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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Dispergieren vorwiegend viskoser Substanzen
Zur Erzielung einer möglichst homogenen Verteilung und von möglichst gleichmässigen Eigenschaften mehrphasiger Systeme und von hochviskosen Substanzen aller Art, sind Homogenisier-, Dispergier-und Emulgiermaschinen, wie Planetrührwerke, Kreiselmischer, Zahnrad- und Knetpumpen u. dgl. in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Zum Mischen von hochviskosen Substanzen sind Doppelarmkneter und Mehrwalzenwerke entwickelt worden. Zur Verfeinerung des Mahlgutes werden langsam laufende Rührwerksmühlen (Schweizer Patentschrift Nr. 132086) mit kleinen Mahlkörpem oder schnellaufende Rührwerksmühlen (USA-Patentschrift Nr. 2, 212, 641) verwendet.
Eine ausreichende Homogenisierung wird häufig jedoch erst nach einem vielstündigen Betrieb der entsprechenden Maschine erreicht. Durch die Verwendung von Schwingmühlen kann die Mahldauer wesentlich herabgesetzt werden. Für die Verreibung von Pigmenten in filmbildenden Produkten ist eine schnellaufende Rührwerksmühle entwickelt worden, die mit Sand arbeitet (USA-Patentschrift Nr. 2,581, 414) und unter der Bezeichnung "Sand-Mill" im Handel ist. Die bekannteste Ausführungsform dieser Rührwerksmühle ist mit abfahrbaren Trögen und einem Profileisenständer versehen, der die Antriebswelle und den Antriebsmotor aufnimmt. Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform sind die Rührwerksträger ortsfest angeordnet, die zum Perlen- oder Farbwechsel abschraubbare Böden aufweisen. Diese bekannten Rührwerksmühlen sind von kompakter Bauart.
Zur Herstellung von beispielsweise Klarlacken sind diese Mühlen nicht geeignet.
Die bekannten Vorrichtungen zum Dispergieren, Feinmahlen bzw. Homogenisieren arbeiten diskontinuierlich. Diejenigen Vorrichtungen, wie beispielsweise die Knetpumpe, die auch für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet sind, sind nur für das Vermischen bzw. Durchkneten bestimmter Substanzen geeignet. Hinzu kommt noch, dass bei allen bekannten Vorrichtungen eine ausreichende Vermischung bzw. Homogenisierung des Ausgangsstoffes bzw. der Ausgangsstoffe nur dann möglich ist, wenn die Stoffe durch eine lange Mischstrecke hindurchgeleitet werden, was jedoch zur Folge hat, dass derartige Vorrichtungen von relativ grosser Bauweise sind und dann für das Aufstellen viel Raum in Anspruch nehmen, oder, dass die Stoffe mehrmals durch ein und dieselbe Vorrichtung hindurchgeleitet werden müssen. Das mehrmalige Hindurchleiten durch ein und dieselbe Mischvorrichtung oder das Homogensieren bzw.
Dispergieren in einer Vorrichtung über einen längeren Zeitraum hinaus erfordert das Aufstellen mehrerer Vorrichtungen, was unwirtschaftlich und mit hohen Kosten verbunden ist. Hinzu kommt noch, dass die Verweilzeiten für die einzelnen Mischungen in den Vorrichtungen berücksichtigt werden müssen, die von Produkt zu Produkt sehr unterschiedlich sind und auch vom Verwendungszweck des zu dispergierenden Gutes abhängen. Lange Verweilzeiten führen häufig zu einer Blockierung der Vorrichtung für andere Mischzwecke. Der Betrieb muss daher eine entsprechende Planung vornehmen, wenn nicht eine ausreichende Anzahl von entsprechenden Maschinen zur Verfügung steht.
