ROTOR-STATOR-SYSTEM UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON DISPERSIONEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] US 5 590 961 offenbart ein rotor-stator-system entsprechend dem oberbegriff des Anspruch 1.

[0013] 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.

[0014] Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst, mit einem Rotor-Stator-System gemäß Anspruch 1.

[0015] Die Erfindung stellt ein Rotor-Stator-System zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen entsprechend Anspruch 1 zur Verfügung.

[0016] In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Rotor-Stator-System 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] In einer vorteilhaften Weiterbildung stellt die Erfindung ferner ein Rotor-Stator-System 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.

[0022] 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 höher Viskosität innen und Medien mit relativ geringer Viskosität außen zugeben. Dies bietet Vorteile zum Beispiel beim Eindispergieren von dünnflüssigen Medien wie Parfum oder Konservierungsstoffen einerseits und beim Eindispergieren von Fluiden mit höherer Viskosität und/oder größeren resultierenden Tropfengrößen andererseits.

[0023] 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.

[0024] Um weiteren Einfluß auf die Strömung am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum nehmen zu können, ist gemäß 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.

[0025] 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.

[0026] Für eine besonders gute Vermischung der Flüssigkeit am Übergang zwischen Vormischkammer und Dispergierraum ist des Weiteren vorgesehen, daß das Übergangsstück erfindungsgemäß 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.

[0027] 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°.

[0028] Außerdem können die Löcher durch das Übergangsstück eine sich von einer zur anderen Seite des Übergangsstücks hin verjüngende Form aufweisen, um die Injkektorbeziehungsweise 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°.

[0029] Um auf einfache Weise ein flexibles Anpassen des Rotor-Stator-Systems an unterschiedliche Dispergieraufgaben zu ermöglichen, 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.

[0030] 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.

[0031] 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.

[0032] Diejenige Apparatekomponente, welche die Vormischkammer umfaßt, ist im montierten Zustand ein integraler Bestandteil des Gehäuses.

[0033] Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen unter Verwendung eines Rotor-Stator-Systems Anspruch 7.

[0034] 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.

[0035] 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 0,02Sekunden 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.

[0036] 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.

[0037] 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.

[0038] In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte b), c) und d) gleichzeitig durchgeführt. So kann das Verfahren kontinuierlich betrieben werden.

[0039] 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.

[0040] 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.

[0041] 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 Statorkopfes, wobei der Ausschnitt eine Vormischkammer zeigt,

Fig. 3

eine Fotografie eines Übergangsstücks, wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht,

Fig. 4

eine Fotografie eines Übergangsstücks wobei das Übergangsstück auf einer Unterlage liegt, welche die Geometrie eines Rotorzahns veranschaulicht,

Fig. 5

eine Fotografie eines 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 , nämlich in

Fig. 6a

eine Aufsicht auf ein Übergangsstück mit schematisch angedeuteten Geometrien für die Anordnung von Schlitzen B10) und A10), 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 A11, B11, C11, A12 und B12, und in

Fig. 6c

eine Aufsicht auf den Übergang zwischen Vormischkammern 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 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 (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 (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 (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 (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 (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 Formen für Rotorzähne

Fig. 18

eine schematische Darstellung zur Illustration einer Modellvorstellung der Passage einer Emulsion durch den Dispergierraum eines 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).

[0042] 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 Vormischkammern 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.

[0043] 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.

[0044] 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.

[0045] 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.

[0046] 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.

[0047] 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.

[0048] 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.

[0049] 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.

[0050] 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.

[0051] 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.

[0052] Anzahl, Abmessungen und Form der Öffnungen 31 können je nach Dispergieraufgabe 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.

[0053] 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.

[0054] 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.

[0055] 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 Dispergieraufgabe 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.

[0056] Die Rohstoffe beziehungweise Komponenten beziehungsweise Phasen der Dispersion werden durch die Vormischkammern über Pumpen eingebracht. An die Einläufe 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.

[0057] 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.

[0058] 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.

[0059] 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.

