Verfahren und Vorrichtung zum Dispergieren eines Stoffes in einer Fliissigkeit.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dispergie- ren eines Stoffes in mindestens einer Flüssig- keit. Dabei soll der Begriff Dispergieren die Herstellung von dispersen Systemen in wei iestem Sinn, also auch molekular disperser Systeme (Losungen), umfassen.
Die Flüssigkeit, in welche die andere Komponente dispergiert wird, kann ein einheitlicher Stoff sein oder ein Stoff, in welchem andere Stoffe gelöst, dispergiert oder emul- giert sind. Die zu dispergierenden Stoffe kön- nen einheitliche Stoffe oder Stoffgemische sein. Es ist weiter möglieh, dass sie gasförmig, flüssig oder fest sind. In letzterem Falle ist der feste Stoff mehr oder weniger aufgeteilt bzw. pulverisiert.
Man kann mit dem Dispergieren sehr verschiedene Zweeke verfolgen. So lässt sich die Erfindung zur FIerstellung von mehr oder weniger stabilen Emulsionen oder Suspensionen oder zur Bereitung homogener Lösungen anwenden.
Die Erfindung ist besonders für die Durchführung von physikalisehen oder chemischen Reaktionen zwischen einer Flüssigkeit oder einem in einer Flüssigkeit disper gierten Stoff und einer oder mehreren andern Komponenten von Bedeutung, wobei der Reaktionsverlauf von der Geschwindigkeit, mit der die Stoffe in Kontakt gebracht werden, abhängt und die Grosse der Kontaktflache eine bedeutende Rolle spielt.
Ohne das Gebiet, auf dem die Erfindung angewandt werden kann, zu beschränken, können als besondere Anwendungsmöglich- keiten genannt werden : das Waschen einer Flüssigkeit oder eines Gases mittels Dispergierung in der Flüssigkeit, das Belüften von Abwasser, Schlammsuspensionen oder andern Flüssigkeiten, in welchen aerobe mikrobiologische Vorgänge stattfinden, wie bei der Herstellung von Alkohol, Essigsäure ; weiter die Erzeugung heterogener katalytischer Reaktionen in einem flüssigen Medium, wobei der Katalysator in der flüssigen Phase di spergiert wird, usw.
Die bekannten Vorrichtungen zum Dispergieren eines Stoffes in einer Flüssigkeit enthalten meistens bewegliche Teile, wie Rührer, Knetarme, schwingende Wände oder Platten.
Hierdurch werden die Konstruktionen, vor allem, wenn man mit korrosiven Stoffen oder bei hoher oder sehr niedriger Temperatur oder unter Luftabschluss arbeiten muss, häu- fig kompliziert und kostspielig.
Es sind für das Dispergieren eines Gases in einer Flüssigkeit viele Methoden beschrieben worden.
Nach diesen Methoden wird das Gas ge wohnlich unter Druck in die Flüssigkeit eingebracht, z. B. unter Verwendung von porö- sen Platten oder Drahtgeweben. Um zu fei nerer Verteilung zu gelangen, wurde unter anderem vorgeschlagen, die poröse Platte oder das Drahtgewebe in Schwingung zu ver setzen oder die Austrittsoffnungen für das Gas in den äussersten Enden der Flügel eines schnell rotierenden Rührers anzubringen.
Auch wurde bereits vorgeschlagen, das zu verteilende Gas entweder durch Ansaugen mittels eines Injektors oder durch Einschleu- dern in die Flüssigkeit mittels rotierender Bürsten in die Flüssigkeit einzubringen. Die auf diese Weise herbeigeführte Verteilung ist gewohnlich wenig befriedigend.
Ausserdem macht man zur Herbeiführung einer gegenseitigen Einwirkung einer Flüs sigkeit oder eines festen Stoffes auf eine andere Flüssigkeit von Vorrichtungen Gebrauch, bei denen das Gemisch durch Kanäle geführt oder mit hoher Geschwindigkeit gegeneineWand oder einen andern Korper gesehleudert wird.
