EP1474223B1 - Dynamischer mischer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Mischer mindestens umfassend ein Gehäuse mit einer Befüll- und Entleeröffnung, zwei gleichsinnig rotierende Rührer und Antriebsmittel zur Bewegung der Rührer, wobei ein Rührer zentrisch im Gehäuse angeordnet ist, wobei der Rührer mindestens aus einer Antriebswelle, daran angebracht mindestens einem Querbalken und mindestens einem, bevorzugt mindestens zwei an diesem Querbalken jeweils endständig angebrachten Rührarmen besteht.
• Zum Mischen von Flüssigkeiten und Feststoffen werden vielfach zur Vermeidung von Ablagerungen an Wänden und Rührwerken Mischer benötigt, bei denen eine kinematische Abreinigung der Oberflächen durch die Mischelemente erfolgt. Beispiele für solche Vorrichtungen sind zweiwellige gleichsinnige Extruder.
• FR-A-2 716 337 offenbart zum Mischen von Hefeteig eine Mischvorrichtung mit einer Antriebswelle, einem U-förmigen Rührblatt und einem zu diesem komplementären Rührblatt.
• Für Prozesse mit höheren Verweilzeiten wird ferner ein Mischer mit großem freiem Volumen benötigt. Ein Beispiel für einen Apparat, der dieser Anforderung genügt ist in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 917 941 A1 beschrieben.
• Für eine möglichst vollständige Reinigung von Oberflächen werden zwei Bewegungsfreiheitsgrade benötigt. Dies wird bei den Apparat nach EP 0 917 941 A1 durch zwei Antriebswellen erreicht.
• Bei einem als Buss-Ko-Kneter bezeichneten Mischertyp (vgl. Mischen beim Herstellen und Verarbeiten von Kunststoffen, Hrsg. Verein Dt. Ingenieure, VDI-Ges. Kunststofftechnik, Düsseldorf, 1986, S. 200) wird einer Rotationsbewegung eine axial oszillierende Bewegung der Kneterwellen überlagert.
• Für Hochdruckprozesse sind Apparate mit achtförmigem Gehäuse (siehe z.B. EP 0 917 941 A1 ) ungeeignet.
• Ferner werden für Batchprozesse Apparate mit guter axialer Durchmischung benötigt.
• Gesucht wird also ein Mischer mit zylindrischem Gehäuse, der im Produktbereich eine gute insbesondere axiale Durchmischung aufweist und insbesondere möglichst vollständig selbstreinigend ist.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Mischer gemäß Anspruch 1.
• Die Rührarme sind insbesondere in Längsrichtung der Rührerwelle ausgedehnt.
• Bevorzugt ist ein Mischer, bei dem die Rührblätter und die Rührarme wendelförmig ausgebildet sind. Dadurch wird eine gute Axialvermischung erreicht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rührer rotationssymmetrisch wie nachstehend geformt.
• Eine nahezu vollständige gegenseitige Reinigung wird erreicht, wenn die Symmetrie der Rührer im Bezug auf die Drehzahl ihrer Wellen der folgenden mathematischen Beziehung (I): $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

  