[0060] Die Abstimmung dieser Parameter auf die jeweilige Dispergieraufgabe 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.

[0061] 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.

[0062] 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.

[0063] 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 A10 entspricht der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform des Übergangsstücks. Die Geometrie B10 entspricht der in Figur 3 dargestellten Geometrie des Übergangsstücks.

[0064] 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.

[0065] In Figur 6b sind verschiedene Kanalformen für die Löcher in Übergangsstücken dargestellt. A11 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 A11 relativ groß.

[0066] Die Löcher 31 im Übergangsstück 3 werden von einer Mantelfläche 35 begrenzt. Gemäß den Ausführungsformen B11 und C11 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.

[0067] Aufgrund der gegenüber der Senkrechten auf das Übergangsstück geneigten Lochachse haben die Geometrien B11 und C11 eine geringere Penetrationstiefe. Jedoch ist dadurch eine erhöhte Verwirbelung des Fluids in Nachbarschaft des Übergangsstückes gewährleistet.

[0068] 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 Einlässe 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.

[0069] 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.

[0070] 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.

[0071] Die in Figur 7 gezeigte schematische Darstellung illustriert eine vereinfachte Modellvorstellung, welche nicht den Anspruch erhebt, die tatsächlich herrschenden Strömungsverhältnisse vollständig wiederzugeben.

[0072] In Figur 8 ist ein Stator 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.

[0073] 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.

[0074] 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.

[0075] 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 Dispergieraufgabe angepaßt.

[0076] Werden 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.

[0077] Ein solcher Rotor des erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Systems kann beispielsweise wie der in Figur 10 unten dargestellte gestaltet sein. Dieser Rotor 4 hat 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.

[0078] 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.

[0079] In den Figuren 12 bis 16 ist für verschiedene Ausführungsformen 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.

[0080] Die Außenmaße des Rotors und die Höhe der Rotorzähne werden 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 des Rotors in mm	Nennleistung des Motors in kW	Höhe der Rotorzähne 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

[0081] 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.

[0082] 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).

[0083] 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 d₁ von der Zentrumsachse 14 des Rotors gesehen, welche kleiner ist als der Abstand d₂ der Rotorzähne des äußeren Zahnkranzes 423.

[0084] 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.

[0085] 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.

[0086] 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 α₅ 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.

[0087] 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 α₄ 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.

[0088] 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 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.

[0089] In Bezug auf die Gestaltung des Rotorzahnes bieten sich 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 eine gezackte Oberfläche auweisen.

[0090] 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.

[0091] 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 α₄ 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.

[0092] 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.

[0093] 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.

[0094] 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.

[0095] 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.-%.

[0096] 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 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.

[0097] 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.

[0098] Figur 19 illustriert eine Modellvorstellung der Herstellung einer Emulsion in einem 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.

[0099] 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.

[0100] 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.

[0101] 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).

[0102] 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.

[0103] 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 20D 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.

[0104] 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.

[0105] Diese intensive Mischung der dispersen und der kontinuierlichen Phase in der Vormischkammer wird durch das Zusammenwirken mit den 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 Unterdruck an jeder Öffnung der Vormischkammer.

[0106] 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.

[0107] 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.

[0108] Die oben beschriebene 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.

[0109] 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.

[0110] 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.

[0111] 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.

[0112] 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

[0113] Eine Dispergiermaschine mit einem Rotor und einem Stator 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_.

[0114] 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.

[0115] 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 herkömmlichen Apparaten weit überlegen.

Beispiel 2

[0116] Für das Verdünnen von Substanzen mit Wasser, wobei ein Übergangszustand durchlaufen wird, in welchem eine dispersionsartiges System aus der Substanz und Wasser vorliegt, bieten sich 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.

[0117] 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 Vormischkammer dagegen, kann den besonderen Anforderungen des Verdünnens von waschaktiven Substanzen mit Wasser Rechnung getragen werden und die gewünschte Kapazität flexibel angepaßt werden.

[0118] 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.

[0119] 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.