In der deutschen Patentschrift Nr. 645546 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Asphaltemulsionen beschrieben, welche aus einem zylindrischen Raum mit zentral angeordneter Abfuhroffnung besteht ; in diesen Raum münden zwei tangential gerichtete Zu fuhrleitungen. Wenn durch diese Leitungen die zu mischenden Komponenten-Wasser und warmer sehmelzflüssiger Asphalt-in den zylindrischen Raum hineingepresst werden, entsteht unter Einflu# der auftretenden rotierenden Strömung eine Emulsion.
Die vorliegende Erfindung bezweekt eine Verbesserung der bestehenden Vorrichtungen und Verfahren.
Gemäss dem Verfahren nach der Erfindung wird die Dispergierung erzielt, indem man in der Flüssigkeit eine Zyklonstromung erzeugt und den zu dispergierenden Stoff in der Achse der Zyklonstromung einleitet.
Wenn in einer Flüssigkeit eine genügend starke Zyklonstromung erzeugt wird, entsteht im Zentrum ein hohler Kern, worin sieh Luft oder Dampf mit verhältnismässig niedrigem Drucke befinden. Bei geeigneter Bemessung der Zyklonkammer ist es möglieh, da# dieser Druck bis auf etwa die Dampfspannung der verwendeten Flüssigkeit fällt. Dieser Unterdruek kann zur Ansaugung der in der Flüssigkeit zu dispergierenden Komponente benutzt werden. Die Vorrichtungfunktioniert in diesem Falle nicht nur als Dispergiervor- riehtung, sondern gleichzeitig als Dosierorgan.
Der zu dispergierende Stoff kann durch eine zentral einmündende Leitung der Zyklonkammer zugeführt werden. Hierin wird er durch die rotierende Flüssigkeit aufgenommen und den in dieser Flüssigkeit auftretenden Schubkräften ausgesetzt.
Das entstandene Endprodukt verlä#t an schlie#end die zentral angeordnete Abstrom- offnung in der Form eines hohlen Flüssig keitskegels.
Um eine gute Saugwirkung zu bekommen, ist es zweckmässig, dass der Durchmesser der Ansaugoffnung an der Unterseite der An- saugleitung kleiner ist als der Dnrehmesser der Abstromoffnung oder doch wenigstens, dassderWiderstand der Ansaugleitung stär- ker ist als der Widerstand der Abstromoff- nung und der gegebencnfalls daran anschlie ssenden Leitung. Dies ist beispielsweise dann erfiillt, wenn der Durelmesser der Ansaug- offnung kleiner ist als der Durehmesser des oben erwähnten Hohlkernes.
Gewölmlieh ragt die Ansaugleitung in die Kammer hinein. Es hat sich ergeben, da# die Saugwirkung in geringem Ma#e von der Länge der Ansaugleitung in der Zyklonkammer abhängt. Die Saugwirkung geht jedoch verloren, wenn die Ansaugleitung bis sehr nahe an die Abstromoffnung ragt. Die Fein heit der herbeigeführten Verteilung hängt gleichfalls von der Länge der Ansaugleitung in der Zyklonkammer ab. Wenn nämlich der Abstand zwischen der Mündung der Ansaugleitung und der Abströmöffnung zu klein ist, werden die sich bildenden Partikel grosser.
Die Flüssigkeitsmenge, welche bei einem bestimmten Druckgefälle durch die Zyklomkammer hindurchgepresst wird, ist praktisch unabhängig von der Menge zentral angesaug- ten Stoffes. Alithin ist es auf einfache Weise möglieh, mittels eines in der Ansaugleitung eingebauten Regulierhahnes das Verhältnis der zu dispergierenden Komponente zu der dispergierenden Flüssigkeit zu beeinflussen.
In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, dass beim Zunehmen des Druckgefälles die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit durch die Kammer hindurchgepresst wird, zwar zunimmt, dass aber ausserdem auch die Rotationsgeschwindigkeit der Flüs sigkeit steigt, wodurch die Ansaugkapazität und folglich die Menge angesaugten Stoffes wird. Somit ist das Mischverhältnis wenig empfindlich für zufällige Druckschwankungen in der Zufuhr der dispergie renden Flüssigkeit.
