltöffnung im Wesentlichen radial in den Prozessraum. In den Prozessraum ist ein um eine Drehachse drehbarer Kolben eingebracht, welcher in Höhe der Spaltöffnungen eine Anordnung von Öffnungen mit Verbindung zum Prozessraum trägt dergestalt, dass die Spaltöffnungen je nach Winkelstellung des Kolbens zu einem mehr oder weniger großen Anteil durch den Kolben verschlossen werden und wobei die Spalthöhe des ersten Spalts und des zweiten Spalts durch Distanzstücke variabel einstellbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Strahldispergator ist es nicht nachteilig, wenn der Spalt in Umfangsrichtung im Verhältnis zur Höhe relativ breit ausgeführt ist, da die Spaltöffnung durch den Kolben auf einen besonders geringen Durchtrittsquerschnitt verkleinert werden kann, wobei sich der Austrittsquerschnitt in einem ersten Anwendungsfall am rechten Ende der rechten Seite und in einem zweiten Anwendungsfall am linken Ende eines Spaltes befinden kann, so dass trotz auftretender Verschleißerscheinungen die Lebensdauer des Strahldispergators verlängert werden kann. Aufgrund der Möglichkeit, einen besonders kleinen Austrittsquerschnitt einzustellen, können bereits bei verhältnismäßig geringen Druckabfällen über den Strahldispergator äußerst hohe Scherkräfte erreicht werden, die zu einer besonders feinen Dispergierung der fluiden Medien führen. Ferner kann durch die Variation der Austrittsquerschnitte der Spaltöffnungen der erfindungsgemäße Strahldispergator einfach an unterschiedliche System- und Prozessparameter, wie zum Beispiel Druck oder Massenstrom der Eduktfluide, angepasst werden. Dies kann mit Hilfe eines Regelkreises auch automatisch erfolgen.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Strahldispergator die Spalten je einer bevorzugten Ausführungsform durch zwei Gehäuseteile ausgebildet sein können, ist es mit geringem Fertigungsaufwand möglich, Spalten bereit zu stellen, die in axialer Richtung eine äußerst geringe Höhe aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, in eines der Gehäuseteile entlang der an den Prozessraum grenzenden Stoßkante zum daran angrenzenden Gehäuseteil Vertiefungen von wenigen Mikrometern Tiefe zu fräsen oder durch andere Fertigungstechniken wie beispielsweise Schleifen, Läppen oder Formätzen zu erzeugen, die dann durch Abdeckung mit einer Gegenfläche des zweiten Gehäuseteils die Dispergierspalte zum Prozessraum hin definieren. Aufwändige Mikrofertigungstechniken sind hierfür prinzipiell nicht erforderlich.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung mit vorgenannten Distanzstücken kann die Spalthöhe je nach Anwendungsfall variabel eingestellt werden. Vorzugsweise sind die Distanzstücke folienförmig ausgestaltet, so dass es möglich ist, durch Verwendung von vorzugsweise metallischen oder polymeren Folien mit einer Schichtdicke von wenigen Mikrometern Stärke besonders einfach Spalten mit einer Spalthöhe von wenigen Mikrometern zu erzeugen. Besonders bevorzugt sind die beiden Gehäuseteile derart miteinander verbunden, dass Undichtigkeiten auch bei hohen Drücken bis beispielsweise 200 bar, vermieden sind. Hierzu sind zwischen den Gehäuseteilen beispielsweise selbstverstärkende Elastomerdichtungen vorgesehen.