[0120] Eine Anlage mit 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 455 kg/Min Wasser unter Kontrolle durch einen Durchflußmesser dem Stator zugeführt werden, so dass dieser Volumenstrom an Wasser in den Dispergierraum gelangt.

[0121] Durch die Zuläufe zu Vormischkammern werden 255 kg/Min waschaktive Substanz zugepumpt. In einem Durchlauf ist die waschaktive Substanz dann 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.

[0122] Des Weiteren ergibt sich der 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

[0123] Eine weitere Anwendungsmöglichkeit 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.

[0124] 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 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.

[0125] 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.

[0126] 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 für die meisten Produkte in Grenzen hält.

Beispiel 4

[0127] 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.

[0128] 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 B10 (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.

[0129] 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

[0130] 

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

Ansprüche

1. Rotor-Stator-System (6) zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen
mit Stator (1) 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,
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,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) ein Übergangsstück angeordnet ist, welches in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eine oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist.

2. Rotor-Stator-System (6) 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
und/oder daß
sich die Vormischkammer (2) vom Übergang zum Dispergierbereich (17) aus in den Stator (1) hinein wölbt
und/oder 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
und/oder 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 und/oder 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.

3. Rotor-Stator-System (6) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stator (1) zumindest zwei Vormischkammern (2) aufweist, die in unterschiedlichen radialen Abständen zur Längsachse (14) des Stators positioniert sind

4. Rotor-Stator-System (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Übergangsstück (3) den Übergang zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) bereichsweise oder vollständig ausfüllt
und/oder
das Übergangsstück (3) die Form eines streifenförmigen Ausschnitts aus einem Kreissegment aufweist.

5. Rotor-Stator-System (6) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Übergangsstück (3)
einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist,
wobei mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung (32) des Übergangsstücks (3) verlaufen
oder daß
das Übergangsstück (3)
mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist,
wobei vorzugsweise mehrere Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung (32) des Übergangsstücks (3) verlaufen und 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°
und/oder daß
das Übergangsstück (3) mehrere Schlitze ale Löcher (31) aufweist, wobei vorzugsweise mehrere
Schlitze jeweils im wesentlichen quer zur Hauptausdehnungsrichtung (32) des Übergangsstücks (3) verlaufen,
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°
und/oder
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°
und/oder daß
die mindestens vormischkammer (2) als Kavität derart im Stator (1), insbesondere in einem Statorkopf (11), ausgebildet ist, daß das Übergangsstück (3) als Abschluß der Kavität am Stator, insbesondere am Statorkopf (11), montierbar ist.

6. Rotor-Stator-System (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
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
und/oder 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.

7. Verfahren zum Herstellen und/oder Behandeln von Dispersionen unter Verwendung eines Rotor-Stator-Systems (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 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, wobei zwischen der Vormischkammer (2) und dem Dispergierbereich (17) ein Übergangsstück angeordnet ist, welches in der Art eines Lochbleches gestaltet ist und eine oder mehrere kreisförmige und/oder polygone Öffnungen und/oder einen Schlitz oder mehrere Schlitze als Löcher (31) aufweist,

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.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
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.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schritte b), c) und d) gleichzeitig durchgeführt werden
und/oder daß
das Verfahren kontinuierlich betrieben wird und/oder daß 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
und/oder daß
die Verweilzeit in einer Vormischkammer (2) im Bereich zwischen etwa 0,005 Sekunden und etwa 0,02 Sekunden liegt.

Claims

1. Rotor-stator system (6) for the production and/or treatment of dispersions having a stator (1)
with a dispersion zone (17), which, with a rotor (4) corresponding with the stator (1) defines a dispersion compartment (7) of the rotor-stator systems (6), and
with an inlet (15) for feeding a first component of a dispersion into the dispersion zone (17)
wherein the inside of the stator accommodates at least one premixing chamber (2) outside the dispersion zone (17), which opens into the dispersion zone (17),
the stator (1) having at lease one inlet (25) for feeding another component of the dispersion from outside the stator (1) into the premixing chamber (2), and
the stator (1) being designed so that during operation of the stator, components of the dispersion enter the premixing chamber (2) from the dispersion zone (17) and from the inlet (25), are mixed in said premixing chamber (2), and exit from the premixing chamber (2) into the dispersion zone (17)
characterized in that
a transition piece (3) is arranged between the premixing chamber (2) and the dispersion zone (17) which is designed like a perforated plate, and provides one or a plurality of circular and/or polygonous openings, and/or a slot or a plurality of slots as holes (31).

