Rotor-Stator-Systeme

Abb. 1 Rotor-Stator-Systeme zum Mischen und Dispergieren

Abb. 2 Partikelverteilung einer Emulsion von 30% Rüböl in Wasser nach 1, 3, 5 und 10 Durchläufen

Abb. 3 Die Dispergiermaschinen der Baureihe 2000 werden in sechs Baugrößen und durchgängigen Maschinenkennwerten angeboten. Die Baureihe beginnt beim Laborpilot mit einem Durchsatz von 300 l/h.

Misch- und Dispergiergeräte mit Rotor-Stator-Systemen haben sich seit vielen Jahren bewährt und etabliert. Überall da, wo eine disperse Phase in einer umgebenden kontinuierlichen Phase verteilt werden soll, finden diese Systeme Anwendung. Insbesondere dann, wenn sich Produkte nicht oder nur schlecht mischen lassen, werden durch Energieeintrag die Kräfte überwunden, die einer gleichmäßigen Verteilung entgegen wirken.

Die Wirkungs-weise von Rotor-Stator-Systemen beruht auf der durch Schubspannungen erzeugten Mikroturbulenz. Diese bildet ein Gebiet hoher Energiedissipation im Bereich der Dispergierwerkzeuge. Die hochkonzentrierte Form des Energieeintrages ist somit die Basis, um die in Stoffgemischen bestehende stabilisierende Wirkung der Grenzflächenspannung zu überwinden. Die Phasengrenzflächen werden dadurch erhöht und somit die gewünschten Produkteigenschaften in Dis-persionen erzielt.

In der Regel werden bei den einzelnen Verfahren Stoffsysteme mit möglichst kleinen absoluten Partikelgrößen sowie engen Partikelspektren angestrebt. Durch eine flexible Maschinenkonzeption lässt sich jedoch auch jedes gewünschte Dispergierergebnis auf dem Weg vom Ausgangsprodukt zum Maximalwert einstellen.

Theoretisch ist die Struktur der Mikroturbulenzen unabhängig von der Art des Turbulenzerzeugers. Dies bestätigt sich aber nicht in der Praxis. Neben den Einflüssen durch die Produkteigenschaften wie Viskosität, Phasenverhältnisse, Einfluss von Additiven, Temperatur und Druck, spielt insbesondere bei der Dispergierung von Suspensionen eine optimierte Ausbildung der Dispergierwerkzeuge eine wichtige Rolle.

Die maßgeblichen Kennwerte sind:

? Umfangsgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit zwischen Rotor und Stator)

? Radialspalt (radialer Abstand zwischen Rotor und Stator)

? Axialspalt (axialer Abstand zwischen Rotor und Stator)

? Anzahl Werkzeuge (Anzahl der Rotor/-Statorsysteme in einem Gerät)

? Anzahl Zahnkränze (Anzahl der konzentrischen Zahnkränze eines Werkzeuges)

? Zahngeometrie (Ausbildung der Zähne und der Räume dazwischen)

? Anzahl der Passagen (Anzahl der Durchgänge einer Stoffmenge durch das Gerät)

Die Einflüsse der jeweiligen Maschinenkennwerte haben unterschiedliche Auswirkungen auf das Dispergierergebnis der einzelnen Stoffsysteme. Während bei Emulsionen und Aerosolen nur einige dieser Kennwerte von großer Bedeutung sind, müssen besondere Ausbildungen an der Geometrie des Rotor-Stator-Systems erfolgen, um auch bei Suspensionen optimale Ergebnisse zu erhalten.

Beim Dispergieren von Emulsionen bzw. Aerosolen spielt die Umfangsgeschwindigkeit in Verbindung mit dem Radialspalt die maßgebliche Rolle für das Dispergierergebnis. Dieses Verhältnis wird in der einschlägigen Literatur auch als Scherfrequenz bezeichnet. Eine Drehzahlerhöhung bzw. Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit geht in der Turbulenzleistung in dritter Potenz ein. Dies bewirkt somit auch einen entsprechenden Energieeintrag in das Produkt. Hinzu kommen noch geringfügigere Einflüsse durch die Anzahl der Zahnkränze und deren geometrischer Ausbildung. Die Summe dieser Kennwerte bestimmen das Energieniveau, das in das Produkt eingetragen wird. Die zu erzielende Partikelgröße lässt sich somit gut über eine Einstellung der Umfangsgeschwindigkeit variieren.