Vorzugsweise kann der Kolben insbesondere stufenlos in seiner Winkelposition festgestellt werden, so dass die Größe der in den Prozessraum einmündenden Spaltöffnungen der Spalten variabel - bevorzugt von nahe Null bis zu ihrer vollen Länge - eingestellt werden kann. Die Arretierung der Winkelposition des Kolbens kann dabei mit einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung (z.B. Feststellschraube, Klemmbacken) erfolgen, da auf den Kolben auch während des Betriebs des Strahldispergators in seiner Bewegungsrichtung nur sehr geringe Druckkräfte wirken. Es ist somit auch möglich, die Winkelposition des Kolbens während des Betriebs des Strahldispergators mit geringem Kraftaufwand zu verstellen. Soll die Winkeleinstellung des Kolbens von Hand erfolgen, so findet diese vorzugsweise mit Hilfe eines Getriebes mit Über- beziehungsweise Untersetzung statt, so dass der Kolben mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit - bevorzugt von etwa 2%, besonders bevorzugt von weniger als 0,5% der Winkelöffnung der Spalte - in einer bestimmten Winkelposition positioniert werden kann. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Kolben einen abstehenden Hebel aufweist, wobei der Hebel arretiert werden kann. Anstelle eines Hebels kann auch ein Drehkopf oder ähnliches vorgesehen sein. Besonders bevorzugt wirkt der Hebel oder Drehknopf mit einer Skala zusammen, so dass die Winkelposition des Kolbens am Strahldispergator abgelesen werden kann. Möglich ist auch eine motorische Verstellung der Winkelposition des Kolbens, z.B. durch einen mechanischen, elektrischen, magnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb. Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahldispergators ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn die Winkelstellung des Kolbens über einen Regelkreis definiert werden soll, z.B. um den Druckabfall über den Strahldispergator oder eine andere Prozesskenngröße bei variierenden Medienströmen oder Medieneigenschaften konstant zu halten.
Bevorzugt liegt die Anordnung der Spalten und insbesondere der Spaltöffnungen zum Prozessraum in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Drehachse des Kolbens und die Öffnungen im Kolben stehen in dieser Ebene in direkter (d.h. geradliniger) Verbindung. Besonders bevorzugt sind die Spaltöffnungen der Spalte dabei jeweils paarweise gegenüber liegend angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass die zu vermischenden Fluide unmittelbar nach dem Eintritt in den Prozessraum in dessen Zentrum aufeinanderprallen, wodurch sich aufgrund der höheren Turbulenz und der höheren Scherkräfte eine besonders gute Durchmischung bzw. Dispergierung ergibt. Falls mehr als zwei Spalten verwendet werden, um beispielsweise mehr als zwei Fluide miteinander zu vermischen, sind die Spalten insbesondere derart angeordnet, dass jeweils zwei Spalten paarweise gegenüber liegend angeordnet sind. Um im Prozessraum eine möglichst symmetrische Strömung zu erreichen ist daher vorzugsweise eine gerade Anzahl an Spalten vorgesehen. Falls eine ungerade Anzahl an Fluiden miteinander vermischt werden oder ein vorvermischtes System homogenisiert werden soll, kann in diesem Fall der Mengenstrom mindestens eines der Fluide auf zwei Spalten aufgeteilt werden. Die Breite der Spaltöffnungen ist vorzugsweise bei allen Spalten gleich groß und der Kolben bzw. die Öffnungen darin vorzugsweise derart geformt, dass in jeder Winkelstellung des Kolbens von allen Spaltöffnungen jeweils derselbe Anteil verschlossen wird. Dies wird z.B. erreicht, indem die Kanten der die Spaltöffnungen verdeckenden Bereiche des Kolbens unter denselben Winkelpositionen zueinander stehen wie die korrespondierenden Endkanten der jeweils verdeckten Spaltöffnungen.
