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Mischvorrichtung für einen Extruder für plastische Massen
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung
für einen Extruder zum Auspressen von verflüssigten oder erweichten Massen oder
Harzen.
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Es wurden verschiedene Methoden für das Mischen von verflüssigten
oder fließfähig gemachten Harzen, die aus Plastikmassen-Extrudern ausgepreßt werden,
zur Anwendung gebracht. Diese Verfahren können folgendermaßen aufgegliedert werden:
1. Der Gegendruck im Extruder wird erhöht, so daß die Verweilzeit des Materials,
d.h. die Zeitspanne, in der das Material im Extruder bleibt, vergrößert und demzufolge
der
Mischungsgrad durch eine Speiseschnecke gesteigert wird.
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2. Um ein Mischen zu begünstigen, wird die Speiseschnecke an ihrem
vorderen (vorlaufenden) Ende oder in ihrem Mittelteil mit verschiedenartig ausgebildeten
Vorsprüngen, wie zylindrischen Stiften, Flügeln oder Rillen, versehen 3. Nahe dem
vorderen Ende oder dem Mittelteil der Speiseschnecke werden Leitbleche od. dgl.
Bauteile angebracht, so daß zwischen der Speiseschnecke und dem diese umgebenden
Zylinder oder Mantel eine Schneid- oder Scherkraft entwickelt werden kann.
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4. Wie im Fall eines statischen Mischers wird Material, das in den
Mischer fließt, stufenweise geteilt, und dann werden die geteilten Materialblöcke
in einem Querschnitt des Mischers verschoben.
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5. Bei dem Transfer-Mischverfahren ist die Zylinder oder Gehäusewand
mit Rillen oder Nuten versehen, während die Teile der Speiseschnecke, die den Rillen
(Nuten) gegenüberliegen, nicht mit Schraubengängen versehen sind, oder die Schraubengänge
sind in diesem Teil in ihrer Höhe vermindert, so daß die Materialien gezwungen sind,
vom Schraubenraum in die Rillen und zurück zum Schraubenraum zu fließen, und aufeinanderfolgend
Scherkräften unterworfen werden, welche aufgrund des Unterschieds in der Umfangsgeschwindigkeit
zwischen Zylinder und Speiseschnecke entstehen.
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Die oben skizzierten Methoden haben jedoch einige Nachteile, die einer
Lösung bedürfen.
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Bei der 1. Methode wird der Auslaß des Extruders verkleinert, so daß
der Gegendruck in der Maschine ansteigt, was konsequenterweise eine Wärmeerzeugung
nach sich zieht, wodurch die Materialien verschlechtert oder abgebaut werden und
gleichzeitig Energieverluste eintreten. Bei der 2. Methode wirken die Vorsprünge
so wie in einen Strom
eingetriebene Pfosten oder Pfähle, d.h., der
Strom wird durch diese Pfähle in viele Teilströme geteilt, die sich jedoch stromab
sogleich wieder vereinigen. Insofernkann keine zufriedenstellende Dispersion erhalten
werden. Bei der 3. Methode wird ebenso wie bei der 1. Methode eine Überhitzung hervorgerufen.
Zusätzlich stellen die durch die Leitbleche od.dgl. Bauteile, wenn deren Abschnitt
kurz ist, getrennten Materialien, sobald sie den Scherabschnitt durchlaufen haben,
alsbald wieder ihren ursprünglichen Zustand her. Bei der 4. Methode wird überhaupt
keine Kraft entwickelt, um die Materialien vorwartszutreiben, so daß sehr häufig
- wie bei der 1. Methode - die Tendenz zum Auftreten von Überhitzung vorliegt. Um
dieses Problem zu vermeiden, kann der Mischer in seiner Länge nicht vergrößert werden,
was zum Ergebnis hat, daß der (später noch zu erklärende) Dispersionsfaktor P im
besten Fall nur in einer Größenordnung von 103 liegt. Bei der 5. Methode wird das
Material gezwungen, zwischen der Speiseschnecke und den Rillen in der Innenwand
des Zylinders hin- und herzufließen. Daher wird, wenn es gezwungen ist, in der radialen
Richtung zu fließen, der Fluß geteilt und demzufolge werden die Bestandteile ineinander
dispergiert. Deshalb kommt ein niedriger Gegendruck zur Anwendung. Um jedoch den
Dispersionsfaktor zu erhöhen, muß das Verhältnis axiale Schneckenlänge/Zylinder-Innendurchmesser
hoch sein. Zusätzlich wird eine spezielle maschinelle Bearbeitung von Speiseschnecke
und diese umgebender Zylinderwand notwendig, was zur Folge hat, daß die Kosten für
die Vorriclxtung ansteigen.
