Strahldispergator, Filterbefestigungssystem, Düsenbefestigungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von unter hohem Druck geförderten Stoffgemischen mit einem einen Hochdruckraum umgebenden Mantel, mindestens einem Dichtmittel, um den Hochdruckraum gegenüber der Umgebung abzudichten und einem Einlass und einem Auslass, um das zu behandelnde Stoffgemisch dem Hochdruckraum zuzuführen bzw. aus dem Hochdruckraum abzuführen, wobei der Hochdruckraum über mindestens einen Deckel zur Montage bzw. Demontage von einem in dem Hochdruckraum angeordneten Bearbeitungsmodul wie zum Beispiel ein Düsen- oder Filtermodul verschlossen ist.

Eine Vorrichtung der oben genannten Art ist bekannt und beispielsweise in der DE 102 24 634 C2 beschrieben. Zur Befestigung und zum Abdichten des Hochdruckraumes sind in dieser Vorrichtung in regelmäßigen Winkelabständen achsparallel zur zentralen Achse der Vorrichtung acht Spannschrauben vorgesehen, die die endseitigen Deckel der Vorrichtung so gegeneinander verspannen, dass sie mit hoher Anpresskraft gegen die Randflächen des den Hochdruckraum umgebenden Mantels drücken. Um eine dauerhaft dichte, hohen Druckbelastungen sicher standhal- tenden Abdichtungen zwischen dem Mantel und den Deckeln bereitstellen zu können, ist in dieser Vorrichtung eine metallische Abdichtung vorgesehen. Die abdichtende Wirkung wird durch eine plastische Verformung der metallischen Dichtelemente erreicht, die durch das Verspannen der Spannschrauben mit einem hohen Anzugsmoment erzielt wird. Um nun einen Düsen- oder Filterwechsel durchführen zu können, oder einen Filter reinigen zu können, muss die Vielzahl von Ver- schraubungen gelöst werden, was sehr zeitintensiv und aufwendig ist. Ferner ist es notwendig nach der Demontage und einer erneuten Montage die Schrauben gleichmäßig auf dem Umfang der HaI- terung anzuziehen. Werden die Schrauben nicht gleichmäßig angezogen, ist es möglich, dass die Düse bzw. der Filter asymmetrisch angepresst wird oder der Deckel nicht vollständig an dem Mantel anliegt. Die Folge sind Undichtigkeiten und höherer Verschleiß der Dichtflächen. Ferner sind durch die große Schraubenanzahl längere Rüstzeiten zu erwarten.

Durch die achsparallel auf dem Umfang verteilten Schrauben und den zentral sitzenden Düseneinsatz sind konstruktiv bedingte Absätze in der Halterung nicht zu vermeiden, wodurch es zu hohen Kerbwirkungen während des Betriebs kommen kann. Die exzentrisch sitzenden Schrauben bilden zudem ein Biegemoment zu der zentralen Achse der Vorrichtung aus, wodurch die Materialbelas- tung insbesondere bei einer häufig genutzten pulsierenden Fahrweise der Vorrichtung zu Materialermüdungen bzw. zu Schädigungen in den mit den durch das Biegemoment hervorgerufenen Kräften belasteten Bereichen führen können. Ferner muss in dieser Vorrichtung der Systemdruck von bis zu 1500 bar allein von den Spannschrauben aufgenommen werden, was ein entsprechend hohes Anzugsmoment sowie eine massive Bauform der Vorrichtung erfordert.

Die DE 107 00 810 Al offenbart eine Vorrichtung zum Homogenisieren von fetthaltigen, flüssigen Naturprodukten, in der das in den Hochdruckraum eingesetzte Bearbeitungsmodul zwei oder mehrstufige Dispergiervorrichtungen aufweist. Auch hier erfolgt die Abdichtung bzw. die Verspannung des Deckels und des Mantels der Vorrichtung über entsprechende achsparallel angeord- nete Schraubenverbindungen, so dass die oben aufgezeigten Probleme auch bei dieser Vorrichtung in gleicher Weise auftreten.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine einfache Montage und Demontage der Bearbeitungsmodule bei einer gleichzeitig leichteren Bauweise ermöglicht und die einen sicheren Betrieb im Hochdruckbereich bis zu 1600 bar gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Deckel ein zentrales Befestigungsmittel aufweist, das koaxial zum Mantel ausgerichtet arretierbar ist.

