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WO2009135624A2 - Rotor-stator-system zum herstellen von dispersionen - Google Patents

Rotor-stator-system zum herstellen von dispersionen Download PDF

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Publication number
WO2009135624A2
WO2009135624A2 PCT/EP2009/003157 EP2009003157W WO2009135624A2 WO 2009135624 A2 WO2009135624 A2 WO 2009135624A2 EP 2009003157 W EP2009003157 W EP 2009003157W WO 2009135624 A2 WO2009135624 A2 WO 2009135624A2
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WO
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stator
rotor
dispersion
phase
premixing chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/003157
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WO2009135624A3 (de
WO2009135624A4 (de
Inventor
Axel Wittek
Original Assignee
Axel Wittek
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=40973126&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2009135624(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Axel Wittek filed Critical Axel Wittek
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Publication of WO2009135624A3 publication Critical patent/WO2009135624A3/de
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Definitions

  • the invention relates to a stator and a rotor for a rotor-stator system and to a method for producing and / or treating dispersions.
  • the invention relates to the preparation and / or treatment of dispersions in general and of emulsions in particular.
  • dispersions are understood to mean a multiphase system which comprises at least components which are substantially insoluble in one another.
  • dispersions comprise emulsions in which a liquid in the form of drops is distributed in another liquid.
  • the phase which forms the drops is called a disperse phase or inner phase.
  • the phase in which the drops are distributed is referred to as continuous phase or outer phase.
  • Dispersions further include suspensions in which solid particles are dispersed in a liquid continuous phase.
  • fabric systems which have both solid and liquid phases in dispersed form also belong to dispersions. For example, a solid in a first
  • this suspension forms the disperse phase of an emulsion. Also in the continuous phase of emulsions, solids can be distributed.
  • suspoemulsions One speaks in this connection of suspoemulsions.
  • BESTATIGUNGSKOPIE If two liquids which are essentially insoluble in one another are mixed with one another so that each of the two phases is accessible, the corresponding substance system is referred to as a mixture.
  • a mixture can be diluted by adding both one and the other phase.
  • the disperse phase is not accessible from the outside;
  • An emulsion can only be diluted by adding the continuous phase.
  • a mixture may occur as an intermediate.
  • ком ⁇ онент refers in particular to a phase of a dispersion. But a component can also be part of a phase.
  • a phase can be formed from a plurality of, in particular, soluble components.
  • Phase for preparing a pre-mix, the fine dispersion and the stabilization of the resulting product process-defined and performed reliably. From the kitchen one knows the appropriate process by the production of a Mayonnaise. The oil phase is slowly stirred into the water phase. The result is first a coarse emulsion with low viscosity as a pre-mix. By further rapid stirring, the emulsion becomes finer and the viscosity increases.
  • containers with an agitator for example a doctor blade stirrer or a stirrer turbine, are frequently used for relatively coarse dispersions.
  • an agitator for example a doctor blade stirrer or a stirrer turbine
  • two-stage processes are used in which a pre-mix is first prepared in a stirred vessel and then passed through a rotor-stator dispersing machine. This can be for example a Koloidmühle.
  • Particularly fine dispersions can be achieved by the additional process step
  • Dispersing is used in a high-pressure homogenizer.
  • a dispersion with a very broad particle size distribution As an example, consider an emulsion having a droplet size distribution between 30 and 500 microns. With a conventional rotor-stator system (see Figure 11, see description below) are the drops of the pre-mix, which in the case of an emulsion is also referred to as crude emulsion crushed until an average droplet size is reached, the specific energy input of the rotor-stator system (Energy density) corresponds.
  • Emulsion which has a broad droplet size distribution, since the inner phase can not be sufficiently finely incorporated into the outer phase, since it lacks in exchange in the locally very limited area of the contact.
  • the emulsion is highly exposed to coalescence, since small volumes of small droplets are formed on a narrow volume, but they can not be removed and stabilized quickly enough to coalesce again. Even a related streaking can be observed. The coalescence and streaking increase as the addition volume of the inner phase increases. In this way, small amounts of the inner phase can be introduced into the outer phase. Significant problems, however, exist when larger amounts of internal phase have to be introduced.
  • the difficulties are mainly due to the fact that it is not possible to produce a homogeneous crude emulsion or a homogeneous pre-mix with a definable particle size distribution of the outer and inner phase before the phases reach the zones of high shear forces of the rotor-stator system.
  • WO 01/56687 (PCT / EP00 / 117700) describes a rotor-stator system whose rotor has a premixing chamber.
  • the premix chamber opens into several small chambers located on the rotor circumference. All chambers act together as a premixing chamber in the rotor, which is located in the dispersion chamber and rotates during operation of the rotor-stator system.
  • the amount of internal phase which can be introduced into the external phase is very limited.
  • the invention is therefore based on the object to provide a structurally simple way to be able to produce stable dispersions in a rotor-stator system even with a single pass. It is a further object of the invention to provide a way to react flexibly to changing requirements with regard to the composition of the dispersion to be produced with a rotor-stator system. In addition, it is an object of the invention to provide a rotor-stator system, which a variety possible generate energetic vortex in turbulent flow, to crush particles of the disperse phase of a dispersion efficiently.
  • the invention provides a stator for a rotor-stator system for producing and / or treating dispersions having a dispersing region which, with a rotor corresponding to the stator, defines a dispersing space of the rotor-stator system and having an inlet for feeding a first component a dispersion in the dispersion region, wherein inside the stator at least one premixing chamber is arranged outside the dispersing region which opens into the dispersing region, the stator having at least one inlet for feeding a further component of the dispersion from outside the stator into the premixing chamber and wherein the stator is formed such that, during operation of the stator, components of the dispersion enter the premixing chamber from the dispersing region and from the inlet, where they are mixed with one another and from the premixing chamber into the premixing chamber
  • the stator has at least two premixing chambers which each have an inlet for feeding a component of the dispersion from outside the stator into the relevant premixing chamber.
  • a component of the dispersion from outside the stator into the relevant premixing chamber.
  • another component can be supplied via each premixing chamber.
  • a large amount of a component may be supplied in divided form over several premix chambers. In any case, the Increased efficiency of the mixing process compared to a supply of the components directly into the dispersion.
  • the premixing chamber bulges into the stator from the transition to the dispersion region.
  • the domed shape allows easy and reliable cleaning of the premixing chamber.
  • the formation of dead spaces is avoided, which can have a negative effect on the mixing effect in the premixing chamber.
  • the premixing chamber at the transition to the dispersing region may have the form of a strip-shaped section of a circle segment, wherein the section has, in particular, a circumferentially continuous curve. Also by this design corners are avoided, which accommodates, among other things, the easy cleanability.
  • Premixing the flow control of the dispersion in the dispersion can be adapted to the respective process requirements.
  • the transition of the premixing chamber to the dispersing at a radial distance from the longitudinal axis of the stator, which corresponds to the axis of rotation of the rotor corresponding to the stator is mounted, that the premixing above a dispersing tool, in particular a ring gear of the Rotor is positioned when the stator is combined with the corresponding rotor to the rotor-stator system.
  • the Vormischschsch can thus be mounted over the sprocket of a rotor with a sprocket.
  • a premixing chamber may be mounted over the inner sprocket, over the outer sprocket, or over multiple sprockets, in a multi-sprocket rotor. Accordingly, the transition of the premixing chamber to the dispersing area is positioned at a radial distance from the longitudinal axis of the stator corresponding to the axis of rotation of the rotor corresponding to the stator, such that the premixing chamber is at least above the internal dispersing tool, in particular the internal gear of a multi-rotor
  • Dispersing tools is positioned when the stator is combined with the corresponding rotor to the rotor-stator system.
  • the invention further provides a stator which has premixing chambers which are positioned at different radial distances from the longitudinal axis of the stator.
  • a stator is provided for use with a rotor having at least one inner and one outer ring gear, wherein at least one premixing chamber is positioned over the inner ring gear of the rotor and at least one further premixing chamber is positioned over the outer ring gear of the rotor, when the stator is used together with the rotor.
  • premixing chambers are provided both above the inner and outer sprockets of the rotor, in a single pass through the rotor-stator system mediums of relatively high viscosity can be added internally and media of relatively low viscosity externally. This offers advantages, for example, when dispersing low-viscosity media such as perfume or preservatives on the one hand and during dispersion of higher viscosity fluids and / or larger resulting drop sizes, on the other hand.
  • the fluids added via the premixing chambers closer to the center axis are generally dispersed to smaller droplets with the same parameters, in particular with the same flow behavior of the fluids, than the fluids added via further premixing chambers, since the path through the dispersing chamber is for them continues. As a result, the internally introduced fluids are exposed longer to the dispersing effect of the rotor-stator system.
  • a transition piece is arranged between the premixing chamber and the dispersing region.
  • fluid is injected from the premixing chamber into the dispersing chamber and ejected from the dispersing chamber into the premixing chamber.
  • the transition piece is also referred to as an injector or ejector.
  • the transition piece may partially or completely fill the transition between the premixing chamber and the dispersing region.
  • the transition piece in one embodiment of the invention has the form of a strip-shaped section of a circular segment.
  • the transition piece can then have a curved peripheral line so that it is exactly adapted to the shape of the premixing chamber at its transition to the dispersion chamber.
  • the transition piece is designed in the manner of a perforated plate and having one or more circular and / or polygonal openings and / or a slot or a plurality of slots as holes, wherein preferably a plurality of slots each extend substantially transversely to the main extension direction of the transition piece.
  • the flow conditions in the vicinity of the transition piece can also be influenced by the direction of orientation of the holes in the transition piece.
  • the invention provides in a further embodiment that the holes each extend through the transition piece along a hole axis which forms an angle with the perpendicular to the transition piece, in particular an angle in the range between about 10 ° and about 80 °, preferably in the range between about 30 ° and about 60 ° and most preferably an angle of about 45 °.
  • the holes through the transition piece may have a tapered shape from one to the other side of the transition piece to enhance the injector effect.
  • the invention provides that the holes are delimited by a lateral surface with a first partial region and at least one further partial region, wherein at least one partial region extends along a sectional surface which is aligned with the vertical on the transition piece
  • stator in two parts.
  • the stator then comprises a stator head and a stator body, wherein the at least one premixing chamber is arranged in the stator head and the stator body comprises a dispersing tool of the stator, in particular at least one ring gear.
  • a stator for retrofitting existing rotor-stator systems can be created.
  • Such a stator comprises a plurality of stator heads, which differ in number and / or geometry of the premixing chambers and can be mounted on a stator fuselage to form a stator with exchangeable stator head.
  • premixing chamber is formed as a cavity in the stator head such that a transition piece can be mounted as a conclusion of the cavity on the stator head.
  • the invention thus also relates to a stator head for a stator described above, which is suitable for retrofitting conventional stators. Furthermore, the invention relates to a transition piece described above.
  • the invention further relates to the use of a stator or stator head as described above
  • Housing component of a pump in particular a single- or multi-stage centrifugal pump, or an agitator, in particular operated with a propeller stirrer or a Scheibenrrrocker, or a dispersing device.
  • the apparatus component which contains the premixing chamber includes is in the assembled state an integral part of the housing.
  • the invention also provides a rotor, in particular for use in combination with one described above
  • Stator for a rotor-stator system for producing and / or treating dispersions available with respect to the center axis of the rotor rotationally symmetrical carrier disk, from which at least one rotor tooth springs, wherein the rotor tooth facing the center axis an inner side, the outer edge the carrier disk facing the outside, seen in the operating state of the rotor in the direction of rotation front lying front, seen in the operating state of the rotor in the direction of rotation behind lying
  • Rear side, and a the rotor tooth on the side facing away from the carrier disc has the upper side, wherein the front side comprises at least one of the support plate facing lower portion which relative to the perpendicular to the support plate by an angle ⁇ 4th
  • (alpha-4) is inclined to the rear with respect to the direction of rotation of the rotor in the operating state.
  • the angle Ot 4 is according to the invention in the range between 0 ° and about 45 °, preferably between about 15 ° and about 45 °.
  • the front comprises at least one region which relative to a radially from the center axis outwardly extending reference line by the angle ⁇ 6 (alpha-6) to the rear relative to the direction of rotation of the rotor Operating state is inclined.
  • the angle ⁇ 6 is according to the invention in the range between 0 ° and about 60 °, preferably between about 10 ° and about 60 °.
  • the angle ⁇ 5 is according to the invention in the range between about 5 ° and about 45 °.
  • the parallel to the carrier disc corresponds to the perpendicular to the center axis, which coincides with the axis of rotation of the rotor.
  • the inclination about the angle ⁇ 5 enhances the effect of the inclination by the angle Ct 4 .
  • the efficiency of the droplet break-up depends on several factors, including the kinetic energy introduced into the fluid in the dispersion chamber, the turbulence generated, and the density of the turbulence.
  • the turbulence vortices are generated within the scope of the invention by a rotor-stator system.
  • the edge length of the rotor and / or stator teeth, which generate the vortex plays a significant role. The longer the effective edge length of a tooth, the more effective the system.
  • Turbulence is understood to mean a flow form which acts "chaotically” and is transient in time as well as spatially. Turbulence is characterized by statistical fluctuations in the flow velocity and direction of the fluid and can be described by Kolmogorov's theory.
  • Each individual rotor tooth is designed such that both a high radial component of the flow is formed by the angle ⁇ 6, that is to say through the dispersion space in the direction of the outlet channel, and also upwards directed vertical component (see Figures 18 and 12 by the shaping with the angles ⁇ 4 and ⁇ 5).
  • the radial component depends on the angle of rotation ⁇ 6 of the rotor teeth and the peripheral speed, the higher they are, the greater the flow rate for the same stator geometry. Due to the falling tooth geometry ( ⁇ 4) of the rotor and the vertical teeth of the stator, the strong microturbulence vortices occur at the dispersing edges (Figure 18, turbulence I), this at outer diameters of the rotor in the range from 50 to about 300 mm, especially at circumferential speeds higher than 22 m / s (Reynolds number Re at least 10,000).
  • the vertical component of the rotor creates a pressure towards the stator top housing. Due to the vertical component, the liquid is forced through between the stator top housing and the rotor tooth, This results in the jet stream (Figure 18), which increases in energy the higher the peripheral velocity or Reynolds number.
  • the front portion of the rotor teeth is clocked at the angle ⁇ 4. This angle, which may be preferably between about 15 ° and about 45 °, produces the vertical component as well as the microturbulences with the stator teeth.
  • the upper portion of the teeth is formed so that between the teeth with the angle ⁇ 5 and the Statorobergenosuse the liquid is accelerated and then comes suddenly into a negative pressure range that creates a high-energy turbulence, here called jet stream (see the related Figure 12 described cutout, see also Figure 18).
  • the angle ⁇ 5 may be preferably between about 5 ° and about 45 °.
  • the mode of action of the tooth geometry according to the invention corresponds to a model conception thus an injector or a nozzle.
  • the dispersing edge length is increased by up to 35% compared to conventional rotor-stator systems (see FIG. 11), in that the tooth width is used to form at least one additional, defined dispersing edge.
  • the invention makes use of the potential of micro-turbulence for droplet break-up.
  • the invention thus relates generally a rotor-stator system in which between the dispersing edges of a rotor tooth and a stator tooth corresponding to the rotor tooth, an angle, preferably in the range between about 10 ° and about 45 °, is formed when the rotor and the stator are engaged and the rotor and stator teeth are positioned adjacent each other.
  • the invention therefore also relates to a stator for a rotor-stator system, whose teeth are formed in the manner described above using the example of the rotor teeth.
  • the rotor can be further formed so that it has a second sprocket to the
  • the second ring gear has at least two, preferably four, more preferably eight, rotor teeth, which have a second radial distance d 2 from the center axis of the rotor and are preferably evenly spaced from each other, wherein d 2 is greater than di.
  • the invention further relates to a process for preparing and / or treating dispersions under Use of a rotor-stator system with a stator described above, comprising the following steps: a) providing a first phase of the dispersion in a first feed tank, which communicates with the dispersion space, and
  • Providing at least a second phase of the dispersion in at least one second receiver vessel associated with a premixing chamber b) feeding the first phase of the dispersion into the dispersion space, c) feeding the second phase of the dispersion into the premixing chamber, d) driving the rotor so that during operation of the rotor-stator system, the first phase passes through the dispersing space and optionally through the transition piece in the premixing chamber and thereby comes into contact with the second phase, wherein a mixture and / or a dispersion of first and second phase formed and the second phase and / or the first and second phase mixture and / or the first and second phase dispersion formed in the premixing chamber are conveyed through the premixing chamber and optionally through the transition piece into the dispersing space.
  • the throughput of the components and the rotational speed of the rotor can be adjusted and / or regulated and / or controlled, that the Residence time in a premixing chamber is in the range between about 0.005 seconds and about 0.02 seconds.
  • the formation of the pre-mix within this short period of time and its further transport into the dispersion space counteract the coalescence of the disperse phase fluid elements formed in the premixing chamber.
  • a stator is used with at least one further premixing chamber and in step a) at least one further phase of the dispersion is provided in at least one further feed tank, which communicates with the further premixing chamber.
  • the further phase of the dispersion is fed into the further premixing chamber of the rotor-stator system, so that during operation of the rotor-stator system, the first phase passes through the dispersion and optionally through the transition piece in the premixing chambers and in contacting the respective premixing chamber with the second or further phase, wherein a mixture and / or a dispersion of the phases is formed, and wherein the second or at least one further phase and / or the mixture and / or the dispersion formed in a premixing chamber from at least two phases is conveyed through the respective premixing chamber and optionally through the respective transition piece in the dispersion.
  • Components are each subjected separately to a premix before they are fed to the dispersion.
  • the equalization of the mixing process of all components of the dispersion by dividing the admixing of the Components via premix chambers improve the mixing process according to the invention over known processes.
  • steps b), c) and d) are carried out simultaneously. So the process can be operated continuously.
  • the process according to the invention offers the advantage of supplying the disperse phase as first in step b) Phase and feeding the continuous phase or a
  • Component of the continuous phase of the dispersion as fed in step c) second phase and undergoing a phase inversion in the preparation of the dispersion by the dispersion on the one hand due to the mixing action and the crushing effect of the rotor-stator system and on the other hand additionally by the rearrangement of the fluid elements in the Inversion of the phases can produce particularly homogeneous dispersions, even if the disperse phase fraction is high.
  • these dispersions Compared to dispersions prepared without phase inversion, these dispersions have a narrower particle size distribution. These advantages are particularly valuable in the preparation of dispersions with a high disperse phase content, since there due to the high density of particles, especially drops (in emulsions) of the disperse phase, the risk of coalescence is large. Coalescence destroys the mixture or comminution of the disperse phase.
  • the phase inversion can also be used in dispersions with a lower disperse phase fraction.
  • a rotor described above is used as the rotor of the rotor-stator system.
  • Fig. 1 the rotor-stator system according to a first
  • FIG. 2 shows a section of a photograph of a stator head according to the invention, the section showing a premixing chamber, FIG.
  • Figure 3 is a photograph of a transition piece according to a first embodiment of the invention, with the transition piece resting on a base illustrating the geometry of a rotor tooth.
  • Figure 4 is a photograph of a transition piece according to a second embodiment of the invention with the transition piece resting on a base , which illustrates the geometry of a rotor tooth,
  • Fig. 5 is a photograph of a stator head according to the invention with a premixing chamber at the
  • Fig. 6 shows various designs of transition pieces according to the invention, namely in Fig. 6a is a plan view of a transition piece with schematically indicated geometries for the arrangement of slots BIO) and AlO), in Fig. 6b sections of cross sections through
  • Transition pieces according to further embodiments of the invention, to which each an outbreak from a rotor tooth is shown as an aid to understanding, with different configurations of the holes in the transition piece All, BIl, CIl, Al2 and B12, and in
  • 6c is a plan view of the transition between Vormischschn according to different embodiments of the invention.