Sollen zwei fluide Medien mit in etwa gleichen Massenströmen vermischt bzw. dispergiert werden, sind die Spalten vorzugsweise jeweils mit Zuführkanälen verbunden, um mit den zuzuführenden fluiden Medien beaufschlagt zu werden, während der Prozessraum mit einem Abfluss für das fluidische Produkt verbunden ist. Diese Betriebsweise des erfindungsgemäßen Strahldispergators eignet sich beispielsweise besonders zur Erzeugung von Emulsionen mit in etwa gleichen Anteilen der Öl- und Wasserphase, wie z.B. bei der Herstellung von Kosmetika, Wasch- und Reinigungsmitteln, Schmiermitteln, bei kontinuierlich betriebenen Extraktionsprozessen oder der Durchführung von Phasentransferreaktionen wie z.B. bei der Emulsionspolymerisation oder der Herstellung von Core-Shell-Partikeln. In dieser Betriebsweise können auch vorteilhaft Feststoffpartikel, insbesondere Nanopartikel, durch Fällung aus zwei oder mehreren reaktiven fluiden Edukten mit dem erfindungsgemäßen Strahldispergator hergestellt werden.
Gegebenenfalls kann der erste Spalt und der zweite Spalt auch mit demselben zuzuführenden Medium beaufschlagt werden, während der Prozessraum mit einem Abfluss für das fluidische Produkt verbunden ist. Dies bietet sich insbesondere dann als bevorzugt an, wenn das zuzuführende fluide Medium in einem vorhergehenden Verfahrensschritt bereits teilweise vordispergiert ist, so dass in dem erfindungsgemäßen Strahldispergator beziehungsweise in mehreren parallel geschalteten Strahldispergatoren in einem letzten Schritt die Feindispergierung stattfindet. Diese Betriebsweise bietet sich z.B. für die Homogenisierung von Emulsionen oder die Zerkleinerung von Feststoffpartikeln oder -aggregaten in fluiden Medien an.
Es ist auch möglich, dass einer der Spalten und der Prozessraum jeweils mit einem zuzuführenden fluiden Medium beaufschlagt sind und ein anderer Spalt mit einem Abfluss verbunden ist, über den das im Prozessraum gebildete Gemisch abfließt. Dieser Betriebsmodus bietet sich insbesondere dann als bevorzugt an, wenn das in den Prozessraum zugeführte fluide Medium einen deutlich höheren Volumenstrom oder eine wesentlich andere Viskosität aufweist als das über den Spalt zugeführte fluide Medium oder wenn zur Erreichung eines gewünschten Misch- bzw. Dispergierergebnisses eine zweistufige Dispergierung (bzw. Vermischung und Homogenisierung) notwendig ist, insbesondere wenn hierbei das Produkt der Vordispergierstufe besonders instabil ist. Da in diesem Betriebsmodus das über den Spalt zugeführte fluide Medium zu dem in dem Prozessraum zugeführten Medium unter Beteiligung hoher Scher- und Trägheitskräfte zugemischt wird, wird im Prozessraum eine Vordispersion erreicht. Das derart vordispergierte Medium wird durch das anschließende Abströmen über den zweiten Spalt zusätzlich dispergiert beziehungsweise homogenisiert. Die Verweilzeit des Gemischs zwischen den beiden Dispergierschritten kann dabei durch Verwendung eines sehr kleinen Prozessraumvolumens extrem kurz gehalten werden. Vorteilhafte Anwendung findet der erfindungsgemäße Strahldispergator in diesem Betriebsmodus wiederum bei der Erzeugung von Emulsionen und Feststoffdispersionen, wie z.B. bei der Herstellung von Kosmetika, Wasch- und Reinigungsmitteln, Schmiermitteln, Farben und Pigmenten, bei kontinuierlich betriebenen Extraktionsprozessen, der Durchführung von Phasentransferreaktionen wie z.B. bei der Emulsionspolymerisation oder bei der Herstellung von Partikeln durch Fällung (z.B. auch Core-Shell- oder Nanopartikel), insbesondere wenn bei den zugrunde liegenden Prozessen Fluide mit deutlich unterschiedlichen Volumenströmen oder Viskositäten gemischt bzw. dispergiert werden müssen oder kurze Verweilzeiten zwischen der Vorvermischung und der Homogenisierung/Dispergierung für den Prozess vorteilhaft sind.