2. Rotor-stator-system (6) according to claim 1,
characterized in that
the stator (1) has at least two premixing chambers (2), each providing one inlet (25) for feeding a component of the dispersion from outside the stator (1) into the relevant premixing chamber (2),
and/or that
the premixing chamber (2) curves into the stator (1) from the transition to the dispersion zone (17),
and/or that
the premixing chamber (2) has the shape of a strip-like section of a circle segment at the transition to the dispersion zone (17), this section, in particular, having a continuously curved circumferential line (28),
and/or that
the transition of the premixing chamber (2) to the dispersion zone (17) is positioned at such a radial distance from the longitudinal axis (14) of the stator, which is identical with the axis of rotation of the rotor (4) corresponding with the stator (1), that the premixing chamber (2) is positioned above a dispersion tool, in particular a tooth ring (423, 424) of the rotor, when the stator (1) is combined with the corresponding rotor (4) to form the rotor-stator system (6),
and/or that
the transition of the premixing chamber (2) to the dispersion zone (17) is positioned at such a radial distance from the longitudinal axis (14) of the stator (1) which is identical with the axis of rotation of the rotor (4) corresponding with the stator (1), that the premixing chamber (2) is positioned at least above the inner dispersion tool, in particular the inner tooth ring (424), of a rotor with more than one dispersion tools, when the stator (1) is combined with the corresponding rotor (4) to form the rotor-stator system (6).

3. Rotor-stator-system (6) according to claim 1 or 2,
characterized in that
the stator (1) has at least two premixing chambers (2) that are positioned at different radial distances from the longitudinal axis (14) of the stator.

4. Rotor-stator-system (6) according to any of the claims 1 to 3,
characterized in that
the transition piece (3) takes up part of, or the complete area of the transition between the premixing chamber (2) and the dispersion zone (17),
and/or that
the transition piece (3) has the shape of a strip-like section of a circle segment.

5. Rotor-stator-system (6) according to any of the preceding claims, characterized in that
the transition piece (3) comprises a slot or a plurality of slots as holes (31) with
several slots being essentially arranged at right angles with the main direction of expansion (32) of the transition piece (3),
or that
the transition piece (3) comprises several slots as holes (31) with several slots preferably being essentially arranged at right angles with the main direction of expansion (32) of the transition piece (3), and with the holes (31) passing through the transition piece (3) are arranged along a hole axis (33), which together with the line perpendicular to the transition piece (3) forms and angle,
in particular an angle within the range between about 10° and about 80°, preferably within the range between about 30° and about 60°, and especially preferably an angle of about 45°,
and/or that
the transition piece (3) comprises several slots as holes (31) with several slots preferably being essentially arranged at right angles with the main direction of expansion (32) of the transition piece (3),
and with the holes (31) passing through the transition piece (3) are arranged along a hole axis (33), which together with the line perpendicular to the transition piece (3) forms and angle,
in particular an angle within the range between about 10° and about 80°, preferably within the range between about 30° and about 60°, and especially preferably an angle of about 45°,
and/or that
the holes (31) through the transition piece (3) are delimited by a lateral area (35) with a first partial area (36) and at least one additional partial area (37),
at least one partial area (36, 37) running along an intersecting plane which together with the line perpendicular to the transition piece (3) forms an angle,
in particular an angle within the range between about 10° and about 80°, preferably within the range between about 30° and about 60°, and especially preferably an angle of about 45°,
and/or that
at least one premixing chamber (2) is designed in the stator (1) in particular in the stator head (11), such that a transition piece (3) can be fitted to the stator head so that it delimits said cavity.