Mit anderen Worten basiert die Erfindung auf dem Grundgedanken, dass durch die koaxiale Ausrichtung des Befestigungselementes zu dem Bearbeitungsmodul bzw. zu dem Mantel asymmetrische Belastungen, die beispielsweise durch ungleiche Anzugsmomente und durch Biegemomente in der Vorrichtung hervorgerufen werden können vermieden werden, so dass eine geringere Materialbelastung auch bei pulsierendem Pumpenbetrieb mit häufigen Lastwechseln erreicht wird. Das koaxial angeordnete Befestigungselement dient in dem erfϊndungsgemäßen Aufbau lediglich zur Positionierung der Bearbeitungsmodule und/oder der Dichtungselemente zueinander.

Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn das Befestigungsmittel innerhalb des Man- tels angeordnet ist. Der Auslass kann in diesem Ausführungsbeispiel in den Deckel ausgebildet sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Vorrichtung zylinderförmig auszuführen. Dadurch werden kerbwirkungsträchtige Bereiche vermieden, so dass das Material einem geringen Verschleiß und einer geringen Gefahr einer Materialermüdung ausgesetzt ist und damit einer geringeren Versagenswahrscheinlichkeit unterliegt.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, das Befestigungsmittel axial mit dem Mantel derart zu verschrauben, dass nur ein drucktragendes Gewinde vorgesehen ist, so dass eine geringere Materialbelastung auch bei pulsierendem Pumpenbetrieb mit vielen Lastwechseln gegeben ist. Eine Arretierung des Befestigungsmittels in der Vorrichtung mittels Rastverbindungen oder Bolzenverbin- düngen ist jedoch ebenfalls denkbar.

Um das Befestigungsmittel gegen ein unbeabsichtigtes Lösen aus dem Mantel der Vorrichtung zu sichern, kann mindestens ein Befestigungselement beispielsweise ein Gewindestift vorgesehen

sein. Auch hier kann als Alternative ein Rastmechanismus zwischen den Mantel und der Befestigungsmittel angeordnet sein.

Um auch Bearbeitungsmodule mit unterschiedlichen Anschlussgeometrien in dem Hochdruckraum aufnehmen zu können, sieht die Erfindung in einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel vor, ein frei durchströmbares Adapterstück zwischen dem Befestigungsmittel und dem Bearbeitungsmodul vorzusehen, dessen Abmessungen an die Geometrie des Bearbeitungsmoduls angepasst ist. Dadurch kann die Vorrichtung durch einfaches Austauschen des Adapterstückes vielseitig für diverse Bearbeitungsmodule mit unterschiedlichen Anschlussgeometrien eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Dichtmittel ein Doppelradial- dichtungssystem ist, um den Hochdruckraum gegen ungewünschten Fluidaustritt zu sichern. Andere im Stand der Technik bekannte Dichtsysteme sind ebenfalls denkbar.

Zur genauen Positionierung des Dichtmittels in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Befestigungsmittel einlassseitig mindestens einen Abstich aufweisen. Das Dichtungssystem ist dann so positionierbar, dass allein durch den System druck, der bis zu 1600 bar betragen kann, die zur Abdichtung notwendige Flächenpressung auf das in den Abstich eingesetzte Dichtmittel aufgebracht wird, was gleichbedeutend mit einer Art selbstdichtenden System ist.

Zur Detektion von eventuell auftretenden Dichtungsleckagen beispielsweise durch Alterung bzw. Materialermüdung der Dichtelemente kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Leckagebohrung in dem Mantel vorgesehen sein, durch die eventuell aus dem Hoch- druckraum austretendes Stoffgemisch aus der Vorrichtung herausgeführt und dadurch sichtbar gemacht wird und kontrolliert abgeführt werden kann.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel sieht vor, dass das Bearbeitungsmodul mindestens einen Düsenkörper, insbesondere mindestens eine axial in dem Hochdruckraum ausgerichtete Strahldisper- gatordüseneinheit und/oder mindestens eine Strömungsteilereinheit und/oder mindestens eine FiI- tereinheit zur Reinigung des Stoffgemisches und/oder mindestens ein frei durchströmbares Bauteil umfasst, das/die insbesondere in Reihenschaltung in dem Hochdruckraum positionierbar ist/sind. Durch die Möglichkeit der flexiblen Zusammensetzungen des Bearbeitungsmoduls kann die erfϊn- dungsgemäße Vorrichtung für verschiedene Bearbeitungen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, auf einfache Weise eine Reihenschaltung von Strahldispergatoren und Filtern in einem einzigen Bauteil zu realisieren.