Aufgrund der kompakten, stabilen Bauweise des erfindungsgemäßen Strahldispergators ist es möglich, dass die zuzuführenden Medien einen Druck von 10 bis 200 bar oder sogar mehr aufweisen können. Gleichzeitig ist es möglich, auf einfache Weise Spalthöhen im Bereich von 1. µm bis 500 µm zu erreichen. Vorzugsweise beträgt die Spalthöhe 5 µm bis 200 µm, besonders bevorzugt 10 µm bis 100 µm. Der Prozessraum weist orthogonal zur Drehachse einen effektiven Durchmesser von insbesondere 0,2 mm - 10 mm, vorzugsweise 0,4 mm - 5 mm und besonders bevorzugt 1 mm bis 2,5 mm auf. Der effektive Durchmesser des Prozessraums ergibt sich bei einer gegebenenfalls nicht vollständig runden Querschnittsfläche dadurch, dass der Durchmesser einer Kreisfläche mit einer Flächengröße, die dieser Querschnittfläche entspricht, berechnet wird.
Eine Vergrößerung der für die verschiedenen Mengenströme im Prozess bereitgestellten Spaltquerschnitte, welche z.B. in den Fall erwünscht sein könnte, dass ein höherer Massenstrom der Edukte dispergiert werden soll als die mit einem gegebenen erfindungsgemäßen Strahldispergator bei vollständig geöffneten Spalten unter gegebenen Prozessbedingungen möglich ist, kann ggf. unter Beibehaltung der Spalthöhe und des Durchmessers des Prozessraumes dadurch erreicht werden, dass um den Prozessraum mehrere Spaltanordungen bevorzugt gleicher Geometrie und Winkelposition entlang der Drehachse des Kolbens parallel angeordnet und in der in jeder Ebene gleichen Weise mit gemeinsamen Zu- und Abführkanälen für die jeweiligen fluiden Medien verbunden werden. Auf diese Weise kann eine für einen bestimmten Prozess als vorteilhaft herausgestellte Strömungsgeometrie des Strahldispergators mit geringem Konstruktions- und Fertigungsaufwand auch für höhere Mengenströme der Prozessmedien hoch skaliert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1a: eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Strahldispergators in einem ersten Betriebsmodus
Fig. 1b: eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 1a dargestellten Strahldispergators
Fig. 1c: eine schematische Schnittansicht des in Fig. 1 a dargestellten Strahldispergators in einem zweiten Betriebsmodus
Fig. 1d: eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 1c dargestellten Strahldispergators
Fig. 2a: eine schematische Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Strahldispergators in einer weiteren Ausführungsform in einem ersten Betriebsmodus
Fig.2b: eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 2a dargestellten Strahldispergators in einem zweiten Betriebsmodus
Fig.2c: eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 2a dargestellten Strahldispergators in einem dritten Betriebsmodus
Fig. 2d: ein schematische Querschnittansicht des in Fig. 2a dargestellten Strahldispergators in einem vierten Betriebsmodus.

Ein in Fig. 1a dargestellter erfindungsgemäßer Strahldispergator weist ein Gehäuse aus den Gehäuseteilen 7, 9, 10 auf, in dem ein Prozessraum 1 ausgebildet ist. Der Prozessraum 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet und mündet in einen Abführkanal 4. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Abführkanal 4 ebenfalls als Zuführkanal betrieben werden und wird daher Zu-Abführkanal 4 weiter genannt. Das Gehäuse weist ein erstes Gehäuseteil 7 und ein zweites Gehäuseteil 9 auf, zwischen denen mit Hilfe Distanzstücke 8 (in der dargestellten Ausführungsform sind die Distanzstücke eine Distanzfolie) Spalten 2a und 2b ausgebildet sind. Die Spalten 2a, 2b werden jeweils über Kanäle 3a, 3b mit einem zu vermischenden fluiden Medium beaufschlagt. Diese Kanäle können ebenfalls zur Zuführkanäle oder Abführkanäle betrieben werden und werden daher entweder Zu-Abführkanäle oder je nach Betriebsweise Zu- bzw. Abführkanäle weiter genannt.
