[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kolloidalen Aufbereitung einer Suspension,
insbesondere Aufbereitung von Baustoffen, mit einem Kolloidalmischer, bei dem mindestens
eine Flüssigkeit in einen Mischtrog eingeleitet wird, an dessen unterem Bereich eine
Austrittsöffnung mit einer Mischeinrichtung mit einem Mischrotor angeordnet ist, welcher
drehend angetrieben wird, mindestens eine pulverförmige Feststoffkomponente in den
Mischtrog eingeleitet wird, die mindestens eine Flüssigkeit mit der mindestens einen
pulverförmigen Feststoffkomponente durch den rotierend angetriebenen Mischrotor vermischt,
in eine Strömung versetzt und durch die Austrittsöffnung aus dem Mischtrog ausgeleitet
wird, wobei die Mischung für eine bestimmte Zeit über eine Rückführleitung wieder
in einen oberen Bereich des Mischtroges zum weiteren Mischen rückgeführt wird und
nach Erreichen eines gewünschten Mischzustandes die Mischung als fertige Suspension
von der Austrittsöffnung mittels einer Abführleitung abgeführt wird, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Die Erfindung betrifft weiter einen Kolloidalmischer zur kolloidalen Aufbereitung
einer Suspension, insbesondere zur Aufbereitung von Baustoffen und insbesondere zum
Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Mischtrog, welcher eine
obere Zuführöffnung zum Zuführen mindestens einer Flüssigkeit und mindestens einer
pulverförmigen Feststoffkomponente und eine untere Austrittsöffnung aufweist, einer
Mischeinrichtung, welche einen rotierend antreibbaren Mischrotor aufweist und in einem
unteren Bereich des Mischtroges angeordnet ist, wobei durch den Mischrotor die mindestens
eine Flüssigkeit und die mindestens eine pulverförmige Feststoffkomponente zu einer
Mischung vermischt werden und eine Strömung der mindestens einen Flüssigkeit beziehungsweise
der Mischung zur Austrittsöffnung hin erzeugbar ist, einer Rückführleitung, welche
sich von der Austrittsöffnung wieder zurück zur oberen Zuführöffnung des Mischtroges
erstreckt, einer Abführleitung zum Abführen einer fertiggestellten Suspension aus
dem Mischtrog und einer Stellventileinrichtung, durch welche die Rückführleitung und
die Abführleitung insbesondere wechselweise geöffnet oder geschlossen werden können,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
[0003] Ein Kolloidalmischer zur kolloidalen Aufbereitung einer Suspension, insbesondere
zur Aufbereitung von Baustoffen, geht beispielsweise aus der
EP 2 363 200 B1 hervor.
[0004] Die mit diesen Kolloidalmischern hergestellten Suspensionen bestehen aus einer oder
mehrerer Flüssigkomponenten, in der Regel Wasser, und einer oder mehrerer meist mineralischen
Feststoffkomponenten wie z. B. Zement, Bentonit, Gesteinsmehl, Flugasche usw.
[0005] Die Verwendung solcher kolloidal aufgeschlossenen Suspensionen findet in unterschiedlichsten
industriellen Bereichen ihre Anwendung, wie z. B. im Spezialtiefbau, Bergbau, Bauwerkssanierung,
Tunnelbau, Mining, Exploration für Bodenschätze und Vieles mehr.
[0006] Anfangs wurden kontinuierliche Kolloidalmischer entwickelt, welche jeweils nur eine
Flüssig- und eine Feststoffkomponente verarbeiten konnten.
[0007] Diese Suspensionsmischer werden überwiegend im Schlitzwandbau eingesetzt, zur Herstellung
von Stützflüssigkeiten (Bentonit-Suspension), aber auch für Dichtwandsuspensionen
im Ein-Phasen-Schlitzwand Verfahren.
[0008] Im Zuge von neu entwickelten Bauverfahren ergaben sich neue Anforderungen an die
Suspensionsqualitäten. Auch Suspensionen aus mehreren Flüssig- und Feststoffkomponenten
wurden benötigt.
[0009] Das hatte zur Folge, dass der Feststoffanteil in den Mischungsrezepturen den Flüssiganteil
um ein Mehrfaches übersteigt, Suspensionsdichten von 2 kg/dm
3 und darüber werden benötigt. Die verfügbaren Chargen-Mischsysteme kommen dabei an
ihre Leistungsgrenze. Insbesondere sogenannte Turbo-Mischer (Mischpumpen) oder Kreislauf-Anlagen
mit Venturi-Düsen sind nicht mehr in der Lage, diese benötigten Suspensionen in der
geforderten Mischqualität zuverlässig und wirtschaftlich herzustellen.
[0010] Pulverförmige Feststoffe haben je nach Mahlfeinheit eine sehr große Oberfläche und
neigen, wenn sie mit Flüssigkeit benetzt werden, zur Bildung von Klumpen (Agglomeraten).
[0011] Diese Klumpen beginnen, je nach Beladungszustand des Mischbehälters und je nach Dichte
der bereits entstandenen Suspension im Mischsystem, auf der Oberfläche der im Mischbehälter
befindlichen Suspension aufzuschwimmen und werden kaum noch oder gar nicht aufgeschlossen.
[0012] Dies führt zu qualitativ schlechten Suspensionen, bei denen wichtige Parameter hinsichtlich
Rheologie nicht erreicht werden.