Wesentlich ist ferner, dass beispielsweise für die Herstellung von Lacken, Klar- oder Farblacken, und Lacken auf Kunststoffbasis keine Vorrichtungen bekannt sind, die ein kontinuierliches Arbeiten ge-
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währleisten. Bei den bekannten Vorrichtungen, die vergeblich kontinuierlich arbeiten, muss das Gemisch ausserhalb der Vorrichtung gesondert hergestellt werden. Das fertige Gemisch wird dann erst homogenisiert oder dispergiert. Letzten Endes liegt auch hier ein chargenweises Arbeiten vor.
Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung
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mässigen Eigenschaften gewährleisten. Überraschenderweise gelingt es, hochdispergierte, feinstgemahlene bzw. hochhomogenisierte Produkte und insbesondere Kunststofflacke gemäss der Erfindung in einem kontinuierlichen Verfahren in der Weise herzustellen, dass man-und hierin besteht die Erfindung - die Ausgangsstoffe unter Druck in einem geschlossenen System unmittelbar in den Turbulenzbereich eines Turborührers unter Luftausschluss einleitet, das Gemisch durch Verwirbelung im Umlauf hält und das Fertigungsprodukt aus einer oberhalb der Zuführungsstellen für die Ausgangsstoffe befindlichen Stelle fortlaufend abzieht.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem etwa zylindrischen Behälter mit einem verengten oberen Ableitraum für das Fertigprodukt und mit einem kammerartig erweiterten, einen Turborührer aufnehmenden Teil, in dem die Zuführungsleitungen für die Ausgangsstoffe angeordnet und bis zur unmittelbaren Beaufschlagung des Turborührers verlängert sind. Die Zuführungsleitungen für die Ausgangsstoffe sind in der Behälterwandung teleskopartig verschiebbar geführt. Das Fassungsvermögen des kammerartig erweiterten Behälterteils beträgt 300 cm 3.
Der hochtourige Rührer ist als Propellerrührer mit an den Flügeln vorgesehenen Schneidkanten ausgebildet. Die Rührerachse ist in dem Behälter waagrecht oder senkrecht angeordnet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind mehrere Behälter zu einer säulenartigen Fertigungseinheit zusammengeschlossen ; die Ableitung eines jeden Behälters ist dann mit den Zuleitungen des jeweils nachfolgenden Behälters verbunden, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, das Gemisch kontinuierlich durch mehrere Behälter, deren Turborührer unterschiedliche Drehzahlen aufweisen können, zu leiten, wenn ein besonders hoher Verteilungsgrad der Ausgangsstoffe im Endprodukt gewünscht wird. Soll ein Mehrphasensystem hergestellt werden, so sind die Ableitungen mehrerer zu einer Fertigungseinheit zusammengeschlossener Behälter mit einer Zuführungsleitung des jeweils nachfolgenden Behälters verbunden. Die einzelnen Phasen werden dann dem Gemisch in den einzelnen Behältern zugeführt.
Die Zeichnungen veranschaulichen die Durchführung des Verfahrens zu einem Ausführungsbeispiel eines Behälters zum kontinuierlichen Dispergieren von Substanzen und mehrphasigen Systemen, u. zw. zeigen Fig. 1 einen Behälter mit einem Rührwerk teils in Ansicht, teils im senkrechten Schnitt, Fig. 2 mehrere Behälter mit einer gemeinsamen Ableitung für das Fertigprodukt, Fig. 3 mehrere zu einer säulenartigen Fertigungseinheit übereinander angeordnete Behälter, deren Ableitungen für das Fertigprodukt an die Zuführungsleitungen der jeweils folgenden Behälter angeschlossen sind und Fig. 4 mehrere hintereinandergeschaltete Behälter, wobei jedoch jedem Behälter eine neue Ausgangskomponente dem in dem vorangegangenen Behälter hergestellten Gemisch zugesetzt wird, teils in Ansicht, teils im Schnitt.