  • Dispersion space of the rotor-stator system for which above schematically teeth of the inner rotor rim are indicated. Illustrated are geometries A15, B15, C15 and D15 for size of the premix chamber and design of transition pieces (A15, B15) as they may be combined together or alternatively employed. For orientation, a schematic is shown in Fig. 6c bottom right
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the passage of fluid to be treated in the preparation of dispersions with premixing chamber and dispersion chamber in cross section
  • Fig. 8 is a photograph of the side view of a stator
  • Fig. 9 sprockets for a stator according to a
  • Embodiment in cross-section and supervision, 10 is a photograph of a stator with two premix chambers and two sprockets and a rotor with an inner and an outer sprocket, wherein the rotor and the stator form a rotor-stator system according to an embodiment of the invention
  • Fig. 11 is a photograph of a stator with two sprockets (right) and a rotor with a plurality of obliquely arranged teeth (left) of a conventional rotor-stator system
  • Fig. 12 shows a rotor according to an embodiment of the invention (see Fig. 10 below) in Cross-section and top view (left side in FIG. 12) with an enlarged detail of a rotor tooth in cross section (top right in FIG. 12),
  • FIG. 13 shows a rotor according to a further embodiment of the invention (see FIG. 10 below) in cross section and top view (left side in FIG. 13) with an enlarged detail of a rotor tooth in cross section (top right in FIG. 13
  • FIG. 14 shows a rotor according to a further embodiment of the invention (see FIG. 10 below) in cross-section and top view (left-hand side in FIG. 14) with an enlarged detail of FIG
  • FIG. 15 shows a rotor according to an embodiment of the invention (see FIG. 10 below) in cross-section and top view (left side in FIG. 15) with an enlarged detailed representation of a rotor tooth in cross section (upper right in FIG. 15),
  • FIG Rotor according to another embodiment of the invention in Cross-section and top view (left side in FIG. 16) with an enlarged detailed representation of a rotor tooth in cross section (top right in FIG. 16),
  • FIG. 17 Sectional views of further embodiments for rotor teeth according to the invention
  • FIG. 18 a schematic representation to illustrate a model concept the passage of an emulsion through the dispersion space of a rotor-stator system according to the invention
  • Fig. 19 is a schematic representation of a
  • FIG. 20 is a schematic representation of a
  • FIG. 21 is a schematic representation of a
  • FIG. 22 shows a schematic representation of a premixing chamber according to a further embodiment of the invention, which can be welded into a pump housing,
  • Fig. 23 is a schematic representation of a front view of a pump with pump housing in which a premixing chamber is arranged (see Fig. 22).
  • FIG. 1 shows an overall view of a dispersing machine with a rotor-stator system according to the invention.
  • a first phase of a dispersion to be prepared can be submitted. Through the inlet 8, this phase can get into the dispersion of the rotor-stator system, which of the rotor 4 and the stator 1 is formed.
  • a further phase of the dispersion in premixing caramers 2, which are located in the head 11 of the stator can be supplied.
  • FIG. 1 shows a rotor-stator system with two premix chambers. Through the inlets 25 can either in each of the two
  • Premixing chambers 2 half of the total to be supplied second phase are introduced, or it can be introduced simultaneously into the dispersion to be prepared via a respective inlet 25 and a premixing chamber 2, but separately.
  • the rotor 4 can be driven by a motor 116 via the drive shaft 115.
  • the teeth of the rotor 4 then rotate adjacent to the teeth of the stator and under the transition between the premixing chambers 2 and the dispersing space of the rotor-stator system.
  • the dispersion is exposed to shear stresses in the dispersing chamber as well as in the premixing chambers and at the transition between the premixing chambers and the dispersing chamber. Furthermore, at least partially turbulent flow conditions are generated.
  • the disperse phase of the dispersion is comminuted.
  • the dispersing space is surrounded on the outside by an annular channel 112, which is delimited by the housing 113 of the dispersing machine. From the annular channel 112, the dispersion can be withdrawn through an outlet 9 from the dispersion.
  • Gaskets 117 and 118 designed as a mechanical seal, that is as a rotating mechanical seal, or as a static seal, that is, for example, as an O-ring can separate the dispersion from the other driven or moving components of the dispersing machine.
  • FIG. 2 shows a view from below of the dispersing chamber into a premixing chamber 2.
  • the premixing chamber 2 is formed as a cavity in the interior of the stator head 11.
  • the premixing chamber 2 has a curved circumferential line 28.
  • the premixing chamber 2 is formed curved into the interior of the stator head 11. That is, the shape of the premixing chamber 2 is designed such that substantially no corners and edges are present. This allows a particularly simple and reliable cleaning of the premixing chamber.
  • FIG. 2 shows the inlet 25 through which a second phase can be fed into the premixing chamber.
  • the first phase may enter through the premixing chamber through the transition of the premixing chamber to the dispersing space (not shown) delimited by the circumferential line 28.
  • no transition piece is mounted in the illustration shown in FIG.
  • FIGS. 3 and 4 show embodiments of transition pieces which can be installed between the premixing chamber and the dispersion space.
  • such transition pieces are welded as a closure of the premixing chamber towards the dispersion in the stator head.
  • the geometry of such transition pieces can be specifically selected in terms of width, shape and position relative to the rotor teeth in order to enable an optimum dispersion process.
  • FIG. 3 shows a transition piece with slot-shaped holes.
  • ⁇ 6 is the angle by which the front surface of a rotor tooth lying in the direction of rotation is inclined backwards relative to the radial (see FIG. 12).
  • An arrangement of the slots as shown in FIG.
  • substantially parallel to the front side of a rotor tooth ensures a good penetration depth of the fluid injected through the transition piece into the premixing chamber from the dispersion space. Compared to other arrangements (see FIG. 4), flow conditions with relatively little turbulence are achieved in the premixing chamber.
  • the transition piece shown in Figure 4 has slot-shaped openings 31, which are opposite to the main extension direction 32 of the transition piece 3 compared with the embodiment in Figure 3 inclined in the other direction.
  • the slots 31 also extend inclined to the front side 53 of the rotor tooth 5, which is inclined by the angle ⁇ 6 relative to the radial. This arrangement brings a good penetration depth of the dispersion chamber from the mixing chamber 3 into the premixing chamber 2 and from the premixing chamber into the dispersing chamber ejected fluid.
  • the number, dimensions and shape of the openings 31 can be selected flexibly, depending on the dispersing task. With differently shaped transition pieces then a stator head according to the invention can be easily adapted to different dispersing tasks.
  • Main extension direction 32 of the transition piece 3 can be selected.
  • FIG. 5 shows a stator head 11, viewed from the side of the dispersion space of the rotor-stator system.
  • the stator head 11 has a premixing chamber 2.
  • the premixing chamber 2 is bounded by a transition piece 3 at its transition to the dispersion space.
  • the transition piece completely fills the opening of the premixing chamber 2 towards the dispersion space.
  • the outer contour of the transition piece 3 substantially coincides with the curved peripheral line 28 of the transition of the premixing chamber 2 to the dispersion chamber.
  • the embodiment shown in Figure 5 is not identical to the variant of the invention shown in Figure 1, because there is shown an embodiment with two Vormischschsch.
  • the premix chambers can be defined in number, geometry of the injectors / ejectors, their size and their location according to the process requirements. For example, for a dispersing machine having a nominal power of 30 kW, four premix chambers may be placed above the inner rotor rim at a volume for a premixing chamber of about 24 cm 3 .
  • the invention thus makes it possible to make an adaptation according to the particular dispersing applied to the product by the outside of the dispersing space and without moving parts, that is, static acting premixing chambers.
  • several components can be processed simultaneously but spatially separated. For example, depending on the recipe, several premix chambers can be installed above each rotor ring via a replaceable stator head.
  • the extent of the shearing and / or stretching forces which are to act on the respective raw material can be varied. If very large quantities of raw materials are to be introduced, the same raw material can be added in smaller single-volume streams via several premixing chambers.
  • the raw materials or components of the dispersion are introduced through the premixing chambers via pumps.
  • corresponding lines are created.
  • the components of the dispersion can be introduced into the premixing chambers from corresponding feed containers 102 (cf. FIG. 1), for example via metering pumps, gear pumps or similar conveying devices.
  • the proportion of the phase or phases which are fed to the dispersion chamber via the premixing chambers depends on the setting of the pumps used and can usually be preselected via a frequency converter, for example in combination with a flow meter.
  • the size of the premixing chambers themselves and thus the contact volume between the phases, which in the Premixing can be brought into contact with each other, can be varied to adapt the geometry of the stator head to different dispersing tasks.
  • the number, location and size of the premixing chambers and the injectors / ejectors and their arrangement can be adapted quickly to the respective process requirements.
  • the number of premixing chambers is chosen depending on the number of raw materials or components which are to be introduced simultaneously or with a time offset.
  • the size of the premixing chambers and / or the geometry of the holes in the transition piece can be chosen in accordance with the particle size distribution, which by the treatment in the premixing chamber and the
  • the tuning of these parameters to the particular dispersing task is important for the preparation of stable dispersions.
  • This vote for example, can be prevented in the production of emulsions that high concentrations of freshly formed droplets of disperse phase occur in those areas in which the flow conditions do not remove the drops sufficiently quickly from each other, so that the drops coalesce after their formation again.
  • the domed design of the premixing chamber makes it possible, on the one hand, to mix the phases very well and, on the other hand, to facilitate easy cleaning
  • the design of the transition pieces can additionally influence the flow conditions which occur during operation of the rotor-stator system. In Figure 6 different embodiments are shown for the transition pieces.
  • FIG. 6 a shows a plan view of a transition piece, in which, for example, two different ones are shown
  • Geometries for the formation of the inlet / outlet ports 31 is shown.
  • the geometry AlO corresponds to the embodiment of the transition piece shown in FIG.
  • the geometry BIO corresponds to the geometry of the transition piece shown in FIG.
  • the design of the holes in their passage through the thickness of the transition piece plays a role perpendicular to the plane of the transition piece shown in Figure 6a. For the influence on the flow conditions in the vicinity of the transition piece.
  • the holes 31 in the transition piece 3 are bounded by a lateral surface 35.
  • the holes are oblique through the transition piece drilled.
  • the hole axis 33 is inclined relative to the perpendicular to the transition piece. The inclination is in the range up to about 45 °.
  • the lateral surface of the holes has different regions 36, 37.
  • a first subregion of the lateral surface 36 extends inclined relative to the perpendicular to the transition piece 3.
  • a second region 37 of the lateral surface extends parallel to the perpendicular to the transition piece 3.
  • Transition piece inclined hole axis have the geometries BIl and CIl a lower penetration depth. However, this ensures an increased turbulence of the fluid in the vicinity of the transition piece.
  • geometry A12 With geometry A12, a large volume of fluid can be pumped into the premixing chamber. Due to the narrowing of the holes in the direction of the premixing chamber, an injector effect is simultaneously achieved, which leads to high turbulences in the premixing chamber.
  • the geometry B12 leads to a lower penetration depth. In general, when the inflow through the inlet 25 into the premixing chambers 2 is large, a large penetration depth into the premixing chamber should be achieved with the liquid supplied via the inlet 8 into the dispersing chamber and from there into the premixing chamber 2.
  • FIG. 7 shows a section through a transition piece in a schematic representation of the fluid movement during operation of the rotor-stator system. It can be seen the webs 39 of the transition piece, which is arranged at the transition between the premixing chamber 2 and the dispersing chamber, which consists between the stator 1 and the rotor 4.
  • the rotor 4 carries rotor teeth 5. Rotate the Rotozähne 5 under the transition piece 3 away, arise areas with an overpressure in front of the rotor tooth, so that liquid is conveyed from the dispersing through the channels 31 in the premixing chamber 2.
  • Jet stream refers to the meteorological term “jet-oriented flow” in which the flow velocity is significantly higher than in the vicinity of the jet stream.
  • FIG. 7 illustrates a simplified model conception which does not claim to completely reproduce the actual prevailing flow conditions.
  • FIG. 8 shows a stator according to the invention in an external view.
  • the stator head 11 has an inlet bore 25, which allows the inlet to a premixing chamber 2 inside the stator.
  • the stator head 11 is provided with a ring gear 123.
  • Stator has a quick release 109, with which it can be mounted on the container 101 (see Figure 1).
  • an inlet pipe with valve as shown in Figure 1, are mounted.
  • the stator has stator teeth, which run parallel to its longitudinal axis (vertical in the picture).
  • FIG. 9 shows a stator body 12 of a stator with two sprockets. Parallel to the longitudinal axis 14 of the stator fuselage run an inner ring gear 124 and outer sprocket 123. The teeth of the inner sprocket are about half as long as the teeth of the outer sprocket.
  • the Statorrumpf has through holes through which it can be fixed by means of screws on the stator head.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the rotor status system according to the invention.
  • the stator 1 is shown.
  • the stator 1 has an inner and an outer toothed rim 123, 124.
  • two premixing chambers 2 are arranged, at the transition 27 to the dispersion region transition pieces 3 are arranged with slots.
  • the stator 1 together with a rotor, forms a rotor-stator system according to the invention. As seen in the radial direction from the axis of rotation of the rotor, there is a gap between the rotor and the stator. The width of this gap is about 0, 1 mm to about 1.5 mm. The gap width is adapted to the dispersion task. W
  • the gap width may be, for example, 0 , 35 mm, when added via pre-mixing chambers equidistant from the center axis, should be increased to 0, 8 mm in order to obtain larger droplets.
  • a rotor of the rotor-stator system according to the invention can be designed, for example, as shown in FIG. 10 below.
  • This rotor 4 has, according to one embodiment of the invention, a carrier plate 42 which carries an inner sprocket 424 and an outer sprocket 423.
  • the teeth 5 have a concave form in plan view. It should be emphasized that the operation of the premixing chambers according to the invention is not limited to such a specific tooth geometry. Rather, the invention of a stator with internal premixing chambers can work with all tooth geometries or rotors which can build up a pressure in the direction of the premixing chamber from the dispersing chamber.
  • FIG. 11 shows a rotor and a stator of a conventional rotor-stator system. Based on the invention, one can clearly see the differences in the design of the stator (on the right in FIG. 11), which has no premixing chambers, as well as this rotor (left in FIG. 11).
  • FIGS. 12 to 16 show the geometry of the rotor and in particular of the rotor teeth 5 for various embodiments of the invention.
  • the rotor 4 has a carrier disk 42 with a through hole coaxial with the axis of rotation 14 of the rotor. This
  • the carrier disk 42 of the rotor 4 carries rotor teeth 5.
  • the external dimensions of the rotor and the height of the rotor teeth are selected according to the invention in accordance with the rated power of the motor and thus of the rotor-stator system. The following table gives an exemplary overview of suitable combinations of the mentioned parameters.
  • Rotor-stator systems can be designed in one or more stages, as an example, a two-stage dispersing machine is shown here. It is a rotor-stator system with two sprockets of the rotor, an inner and an outer sprocket.
  • the inner sprocket 424 has 4 rotor teeth.
  • the outer sprocket 423 has eight rotor teeth. This ratio of 1 to 2 is chosen to ensure continuous internal pressure build-up in the machine. Another ratio, for example 1 to 3, brings such success.
  • the rotor teeth of the inner ring gear 424 have a width, measured in the radial direction from the axis of rotation 14, which is approximately twice as large as the width of the rotor teeth of the outer ring gear 423 (see Figure 12 top left).
  • a rotor tooth 5 has an inner side 51 facing the center axis 14 of the rotor 4 and an outer side 52 facing the outer edge of the carrier disk 42. In the direction of rotation of the rotor 4 in front is the front 53 of the rotor. In the direction of rotation of the rotor in the back is the back 54 of the rotor tooth.
  • the rotor teeth of the inner ring gear have seen a distance di from the center axis 14 of the rotor, which is smaller than the distance d 2 of the rotor teeth of the outer ring gear 423th
  • the front side 53 of a rotor tooth 5 is inclined relative to a radially extending from the axis of rotation 14 of the rotor 4 from the reference line 57 by an angle ⁇ 6 relative to the direction of rotation of the rotor to the rear.
  • the rear side 54 of the rotor tooth is oriented essentially perpendicular to the carrier disk 42.
  • the back of the rotor tooth can also have any other orientations. In operation of the rotor-stator system causes the inclination of the front of the rotor tooth by the angle ⁇ 6, a radial acceleration of the product in the treatment in the dispersion.
  • the front side 53 has a region 56, which is inclined relative to the perpendicular to the support plate 42 of the rotor 4 by an angle ⁇ 4 to the rear.
  • Angle ⁇ 4 is impressed in the operating state of the rotor-stator system on the fluid in the dispersion a pressure component which promotes the fluid in the direction of the stator head and in particular in the premixing chambers.
  • the degree of turbulence of the flow is increased by the inclination of the region 56 of the front side of the rotor tooth through the angle ⁇ 4 when passing through the stator teeth, which are essentially parallelepipedal and parallel to the axis of rotation 14.
  • the rotor tooth 5 has the one shown in FIGS. 12, 13, 14 and 16 Embodiments on its front side 53 on an upper portion 58, which is inclined with respect to a parallel to the main extension direction of the support plate 42 extending reference line 45 down in the direction of rotation of the rotor 4 by an angle ⁇ 5 .
  • the jet stream is particularly pronounced where the rotor teeth pass through regions of the stator head which do not pass into a premixing chamber. Due to the multi-part design of the front 53 with the tilted by the angle Ot 4 or ⁇ 5
  • Areas 56 and 58 provide an additional dispersing edge on the rotor tooth. Due to the additional dispersing edge, the dispersion efficiency compared to a rotor tooth with only one edge on the Transition of the front in the top of the rotor tooth increases.
  • the top 55 is abraded from its forward rotation in the direction of rotation of the rotor at the upper end of the region 58 to its rear end at the transition to the back 54 of the rotor tooth.
  • a correspondingly curved contour of the upper side 55 of the rotor tooth 5 is shown, as can be produced, for example, by milling.
  • the depth of the cutout considered in relation to the line 45 is a measure of how far fluid from the premixing chamber can be drawn into the dispersion space when the rotor tooth 5 in the operation of the rotor-stator system
  • the invention offers different possibilities for influencing the flow conditions in the dispersion space during operation of the rotor-stator system by the shaping, and in particular the preconditions for an increased degree of turbulence compared to conventional designs (see FIG. 11) create.
  • All of the examples shown in FIGS. 12 to 17 fulfill these requirements and, due to the bevels in the longitudinal section, can be seen on Rotor tooth at least one additional dispersing edge in comparison to substantially cuboid rotor teeth by the rotor teeth according to the invention exhibit a serrated surface.
  • the rotor teeth are designed by the construction described above so that both a radial conveying direction is formed by the dispersing, which is in particular realized by the angle ⁇ 6 , as well as an axial pressure component on the stator out, so here from the dispersing into the premixing chamber, which is realized in particular by the angle ⁇ 4 . If a rotor tooth passes the transition between the premixing chamber and the dispersion chamber, it will be extremely fast, for example in the range of milliseconds, at each
  • Rotor tooth a positive and negative pressure, which is passed to the fluid in the premixing chamber, whereby in the premixing strong turbulence of the two phases into each other.
  • a negative pressure is generated so that fluid is simultaneously drawn from the premixing chamber into the dispersing space.