[0013] Es ist bekannt, durch Einbau von zusätzlichen rotierenden Werkzeugen im Mischbehälter
durch Zerschlagen dieser Agglomerate diesen unerwünschten Zustand zu vermindern. Der
Nachteil ist allerdings, dass die Mischer konstruktiv aufwendig sind und sich Material
in Form von Verkrustungen an diesen zusätzlichen Werkzeugen anlagert und besonders
bei bindemittelhaltigen Feststoffen zu extremen Anbackungen führt. Dies hat einen
erheblich höheren Reinigungs- und Wartungsaufwand zur Folge.
[0014] Eine weitere bekannte Methode ist die Erhöhung der Zirkulationsströmung. Durch diese
Methode wird die kinetische Strömungsenergie erhöht. Dies führt zwar zu einer teilweisen,
jedoch nicht völligen Auflösung von Agglomeraten. Der Nachteil hierbei ist zudem,
dass ein Teil der kinetischen Energie in Form von Wärme in die Suspension eingeht,
was in einigen Fällen unerwünscht ist und etwa speziell bei Zement negative Auswirkungen
auf die Hydratation haben kann.
[0015] Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Kolloidalmischer anzugeben, mit welchen eine kolloidale
Aufbereitung einer Suspension besonders effizient und wirtschaftlich ausgeführt werden
kann.
[0016] Die Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und zum anderen durch einen Kolloidalmischer mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens
eine Flüssigkeit und/oder die Mischung gezielt Luft in feinverteilter Form eingearbeitet
wird, wobei eine spezifische Dichte der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung verringert
wird.
[0018] Eine Grundidee der Erfindung liegt darin, bei der Herstellung der Mischung eine spezifische
Dichte der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung gezielt dadurch zu verringern,
dass Luft in fein verteilter Form in die Flüssigkeit beziehungsweise in die Mischung
eingearbeitet wird. Dies hat zur Folge, dass pulverförmige Feststoffe, welche sich
auf der Oberfläche der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung befinden, schneller
und zuverlässiger absinken und so nicht mehr auf der Flüssigkeitsoberfläche aufschwimmen,
insbesondere wenn die Mischung aufgrund von Zusätzen eine erhöhte Dichte aufweist.
Hierdurch wird ein umfassendes Benetzen der pulverförmigen Feststoffpartikel bewirkt
und diese können schneller in der Flüssigkeit/Mischung aufgenommen und zum Bilden
der kolloidalen Suspension verarbeitet werden. Insgesamt kann so in besonders effizienter
Weise ohne Vorsehen einer Vielzahl zusätzlicher Mischwerkzeuge eine schnelle Herstellung
einer kolloidalen Suspension mit hoher Mischqualität erreicht werden. Durch ein schnelleres
Absinken der Feststoffkomponenten gelangen diese früher in den Bereich der Mischeinrichtung,
was ein schnelleres und besseres Mischen zur Folge hat. Konglomerate können effizient
zerschlagen werden.
[0019] Die Einstellung der spezifischen Dichte der Mischung durch das Einarbeiten von Luft
hängt im Einzelfall von der Rezeptur sowie von den verwendeten Flüssigkeits- und Feststoffkomponenten
ab. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass die
spezifische Dichte der mindestens einen Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung verringert
wird, wobei durch das Zuführen von Luft das Volumen der Flüssigkeit beziehungsweise
der Mischung um 2 Prozent bis 15 Prozent erhöht wird. Durch das Einarbeiten von Luft
erfolgt dabei ein entsprechender Volumenanstieg der Flüssigkeit beziehungsweise der
Mischung. Die spezifische Dichte wird insbesondere so eingestellt, dass Feststoffpartikel
auf der Oberfläche der Flüssigkeit beziehungsweise Mischung umgehend oder sehr schnell
in diese absinken und von der physikalischen Oberflächenspannung nicht oder kaum noch
zurückgehalten werden können.
[0020] Das Einarbeiten von Luft kann grundsätzlich auf verschiedene geeignete Weisen erfolgen.
Insbesondere kann eine Luftzuführeinrichtung vorgesehen sein, mit welcher gezielt
Luft über eine oder mehrere Zuführdüsen in die Flüssigkeit beziehungsweise die Mischung
fein verteilt eingeleitet werden kann.
[0021] Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass die Rückführleitung
eine Mündungsöffnung aufweist, welche auf eine Innenseite des Mischtroges gerichtet
ist, wobei die rückgeführte Flüssigkeit beziehungsweise Mischung auf die Innenseite
aufprallt. Bei diesem Aufprallen des Flüssigkeitsstromes erfolgt eine Vergrößerung
der Oberfläche der Flüssigkeit und ein Verwirbeln, wobei ein Einbinden von Luft aus
der Umgebungsatmosphäre bewirkt wird.
[0022] Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass eine Rückführströmung aus der Rückführleitung
etwa senkrecht auf die Innenseite des Mischtroges auftrifft. Bereits allein aufgrund
dieser Strömungsführung mit einem Auftreffen auf eine Innenwand des Mischtroges in
etwa einem rechten Winkel kann eine gewünschte Einbindung von Luft und eine entsprechende
Reduzierung der spezifischen Dichte erzielt werden.
[0023] Eine besonders gute Einbindung von Luft ergibt sich nach einer Ausführungsvariante
der Erfindung dadurch, dass eine Rückführströmung aus der Rückführleitung bei Auftreffen
auf der Innenseite des Mischtroges im Wesentlichen in zwei Teilströme aufgeteilt wird,
welche in entgegengesetzter Richtung entlang der Innenseite des etwa trommelförmigen
Mischtroges strömen. Die Mündungsöffnung der Rückführleitung und die Anordnung in
Bezug auf die Innenseite des Mischtroges können so ausgebildet sein, dass die Rückführströmung
in etwa in zwei gleiche Teilströme aufgeteilt wird, welche dann in Umfangsrichtung
entlang der Innenseite des trommelförmigen, vorzugsweise zylindrischen, Mischtroges
strömen. Es strömt also ein erster Teilstrom im Uhrzeigersinn entlang der Innenseite
des Mischtroges und ein zweiter Teilstrom in entgegengesetzter Drehrichtung entlang
der Innenseite des Mischtroges.