6. Rotor-stator-system according to one of the claims 1 to 5, characterized in that
the stator (1) is of the two-part type and comprises a stator head (11) and a stator body (12), at least one premixing chamber (2) being accommodated in the stator head (11), and
the stator body (12) comprising a dispersion tool of the stator, in particular at least one tooth ring (123, 124)
and/or
several stator heads (11), which differ in the number and/or geometry of the premixing chambers (2), can be mounted on a stator body (12) in order to form a stator (1) with replaceable stator head.

7. Method for the production and/or treatment of dispersions, using a rotor-stator system (6) according to any of the claims 1 to 6, with the following steps

a) provision of a first phase of the dispersion in a first receiving tank (101), which communicates with the dispersion compartment (7), and
provision of at least one second phase of the dispersion in at least one second receiving tank (102), which communicates with a premixing chamber (2) wherein a translation piece (3) is arranged between the premixing chamber (2) and the dispersion zone (17) which is designed like a perforated plate, and provides one or a plurality of circular and/or polygonous openings, and/or a slot or a plurality of slots as holes (31),

b) feeding the first phase of the dispersion into the dispersion compartment (7),

c) feeding the second phase of the dispersion into the premixing chamber (2),

d) driving the rotor (4),

so that, with the rotor-stator system (6) in operation,
the first phase passes the dispersion compartment (7) and enters the premixing chamber (2), thus getting into contact with the second phase, and thus forming a mixture and/or a dispersion from the first and the second phase, and
the second phase and/or the mixture formed from the first and the second phase and/or the dispersion formed in the premixing chamber (2) from the first and the second phase, is conveyed through the premixing chamber into the dispersion compartment (7).

8. Method according to claim 7,
characterized in that
a stator (1) is used with at least one additional premixing chamber (2), and
in step a) at least one additional phase of the dispersion is made available in at least one additional receiving tank, which communicates with the additional premixing chamber (2),
the additional phase of the dispersion being fed, in step c) into the additional premixing chamber (2) of the rotor-stator system (6),
so that, with the rotor-stator system in operation,
the first phase passes the dispersion compartment (7) and enters the premixing chambers (2), thus getting into contact with the second phase or additional phase in the respective premixing chamber (2), and thus forming a mixture and/or a dispersion from the phases, and
the second phase or at least one additional phase and/or the mixture and/or the dispersion formed in a premixing chamber (2) from at least two phases is conveyed through the respective premixing chamber (2) into the dispersion compartment (7).

9. Method according to one of the claims 7 or 8,
characterized in that
steps b), c) and d) are performed simultaneously,
and/or that
the process is performed as a continuous process,
and/or
in which the first phase added in step b) will form the disperse phase of the dispersion and the second phase added in step c) will form the continuous phase or an element of the continuous phase of the dispersion, and
phase inversion occurs in the production of the dispersion and/or that
the retention time in a premixing chamber (2) is within a range of between about 0.005 seconds and about 0.02 seconds.

Revendications

1. Système rotor-stator (6) pour la production et/ou le traitement de dispersions
avec un stator (1) comprenant une zone de dispersion (17) définissant un espace de dispersion (7) du système rotor-stator (6) relié au rotor (4) correspondant au stator (1), et
avec une admission (15) pour l'amenée d'un premier composant d'une dispersion dans la zone de dispersion (17),
au moins une chambre de prémélange (2) extérieure à la zone de dispersion (17) étant prévue à l'intérieur du stator, laquelle débouche dans la zone de dispersion (17),
le stator (1) comportant au moins une entrée (25) pour l'amenée d'un autre composant de la dispersion dans la chambre de prémélange (2) depuis l'extérieur du stator (1), et
le stator (1) étant réalisé de telle manière que, pendant le fonctionnement du stator, des composants de la dispersion pénètrent dans la chambre de prémélange (2) en provenance de la zone de dispersion (17) et de l'entrée (25), y soient mélangés entre eux et sortent de la chambre de prémélange (2) pour aller dans la zone de dispersion (17),
caractérisé en ce que
une pièce de transition est prévue entre la chambre de prémélange (2) et la zone de dispersion (17), laquelle est réalisée à la manière d'une tôle perforée et présente en guise de trous (31) une ou plusieurs ouvertures circulaires et/ou polygonales et/ou une fente ou plusieurs fentes.