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Von diesen Methoden oder Vorrichtungen hat der statische Mischer die
größte Dispersionsfähigkeit, d.h., er hat eine Grenzflächendichte (der Flächeninhalt
von neuen Grenzflächen pro Volumeneinheit nach einer Dispersion) in der Größenordnung
von 10² (1/mm). Bei den anderen Vorrichtungen wird ein übermäßiges Vermengen oder
Durch-
rühren wiederholt ausgeführt1 um einen gewünschten Dispersionsfaktor
zu erhalten.
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Angesichts dieses Standes der Technik ist es das primäre Ziel der
Erfindung, eine Mischvorrichtung zu schaffen, mit der eine Grenzflächendichte von
mehr als 104 (1/mm) in einem einzigen Schritt zu erhalten ist, wobei eine Verschlechterung
der Materialien durch Überhitzung vormieden wird, und die für Verfahren zur Herstellung
von Arzneimitteln oder mit Verwendung von Katalysatoren, in denen die Materialien
in atomaren oder molekularen Maßstaben dispergiert werden müssen, zum Einsatz kommen
kann.
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Diese Ziele werden bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen
Gattung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs l herausgestellten Maßnahmen
gemäß der Erfindung erreicht, wobei die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale
die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise weiterbilden.
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Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe mit drehenden Schaufeln
gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht
einer aufgeschnittenen Baugruppe mit ortsfesten Schaufeln; Fig. 3 einen Längsschnitt
durch eine Mischvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 4A eine Ansicht einer Schaufel in vergrößertem Maßstab für die Baugruppe von
Fig. l; Fig. 4B eine Ansicht einer Schaufel in vergrößertem Maßstab für die Baugruppe
von Fig. 2; Fig. 5 den Querschnitt nach der Linie V-V in der Fig.3;
Fig.
6 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe mit drohenden Schaufeln, die mit
einem Steigungswin kel angeordnet sind; Fig. 7 einen abgebrochenen Längsschnntt
einer gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung abgewandelten Ausführungsform;
Fig. 8 den Querschnitt nach der Linie Vill-Vill in der Fig. 7; Fig. 9 ein Schema
zur Erläuterung der Dispersion bei einer Anordnung mit Düse sowie erstem Kranz aus
ortsfesten Schaufeln; Fig. 10 ein Schema zur Erläuterung der Dispersion von Materialien
mit einem geringeren Grad an gestaffoltor Strömung in einem Kran#z aus ortsfesten
Schaufeln; Fig. ll ein Schema zur Erläuterung der Dispersion im Kranz mit drehenden
Schaufel bei Umkehr der Materialien am Schaufelkopf; Fig. 12 ein Schema zur Erläuterung
der Dispersion bei in Abstand voneinander angeordneten Kränzen von ortsfesten und
drohenden Schaufeln; Fig. 13A und 3B Schemata zur Erläuterung des hier verwendeten
Ausdrucks "Dispersionsfaktor"; Fig. 14A und 14B Schemata zur Erläuterung der Dispersion
am Düsenaustritt der inFig. 3 dargestellten Mischvorrichtung; Fig. 15A und 15B Schemata
zur Erläuterung der Dispersion am Düsenaustritt eines statischen Mischers.
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Die in den Fig. l bis 8 dargesellte--;Vorrichtung weist eine Baugruppe
l (im folgenden als Drehschaufelgruppe bezeichnet) mit einer Welle 2 auf, auf welcher
mehrere Kränze 4 aus Schaufeln 3 angeordnet sind. Die Schaufeln 3 sind zueinander
beabstandet und ragen von der Welle 2 radial auswärts. An der Welle 2 istein Außengewindeteil
6 ausgebildet, das mit einem passenden (nicht gezeigten) Innengewindeteil einer
Speiseschnecke 5 (Fig. 3) zum
Eingriff gebracht werden kann.
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Eine in Fig. 2 gezeigte Baugruppe 7 (nachfolgend als "Standschaufelgruppe"
bezeichnet) weist ein zylindrisches Gehäuse 8 mit Flanschen an seinen beiden Enden
und drei in axialer Richtung beabstandete Kränze 4' von ortsfesten Schaufeln 3',
die zueinander mit Abstand angeordnet sind und sich radio einwärts zur Drehschaufelgruppe
1 hin erstrecken, auf\.
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Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist das rückwärtige Ende, d.h.
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das Außengewineteil 6 der Drehschaufelgruppe 1 fest mit dem Frontende
g der Speiseschnecke 5 verbunden, während der rückseitige Flansch der Standschaufelgruppe
7 fest mit dem vorwärtigen Ende eines Zylinders 10 verbunden ist.
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Am vorderen Ende der Standschaufelgruppe 7 ist ein Düsenkopf ll befestigt.
Ein Antrieb 12 dreht die Speiseschnekke 5; zu verarbeitendes Material 14 wird einem
Fülltrichtor 13 zugeführt. Die Kränze 4 der Schaufeln 3 der Drehschaufelgruppe 1
und die Kränze 4' der Schaufeln 3' der Standschaufelgiuppe 7 wechseln in axialer
Richtung miteinander ab und sind zueinander benachbart derart angeordnet, daß die
Kränze;4 und 4' sich gegenseitig nicht stören.