[0024] Der Mischtrog kann vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 1 Meter bis 2 Metern aufweisen
und zur Aufnahme einer Charge von 1t bis 3t Material/Medium ausgelegt sein. Dabei
können vorzugsweise 300l bis 800l Flüssigkeit mit einer Zuführgeschwindigkeit von
vorzugsweise 20 l/s bis 100 l/s zugeführt werden. Der restliche Materialbestandteil,
welcher von der Rezeptur abhängt, wird durch die eine oder mehrere Feststoffkomponenten
gebildet, welche über Fördereinrichtungen mit einer Zuführgeschwindigkeit von vorzugsweise
10 kg/s bis 20 kg/s zudosiert werden. Kleinere oder größere Durchmesser des Mischtroges
für abweichende Chargengrößen sind grundsätzlich auch möglich.
[0025] Besonders vorteilhaft ist es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dass
die zwei Teilströme mit einer Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden, so dass sich
die Teilströme unter Ausbildung von Verwirbelungen an einer Stelle des Mischtroges
treffen, welche etwa gegenüberliegend zu der Mündungsöffnung ist. Die beiden Teilströme
strömen dabei jeweils in entgegengesetzte Richtungen, etwa um den halben Innenumfang
des Mischtroges, bis sich beide Teilströme wieder treffen und kollidieren. In diesem
Bereich bilden sich so zusätzliche Verwirbelungen aus, mit entsprechenden Vergrößerungen
der Oberfläche der Teilströme. Dies fördert die weitere Einarbeitung von Luft in fein
verteilter Form in die jeweilige Flüssigkeit beziehungsweise Mischung.
[0026] Die Flüssigkeit beziehungsweise Mischung kann sodann innerhalb des Mischtroges, dessen
Bodenbereich vorzugsweise konisch ausgebildet ist, wieder absinken und zu der Mischeinrichtung
mit dem rotierend angetriebenen Mischrotor im Bereich der Austrittsöffnung absinken.
Die Mischpaddel des Mischrotors sind vorzugsweise so ausgebildet und drehend angetrieben,
dass sich in der Flüssigkeit beziehungsweise Mischung gezielt Kavitäten ausbilden,
also kurzfristig bestehende Hohlräume mit Unterdruck. Hierdurch wird ein fein verteiltes
Einarbeiten von Luft und auch ein Benetzen der Feststoffpartikel weiter unterstützt.
[0027] Der rotierende Mischrotor arbeitet auch als eine Art Pumpe, durch welche die gebildete
Mischung aus der Austrittsöffnung abgefördert und über die Rückführleitung wieder
zurück in den oberen Bereich des Mischtroges für einen weiteren Misch- und Aufbereitungsschritt
rückgeleitet werden kann. Sobald eine gewünschte Mischqualität erreicht ist, was üblicherweise
nach ein bis zwei Minuten gegeben ist, kann die Rückführleitung geschlossen und die
fertige Mischung als Suspension über die Austrittsöffnung mittels einer Abführleitung
aus dem Mischtrog abgeführt werden. Die so gebildete Suspension kann dann unmittelbar
zur weiteren Verarbeitung oder zu einer kurzfristigen Zwischenlagerung weitertransportiert
werden. Darauf kann eine weitere Charge einer Suspension durch Einleiten mindestens
einer Flüssigkeit und mindestens einer pulverförmigen Feststoffkomponente gebildet
werden.
[0028] Der erfindungsgemäße Kolloidalmischer ist ausgebildet, in die mindestens eine Flüssigkeit
oder die Mischung gezielt Luft in fein verteilter Form einzuarbeiten, um eine spezifische
Dichte der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung herabzusetzen. Der erfindungsgemäße
Kolloidalmischer kann insbesondere zum Durchführen des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens eingesetzt werden. Dabei können die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt
werden.
[0029] Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kolloidalmischers besteht darin,
dass die Rückführleitung eine Mündungsöffnung aufweist, welche auf eine Innenseite
des Mischtroges gerichtet ist. Das rückgeleitete Medium kann dabei mit einer Strömungsgeschwindigkeit,
welche mehrere Meter pro Sekunde, vorzugsweise 10 m/s bis 20 m/s, betragen kann, auf
eine trommelförmige Innenwand des Mischtroges auftreffen, wobei sich Verwirbelungen
und ein entsprechendes Einarbeiten von Umgebungsluft einstellt.
[0030] Alternativ oder ergänzend kann es nach einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
sein, dass eine Luftzuführeinrichtung mit mindestens einer Zuführdüse zum Eindüsen
von Luft in die Flüssigkeit oder Mischung angeordnet ist. Die mindestens eine Zuführdüse
kann an jeder geeigneten Stelle des Kolloidalmischers vorgesehen sein, insbesondere
in einem unteren Bereich des Mischtroges. Vorzugsweise kann eine Vielzahl von Zuführdüsen
vorgesehen sein, wobei Umgebungsluft unter Druck fein verteilt in die Flüssigkeit
oder Mischung, insbesondere im Bereich des Mischrotors, eingedüst werden kann.
