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(11) | EP 0 475 015 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Feinzerkleinern und Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeit |
| (57) Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Feinzerkleinern und Dispergieren von
Feststoffen in Flüssigkeit, unter Verwendung von Mahlhilfskörpern, wobei der Bereich
des Strömungsraumes, in dem die Mahlhilfskörper durch Fliehkraftwirkung von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch
getrennt werden, von zwei im gleichen Drehsinn, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl
umlaufenden Wandungen begrenzt wird. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 5 zum kontinuierlichen Feinzerkleinern und Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeit.
[0002] In der DE-AS 1 223 236 wird eine Rührwerkmühle beschrieben, bei dem neben dem aus Rührscheiben bestehenden Rührwerk auch der äußere Mahltrog rotiert. Die im Mahltrog befindliche Mahlkörper-Masse wird jedoch durch die Fliehkräfte an die Außenwandung des rotierenden Mahltroges geschleudert und kann sich dort im wesentlichen weder radial noch axial bewegen. Demzufolge ist auch die Mahlwirkung im Gegensatz zu einer Vorrichtung, bei der die Mahlkörper-Masse zirkuliert, wesentlich geringer.
[0003] Durch die DE-OS 37 16 295 ist nun eine Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 5 bekannt, die eine spaltförmige Mahlzone enthält, die von ihrer Einlaßseite zu ihrer Auslaßseite von einem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch und von Mahlhilfskörpern durchsetzt wird. Ferner ist eine die Mahlhilfskörper durch Fliehkraftwirkung von der Auslaßseite zur Einlaßseite der Mahlzone zurückführende Rückführzone vorgesehen, wobei zumindest ein wesentlicher Teil des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches entgegen der Fliehkraftwirkung über eine Abströmzone abgeführt wird.
[0004] Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der gesamte Strömungsraum der Mahlzone und der Abströmzone durch eine äußere feststehende Wandung und eine innere umlaufende Wandung begrenzt. In dem Bereich des Strömungsraumes, in dem die Rückführzone und die Abströmzone an die Mahlzone anschließen, werden die Mahlhilfskörper durch Fliehkraftwirkung von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch getrennt und über die Rückführzone zur Einlaßseite der Mahlzone zurückgeführt. Je nach den Verhältnissen wird ein gewisser Anteil der Mahlhilfskörper mit dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch in die Abströmzone mitgeschleppt.
[0005] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 5 derart weiterzubilden, daß die Abtrennung der Mahlhilfskörper von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch im Bereich des Strömungsraumes, in dem die Rückführzone und die Abströmzone an die Mahlzone anschließen, verbessert wird.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens die Wandungen des Strömungsraumes, in dem die Rückführzone und die Abströmzone an die Mahlzone anschließen, im gleichen Drehsinn, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl umlaufen.
[0007] Dadurch erhöhen sich insbesondere in diesem Bereich des Strömungsraumes die Fliehkräfte, so daß die Abtrennung der Mahlhilfskörper von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch wesentlich verbessert wird. Auf diese Weise gelangen - je nach Verhältnissen - entweder überhaupt keine Mahlhilfskörper oder nur ein verschwindend kleiner Bruchteil der umlaufenden Mahlhilfskörper in die Abströmzone. Dadurch ist es möglich, auf mechanische Trenneinrichtungen, wie Siebe, gewünschtenfalls vollständig zu verzichten, was den konstruktiven Aufbau und die Wartung der Vorrichtung vereinfacht und durch Verringerung der Druckverluste eine Leistungssteigerung gestattet.
[0009] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden anhand der Zeichnung und der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
[0010] In der Zeichnung zeigen
Fig.1 eine geschnittene Gesamtansicht eines ersten Ausführungsbeispieles,
Fig.2 eine geschnittene Teilansicht des ersten Ausführungsbeispieles,
Fig.3 eine geschnittene Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles,
Fig.4 eine geschnittene Teilansicht eines dritten Ausführungsbeispieles,
Fig.5 eine Schnittdarstellung des inneren Rotors längs der Linie V-V der Fig.2,
Fig.6 eine Schnittdarstellung des äußeren Rotors längs der Linie VI-VI der Fig.2.