Innerhalb des Gehäuses ist ein Kolben 5 axial angeordnet, der um eine Drehachse 6 drehbar gelagert ist. Die Lagerung erfolgt über ein Lager 11, bei dem es sich beispielsweise um ein Gleitlager handeln kann. Das Lager 11 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem dritten Gehäuseteil 10 angeordnet.
Der drehbare Kolben 5 weist in Höhe der Spalte 2a und 2b eine Öffnung auf, die mit dem Prozessraum 1 in Verbindung steht (Fig. 1b). Je nach Winkellage des Kolbens 5 können die in den Prozessraum 1 einmündenden Spaltöffnungen des ersten Spalts 2a und des zweiten Spalts 2b teilweise verschlossen werden, um eine dem Massenstrom der zu dispergierenden Medien angepasste Spaltöffnung einzustellen. Aufgrund der unabhängig von der Spaltbreite einstellbaren besonders kleinen Höhe der Spaltöffnungen entstehen im Spalt und an dessen Austritt hohe Scher- und Trägheitskräfte, die eine besonders fein dispergierte Emulsion beziehungsweise eine hohe Partikel- beziehungsweise Agglomeratzerkleinerung in Suspensionen bewirken. Das in dem Prozessraum 1 dispergierte Medium tritt nach der Vermischung über den mit dem Prozessraum 1 verbundenen Zu-Abführkanal 4 aus.
Vorzugsweise sind die Spalten 2a, 2b gleich breit (entlang des Umfangs des Prozessraums gemessen), um eine möglichst einfache Geometrie des Strahldispergators zu erreichen. Insbesondere bei mehreren Zu-Abführkanäle 3a, 3b kann es vorteilhaft sein, wenn die Distanzfolie 8 unterschiedlich lange Spalten 2a, 2b enthält. In diesem Fall reicht es aus, die Distanzfolie 8 zu drehen, um mit Hilfe der länger ausgeführten Spalten 2a, 2b zuvor verschlossene Zu-Abführkanäle 3a, 3b anzuschließen, die auf einem größeren Radius in die länger ausgeführten Spalten 2a, 2b einmünden. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Verbindungsöffnung des Kolbens 5 weniger Spalten 2a, 2b mit dem Prozessraum 1 verbinden kann als insgesamt Spalten vorhanden sind. Durch eine entsprechende Drehung des Kolbens 5 können in diesem Fall besonders einfach zuvor verschlossene Spalten geöffnet werden, während gleichzeitig zuvor geöffnete Spalten geschlossen werden. Dies ermöglicht es, durch eine einfache Drehung des Kolbens 5 andere Zu-Abführkanäle 3a, 3b anzuschließen, die beispielsweise mit einem anderen Medium beaufschlagt sind. Diese Betriebsweise eignet sich besonders, wenn im wechselnden kontinuierlichen Betrieb mit demselben Strahldispergator unterschiedliche Dispersionen hergestellt werden sollen.
Bei dem in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Betriebsmodus werden über die Zu-Abführkanäle 3a, 3b beziehungsweise die Spalte 2a, 2b zwei unterschiedliche oder identische Edukte zugeführt, die im Prozessraum 1 vermischt bzw. dispergiert werden. Dieser Betriebsmodus eignet sich besonders dann, wenn die Volumenströme der zuzuführenden Medien in etwa gleich groß sind oder wenn bei der Mischung der Medien ein festes Produkt ausgefällt wird. Da die zugeführten Medien in der Verbindungsöffnung des Kolbens 5 aufeinander zugerichtet sind, wird eine Partikelagglomeration der ausgefällten Feststoffe oder der bereits in den zugeführten Strömen enthaltenen Feststoffpartikel vermieden beziehungsweise die vorhandenen Partikel oder Emulsionstropfen werden sogar zerkleinert.