[0031] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Mischrotor
in einer Vertiefung am Boden des Mischtroges vor der Austrittsöffnung angeordnet ist.
Der Mischrotor mit seinen radial gerichteten Mischblättern kann über eine entsprechende
Gestaltung der Kanten und Flächen der Mischblätter eine gewünschte Verwirbelung und
auch Kavitäten in der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung erzeugen. Hierdurch
wird ein besonders guter Mischeffekt erreicht. In den Mischblättern des Rotors können
Öffnungen oder Durchbrüche ausgebildet sein, um den Mischeffekt noch weiter zu bessern.
Gleichzeitig kann der Mischrotor als eine Pumpe dienen, um die Flüssigkeit beziehungsweise
die Mischung aus dem oberen Bereich des Mischtroges anzusaugen und mit einer vorgesehenen
Strömungsgeschwindigkeit zur Austrittsöffnung hin abzufördern.
[0032] Besonders vorteilhaft ist es nach einer Ausführungsvariante der Erfindung, dass die
Vertiefung mit dem Mischrotor mittig oder exzentrisch am Boden des Mischtroges zu
dessen Mittenachse angeordnet ist. Eine mittige Anordnung der Vertiefung mit dem Mischrotor
zu einer Mittenachse des Mischtroges führt zu symmetrischen Strömungsverhältnissen
innerhalb des Kolloidalmischers. Eine exzentrische Anordnung des Mischrotors zur Mittenachse
des Mischtroges kann zu einem zusätzlichen Verwirbelungseffekt führen.
[0033] Eine besonders gute Vermischung wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
dadurch erzielt, dass eine Rotorachse des Mischrotors und eine Mittenachse des trommelförmigen
Mischtroges in einer Mittenebene des Mischtroges liegen und dass eine Rückführströmung
aus der Mündungsöffnung der Rückführleitung etwa parallel zur Mittenebene auf die
Innenseite des Mischtroges auftrifft.
[0034] Der neu entwickelte Kolloidal- oder Suspensionsmischer kann eine Dispergierzone,
der eigentlichen Kolloidal-Mischeinrichtung, in welcher der Aufschluss der Komponenten
stattfindet, und eine Konvektionszone aufweisen, die das eigentliche Chargenvolumen
aufnimmt, den sogenannten Mischbehälter. Diese beiden Zonen können in unterschiedlichen
zylindrischen Durchmessern ausgeführt sein und sind vorzugsweise über einen asymmetrischen
Konus miteinander verbunden.
[0035] Die Dispergierzone kann einen tangentialen Auslauf aufweisen, welcher mittels insbesondere
einem verbundenem Y- Stück zum Einen mit einer Rückführ- bzw. Zirkulationsleitung
zur Konvektionszone und zum Anderen zu einer Entleerleitung verbindbar ist. Beide
Abgänge am Y-Stück können vorzugsweise mittels pneumatischem Quetschventil je nach
Betriebszustand verschlossen und gesteuert werden.
[0036] In der Mischeinrichtung befindet sich ein rotierender Rotor mit speziellen Mischpaddeln,
auch Mischblätter genannt. Dieser Rotor, vorzugsweise angetrieben von einem Drehstrommotor
mit Zahnriementrieb, beschreibt eine kreisförmige Bewegung bei einer definierten Umfangsgeschwindigkeit.
Dies führt zu Bewegungs- und Kraftübertragung und somit zur Beschleunigung der im
Mischer befindlichen flüssigen oder verflüssigten Komponenten (etwa Wasser, pulverförmiger
Feststoff).
[0037] Folgende Betriebszustände können beispielhaft eingestellt werden:
Betriebszustand Mischen
[0038] Der Rotor dreht sich und die Komponenten werden beschleunigt. Das Quetschventil Zirkulationsleitung
ist geöffnet, während das Quetschventil der Abführ- oder Entleerleitung geschlossen
ist. Es findet eine definierte Zirkulation des im System befindlichen flüssigen Mediums
statt.
Betriebszustand Entleeren
[0039] Der Rotor dreht sich und die Komponenten werden beschleunigt. Das Quetschventil an
der Rückführ- oder Zirkulationsleitung wird geschlossen und die Zirkulation wird gestoppt.
Das Quetschventil an der Entleerleitung wird geöffnet. Das im System befindliche flüssige
Medium wird in die Entleerleitung gepresst und aus dem Mischsystem abgeführt.
[0040] Auf dem Kolloidalmischer befindet sich vorzugsweise eine Deckelkonstruktion mit verschiedenen
Einlassöffnungen für Flüssigkeiten, Feststoffe, Additive und unter Anderem für die
Zirkulationsleitung. An der Mündungsöffnung für die Zirkulationsleitung kann ein sogenanntes
Umlenkrohr angebracht sein.
[0041] Im Betriebszustand Mischen zirkuliert das Mischmedium zwischen Mischer und Mischbehälter
vorzugsweise in einem definierten Volumenstrom mit bis zu 200 m
3/h. Durch das in Lage und Neigung definiert eingebaute Umlenkrohr kann der Volumenstrom
in zwei etwa gleichgroße Teilströme aufgeteilt werden. Dies geschieht durch die Umlenkung
des Volumenstromes an die zylindrische Wandung des Mischbehälters. Die beiden Teilströme
bewegen sich entgegengesetzt entlang der zylindrischen Wand des Mischbehälters und
treffen sich gegenüber vom Umlenkrohr.