  • Shredding action of the rotor-stator system can be adjusted by the choice of geometry, in particular by the choice of the angle Ot 4 of the rotor tooth, in coordination with the peripheral speed of the rotor tooth and the throughput through the dispersing machine.
  • the angle ⁇ 4 and peripheral speed of the rotor teeth mainly determine the volume of fluid, which is conveyed from the dispersion into the premixing chambers. The larger ⁇ 4 at the same Circumferential speed is, the larger this volume.
  • the volume of the second component or further components metered in via the premixing chambers depends mainly on the selected settings of the pumps in the inlet 25. For example, a combination of these pumps with a frequency converter, the desired pump setting can be specified. By positioning a flow meter in the inlet 25, the volume flow supplied to the dispersion space can be displayed via the inlet 25.
  • FIG. 17 shows further variants of the geometry of the rotor tooth 5. The illustrated in Figure 17a
  • Rotor tooth 5 has a front side with a, relative to the Hauptausdehnungsraum the support plate 42, vertically extending lower portion and a rear, with respect to the direction of rotation of the rotor with the rotor tooth 5, inclined upper portion.
  • the upper side of the rotor tooth runs parallel to the main expansion direction of the carrier disk.
  • the top surface 55 of the rotor tooth 5 has been chamfered as compared to the design shown in Figure 17a.
  • the embodiment of the rotor tooth illustrated in FIG. 17c has an inclined one
  • Front 53 a parallel to the main extension direction of the carrier disc extending top 55 and a back 54, which is inclined to the front 53.
  • the collection effect which is described above for a lowered upper side 55 of the rotor tooth, can be enhanced.
  • FIG. 18 shows a model concept for the effect of different configurations of rotor teeth on the flow conditions in their neighborhood during operation of the rotor Rotor-stator system shown.
  • an area was selected which has no premixing chambers in order to draw attention to the flow conditions in the vicinity of the rotor tooth.
  • Figure 14a shows a rotor tooth with a flat cutout on the top side.
  • Such a design is typically used for small to moderate amounts of addition to the components of the dispersion to be made via the inlet 25 via the premixing chamber. Low to moderate addition levels correspond to a proportion of the respective component in the finished dispersion of about 5 vol .-% to about 30 vol. -Sr.
  • the rotor tooth 5 shown in FIG. 18a also shows a smooth transition from the carrier disk 42 of the rotor to the rotor tooth in the lower region of its front side 53.
  • FIG. 18b shows a rotor tooth according to a further embodiment of the invention with a very deep indentation of the top side 55 of the rotor tooth compared to the rotor tooth shown in FIG. 18a.
  • Such a design may be used for medium to large addition levels of the components of the dispersion fed via the inlet 25 through the premixing chambers into the dispersion space. Medium to large additions of the corresponding component mean a proportion of these
  • Component in the range between more than about 30 vol .-% and about 80 vol .-% of the dispersion to be prepared.
  • stator teeth With the vertical dashed lines extending from the stator 1 to the rotor in FIG. 18, the stator teeth are indicated. Where a rotor tooth passes such a straight stator tooth, microturbulences, which are designated with turbulence I in FIG. 18, arise according to the model concept. Compared to the jet stream flows designated turbulence II, the areas in which microturbulences are generated have many high-energy small vortices in the fluid of the dispersion space.
  • FIG. 19 illustrates a model of the preparation of an emulsion in a rotor-stator system according to the invention.
  • On the left is the area marked 2, which shows an emulsion when passing through the dispersing chamber 7. Subsequent to the treatment in the dispersion space, further stabilization of the droplets of the emulsion can take place when the outlet 9 flows through.
  • the two phases are mixed and droplets of the disperse phase are formed in the continuous phase.
  • the disperse phase is a lipophilic phase and the continuous phase is an aqueous phase.
  • Emulsifier molecules are dissolved in the continuous phase. These are presented in the continuous phase in an amount such that at least at the beginning of the process partially form micelles of emulsifier molecules.
  • the emulsifier molecules begin to accumulate at this interface.
  • Emulsifier molecules increasingly accumulate at the interface between the disperse and continuous phases.
  • the comminution of the droplets and the stabilization of the interface by emulsifier molecules continue as they pass through the dispersion chamber 7. Also during the passage of the dispersion leaving the dispersing chamber 7 through the outlet 9, the process of stabilizing the droplets formed by emulsifier molecules can be continued.
  • the model for the deformation of fluid elements by the baker's transformation is shown schematically in FIG.
  • the baker's transformation was named after the dough kneading process. A dough is pulled twice the length and then folded so that the two ends are on top of each other. This procedure is repeated until good mixing has occurred. Two particles, which were originally close together, are far apart after a short time.
  • FIG. 20A The representation for the model concept for the deformation of fluid elements starts from a considered fluid element in surrounding medium (FIG. 20A). This fluid element is stretched by stretching (Figure 20B), wherein its height and width decreases accordingly. Then the fluid element is folded ( Figure 20C). After folding, the stretching and folding continue ( Figures 2OD through 20F) mixing the fluid of the element under consideration and the surrounding medium. Due to this baker's transformation, stretching and folding through the alternating sequence lead to an exponential progress of the mixing.
  • Component of the flow direction at the rotor teeth is pressed into the premixing chamber in the manner of an injector.
  • the resulting jet cuts the disperse phase to streaks, which are folded by the sudden reversal of direction (negative pressure).
  • the principle can be understood as the kneading of a pizza dough, wherein the outer phase is embedded in the streak.
  • the key to pulling and folding the fluidic elements lies in the sudden alternation of positive and negative pressure at each opening of the premixing chamber made possible by the invention.
  • premixing chamber One purpose of the premixing chamber is to minimize irregular droplet formation prior to high energy dispersion in the dispersion space.
  • Raw emulsion or raw dispersion prevents over-concentration of droplets (clustering) and guarantees a fine, homogeneous emulsion or dispersion after the high energy zone, especially in one pass (inline). In contrast, harbors a
  • premixing chamber Another purpose of the premixing chamber is to achieve the dispersing operation in one pass without the emulsifier settling completely around the droplets before or during dispersing.
  • a discontinuous breakup of the droplets is achieved while the emulsifier film is not yet complete. This results in higher droplet breakup efficiency and smaller droplets, and is especially important in pulp systems with high viscosity differences between the disperse and continuous phases.
  • FIG. 22 is a schematic sketch a premixing chamber, which can be welded into a pump housing.
  • the premixing chamber is for example made of a solid stainless steel piece and corresponds in its geometry to the description given for example with reference to FIG.
  • the premix chamber is mounted on the pressure generating side of the apparatus. Due to the overpressure of the moving part, so for example, the rotor or the stirrer or the moving pump component, the subsidized
  • a post-mixing can be carried out.
  • static mixers or Rrockwerktanks and similar arrangements can be used.
  • the supply of components into the premixing chambers is effected by feed pipes corresponding to the inlets 25 in FIG. 1.
  • Pumps such as positive displacement pumps, feed the raw materials into the premixing chambers.
  • FIG. 23 shows a front view of a pump equipped with a premixing chamber in the pump housing.
  • the pump has an inlet 8 for a fluid and a further inlet 81 for a further fluid, by which this is supplied into the premixing chamber 2. Through an outlet 9, the mixture of fluids is withdrawn from the pump.
  • the premixing chamber is in the illustration in Figure 23 left of the pump outlet 9. Die Direction of rotation of the moving pump component is counterclockwise in the plane of the drawing.
  • the pump wheels may be designed as standard pump wheels such as those of centrifugal pumps and take over the function of the rotor in the above description of the rotor-stator systems.
  • a dispersing machine with a rotor and a stator according to the invention has a rated power of 30 kW.
  • the rotor has an outer diameter of about 175 mm.
  • the stator has four premix chambers, which are arranged above the inner of the two rotor crowns of the rotor.
  • the premix chambers each have a length of about 10 cm, measured along the main extension direction of the premix chambers. Perpendicular to the main extension direction, they are about 1.2 cm wide. They have an average depth of about 2 cm, measured from the transition region of the premixing chamber into the dispersing chamber, into the interior of the stator.
  • Each chamber has a volume of about 24 cm 3 .
  • this volume is washed out by any rotor tooth passing through the premix chamber during operation of the rotor-stator system. This means a throughput of 288,000 cm 3 / min or 0.288 m 3 / min or 17.3 m 3 / h for each pre-mixing chamber at 3000 revolutions / minute and four teeth on the inner rotor ring.
  • the invention offers further advantages.
  • An example of such substances are detergent-active substances (WAS) such as AE3S 70%, LES 70% and similar substances.
  • WAS detergent-active substances
  • AE3S 70%, LES 70% and similar substances These raw materials must be diluted in one pass through the machine used for dilution to a volume fraction of less than 30% in water, otherwise a hexagonal phase can occur, which may have a viscosity which is higher by a factor of 10 than the viscosity of the original raw material.
  • Highly concentrated washing-active substances with a content of 70% by volume of the substance dissolved in water such as AE3S, LES or similar, are delivered in a standard container of about 23,000 kg.
  • the unloading time is about 60 to 90 minutes and is limited by the pipe connections of the containers and the high viscosity of the product.
  • the WAS is stored in storage tanks and then continuously diluted to a concentration of 25% by volume of wash-active substance in water. For production, the detergent substance diluted in this way is stored in other storage tanks.
  • a plant with premixing chambers according to the invention is able to dilute the amount of washing-active substance to be supplied for dilution directly from the container in which the substance is delivered, in a continuous process. If required, a batch process can also be used, for which purpose a correspondingly smaller machine with premixing chambers is used. For example, with a
  • Dispersing machine 455 kg / min of water are fed under control of a flow meter to the stator, so that this volume of water passes into the dispersion chamber. Through the feeds to Vormischhuntn 255 kg / min detergent substance are pumped. In one pass, the detergent-active substance is then diluted according to the invention to a volume fraction of 25%.
  • the commercially available dispersing machine of the applicant LEXA-MIX LM30, with a nominal power of 30 kW can be used. The processing of such high amounts of raw material, both in continuous and in batch process is not possible with conventional dispersing machines, which allow a throughput of 25-80 kg / min of substance to be dispersed.
  • the invention offers the advantage of being able to significantly reduce the investment costs.
  • HIP high internal phase emulsion
  • mayonnaise emulsions with a high internal phase content
  • the oil phase forms the disperse phase of an oil-in-water emulsion.
  • Water phase and oil phase are the machine in the correct proportion controlled via flow meter via the feeds to the premixing chamber (oil phase) and fed through the stator in the dispersion (water phase). If a large amount of oil is to be incorporated into a relatively small amount of water, a large interface between the two phases must be created.
  • a second dispersing machine which is connected in series with a first, can be used to continuously introduce further additives, such as lemon juice, into the emulsion prepared in the first dispersing machine.
  • the dispersing machine can be designed such that it circulates a larger volume, for example three to five times the actual production volume, in a bypass in order to achieve optimum homogeneity of the product.
  • All piping of the dispersing machine can be made coolable. However, cooling is usually not necessary, since the heat generation by the large throughputs and low residence times according to the invention for most products is limited.
  • the droplets of the water phase should have a mean diameter of about 100 microns (microns), so that when applying the make-up the moisture Water phase is perceived as a feeling of freshness.
  • the silicone base of the make-up means that with increasing shear, the make-up always receives a higher viscosity (shear-thickening). As a result, smaller and smaller droplets of water would be created as you spread your make-up. This is not wanted.
  • the silicone base material can be conveyed into the premixing chamber via a transition piece of the shape BIO (see FIG. 6a).
  • the water phase supplied via the premixing chamber is distributed in droplet form in the silicone base mass and then gently dispersed. Uniform distribution and size of the water droplets in the matrix can be achieved by a suitable choice of the dispersing machine supplied volume flows of the speed of the rotor and shape of the transition piece already with one pass.

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Abstract

Um auf konstruktiv einfache Weise ein Rotor-Stator-System zu schaffen, mit dem in einem Durchlauf stabile Dispersionen hergestellt werden können und das flexibel auf wechselnde Anforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung der Dispersion angepaßt werden kann, schafft die Erfindung einen Stator (1) für ein Rotor-Stator-System (6) mit einem Dispergierbereich (17), welcher mit einem zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotor (4) einen Dispergierraum (7) des Rotor-Stator-Systems (6) definiert und mit einem Einlaß (15) zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich (17), wobei im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer (2) außerhalb des Dispergierbereiches (17) angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich (17) hinein öffnet, und wobei der Stator (1) mindestens einen Zulauf (25) zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die Vormischkammer (2) aufweist und wobei der Stator (1) derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich (17) aus und von dem Zulauf (25) aus in die Vormischkammer (2) eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der Vormischkammer (2) in den Dispergierbereich (17) austreten.

Description

Rotor-Stator-System zum Herstellen von Dispersionen
Die Erfindung betrifft einen Stator und einen Rotor für ein Rotor-Stator-System sowie ein Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen. Die Erfindung betrifft die Herstellung und/oder Behandlung von Dispersionen im allgemeinen und von Emulsionen im besonderen.
Unter dem Begriff "Dispersion" wird ein Mehrphasensystem verstanden, welches mindestens ineinander im wesentlichen nicht lösliche Komponenten umfaßt. Dispersionen umfassen insbesondere Emulsionen, bei welchen eine Flüssigkeit in Form von Tropfen in einer anderen Flüssigkeit verteilt vorliegt. Die Phase, welche die Tropfen bildet, wird als disperse Phase oder innere Phase bezeichnet. Die Phase, in welcher die Tropfen verteilt sind, wird als kontinuierliche Phase oder äußere Phase bezeichnet.
Dispersionen umfassen des Weiteren Suspensionen, bei welchen Feststoffpartikel in einer flüssigen kontinuierlichen Phase dispergiert sind. Außerdem gehören StoffSysteme, welche sowohl feste als auch flüssige Phasen in dispergierter Form aufweisen, ebenfalls zu Dispersionen. Beispielsweise könnte ein Feststoff in einer ersten
Flüssigkeit verteilt vorliegen, wobei diese Suspension die disperse Phase einer Emulsion bildet. Auch in der kontinuierlichen Phase von Emulsionen können Feststoffe verteilt sein. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Suspoemulsionen.
BESTATIGUNGSKOPIE Sind zwei ineinander im Wesentlichen unlösliche Flüssigkeiten miteinander vermischt, so daß jede der beiden Phasen zugänglich ist, wird das entsprechende Stoffsystem als Gemisch bezeichnet . Ein Gemisch kann durch Zugabe sowohl der einen, als auch der anderen Phase verdünnt werden. Im Gegensatz dazu ist bei einer Emulsion die disperse Phase von außen nicht zugänglich; eine Emulsion kann nur durch Zugabe der kontinuierlichen Phase verdünnt werden. Bei der Herstellung einer Emulsion kann ein Gemisch als Zwischenstufe auftreten.
Mit dem Begriff "Komponente" wird im Folgenden insbesondere eine Phase einer Dispersion bezeichnet. Eine Komponente kann aber auch ein Bestandteil einer Phase sein. Beispielsweise kann eine Phase aus mehreren, insbesondere ineinander löslichen, Komponenten gebildet werden.
Beim Herstellen von Dispersionen insbesondere beim Herstellen von Emulsionen ist es für den Erhalt eines Endprodukts mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Größenverteilung der dispersen Phase, des Fließverhaltens und der Stabilität des Produkts gegenüber thermische und mechanische Belastung sowie zeitlichen Veränderungen gegenüber wichtig, dass die notwendigen Schritte des Einbringens der inneren Phase in die äußere
Phase zum Herstellen eines Pre-Mixes, das Feindispergieren und das Stabilisieren des erhaltenen Produktes prozesstechnisch definiert und zuverlässig durchgeführt werden. Aus der Küche kennt man den entsprechenden Vorgang durch die Herstellung einer Mayonnaise. Die Ölphase wird langsam in die Wasserphase eingerührt . Es entsteht dabei zuerst eine grobe Emulsion mit geringer Viskosität als Pre- Mix. Durch weiteres, schnelles Rühren wird die Emulsion feiner und die Viskosität steigt an. Industriell werden Dispersionen insbesondere Emulsionen durch verschiedene Prozesse hergestellt. Welcher Prozess ausgewählt wird hängt von der Art der Dispersion ab sowie von der Feinheit der dispersen Phase, mit welcher eine über den geforderten Zeitraum hinweg stabile Dispersion erhalten werden kann. Unter einer stabilen Dispersion wird ein Stoffsystem verstanden, dessen Artikelgrößenverteilung der dispersen Phase und/oder dessen Fließverhalten insbesondere dessen Viskosität sich über einen vorgegebenen Zeitraum im Wesentlichen nicht ändert.
Zum industriellen Herstellen von Dispersionen werden für relativ grobe Dispersionen häufig Behälter mit einem Rührwerk beispielsweise einem Schaberrührwerk oder einer Rührwerksturbine eingesetzt. Für feinere Dispersionen werden zweistufige Prozesse verwendet, in welchem zunächst in einem Behälter mit Rührwerk ein Pre-Mix hergestellt wird und anschließend ein Durchlauf durch eine Rotor-Stator- Dispergiermaschine erfolgt. Diese kann beispielsweise eine Koloidmühle sein. Besonders feine Dispersionen lassen sich erzielen, indem als zusätzlicher Prozessschritt das
Dispergieren in einem Hochdruck-Homogenisator eingesetzt wird.
Zum Herstellen einer feinen Dispersion mit einem Rotor- Stator-System aus einem Pre-Mix, welche in einem Behälter mit Rührwerk hergestellt wurde, geht man in der Regel von einer Dispersion mit einer sehr breiten Partikelgrößenverteilung aus. Als Beispiel sei eine Emulsion betrachtet mit einer Tröpfchengrößenverteilung zwischen 30 und 500 μm. Mit einem herkömmlichen Rotor- Stator-System (vgl. Figur 11, siehe Beschreibung unten) werden die Tropfen des Pre-Mixes, welcher im Fall einer Emulsion auch als Rohemulsion bezeichnet wird zerkleinert, bis eine mittlere Tröpfchengröße erreicht ist, die dem spezifischen Energieeintrag des Rotor-Stator-Systems (Energiedichte) entspricht. Um eine relativ enge Tropfengrößenverteilung mit Tröpfchendurchmessern zwischen 5 und 10 μm und darunter zu erreichen, sind in der Regel mehrere Durchläufe durch das Rotor-Stator-System erforderlich. Häufig werden 5 bis 10 Durchläufe benötigt. Dies bedeutet auf der einen Seite eine hohe Beanspruchung des Produktes und auf der anderen Seite einen hohen Wärmeeintrag und damit eine ineffiziente Ausnutzung der eingesetzten Energie.