Dadurch unterscheiden sicli die nach der Erfindung gebauten Vor richtungen vorteilhaft von den Vorriehtun gen, welche in der deutschen Patentschrift Xr. 645546 beschrieben sind, bei welchen die zn mischenden oder zu dispergierenden Flüs sigkeiten beide tangential der Kammer zugeführt werden. Ein zweiter Vorteil ist, dass bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der in der Flüssigkeit zu disper gierendeStoff angesaugt wird, so dass er nicht unter Druck zugeführt zu werden hrauelt. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn es sien ut stark korrosive Stoffe handelt.
Ausführliche Versuche haben ergeben, dass sich bei zentraler Zufuhr eine bedeutend bes sere und schnellere Verteilung herbeiführen Hisst. als wenn beide Komponenten tangential. eingeführt werden.
Die Feinheit der erzielten Verteilung wird au#er durch die bereits genannte Länge der Ansaugleitung auch durch Form und (trösse der Zyklonkammer beeinflusst, und zwar insbesondere durch die Grosse des Durchmessers der Zu- und Abströmöffnun gell. Es hat sich herausgestellt, dass bei gleichem Zuführungsdruck eine Verringerung (ler Abmessungen der Zyklonkammer eine Verringerung der Partikelgrösse des zu verteilenden Stoffes zur Folge hat.
Die Erhöhung des Zuführungsdruckes hat bei gleiehen Abmessungen der Kammer 'lenselben Effekt. Wenn man nämlich den Druck erhöht, werden höhere Rotations geschwindigkeiten und dadurch höhere Sehubkräfte erzeugt. Dies hat eine verkleinernde Wirkung auf die Partikelgrösse.
Falls Stoffe mit grösserem spezifischem Gewicht als das der Flüssigkeit dispergiert werden sollen, verwendet man vorteilhaft Kammern, bei denen sich die Tangentialzuleitung an derselben Seite wie die Abström- öffnung befindet. Es entsteht dabei eine Strömung, bei der sich die Flüssigkeit schrau- benartig der Wand entlang nach dem der Abstromöffnung gegenüberliegenden Ende der Kammer und von dort der Achse entlang nach der Abströmöffnung bewegt. Die in dieser Weise erzeugte Strömung kann als eine Strömung beschrieben werden, bei welcher sich innerhalb eines rotierenden Zylindermantels ein zweiter Zylinder ausbildet, dessen Rotationsgeschwindigkeit infolge des geringeren Rotationsradius bedeutend hoher ist als die des äussern Zylindermantels.
Der zu dispergierende Stoff wird in den schnellrotierenden zentralen Zylinder aufgenommen, wodurch auf die Partikel eine zentrifugale Kraft zu wirken anfängt. Die Partikel werden infolgedessen nach aussen geschleudert ; hierbei legen die gröberen Par tikel in derselben Zeit einen grosseren Weg zurüek als die feineren. Nur Partikel, deren Korngrosse unter einem bestimmten Maximum liegt, befinden sich in dem Strom, welcher die Abströmöffnung verlässt. Partikel, die eine bestimmte kritische Grosse übersteigen, sind schon vor der Zeit aus dem der Offnung zuströmenden zentralen Zylinder verschwunden und in den Aussenmantel aufgenommen worden.
Hierdurch werden diese Partikel wieder nach dem Ausgangspunkt zuriickgeleitet und anschliessend aufs neue in den zentralen Zylinder übergeführt. Die Teilchen, welche eine bestimmte kritische Grösse noch überschreiten, zirkulieren wieder. Hierdurch lässt sich ein homogenes Produkt erzeugen.
Wenn man die Zyklonkammer, mit der Abstromöffnung nach unten gerichtet, in geringem Abstand von einem Flüssigkeitsspie- gel anordnet, bleibt die austretende Dispersion wie eine geschlossene, rotierende Säule stehen, in der sich ein Gebiet von niedrigerem Druck befindet. Der Flüssigkeitsspiegel kann dadurch sogar in die Hoche gesaugt werden.