[0042] Das Aufeinandertreffen der beiden Teilströme bewirkt nun, dass die Rückströmung mittig
im Mischbehälter über dem Einlauf des Mischers weiterverläuft und das Ansaugen des
Mischmediums vom Mischer begünstigt wird.
[0043] Zu Beginn jeder Mischcharge wird zuerst vorzugsweise Wasser als Flüssigkomponente
in das Mischsystem dosiert. Während der Wasserdosierung kann sich das Mischsystem
bereits im Betriebszustand Mischen befinden. D. h. von Anbeginn stellt sich ab einem
gewissen Füllstand die vorher beschriebene Zirkulation ein. Da der entstandene Volumenstrom
auf den Flüssigkeitstand von oben auftrifft, wird nun viel Luft mit in die Flüssigkeit
(Wasser) mit hineingerissen und durch die entstandene Strömung dem Mischer zugeführt.
[0044] Durch die hohen Strömungen kann die Luft nicht entweichen und durchläuft nun zusammen
mit dem dosierten Wasser den Mischer (Dispergierzone).
[0045] Da der Mischer aufgrund seines technischen Aufbaues Kavitation erzeugt, was mittels
einer High-Speed-Kamera festgestellt wurde, wird die im Wasser befindliche Luft besonders
fein verteilt. Dieser Effekt unterstützt, dass die spezifische Dichte des dosierten
Wassers künstlich heruntergesetzt wird. Dies findet während des gesamten Misch- und
Dosierprozesses bei allen Mischungskomponenten statt.
[0046] Einen Beleg für diesen Effekt sieht man darin, dass das im Mischsystem befindliche
Wasser milchig trüb wird. Wird das Mischsystem ausgeschaltet, stellt sich ein sofortiges
oder sehr schnelles Entlüften des Wassers ein, unzählige kleinste Luftbläschen steigen
auf und das Wasser wird in kürzester Zeit wieder klar.
[0047] Wenn als weiterer Dosierschritt nun pulverförmiger mineralischer Feststoff zudosiert
wird, kann der Feststoff schneller im Wasser absinken und wird so leichter von dem
Mischer (Dispergierzone) angesaugt.
[0048] Die im Kolloidalmischer wirkende Kavitation sorgt nun dafür, das jedes einzelne Feststoffpartikel
mit Wasser benetzt und so nahezu optimal aufgeschlossen werden kann. Ein großer positiver
Effekt in Bezug auf die Dosierung von mineralischen Feststoffen ist ebenfalls zu erkennen.
Kavitation entsteht durch den hinter den Mischblättern erzeugten Unterdruck, in dem
die Flüssigkeit verdampft, wodurch Dampfblasen entstehen. Wenn diese in eine Zone
geringeren Drucks kommen, kondensiert der Dampf wieder und das Volumen verringert
sich deutlich. Dadurch wird ein kurzzeitiger extremer Druckunterschied zur Umgebung
erzeugt, so dass insbesondere Agglomerate aus Feststoffpartikeln in den entstandenen
Hohlraum sozusagen eingesaugt und zerlegt werden. Dies ermöglicht und/oder verbessert
die Benetzung der einzelnen Feststoffpartikel mit Flüssigkeit und sorgt für eine besonders
homogene Mischung.
[0049] Alle mineralischen Feststoffe neigen dazu, aufgrund von Lagerung oder mechanischen
Einflüssen, Agglomerate (Klümpchen) im Trockenzustand zu bilden. Des Weiteren haben
mineralische Feststoffe in der Regel ein Schüttgewicht von ca. 1kg/dm
3. Aufgrund dieses technischen Sachverhaltes würden Feststoff-Agglomerate auf der Wasseroberfläche
aufschwimmen, und ließen sich durch Strömung nur schlecht beeinflussen bzw. mechanisch
in Ihre einzelnen Partikel zerlegen. Durch das erfindungsgemäße Herabsetzen der Dichte
des Wassers wird so das Aufschwimmen dieser Feststoff-Agglomerate gänzlich verhindert
oder zumindest erheblich herabgesetzt.
[0050] Der Feststoff und darin befindliche Agglomerate werden so gezielt der Dispergierzone
zugeführt und werden dort sehr effizient aufgeschlossen.
[0051] Aufgrund der hohen Umwälzleistung im Mischsystem wird so auch sichergestellt, dass
der gesamte Chargeninhalt, bestehend aus Wasser und Feststoff, mehrfach die Dispergierzone
durchläuft, und somit eine sehr gute Homogenisierung stattfindet.
[0052] Eine vorteilhafte Ausführungsform des Kolloidalmischers besteht nach der Erfindung
darin, dass der Mischrotor Mischblätter aufweist, welche mit einem Lochbild versehen
sind. Das Mischblatt ist dabei vorzugsweise aus einem Basisblech gebildet, wobei durch
das Lochbild mehrere Durchgangslöcher in das Basisblech vorzugsweise durch spanabhebendes
Bearbeiten, (Laser-)Schneiden oder Stanzen eingebracht sind. Bevorzugt können die
Löcher des Lochbildes insgesamt oder teilweise eine kreisförmige Kontur aufweisen.
Die Löcher können einen Durchmesser zwischen 5 mm und 50 mm aufweisen und insbesondere
in einem Raster mit gleichmäßigem Rasterabstand angeordnet sein. Andere Lochgrößen
und insbesondere andere Lochkonturen, etwa eckig oder polygon, sind möglich.
[0053] Durch das Lochbild in den Mischblättern wird eine deutliche Erhöhung der wirksamen
Strömungskanten an dem Mischblatt erzielt. Dies erhöht den Effekt der Verwirbelung
und insbesondere auch das Bilden von relativ kleinen Kavitäten in einer großen Anzahl.