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Die Gestalt det Dreh- und Standschaufeln 3 bzw. 3' ist den Fig. 4A
bzw. 4B zu entnehmen. Die Schaufellänge 1 ist so festgelegt, daß, wenn die flüssige
Formmasse aus jedem Schaufelkranz austritt, ihre Umfangsgeschwindigkeit im wesentlichen
gleich derjenigen des Schaufelkranzes ist, und zwar aus d#n nachstehend erläuterten
Gründen. Zu diesem Zweck wirddie Bedingung l/W> 1,5 erfüllt, worin W der Abstand
zwischen den Schaufeln (in Umfangsrlchtung) ist, wie Fig. 5 zeigt. Um den Druck
und den Widerstand in der Vorrichrung zu vermindern, ist die Schaufelstärke t durch
die Bedingung t/l #5 0,5 bestimmt. Um eine Hemmung des axialen Flusses sowie die
Erzeugung von Pulsationen aufgrund der Lagebeziehung zwischen in axialer Richtung
benachbarten
Schaufeln zu vermeiden und um eine Stauung der Formmasse nicht auftreten zu lassen,
sind vorzugsweise die vorderen und hinteren Kanten 15', 15 einer jeden Schaufel
3, 3' scharf ausgebildet; alternativ können die Schaufeln 3, 3' eine Stromlinienform
haben.
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Wie Fig. 6 zeigt, können die Schaufeln einen Steigungswinkel e haben,
der so gewählt ist, daß die Schaufelgruppen die Formmasse zwingen, gleich der Speiseschnecke
zu flsßen, oder daß die Drehschaufelgruppe 1 dazu gebracht wird, durch den Fluß
der pulverigen Preßmasse zu drehe#n, wenn sie am Austragende des Extruders drehbar
gelagert und von der Speiseschnecke 5 gelöst ist. Wenn die Schaufein unter einem
geeigneten Steigungswinkel G angeordnet sind, so können höllere Miscllgrade und
bessere Dispersionseffekte erhalten werden.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Abwandlung, wonach sich von den Schaufeln
3, 3' kurze Schaufelblätter 16 bzw. 16' erstrecken können. Diese kurzen Schaufeln
16, 16' haben eine geringere Höhe als die Schaufeln 3 bzw. 3' und greifen kämmend
zwischen Dreh- und Standschaufelkränze ein, so daß das Mischen und Dispergieren
der Formmasse noch weiter erleichtert bzw. verbessert wird.
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Das Arboitsprinzip und die Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der
Erfindung werden im folgenden erläutert, wobei nochnials die Fig. 3 heranzuziehen
ist. Das pulverförmige Material 14 wird in den Fülltrichter 13 eingegeben und die
kontinuierlich drehende Speiseschnecke 5 drückt die pulverige Preßmasse langsam
durch den Zylinder 10, der erwärmt wird. Wenn das Material 14 das Frontende 9 der
Speiseschnecke 5 erreicht, ist es bereits vollständig verflüssigt oder erwerht.
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In Fig: 9 ist eine Abwicklung der Feinverteilung (Dispersion) der
Formmasse, die am vorderen Ende der Speiseschnecke 52 und am ersten Standschaufelkranz
4' erweicht oder verflüssigt ist, gezeigt, wobei die Darstellung in Fig. 9 aus Gründen
eines besseron Verständnisses vorcinfacht ist. In der Figur sind die Abwicklungon
17, 17' des Kopf- bzw. Fußzylinders der Speiseschnecke 5 sowie die Abwicklungen
18, 182 des Kopf- bzw. Fußzylinders des Standschaufelkranzes 4' zu erkennen. Teilungsebenen
19, die die Formmasse im Standschaufelkranz 4' gleichmäßig parallel zur Achse G
des Extruders teilen, geben auch die Orte der Standschaufeln 3 an. Imaginäre Teilungsebenen
20 deuten eine Teilung der Masse am Frontende 9 der Speiseschnecke 5 entlang der
Achse G an und stimmen mit den Teilungsebenen 9 im Standschaufelkranz 4' überein.
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Die Speiseschnecke 9 übt die Preßkraft F nuf die Formmasse aus, so
daß diogse zum Fließen in wichtung dor Pfeile e gebracht wird, während ihr eine
Geschwindigkeitskomponente f in Umfangsrichtung rechtwinklig zur Achse G erteilt
wird. Die Schaufellänge 1 ist sehr- viel größer als der Abstand W zwischen den Schaufeln
3', so daß dieerweichte Formmasse, die in den Standschaufelkranz 4' eintritt, gezwungen
wird, in der axialen Richtung zu fließen; die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung
geht unter.