  
  gehorcht,
  in der n₁ die Rotationssymmetrie des zentrischen Rührers, n₂ die Rotationssymmetrie eines eingreifenden exzentrischen Rührers, ω₁ die Drehzahl der zentrischen Welle, ω₂ der Drehzahl der exzentrischen Welle bedeuten und i, j natürliche Zahlen sind.
• Besonders bevorzugt ist ein Mischer, dadurch gekennzeichnet, dass in Formel (I) die Zahlen j =1, i = 1 bedeuten.
• Für i = 1, j = 1 in Formel (I) erhält man eine gewöhnliche Innenverzahnung. Verschiedene andere Verzahnungsformen sind auch möglich, so z.B. eine Evolventenverzahnung.
• Besonders bevorzugt ist auch eine Form des Mischers, in der in Formel (I) die Zahl j = 1 und i > 1 ist wobei i teilerfremd zu n₂ ist.
• Ganz besonders bevorzugt ist eine Variante des Mischers, dadurch gekennzeichnet, dass in Formel (I) die Zahl j > 1, die Zahl i > 1 ist wobei i teilerfremd zu n₂ sowie j teilerfremd zu n₁ sind.
• Für eine preiswerte Herstellung ist eine Verzahnung bevorzugt, bei der die Rührblätter eine über den Radius konstante Dicke haben. Dann können die Rührblätter z.B. aus Blech geformt werden.
• Weiterhin wird eine preiswerte Herstellung erleichtert, wenn die Anzahl der Rührarme gering ist. Dies wird für eine bevorzugte Bauform der oben genannten Art dann erreicht, wenn in Formel (I) i > 1 und j = 1 sind.
• Wenn i teilerfremd zu n₂ gewählt wird, bleibt die vollständige Abreinigung der Mantelflächen des exzentrischen kleineren Rotors erhalten.
• Die Zahl der Rührblätter wird reduziert für j > 1. Mit j teilerfremd zu n₁ bleibt die Abreinigung der Rührarme des zentrischen Rotors erhalten. Die Rührwelle des kleineren Rotors wird jedoch nicht mehr vollständig abgereinigt.
• In einer weiteren Variante des Mischers ist das Antriebsmittel für den exzentrischen Rührer auf der entgegengesetzten Stirnseite des Gehäuses zum Antriebsmittel des zentrischen Rührers angeordnet.
• Besonders bevorzugt ist ein Mischer, bei dem die Rührblätter und die Rührarme einander bei ihrer durch die Antriebsmittel bewirkten Rotation mit Ausnahme ihrer Stirnseiten gegenseitig vollständig überstreichen, soweit sie nicht von der Innenwand des Gehäuses überstrichen werden. Wenn es auf eine möglichst vollständige Selbstreinigung des Mischers nicht ankommt, sondern nur die besonders kurze Mischzeit ausgenutzt werden soll, kann die Geometrie des Mischers etwas vereinfacht werden. Z.B. können konkave oder konvexe Flächen durch gerade Flächen angenähert werden.
• Eine stabile Bauform weist auch ein bevorzugter Mischer auf, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Rührarme auf der Unterseite der Querbalken angeordnet sind, und dass mindestens ein zusätzlicher exzentrischen Rührer im Bereich unterhalb der Querbalken im Gehäuse angeordnet ist. Bei gleicher Behälterhöhe wird die Länge der Rührarme halbiert.
• Sollen bei teilgefülltem Betrieb des Mischers alle produktberührten Teile kinematisch gereinigt werden, sollten die Querbalken des zentrischen Rührers im Gasraum angebracht werden. Entsprechend wird dann bevorzugt ein Antrieb der exzentrischen Welle von unten vorgesehen.
• Bei ersten Versuchen mit Mischern der erfindungsgemäßen Rührergeömetrie zeigte sich, dass die Mischzeiten dieser Mischer gegenüber konventionellen, vergleichbaren Rührwerken (Wendelrührern) erheblich verkürzt sind.
• Die Mischwirkung im Bereich der Querbalken ist weiter zu verbessern und die den Querbalken gegenüberstehende Gehäusewand kann von eventuellen Verunreinigungen freigehalten werden, wenn die Querbalken in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung an ihrer zur Gehäusewand gerichteten Seite zusätzliche Nuten oder Kämme aufweisen, die eine Förderwirkung in radialer Richtung, d.h. in Richtung der Rührerwelle oder von dieser weg haben.
• Das gleiche bewirkt eine entsprechende spiralförmige Geometrie der Querbalken, die in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung angewendet wird.
• Bevorzugt ist eine Variante des Mischers, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Rührarme gegenüber der Radialen zum zentrischen Rührer unter einem Winkel α von mindestens 10°, bevorzugt mindestens 20°, und kleiner 80°, besonders bevorzugt mindestens 30° und kleiner 60° angestellt ist, sodass sie zur Innenwand des Gehäuses zeigt.
• Hierdurch wird beim Antrieb der Rührer eine Förderrichtung nach außen, d.h. in Richtung der Gehäusewand erreicht.
• In einer weiteren bevorzugten Variante des Mischers können an der Innenwand des Gehäuses Heiz- oder Kühlelemente angebracht sein.
• Ansonsten kann das Gehäuse auch an sich mit den bekannten üblichen Kühl- oder Heizeinrichtungen versehen sein, z.B. mit einem von Wärmeträgern durchströmbaren Doppelmantel, elektrischen Heizwendeln etc.
• Der erfindungsgemäße Mischer eignet sich für beliebige Mischaufgaben in der chemischen Prozesstechnik, gegebenenfalls auch als Reaktor für gerührte Reaktionen.
• Das Gehäuse muss nicht mit den erfindungsgemäßen Einbauten vollständig versehen sein. Es kann z.B. für bestimmte Prozesse (Entgasung) ein Gasraum über den Rührereinbauten freigehalten sein.
• Besonders bevorzugt ist ein Mischer, bei dem die Rührarme des zentrischen Rührers an dem jeweils einen Ende über Querbalken mit der Antriebswelle verbunden sind, während die jeweils anderen Enden über einen Verstärkungsring miteinander verbunden sind.
• Durch diese Verbindung mit einem Ring entsteht eine steife Rahmenstruktur, so dass höherviskose Produkte bearbeitet werden können (als ohne Verstärkungsring).
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
• Es zeigen