Die Verwendung mehrerer Werkzeuge bzw. das Durchführen zusätzlicher Passagen hat dagegen nur sehr geringen Einfluss auf die absolut erzielbare Partikelgröße.

Beim Dispergieren von Suspensionen spielen alle zuvor genannten Maschinenkennwerte eine ähnlich gewichtige Rolle. Während bei Emulsionen bzw. Aerosolen vorwiegend die durch Mikroturbulenzen erzeugten Schubspannungen ein Maß für das Dispergierergebnis sind, kommen beim Dis-pergieren von Suspensionen noch zusätzliche Zerkleinerungseffekte zum Tragen. Werden Medien dispergiert, die Partikel oder Agglomerate enthalten, die größer als die Spalte innerhalb der Maschine sind, treten außerdem Quetsch- und Mahleffekte auf. In Abhängigkeit der Feststoffkonzentration sind zusätzliche Reibungseffekte möglich, die als Friktionsenergie innerhalb des Produktes eine weitere Partikelzerkleinerung bewirken können. Diese Effekte sind vor allem für Nassvermahlungsprozesse von großer Bedeutung.

Die Umfangsgeschwindigkeit ist wie schon bei den Emulsionen ein primäres Kriterium für den allgemeinen Energieeintrag. Sie wirkt sich vor allem auf den Anteil der Partikel im Feinbereich aus. Erfahrungsgemäß steigt deren Anteil mit Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit und bewirkt somit eine allgemeine Reduktion der durchschnittlichen Partikelgröße.

Die Größe der Radial- bzw. Axialspalte ist ein weiterer wichtiger Punkt. Sie haben vor allem Einfluss auf Dimension und Anzahl der Grobpartikel, die nach dem Dispergiervorgang noch enthalten sind.

Die Gestaltung der Zahngeometrie ist eben-so beim Zerkleinern von Grobpartikeln von Bedeutung. Die Anzahl der Zahnkränze, der Werkzeuge, sowie die richtige Wahl der Schlitzwinkel wirken sich dabei merklich auf das Mahlergebnis aus. Als Faustregel gilt: Je höher die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Partikel auf eine Scherzone trifft, um so besser ist das Dispergierergebnis. Unter diesem Aspekt ist es nicht weiter verwunderlich, dass sich bei Suspensionen mit zusätzlichen Produktdurchgängen das Ergebnis merklich verbessern lässt. Die Fortschritte pro Passage sind deutlich messbar. Sie werden jedoch beim jeweils nachfolgenden Durchgang immer kleiner und nähern sich asymptotisch einem Grenzwert an. Hierbei liegt es am Betreiber, festzulegen, welche Anzahl von Passagen unter wirtschaftlichem bzw. produktspezifischem Aspekt vertretbar sind.

Vor diesem Hintergrund sind speziell beim Dispergieren von Suspensionen mehrstufige Geräte sinnvoll, da hierbei oft mit einem Durchgang das gewünschte Endprodukt erzielt wird bzw. erheblich weniger Durchläufe als mit einem einstufigen Gerät erforderlich sind. Ein weiterer Aspekt ist, dass beispielsweise für die Nassvermahlung Werkzeugsätze unterschiedlicher Geometrie eingebaut werden können und sich das Produkt somit z.B. mit einer Abstufung grob/mit-tel/fein stufenweise zerkleinern lässt. Es sind keine zusätzlichen Aggregate zur Vorzerkleinerung notwendig.