Werden mehrere Einheiten hintereinander in Reihe geschaltet, ist es zweckmäßig, die Einheiten jeweils durch Dichtmittel voneinander zu trennen. So kann z.B. vor jeder Strömungsteilereinheit einlassseitig ein Dichtmittel wie z.B. ein Doppelradialdichtungssystem eingesetzt ist.

Eine aus strömungs- und fertigungstechnischen Aspekten besonders bevorzugte Ausflihrungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass auch das Bearbeitungsmodul koaxial zum Mantel bzw. zum Befestigungsmittel ausgerichtet ist.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche und die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung verwiesen.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Beanspruchung von Stoffgemischen durch Hochdruckentspannung beispielsweise zur Herstellung von Emulsionen oder zum Zellaufschluss biologischer Systeme;

Figur 2 eine Vorrichtung mit einer Filtereinheit zur Reinigung von Stoffgemischen, insbe- sondere zum Schutz von Hochdruckdüsen vor Verstopfung;

Figur 3 eine Vorrichtung mit einem Bearbeitungsmodul mit einer "in-Reihe-Anordnung"

Einheiten zur Reinigung und Hochdruckentspannung von Stoffgemischen.

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Behandeln von unter hohem Druck geförderten Stoffgemischen mit einem einen Hochdruckraum 2 umgebenden Mantel 3. Endseitig weist die Vorrich- tung 1 jeweils einen Einlass 4 und einen Auslass 5 auf, um das zu behandelnde Stoffgemisch dem Hochdruckraum 2 zuzuführen bzw. aus dem Hochdruckraum 2 abzuführen. Ein Befestigungsmittel 6 ist zylindrisch ausgebildet und weist ein Außengewinde 7 auf, über das das Befestigungsmittel 6 auslassseitig mit einem Innengewinde des Mantels 3 verschraubt ist. Der Einlass 4 und der Auslass 5 sind so ausgelegt, dass sie in eine geeignete, nicht dargestellte Hochdruckverschraubung einge- setzt und so an einen Bearbeitungskreislauf angeschlossen werden können. Zur Sicherung des Befestigungsmittels 6 in dem Mantel 3 weist der Mantel 3 eine Aussparung 8 auf, in die ein Befestigungselement beispielsweise in der Form eines nicht dargestellten Gewindestiftes eingesetzt ist. Ein Adapterstück 10 ist einlassseitig in eine Vertiefung 1 1 des Befestigungsmittels 6 eingesetzt. Die Abdichtung des Hochdruckraums 2 erfolgt über ein Dichtmittel 12, welches in Strömungsrich- tung vor dem Adapterstück 10 angeordnet ist. Eine weitere Dichtung 12 dichtet in diesem Ausführungsbeispiel den je nach Einbaubedingung ebenfalls unter hohem Druck stehenden Abströmraum 13 gegen Fluidaustritt ab.

Im Bereich des Abströmraumes ist in dem Mantel eine Leckagebohrung 14 vorgesehen, um Dichtungsleckagen auf schnelle und einfache Art erkennen zu können. Ein Bearbeitungsmodul ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel aus einem Strömungsteiler 15 und einem Düsenkörper 16 zusammengesetzt.

Zur Behandlung des Stoffgemisches strömt dieses unter hohem Druck über den Einlass 4 unter vernachlässigbarem Druckverlust durch den Strömungsteiler 15 in den Außenraum 17, welcher den Düsenkörper 16 umgibt. Anschließend strömt das Stoffgemisch durch in der Zeichnung nicht dargestellte Düsenbohrungen in dem Düsenkörper 16, wodurch eine Entspannung des Stoffgemisches erreicht wird. Das Stoffgemisch wird über den ebenfalls nicht dargestellten Innenraum des Düsenkörpers 16 und die Bohrungen durch das Adapterstück 10 in den in dem Befestigungsmittel 6 integrierten Auslass 5 abgeleitet.

Die Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Reinigung von Stoffgemischen, insbesondere um Hochdruckdüsen vor einer Verunreinigung und einem Zusetzen zu schützen. Der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 ist identisch mit dem der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 1. Gleiche Bauteile werden daher mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Unterschied besteht lediglich in der Zusammensetzung des Bearbeitungsmodules in dem Hochdruckraum 2. Hier ist an Stelle des Strömungsteilers 15, des Düsenkörpers 16 und des Adapterstücks 10 lediglich eine Filtereinheit 18 zur Filterung und Reinigung des Stoffgemisches von eventuell in dem Stoffgemiscb befindlichen Schmutzpartikeln vorgesehen.