Figur 1a

die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Mischers; das Gehäuse 1 ist geschnitten dargestellt

Figur 1b

die Seitenansicht des Mischers aus Figur 1a, das Gehäuse ist wiederum geschnitten dargestellt

Figur 1c

eine Draufsicht des Mischers aus Figur 1a, das Gehäuse ist wiederum geschnitten dargestellt

Figur 2

die isometrische Darstellung der Rührer des Mischers aus Figur 1a

Figur 3

Schnittbilder des Mischers aus Figur 1a gemäß der Linie A-A in Figur 1a zu verschiedenen Zeitpunkten während einer halben Umdrehung des größeren Rotors

Figur 4

die isometrische Darstellung der Rotoren einer Mischervariante, ähnlich den in Figur 1a gezeigten, in dem jedoch bei dem kleineren exzentrischen Rotor nur zwei Rührblätter vorhanden sind.

Figur 5

den Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 1a durch einen Mischer nach Figur 4. Die relative Lage des kleineren Rotors im Verhältnis zum zentrischen Rotor wurde zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlaufe mehrerer Umdrehungen eingezeichnet (Darstellung der Relativbewegungen)

Figur 6

die isometrische Darstellung der Rotoren eines Mischers mit Antrieb des exzentrischen Rührers von unten

Figur 7

eine Ausführung des Mischers mit zusätzlichem Versteifungsring

Figur 8

eine Ausführungsvariante des Mischers nach Figur 1a, jedoch mit einem Rührarm und einem Rührblatt

Figur 9

eine weitere Ausführung des Mischers mit zentral angeordneten Querbalken und darüber und darunter angeordneten Rührarmen

Figur 10

eine Mischervariante mit zwei exzentrischen Rührern

Figur 11

einen Radialschnitt durch einen Mischer ähnlich Fig. 4 jedoch mit blattförmigen Rührarmen, die einen rechteckigen Querschnitt haben.

Beispiele Beispiel 1
• Figuren 1a, b, c zeigen einen erfindungsgemäßen Mischer in Vorder-, Seitenansicht und Draufsicht, jeweils bei geschnitten dargestelltem Gehäuse 1.
• Wiedergegeben ist das zylindrische Gehäuse 1, der zentrische Rührer 2 mit einer Welle 6 an der zwei Querbalken 7 angebracht sind, die die wendelförmigen Rührarme 8, 9 tragen und der exzentrische Rührer 3 mit einer Welle 11 an der sechs helixförmige Rührblätter 12 angeordnet sind. Ein Einlass 4 und ein Auslass 5 sind am Kopf bzw. Boden des Gehäuses 1 angebracht. Die Antriebsaggregate für die Rührer 2, 3 sind nicht gezeichnet.
• Die Rührblätter 12 haben eine über den Radius gesehen näherungsweise konstante Dicke. (Im Radialschnitt ist die Dicke konstant, entsprechend nimmt sie senkrecht zum Blech zur Rotormitte zu.)
• Mit n₁ der Anzahl der Rührarme 8, 9, n₂ der Anzahl der Rührblätter 12, ω₁ der Drehzahl der zentrischen Welle, ω₂ der Drehzahl der exzentrischen Welle und i und j natürlichen Zahlen gilt nach Formel (I): $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