Nach einerbevorzugtenAusführungsform gemäss Fig. l besteht der etwa zylindrische Behälter 10 aus einem kammerartig erweiterten Teil 11 und einem oberen verengten Ableitraum 12, an den eine Ableitung 13 angeschlossen ist. Der Behälter 10 besteht vorzugsweise aus korrosionsbeständigen Werkstoffen. Der verengte Ableitraum 12 ist als Schauglas ausgebildet, das in einem oberen Ring 14 gehalten ist, der mittels Verbindungsstäben 15 aus dem erweiterten Teil 11 befestigt ist. In der Behälterwandung können auch mehrere einzelne Schaugläser vorgesehen sein. Der kammerartig erweiterte Behälterteil weist ein Fassungsvermögen von etwa 300 cm3 auf.
In dem kammerartig erweiterten Teil 11 des Behälters 10 ist vorzugsweise mittig ein Rührwerk 20 angeordnet, das über eine senkrechte Achse 21 mit einem Antriebsmotor 22, deren Drehzahl im Bereich von 1 bis 50 000 Touren stufenlos einstellbar ist, verbunden ist.
Der kammerartig erweiterte Teil 11 des Behälters 10 weist Zuführungsleitungen 30,31 auf.
Die Anzahl der Zuführungsleitungen richtet sich nach der Anzahl der Ausgangskomponenten, die dem Fertigproduktzugrundegelegt werden. Die Zuführungsleitungen 30,31 sind bis zur unmittelbaren Beaufschlagung des Rührwerkes 20 bis in den Innenraum des Behälters 10 verlängert ausgebildet. Die freien Enden der Zuführungsleitungen 30, 31 sind im Bereich des Rührwerkes 20 vorzugsweise dü- senförmig ausgebildet. Um den Abstand der düsenförmigen Enden der Zuführungsleitungen 30, 31 vom Rührwerk 20 variieren zu können, sind die Zuführungsleitungen 30, 31 in der Wandung des Behäl-
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ters 10 teleskopartig verschiebbar geführt, was durch die Pfeile X und Y zum Ausdruck gebracht ist.
Die Zuführungsleitungen 30, 31 stehen unter Zwischenschaltung von Dosierpumpen 35,36 mit den Vorratsbehältern 37, 38 für die Ausgangsstoffe A und B in Verbindung (Fig. 2).
Das Rührwerk 20 ist als hochtouriger Propellerrührer mit an den Flügeln 23 versehenen Schneidkanten ausgebildet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, in dem kammerartig erweiterten Behälterteil 11 zwei Propellerrührer mit horizontalen oder senkrechten Antriebsachsen anzuordnen.
Die Propellerrührer sind, wenn die Antriebsachsen horizontal angeordnet sind, sich gegenüberliegend und gegenläufig ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, in dem kammerartigen Behälterteil 11 einen Propellerrührer mit einer senkrechten Antriebsachse und einen Propellerrührer mit einer waagrechten Antriebsachse anzuordnen. Jedoch auch anders ausgebildete Rührwerke können zur Anwendung gelangen.
Um den Mischraum innerhalb des kammerartig erweiterten Behälterteils 11 in seiner Grösse ver- ändern zu können, sind nach einer weiteren Ausführungsform der Propellerrührer 20 und die Zuführungsleitungen 30, 31 in einem Mantelgehäuse 40 angeordnet das in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Das Mantelgehäuse 40 ist in den Behälter 10 einsetzbar, u. zw. derart, dass sich an die obere Öffnung des Mantelgehäuses der Ableitraum 12 anschliesst. Das Mantelgehäuse 40 kann die verschiedensten Abmessungen aufweisen, die jedoch immer kleiner gehalten sind, als die Innenabmessun- gen des kammerartig erweiterten Teiles 11 des Behälters 10.
Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, auch in kleineren Behältern Homogenisier- oder Dispergier- oder Mahlprozesse durchzuführen, falls dies gewünscht wird oder erforderlich sein sollte.