[0011] Anhand der Fig.1 und 2 wird zunächst der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Feinzerkleinern und Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeit unter Verwendung von Mahlhilfskörpern 18 erläutert. Diese Vorrichtung enthält im wesentlichen eine spaltförmige Mahlzone 1, die von ihrer Einlaßseite 1 zu ihrer Auslaßseite 1 von einem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch und von Mahlhilfskörpern durchsetzt wird. Ferner ist eine die Mahlhilfskörper 18 durch Fliehkraftwirkung von der Auslaßseite 1 b zur Einlaßseite 1a der Mahlzone 1 zurückführende, als Rückführkanal 2 ausgebildete Rückführzone vorgesehen. Die Mahlzone 1 ist an ihrer Einlaßseite 1a mit einer Zuströmzone 3 verbunden, während sich an die Auslaßseite 1 eine Abströmzone 4 anschließt.
[0012] Die Mahlzone 1, die Zuströmzone 3 und die Abströmzone 4 werden durch die Innenfläche eines äußeren Rotors 5 und die Außenfläche eines inneren Rotors 6 begrenzt, wobei der äußere und der innere Rotor 5, 6 eine gemeinsame Rotationsachse 7 aufweisen.
[0013] Der äußere und innere Rotor 5, 6 werden über Riemenscheiben 8, 9 im gleichen Drehsinn, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl angetrieben.
[0014] Die Zuströmzone 3 ist über Kanäle 10 mit einem Zuführrohr 11 verbunden, dessen Mittelachse mit der Rotationsachse 7 zusammenfällt. Entsprechend ist die Abströmzone 4 über Kanäle 12 mit einem konzentrisch zum Zuführrohr 11 angeordneten Abführrohr 13 verbunden.
[0015] Zur Abführung der in der Mahlzone entstehenden Wärme ist der äußere Rotor 5 von einer Kühlzone 14 umgeben, die eine Kühlwasserzuführung 14a und eine Kühlwasserabführung 14b aufweist. Die Fließrichtung des Kühlwassers ist in der Fig.1 mit den Pfeilen 15 dargestellt.
[0017] Wie sich insbesondere in der vergrößerten Teilansicht gemäß Fig.2 erkennen läßt, verläuft der Rückführkanal 2 von der der Auslaßseite 1 der Mahlzone 1 zugewandten Stirnseite 6b des inneren Rotors 6 schräg nach außen zu der der Einlaßseite 1 der Mahlzone 1 zugewandten Stirnseite 6a des inneren Rotors 6. Der Winkel, den der Rückführkanal 2 mit der Rotationsachse 7 einschließt, beträgt zwischen 10 bis 70°, vorzugsweise zwischen 30 bis 60°.
[0018] Die Zuströmzone 3, die Mahlzone 1 und der daran anschließende Teil der Abströmzone 4 ist in Form eines Ringspaltes ausgebildet. Demgegenüber wird die Rückführzone durch einen oder mehrere Rückführkanäle 2 gebildet.
[0019] Die Mahlzone kann in folgende vier Bereiche unterteilt werden:
a) einen von der Einlaßseite 1 der Mahlzone 1 wenigstens annähernd in Verlängerung des Rückführkanals 2 schräg nach außen verlaufenden ersten Bereich 1 c,
b) einen unter einem spitzen Winkel an den ersten Bereich 1 c angrenzenden, annähernd parallel zur Rotationsachse 7 verlaufenden zweiten Bereich 1 d,
c) einen annähernd parallel zum ersten Bereich 1c schräg nach innen verlaufenden dritten Bereich 1 e,
d) sowie einen sich unter einem Winkel von annähernd 90° zum Rückführkanal 2 schräg nach innen bis zur Auslaßseite 1 der Mahlzone 1 erstreckenden vierten Bereich 1f.