2. Système rotor-stator (6) selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
le stator (1) comprend au moins deux chambres de prémélange (2) ayant chacune une entrée (25) pour l'amenée d'un composant de la dispersion dans la chambre de prémélange (2) concernée depuis l'extérieur du stator (1),
et/ou
la chambre de prémélange (2) s'incurve de la transition vers la zone de dispersion (17) dans le stator (1),
et/ou
la chambre de prémélange (2) se présente sur la transition vers la zone de dispersion (17) comme une tranche en forme de bande d'un segment de cercle, ladite tranche présentant notamment une ligne périphérique (28) continûment incurvée,
et/ou
la transition de la chambre de prémélange (2) vers la zone de dispersion (17) est prévue avec un tel espacement radial par rapport à l'axe longitudinal (14) du stator coïncidant avec l'axe de rotation du rotor (4) correspondant au stator (1), que la chambre de prémélange (2) est positionnée au-dessus d'un outil de dispersion, en particulier d'une couronne dentée (423, 424) du rotor, quand le stator (1) est combiné au système rotor-stator (6) avec le rotor (4) correspondant,
et/ou
la transition de la chambre de prémélange (2) vers la zone de dispersion (17) est prévue avec un tel espacement radial par rapport à l'axe longitudinal (14) du stator (1) coïncidant avec l'axe de rotation du rotor (4) correspondant au stator (1), que la chambre de prémélange (2) est positionnée au moins au-dessus de l'outil de dispersion intérieur, en particulier de la couronne dentée (424) intérieure d'un rotor à plusieurs outils de dispersion, quand le stator (1) est combiné au système rotor-stator (6) avec le rotor (4) correspondant.

3. Système rotor-stator (6) selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le stator (1) comprend au moins deux chambres de prémélange (2) positionnées avec différents espacements radiaux par rapport à l'axe longitudinal (14) du stator.

4. Système rotor-stator (6) selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
la pièce de transition (3) comble partiellement ou intégralement la transition entre la chambre de prémélange (2) et la zone de dispersion (17),
et/ou
la pièce de transition (3) se présente comme une tranche en forme de bande d'un segment de cercle.

5. Système rotor-stator (6) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la pièce de transition (3) présente une ou plusieurs fentes en guise de trous (31),
plusieurs fentes s'étendant chacune sensiblement transversalement à la direction d'extension principale (32) de la pièce de transition (3),
ou
la pièce de transition (3) présente plusieurs fentes en guise de trous (31),
plusieurs fentes s'étendant préférentiellement chacune sensiblement transversalement à la direction d'extension principale (32) de la pièce de transition (3) et les trous (31) s'étendant chacun au travers de la pièce de transition (3) le long d'un axe de trou (33) qui forme un angle avec la perpendiculaire à la pièce de transition (3),
en particulier un angle compris entre 10° environ et 80° environ, préférentiellement compris entre 30° environ et 60° environ, et plus particulièrement égal à 45° environ,
et/ou
la pièce de transition (3) présente des fentes s'étendant chacune sensiblement transversalement à la direction d'extension principale (32) de la pièce de transition (3),
les trous (31) s'étendant chacun au travers de la pièce de transition (3) le long d'un axe de trou (33) qui forme un angle avec la perpendiculaire à la pièce de transition (3),
en particulier un angle compris entre 10° environ et 80° environ, préférentiellement compris entre 30° environ et 60° environ, et plus particulièrement égal à 45° environ,
et/ou
les trous (31) au travers de la pièce de transition (3) sont limités par une surface périphérique (35) avec une première zone partielle (36) et au moins une autre zone partielle (37),
au moins une zone partielle (36, 37) s'étendant le long d'une surface de coupe qui forme un angle avec la perpendiculaire à la pièce de transition (3),
en particulier un angle compris entre 10° environ et 80° environ, préférentiellement compris entre 30° environ et 60° environ, et plus particulièrement égal à 45° environ,
et/ou
la ou les chambres de prémélange (2) sont réalisées comme cavité dans le stator (1), en particulier dans une tête de stator (11), de telle manière que la pièce de transition (3) peut être montée comme fermeture de la cavité sur le stator, en particulier sur la tête de stator (11).