Um den oben beschriebenen Prozess zu beschleunigen, haben einige Dispergiermaschinen-Hersteller angefangen, die innere Phase über Zuführungen wie Rohre oder Bohrungen direkt vor die Rotorzähne oder auf die Rotorzähne eines Rotor-Stator-Systems zu geben. Derartige Rotor-Stator- Systeme werden in WO 00/01474 und US 5,590,961 beschrieben. Die innere Phase kommt dabei örtlich sehr begrenzt und dadurch in einem relativ massiven Strahl in den Rotor- Stator-System und dessen Dispergierzone . Dadurch entsteht im ersten Durchlauf durch das Rotor-Stator-System eine
Emulsion, welche eine breite Tröpfchengrößenverteilung hat, da die innere Phase nicht genügend fein in die äußere Phase eingearbeitet werden kann, da es in dem örtlich sehr begrenzten Bereich des Kontaktes an Austauschfläche fehlt. Zudem ist die Emulsion in starkem Maße Koaleszenz ausgesetzt, da auf engem Volumen viele kleine Tröpfchen gebildet werden, die jedoch nicht schnell genug voneinander entfernt und stabilisiert werden können, so dass sie wieder zusammenfließen (Koaleszieren) . Auch eine damit verbundene Schlierenbildung läßt sich beobachten. Die Koaleszenz und Schlierenbildung nimmt zu, je größer das Zugabevolumen der inneren Phase ist. Auf diese Art und Weise können geringe Mengen der inneren Phase in die äußere Phase eingebracht werden. Erhebliche Probleme bestehen jedoch dann, wenn größere Mengen an innerer Phase eingebracht werden müssen. Die Schwierigkeiten beruhen hauptsächlich darauf, dass es nicht gelingt, eine homogene Rohemulsion beziehungsweise einen homogenen Pre-Mix mit einer definierbaren Partikelgrößenverteilung aus der äußeren und der inneren Phase herzustellen bevor die Phasen in die Zonen hoher Scherkräfte des Rotor-Stator-Systems gelangen.
In WO 01/56687 (PCT/EP00/117700) wird ein Rotor-Stator- System beschrieben, dessen Rotor eine Vormischkammer aufweist. Die Vormischkammer öffnet sich in mehrere kleine Kammern, die sich am Rotorumfang befinden. Alle Kammern wirken zusammen als eine Vormischkammer im Rotor, welche sich im Dispergierraum befindet und im Betrieb des Rotor- Stator-Systems rotiert. Durch die Geometrie des Rotors und sich daraus ergebenden Volumen, welches als Vormischkammer zur Verfügung steht, ist jedoch die Menge der inneren Phase, welche in die äußere Phase eingebracht werden kann, sehr begrenzt. Durch die Positionierung der Vormischkammer im Rotor und damit im bewegten Teil des Rotor-Stator- Systems wird das Herstellen von Dispersionen mit komplexen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Komponenten, welche teilweise gleichzeitig in eine bestehende Vorlage eingebracht werden sollen, äußerst kompliziert, wenn nicht gar unmöglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Möglichkeit zu schaffen, um in einem Rotor-Stator-System auch bereits mit einem Durchlauf stabile Dispersionen herstellen zu können. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um mit einem Rotor-Stator-System flexibel auf wechselnde Anforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung der herzustellenden Dispersion reagieren zu können. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Rotor-Stator-System bereitzustellen, welches eine Vielzahl möglichst energiereicher Wirbel in turbulenter Strömung erzeugen kann, um Partikel der dispersen Phase einer Dispersion effizient zerkleinern zu können.
Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst, mit einem Stator für ein Rotor-Stator-System gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung stellt einen Stator für ein Rotor-Stator- System zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einem Dispergierbereich, welcher mit einem zu dem Stator korrespondierenden Rotor einen Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems definiert und mit einem Einlaß zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich zur Verfügung, wobei im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer außerhalb des Dispergierbereiches angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich hinein öffnet, wobei der Stator mindestens einen Zulauf zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators in die Vormischkammer aufweist und wobei der Stator derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich aus und von dem Zulauf aus in die Vormischkammer eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der Vormischkammer in den
Dispergierbereich austreten.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Stator zumindest zwei Vormischkammern auf, welche jeweils einen Zulauf zum Zuführen einer Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators in die betreffende Vormischkammer aufweisen. So können entweder über jede Vormischkammer eine andere Komponente zugeführt werden. Oder eine große Menge einer Komponente kann aufgeteilt über mehrere Vormischkammern zugeführt werden. In jedem Fall wird die Effizienz des Mischvorganges gegenüber einer Zuführung der Komponenten direkt in den Dispergierraum erhöht .
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wölbt sich die Vormischkammer vom Übergang zum Dispergierbereich aus in den Stator hinein. Die gewölbte Formgebung ermöglicht ein leichtes und zuverlässiges Reinigen der Vormischkammer. Zudem wird die Bildung von Toträumen vermieden, welche sich negativ auf die Mischwirkung ind er Vormischkammer auswirken können.
Die Erfindung sieht zudem vor, daß die Vormischkammer am Übergang zum Dispergierbereich die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweisen kann, wobei der Ausschnitt insbesondere eine durchgängig geschwungen verlaufende Umfangslinie hat. Auch durch diese Gestaltung werden Ecken vermieden, was unter anderem der leichten Reinigbarkeit entgegenkommt.
Die Erfindung bietet zudem den Vorteil, mit der Lage der
Vormischkammern die Strömungsführung der Dispersion in den Dispergierbereich den jeweiligen Prozeßanforderungen anpassen zu können. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse des Stators, welche der Rotationsachse des zu dem Stator korrespondierenden Rotors entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer oberhalb eines Dispergierwerkzeuges , insbesondere eines Zahnkranzes des Rotors positioniert ist, wenn der Stator mit dem korrespondieren Rotor zu dem Rotor-Stator-System kombiniert ist. Die Vormischkammern können somit über dem Zahnkranz eines Rotors mit einem Zahnkranz angebracht sein. Eine Vormischkammer kann bei einem Rotor mit mehreren Zahnkränzen über dem inneren Zahnkranz, über dem äußeren Zahnkranz oder sich über mehrere Zahnkränze hinweg erstreckend angebracht sein. Demgemäß ist der Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse des Stators, welche der Rotationsachse des zu dem Stator korrespondierenden Rotors entspricht, positioniert, daß die Vormischkammer zumindest oberhalb des inneren Dispergierwerkzeuges, insbesondere des inneren Zahnkranzes eines Rotors mit mehreren
Dispergierwerkzeugen positioniert ist, wenn der Stator mit dem korrespondieren Rotor zu dem Rotor-Stator-System kombiniert ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung stellt die Erfindung ferner einen Stator zur Verfügung, welcher Vormischkammern aufweist, die in unterschiedlichen radialen Entfernungen zur Längsachse des Stators positioniert sind. Auf diese Weise wird zum Beispiel ein Stator zur Verwendung mit einem Rotor, welcher mindestens einen inneren und einen äußeren Zahnkranz aufweist, geschaffen, wobei zumindest eine Vormischkammer über dem inneren Zahnranz des Rotors und zumindest eine weitere Vormischkammer über dem äußeren Zahnkranz des Rotors positioniert ist, wenn der Stator mit dem Rotor zusammen verwendet wird.
Werden Vormischkammern sowohl über dem inneren als auch über weiter außen liegenden Zahnkränzen des Rotors vorgesehen, können bei einem einzigen Durchlauf durch das Rotor-Stator-System Medien mit relativ hoher Viskosität innen und Medien mit relativ geringer Viskosität außen zugeben. Dies bietet Vorteile zum Beispiel beim Eindispergieren von dünnflüssigen Medien wie Parfüm oder Konservierungsstoffen einerseits und beim Eindispergieren von Fluiden mit höherer Viskosität und/oder größeren resultierenden Tropfengrößen andererseits.
Die über die näher an der Zentrumsachse liegenden Vormischkammern zugegebenen Fluide werden bei im Übrigen gleichen Parametern, insbesondere bei gleichem Fließverhalten der Fluide, in der Regel zu kleineren Tropfen dispergiert als die über weiter außen liegende Vormischkammern zugegebenen Fluide, da der Weg durch den Dispergierraum für sie weiter ist. Dadurch sind die innen eingebrachten Fluide länger der Dispergierwirkung des Rotor-Stator-Systems ausgesetzt.
Um weiteren Einfluß auf die Strömung am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum nehmen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierbereich ein Übergangsstück angeordnet. Im Betrieb des Rotor-Stator- Systems wird Fluid aus der Vormischkammer in den Dispergierraum injiziert und aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer ejiziert. Im Folgenden wird das Übergangsstück auch als Injektor beziehungsweise Ejektor bezeichnet. Je nach Anwendungsfall kann das Übergangsstück den Übergang zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierbereich bereichsweise oder vollständig ausfüllen.
In Abstimmung auf die vorteilhafte Geomentrie der Vormischkammer weist das Übergangsstück in einer Ausführungsform der Erfindung die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment auf.
Das Übergangsstück kann dann eine geschwungene Umfangslinie haben, so daß es genau an die Form der Vormischkammer an ihrem Übergang zum Dispergierraum angepaßt ist. Für eine besonders gute Vermischung der Flüssigkeit am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum ist des Weiteren vorgesehen, daß das Übergangsstück in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eines oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung des Übergangsstücks verlaufen.
Auf die Strömungsverhältnisse in der Nachbarschaft des Übergangsstücks kann ferner durch die Richtung der Orientierung der Löcher im Übergangsstück Einfluß genommen werden. Die Erfindung sieht in einer weiteren Ausführungsform vor, daß die Löcher durch das Übergangsstück jeweils entlang einer Lochachse verlaufen, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45° .
Außerdem können die Löcher durch das Übergangsstück eine sich von einer zur anderen Seite des Übergangsstücks hin verjüngende Form aufweisen, um die Injkektor- beziehungsweise Ejektorwirkung zu verstärken. Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Löcher von einer Mantelfläche mit einem ersten Teilbereich und zumindest einem weiteren Teilbereich begrenzt werden, wobei zumindest ein Teilbereich entlang einer Schnittfläche verläuft, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück einen
Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°. Um den erfindungsgemäßen Stator so zu designen, daß er auf einfache Weise ein flexibles Anpassen des Rotor-Stator- Systems an unterschiedliche Dispergieraufgaben ermöglicht, ist des Weiteren vorgesehen, den Stator zweiteilig auszubilden. Der Stator umfaßt dann einen Statorkopf sowie einen Statorrumpf, wobei die zumindest eine Vormischkammer im Statorkopf angeordnet ist und der Statorrumpf ein Dispergierwerkzeug des Stators, insbesondere mindestens einen Zahnkranz, umfaßt.
Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Stator zum Nachrüsten bestehender Rotor-Stator- Systeme geschaffen werden. Ein derartiger Stator umfaßt mehrere Statorköpfe, welche sich in Anzahl und/oder Geometrie der Vormischkammern unterscheiden und auf einen Statorrumpf montierbar sind, um einen Stator mit auswechselbarem Statorkopf zu bilden.
Eine besonders einfache Kontruktion wird realisiert, indem die Vormischkammer als Kavität derart im Statorkopf ausgebildet ist, daß ein Übergangsstück als Abschluß der Kavität am Statorkopf montierbar ist.
Die Erfindung betrifft somit auch einen Statorkopf für einen oben beschriebenen Stator, welcher zum Nachrüsten herkömmlicher Statoren geeignet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein oben beschriebenes Übergangsstück.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines oben beschriebenen Stators oder Statorkopfes als
Gehäusekomponente einer Pumpe, insbesondere einer ein- oder mehrstufigen Kreiselpumpe, oder eines Rührwerkes, insbesondere betrieben mit einem Propellerrührer oder einem Scheibenrrührer , oder einer Dispergiereinrichtung. Diejenige Apparatekomponente, welche die Vormischkammer umfaßt, ist im montierten Zustand ein integraler Bestandteil des Gehäuses.
Die Erfindung stellt zudem einen Rotor, insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einem oben beschriebenen
Stator, für ein Rotor-Stator-System zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen zur Verfügung mit einer bezogen auf die Zentrumsachse des Rotors rotationssymmetrische Trägerscheibe, aus welcher zumindest ein Rotorzahn entspringt, wobei der Rotorzahn eine der Zentrumsachse zugewandte Innenseite, eine dem äußeren Rand der Trägerscheibe zugewandte Außenseite, eine im Betriebszustand des Rotors in dessen Drehrichtung gesehen vorne liegende Vorderseite, eine im Betriebszustand des Rotors in dessen Drehrichtung gesehen hinten liegende
Rückseite, und eine den Rotorzahn auf der der Trägerscheibe abgewandten Seite abschließende Oberseite aufweist, wobei die Vorderseite zumindest einen der Trägerscheibe zugewandten unteren Bereich umfaßt, welcher gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe um einen Winkel α4
(alpha-4) nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist. Der Winkel Ot4 liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen 0° und etwa 45°, bevorzugt zwischen etwa 15° und etwa 45°.
Durch die Neigung um den Winkel α4 entsteht im Betrieb des Rotor-Stator-Systems eine Strömung des Fluids in der Umgebung des Rotorzahns, welche in Richtung des Stators gerichtet ist. Das zu dispergierende Medium wird im Dispergierraum gegen den Stator gefördert. Dadurch werden Kräfte ausgebildet, die beispielsweise bei der Herstellung von Emulsionen zur Zerkleinerung der Tropfen der dispersen Phase beitragen. Wird ein oben beschriebener Stator mit Vormischkammer verwendet, verstärkt diese auf den Stator zu gerichtete Strömung das Einschießen des Fluids aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer und führt so zu einer sehr guten Vermischung der Komponenten der Dispersion und gegebenenfalls einer Zerkleinerung von Tropfen an disperser Phase .
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorderseite zumindest einen Bereich umfaßt, welcher gegenüber einer radial von der Zentrumsachse nach außen verlaufenden Bezugslinie um den Winkel α6 (alpha- 6) nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist. So kann im Betrieb des Rotors die radiale Beschleunigung des Fluids von der Rotationsachse weg verstärkt werden, was zu einer Verbesserung der Misch- und gegebenenfalls
Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems beiträgt. Der Winkel α6 liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen 0° und etwa 60°, bevorzugt zwischen etwa 10° und etwa 60°.
Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, daß die
Vorderseite zumindest einen der Trägerscheibe abgewandten oberen Bereich) umfaßt, welcher gegenüber der Parallelen zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe um einen Winkel α5 (alpha-5) zur Trägerscheibe hin geneigt ist. Der Winkel α5 liegt gemäß der Erfindung im Bereich zwischen etwa 5° und etwa 45°.
Die Parallele auf die Trägerscheibe entspricht der Senkrechten auf die Zentrumsachse, welche mit der Rotationsachse des Rotors übereinstimmt. Die Neigung um den Winkel α5 verstärkt die Wirkung der Neigung um den Winkel Ct4. Insbesondere kann durch die Neigung um den Winkel α5 eine als "Jet-Stream" bezeichnete Strömungskomponente erzeugt oder verstärkt werden. Auf diese Strömungskomponente wird weiter unten anhand der Ausführungsbeispiele näher eingegangen.
Beim Einsatz des Rotor-Stator-Systems zum Emulgieren ist die Effizenz des Tropfenaufbruchs von mehreren Faktoren abhängig, unter anderem von der in das Fluid im Dispergierraum eingebrachten kinetischen Energie, der erzeugten Turbulenzwirbel, sowie von der Dichte der Turbulenzen. Die Turbulenzwirbel werden im Rahmen der Erfindung durch ein Rotor-Stator-System erzeugt. Hier spielt die Kantenlänge der Rotor- und/oder Statorzähne, die die Wirbel erzeugen, eine erhebliche Rolle. Je länger die wirksame Kantenlänge eines Zahnes, umso effektiver ist das System.
Es wird durch die Erfindung eine neuartige Form der Zähne zur Verfügung gestellt, die Turbulenzwirbel mit sehr hohen kinetischen Energien erzeugen und das Fluid zusätzlich in sich dreidimensional verwirbeln. Dadurch wird ein Rotor- Stator-System bereitgestellt, welches eine Vielzahl möglichst energiereicher Wirbel in turbulenter Strömung erzeugen kann, um Partikel der dispersen Phase einer Dispersion effizient zu zerkleinern. Unter Turbulenz wird eine Strömungsform verstanden, die, "chaotisch" wirkt und sowohl zeitlich als auch räumlich instationär ist. Turbulenz ist durch statistische Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Fluids gekennzeichnet und kann durch die Theorie von Kolmogorov beschrieben werden.
Jeder einzelne Rotorzahn ist so ausgebildet, daß sowohl eine hohe radiale Komponente der Strömung entsteht durch den Winkel α6 , das heißt durch den Dispergierraum hindurch in Richtung zum Auslaßkanal, als auch eine nach oben gerichtete vertikale Komponente (siehe Figuren 18 und 12 durch die Formgebung mit den Winkeln α4 und α5) .
Die radiale Komponente hängt von dem Anstellungswinkel α6 der Rotorzähne und der Umfangsgeschwindigkeit ab, je höher diese sind, um so größer ist der Durchfluß bei gleicher Statorgeometrie . Durch die zurückfallende Zahngeometrie (α4) des Rotors und der senkrechten Zähne des Stators kommt es an den Dispergierkanten zu den starken Mikroturbulenzwirbeln (Bild 18, Turbulenz I), dies bei Außendurchmessern des Rotors im Bereich von 50 bis etwa 300 mm besonders bei Umfangsgeschwindigkeiten, die höher als 22 m/s liegen (Reynoldszahl Re mindestens 10.000) .
Da die schrägen Rotorzähne gegen die geraden Statorzähne schließen, kommt es im Dispergierraum zu einer dreidimensionalen Verwirbelung des Fluids . Die Turbulenzwirbel werden im Dispergierraum von innen nach außen energiereicher, und dadurch können die Tröpfchen immer weiter zerkleinert werden, wenn Emulsion den Dispergierraum im wesentlichen von innen nach außen durchströmt .
Eine Druckerhöhung von innen nach außen führt zudem zu energiereicheren Turbulenzen hin zum äußeren Rand des
Dispergierraumes . Dieser Druckaufbau wird dadurch erreicht, durch das die Durchtrittsfläche für das Fluid am inneren Zahnkranz des Stators größer ist als am äußeren Zahnkranz des Stators (siehe Figur 9 oben) .
Die vertikale Komponente des Rotors erzeugt einen Druck in Richtung zu dem Statorobergehäuse. Durch die vertikale Komponente wird die Flüssigkeit zwischen dem Statorobergehäuse und dem Rotorzahn hindurchgedrückt, dadurch entsteht der Jetstream (Figur 18) , der an Energie zunimmt je höher die Umfangsgeschwindigkeit oder die Reynoldszahl ist. Wie beispielsweise in Figur 12 zu ersehen ist, ist der vordere Bereich der Rotorzähne mit dem Winkel α4 im Uhrzeigersinn versehen. Dieser Winkel, der dafür vorzugsweise zwischen etwa 15° und etwa 45° sein kann, erzeugt die vertikale Komponente sowie die Mikroturbulenzen mit den Statorzähnen.
Der obere Bereich der Zähne ist so ausgebildet, das zwischen den Zähnen mit dem Winkel α5 und dem Statorobergehäuse die Flüssigkeit so beschleunigt wird und dann schlagartig in einen Unterdruckbereich kommt, dass eine energiereiche Verwirbelung entsteht, hier Jet-stream genannt (vergleiche die im Zusammenhang mit Figur 12 beschriebene Ausfräsung, siehe auch Figur 18) . Der Winkel α5 kann dazu vorzugsweise zwischen etwa 5° und etwa 45° liegen. Die Wirkungsweise der Zahngeometrie gemäß der Erfindung entspricht nach einer Modellvorstellung damit einem Injektor beziehungsweise einer Düse.
Durch diese neuartige Konstruktion der Erfindung wird die Dispergierkantenlänge gegenüber herkömmlichen Rotor-Stator- Systemen (siehe Figur 11) um bis zu 35% erhöht, indem die Zahnbreite zur Ausbildung mindestens einer zusätzlichen, definierten Dispergierkante genutzt wird. Im Gegensatz zu bekannten Dispergiermaschinen (siehe Figur 11) , bei denen die Rotor- und Statorzähne gerade sind, wird durch die Erfindung das Potenzial von Mikro-Turbulenzen zum Tropfenaufbruch genutzt.