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Das hat zum Ergebnis, daß ein imaginärer Massenblock 21 aus Formmasse
am vorderen Ende 9 der Speiseschnecke 5 in eine Mehrzahl von kleinen Blöcken 21-1,
21-2, 21-3 und 21-4 aufgeteilt wird, die aufeinanderfolgend in die schaufelzwischenräume
des Standschaufelkranzes 4t verteilt werden. Diese kleinen Blöcke werden somit fortschreitend
sowie in der axialen Richtung G wie in der Umfangsrichtung:# f bewegt, so daß sie
in einer schrägen Richtung weitergeführt werden, die, wie in Fig. 9 im Teil b gezeigt
ist, unter einem Winkel mit Bezug zur Achse G verläuft.
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Wenn das Auslaßende der Speiseschnecke 5 in Gegenüberlage zum Drehschaufelicranz
4 angeordnet ist, so hat jedoch die von der Speiseschnecke 5 austretende Formmasse
keine Umfangsgeschwindigkeit relativ zum Drehschaufelkranz 4, was zur Folge hat,
daß der imaginäre Massenblock 21 nicht geteilt und auf die aufeinanderfolgenden
Schaufelzwischenräume des Drehschaufelkranzes 4 verteilt würde.
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Aus der obigen Erläuterung wird ersichtlich, daß es gemäß der Erfindung
erforderlich ist, daß die in den Standschaufelkranz 4' eintretende Formmasse eine
Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung haben muß. In gleicher Weise ist es
erforderlich, daß die weichte plastische Masse, die aus#dem Standschaufelkranz 4'
aus- und in den folgenden Drehschaufelkranz 4 eintritt, eine relative Ge-5 chwindigkeit
skomponent e in Umfangsrichtung haben muß.
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Diese Erfordernisse können erfüllt werden, wenn l/W > 1,5 ist,
wobei 1 die axiale Länge der Schaufel 3 oder 3' und W der Abstand zwischen benahbarten
Schaufeln (in Umfangsrichtung) ist, was oben schon erläutert wurde.
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Wenn die Mischvorrichtung, d.h. das Aggregat aus Drehsowie Standschaufelgruppe
1 bzw. 7, nicht mit dem Frontende 9 der Speiseschnecke 5 verbunden ist, sondern
in einem zylindrischen Durchgang für die plastische Masse angeordnet ist, so tritt
die Masse in den ersten Schaufelkranz ein, der ein Drehschaufelkranz sein muß, so
daß die vom ersten Schaufelkranz austretende fließende Masse in den folgenden oder
zweiten Standschaufelkranz mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung
eintreten kann. Mit anderen Worten gesagt, der erste oder am weitesten stromoberhalb
liegende Schaufelkranz der Dispersionsvorrichtung muß ein Drehschaufelkranz sein.
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Erfindungsgemäß wird, kurz gesagt, der plastischen Masse, wenn sie
aus dem Drehschaufelkranz oder der Speiseschnecke aus- und in den Standschaufelkranz
eintritt, eine Ge-
schwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung
erteilt. Da die Masse eine Anzahl von Dreh- und Standschaufelkranzpaaren durchläuft,
wird sie den Dispersionsvorgängen unterworfen, und die Dispersionswirkung wird im
Verhältnis zur Anzahl der Dreh- und Standschaufelkranzpaare gesteigert.
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Zu dem vereinfachten, in Fig. 9 gezeigten Dispersionsmodell wurde
gesagt, daß der imaginäre Block 21 in eine Mehrzahl von rechteckigen, quaderförmigen,
kleinen Blökken 21-1 bis 21-4 unterteilt wird; in der Praxis werden diese jedoch,
wie Fig. 10 zeigt, wegen der Reibung zwischen den Schaufelwänden und der fließenden
plastischen Masse verformt. Die Dispersionswirkungen werden jedoch nicht verschlechtert,
und es wird, da die erweichte Masse an einer Anzahl von Dreh- sowie Standschaufelkranzpaaren
vorbeifließt, der Dispersionsvorgang, wie oben erläutert wurde, demzufolge erhöht.
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Die wichtigen Faktoren, die bei der Behandlung von plastischer Masse
mit einer starken Tendenz zum Pfropfenfluß ("plug-flow") in Betracht gezogen werden
müssen, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 11 erläutert, die ein extremes
Beispiel zeigt, wonach die plastische Masse, die ein erhöhtes Maß an Pfropfenflußtendenz
hat, gewzungen wird, durch die Mischvorrichtung, in der der Abstand bL zwischen
benachbarten Dreh- sowie Standschaufelkränzen im wesentlichen gleich Null ist, zu
fließen. In diesem Fall rutscht die plastische Masse an den Schaufelwänden entlang,
so daß die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit im wesentlichen über den gesamten
Querschnitt des Strömungsdurchgangs gleich ist. Im schlimmsten Fall ist die Dispersionscharakteristik
c im Drehschaufelkranz 4 im wesentlichen der Dispersionscharakteristik a am Front-
oder Auslaßende 9 der Speiseschnecke 5 gleichartig. Diese Erscheinung tritt auf,
wenn die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung
der aus
dem Standschaufellcranz 4' austretenden Masse (Dispersionscharakteristik b in Fig.
il) gleich dem absoluten Wert der Umfangskomponente der aus der Speiseschnecke austretenden
plastischen Masse ist, in der Richtung jedoch entgegengesetzt ist.