Wenn die Abströmöffnung unter den Flüs- sigkeitsspiegel mündet, kann diese Offnung weiter bemessen werden, ohne dass die Saugwirkung in der Kammer hierdurch zurück- geht. Die Gefahr, dass Gas durch die Ab strömöffnung eingesaugt wird, wodurch sich der Unterdruck in dem Kern verringert, ist dann weniger gross.
Bei einer in einer Flüssigkeitsmasse un tergetauehten Zyklonkammer ist die Saugwir- kung von dem Abstand der Abstromoffnung der Kammer bis zum Flüssigkeitsspiegel ab hängig, weil beim Ansaugen auch der hydrostatische Druck der Flüssigkeit überwunden werden muss.
Die rotierende Bewegung der ausströmen- den Dispersion lässt sich benutzen, um die in einem Vorrats-oder Reaktionsgefäss, in welches die erzeugte Dispersion eingeführt wird, bereits vorhandene Materie zu rühren oder wenigstens in derselben eine Turbulenz her vorzurufen.
Es ist auch möglieh, die Bewegungsener- gie der ausstromenden Flüssigkeit teilweise als statisehen Druck zurückzugewinnen, und zwar dadurch, dass man die Abströmöffnung mit einem Diffusor versieht. Mit dessen Hilfe kann bei gleicher Wirkung der Vorrichtung der Zufuhrdruck für die Flüssigkeit erniedrigt oder der zurückgewonnene Druck zum Beispiel zum Betrieb einer folgenden Zyklon- kammer verwendet werden.
Wenn man die Kapazität der Vorrichtung steigern will, so kann man die zu verwen- dende Zvklonkammer nieht ohne weiteres vergrössern. Um die gleiche Dispergierungs- feinheit beizubehalten, ist es erforderlich, den Zufuhrdruck bedeutend zu erhohen. In energetischer Hinsieht ist es dann vorteilhaft, mehrere kleine Kammern parallel arbeiten zu lassen.
An Hand der Zeichnung, die Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung gemäss der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darstellt, wird auch das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert.
Fig. l und 2 stellen den Schnitt zweier Vorriehtungen schematisch dar. Die Flüssigkeit wird unter Druck durch die Leitung 1 bzw. la zugeführt und strömt durch die Öffnung 2 bzw. 2a in tangentialer Richtung in die Zyklonkammer 7 bzw. 7a ein. Diese wird von einem durch Ausbohrung des Blockes 5 bzw. 5a gesehaffenen Raum, der mittels der Platte 6 bzw. 6a verschlossen ist, gebildet.
Die Abströmung findet dureh die Öffnung 3 bzw. 3a in dem Mundstück 9 bzw. 9a statt, das mittels Gewinde in dem Block 5 bzw. der Platte 6a befestigt ist. Da der Radius der Abströmöffnung beträchtlich kleiner ist als der Radius, auf dem die Zuführungsleitung eintritt, entsteht in der Zvklonkammer 7 bzw.
7a eine Zyklonstromung, so dass die Flüssig- keit als ein sich drehender, hohler Kegelmantel aus dem Mundstüek 9 bzw. 9a tritt.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist in der Platte 6, der Abstromoffnung gegenüber, ein Ansaugrohr 8 angebracht. Der Durchmesser dieses Ansaugrohres 8 ist bedeutend kleiner als der Durchmesser der Abstromoffnung, um zu verhindern, dass die Flüssigkeitsstromung in der Kammer unregelmässig wird bzw. die Flüssigkeit durch die Ansaugleitung austritt.