[0020] In Fig.5 ist ein Schnitt durch den inneren Rotor 6 längs der Linie V-V dargestellt. Der innere Rotor 6 weist demgemäß im dritten Bereich 1 der Mahlzone 1 eine wellenförmige Oberflächenausbildung auf.
[0021] Analog ist in Fig.6 ein Schnitt durch den äußeren Rotor 5 längs der Linie VI-VI der Fig.2 dargestellt. Hier weist die zur Abströmzone 4 weisende Oberfläche ebenfalls eine wellenförmige Oberflächenausbildung auf.
[0022] Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch andere Oberflächenprofilierungen, wie beispielsweise nutförmige, stiftförmige oder nockenförmige Oberflächenausbildungen, verwendet werden. Ebenso ist der Ort dieser Oberflächenprofilierungen nicht auf die in Fig.2 angegebenen Bereiche beschränkt; Oberflächenprofilierungen können vielmehr auch an jeder anderen Stelle der Mahlzone 1, der Zuströmzone 3 und der Abströmzone 4 Verwendung finden.
[0023] In Fig.3 ist eine geschnittene Teilansicht eines zweiten Auführungsbeispieles dargestellt. Für gleiche Teile sind auch hier dieselben Bezugszeichen verwendet.
[0024] Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 im wesentlichen durch die Ausgestaltung des inneren Rotors 6 und des äußeren Rotors 5 im Bereich der Mahlzone 1'. Die Mahlzone 1' des zweiten Ausführungsbeispieles läßt sich entsprechend in folgende vier Bereiche unterteilen:
a) einen von der Einlaßseite 1'a der Mahlzone 1' wenigstens annähernd in Verlängerung des Rückführkanals 2 schräg nach außen verlaufenden ersten Bereich 1'c,
b) einen unter einem spitzen Winkel an den ersten Bereich 1'c anschließenden, annähernd parallel zur Rotationsachse 7 verlaufenden zweiten Bereich 1'd,
c) einen annähernd senkrecht zur Rotationsachse 7 verlaufenden dritten Bereich 1'e,
d) sowie einen sich annähernd senkrecht zum Rückführkanal 2 schräg nach innen bis zur Auslaßseite 1 'b erstreckenden vierten Bereich 1 'f.
[0026] Dieses dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 im wesentlichen nur durch die Ausgestaltung seines dritten Bereichs 1 "e, der zumindest annähernd kreisbogenförmig schräg nach innen verläuft.
[0027] Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich auch andere Ausgestaltungen der Mahlzone denkbar.
[0028] Im folgenden wird anhand der Fig.1 und 2 die Funktion der Vorrichtung zum kontinuierlichen Feinzerkleinern und Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeit näher erläutert.
[0029] Das Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch wird von einer (nicht dargestellten) Pumpe über das Zuführrohr 11 in die Zuströmzone 3 eingeführt. Die Fließrichtung des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches ist durch die Pfeile 17 dargestellt. An der Einlaßseite 1 der Mahlzone 1 wird das Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch mit Mahlhilfskörpern 18 vermischt, die in der Mahlzone 1 bis zur Auslaßseite 1 eine kontinuierliche Feinzerkleinerung und Dispergierung der Feststoffe in der Flüssigkeit bewirken. In der Strömung des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches werden die Mahlkörper von der Einlaßseite 1a zur Auslaßseite 1 mitgenommen und werden dann entgegen der Strömung durch Fliehkraftwirkung von der Außenseite 1 zur Einlaßseite 1 der Mahlzone 1 zurückgeführt. Demgegenüber wird zumindest ein wesentlicher Teil des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches entgegen der Fliehkraftwirkung über die Abströmzone 4 abgeführt.