  
• Dabei ist im vorliegenden Fall eine Rührergeometrie gewählt, bei der die Zahlen
  n₁ = 2,
  n₂ = 6,
  i = 7,
  j = 1 bedeuten.
• Die Ziffer i ist teilerfremd zu n₂.
• Figur 2 zeigt die Rührer 2 und 3 in einer isometrischen Projektion.
• Figur 3 zeigt einen Radialschnitt durch den Mischer gemäß Linie A-A in Figur 1 in 15 verschiedenen Momentaufnahmen der Rotation der beiden Wellen. Angegeben ist der jeweilige Rotationswinkel des zentrischen Rührers 2.
Beispiel 2
• Figur 4 zeigt eine Variante des Mischers nach Figur 1 und 2, jedoch sind auf dem exzentrischen Rührer 3' vier der Rührblätter 12 entfernt. Es gilt wieder: $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

  
• Dabei ist hier
  n₁ = 2,
  n₂ = 2,
  i = 7,
  J = 3.
• Die Zahl i ist teilerfremd zu n₂; j ist teilerfremd zu n₁.
• Figur 5 zeigt einen Radialschnitt durch einen Mischer nach Figur 4 in übereinander gezeichneten Momentaufnahmen. Der größere Rührer 2 wurde festgehalten. Die relative Lage des kleineren Rührers 3' wurde zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlaufe mehrerer Umdrehungen eingezeichnet.
• Figur 10 gibt eine Abwandlung der Mischerform nach Figur 4 wieder, in der im Querschnitt zwei exzentrische Rührer 3" und 3''' mit einem zentrischen Rührer 2 kombiniert sind.
Beispiel 3
• Figur 6 zeigt eine Ausführung des Mischers mit drei Querbalken 7 und drei Rührarmen 8, 9, 9'.
• Für die Rotoren in Figur 6 gilt folgende Beziehung: $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

  
• Dabei ist
  n₁ = 3,
  n₂ = 2,
  i=5,
  j=4.
• Die Zahl i ist teilerfremd zu n₂; j ist teilerfremd zu n₁.
• Der Antrieb des exzentrischen Rotors erfolgt von unten.
Beispiel 4
• Figur 7 zeigt die Rührer eines erfindungsgemäßen Mischers, bei dem die Rührarme des zentrischen Rührers an dem jeweils einen Ende über Querbalken 7 mit der Antriebswelle 6 verbunden sind, während die jeweils anderen Enden über einen Verstärkungsring 13 miteinander verbunden sind.
• Durch diese Verbindung mit einem Ring 13 entsteht eine steife Rahmenstruktur, so dass mit dem Mischer Produkte mit höherer Viskosität bearbeitet werden können als ohne Verstärkungsring.
• Das Drehzahlverhältnis beträgt hier 2:5. Der zentrische Rührer trägt 3 Rührarme, der exzentrische Rührer 3' drei Rührblätter.
• Für die Rotoren in Figur 7 gilt auch die Beziehung: $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

  
• Dabei ist
  n₁ = 3,
  n₂ = 3,
  i=5,
  j = 2.
• Die Ziffer i ist teilerfremd zu n₂; j ist teilerfremd zu n₁.
Beispiel 5
• Figur 8 gibt die Rührerkombination eines Mischers mit nur einem Rührarm 8' und einem Rührblatt 12' auf den exzentrischen Rührer 3 wieder.
• In Figur 9 ist eine Variante zum Mischer nach Figur 6 wiedergegeben, bei dem die Querbalken 7 zusätzlich auf ihrer Unterseite weitere Rühranne 18, 19, 20 tragen. Im unteren Teil der Anordnung ist ein weiterer exzentrischer Rührer 3" angebracht, der in die Rührarme 18, 19, 20 eingreift und von unten angetrieben wird.
Beispiel 6
• Figur 11 zeigt einen Radialschnitt durch die Rührer 2, 3 einer Variante des erfindungsgemäßen Mischers. Der Aufbau dieses Mischers entspricht grundsätzlich der in Figur 4 gezeigten Ausführung, jedoch sind die Rührarme 28, 29 blattförmig gestaltet und haben einen rechteckigen Querschnitt. Das Drehzahlverhältnis der Wellen 6 und 11 beträgt 1:2. Der zentrische Rührer 2 trägt zwei Rührarme 28, 29, die blattförmig gestaltet sind, der exzentrische Rührer 3 trägt zwei Rührblätter 22. Die Außenfläche der Rührarme 28, 29 ist jeweils unter einem Winkel α=45° gegenüber der Radialen angestellt.
• Diese Form der Rührer 2, 3 ist besonders geeignet für die Anordnung innerhalb eines Behälters, der an der Innenwand Heiz- oder Kühlschlangen 23 besitzt. Wird die Rotationsrichtung so eingestellt, dass der zentrische Rührer 2 nach außen fördert, wird eine intensive Anströmung der Heiz-/Kühlschlangen 23 erreicht. Hierdurch verbessert sich der Wärmeübergang zum Mischgut.