Bei der Zyklonkammer nach Fig. 2, wo sich die Tangentialzuleitung la am selben Ende der Kammer befindet wie die Abström- öffnung 3a, wird die Ansaugöffnung 4a durch eine zentrale Bohrung in der Schraube 10 gebildet, an der das Ansaugrohr 8a befestigt ist. Diese Kammer eignet sich insbesondere zum Dispergieren eines Stoffes, der spezifisch schwerer ist als die Flüssigkeit, weil in dieser Kammer eine Zirkulation von Teilchen stattfinden kann, was bei der Ausführung nach Fig. l nicht der Fall ist. Wenn es gilt, spezifiseh leichtere Stoffe zu dispergieren, bietet diese Vorrichtung jedoch keine Vorteile vor der nach Fig. 1 konstruierten.
Die Fig. 3a und 3b stellen eine Vorrichtung dar, die sich insbesondere zur Verwendung unter einem Flüssigkeitsspiegel eignet.
Die Zufuhrleitungen für die Flüssigkeit und den zu dispergierenden Stoff sind parallel an geordnet und beide an der Oberseite angehraeht. stellt den Schnitt nach A-A in Fig. dar ; Fig. 3b ist ein ein Sehnitt naeh B in Fig.3a. Die Zyklonkammer 11 wird durch die zvl. indrisehe Wand 12 und die Platten 14 4 und 15 gebildet. In der zylindrischen Wand sind einige, sich keilförmig verengende, tan- gential geriehtete Kanäle 13 für die Flüssig- keit ausgespart. Um diese Zyklonkammer lierne ist eine zweite Kammer 16 angeordnet, an welche der Zufuhrkanal 17 anschliesst.
Die Zyklonkammer 11 ist mit einem Mundstück 22 versehen, worin sich, zentral angeordnet, eine runde Öffnung 23 zur Abfuhr der Flüssigkeit befindet.
Wenn man durch das Zufuhrrohr 17 irgendeine Flüssigkeit hineinpresst, strömt diese über die Kammer 16 und die Kanäle 13 der Zyklonkammer 1 1 zu, was dort eine Zy Idonströmung verursacht. Die Flüssigkeit ver lä#t die Zyklonkammer durch die Abström- öffnung 23.
In der Wand 15 ist die Ansaugleitung 19 atyebnaeht, welche in der Führung 18, mit Packung 21 und Paekungsring 20, verstellt werden kann. Zur Änderung der Zufuhr des anzusaugenden Stoffes kann man in die Ansaugleitung 19 einen Hahn 24 anbringen.
Die Fig. 4a und 4b stellen eine Vorrieh tung dar, die sich insbesondere zum Dispergieren pulverförmiger oder stark viskoser flüssigel Stoffe eignet. Fig. 4a gibt den Schnitt nach A-A in Fig. 4b wieder. Fig. 4b ist der Schnitt nach B-B in Fig. 4a.
In die Kammer 7b münden zwei Tangen tialleitungen 1b ein, ein, die vorliegendem vorliegendem (inen reehteekigen Querschnitt aufweisen, so da# die Zufuhröffnungen 9b im zylindrischen Teil der Eotationskammer auch rechteekig sind. Die Abströmöffnung 3b befindet sich in dem Alundstüek 9b, das in der Wand am selben Ende der Kammer wie die Flüssigkeits- zufuhr angebracht ist. Folglieh besteht in der Kammer die Möglichkeit, den zu dispergieren- den Stoff zirkulieren zu lassen.
In der Ansaugleitung 8b, welche der Abströmöffnung 3b gegenüber angebracht ist, befindet sich eine Forderschneeke 25, die aus dem Trichter 26 beschickt wird. Die Ansaugleitung ist mittels der Überwurfmutter 27 am Gehäuse 5b der Zyklonkammer 7b befestigt.
Obige Vorrichtung eignet sich insbesondere für die gegenseitige Einwirkung zweier Flüssigkeiten in Anwesenheit eines dritten Stoffes, z. B. eines Katalysators. Die beiden flüssigen Reaktionskomponenten können separat durch die Leitungen 1b zugeführt werden, während der zu dispergierende Katalysator durch das Ansaugrohr 8b eingeführt wird, wobei die Fördersehneeke 25 den Transport bis an die Ansaugöffnung besorgt.