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Deshalb wird, wie Fig. 12 zeigt, der Abstand L zwischen den Dreh-
und Standschaufelkränzen 4, 4' vergrößert, und zwar für einen extremen Fall um einen
Wert, der im wesentlichen der Schaufellänge 1 gleich ist. Damit wird aufgrund des
Unterschieds sowohl in den Umfangs- wie in den Radialgeschwindigkeiten zwischen
den Stand- und Drehschaufelkränzen 4', 4 die Dispersionscharakteristik b im Standschaufelkranz
4' in die Dispersionscharakteristik d im Abstand AL geändert, so daß die Umkehr
der Dispersionscharakteristik im Drehschaufelkranz 4 zur Charakteristik a am Auslaß
9 der Speiseschnecke 5 vermieden werden kann.
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Eine solche Umkehr in der Dispersionscharakteristik, wie sie oben
beschrieben wurde, kann auch durch die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Ausbildung vermieden
werden, wonach die Dreh- und Standschaufeln 3, 3' mit ihnen einstückige kurze Schaufeln
16, 16' aufweisen, die, wie oben erläutert wurde, kammartig ineinandergreifen. Alternativ
kann die Anzahl im vorausgehenden Schaufelkranz unterschiedlich zur Anzahl des folgenden
Schaufelkranzes gemacht werden.
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Zusätzlich können geeignet ausgebildete Fortsätze in den Abstand b
L zwischen den Dreh- und Standschaufelkränzen 4, 4' hinein erstreckt werden.
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Nachfolgend wird nun die in der Beschreibung der vorliegendon Erfindung
verwendete Methode für eine numerische Abschätzung des Dispersionsoffekts erläutert.
Zuerst wird der Ausdruck ~1Dispersioiisfaktor", der hier verwendet wird, wie folgt,
bestimmt. Es wird angenommen, daß eine Masse eines vorbestimmten Volumens in kleine
Blöcke geteilt
und die Charakteristik (Schema) dieser kleinen Blöcke
neil geordnet wird. Die Masse wird dalm ausgewiosen als "durch einen wirksamen Divisor,
der eine Anzahl von neuen Grenzflächen darstellt, an denen die benachbarten kleinen
Blöcke, welche im Schema neu geordnet worden sind, gemeinsam teilhaben, geteilte
Masse". Dieser Divisor wird dann als "Dispersionsfaktor" bezeichnet.
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#Beispielsweise ist im Fall des im Teil b von Fig. 9 gezeigten Dispersionsmodells
der Dispersionsfaktor in der axialen Richtung G vier und in der Umfangsrichtung
senkrecht zur Achse G) acht. Damit ist der Gesamt-Dispersionsfaktor 4 x 8 = 32.
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Die Grenzflächendichte SA wird durch Multiplizieren des Dispersionsfaktors
mit dem Flächeninhalt der Grenzfläche und Dividierer des Produkts durch ein Volumen,
worauf noch eingegangen werden wird, erhalten.
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Je größer die Werte von P (Dispersionsfaktor) und (Grenzflächendichte)
sind, desto größer ist das Maß der Dispersion. Die Abschätzung der Dispersion in
Form von wird äußerst häufig verwendet, weil der Grenzflächenbereich einer der am
meisten maßgeblichen Faktoren bei der Dispersion ist.
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Der Dispersionsfaktor P eines Schaufelkranzes wird, wie folgt, mit
der nachstehenden Notation berechnet: P = Dispersionsfaktor M = Anzahl der Schaufeln
in einem Kranz m = Anzahl der kleinen geteilten Blöcke bei ihrem Fluß durch jeden
Schaufelzwischenraum D = mittlerer Durchmesser in mm (siehe Fig. 5) W = Abstand
zwischen benachbarten Schaufeln auf dem mit D (siehe Fig. 5) gebildeten Kreis 1
= axiale Schaufellänge in mm
v = durchschnittliche axiale Durchflußmenge
in mm/s im Schaufelzwischenraum (die als der durchschnittlichen axialen, in Fig.