Entsprechende Effekte werden auch erreicht, indem man die Rotorzähne gerade läßt und die Statorzähne unter einem Winkel schräg ausführt. Die Erfindung betrifft somit allgemein ein Rotor-Stator-System, bei welchem zwischen den Dispergierkanten eines Rotorzahns und eines zu dem Rotorzahn korrespondierenden Statorzahns ein Winkel, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 45°, ausgebildet ist, wenn der Rotor und der Stator miteinander in Eingriff stehen und der Rotor- und der Statorzahn einander benachbart positioniert sind. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Stator für ein Rotor- Stator-System, dessen Zähne in der Weise ausgebildet sind, wie oben am Beispiel der Rotorzähne beschrieben wurde.
Die Mehrheit der bekannten Rotoren haben einen nahezu vollständig mit Zähnen besetzten Rotor. Es hat sich aber gezeigt, daß dies für die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung nicht notwendig ist. Eine gute Dispergierwirkung in Bezug auf das Mischen der Komponenten und das Zerkleinern der dispersen Phase wird bereits erreicht, wenn der Rotor einen ersten Zahnkranz aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, Rotorzähne umfaßt, die einen ersten radialen Abstand di von der Zentrumsachse des
Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Gemäß der Erfindung kann der Rotor derart weiter gebildet werden, daß er einen zweiten Zahnkranz aufweist, um die
Dispergierwirkung zu verstärken, Der zweite Zahnkranz weist zumindest zwei, vorzugsweise vier, besonders bevorzugt acht, Rotorzähne auf, die einen zweiten radialen Abstand d2 von der Zentrumsachse des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei d2 größer ist als di .
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen unter Verwendung eines Rotor-Stator-Systems mit einem oben beschriebenen Stator mit folgenden Schritten a) Bereitstellen einer ersten Phase der Dispersion in einem ersten Vorlagebehälter, welcher mit dem Dispergierraum in Verbindung steht und
Bereitstellen zumindest einer zweiten Phase der Dispersion in zumindest einem zweiten Vorlagebehälter, welcher mit einer Vormischkammer in Verbindung steht, b) Zuführen der ersten Phase der Dispersion in den Dispergierraum, c) Zuführen der zweiten Phase der Dispersion in die Vormischkammer, d) Antreiben des Rotors, so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems die erste Phase durch den Dispergierraum und gegebenenfalls durch das Übergangsstück in die Vormischkammer gelangt und dabei mit der zweiten Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus erster und zweiter Phase gebildet wird, und die zweite Phase und/oder das Gemisch aus erster und zweiter Phase und/oder die in der Vormischkammer gebildete Dispersion aus erster und zweiter Phase durch die Vormischkammer und gegebenenfalls durch das Übergangsstück in den Dispergierraum gefördert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, zumindest eine Phase oder eine Komponente einer Dispersion in dem im Verhältnis zum Dispergierraum kleinen Volumen einer Vormischkammer zuzugeben. So wird ein Pre-Mix der Komponenten dem Dispergierraum zugeführt, wobei bereits die Komponenten des Pre-Mixes homogen ineinander verteilt sind.
Gemäß der Erfindung kann vorteilhafterweise der Durchsatz der Komponenten und die Drehzahl des Rotors so eingestellt und/oder geregelt und/oder gesteuert werden, daß die Verweilzeit in einer Vormischkammer im Bereich zwischen etwa 0,005 Sekunden und etwa 0,02 Sekunden liegt. Durch die innerhalb dieses kurzen Zeitraums erfolgende Bildung des Pre-Mixes und dessen Weiterförderung in den Dispergierraum wird der Koaleszenz der in der Vormischkammer gebildeten Fluidelemente der dispersen Phase entgegengewirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein Stator mit zumindest einer weiteren Vormischkammer verwendet und in Schritt a) zumindest eine weitere Phase der Dispersion in zumindest einem weiteren Vorlagebehälter, welcher mit der weiteren Vormischkammer in Verbindung steht, bereitgestellt. In Schritt c) wird die weitere Phase der Dispersion in die weitere Vormischkammer des Rotor- Stator-Systems zugeführt, so daß im Betrieb des Rotor- Stator-Systems die erste Phase durch den Dispergierraum und gegebenenfalls durch das Übergangsstück in die Vormischkammern gelangt und dabei in der jeweiligen Vormischkammer mit der zweiten oder weiteren Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus den Phasen gebildet wird, und wobei die zweite oder zumindest eine weitere Phase und/oder das Gemisch und/oder die in einer Vormischkammer gebildete Dispersion aus zumindest zwei Phasen durch die jeweilige Vormischkammer und gegebenenfalls durch das jeweilige Übergangsstück in den Dispergierraum gefördert wird.
Durch das Zudosieren über mehrere, räumlich voneinander getrennte Vormischkammern wird ein Parallel -betrieb der Vormischkammern möglich. Außerdem können die einzelnen
Komponenten jeweils gesondert einer Vormischung unterzogen werden, bevor sie dem Dispergierraum zugeführt werden. Die Entzerrung des Mischvorganges aller Komponenten der Dispersion durch das Aufteilen des Zumischens der Komponenten über Vormischkammern verbessert den Mischvorgang gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Verfahren.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte b) , c) und d) gleichzeitig durchgeführt. So kann das Verfahren kontinuierlich betrieben werden.
Um insbesondere für die Herstellung von Dispersionen mit hohem Dispersphasenanteil über 50 Vol.-% die größere Menge an disperser Phase in die kleinere Menge an kontinuierlicher Phase einzubringen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, durch Zuführen der dispersen Phase als in Schritt b) zugeführte erste Phase und Zuführen der kontinuierlichen Phase oder eines
Bestandteil der kontinuierlichen Phase der Dispersion als in Schritt c) zugeführte zweite Phase und das Durchlaufen eine Phaseninversion bei der Herstellung der Dispersion durch die Dispergierung einerseits infolge der Mischwirkung und der Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems und andererseits zusätzlich durch die Neuordnung der Fluidelemente bei der Inversion der Phasen besonders homogene Dispersionen herstellen zu können, auch wenn der Dispersphasenanteil hoch ist.
Verglichen mit Dispersionen, die ohne Phaseninversion hergestellt wurden, haben diese Dispersionen eine engere Partikelgrößenverteilung. Diese Vorteile sind besonders wertvoll beim Herstellen von Dispersionen mit hohem Dispersphasenanteil, da dort aufgrund der hohen Dichte an Partikeln, insbesondere Tropfen (bei Emulsionen) der dispersen Phase, die Gefahr der Koaleszens groß ist. Durch Koaleszenz wird die Mischung beziehungsweise Zerkleinerung der dispersen Phase wieder zunichte gemacht. Die Vorteile der Phaseninversion lassen sich jedoch auch bei Dispersionen mit niedrigerem Dispersphasenanteil nutzen.
Um die Vorteile der Strömungsführung im Dispergierraum hin zur Vormischkammer zu nutzen, wird in einer Weiterbildung des Verfahrens ein oben beschriebener Rotor als Rotor des Rotor-Stator-Systems verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dieselben Bauteile sind in allen Zeichnungen mit den selben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 das Rotor-Stator-System gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung in eingebautem Zustand in eine Dispergiermaschine im Querschnitt, Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Fotografie eines erfindungsgemäßen Statorkopfes, wobei der Ausschnitt eine Vormischkammer zeigt,
Fig. 3 eine Fotografie eines Übergangsstücks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht, Fig. 4 eine Fotografie eines Übergangsstücks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht,
Fig. 5 eine Fotografie eines erfindungsgemäßen Statorkopfes mit einer Vormischkammer, an deren
Übergang zum Dispergierbereich im komplett montierten Zustand des Statorkopfes ein Übergangsstück eingeschweißt ist,
Fig. 6 verschiedene Gestaltungen von Übergangsstücken gemäß der Erfindung, nämlich in Fig. 6a eine Aufsicht auf ein Übergangsstück mit schematisch angedeuteten Geometrien für die Anordnung von Schlitzen BIO) und AlO) , in Fig. 6b Ausschnitte aus Querschnitten durch
Übergangsstücke gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung, zu welchen als Verständnishilfe jeweils ein Ausbruch aus einem Rotorzahn dargestellt ist, mit unterschiedlichen Gestaltungen der Löcher im Übergangsstück All, BIl, CIl, Al2 und B12, und in
Fig. 6c eine Aufsicht auf den Übergang zwischen Vormischkammern gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung und dem
Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems, für welchen oben schematisch Zähne des inneren Rotorkranzes angedeutet sind. Dargestellt sind Geometrien A15, B15, C15 und D15 für Größe der Vormischkammer und Gestaltung von Übergangsstücken (A15, B15), wie sie miteinander kombiniert oder alternativ eingesetzt werden können. Zur Orientierung ist in Fig. 6c rechts unten ein schematischer
Schnitt durch eine Vormischkammer eingezeichnet .
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Passage von zu behandelndem Fluid bei der Herstellung von Dispersionen mit Vormischkammer und Dispergierraum im Querschnitt,
Fig. 8 eine Fotografie der Seitenansicht eines Stators, Fig. 9 Zahnkränze für einen Stator gemäß einer
Ausführungsform in Querschnitt und Aufsicht, Fig. 10 Fotografie eines Stators mit zwei Vormischkammern und zwei Zahnkränzen sowie eines Rotors mit einem inneren und einem äußeren Zahnkranz, wobei der Rotor und der Stator ein Rotor-Stator-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bilden,
Fig. 11 eine Fotografie eines Stators mit zwei Zahnkränzen (rechts) und eines Rotors mit mehreren schräg angeordneten Zähnen (links) eines herkömmlichen Rotor-Stator-Systems, Fig. 12 einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (vergleiche Fig. 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in Fig. 12) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in Fig. 12),
Fig. 13 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche Fig. 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in Fig. 13) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in
Fig. 13),
Fig. 14 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche Fig. 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in Fig. 14) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines
Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in Fig. 14) ,
Fig. 15 einen Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (vergleiche Fig. 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in Fig. 15) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in Fig. 15), Fig. 16 einen Rotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (vergleiche Fig. 10 unten) in Querschnitt und Aufsicht (linke Seite in Fig. 16) mit einer vergrößerten Detaildarstellung eines Rotorzahns im Querschnitt (rechts oben in Fig. 16), Fig. 17 Schnittdarstellungen weiterer Ausführungsformen für Rotorzahne gemäß der Erfindung, Fig. 18 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Modellvorstellung der Passage einer Emulsion durch den Dispergierraum eines erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Systems,
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer
Modellvorstellung zum Herstellen einer Emulsion während des Durchlaufs durch ein erfindungsgemäßes Rotor- Stator-System, Fig. 20 eine schematische Darstellung einer
Modellvorstellung zur Bäcker-Transformation, Fig. 21 eine schematische Darstellung einer
Modellvorstellung zum Tropfenaufbruch unter der sogenannten Bäker-Transformation während eines einmaligen Durchlaufs durch ein erfindungsgemäßes
Rotor-Stator-System,
Fig. 22 eine schematische Darstellung einer Vormischkammer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche in ein Pumpengehäuse eingeschweißt werden kann,
Fig. 23 eine schematische Darstellung einer Vorderansicht einer Pumpe mit Pumpengehäuse, in welcher eine Vormischkammer angeordnet ist (vgl. Fig. 22) .
Figur 1 zeigt eine Gesamtansicht einer Dispergiermaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor- Stator- System. In einem ersten Vorlagebehälter 101 kann eine erste Phase einer herzustellenden Dispersion vorgelegt werden. Durch den Einlaß 8 kann diese Phase in den Dispergierraum des Rotor- Stator-Systems gelangen, welches vom Rotor 4 und dem Stator 1 gebildet wird. Durch Zuläufe 25 kann eine weitere Phase der Dispersion in Vormischkaramern 2, welche sich im Kopf 11 des Stators befinden, zugeführt werden. In Figur 1 ist ein Rotor-Stator-System mit zwei Vormischkammern gezeigt. Durch die Zuläufe 25 kann entweder in jede der beiden
Vormischkammern 2 die Hälfte der insgesamt zuzuführenden zweiten Phase eingebracht werden, oder es können verschiedene Komponenten über jeweils einen Zulauf 25 und eine Vormischkammer 2 gleichzeitig und dennoch getrennt in die herzustellende Dispersion eingebracht werden.
Der Rotor 4 kann durch einen Motor 116 über die Antriebswelle 115 angetrieben werden. Die Zähne des Rotors 4 rotieren dann benachbart zu den Zähnen des Stators und unter dem Übergang zwischen den Vormischkammern 2 und dem Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems. Im Betrieb des Rotor-Stator-Systems wird dadurch die Dispersion sowohl im Dispergierraum als auch in den Vormischkammern und am Übergang zwischen den Vormischkammern und dem Dispergierraum unter anderem Scherbeanspruchungen ausgesetzt. Des Weiteren werden zumindest teilweise turbulente Strömungsverhältnisse erzeugt. Bei der Passage der Vormischkammer, des Übergangs zwischen Vormischkammer und Dispergierraum sowie des Dispergierraums selbst, wird die disperse Phase der Dispersion zerkleinert.
Der Dispergierraum ist außen durch einen Ringkanal 112 umgeben, welcher vom Gehäuse 113 der Dispergiermaschine begrenzt wird. Aus dem Ringkanal 112 kann die Dispersion durch einen Auslass 9 aus dem Dispergierraum abgezogen werden.
Dichtungen 117 und 118, die als mechanische Dichtung, das heißt als rotierenden Gleitringdichtung, oder als statische Dichtung, das heißt zum Beispiel als O-Ring, ausgestaltet sein können, trennen den Dispergierraum von den weiteren angetriebenen beziehungsweise bewegten Komponenten der Dispergiermaschine ab.
In Figur 2 ist ein Einblick von unten vom Dispergierraum ausgesehen in eine Vormischkammer 2 zu sehen. Die Vormischkammer 2 ist als Kavität im Inneren des Statorkopfes 11 ausgebildet. Die Vormischkammer 2 hat eine geschwungen verlaufende Umfangslinie 28. Die Vormischkammer 2 ist in das Innere des Statorkopfes 11 hineingewölbt ausgebildet. Das bedeutet, die Form der Vormischkammer 2 ist derart gestaltet, dass im Wesentlichen keine Ecken und Kanten vorhanden sind. Dies ermöglicht ein besonders einfaches und zuverlässiges Reinigen der Vormischkammer.
In Figur 2 ist des Weiteren der Einlauf 25 zu sehen, durch welchen eine zweite Phase in die Vormischkammer zugeführt werden kann. Die erste Phase kann durch die Vormischkammer durch den von der Umfangslinie 28 begrenzten Übergang der Vormischkammer zum Dispergierraum (nicht dargestellt) eintreten. Am Übergang zwischen Vormischkammer 2 und Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems ist bei der in Figur 2 gezeigten Darstellung kein Übergangsstück montiert.
In den Figuren 3 und 4 sind Ausführungsformen von Übergangsstücken dargestellt, die zwischen der Vormischkammer und dem Dispergierraum eingebaut werden können. Im einfachsten Fall werden solche Übergangsstücke als Verschluß der Vormischkammer hin zum Dispergierraum in den Statorkopf eingeschweißt. Die Geometrie derartiger Übergangsstücke kann in Breite, Form und Lage zu den Rotorzähnen je nach Dispergieraufgabe spezifisch gewählt werden, um einen optimalen Dispergierprozess zu ermöglichen. In Figur 3 ist ein Übergangsstück mit schlitzförmigen Löchern dargestellt. α6 ist der Winkel, um welchen die in Rotationsrichtung vorne liegende Fläche eines Rotorzahns gegenüber der Radialen nach hinten geneigt ist (vergleiche Figur 12) . Eine Anordnung der Schlitze wie in Figur 3 gezeigt im Wesentlichen parallel zur Vorderseite eines Rotorzahns sorgt für eine gute Eindringtiefe des durch das Übergangsstück in die Vormischkammer injizierten Fluids aus dem Dispergierraum. Verglichen mit anderen Anordnungen (siehe Figur 4) werden in der Vormischkammer dabei Strömungsverhältnisse mit relativ wenig Turbulenzen erzielt .
Das in Figur 4 dargestellte Übergangsstück weist schlitzförmige Öffnungen 31 auf, welche gegenüber der Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 verglichen mit der Ausführungsform in Figur 3 in die andere Richtung geneigt sind. Dadurch verlaufen die Schlitze 31 auch geneigt zu der um den Winkel α6 gegenüber der Radialen geneigt angeordneten Vorderseite 53 des Rotorzahns 5. Diese Anordnung bringt eine gute Eindringtiefe des aus dem Dispergierraum durch das Übergangsstück 3 in die Vormischkammer 2 injizierten und aus der Vormischkammer in den Dispergierraum ejizierten Fluids.
Gleichzeitig werden im Vergleich zu den
Strömungsverhältnissen, welche mit einem Übergangsstück wie dem in Figur 3 gezeigten erzielt werden, Strömungsverhältnisse mit relativ starken Turbulenzen erzeugt, da bei der Passage der Vorderkante des Rotorzahns Fluid in mindestens zwei Injektorschlitze 31 gleichzeitig gefördert wird. Dadurch werden je Zeiteinheit unterschiedliche Öffnungsquerschnitte der Schlitze 31 passiert, was zu einer pulsierenden Strömung in den dem Übergangsstück 3 benachbarten Bereichen führt.
Anzahl, Abmessungen und Form der Öffnungen 31 können je nach Dispergieraufgäbe flexibel gewählt werden. Mit unterschiedlich gestalteten Übergangsstücken kann dann ein Statorkopf gemäß der Erfindung leicht verschiedenen Dispergieraufgaben angepaßt werden. Beispielsweise kann die Breite der Stege 39 zwischen den Schlitzen 31 im ähnlichen Bereich wie die Breite der Schlitze 31 gemessen in
Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 gewählt werden.
In Figur 5 ist ein Statorkopf 11, gesehen von der Seite des Dispergierraums des Rotor-Stator-Systems aus, gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform weist der Statorkopf 11 eine Vormischkammer 2 auf. Die Vormischkammer 2 ist an ihrem Übergang zum Dispergierraum von einem Übergangsstück 3 begrenzt. Das Übergangsstück füllt die Öffnung der Vormischkammer 2 zum Dispergierraum hin vollständig aus. Die äußere Kontur des Übergangsstück 3 stimmt im Wesentlichen mit der geschwungenen Umfangslinie 28 des Übergangs der Vormischkammer 2 zum Dispergierraum überein. Die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform ist nicht identisch mit der in Figur 1 dargestellten Variante der Erfindung, denn dort wird eine Ausführungsform mit zwei Vormischkammern gezeigt.
Die Vormischkammern können in Anzahl, Geometrie der Injektoren/Ejektoren, deren Größe und deren Lage gemäß den prozesstechnischen Erfordernissen definiert werden. Beispielsweise können für eine Dispergiermaschine mit einer Nennleistung von 30 kW bei einem Volumen für eine Vormischkammer von ca. 24 cm3 über dem inneren Rotorkranz vier Vormischkammern platziert werden. Die Erfindung ermöglicht es somit, durch die außerhalb des Dispergierraums angebrachten und ohne bewegte Teile, das heißt statisch wirkenden Vormischkammern eine Anpassung gemäß der jeweiligen Dispergieraufgäbe an das Produkt vorzunehmen. Insbesondere können mehrere Komponenten gleichzeitig, jedoch räumlich getrennt verarbeitet werden. Über einen auswechselbaren Statorkopf können zum Beispiel je nach Rezeptur mehrere Vormischkammern oberhalb jedes Rotorkranzes angebracht werden. Somit kann insbesondere auch für die kontinuierliche Dispergierung verschiedener Rohstoffe das Ausmaß der Scher- und/oder Dehnkräfte, welche auf den jeweiligen Rohstoff wirken sollen, variiert werden. Wenn sehr große Rohstoffmengen eingebracht werden sollen, kann über mehrere Vormischkammern derselbe Rohstoff in kleineren Einzelmengenströmen zudosiert werden.