Die Fig. 5a und 5b bzw. 6a und 6b geben je ein Beispiel von Vorrichtungen, bei denen mehrere Zyklonkammern zu einer grösseren Einheit zusammengebaut sind.
Die Fig. 5a bzw. 6a stellen den Schnitt nach A-A in Fig. 5b bzw. in Fig. 6b dar ; die Fig. 5b bzw. 6b sind ein Schnitt nach B-B in Fig. 5a bzw. 6a.
Bei der Vorrichtung nach den Fig. 5a und 5b sind die Zyklonkammern 29, die zentrale Ansaugkammer 30 und die einzelnen Ansaug- leitungen 31 aus einem zylindrischen Block 28 ausgebohrt. Die Zyklonkammern sind durch die Platten 33 verschlossen, in denen die Mundstücke 34 eingeschraubt sind. Auf dem zylindrischen Block 28 befindet sich die Fliis sigkeitskammer 37 mit der Zufuhrleitung 38.
Die Flüssigkeit, die durch das Rohr 38 in den Raum 37 hineingepresst wird, kann durch die Tangentialzuleitungen 35 mit ihren Offnungen 36 in die Zyklonkammern 29 einströmen, wodurch in denselben eine Zyklonströmung entsteht. Der zu dispergierende Stoff kann durch die Leitung 32, den zentralen Raum 30 und die Ansaugleitungen 31 zugeführt werden. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Belüften von Flüssigkeiten in einem Behälter. Die Luftdispersion wird in einen die Vorrichtung umgebenden Behäl- ter geführt. Hierdurch entstehen turbulente Strömungen, welche bewirken, dass der ganze Tnhalt des Behälters schnell belüftet wird.
In den Fig. 6a und 6b stellt 40 einen zylin- drischen Block dar, in dem sechs Zyklonkam mern 41 und eine zentrale Bohrung 42 angebracht sind. Die Unterseite jeder Kammer 41 bildet ein Mundstück 43 mit einer koni- sehen Aussparung und der anschliessenden Abstromoffnung.
Die zentrale Bohrung 42 ist durch die Sehraube 46 an der Unterseite versehlossen.
Im Block 40 sind Tangentialzuleitungen 44 zu den Kammern 41 ausgefräst, die mit den offnungen 45 in dieselben einmünden.
Die Kammern 41 und Zuleitungen 44 sind an der Oberseite durch die Platte 47 verschlossen. In dieser Platte sind koaxial in bezug auf die Kammern 41 Düsen 49 mit Ansaugoffnungen eingeschraubt. Die gemeinsehaftliehe Ansaugkammer 50 ist im zylindri schen Block 51, der eine zentrale Bohrung enthält, ringförmig ausgespart. In diesen Block sind die Ansaugleitung 52 und die Zufuhrleitung 48 für die Flüssigkeit eingeschraubt. Die Blocke 51 und 40 können zum Beispiel mittels Zugbolzen 53 aneinander befestigt sein. Wenn nötig, kann man zur Vermeidung von Undichtheiten noch eine Platte aus elastischem Material zwischen der Platte 47 und den Blöeken 40 und 51 anbringen.
Wenn die Flüssigkeit durch die Leitung 48 eingepresst wird, strömt sie durch die Boh rune 42, die Tangentialzuleitungen 44 und die Öffnungen 45 in die Zyklonkammern 41, in denen eine starke Zyklonstromung entsteht.
Die Flüssigkeit verlä#t die Kammern durch die in den Mundstücken 43 befindliehen Ab- stromoffnungen. Infolge der Zyklonstromung entsteht in dem Zentrum der Kammern ein Unterdruck, wodurch der zu dispergierende Stoff durch die Düsen 49, die Ansaugkam- mer 50 und die Ansaugleitung 52 zugeführt werden kann.
Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Dispergieren eines Gases oder einer wenig viskosen Flüssigkeit in einer Flüssig- keit. Wie bei den Vorrichtungen nach den Fig. 5a und 5b ist aueh hier die Kapazität mittels Vervielfachung der Kammern bedeutend gesteigert.