9 mit e bezeichneten Strömungsmenge am Auslaßende der Speiseschnecke gleich angenommen
wird) t = die Zeit in s, die für einen Fluß durch den Schaufelzwischenraum erforderlich
ist n = Umlaufgeschwindigkeit der Speiseschnecke und der Drehschaufelgruppe in U/s
Zuerst werden m und P erhalten. Durch Definition sind m W = ~ t . n Tr D (1) t 1
und W = ## #D (2) v Substituiert man Gl. (2) in Gl. (1), so erhält man #D D l In
n#D ........... (3) M - v Somit ist l 1M 1 M n v hier wird die folgende Notntion
verwendet: m m = Wirkungsgrad der Dosierpumpe (der die Anzahl der Teilungen der
ausgetriebenen plastischen Masse pro Drehung der Speiseschnecke an deren Ausgang
angibt; im all gemeinen ist eine einzelne Teilung gleich dem Durchmesser der Speiseschnecke)
HM = der Unterschied in mm zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders und dem Außendurchmesser
der Welle der Speiseschnecke (siehe Figi 3) T = der Unterschied in mm zwischen dem
Bohrungsdurch messer (Fußicreis) der Standschaufeln und dem Außendurchmesser der
Welle der Drehschaufelgruppe (siehe Fig. 5),
Damit ist T=H# (5)
und
worin Q = volumetrische Auspreßmenge in mm3/s und Q = #mTTD N Dn ~~~~~~~~~~ (7)
Durch Substitution von Gl. (7) in G1. (6) erhält man
= 7m . D n (9) Ist CC = ## so so folgt (10) 1 = CCD ~~~~~~~~~~ (10') Durch Substition
von Gl. (9) und Gl. (10') in Gl. (4) erhält man
Hieraus folgt, daß der Wert von in unabhängig ist von der Umlaufgeschwindigkeit
n, daß er aber im Verhältnis zur Zahl M der Schaufeln sowie der Schaufellänge 1
im umgekehrten Verhältnis zum Pumpenwirkungsgrad #m steht.
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Hierauf wird der Dispersionsfaktor P berechnet. Es sei angenommen,
daß die Masse mit dem Dispersionsfaktor P = i, wie in Fig. 13A gezeigt ist, durch
einen Schaufelkranz neu geordnet wird, wie Fig. 1313 zeigt.
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Dann ist P = M . Me ........ (13) worin Me = der folgendermaßen erhaltene
Divisor ist: Da das Volumen der Masse, wie Fig. 13A zeigt, selbst bei Neuordnung
der Disperionschrakteristik, wie Fig. 13B zeigt, unverändert bleibt, ist
M
W Me 1 T = Q at' ......... (14) m worin t' = die für das Auspressen eines vorbestimmten
Volumens notwendige Zeit ist.
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Unter Verwendung von G1. (13) und Umordnung von Gl. (14) erhält man
Durch Substitution der G1. (2), (4), (5), (7), (10') und (11) in Gl.(15) erhält
man
= n At' M2 .......... (.17) Es sei NT = dann wird G1. (17) P = NT M2 ..........
(18) oder P 2 M (19) Die Gl. (19) drückt die Dispersionsgeschwindigkeit aus.
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Die Gl. (18) oder (19) zeigen, daß der Dispersionsfaktor P der Masse
mit einem vorbestimmten Volumen nach Durchlauf durch einen einzelnen Schaufelkranz
das Produkt der Zahl NT der Umdrehungen der Speiseschnecke und des Quadrats der
Zahl M der Schaufeln in dem Kranz ist.
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Als nächstes wird der Disperisonsfaktor Pc im Fall einer Mehrzahl
von Schaufelkränzen berechn#et. Bei einer plastischen Masse mit einem geringeren
Grad an Tendenz zum Pfropfenfluß, wie im Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben wurde
(d.h., der zu Fig. 11 erläuterte extreme Pfropfenfluß tritt nicht auf), und auch
im Fhll des plastischen Flusses mit einem höheren Grad an Pfropfenfluß, wobei die
Mischvorrichtung mit dem Abstand # L zwischen den mehr
beabstandeten
Schaufelkränzen, wie zu Fig. 12 erläutert wurde, zur Anwendung kommt, ist der Gesamt-Disporsionsfaktor
das Produkt aus den Dispersionsfaktoren der jeweiligen Schaufeikränze. Der Dispersionseffekt
im Abstand a L zwischen den Schaufelkränzen wird als vernachlässigbar im Vergleich
zu dem in den jeweiligen Schaufelkränzen erhaltenen Dispersionsfaktor angesehen.
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Es sei NB = die Anzahl der Schaufelkränze (die in Fig. 3 gleich fünf
und in Fig. 7 gleich vier ist) und Pi = der Dispersionsfaktor der jeweiligen Schaufelkränze
(worin i = 1, 2 ...... und NB ist).