Bei dem in Fig. 1c und Fig. 1d dargestellten Betriebsmodus ist derselbe in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellte Strahldispergator verwendet. Im Vergleich zu dem in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Betriebsmodus ist bei dem in Fig. 1c und Fig. 1d dargestellten Betriebsmodus der Anschluss des Zu-Abführkanals 3b beziehungsweise des Spalts 2b und der Zu-Abführkanal 4 vertauscht. Das heißt, dass über dem Zu-Abführkanal 4 und dem Zu-Abführkanal 3a beziehungsweise Spalt 2a jeweils ein Edukt zugeführt wird das im Prozessraum 1 dispergiert wird und über den Spalt 2a abgeführt wird, wobei beim Übergang vom Spalt 2b in den Zu-Abführkanal 3d eine weitere Dispergierung stattfindet. Dieser Betriebsmodus eignet sich besonders, falls über den Zu-Abführkanal 3a ein Edukt mit einem geringen Volumenstrom einem Edukt mit einem hohen Volumenstrom, das über den Zu-Abführkanal 4 zugeführt wird, beigemischt werden soll, oder falls zwischen der Vorvermischung und der Dispergierung bzw. Homogenisierung eine besonders kurze Verweilzeit realisiert werden soll. Beispielsweise eignet sich dieser Betriebsmodus bevorzugt zur Verarbeitung reaktiver Mehrphasensysteme, da erst während der Vermischung der Fluide im Prozessraum eine Reaktion stattfinden kann und bis zur weiteren Dispergierung bzw. Homogenisierung des Produktgemischs nur eine kurze Kontaktzeit vorliegt.
Sowohl bei dem in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Betriebsmodus als auch in dem in Fig. 1c und Fig. 1d dargestellten Betriebsmodus kann über die Winkelstellung des Kolbens 5 die Größe der Einmündungsöffnung der Spalten 2a, 2b eingestellt werden, so dass auch bei variierenden Volumenströmen, die Einströmgeschwindigkeit, der Druckverlust, die Scherrate usw. im Wesentlichen konstant gehalten werden können. Da hydrostatische Kräfte auf den Kolben nur in axialer und radialer Richtung wirken, während in azimutaler Richtung, falls überhaupt, nur geringe hydrodynamische Kräfte auftreten, muss nur ein geringes Drehmoment aufgewendet werden, um die Spaltöffnungen der Spalten 2a, 2b zu öffnen und zu verschließen oder die Stellung des Kolbens zu fixieren.
Bei dem in Fig. 2a dargestellten Strahldispergator sind insgesamt vier Spalten 2a, 2b, 2c, 2d vorgesehen, die jeweils mit einem unterschiedlichen Edukt A, B, C, D beaufschlagt sind. Die Edukte A, B, C, D vermischen sich im Prozessraum 1 und werden als feindispergiertes Produkt P über den Prozesskammerkanal 4 abgeführt. Es ist aber auch möglich, über die vier Spalten 2a, 2b, 2c, 2d nur zwei Edukte A, B zuzuführen, die jeweils über zwei gegenüberliegende Spalten zugeführt werden (Fig. 2b). Die Anzahl der Spalten 2a, 2b, 2c, 2d müssen also nicht notwendigerweise mit der Anzahl der zuzuführenden Edukte A, B, C, D übereinstimmen. Es ist sogar möglich, dass alle vier Spalten 2a, 2b, 2c, 2d oder noch mehr Spalten mit nur einem zum Beispiel vordispergierten Edukt beaufschlagt werden.