Die Rohstoffe beziehungweise Komponenten beziehungsweise Phasen der Dispersion werden durch die Vormischkammern über Pumpen eingebracht. An die Einlaufe 25 sind entsprechende Leitungen angelegt. Durch diese Leitungen können aus entsprechenden Vorlagebehältern 102 (vergleiche Figur 1) zum Beispiel über Dosierpumpen, Zahnradpumpen oder ähnliche Fördereinrichtungen die Komponenten der Dispersion in die Vormischkammern eingebracht werden.
Der Anteil der Phase beziehungsweise der Phasen, welche dem Dispergierraum über die Vormischkammern zugeführt werden, ist abhängig von der Einstellung der verwendeten Pumpen und kann in der Regel über einen Frequenzumrichter vorgewählt werden, zum Beispiel in Kombination mit einem Durchflußmesser.
Auch die Größe der Vormischkammern selbst und damit das Kontaktvolumen zwischen den Phasen, welche in der Vormischkammer miteinander in Kontakt gebracht werden, kann variiert werden, um die Geometrie des Statorkopfes an verschiedene Dispergieraufgaben anzupassen. Durch ein Auswechseln des Statorkopfes, der die Vormischkammern enthält, können Anzahl, Lage und Größe der Vormischkammern sowie der Injektoren/Ejektoren und deren Anordnung den jeweiligen Prozeßanforderungen schnell angepaßt werden.
Die Anzahl der Vormischkammern wird dabei je nach Anzahl der Rohstoffe beziehungsweise Komponenten, welche gleichzeitig oder zeitlich versetzt eingebracht werden sollen, gewählt. Die Größe der Vormischkammern und/oder die Geometrie der Löcher im Übergangsstück können in Abstimmung auf die Partikelgrößenverteilung gewählt werden, welche durch die Behandlung in der Vormischkammer und beim
Durchtritt durch das Übergangsstück erreicht werden soll.
Die Abstimmung dieser Parameter auf die jeweilige Dispergieraufgäbe ist wichtig für das Herstellen stabiler Dispersionen. Durch diese Abstimmung kann beispielsweise beim Herstellen von Emulsionen verhindert werden, daß hohe Konzentrationen frisch gebildeter Tropfen an disperser Phase in solchen Bereichen auftreten, in welchen die Strömungsverhältnisse die Tropfen nicht ausreichend schnell voneinander entfernen, so daß die Tropfen nach ihrer Entstehung wieder koaleszieren.
Die gewölbte Gestaltung der Vormischkammer (vergleiche Figur 2) ermöglicht einerseits eine sehr gute Vermischung der Phasen und andererseits eine leichte Reinigung der
Vormischkammer. Dies wird erreicht durch den Verzicht auf scharfe Ecken und Kanten, an welchen Produkt haften bleiben könnte beziehungsweise welche zur Bildung von Toträumen führen könnte. Dadurch wird auch das im wesentlichen vollständige Abfließen des Spülwassers erleichtert. Neben den Variationsmöglichkeiten, die die Vormischkammern selbst bieten, kann über die Gestaltung der Übergangsstücke zusätzlich Einfluß auf die Strömungsverhältnisse genommen werden, welche sich beim Betrieb Rotor-Stator-Systems einstellen. In Figur 6 sind für die Übergangsstücke verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt.
In Figur 6a ist eine Aufsicht auf ein Übergangsstück dargestellt, in welcher beispielhaft zwei verschiedene
Geometrien für die Ausbildung der Einlaß- /Auslaßkanäle 31 dargestellt ist. Die Geometrie AlO entspricht der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform des Übergangsstücks. Die Geometrie BIO entspricht der in Figur 3 dargestellten Geometrie des Übergangsstücks .
Neben der Ausrichtung der Löcher bzw. Schlitze 31 in Relation zur Hauptausdehnungsrichtung 32 des Übergangsstücks 3 spielt auch die Gestaltung der Löcher in ihrem Durchgang durch die Dicke des Übergangsstücks senkrecht zur in Figur 6a dargestellten Ebene des Übergangsstücks eine Rolle. Für den Einfluß auf die Strömungsverhältnisse in Nachbarschaft des Übergangsstücks.
In Figur 6b sind verschiedene Kanalformen für die Löcher in Übergangsstücken dargestellt. All zeigt gerade Durchgangslöcher . Diese Form ist bei den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Übergangsstücken realisiert. Die Eindringtiefe (Penetrationstiefe) von Fluid aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer ist mit dieser Geometrie All relativ groß.
Die Löcher 31 im Übergangsstück 3 werden von einer Mantelfläche 35 begrenzt. Gemäß den Ausführungsformen BIl und CIl sind die Löcher schräg durch das Übergangsstück gebohrt. Die Lochachse 33 ist gegenüber der Senkrechten auf das Übergangsstück geneigt. Die Neigung liegt im Bereich bis etwa 45°. Gemäß den Ausführungsformen A12 und B12 hat die Mantelfläche der Löcher verschiedene Bereiche 36, 37. Ein erster Teilbereich der Mantelfläche 36 verläuft geneigt in Bezug auf die Senkrechte auf das Übergangsstück 3. Ein zweiter Bereich 37 der Mantelfläche verläuft parallel zur Senkrechten auf das Übergangsstück 3.
Aufgrund der gegenüber der Senkrechten auf das
Übergangsstück geneigten Lochachse haben die Geometrien BIl und CIl eine geringere Penetrationstiefe. Jedoch ist dadurch eine erhöhte Verwirbelung des Fluids in Nachbarschaft des Übergangsstückes gewährleistet.
Mit Geometrie A12 kann ein großes Volumen an Fluid in die Vormischkammer gefördert werden. Durch die Verengung der Löcher in Richtung zur Vormischkammer hin wird gleichzeitig ein Injektoreffekt erzielt, welcher zu hohen Verwirbelungen in der Vormischkammer führt. Die Geometrie B12 führt dagegen zu einer geringeren Penetrationstiefe. Im allgemeinen gilt: wenn der Zufluß durch die Einlasse 25 in die Vormischkammern 2 groß ist, soll mit der über den Einlauf 8 in den Dispergierraum und von dort in die Vormischkammer 2 zugeführten Flüssigkeit eine große Eindringtiefe in die Vormischkammer erzielt werden.
In Figur 7 ist ein Schnitt durch ein Übergangsstück in einer schematischen Darstellung der Fluidbewegung beim Betrieb des Rotor-Stator-Systems gezeigt. Man erkennt die Stege 39 des Übergangsstücks, welches am Übergang zwischen der Vormischkammer 2 und dem Dispergierraum angeordnet ist, welcher zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 4 besteht. Der Rotor 4 trägt Rotorzähne 5. Drehen sich die Rotozähne 5 unter dem Übergangsstück 3 hinweg, entstehen Bereiche mit einem Überdruck vor dem Rotorzahn, so daß Flüssigkeit aus dem Dispergierraum durch die Kanäle 31 in die Vormischkammer 2 gefördert wird. Während die Flüssigkeit am Rotorzahn entlang in Richtung auf das Übergangsstück beziehungsweise die Vormischkammer gefördert wird, kann es bei der Passage des Rotorzahns, dessen Geometrie weiter unten näher beschrieben wird, zur Ausbildung von Jet- Streams und Unterdrücken kommen. Mit "Jet-Stream" wird in Anlehnung an den meteorologischen Fachbegriff eine strahlförmig ausgerichtete Strömung bezeichnet, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit deutlich höher als in der Umgebung des Jet-Streams ist.
Die in Figur 7 gezeigte schematische Darstellung illustriert eine vereinfachte Modellvorstellung, welche nicht den Anspruch erhebt, die tatsächlich herrschenden Strömungsverhältnisse vollständig wiederzugeben.
In Figur 8 ist ein Stator gemäß der Erfindung in Außenansicht gezeigt. Der Statorkopf 11 hat eine Einlaufbohrung 25, welche den Zulauf zu einer Vormischkammer 2 im Inneren des Stators ermöglicht. Der Statorkopf 11 ist mit einem Zahnkranz 123 versehen. Der
Stator weist einen Schnellverschluß 109 auf, mit welchem er an den Behälter 101 (vergl. Figur 1) montiert werden kann. An die Bohrung 25 kann ein Einlaufrohr mit Ventil, wie in Figur 1 dargestellt, montiert werden. Der Stator weist Statorzähne auf, welche parallel zu seiner Längsachse (im Bild vertikal) verlaufen.
In Figur 9 ist ein Statorrumpf 12 eines Stators mit zwei Zahnkränzen gezeigt. Parallel zur Längsachse 14 des Statorrumpfes verlaufen ein innerer Zahnkranz 124 und äußerer Zahnkranz 123. Die Zähne des inneren Zahnkranzes sind etwa ein halb so lang wie die Zähne des äußeren Zahnkranzes. Der Statorrumpf weist Durchgangslöcher auf, durch die er mit Hilfe von Schrauben am Statorkopf befestigt werden kann.
In Figur 10 ist eine Ausführungssform des erfindungsgemäßen Rotor-Status-Systems gezeigt. Oben ist der Stator 1 abgebildet. Der Stator 1 weist einen inneren und einen äußeren Zahnkranz 123, 124 auf. Im Zentrumsbereich des Stators 1 befindet sich der Einlaß 15, durch welchen im Anschluß an den Einlaß 8 Fluid aus dem Vorlagenbehälter 101 (vergleiche Figur 1) in den Dispergierbereich gelangen kann. Im Inneren des Stators 1 sind zwei Vormischkammern 2 angeordnet, an deren Übergang 27 zum Dispergierbereich Übergangsstücke 3 mit Schlitzen angeordnet sind.
Der Stator 1 bildet zusammen mit einem Rotor ein Rotor- Stator- System gemäß der Erfindung. In radialer Richtung gesehen von der Rotationsachse des Rotors aus besteht zwischen dem Rotor und dem Stator ein Spalt. Die Breite dieses Spaltes beträgt etwa 0 , 1 mm bis etwa 1,5 mm. Die Spaltweite wird der Dispergieraufgäbe angepaßt. W
erden Vormischkammern sowohl über dem inneren als auch über weiter außen liegenden Zahnkränzen des Rotors vorgesehen, um bei einem einzigen Durchlauf durch das Rotor- Stator- System Medien mit relativ hoher Viskosität innen und Medien mit relativ geringer Viskosität außen zuzugeben, kann die Spaltweite von beispielsweise 0,35 mm bei Zugabe über gleich weit von der Zentrumsachse entfernten Vormischkammern auf 0 , 8 mm erhöht werden, um größere Tröpfchen zu erhalten. Ein solcher Rotor des erfindungsgemäßen Rotor-Stator- Systems kann beispielsweise wie der in Figur 10 unten dargestellte gestaltet sein. Dieser Rotor 4 hat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Trägerplatte 42, welche eine inneren Zahnkranz 424 und einen äußeren Zahnkranz 423 trägt. Die Zähne 5 weisen in Aufsicht eine prallelogrammartige Form auf. Es ist hervorzuheben, daß die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vormischkammern nicht auf eine derartige bestimmte Zahngeometrie beschränkt ist . Vielmehr kann die Erfindung eines Stators mit innenliegenden Vormischkammern mit allen Zahngeometrien beziehungsweise Rotoren arbeiten, die einen Druck in Richtung auf die Vormischkammer vom Dispergierraum aus gesehen aufbauen können.
Zum Vergleich ist Figur 11 ein Rotor und ein Stator eines herkömmlichen Rotor-Stator-Systems gezeigt. Bezogen auf die Erfindung erkennt man deutlich die Unterschiede in der Gestaltung des Stators (rechts in Figur 11) , welcher keine Vormischkammern aufweist, sowie dies Rotors (links in Figur
11) , welcher wesentlich mehr Zähne aufweist, die jedoch keine Zahnkränze bilden und unterschiedliche Ausrichtungen zu einer Radialen von der Rotationsachse des Rotors aus haben .
In den Figuren 12 bis 16 ist für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung die Geometrie des Rotors und insbesondere der Rotorzähne 5 dargestellt. Der Rotor 4 weist eine Trägerscheibe 42 auf mit einem Durchgangsloch koaxial zur Rotationsachse 14 des Rotors. Dieses
Durchgangsloch dient dem Anschluß des Rotors 4 an die Antriebswelle 115 zur Verbindung mit dem Motor 116 (vergleiche Figur 1) . Die Trägerscheibe 42 des Rotors 4 trägt Rotorzähne 5. Die Außenmaße des Rotors und die Höhe der Rotorzähne werden gemäß der Erfindung in Abstimmung auf die Nennleistung des Motors und somit des Rotor-Stator-Systems gewählt. Die folgende Tabelle gibt einen beispielhaften Überblick über geeignete Kombinationen der genannten Parameter.
Außendurchmesser Nennleistung des Höhe der Rotorzähne des Rotors in mm Motors in kW in mm
50 2,2 8 bis 10
75 5,5 10 bis 12
100 11 12 bis 18
150 22 18 bis 24
175 30 bis 45 24 bis 32
285 55 bis 75 24 bis 40
Rotor-Stator-Systeme können ein- oder mehrstufig ausgebildet sein, als Beispiel wird hier eine zweistufige Dispergiermaschine gezeigt. Es handelt sich um ein Rotor- Stator-System mit zwei Zahnkränzen des Rotors, einem inneren und einem äußeren Zahnkranz . Der innere Zahnkranz 424 weist 4 Rotorzähne auf. Der äußere Zahnkranz 423 weist acht Rotorzähne auf. Dieses Verhältnis 1 zu 2 ist gewählt um in der Maschine einen kontinuierlichen Druckaufbau von innen nach außen zu gewährleisten. Auch ein anderes Verhältnis, zum Beispiel 1 zu 3 , bringt einen solchen Erfolg.
Die Rotorzähne des inneren Zahnkranzes 424 haben eine Breite, gemessen in radialer Richtung von der Rotationsachse 14 aus, welche zirka doppelt so groß ist wie die Breite der Rotorzähne des äußeren Zahnkranzes 423 (siehe Figur 12 links oben) . Ein Rotorzahn 5 weist eine der Zentrumsachse 14 des Rotors 4 zugewandte Innenseite 51 und eine der Außenkante der Trägerscheibe 42 zugewandte Außenseite 52 auf. In Drehrichtung des Rotors 4 vorne liegend befindet sich die Vorderseite 53 des Rotors. In Drehrichtung des Rotors hinten liegend ist die Rückseite 54 des Rotorzahns. Auf der von der Trägerscheibe 42 abgewandten Seite wird ein Rotorzahn von der Oberseite 55 des Rotorzahns abgeschlossen. Die Rotorzähne des inneren Zahnkranzes haben einen Abstand di von der Zentrumsachse 14 des Rotors gesehen, welche kleiner ist als der Abstand d2 der Rotorzähne des äußeren Zahnkranzes 423.
Die Vorderseite 53 eines Rotorzahns 5 ist gegenüber einer radial von der Rotationsachse 14 des Rotors 4 aus verlaufenden Bezugslinie 57 um einen Winkel α6 bezogen auf die Drehrichtung des Rotors nach hinten geneigt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Rückseite 54 des Rotorzahns im wesentlichen senkrecht zur Trägerscheibe 42 orientiert. Die Rückseite des Rotorzahns kann jedoch auch beliebige andere Orientierungen aufweisen. Im Betrieb des Rotor-Stator-Systems bewirkt die Neigung der Vorderseite des Rotorzahns um den Winkel α6 eine radiale Beschleunigung des Produktes bei der Behandlung im Dispergierraum.
Die Vorderseite 53 weist einen Bereich 56 auf, welche gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe 42 des Rotors 4 um einen Winkel α4 nach hinten geneigt ist. Durch den Versatz des Bereiches 56 der Vorderseite 53 um den
Winkel α4 wird im Betriebszustand des Rotor-Stator-Systems auf das Fluid im Dispergierraum eine Druckkomponente aufgeprägt, welche das Fluid in Richtung des Statorkopfes und insbesondere in die Vormischkammern hinein fördert . Zudem wird durch die Neigung des Bereiches 56 der Vorderseite des Rotorzahns um den Winkel α4 beim Passieren der im wesentlichen quaderförmig und parallel zur Rotationsachse 14 verlaufenden Statorzähne der Turbulenzgrad der Strömung erhöht .
Während vorzugsweise der Bereich 56 der Vorderseite, welcher um den Winkel α4 nach hinten geneigt ist, im unteren Bereich der Vorderseite, also der Trägerscheibe 42 zugewandt, angeordnet ist, weist der Rotorzahn 5 der in den Figuren 12, 13, 14 und 16 gezeigten Ausführungsbeispiele an seiner Vorderseite 53 einen oberen Bereich 58 auf, welcher in Bezug auf eine parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe 42 verlaufende Bezugslinie 45 nach unten in Drehrichtung des Rotors 4 um einen Winkel α5 geneigt ist. Durch die Neigung dieses oberen Bereiches 58 der Vorderseite 53 des Rotorzahns 5 um den Winkel Ot5 wird die durch die Neigung α4 des Bereiches 56 der Vorderseite des Rotorzahns 5 erzeugte, von der Trägerscheibe 42 weg, orientierte Druckkomponente des Fluids noch erhöht. Dies trägt zur Bildung von Jet-Streams an den entsprechenden Bereichen in der Nachbarschaft des Bereiches 58 des Rotorzahns 5 im Dispergierraum beim Betrieb des Rotor- Stator-Systems bei.
Gemäß der Modellvorstellung ist der Jet-Stream besonders dort stark ausgeprägt, wo die Rotorzähne Bereiche des Statorkopfes passieren, welche nicht in eine Vormischkammer übergehen. Durch die mehrteilige Ausbildung der Vorderseite 53 mit den um die Winkel Ot4 beziehungsweise α5 geneigten
Bereiche 56 und 58 wird eine zusätzliche Dispergierkante am Rotorzahn bereitgestellt. Durch die zusätzliche Dispergierkante wird die Effizienz der Dispergierung gegenüber einem Rotorzahn mit lediglich einer Kante am Übergang der Vorderseite in die Oberseite des Rotorzahns erhöht .
Zwischen der von der Trägerseite 42 abgewandten oberen Begrenzung der Rückseite 54 des Rotorzahns 5 und der oberen Begrenzung des oberen Bereichs 58 der Vorderseite 53 des Rotorzahns verläuft die Oberseite 55 des Rotorzahns. Gemäß den in den Figuren 12, 13, 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Oberseite 55 von ihrem in Rotationsrichtung des Rotors vorne liegenden Beginn am oberen Ende des Bereichs 58 hin zu ihrem rückwärtigen Ende am Übergang zur Rückseite 54 des Rotorzahns abgetragen. In der Detailzeichnung rechts oben in Figur 12 ist eine entsprechend gebogen verlaufende Kontur der Oberseite 55 des Rotorzahns 5 gezeigt, wie sie beispielsweise durch Ausfräsen hergestellt werden kann. Die in Bezug auf die Linie 45 betrachtete Tiefe der Ausfräsung ist ein Maß dafür, wie weit Fluid aus der Vormischkammer in den Dispergierraum eingezogen werden kann, wenn der Rotorzahn 5 im Betrieb des Rotor-Stator-Systems den
Übergang von der Vormischkammer in den Dispergierraum passiert. Statt der im Längsschnitt bogenförmigen Ausfräsung (siehe Figur 12) kann beispielsweise auch eine einfache Abschrägung (siehe Figuren 13, 15 und 16) gewählt werden.