[0030] Verglichen mit bekannten Ausführungen, bei denen sich die Mahlzone zwischen einem Stator und einem Rotor befindet, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung eine um ein Vielfaches erhöhte Fliehkraft dadurch, daß neben dem inneren Rotor 6 auch der äußere Rotor 5 im gleichen Drehsinn angetrieben werden. Wird beispielsweise bei der bekannten Ausführung gemäß DE-OS 37 16 295 der Rotor mit einer Drehzahl von 1.500 U/min angetrieben, während die andere Wand der Mahlzone als Stator stillsteht, so ergibt sich für das Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch mit den Mahlhilfskörpern eine durchschnittliche Drehgeschwindigkeit von 750 U/min. Läßt man demgegenüber erfindungsgemäß die äußere Wandung der Mahlzone mit 3.000 U/min in der gleichen Richtung mitrotieren, so ergibt sich für das Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch und die Mahlhilfskörper eine durchschnittliche Drehgeschwindigkeit von 2.250 U/min. Die damit erzielte Steigerung der Drehgeschwindigkeit um den Faktor 3 führt zu einer Erhöhung der Zentrifugalkräfte um das Neunfache.
[0031] Durch die Erhöhung der Fliehkräfte wird einerseits die Abtrennung der Mahlhilfskörper von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch (im Bereich der Auslaßseite der Mahlzone) und andererseits die Mahlwirkung in der Mahlzone wesentlich verbessert. Durch die erhöhten Fliehkräfte stellt sich ein höherer Mahldruck ein, was die Mahlwirkung verbessert. Weiterhin ist günstig, daß gröbere Feststoffteilchen im allgemeinen länger in der Mahlzone 1 gehalten werden als feinere Partikelchen, die aufgrund der geringeren Massenkräfte von der Strömung leichter ausgetragen werden. Durch eine geeignete Regulierung der Drehzahl beider Rotoren lassen sich auf diese Weise Überkörner, d. h. zu große Feststoffteilchen im Endprodukt, völlig eliminieren.
[0032] Die Drehzahlen der Rotoren müssen ferner auf die Masse der Mahlhilfskörper und die Stärke der Strömung des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches eingestellt werden. Es muß einerseits gewährleistet sein, daß die Mahlhilfskörper in einer Art Kreislauf in der Mahlzone 1 und dem Rückführkanal 2 umlaufen und nicht durch eine zu hohe Fliehkraft in einem Bereich der Mahlzone mit dem größten radialen Abstand von der Rotationsachse 7 gehalten werden. Andererseits muß die Fliehkraft insbesondere im Rückführkanal 2 so groß sein, daß die Mahlhilfskörper entgegen der Strömung des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches von diesem getrennt werden. Die Drehzahlen, mit denen die beiden Rotoren 5, 6 - und damit auch die Wandungen des Strömungsraumes, in dem die Rückführzone (Rückführkanal 2) und die Abströmzone 4 an die Mahlzone 1 anschließen - umlaufen, liegen zweckmäßig zwischen 500 und 20.000 U/min, vorzugsweise zwischen 1.000 und 5.000 U/min. Die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten der beiden die Mahlzone 1 begrenzenden Wandungen liegt zweckmäßig zwischen 5 und 20 m/s, vorzugsweise zwischen 8 und 15 m/s.
[0033] Die Größe der Fliehkräfte im Strömungsraum, in dem die Rückführzone (Rückführkanal 2) und die Abströmzone 4 an die Mahlzone 1 anschließen, bzw. in der gesamten Mahlzone 1 läßt sich zum einen über die Drehzahlen der beiden Rotoren 5, 6 und zum anderen durch den konstruktiven radialen Abstand dieser Bereiche von der Rotationsachse 7 einstellen.
[0034] Durch die Rückführung über den Rückführkanal 2 werden die Mahlhilfskörper 18 ständig in Bewegung gehalten, so daß dadurch eine gute Mahlwirkung erreicht wird. Dieser Effekt wird zusätzlich durch Oberflächenprofilierungen auf den die Mahlzone 1 begrenzenden Wandungen und durch die mehrfach unter spitzem bzw. stumpfem Winkel abknickende Mahlzone 1 verstärkt.