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Durch Definition folgt dann Pc = P (1) . P (2) . . . P (NB) (20) Es
sei P (1) = P (2) = ... = P (NB) = P (21) Substituiert man Gl. (21) in Gl. (20),
so erhält man Pc = pNB und bei Substitution in Gl. (18) erhält man Pc = (NT M² )Nfl
(22) Aus Gl. (22) folgt, daß der Gesamtdispersionsfaktor im Verhältnis zu (NT M²),
potentziert mit NB, steht, d.h.
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zur Anzahl der Schaufelkränze.
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Es soll nun die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer solchen
nach dem Stand der Technik, insbesondere mit einem statischen Mischer, der die größte
Dispersionsfähigkeit hat und am einfachsten in seiner Quantalisierung ist, verglichen
werden. Die Grenzflächendichte wird unter den folgenden ßedingungen erhalten: Die
Masse mit einem Volumen von 1000 cm3 wird durch eine Düse in die Gestalt eines Zylinders
mit dem Radius r = 20 mm und der Länge s = 318 mm (was einem Volumen von 1000 cm3
gleich ist) gepreßt. Der die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung enthaltende Extruder
hat die folgenden technischen Daten:
Durchmesser des Zylinders
= 65 mm Umlaufgeschwindigkeit der Speiseschnecke = 60 U/min Anzahl der Schaufelkränze
NB = 1, 2, 3, 4 oder 5 Anzahl der Schaufeln in einem Kranz M = 8 Der statiffcllo
Mischer hat 10 Arbeits- oder Mischelomente.
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Für die erfindungs#emäße Mischvorrichtung wird angenommen, daß die
Dispersion in der radialen Richtung vermieden sei, wie Fig. 14A zeigt, und der Zylinder
in eine Vielzahl von keilförmigen Kreisausschnitten 22, wie Fig. 14B zeigt, geteilt
sei. Ein starkwandiger#Hohlzylinder wird durch die Düse ausgepreßt und geht durch
einen Schaufelkranz, so daß der Hohlzylinder radial einwärts zusammengedrückt und
in Folge seine Hohlform beseitigt wird, d.h., der Innendurchmesser wird null. Daß
keine Dispersion in der radialen Richtung auftreten wird, bedeutet, daß keine Dispersion
in Richtung der Dicke T in Fig. 13B erfolgt.
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Die Grenzfläche ATM wird unter den obigen Bedingungen berechnet, d.h.
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ATM = (N M2) NB (# r2 + rs) (23) T 2 4 worin 4 r = der Flächenbereich
der jeweiligen Grenzfläche ist, wo der Zylinder, wie Fig.14A zeigt, rechtwinklig
zu seiner Achse aufgeteilt ist, und rs = der Flächenbereich der jeweiligen Grenzfläche
ist, wenn der Zylinder, wie Fig.14A zeigt, durch die mit der Zylinderachse parallelen
und durch diese verlaufenden Ebenen unterteilt ist.
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Damit wird die Grenzflächendichte
Die mit einem statischen Mischer nach dem Stand der Technik erhaltene
Dispersion ist in Fig. 15A, ein Dispor sionselement 23 ist in Fig. 15B gezeigt.
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Der Bereich ASM der Grenzschicht oder -fläche ist gegeben durch ASM
= r s . 21 ~~~~~~~~~~ (25) Somit wird
Setzt man die vorher erläuterten Werte in diese Gleichungen ein, so ergeben sich
die Tabellen I und II.
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Tabelle I (#Dispersionsfähigkeit des Erfindungsgegenstandes) NB 1
2 3 4 5 Pc 3840 1,2.107 5,7.1010 2,2.1014 8,3.1017 ATM 4,1.105 2,6.107 1,6.109 9,8.1010
6 1 1012 (mm) # ATM 4 256 1,6.104 9,8.105 6,1.107 (1/mm) 4,1 256 1,6.104 ATM 0,06
ATM 3,9 245 1,5.104 9,4.105 0,06 3,9 245 1,5.10 Tabelle II (Mischer nach dem Stand
der Technik) PsM 1024 PSM 1024 j M2 6,5.106 (mm ) ASM (1/mm) 65,2
Der
Vergleich zwischen den Tabollen 1 und II zeigt sofort, daß die Dispersionsfaktoren
Pc nach Mer Erfindung alle höher sind als bei einem Mischer nach dem Stand der Technik,
und zwar ohne Rücksicht auf die Anzahl der Schaufelkränze (NB).
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Mit zwei Kränzen ist die Flä chendichvte bei dem Erfindung gegenstand
etwa viermal höher als beig einem statischen Mischer, sie ist mit drei Kränzen etwa
200 mal höher, mit vier vier Kränzen etwa 10 mal höher und mit fünf Kränzen etwa
106 mal höher. Daraus wird klar, daß #der Erfindungsgegenstand einem statischen
Mischer in se ffi er Dispersionsfähigkeit sehr weit überlegen ist.