Um zu vermeiden, dass beim Homogenisieren oder Dispergieren eine Erwärmung des zu behandeln den Gutes eintritt, kann der Behälter 10 mit einer an der Behälteraussen-oder-innenwandung angeordneten Kühleinrichtung versehen sein. Wird ein austauschbarer Mantelbehälter 40 verwendet, so besteht die Möglichkeit, die Kühlelemente an dem Innenmantel 40 vorzusehen. Von wesentlichem Vorteil ist es jedoch, wenn die Ausgangsstoffe unmittelbar vor dem Einführen in das Turbulenzzentrum des Rührwerkes gekühlt werden. Hiezu können beispielsweise die Kühlelemente an den Aussenwandungen der im Kammerinnenraum angeordneten Abschnitte der Zuführungsleitungen 30, 31 angebracht sein.
Um die Verwirbelung der in die Kammer 11 eingeführten Ausgangsstoffe zu erhöhen, kann oberhalb des Rührwerkes 20 eine profilierte Ableitplatte 41 vorgesehen sein, die so bemessen ist, dass zwischen der Platte 41 und der Kammerwandung ein Zwischenraum 42 für das Ableiten der gemischten Komponenten in den Ableitraum 12 gegeben ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung der kontinuierlichen Arbeitsweise erlaubt es, Fertigprodukte, ins-
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pergiergrade werden erreicht. Vom Vorratsbehälter für die Ausgangsstoffe bis zum Abfüllen des Fertigproduktes wird die Arbeitsweise nicht unterbrochen. Das kontinuierliche Verfahren arbeitet unter völligem Ausschluss von Luft. Verkrustete Rückstände, beispielsweise Lacke, werden vermieden. Dadurch ist ein schnelles Reinigen der Gesamtvorrichtung möglich. Die Vorrichtung braucht zur Reinigung nicht auseinandergenommen werden. Es werden lediglich Reinigungsmittel durch die Vorrichtung geleitet.
Die Kammer 11 reinigt sich bei Verwirbelung des Reinigungsmittels selbst. In kürzester Zeit ist die Vorrichtung gereinigt, so dass keine langen Unterbrechungen bei der Lackherstellung gegeben sind. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht das Umstellen von einer Lackart auf eine andere Lackart in kürzester Zeit. Die nach dem kontinuierlichen Verfahren hergestellten Endprodukte sind von gleichbleibender Qualität, u. zw. auch dann, wenn Ausgangsstoffe unterschiedlicher Qualität verwendet werden, was häufig der Fall bei den Ausgangsstoffen für die Kunstharzlackherstellung ist. Soll beispielsweise ein neuer Lack hergestellt werden, so sind keine Laborversuche mehr erforderlich. Auch kleine Mengen, beispielsweise nur 2 kg an Endprodukt können erhalten werden, so dass keine grossen Ansätze mehr erforderlich werden.
Sind die Versuche mit kleineren Ansätzen zur vollsten Zufriedenheit verlaufen, so kann jederzeit die Grossproduktion vorgenommen werden. Auch kleinere Mengen, beispielsweise 5 t einer bestimmten Lackart, können in gleicher Weise hergestellt werden, wie grössere Mengen von 50 t und mehr.
Die folgenden Ausführungsbeispiele erläutern das erfindungsgemässe Verfahren.
Beispiel 1 : Dem erfindungsgemäss ausgebildeten Behälter mit einem Fassungsvermögen
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300 cm ? werden über die Zuführungsleitunggelöste Kunststoffharze und über die Zuführungsleitung 31 101odesGesamtproduktesParaffin-Disper- sion im Bereich des rotierenden Propellerrührers 20 zugeführt. Die Gesamtmenge der jeweils zuge-
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gangsstoffe entströmen den düsenartigen freien Enden der Zuführungsleitungen und prallen im Turbulenzzentrum des Propellerrührers gegeneinander und auf die Flügel des Rührers, dessen Schneidkanten eine noch zusätzliche Zerteilwirkung der aufeinanderprallenden Teilchen bewirken. Mittels des hochtourigen Rührers erfolgt eine sehr starke Verwirbelung der Ausgangsstoffe.