[0035] Der Durchmesserbereich der Mahlhilfskörper kann beispielsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen. Selbst bei Mahlhilfskörpern in dieser Abmessungen sind die Massenkräfte so groß, daß ein effektiv hoher Mahleffekt erreicht wird. Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich auch bei Vorrichtungen verwirklichen, bei denen - ähnlich der Ausführung gemäß DE-OS 37 16 295 - mehrere Mahlzonen (jeweils mit einer Zuströmzone, Abströmzone und Rückführzone versehen) in Reihe hintereinandergeschaltet sind.
a) wenigstens eine spaltförmige Mahlzone (1, 1'), die von ihrer Einlaßseite (1 a, 1'a) zu ihrer Auslaßseite (1b, 1'b) von dem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch (Pfeil 17) und den Mahlhilfskörpern (18) durchsetzt wird,
b) eine die Mahlhilfskörper (18) durch Fliehkraftwirkung von der Auslaßseite (1b, 1'b) zur Einlaßseite (1 a, 1'a) der Mahlzone (1, 1') zurückführende Rückführzone (Rückführkanal 2),
c) eine zumindest einen wesentlichen Teil des Feststoff-Flüssigkeits-Gemisches entgegen der Fliehkraftwirkung abführende Abströmzone (4),
dadurch gekennzeichnet, daß
d) mindestens der Strömungsraum, in dem die Rückführzone (Rückführkanal 2) und die Abströmzone (4) an die Mahlzone (1, 1') anschließen, von zwei im gleichen Drehsinn, jedoch mit unterschiedlicher Drehzahl umlaufenden Wandungen begrenzt wird.
a) einem von der Einlaßseite (1 a) der Mahlzone (1) wenigstens annähernd in Verlängerung des Rückführkanals (2) schräg nach außen verlaufenden ersten Bereich (1 c),
b) einem unter einem spitzen Winkel an den ersten Bereich (1c) anschließenden, annähernd parallel zur Rotationsachse (7) verlaufenden zweiten Bereich (1 d),
c) einem annähernd parallel zum ersten Bereich (1c) schräg nach innen verlaufenden dritten Bereich (1 e),
d) sowie mit einem sich annähernd senkrecht zum Rückführkanal (2) schräg nach innen bis zur Auslaßseite (1 b) der Mahlzone (1) erstreckenden vierten Bereich (1 f).
a) einem sich von der Einlaßseite (1'a) der Mahlzone (1') wenigstens annähernd in Verlängerung des Rückführkanals (2) schräg nach außen verlaufenden ersten Bereich (1'c),
b) einem unter einem spitzen Winkel an den ersten Bereich (1'c) anschließenden, annähernd parallel zur Rotationsachse (7) verlaufenden zweiten Bereich (1'd),
c) einem annähernd senkrecht zur Rotationsachse (7) verlaufenden dritten Bereich (1'e),
d) sowie mit einem sich annähernd senkrecht zum Rückführkanal (2) schräg nach innen bis zur Auslaßseite (1'b) erstreckenden vierten Bereich (1'f).
a) einem sich von der Einlaßseite (1'a) der Mahlzone (1') wenigstens annähernd in Verlängerung des Rückführkanals (2) schräg nach außen verlaufenden ersten Bereich (1'c),
b) einem unter einem spitzen Winkel an den ersten Bereich (1'c) anschließenden, annähernd parallel zur Rotationsachse (7) verlaufenden zweiten Bereich (1'd),
c) einem zumindest annähernd kreisbogenförmig schräg nach innen verlaufenden dritten Bereich (1"e),
d) sowie mit einem sich annähernd senkrecht zum Rückführkanal (2) schräg nach innen bis zur Auslaßseite (1'b) erstreckenden vierten Bereich (1'f).