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Bisher war ein zufriedenstellendes Maschen und Dispergieren von hechviskosen
Fließstoffen äußerst schwierig zu bewerkstelligen, mit dem Erfindungssegenstand
kann jedoch ein höherer Dispersionsgrad mit einer ;tGrenzflächendichte von mehr
als 104 (1/mm) leicht erreiqht werden. Deshalb kann in Verfahren zur Herstellung
von Arzneimitteln und in Verfahren, bei denen ein Katalysaior verwendet werden muß,
der höhere Dispersionsgrad in atomarem oder molekularem Maßstab selbst bei hochviskosen
Bließstoffen erhalten werden. Ferner kann der Erfindungsgegenstand mit Vorteil auf
Verfahren angewendet werden, wobei plastische, pulverige Materialien geknetet und
mit Pigmenten, Additiven, kurzen Glasfasern, Kalziumkarbonatpulver od.dgl. dispergiert
werden.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung wurde bisher als am vorderen
Ende der Speiseschnecke desiExtruders angebracht beschrieben; es ist jedoch klar,
daß sie als einzelne und unabhängige Einheit verwendet werdenjkann, z.B. kann sie
in einerPipeline angeordnet sein und auch als Pumpe Verwendung finden.
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Am beschriebenen Erfindungsgegenstand können verschiedene Abwandlungen
vorgenommen werden. -So kann beispielsweise die hintere Kante einer jeden Schaufel
die Form einer
Scheldlcante haben, und die Schaufeln können parallel
zum Eintrittswinkel des plastischen Flusses angeordnet sein, so daß die Masse aufgeschnSten
wird. Diese Anordnung oder Abwandlung kann beispielsweise auf die Dispersion von
pulverartigen Materialien, wie Käse, der mit hilster Wahrscheinlichkeit verklebt,
angewendet werden.
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Wenn der Steigungswinkel der Schaufeln in geeigneter Weise gewählt
wird, kann der Materialfluß die Drehung der Drehschaufelgruppe bewirken, selbst
wenn diese nicht mit einer Quelle zu ihrem Antrieb verbunden ist, und Somit wird
eine Dispersion herbeigeführt. In dem Fall, da die Schaufeln einen Steigungswinkel
haben, ist es vorzuziehen, die Standschaufelgruppe in geteilter Bauart auszuführen,
d.h., die Gruppe besteht aus zwei getrennten Abschnitten, so daß die Montage der
Dreh- und Standschaufelgruppen erleichtert werden kann. Darüber hinaus kann die
Drehschaufelgruppe mit einer hohen Geschwindigkeit unabhängig von der Speiseschnecke
gedreht werden, so daß oi höheres Maß an Dispersionsfahigkeit erhalten worden kann.
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Die hervorstechenden Eigenschaften und Vorteile des Brfindungsgegenstandes
können, wie folgt, zusammengefaßt werden: a) Die aktiv arbeitenden Elemente sind
als Schaufeln ausgebildet und in einem Kranz oder in mehreren Kränzen angevrdnet,
wobei die Schaufeln eine passend gewählte Länge haben, so daß eine mit Vorrichtungen
nach dem Stand der Technik bisher nicht zu erreichende Dispersionsfähigkeit erhalten
werden kann. Zusätzlich kann die Vorrichtung in ihrer Größe sehr kompakt gehalten
werden.
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b) Aus den unter n) angeführten Grünen kann die erfinduntgsgemäß Vorrichtung
auf Verfahren zur Herstellung von Arzneimitteln oder solche, bei denen Katalysatoren
verwendet werden, wobei eine Dispersion in atomarem oder molekularem Maßstab gefordert
wird, Anwendung finden.
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c) Wcam die Schaufeln mit einem geeigneten Steigungswinkel angeordnet
werden, kann eine Verschlechterung oder Herabsetzung von wesentlichen Bestandteilen
aufgrund eines plötzlichen und hohen Druckabfalls vermieden werden.
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d) Das Mischen und Dispergieren von zum Pfropfenfluß neigenden Massen,
wie hochviskose Öle, Pasten, Tone od.dgl., die nicht an den Wänden der von den#Schaufeln
begrenzten Durchgänge haften, oder das Mischen und Dispergieren von solchen Massen
mit Additiven kann leicht sowie einfach mit ganz geringen Änderungen, wie z.B. Vergrößerung
des Abstands zwischen den Stand-und Dr ohs chaufelkränz en 1 ausgeführt werden.
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e) Eine Materialmasse kann sowohl in der axialen wie in der radialen
Richtung in kleine Blöcke od. dgl. unterteilt werden, die wiederum zu einer neuen
Dispersionscharakteristik umgeordnet werden Das hat zur Folge, daß mit dem Erfindungsgegenstand
eine Dispersionsfä higkeit zu erreichen ist, die gleich oder höher als diejenige
ist, die man mit dem bekannten Verfahren, wonach das Material durch eine Pelletisiermaschine
zu Pellets reduziert wird, die dann gemischt und dispergiert werden, erlangen kann.