Claims (16)

1. Mischer mindestens umfassend Gehäuse (1) mit einer Befüll- (4) und Entleeröffnung (5), zwei gleichsinnig rotierende Rührer (2) und (3) und Antriebsmittel zur Bewegung der Rührer (2) und (3),
   wobei ein Rührer (2) zentrisch im Gehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Rührer (2) mindestens aus einer Antriebswelle (6), daran angebracht mindestens einem bevorzugt mindestens zwei Querbalken (7) und mindestens jeweils einem, an diesem Querbalken (7) jeweils endständig angebrachten Rührarm (8, 9) besteht,
   wobei der andere Rührer (3) mindestens aus einer Antriebswelle (11) und einem oder mehreren Rührblättern (12) besteht und im Gehäuse (1) exzentrisch angeordnet ist,
   , ddadurch gekennzeichnet, dass im Verlaufe der durch die Antriebsmittel bewirkte Rotation der Rührer (2) und (3) die Rührblätter (12) und die Rührarme (8, 9) sich einander mit Ausnahme ihrer Stirnseiten gegenseitig überstreichen, soweit sie nicht von der Innenwand des Gehäuses (1) überstrichen werden.
2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (12) und die Rührarme (8, 9) wendelförmig ausgebildet sind.
3. Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendelung der Rührblätter (12) und Rührarme (8, 9) entweder beide rechtsgängig oder beide linksgängig ist.
4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrie der Rührer (2) und (3) im Bezug auf die Drehzahl ihrer Wellen (6) und (11) der folgenden mathematischen Beziehung (I): $$\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{n_{2}j}{n_{1}i}$$

   

   
   gehorcht,
   in der n₁ die Rotationssymmetrie des zentrischen Rührers (2), n₂ die Rotationssymmetrie eines eingreifenden exzentrischen Rührers (3), ω₁ die Drehzahl der zentrischen Welle (8), ω₂ der Drehzahl der exzentrischen Welle (9) bedeuten und i, j natürliche Zahlen sind.
5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahlen j = 1, i = 1 bedeuten.
6. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl j = 1 und i > 1 ist, wobei i teilerfremd zu n₂ ist.
7. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl j > 1, die Zahl i > 1 ist wobei i teilerfremd zu n₂ sowie j teilerfremd zu n₁ sind.
8. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (12) über ihren Radius eine konstante Dicke aufweisen.
9. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel für den exzentrischen Rührer (3) auf der entgegengesetzten Seite des Gehäuses (1) zum Antriebsmittel des zentrischen Rührers (2) angeordnet ist.
10. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (12) und die Rührarme (8, 9) einander mit Ausnahme ihrer Stirnseiten gegenseitig vollständig überstreichen, soweit sie nicht von der Innenwand des Gehäuses (1) überstrichen werden.
11. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührarme (8, 9) des zentrischen Rührers (2) an ihren Enden über einen Verstärkungsring (13) miteinander verbunden sind.
12. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Rührarme (8', 9') auf der Unterseite der Querbalken (7) angeordnet sind, und dass mindestens ein zusätzlicher exzentrischen Rührer (3') im Bereich unterhalb der Querbalken (7) im Gehäuse (1) angeordnet ist.
13. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbalken (7) eine spiralförmige Geometrie aufweisen, die eine radiale Förderung bei der Rotation der Rührer (2, 3) bewirken.
14. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Gehäuseinnenwand zugewandte Seite der Querbalken (7) Nuten oder Kämme vorgesehen sind, die eine radiale Förderung bei der Rotation der Rührer (2, 3) bewirken.
15. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Rührarme (8, 9) gegenüber der Radialen zum zentrischen Rührer (2) unter einem Winkel α von mindestens 10° bevorzugt mindestens 20° und kleiner 80°, besonders bevorzugt mindestens 30° und kleiner 60° angestellt ist.
16. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwand des Gehäuses (1) Heiz- oder Kühlelemente (23) angebracht sind.

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