Vorzugsweise kann das Lochbild mit den Durchgangslöchern eine Gesamtöffnungsfläche
bilden, welche zwischen 25% bis 35%, besonders bevorzugt zwischen 26% bis28%, an der
Gesamtfläche des Mischblattes ausmacht. Hier ist das Verhältnis von den Auswirkungen
der Strömungskantenlänge zum Strömungswiderstand am günstigsten. Die Löcher sind insbesondere
in den unteren ca. 65 %, vorzugsweise 62 % bis 66%, der Blatthöhe angebracht. Die
Abmessungen der Mischblätter orientieren sich an den Abmessungen der Vertiefung oder
Aufnahme im Mischer, wobei Randkanten der Mischblätter möglichst nah an der Wandung
verlaufen. Das Mischblatt kann vorzugsweise etwa rechteckig ausgebildet sein und insbesondere
eine Breite von 50mm bis 400mm und eine Höhe von 150mm bis 700mm aufweisen. Andere
Abmessung sind abhängig von der Gestalt des Mischers möglich.
[0054] Zudem liegt ein weiterer positiver Effekt darin, dass durch die Änderung des Strömungswiderstandes
der Energiebedarf zum drehenden Antreiben des Mischrotors bei einer vorgegebenen Drehzahl
sinkt. Es kann so mit einem reduzierten Energiebedarf eine Verbesserung des Misch-
und Homogenisierungseffektes des Kolloidalmischers erreicht werden. Der Mischrotor
kann vorzugsweise mit einer Drehzahl zwischen 100 U/min bis 800 U/min angetrieben
sein. Abweichungen im Hinblick auf die Rezeptur der Mischung sind möglich.
[0055] Der Mischer und/oder die Mischblätter können vorzugsweise mit einem widerstandsfähigen
Edelstahl gebildet sein, insbesondere einem Hardox-Material.
[0056] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter
beschrieben, welches schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In
den Zeichnungen zeigen.
- Fig. 1
- eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kolloidalmischers;
- Fig. 2
- eine Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen Kolloidalmischer nach Fig.
1;
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf den Kolloidalmischer von Fig. 1, jedoch ohne Deckel;
- Fig. 4
- eine vergrößerte Darstellung eines Mischblattes in Seitenansicht mit einem Lochbild;
- Fig. 5
- eine Frontalansicht des blechförmigen Mischblattes von Fig. 4;
- Fig. 6
- eine vergrößerte Darstellung des Details A von Fig. 4; und
- Fig. 7
- eine vergrößerte Darstellung des Details B von Fig. 4.
[0057] In den Figuren 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolloidalmischers
10 mit einem trommelförmigen Mischtrog 12 dargestellt, welcher auf einem Gestell 11
angeordnet ist. Der trommelförmige Mischtrog 12 weist in seinem oberen Bereich eine
zylindrische Innenseite 13 oder Innenwand auf und ist an seiner Oberseite mit einem
Deckel 14 abgeschlossen. Ein unterer Abschnitt des Mischtroges 12 wird durch einen
konisch ausgebildeten Boden 16 gebildet, welcher über eine Öffnung in eine nach unten
gerichtete Aufnahme oder Vertiefung 20 mit einer Mischeinrichtung 30 übergeht. Die
Öffnung mit der Vertiefung 20 ist dabei exzentrisch zu einer Mittenachse des zylindrischen
oberen Bereiches des Mischtroges 12 angeordnet, wie anschaulich aus Fig. 3 hervorgeht.
[0058] Die Mischeinrichtung 30 in der Vertiefung 20 an der Unterseite des Mischtroges 12
weist einen rotierend angetriebenen Mischrotor 32 mit einer Rotornabe 33 und daran
angebrachten, radial gerichteten Mischblättern 34 auf. Der Mischrotor 32 mit den Mischblättern
34 ist insgesamt so ausgebildet, dass mindestens eine in den Mischtrog 12 eingeführte
Flüssigkeitskomponente mit mindestens einer in den Mischtrog 12 zugeführten pulverförmigen
Feststoffkomponente durch den rotierenden Mischrotor 32 vermischt wird. Dabei ist
eine Umfangsgeschwindigkeit des Mischrotors 32 derart eingestellt und die Form der
Mischblätter 34 derart ausgebildet, dass sich in der mindestens einen Flüssigkeit
beziehungsweise der sich bildenden Mischung gezielt Kavitäten bilden, welche einen
Mischeffekt und eine Feinverteilung von Luft weiter unterstützen.
[0059] Durch den drehend angetriebenen Mischrotor 32 wird die mindestens eine Flüssigkeit
beziehungsweise die sich bildende Mischung zu einer seitlichen Austrittsöffnung 22
mit einem Y-Rohrstück 24 ausgetragen, an dessen beiden Ausgangsstutzen einerseits
eine Rückführleitung 40 und andererseits eine Abführleitung 50 angeordnet sind. Über
eine Stelleinrichtung 38 kann gesteuert werden, ob die gebildete Mischung über die
Rückführleitung 40 wieder zurück in den Mischtrog 12 zur Fortsetzung des Mischvorganges
oder über die Abführleitung 50 aus dem Kolloidalmischer 10 abgeführt wird.
[0060] Zum Bilden der Stelleinrichtung 38 sind an der Rückführleitung 40 ein erstes Quetschventil
42 und an der Abführleitung 50 ein zweites Quetschventil 52 angeordnet, welche insbesondere
durch Zuleiten eines Druckmediums, insbesondere Druckluft, verschlossen oder geöffnet
werden können.