6. Système rotor-stator (6) selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que
le stator (1) est réalisé en deux parties et comprend une tête de stator (11) ainsi qu'un corps de stator (12), la ou les chambres de prémélange (2) étant prévues dans la tête de stator (11), et
le corps de stator (12) comprenant un outil de dispersion du stator, en particulier au moins une couronne dentée (123, 124),
et/ou
plusieurs têtes de stator (11), qui se distinguent par le nombre et/ou la géométrie des chambres de prémélange (2) peuvent être montées sur un corps de stator (12), pour former un stator (1) avec une tête de stator renouvelable.

7. Procédé de production et/ou de traitement de dispersions recourant à un système rotor-stator (6) avec un stator selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes :

a) préparation d'une première phase de la dispersion dans un premier récipient collecteur (101) relié à l'espace de dispersion (7) et préparation d'au moins une deuxième phase de la dispersion dans au moins un deuxième récipient collecteur (102) relié à une chambre de prémélange (2), une pièce de transition étant prévue entre la chambre de prémélange (2) et la zone de dispersion (17), laquelle est réalisée à la manière d'une tôle perforée et présente en guise de trous (31) une ou plusieurs ouvertures circulaires et/ou polygonales et/ou une fente ou plusieurs fentes,

b) amenée de la première phase de la dispersion dans l'espace de dispersion (7),

c) amenée de la deuxième phase de la dispersion dans la chambre de prémélange (2),

d) entraînement du rotor (4),

si bien que, pendant le fonctionnement du système rotor-stator (6),
la première phase parvient dans la chambre de prémélange (2) en traversant l'espace de dispersion (7) et entre en contact avec la deuxième phase, un mélange et/ou une dispersion de la première et de la deuxième phases étant formé, et
la deuxième phase et/ou le mélange de la première et de la deuxième phases et/ou la dispersion de la première et de la deuxième phases formée dans la chambre de prémélange (2) étant refoulés vers l'espace de dispersion (7) en traversant la chambre de prémélange (2).

8. Procédé selon la revendication 7,
caractérisé en ce que
un stator (1) avec au moins une autre chambre de prémélange (2) est utilisé, et
en ce qu'en étape a), au moins une autre phase de la dispersion est préparée dans au moins un autre récipient collecteur relié à l'autre chambre de prémélange (2), et
l'autre phase de la dispersion étant amenée vers l'autre chambre de prémélange (2) du système rotor-stator (6) en étape c), si bien que, pendant le fonctionnement du système rotor-stator,
la première phase parvient dans les chambres de prémélange (2) en traversant l'espace de dispersion (7), et entre en contact avec la deuxième phase ou l'autre phase dans chaque chambre de prémélange (2), un mélange et/ou une dispersion des phases étant formés, et
la deuxième ou au moins une autre phase et/ou le mélange et/ou la dispersion d'au moins deux phases formée dans une chambre de prémélange (2) étant refoulés vers l'espace de dispersion (7) en traversant chaque chambre de prémélange (2).

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8,
caractérisé en ce que
les étapes b), c) et d) sont exécutées simultanément, et/ou
le procédé est exécuté de manière continue,
et/ou
la première phase amenée en étape b) formera la phase dispersée de la dispersion et la deuxième phase amenée en étape c) formera la phase continue ou un composant de la phase continue de la dispersion, et
une inversion de phase ayant lieu lors de la production de la dispersion,
et/ou
le temps de séjour dans une chambre de prémélange (2) est compris entre 0,005 seconde environ et 0,02 seconde environ.

Zeichnung