In Bezug auf die Gestaltung des Rotorzahnes bietet die Erfindung unterschiedliche Möglichkeiten, durch die Formgebung die Strömungsverhältnisse im Dispergierraum beim Betrieb des Rotor-Stator-Systems zu beeinflussen und dabei insbesondere die Vorraussetzungen für einen erhöhten Turbulenzgrad im Vergleich zu herkömmlichen Bauformen (siehe Figur 11) zu schaffen. Alle in den Figuren 12 bis 17 gezeigten Beispiele erfüllen diese Anforderungen und bieten durch die im Längssschnitt erkennbaren Abschrägungen am Rotorzahn mindestens eine zusätzliche Dispergierkante imVergleich zu im wesentlichen quaderförmigen Rotorzähnen, indem die Rotorzähne gemäß der Erfindung eine gezackte Oberfläche auweisen.
Die Rotorzähne sind durch die oben beschriebene Konstruktion so ausgelegt, daß sowohl eine radiale Förderrichtung durch den Dispergierraum entsteht, welche insbesondere durch den Winkel α6 realisiert wird, als auch eine axiale Druckkomponente auf den Stator hin, hier also aus dem Dispergierraum in die Vormischkammer, welche insbesondere durch den Winkel α4 realisiert wird. Passiert ein Rotorzahn den Übergang zwischen den Vormischkammer und dem Dispergierraum, entsteht äußerst schnell, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, an jedem
Rotorzahn ein Über- sowie ein Unterdruck, der an das Fluid in der Vormischkammer weitergegeben wird, wodurch in der Vormischkammer starke Verwirbelungen der beiden Phasen ineinander entstehen. Durch die Absenkung der Oberseite 55 des Rotorzahns in Bezug auf die Bezugslinie 45, wird ein Unterdruck erzeugt, so daß Fluid gleichzeitig aus der Vormischkammer in den Dispergierraum gezogen wird.
In Figur 7 ist die Modellvorstellung für die oben beschriebene Fluidbewegung schematisch dargestellt. Die
Zerkleinerungswirkung des Rotor-Stator-Systems kann durch die Wahl der Geometrie, insbesondere durch die Wahl des Winkels Ot4 des Rotorzahns, in Abstimmung auf die Umfangsgeschwindigkeit des Rotorzahns und den Durchsatz durch die Dispergiermaschine vom Fachmann eingestellt werden. Der Winkel α4 und Umfangsgeschwindigkeit der Rotorzähne bestimmen hauptsächlich das Volumen an Fluid, welches vom Dispergierraum aus in die Vormischkammern hineingefördert wird. Je größer α4 bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit ist, desto größer ist dieses Volumen.
Das Volumen der über die Vormischkammern zudosierten zweiten Komponente beziehungsweise weiteren Komponenten hängt hauptsächlich von den gewählten Einstellungen der Pumpen im Zulauf 25 ab. Beispielsweise über eine Kombination dieser Pumpen mit einem Frequenzumrichter kann die gewünschte Pumpeneinstellung vorgegeben werden. Durch Positionieren eines Durchflußmessers im Zulauf 25 kann der dem Dispergierraum zugeführte Volumenstrom über den Zulauf 25 angezeigt werden.
In Figur 17 sind weitere Varianten für die Geometrie des Rotorzahns 5 dargestellt. Der in Figur 17a dargestellt
Rotorzahn 5 hat eine Vorderseite mit einem, bezogen auf die Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe 42, senkrecht verlaufenden unteren Bereich und einem nach hinten, in Bezug auf die Drehrichtung des Rotors mit dem Rotorzahn 5, geneigten oberen Bereich. Die Oberseite des Rotorzahns verläuft parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe. In Figur 17b wurde die Oberseite 55 des Rotorzahns 5, verglichen mit der in Figur 17a dargestellten Gestaltung, abgeschrägt. Die in Figur 17c dargestellt Ausführungsform des Rotorzahns hat eine geneigte
Vorderseite 53, eine parallel zur Hauptausdehnungsrichtung der Trägerscheibe verlaufende Oberseite 55 und eine Rückseite 54, welche auf die Vorderseite 53 zugeneigt ist. Durch eine derartige Neigung der Rückseite 54 kann die Einzugswirkung, welche oben für eine abgesenkte Oberseite 55 des Rotorzahns beschrieben ist, verstärkt werden.
In Figur 18 ist eine Modellvorstellung zur Wirkung unterschiedlicher Gestaltungen von Rotorzähnen auf die Strömungsverhältnisse in deren Nachbarschaft im Betrieb des Rotor-Stator-Systems gezeigt. Bei der Darstellung des Stators 1 wurde ein Bereich gewählt, welcher keine Vormischkammern aufweist, um die Aufmerksamkeit auf die Strömungsverhältnisse in Nachbarschaft des Rotorzahns zu lenken.
In Bild 14a ist ein Rotorzahn mit flacher Ausfräsung der Oberseite dargestellt. Ein solche Gestaltung wird typischerweise für geringe bis mitterle Zugabemengen der über den Einlaß 25 über die Vormischkammer zugeführten Komponenten der herzustellenden Dispersion verwendet. Geringe bis mittlere Zugabemengen entsprechen einem Anteil der betreffenden Komponente an der fertigen Dispersion von etwa 5 Vol.-% bis etwa 30 Vol. -Sr .
Der in Figur 18a dargestellte Rotorzahn 5 zeigt zudem einen fließenden Übergang von der Trägerscheibe 42 des Rotors zum Rotorzahn im unteren Bereich seiner Vorderseite 53. Durch eine derart fließende Gestaltung am Ursprung der Vorderseite des Rotorzahns aus der Trägerscheibe reduzierten Totzonen für das Fluid im Dispergierraum. In Figur 18b ist ein Rotorzahn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer im Vergleich zu dem in Figur 18a dargestellten Rotorzahn sehr tiefen Einbuchtung der Oberseite 55 des Rotorzahns gezeigt. Eine solche Gestaltung kann für mittlere bis große Zugabemengen der über den Zulauf 25 durch die Vormischkammern in den Dispergierraum zugeführten Komponenten der Dispersion verwendet werden. Mittlere bis große Zugabemengen der entsprechenden Komponente bedeuten einen Anteil dieser
Komponente im Bereich zwischen mehr als etwa 30 Vol.-% und etwa 80 Vol.-% der herzustellenden Dispersion.
Mit den in Figur 18 vom Stator 1 zum Rotor hin verlaufenden senkrechten gestrichelten Linien sind der Statorzähne angedeutet . Wo ein Rotorzahn einen solchen geraden Statorzahn passiert, entstehen gemäß der Modellvorstellung Mikroturbulenzen, die in Figur 18 mit Turbulenz I bezeichnet sind. Im Vergleich zu den mit Turbulenz II bezeichneten Jetstream-Strömungen weisen die Bereiche, in welchen Mikroturbulenzen erzeugt werden, viele energiereiche kleine Wirbel im Fluid des Dispergierraums auf .
Figur 19 illustriert eine Modellvorstellung der Herstellung einer Emulsion in einem erfindungsgemäßen Rotor-Stator- System. Links ist der mit 2 gekennzeichnete Bereich dargestellt, welcher eine Emulsion beim Durchlaufen des Dispergierraums 7 zeigt. Im Anschluss an die Behandlung im Dispergierraum kann beim Durchströmen des Auslasses 9 noch eine weitere Stabilisierung der Tropfen der Emulsion stattfinden.
Nach dem ersten Kontakt der beiden Phasen der Emulsion in der Vormischkammer (Beginn ganz links in Figur 19) werden die beiden Phasen vermischt, und es bilden sich Tropfen der dispersen Phase in der kontinuierlichen Phase. Im dargestellten Beispiel der Emulsion ist die disperse Phase eine lipophile Phase und die kontinuierliche Phase eine wässrige Phase. In der kontinuierlichen Phase sind Emulgatormoleküle gelöst. Diese sind in der kontinuierlichen Phase in einer derartigen Menge vorgelegt, dass sich zumindest zu Beginn des Prozesses teilweise Mizellen aus Emulgatormolekülen bilden.
Sobald durch den Kontakt der dispersen Phase mit der kontinuierlichen Phase eine Grenzfläche zwischen den lipophilen und wässrigen Fluiden bereitgestellt wird, beginnen die Emulgatormoleküle, sich an dieser Grenzfläche anzulagern. Beim Durchlaufen der Vormischkammer werden die zunächst großen Tropfen der dispersen Phase weiter zerkleinert. Dabei lagern sich zunehmend Emulgatormoleküle an der Grenzfläche zwischen disperser und kontinuierlicher Phase an. Die Zerkleinerung der Tropfen und die Stabilisierung der Grenzfläche durch Emulgatormoleküle setzt sich beim Durchlaufen des Dispergierraums 7 fort. Auch während des Durchströmens der den Dispergierraum 7 verlassenden Emulsion durch den Auslaß 9 kann der Vorgang der Stabilisierung der gebildeten Tröpfchen durch Emulgatormoleküle fortgesetzt werden.
Zum Ablauf der Zerkleinerung der zunächst großen Tropfen der dispersen Phase insbesondere beim Durchlaufen der Vormischkammer wurde des Weiteren eine detailliertere Modellvorstellung entwickelt. Demnach erfolgt die
Deformatin und der Aufbruch der Tropfen zumindest teilweise unter Beteiligung Bäcker-Transformation (siehe zum Beispiel Joseph Maria Henri Janssen: Dynamics of Liquid-Liquid Mixing, Chapter 2, Thesis 1993, University of Eindhoven, NL, ISBN 90-386-0402-5) .
Die Modellvorstellung zur Deformation von Fluidelementen durch die Bäcker-Transformation ist in Figur 20 schematisch dargestellt. Die Bäcker-Transformation wurde nach dem Vorgang des Teigknetens benannt. Ein Teig wird in die doppelte Länge gezogen und dann zusammengefaltet, so daß die beiden Enden übereinander liegen. Diese Prozedur wiederholt sich, bis eine gute Vermischung entstanden ist. Zwei Teilchen, die ursprünglich nahe beisammen waren, sind nach kurzer Zeit weit voneinander entfernt.
Die Darstellung für die Modellvorstellung zur Deformation von Fluidelementen geht von einem betrachteten Fluidelement in umgebenden Medium aus (Figur 20A) . Dieses Fluidelement wird durch Dehnung in die Länge gezogen (Figur 20B) , wobei seine Höhe und Breite entsprechend abnimmt. Dann wird das Fluidelement gefaltet (Figur 20C) . Nach der Faltung setzt sich das Dehnen und Falten fort (Figuren 2OD bis 20F) , wobei das Fluid des betrachteten Elements und das umgebende Medium miteinander vermischt werden. Durch diese Bäcker- Transformation führen Dehnen und Falten durch die abwechselnde Folge zu einem exponentiellen Fortschritt des Mischens .
In Figur 21 ist die Vermischung der kontinuierlichen und der dispersen Phase unter Ausbildung von Tropfen in der Vormischkammer noch einmal illustriert, und zwar im Vergleich zu der Darstellung in Figur 19 unter Berücksichtigung der Bäcker-Transformation. Dadurch entstehen Schlieren bis hin zu Blasen der die Tropfen bildenden dispersen Phase, welche dann beim Durchgang durch den ersten und zweiten Zahnkranz des Rotors 5 im Dispergierraum 7 zu kleineren Tropfen aufgebrochen werden. Die Umfangsgeschwindigkeit und damit insbesondere die Scherrate nimmt beim Weg des Fluids von der Vormischkammer über den inneren Rotorkranz und den äußeren Rotorkranz kontinuierlich zu, bis das Maximum erreicht wird, dadurch wird der kontrollierte Tropfenaufbruch gefördert. Dann folgt eine turbulente Stabilisation im Auslaßkanal und der Zirkulationsleitung.
Diese intensive Mischung der dispersen und der kontinuierlichen Phase in der Vormischkammer wird durch das Zusammenwirken mit den erfindungsgemäßen Rotoren begünstigt, wenn die äußere Phase durch die axiale
Komponente der Strömungsrichtung an den Rotorzähnen in die Vormischkammer nach Art eines Injektors hineingedrückt wird. Der dabei entstehende Strahl schneidet die disperse Phase zu Schlieren, die durch die schlagartige Richtungsumkehr (Unterdruck) gefaltet werden. Das Prinzip läßt sich wie das Kneten eines Pizza-Teiges verstehen, wobei die äußere Phase in die Schliere eingebettet wird. Der Schlüssel für das Ziehen und Falten der Fluidelemente liegt in dem durch die Erfindung ermöglichten schlagartigen Wechseln zwischen Über- und Unterdrück an jeder Öffnung der Vormischkammer .
Ein Zweck der Vormischkammer ist die Minimierung von unregelmäßiger Tröpfchenbildung vor der Hochenergie- Dispergierung im Dispergierraum. Eine feine, homogene
Rohemulsion beziehungsweise Rohdispersion verhindert eine Überkonzentration von Tröpfchen (Clusterbildung) und garantiert eine feine, homogene Emulsion beziehungsweise Dispersion nach der Hochenergie-Zone, speziell bei einem Durchgang (inline) . Demgegenüber birgt eine
Überkonzentration von Tröpfchen die Gefahr einer Phasenumkehr .
Ein weiterer Zweck der Vormischkammer ist es, den Dispergiervorgang in einem Durchgang zu erreichen, ohne daß sich der Emulgator vor oder beim Dispergieren voll um die Tröpfchen legt. Somit wird ein wontinuierliches Aufbrechen der Tröpfchen erreicht, während der Emulgatorfilm noch nicht vollständig ist. Dies führt zu höherer Effizienz beim Tropfenaufbruch und zu kleineren Tröpfchen und ist besonders wichtig bei StoffSystemen mit hohen Viskositätsunterschieden zwischen disperser und kontinuierlicher Phase.
Die oben beschriebene Erfindung der Vormischkammer kann nicht nur in Statoren für Rotor-Stator-Systeme von Dispergiermaschinen, sondern auch in Pumpen, Rührwerken und ähnlichen Apparaten, in welchen mehrere zumindest teilweise flüssige Komponenten miteinander vermischt werden sollen, eingesetzt werden. In Figur 22 ist eine schematische Skizze einer Vormischkammer gezeigt, die in ein Pumpengehäuse eingeschweißt werden kann. Die Vormischkammer wird beispielsweise aus einem soliden Edelstahlstück gefertigt und entspricht in ihrer Geometrie der beispielsweise in Bezug auf Figur 2 gegebenen Beschreibung.
Die Vormischkammer wird auf der druckerzeugenden Seite des Apparates angebracht. Durch den Überdruck des bewegten Teiles, also beispielsweise des Rotors oder des Rührers oder der bewegten Pumpenkomponente, wird die geförderte
Komponente der Dispersion in die Vormischkammer gedrückt. Der Wechsel von Überdruck und Unterdruck in Folge der Bewegung des Dispergierelements beziehungsweise des bewegten Pumpenteils, drückt beziehungsweise saugt das zunehmend homogenisierte Vorgemisch aus der Vormischkammer.
Bei sehr hochviskosen Produkten kann nach dem Durchlauf durch eine mit einer Vormischkammer ausgerüsteten Pumpe, eine Nachvermischung durchgeführt werden. Dazu können beispielsweise statische Mischer oder Rührwerktanks und ähnliche Anordnungen eingesetzt werden.
Die Zuführung von Komponenten in die Vormischkammern erfolgt durch Zulaufrohre entsprechend den Zuläufen 25 in Figur 1. Durch Pumpen wie beispielsweise Verdrängerpumpen, werden die Rohstoffe in die Vormischkammern zugeführt.
In Figur 23 ist eine Vorderansicht einer mit einer Vormischkammer ausgerüsteten Pumpe im Pumpengehäuse dargestellt. Die Pumpe weist einen Einlaß 8 für ein Fluid auf und einen weiteren Einlaß 81 für ein weiteres Fluid, durch welchen dieses in die Vormischkammer 2 zugeführt wird. Durch einen Auslaß 9 wird die Mischung der Fluide aus der Pumpe abgezogen. Die Vormischkammer liegt in der Darstellung in Figur 23 links vom Pumpenauslaß 9. Die Drehrichtung der bewegten Pumpenkomponente ist in der Zeichnungsebene entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Pumpenräder können als Standardpumpenräder wie zum Beispiel solche von Zentrifugalpumpen ausgeführt sein und übernehmen die Funktion des Rotors in der obigen Beschreibung der Rotor- Stator-Systeme .
Beispiel 1
Eine Dispergiermaschine mit einem Rotor und einem Stator gemäß der Erfindung hat eine Nennleistung von 30 kW. Der Rotor hat einen Außendurchmesser von etwa 175 mm. Der Stator weist vier Vormischkammern auf, welche über dem inneren der beiden Rotorkränze des Rotors angeordnet sind. Die Vormischkammern haben eine Länge von jeweils etwa 10 cm, gemessen entlang der Hauptausdehnungsrichtung der Vormischkammern. Senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung sind sie etwa 1,2 cm breit. Sie haben eine mittlere Tiefe von etwa 2 cm, gemessen vom Übergangsbereich der Vormischkammer in den Dispergierraum aus, in das Innere des Stators hinein. Jede Kammer hat ein Volumen von etwa 24 cm3.
Es wird angenommen, das dieses Volumen von jedem in Betrieb des Rotor-Stator-Systems die Vormischkammer passierenden Rotorzahn ausgewaschen wird. Das bedeutet bei 3000 Umdrehungen/Minute und vier Zähnen auf dem inneren Rotorkranz einen Durchsatz von 288.000 cm3/Min oder 0,288 m3/Min oder 17,3 m3/h für jede Vormischkammer.
Bei einem Konzentrationsverhältnis der über die Vormischkammern zugeführten (bei einer Emulsion beispielsweise inneren) Phase zu der im Dispergierraum vorgelegten (am Beispiel einer Emulsion äußeren) Phase von 40 Vol.-% können somit 7 m3/h innere Phase pro Vormischkammer verarbeitet werden. Dies ergibt bei vier Vormischkammern ein mögliches einzubringendes Volumen von 28 m3 in jeder Stunde. Damit ist die Dispergiermaschine gemäß der Erfindung herkömmlichen Apparaten weit überlegen.
Beispiel 2
Für das Verdünnen von Substanzen mit Wasser, wobei ein Übergangszustand durchlaufen wird, in welchem eine dispersionsartiges System aus der Substanz und Wasser vorliegt, bietet die Erfindung weitere Vorteile. Ein Beispiel für solche Substanzen sind waschaktive Substanzen (WAS) wie zum Beispiel AE3S 70%, LES 70% und ähnliche Substanzen. Diese Rohstoffe müssen in einem Durchgang durch die für das Verdünnen eingesetzte Maschine auf einen Volumenanteil von unter 30% in Wasser verdünnt werden, da sich sonst eine hexagonale Phase einstellen kann, welche eine Viskosität aufweisen kann, die um den Faktor 10 höher ist als die Viskosität des ursprünglichen Rohstoffes.