[0061] Ist das erste Quetschventil 42 geöffnet und das zweite Quetschventil 52 geschlossen,
wird Flüssigkeit beziehungsweise Mischung von dem Y-Rohrstück 24 über die Rückführleitung
40 durch eine Zuführöffnung 15 in dem Deckel 14 wieder zurück in einen oberen Bereich
des Mischtroges 12 geleitet, wie anschaulich in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist.
[0062] Dabei weist das freie Ende der Rückführleitung 40 ein Umlenkrohr oder eine Mündungsöffnung
44 auf, welche gegen die Innenseite 13 des Mischtroges 12 gerichtet ist. Durch das
Aufprallen der Flüssigkeit beziehungsweise Mischung, welche aus der Mündungsöffnung
44 austritt, auf die Innenseite 13 des Mischtroges 12 wird Umgebungsluft fein verteilt
in die Flüssigkeit beziehungsweise Mischung eingearbeitet. Dies wird dadurch unterstützt,
dass die Rückführströmung durch die Ausrichtung der Mündungsöffnung 44 in zwei Teilströme
aufgeteilt wird, welche entlang der Innenseite 13 des Mischtroges 12 in Umfangsrichtung
in entgegengesetzter Richtung strömen. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von mehreren
Metern pro Sekunde können so die Teilströme wieder in einem gegenüberliegenden Bereich
an der Innenseite 13 des Mischtroges 12 aufeinandertreffen, wobei durch zusätzliche
Verwirbelungen weitere Luft in die Flüssigkeit beziehungsweise Mischung eingearbeitet
wird.
[0063] Das Einarbeiten und feine Verteilen der Luft wird, wie schon oben beschrieben, durch
die rotierende Bewegung des Mischrotors 32 mit den Mischblättern 34 weiter erhöht.
Der Mischvorgang kann vorzugsweise zwischen 100 Sekunden bis 200 Sekunden betragen.
[0064] Nach Erreichen einer gewünschten Konsistenz oder Homogenität der Mischung kann das
erste Quetschventil 42 an der Rückführleitung 40 geschlossen und das zweite Quetschventil
52 an der Abführleitung 50 geöffnet werden. Auf diese Weise wird die fertig gebildete
Mischung oder Suspension aus der Austrittsöffnung 22 durch die Pumpwirkung der Mischeinrichtung
30 über die Abführleitung 50 aus dem Kolloidalmischer 10 ausgetragen.
[0065] Nach Entleeren des Mischtroges 12 kann ein weiterer Mischvorgang für eine neue Charge
begonnen werden.
[0066] In den Figuren 4 bis 7 ist eine mögliche Ausführungsform für ein Mischblatt 34 dargestellt,
welches an einem Mischrotor 32 einer Mischeinrichtung 30 des zuvor beschriebenen Kolloidalmischers
10 eingesetzt werden kann. Zur Befestigung des Mischblattes 34 an einer Rotornabe
33 des Mischrotors 32 sind an einer Befestigungseite Befestigungselemente 37 schematisch
dargestellt. Diese dienen zur lösbaren Befestigung des Mischblattes 34 an der Rotornabe
33. In Fig. 6 ist das Detail A mit dem Befestigungselement 37 aus Fig. 4 näher dargestellt.
[0067] Das Mischblatt 34 ist aus einem Basisblech 35 mit einer Dicke d gebildet, wie anschaulich
aus Fig. 5 hervorgeht. Die Dicke d kann zwischen 3 mm bis 20 mm liegen. In dem eigentlichen
Mischbereich des Mischblattes 34 ist ein Lochbild 36 mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern
gebildet. Die Seitenflächen des Mischblattes 34 können oberflächenbearbeitet sein.
[0068] Ein Durchmesser der Durchgangslöcher kann zwischen 5 mm und 50 mm betragen. Die zwischen
den Durchgangslöchern liegenden Materialstege können eine Größe von wenigen mm aufweisen.
Insgesamt kann das Lochbild 36 mit den Durchgangslöchern eine Gesamtöffnungsfläche
bilden, welche zwischen 40% bis 80% an der Gesamtfläche des Mischblattes 34 ausmacht.
[0069] In Fig. 7 ist ein Teilbereich des Lochbildes 36 genauer gezeigt, wobei das Lochbild
36 aus einer Vielzahl von in Reihen nebeneinander angeordneten Durchgangslöchern in
einem Raster gebildet ist. Zwischen den Durchgangslöchern verbleiben Raster- oder
Materialstege mit entsprechenden Strömungskanten, welche für eine gute Verwirbelung
und eine besonders fein verteilte Bildung von Kavitäten über die Fläche des Mischblattes
34 sorgen. Grundsätzlich kann eine Stegbreite zwischen den Löchern zwischen 10% und
40%, vorzugsweise zwischen 16% bis 33%, des Lochdurchmessers betragen. Dabei kann
eine Blechdicke zwischen 20% bis 75%, vorzugsweise zwischen 33% bis ca. 66 %, des
Lochdurchmessers betragen. Vorzugsweise liegt der Lochdurchmesser zwischen 10 mm bis
20 mm, besonders bevorzugt bei etwa 12 mm.
[0070] Gemäß Fig. 7 kann ein unterer Eckbereich des Mischblattes 34 angefast oder angewinkelt
sein.