Gleichzeitig erfolgt ein zusätzliches Feinvermahlen der Teilchen und ein Dispergieren der Ausgangsstoffe. Das in der Turbulenzkammer 11 vorliegende Fertigprodukt wird, da der Turbulenzbereich des Rührers sich bis in den Ableitraum 12 des Behälters 10 erstreckt, in den Ableitraum gewirbelt und von hier aus über die Rohrleitung 13 der Abfüll-und/oder Wiegestation zugeführt. Bei der weiteren kontinuierlichen Zudosierung der Ausgangskomponenten ist jeweils das zur Erstellung des gewünschten Fertigproduktes erforderliche Dosierverhältnis der Ausgangskomponenten zueinander beizubehalten. Entsprechend der Geschwindigkeit, mit der die Ausgangsstoffe dem Behälter 10 zugeführt werden, wird das Fertigprodukt abgeleitet.
Bei der Anwendung der erfindungsgemäss ausgebildeten Turbulenzkammer hat es sich gezeigt, dass eine Verschiebung des Dosierverhältnisses nicht eintritt, da die Ausgangsstoffe in der Turbulenzkammer kaum verweilen. Nach der Einführung der Ausgangsstoffe in die Kammer und nach der Verwirbelung erfolgt bereits das Ableiten des Fertigproduktes. Es wird immer ein Fertigprodukt gleichbleibender Qualität und mit gleichen physikalischen Eigenschaften erhalten, was bei der Herstellung von Lacken, insbesondere Klarlacken von wesentlicher Bedeutung ist.
Beispiel 2 : Die Leistung einer Kammer 10 mit einem Fassungsvermögen von 300 cmS ermöglicht die Herstellung von 2 t Endprodukt/h. Soll jedoch die Menge des Endproduktes gesteigert werden, so können mehrere Behälter 10 hinter-oder übereinander angeordnet sein. Die Zuführungsleitungen 30 stehen dann über eine Hauptleitung 50 mit dem Behälter 37 für den Ausgangsstoff A und die Zuführungsleitungen 31 über eine Hauptleitung 51 mit dem Behälter 38 für die Ausgangskomponente B in Verbindung. Die Ableitungen 13 sind dann in einer Sammelleitung 52 für das Endprodukt zusammengeführt (Fig. 2). Mittels drei Kammern 10 werden dann 6 t Endprodukt/h erhalten.
Beispiel S: Ist es für die Herstellung eines bestimmten Endproduktes erforderlich, dass das Reaktionsgemisch durch mehrere Behälter hindurchgeleitet werden muss, in denen das Gemisch unterschiedlich behandelt wird, dann können mehrere Behälter 10 übereinander zu einer Fertigungseinheit angeordnet sein. Gemäss Fig. 3 sind in einem säulenartigen, zylindrischen Gehäuse 60 vier Behälter 10 übereinander, u. zw. auf Zwischenböden 61,62, 63, 64 angeordnet und derart miteinander verbunden, dass die Ableitungen 13 eines jeden Behälters 10 als Zweigrohrleitungen ausgebildet und mit den Zuführungsleitungen 30, 31 des jeweils folgenden Behälters verbunden sind.
Die Ausgangsstoffe A und B werden aus den Behältern 65,66 mittels der Dosierpumpen 67,68 über die Zuführungsleitungen 30, 31 dem untersten Behälter 10 und von diesem den auf denZwischenbö- den 62,63, 64 angeordneten Behältern 10 zugeführt. Über die Leitung 13 des Behälters 10 auf dem Boden 64 wird dann das fertige Produkt abgenommen. Die Förderung der Ausgangsstoffe bzw. der in den einzelnen Behältern vorbereiteten Gemische wird mittels der Dosierpumpen 65,66 vorgenommen. Die Rührwerke in den Behältern 10 weisen unterschiedliche Drehzahlen auf. Von Behälter zu Behälter kann sich die Drehzahl des Rührwerkes steigern, so dass das Gemisch in dem untersten Behälter bei einer sehr niedrigen Drehzahl des Rührwerkes verwirbelt wird, während das Rührwerk des obersten Behälters die höchste Drehzahl aufweist.