Herkömmliche Maschinen weisen oft das Problem auf, dass die zu verdünnende Substanz nicht genügend mit Wasser in
Kontakt gebracht werden kann, so dass örtlich Überkonzentrationen in Bereichen entstehen, wo die beiden Phasen zusammengeführt werden. Diese örtlichen Überkonzentrationen führen beim Verdünnen von waschaktiven Substanzen mit Wasser zu so genannten Fischaugen
(hexagonale Phase) , die sich im weiteren Verlauf nur schwer wieder aufschließen lassen. Die Kapazitäten der herkömmlichen Dispergiermaschinen zum Verdünnen von waschaktiven Substanzen sind somit äußerst gering. Durch die erfindungsgemäße Vormischkammer dagegen, kann den besonderen Anforderungen des Verdünnens von waschaktiven Substanzen mit Wasser Rechnung getragen werden und die gewünschte Kapazität flexibel angepaßt werden.
Hochkonzentrierte waschaktive Substanzen mit einem Anteil von 70 Vol.-% der Substanz in Wasser gelöst (WAS 70%) wie AE3S, LES oder ähnliche, werden in einem Standardcontainer von etwa 23.000 kg angeliefert. Die Entladezeit liegt bei ca. 60 bis 90 Minuten und ist begrenzt durch die Rohranschlüsse der Container und die hohe Viskosität des Produkts . Die WAS wird in Lagertanks zwischengelagert und dann kontinuierlich auf eine Konzentration von 25 Vol.-% waschaktiver Substanz in Wasser verdünnt. Für die Produktion wird die derart verdünnte waschaktive Substanz in anderen Lagertanks bereitgehalten.
Traditionelle kontinuierliche Verdünnungsanlagen sind teuer. Damit sich die Kosten in Grenzen halten, wird die Größe auf den Bedarf eingestellt. Bei Änderungen der Anwendungen ist der Nutzer somit durch die vorhandene
Verdünnungsanlage limitiert.
Eine Anlage mit erfindungsgemäßen Vormischkammern dagegen ist in der Lage, die zuzuführende Menge von waschaktiver Substanz für die Verdünnung direkt aus dem Container, in welchem die Substanz angeliefert wird, in einem kontinuierlichen Prozess zu verdünnen. Nach Bedarf kann auch ein Batch-Verfahren angewendet werden, wozu dann eine entsprechend kleinere Maschine mit Vormischkammern eingesetzt wird. Zum Beispiel können mit einer
Dispergiermaschine gemäß der Erfindung 455 kg/Min Wasser unter Kontrolle durch einen Durchflußmesser dem Stator zugeführt werden, so dass dieser Volumenstrom an Wasser in den Dispergierraum gelangt . Durch die Zuläufe zu Vormischkammern werden 255 kg/Min waschaktive Substanz zugepumpt. In einem Durchlauf ist die waschaktive Substanz dann gemäß der Erfindung auf einen Volumenanteil von 25% verdünnt. Für diese Anwendung kann die kommerziell erhältliche Dispergiermaschine des Anmelders LEXA-MIX LM30, mit einer Nennleistung von 30 kW eingesetzt werden. Die Verarbeitung solch hoher Rohstoffmengen, sowohl im kontinuierlichen als auch im Batch-Prozess ist mit herkömmlichen Dispergiermaschinen, welche einen Durchsatz von 25-80 kg/Min an zu dispergierender Substanz ermöglichen, nicht möglich.
Des Weiteren bietet die Erfindung den Vorteil, die Investitionskosten deutlich senken zu können. Die
Anschaffungskosten für eine typische kontinuierliche Anlage zum Verdünnen waschaktiver Substanzen kostet im Jahr 2008 ca. 180.000,- EUR. Die genannte LEXA-MIX Dispergiermaschine dagegen hat Anschaffungskosten von lediglich 50.000,- EUR im Jahr 2008.
Beispiel 3
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung besteht im kontinuierlichen Herstellen von Emulsionen mit einem großen inneren Phasenanteil, sogenannten HIP-Emulsionen (High Internal Phase-Emulsion) , wie zum Beispiel Mayonnaise. Im betrachteten Beispiel werden 10.000 kg/h Mayonnaise mit einer Wasserphase von 20 Vol.-% und einer Ölphase von 80 Vol.-% hergestellt. Die Ölphase bildet die disperse Phase einer Öl-in-Wasser-Emulsion. Wasserphase und Ölphase werden der Maschine im richtigen Mengenverhältnis kontrolliert über Durchflußmesser über die Zuläufe zur Vormischkammer (Ölphase) und durch den Stator in den Dispergierraum (Wasserphase) zugeführt. Soll eine große Menge Öl in eine im Verhältnis kleine Menge Wasser eingearbeitet werden, muss eine große Grenzfläche zwischen den beiden Phasen geschaffen werden. Das kontinuierliche Erzeugen einer solch großen Grenzfläche verbunden mit einer gewünschten homogenen Verteilung der Öltröpfchen in der Wasserphase wird durch die erfindungsgemäße Dispergiermaschine mit Vormischkammer möglich. Falls erforderlich kann eine zweite Dispergiermaschine, welche mit einer ersten in Reihe geschaltet wird, dazu genutzt werden, weitere Zusatzstoffe wie zum Beispiel Zitronensaft kontinuierlich in die in der ersten Dispergiermaschine hergestellte Emulsion einzubringen .
Die Dispergiermaschine kann insbesondere so ausgelegt werden, dass sie ein größeres Volumen, zum Beispiel das drei- bis fünffache des eigentlichen Produktionsvolumen, in einem Bypass umpumpt, um eine optimale Homogenität des Produktes zu erreichen.
Sämtliche Rohrleitungen der Dispergiermaschine können kühlbar ausgestaltet sein. Eine Kühlung ist in der Regel jedoch nicht nötig, da sich die Wärmeentwicklung durch die großen Durchsätze und geringen Verweilzeiten gemäß der Erfindung für die meisten Produkte in Grenzen hält.
Beispiel 4
Beim Einbringen von größeren Wassertröpfchen als Tropfen mit geringer Viskosität in ein deutlich festeres Make-up auf Basis von Silikon sollen die Tröpfchen der Wasserphase einen mittleren Durchmesser von etwa 100 μm (Mikrometer) haben, damit beim Auftragen des Make-ups die Feuchte der Wasserphase als Frischegefühl spürbar ist. Die Silikonbasis des Make-ups führt jedoch dazu, dass mit zunehmender Scherung das Make-up eine immer höhere Viskosität erhält (Shear-Thickening) . In Folge dessen würde beim Verteilen des Make-ups immer kleinere Wassertröpfchen erzeugt. Dies ist nicht erwünscht .
Durch einen Einsatz einer Dispergiermaschine mit Vormischkammern kann bei mittleren Umfangsgeschwindigkeiten, welche im Bereich von etwa 10 m/s bis etwa 20 m/s liegen, die Silikonbasismasse über ein Übergangsstück mit der Gestalt BIO (vergleiche Figur 6a) in die Vormischkammer gefördert werden. Die über die Vormischkammer zugeführte Wasserphase wird in Tropfenform in der Silikonbasismasse verteilt und anschließend schonend dispergiert. Gleichmäßige Verteilung und Größe der Wassertropfen in der Grundmasse können durch geeignete Wahl der Dispergiermaschine zugeführten Volumenströme der Drehzahl des Rotors und Gestalt des Übergangsstücks bereits mit einem Durchlauf erreicht werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
Bezugszeichenliste
1 Stator
11 Statorkopf 123 äußerer Zahnkranz des Stators
124 innerer Zahnkranz des Stators
12 Statorrumpf
14 Längsachse des Stators = Rotationsachse des Rotors
Zentrumsachse des Rotors 15 Einlaß, Zulauf aus einem Vorlagebehälter in den
Dispergierbereich
17 Dispergierbereich des Stators
2 Vormischkammer
25 Zulauf, Einlauf in die Vormischkammer 27 Übergang der Vormischkammer zum Dispergierbereich
28 Umfangslinie des Übergangs der Vormischkammer zum Dispergierbereich
3 Übergangsstück, Ejektor, Injektor
31 Öffnungen, Schlitze, Löcher im Übergangsstück 32 Hauptausdehnungsrichtung des Übergangsstücks
33 Lochachse
34 Senkrechte auf das Übergangsstück
35 Mantelfläche der Öffnung im Übergangsstück
36 erster Teilbereich der Mantelfläche 37 weiterer Teilbereich der Mantelfläche
38 Schnittfläche
39 Steg
4 Rotor
423 äußerer Zahnkranz des Rotors 424 innerer Zahnkranz des Rotors
42 Trägerscheibe des Rotors
45 Parallele zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe
5 Rotorzahn 51 Innenseite des Rotorzahns
52 Außenseite des Rotorzahns
53 Vorderseite des Rotorzahns
54 Rückseite des Rotorzahns 55 Oberseite des Rotorzahns
56 Bereich der Vorderseite, welcher nach hinten geneigt ist
57 Bezugslinie
58 oberer Bereich der Vorderseite 59 unterer Bereich der Vorderseite
6 Rotor-Stator-System
7 Dispergierraum
8 Einlaß für ein Fluid in eine Dispergiermaschine oder eine Pumpe 81 Einlaß für ein weiteres Fluid in eine
Dispergiermaschine oder eine Pumpe 82 Einlaß für ein weiteres Fluid in eine Dispergiermaschine oder eine Pumpe
9 Auslaß eines Fluids aus einer Dispergiermaschine oder einer Pumpe
10 Dispergiermaschine
101 erster Vorlagebehälter
102 zweiter Vorlagebehälter
109 Schnellverschluß zum Wechseln des Statorkopfes 112 Ringkanal, Spalt zwischen äußerstem Zahnkranz des
Stators und dem Gehäuse der Dispergiermaschine 113 Gehäuse
115 Antriebswelle für den Rotor
116 Motor 117 Dichtung, mechanische Dichtung
118 Dichtung, O-Ring, statische Dichtung

Claims

Patentansprüche
1. Stator (1) für ein Rotor-Stator-System (6) zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einem Dispergierbereich (17), welcher mit einem zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotor (4) einen Dispergierraum (7) des Rotor-Stator-Systems (6) definiert und mit einem Einlaß (15) zum Zuführen einer ersten Komponente einer Dispersion in den Dispergierbereich (17) dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Stators mindestens eine Vormischkammer (2) außerhalb des Dispergierbereiches (17) angeordnet ist, welche sich in den Dispergierbereich (17) hinein öffnet, wobei der Stator (1) mindestens einen Zulauf (25) zum Zuführen einer weiteren Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die Vormischkammer (2) aufweist und wobei der Stator (1) derart ausgebildet ist, daß im Betrieb des Stators Komponenten der Dispersion von dem Dispergierbereich (17) aus und von dem Zulauf (25) aus in die Vormischkammer (2) eintreten, dort miteinander vermischt werden und aus der
Vormischkammer (2) in den Dispergierbereich (17) austreten.
2. Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zumindest zwei Vormischkammern (2) aufweist, welche jeweils einen Zulauf (25) zum Zuführen einer Komponente der Dispersion von außerhalb des Stators (1) in die betreffende Vormischkammer (2) aufweisen.
3. Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vormischkammer (2) vom Übergang zum Dispergierbereich (17) aus in den Stator (1) hinein wölbt .
4. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (2) am Übergang zum
Dispergierbereich (17) die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweist, wobei der Ausschnitt insbesondere eine durchgängig geschwungen verlaufende Umfangslinie (28) hat.
5. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Vormischkammer (2) zum Dispergierbereich (17) in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse (14) des Stators, welche der
Rotationsachse des zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotors (4) entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer (2) oberhalb eines Dispergierwerkzeuges , insbesondere eines Zahnkranzes (423, 424) des Rotors positioniert ist, wenn der Stator (1) mit dem korrespondieren Rotor (4) zu dem Rotor-Stator-System (6) kombiniert ist.
6. Stator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Vormischkammer (2) zum Dispergierbereich (17) in einem solchen radialen Abstand zur Längsachse (14) des Stators (1) , welche der Rotationsachse des zu dem Stator (1) korrespondierenden Rotors (4) entspricht, angebracht ist, daß die Vormischkammer (2) zumindest oberhalb des inneren Dispergierwerkzeuges, insbesondere des inneren Zahnkranzes (424) eines Rotors mit mehreren Dispergierwerkzeugen positioniert ist, wenn der Stator (1) mit dem korrespondieren Rotor (4) zu dem Rotor-Stator-System (6) kombiniert ist.
7. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zumindest zwei Vormischkammern (2) aufweist, die in unterschiedlichen radialen Abständen zur Längsachse (14) des Stators positioniert sind
8. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) ein Übergangsstück (3) angeordnet ist.
9. Stator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) den Übergang zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) bereichsweise oder vollständig ausfüllt.
10. Stator (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweist.
11. Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (3) in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eines oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist, wobei vorzugsweise mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung (32) des Übergangsstücks (3) verlaufen.
12. Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) durch das Übergangsstück (3) jeweils entlang einer Lochachse (33) verlaufen, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück (3) einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
13. Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (31) durch das Übergangsstück (3) von einer Mantelfläche (35) mit einem ersten Teilbereich (36) und zumindest einem weiteren Teilbereich (37) begrenzt werden, wobei zumindest ein Teilbereich (36, 37) entlang einer Schnittfläche verläuft, welche mit der Senkrechten auf das Übergangsstück (3) einen Winkel einschließt, insbesondere einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10° und etwa 80°, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 30° und etwa 60° und besonders bevorzugt einen Winkel von etwa 45°.
14. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) zweiteilig ausgebildet ist und einen Statorkopf (11) sowie einen Statorrumpf (12) umfaßt, wobei die zumindest eine Vormischkammer (2) im Statorkopf (11) angeordnet ist und der Statorrumpf (12) ein Dispergierwerkzeug des Stators, insbesondere mindestens einen Zahnkranz (123, 124) , umfaßt.
15. Stator (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Statorköpfe (11) , welche sich in Anzahl und/oder Geometrie der Vormischkammern (2) unterscheiden, auf einen Statorrumpf (12) montierbar sind, um einen Stator (1) mit auswechselbarem Statorkopf zu bilden.
16. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vormischkammer (2) als Kavität derart im Stator (1), insbesondere im Statorkopf (11), ausgebildet ist, daß ein Übergangsstück (3) als Abschluß der Kavität am Stator, insbesondere am Statorkopf, montierbar ist.
17. Statorkopf (11) für einen Stator (1) nach Anspruch 14 oder 15.
18. Übergangsstück (3) für einen Stator (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13.
19. Verwendung eines Stators (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 16 oder eines Statorkopfes (11) nach Anspruch 17 als Gehäusekomponente einer Pumpe, insbesondere einer ein- oder mehrstufigen Kreiselpumpe, oder eines Rührwerkes, insbesondere betrieben mit einem Propellerrührer oder einem Scheibenrrührer , oder einer Dispergiereinrichtung .
20. Rotor (4) , insbesondere zur Verwendung in Kombination mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, für ein Rotor-Stator-System (6) zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen mit einer bezogen auf die Zentrumsachse (14) des
Rotors rotationssymmetrische Trägerscheibe (42), aus welcher zumindest ein Rotorzahn (5) entspringt, wobei der Rotorzahn (5) eine der Zentrumsachse (14) zugewandte Innenseite (51), eine dem äußeren Rand der Trägerscheibe 42) zugewandte Außenseite (52), eine im Betriebszustand des Rotors (4) in dessen Drehrichtung gesehen vorne liegende Vorderseite (53) , eine im Betriebszustand des Rotors (4) in dessen Drehrichtung gesehen hinten liegende Rückseite (54), und eine den Rotorzahn (5) auf der der
Trägerscheibe (42) abgewandten Seite abschließende Oberseite (55) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen der Trägerscheibe (42) zugewandten unteren Bereich (59) umfaßt, welcher gegenüber der Senkrechten auf die Trägerscheibe um einen Winkel α4 nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist.
21. Rotor (4) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen Bereich (56) umfaßt, welcher gegenüber einer radial von der Zentrumsachse (14) nach außen verlaufenden
Bezugslinie (57) um den Winkel α6 nach hinten bezogen auf die Drehrichtung des Rotors im Betriebszustand geneigt ist .
22. Rotor (4) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (53) zumindest einen der
Trägerscheibe (42) abgewandten oberen Bereich (58) umfaßt, welcher gegenüber der Parallelen (45) zur Hauptausdehnungsfläche der Trägerscheibe (42) um einen Winkel α5 zur Trägerscheibe hin geneigt ist.
23. Rotor (4) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) einen ersten Zahnkranz (423) aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, Rotorzähne (5) umfaßt, die einen ersten radialen
Abstand dx von der Zentrumsachse (14) des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
24. Rotor (4) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (4) einen zweiten Zahnkranz (424) aufweist, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier, besonders bevorzugt acht, Rotorzähne (5) umfaßt, die einen zweiten radialen Abstand d2 von der
Zentrumsachse (14) des Rotors haben und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet sind, wobei d2 größer ist als di .
25. Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von
Dispersionen unter Verwendung eines Rotor- Stator- Systems (6) mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit folgenden Schritten a) Bereitstellen einer ersten Phase der Dispersion in einem ersten Vorlagebehälter (101) , welcher mit dem Dispergierraum (7) in Verbindung steht und Bereitstellen zumindest einer zweiten Phase der Dispersion in zumindest einem zweiten Vorlagebehälter (102) , welcher mit einer
Vormischkammer (2) in Verbindung steht, b) Zuführen der ersten Phase der Dispersion in den Dispergierraum (7) , c) Zuführen der zweiten Phase der Dispersion in die Vormischkammer (2) , d) Antreiben des Rotors (4) , so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems (6) die erste Phase durch den Dispergierraum (7) in die Vormischkammer (2) gelangt und dabei mit der zweiten Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus erster und zweiter Phase gebildet wird, und die zweite Phase und/oder das Gemisch aus erster und zweiter Phase und/oder die in der Vormischkammer (2) gebildete Dispersion aus erster und zweiter Phase durch die Vormischkammer (2) in den
Dispergierraum (7) gefördert wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (1) mit zumindest einer weiteren Vormischkammer (2) verwendet wird und in Schritt a) zumindest eine weitere Phase der Dispersion in zumindest einem weiteren Vorlagebehälter, welcher mit der weiteren Vormischkammer (2) in Verbindung steht, bereitgestellt wird und wobei in Schritt c) die weitere Phase der Dispersion in die weitere Vormischkammer (2) des Rotor- Stator- Systems (6) zugeführt wird, so daß im Betrieb des Rotor-Stator-Systems die erste Phase durch den Dispergierraum (7) in die Vormischkammern (2) gelangt und dabei in der jeweiligen Vormischkammer (2) mit der zweiten oder weiteren Phase in Kontakt tritt, wobei ein Gemisch und/oder eine Dispersion aus den Phasen gebildet wird, und die zweite oder zumindest eine weitere Phase und/oder das Gemisch und/oder die in einer
Vormischkammer (2) gebildete Dispersion aus zumindest zwei Phasen durch die jeweilige Vormischkammer (2) in den Dispergierraum (7) gefördert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) , c) und d) gleichzeitig durchgeführt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuierlich betrieben wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die in Schritt b) zugeführte erste Phase die disperse Phase der Dispersion und die in Schritt c) zugeführte zweite Phase die kontinuierliche Phase oder einen Bestandteil der kontinuierlichen Phase der Dispersion bilden wird und bei der Herstellung der Dispersion eine Phaseninversion erfolgt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (4) nach einem der Ansprüche 20 bis 24 als Rotor (4) des Rotor-Stator-Systems (6) verwendet wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in einer Vormischkammer (2) im Bereich zwischen etwa 0,005 Sekunden und etwa
0,02 Sekunden liegt.
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