1. Verfahren zur kolloidalen Aufbereitung einer Suspension, insbesondere Aufbereitung
von Baustoffen, mit einem Kolloidalmischer (10), insbesondere nach einem der Ansprüche
7 bis 12, bei dem
- mindestens eine Flüssigkeit in einen Mischtrog (12) eingeleitet wird, an dessen
unterem Bereich eine Austrittsöffnung (22) mit einer Mischeinrichtung (30) mit einem
Mischrotor (32) angeordnet ist, welcher drehend angetrieben wird,
- dass mindestens eine pulverförmige Feststoffkomponente in den Mischtrog (12) eingeleitet
wird,
- die mindestens eine Flüssigkeit mit der mindestens einen pulverförmigen Feststoffkomponente
durch den rotierend angetriebenen Mischrotor (32) vermischt in eine Strömung versetzt
und durch die Austrittsöffnung (22) aus dem Mischtrog (12) ausgeleitet wird,
- wobei die Mischung für eine bestimmte Zeit über eine Rückführleitung (40) wieder
in einen oberen Bereich des Mischtroges (12) zum weiteren Mischen rückgeführt wird
und
- nach Erreichen eines gewünschten Mischzustandes die Mischung als fertige Suspension
von der Austrittsöffnung (22) mittels einer Abführleitung (50) abgeführt wird,
dadurch gekennnzeichnet,
dass in die mindestens eine Flüssigkeit und/oder die Mischung gezielt Luft in feinverteilter
Form eingearbeitet wird, wobei eine spezifische Dichte der Flüssigkeit beziehungsweise
der Mischung verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die spezifische Dichte der mindestens einen Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung
verringert wird, wobei durch das Zuführen von Luft das Volumen der Flüssigkeit beziehungsweise
der Mischung um 2 Prozent bis 15 Prozent erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückführleitung (40) eine Mündungsöffnung (44) aufweist, welche auf eine Innenseite
(13) des Mischtroges (12) gerichtet wird, wobei die rückgeführte Flüssigkeit beziehungsweise
Mischung auf die Innenseite (13) aufprallt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Rückführströmung aus der Rückführleitung (40) etwa senkrecht auf die Innenseite
(13) des Mischtroges (12) auftrifft.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Rückführströmung aus der Rückführleitung (40) bei Auftreffen auf der Innenseite
(13) des Mischtroges (12) im Wesentlichen in zwei Teilströme aufgeteilt wird, welche
in entgegengesetzte Richtung entlang der Innenseite (13) des etwa trommelförmigen
Mischtroges (12) strömen.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zwei Teilströme mit einer Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden, so dass sich
die Teilströme unter Ausbildung von Verwirbelungen an einer Stelle des Mischtroges
(12) treffen, welche etwa gegenüberliegend zu der Mündungsöffnung (44) ist.
7. Kolloidalmischer zur kolloidalen Aufbereitung einer Suspension, insbesondere zur Aufbereitung
von Baustoffen und insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 6, mit
- einem Mischtrog (12), welcher eine obere Zuführöffnung (15) zum Zuführen mindestens
einer Flüssigkeit und mindestens einer pulverförmigen Feststoffkomponente und eine
untere Austrittsöffnung (22) aufweist,
- einer Mischeinrichtung (30), welche einen rotierend antreibbaren Mischrotor (32)
aufweist und in einem unteren Bereich des Mischtroges (12) angeordnet ist, wobei durch
den Mischrotor (32) die mindestens eine Flüssigkeit und die mindestens eine pulverförmige
Feststoffkomponente zu einer Mischung vermischt werden und eine Strömung der mindestens
einen Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung zur Austrittsöffnung (22) hin erzeugbar
ist,
- einer Rückführleitung (40), welche sich von der Austrittsöffnung (22) wieder zurück
zur oberen Zuführöffnung (15) des Mischtroges (12) erstreckt,
- einer Abführleitung (40) zum Abführen einer fertiggestellten Suspension aus dem
Mischtrog (12) und
- einer Stellventileinrichtung (38), durch welche die Rückführleitung (40) und die
Abführleitung (50) insbesondere wechselweise geöffnet oder geschlossen werden können,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kolloidalmischer (10) ausgebildet ist, in die mindestens eine Flüssigkeit oder
die Mischung gezielt Luft in feinverteilter Form einzuarbeiten, um eine spezifische
Dichte der Flüssigkeit beziehungsweise der Mischung herabzusetzen.
8. Kolloidalmischer nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rückführleitung (40) eine Mündungsöffnung (44) aufweist, welche auf eine Innenseite
(13) des Mischtroges (12) gerichtet ist.
9. Kolloidalmischer nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Luftzuführeinrichtung mit mindestens einer Zuführdüse zum Eindüsen von Luft
in die Flüssigkeit oder Mischung angeordnet ist.
10. Kolloidalmischer nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischrotor (32) in einer Vertiefung (20) am Boden (16) des Mischtroges (12) vor
der Austrittsöffnung (22) angeordnet ist.
11. Kolloidalmischer nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vertiefung (20) mit dem Mischrotor (32) mittig oder exzentrisch am Boden (16)
des Mischtroges (12) zu dessen Mittenachse angeordnet ist.
12. Kolloidalmischer nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Rotorachse des Mischrotors (32) und eine Mittenachse des trommelförmigen Mischtroges
(12) in einer Mittenebene des Mischtroges (12) liegen und dass eine Rückführströmung
aus der Mündungsöffnung (44) der Rückführleitung (40) etwa parallel zur Mittenebene
auf die Innenseite (13) des Mischtroges (12) auftrifft.
13. Kolloidalmischer nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischrotor (32) Mischblätter (34) aufweist, welche mit einem Lochbild (36) versehen
sind.