Die Verwirbelung der einzelnen Gemische wird somit allmählich gesteigert.
Beispiel 4 : Für die Herstellung eines aus einem mehrphasigen System oder mehreren Komponenten bestehenden Endproduktes kann entweder nur ein Behälter 10 verwendet werden, dessen Turbulenzkammer die einzelnen Komponenten gleichzeitig in dem jeweils erforderlichen Dosierverhältnis zugeführt werden oder es können mehrere Behälter zur Anwendung gelangen, die übereinander angeordnet sind und denen die einzelnen Ausgangsstoffe zugeführt werden. Bei der Anordnung gemäss Fig. 4 sind vier Behälter 10 in einem zylindrischen Gehäuse 70 auf Zwischenböden 71, 72, 73, 74 angeordnet.
Die Ableitungen 13 eines jeden Behälters sind mit den Zuführungsleitungen 30 des jeweils folgenden Behälters verbunden, während über die zweite Zuführungsleitung 31 eines jeden Behälters die einzelnen Ausgangsstoffe zugeführt werden. Dem Behälter 10 werden aus den Vorrats- behältern 75,76 mittels Dosierpumpen 77,78 über die Leitungen 30, 31 die Stoffe A und B zugeführt. Über die Leitung 13 und die Leitung 30 des Behälters 10 auf dem Zwischenboden 72 wird das Fertigprodukt der ersten Stufe der Turbulenzkammer des Behälters 10 zugeführt. Hier in der zweiten Stufe wird über die Leitung 31 mittels der Dosierpumpe 79 aus dem Vorratsbehälter 80
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der Ausgangsstoff C zudosiert.
Das fertige Produkt der zweiten Stufe wird in dem Behälter 10 auf dem Zwischenboden 73 mit dem Ausgangsstoff D in Verbindung gebracht und in der vierten Stufe kommt der Ausgangsstoff E hinzu. Der Ausgangsstoff D wird mittels der Dosierpumpe 81 aus dem Vorratsbehälter 82 und der Ausgangsstoff E mittels der Dosierpumpe 83 aus dem Behälter 84 den Behältern 10 auf den Zwischenböden 73 und 74 zudosiert. Das aus den Komponenten A, B, C, D und E bestehende Fertigprodukt wird dann der Leitung 13 des obersten Behälters 10 entnommen. Die Vorratsbehälter 80, 82 und 84 für die Komponenten C, D und E können mit den Dosierpumpen 79, 81 und 83 ausserhalb des Gehäuses 70 auf seitlich an diesen angebrachten Konsolen 85 angeordnet sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Vorratsbehälter für alle Komponenten am Boden anzuordnen.
Die Vorratsbehälter sind dann über entsprechend lang bemessene Leitungen mit den Kammern der Behälter 10 verbunden. Die Dosierpumpenschübe sind aufeinander abgestimmt, damit eine gleichmässige Förderung der Komponenten bzw. der Gemische durch die Gesamtapparatur gewährleistet ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Dispergieren vorwiegend viskoser Substanzen mittels eines Rühr-
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Ausgangsstoffe und das Abziehen des fertigen Gemisches unter Luftabschluss durchgeführt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsleitungen (30, 31) für die Ausgangsstoffe in einem kammerartig erweiterten, einen Turborührer (20) aufnehmenden Teil (11) eines etwa zylindrischen Behälters (10) angeordnet und bis zur unmittelbaren Beaufschlagung des Turborührers verlängert sind und der Behälter (10) mit einem verengten Ableitraum (12) für das Fertigprodukt versehen ist.
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