Bei dem in Fig. 2c dargestellten Betriebsmodus ist im Vergleich zum in Fig. 2a dargestellten Betriebsmodus ein Edukt D über den Zu-Abführkanal 4 zugeführt, während die übrigen Edukte A, B, C über die Zu-Abführkanäle 3a, 3b, 3d und über die jeweiligen Spalten zugeführt werden. Das Produkt P wird über den Spalt 2c und den Zu-Abführkanal 3c abgeführt. Auch in diesem Betriebsmodus ist es möglich, dass ein oder mehrere Edukte A, B, C, D über mindestens zwei Spalten 2a, 2b, 2c, 2d beziehungsweise dem Zu-Abführkanal 4 und mindestens einem weiteren Spalt 2a, 2c, 2d zugeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, das Produkt P über mindestens zwei der Spalten 2a, 2b, 2c, 2d und die korrespondierenden Zu-Abführkanal 3a, 3b, 3c, 3d abzuführen (Fig. 2d). Ferner ist jegliche Kombination möglich, bei der eines der Edukte A, B, C, D oder das Produkt P über mehr als einen der Zu-Abführkanäle 3a, 3b, 3c, 3d, 4 zu- beziehungsweise abgeführt wird.

Claims

Strahldispergator zur Feinvermischung bzw. Dispergierung fluider Medien, mit einem Gehäuse,
einem in dem Gehäuse angeordneten Prozessraum (1) zur Vermischung der fluiden Medien, einem radial über eine erste Spaltöffnung in den Prozessraum (1) einmündenden, zur Längsachse des Prozessraums senkrecht verlaufenden ersten Spalt (2a) und
einem radial in den Prozessraum (1) über eine erste Spaltöffnung einmündenden, zur Längsachse des Prozessraums senkrecht verlaufenden zweiten Spalt (2b),
dadurch gekennzeichnet, dass in den Prozessraum (1) ein um eine Drehachse (6) drehbarer Kolben (5) eingebracht ist, welcher in Höhe der Spaltöffnungen eine Anordnung von Öffnungen mit Verbindung zum Prozessraum trägt, dergestalt, dass die Spaltöffnungen je nach Winkelstellung des Kolbens zu einem mehr oder weniger großen Anteil durch den Kolben verschlossen werden,
weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Spalthöhe des ersten Spalts (2a) und des zweiten Spalts (2b) durch Distanzstücke (8) variabel einstellbar ist.
Strahldispergator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum rotationssymmetrisch, bevorzugt zylinderförmig ausgebildet ist.
Strahldispergator, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil (7) und ein zweites Gehäuseteil (9) aufweist, zwischen denen die Spalten (2a, 2b) ausgebildet sind.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstücke (8) folienförmig ausgebildet sind.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl an Spalten (2a, 2b, 2c, 2d) vorgesehen ist und die Spaltöffnungen des ersten Spalts (2a, 2c) und des zweiten Spalts (2b, 2d) jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spalt (2a) und der zweite Spalt (2b) jeweils mit einem Zuführkanal für ein zuzuführendes fluides Medium verbunden sind und der Prozessraum (1) mit einem Abführkanal (4) verbunden ist.
Strahldispergator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spalt (2a) und der zweite Spalt (2b) mit demselben zuzuführenden fluiden Medium beaufschlagt sind.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spalt (2a) und der Prozessraum (1) jeweils mit einem Zuführkanal (3a bzw. 4) für ein zuzuführendes fluides Medium verbunden sind und der zweite Spalt (2b) mit einem Abführkanal (3b) verbunden ist.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzuführenden Medien einen Druck von 10 bis 200 bar aufweisen, der beim Durchströmen der Spalte abgebaut wird.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten (2a, 2b) in axialer Richtung eine Höhe von 1 µm bis 500 µm, bevorzugt 5 µm bis 200 µm, besonders bevorzugt 10 µm bis 100 µm aufweisen.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum (1) orthogonal zur Drehachse (6) einen effektiven Durchmesser von 0,2 mm - 10 mm, bevorzugt 0,4 mm - 5 mm, besonders bevorzugt 1 mm - 2,5 mm aufweist.
Strahldispergator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anordnung der Spalten (2a, 2b) in mehreren Ebenen entlang der Drehachse (6) des Kolbens (5) mit gleicher Geometrie und Winkelausrichtung wiederholt und von ihrer Winkelposition her korrespondierende Spalten in den verschiedenen Ebenen jeweils mit demselben Zu-Abführkanal (3a, 3b) verbunden sind.