Bedingt durch mechanische Grenzen wie Festigkeit und strömungstechnische Restriktionen wie Kavitation können in einem Dis-pergiergerät nicht unendlich viele Dispergierzonen mit unendlich hoher Umfangsgeschwindigkeit untergebracht werden. Hinzu kommen zusätzliche unerwünschte Neben-effekte wie z.B. Lärm-emissionen, die für den Einsatz in einer indus-triellen Produktion nicht vernachlässigbar sind. Durch diese Limitierungen sind die mit Rotor-Stator-Systemen erzielbaren Partikelgrößen nicht beliebig reduzierbar. Des Weiteren kommt hinzu, dass bei den Passagen durch die Dispergiergeräte ein großer Teil der eingetragenen Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. Somit kann auch eine Temperaturobergrenze die Anzahl der möglichen Passagen beschränken.

Die Grenzen für die erreichbaren Partikelgrößen sind stark produktabhängig, doch zeichnen sich in mehrjährigen Versuchen folgende Werte als Anhaltspunkt für die durchschnittliche Partikelgröße (d50-Wert) ab:

? Emulsionen und Aerosole: 1 bis 10 µm

? Suspensionen: 10 bis 100 µm

Letztendlich bringt nur die empirische Ermittlung über einen Versuch Aufschluss da-rüber, welche Partikelgrößen möglich sind. Meist ist nach dem Einsatz eines Rotor-Stator-Systems bereits die gewünschte Produktqualität erreicht, jedoch bewirken die physikalischen Grenzen, dass nachfolgend häufig zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind. Hierbei bilden Rotor-Stator-Systeme ebenso ein wichtiges Bindeglied im Verfahrensablauf. Durch den Einsatz zwischen ursprünglichem Mischvorgang und der Endbearbeitung lässt sich somit eine stufenweise Verminderung der Partikelgrößen und -spektren erreichen. Dies bewirkt eine deutliche Reduzierung der notwendigen Passagen bzw. eine Erhöhung der möglichen Durchsätze in kostenintensiven und hochenergetischen Verfahrensschritten wie z.B. Hochdruckhomogenisatoren (Emulsionen) oder Kugelmühlen (Suspensionen).

Mit den Dispergiermaschinen der Baureihe 2000 bietet IKA einen Maschinenbaukasten in sechs Baugrößen und durchgängigen Maschinenkennwerten an. Die Baureihe beginnt beim Laborpilot mit einem Durchsatz von 300 l/h und endet bei der Baugröße 50 mit einem Durchsatz bis zu 125 000 l/h. Damit lassen sich alle Stufen der Produktentwicklung vom Labormaßstab bis zum Produktionsmaßstab abdecken. Eine der Haupt-augenmerke bei der Entwicklung galt den Rotor-Stator-Systemen. Die in modularer Bauweise aufgebaute Maschinenreihe erlaubt es, flexibel auf die einzelnen Kundenbedürfnisse und Verfahrenswünsche zu reagieren. Neben den reinen Dispergiersystemen UTL 2000, DR 2000 und DRS 2000 können auf diesem System auch zwei Module zum Dispergieren von Feststoffen und Flüssigkeiten (MHD 2000 und CMS 2000) sowie ein Kolloidmühlenmodul (MK 2000) aufgebaut werden. Weitere Module sind in Planung.

Durch die Ausführung der Kraftübertragung als Riementrieb kann auch bei großen Baugrößen kostengünstig die Übersetzung und somit die Umfangsgeschwindigkeit der jeweiligen Applikation angepasst werden. Die Werkzeuge (Rotor-Stator-Systeme) sind über die Baugrößen hinweg kompatibel und innerhalb einer Baugröße untereinander austauschbar. Somit lassen sich die Geräte im Hinblick auf das jeweilige Verfahrensziel auf einfache Weise optimieren. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Bauweise in Anlehnung an FDA- bzw. EHEDG-Richtlinien. Die vertikale Bauart ermöglicht die problemlose Durchführung von CIP/SIP-Maßnahmen. Für die Geräte liegt teilweise bereits ein 3A Sanitary Standard Approval vor, andere sind in Vorbereitung.

Halle 6, Stand 207

Weitere Informationen dei 204

Ralf Bürgelin