Das Stoff gemisch strömt auch hier unter hohem Druck durch den Einlass 4 in den Außenraum 17 des Filterelementes 18. Während des Durchströmens des Filterelements 18 ist ebenfalls nur ein geringer Druckabfall in dem Stoffgemisch festzustellen.

Soll mittels der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung 1 beispielsweise ein ein- oder mehrstufiger Auf- Schluss biologischer Zellen über in Reihe geschaltete Düsenkörpereinheiten realisiert werden muss der zulaufende Stoffstrom nicht zwingend gefiltert werden. Der Filter 18 kann in diesem FaI aus der Vorrichtung 1 entnommen werden und die Position des Filters 18 beispielsweise durch eir frei durchströmbares Bauteil ausgefüllt.

Die Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Reinigung und Hochdruckentspannung von Stoffgemi sehen mit einem Bearbeitungsmodul, dessen Einheiten in einer in-Reihe-Schaltung angeordne sind.

Der Stoffstrom, beispielsweise ein Fluid, strömt unter hohem Druck durch den Einlass 4 in der Außenraum 17 um das Filterelement 18, wobei nur ein geringer Druckabfall beim Durchströmei

des Filterelements 18 zu beobachten ist. Anschließend strömt das Fluid durch den Strömungsteiler 15a in den Außenraum 17a, um den ersten Düsenkörper 16a. Es erfolgt eine Entspannung während des Durchströmens der in diesem Körper 16a eingebrachten, nicht dargestellten Düsenbohrungen. Anschließend wird das Fluid durch den Innenraum des Düsenkörpers 16a abgeleitet und durch einen weiteren Strömungsteiler 15b in den Außenraum 17b des nächsten Düsenkörpers 16b weitergeleitet und anschließend über den nicht dargestellten Innenraum dieses Düsenkörpers 16b in den in dem Befestigungsmittel 6 angeordneten Auslass 5 weitergeleitet. Die durch die mehrfache Anordnung von Düsenkörpern 16a und 16b erfolgende mehrstufige Hochdruckentspannung dient beispielsweise zur Herstellung von Emulsionen oder kann für einen ein- oder mehrstufigen ZeIl- aufschluss biologischer Systeme verwendet werden. Bei Zellaufschluss kann es jedoch in Abhängigkeit von der Konsistenz der Biomasse in einigen Fällen notwendig sein, an Stelle des Filters ein frei durchströmbares Bauteil in den Hochdruckraum 2 einzusetzen, welches die gleichen Abmessungen wie die substituierte Filtereinheit aufweist.

Zwischen den einzelnen Düsenkörpern 16a und 16b ist in jedem Ausführungsbeispiel an den Strömungsteilern 15a und 15b jeweils ein Dichtmittel 12 in der Form eines Doppelradialdichtungs- Systems vorgesehen, so dass jede einzelne Stufe für sich ein abgedichtetes geschlossenes Systerr bildet und unerwünschte Kurzschlussströmungen des Stoffgemisches durch Umgehung eines Bearbeitungsmoduls so verhindert werden kann.

Durch die zylinderartige Konstruktion der Vorrichtung 1 bzw. des Befestigungselementes 6 unc des Mantels 3 und die zentrale Anordnung des Befestigungsmittels 6 in dem Mantel 3 werden zun einen kerbwirkungsträchtige Bereiche vermieden, so dass das Material einem geringen Verschleil ausgesetzt ist und damit einer geringeren Versagenswahrscheinlichkeit unterliegt. Zum anderer kann durch die Anordnung des Radialdichtungssystems in Strömungsrichtung des Stoffgemische: eine quasi selbstdichtende Vorrichtung erreicht werden.

Das Radialdichtungssystem ist so angeordnet, dass nicht das zentral sitzende Befestigungsmitte die notwendige Flächenpressung der Dichtmittel zur Abdichtung erzeugen muss, sondern der Sys temdruck selber die notwendige Flächenpressung erzeugt, so dass ein Betrieb mit bis zu 1600 ba Systemdruck möglich ist. Das Befestigungsmittel dient somit lediglich zur Positionierung de Dichtflächen bzw. der verschiedenen Einheiten des Bearbeitungsmoduls zueinander. Dadurch das keine stirnseitigen Dichtungssysteme verwendet werden, ist es auch nicht notwendig, eine entspre chende Vorspannung der Befestigungsmittel durch ein entsprechend hartes Anziehen der Ver schraubungen zu erzeugen.