DE102007011205A1 - Hochdruckhomogenisator - Google Patents

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DE102007011205A1
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Eckhard Prof. Dr.-Ing. Weidner
Manuel Dipl.-Ing. Wehowski
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Ruhr Universitaet Bochum
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Ruhr Universitaet Bochum
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Abstract

Hochdruckhomogenisator mit einer Dispergiereinheit (2), die eine Engstelle (6) aufweist, welche dafür vorgesehen ist, von einem Flüssigkeitsgemisch durchströmt zu werden. An die Engstelle (6) schließt sich eine Stabilisierungskammer (3) für das dispergierte Flüssigkeitsgemisch an. Zwischen der Stabilisierungskammer (3) und der Engstelle (6) ist ein Kanal (7) vorgesehen, in dessen Querschnittsfläche wenigstens ein Störkörper (8) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochdruckhomogenisator mit einer Dispergiereinheit gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist bekannt, Emulsionen mittels nicht-mechanischer Verfahren wie z. B. dem Phaseninversionstemperatur-Verfahren, oder mittels der Kondensationsmethode herzustellen. Zu den mechanischen Verfahren der Emulsionsherstellung zählen Rotor-Stator-Systeme, das Ultraschallemulgieren, das Membranemulgieren sowie Hochdrucksysteme, bei welchen in Abhängigkeit von der Strömungsführung Radialdiffusoren, Gegenstrahldispergatoren und axiale Düsenaggregate zu unterscheiden sind. Zum Tropfenaufbruch tragen bei Hochdruckhomogenisatoren neben Scher- und Trägheitskräften in turbulenter Strömung auch Kavitation und Scherkräfte in laminarer Dehnströmung bei. Hochdruckhomogenisatoren mit Blenden bzw. Düsensystemen ermöglichen die kontinuierliche Herstellung von Emulsionen mit kleinen Tropfengrößen. Hochdruckhomogenisatoren sind relativ leicht zu fertigen und erlauben eine einfache Reinigung, da keine beweglichen Bauteile vorhanden sind. Mittels der Hochdruckhomogenisierung können niedrig- und hochviskose Medien bei gleichzeitig großen Fördermengen und engen Tropfengrößenverteilungen verarbeitet werden.
  • Bei der Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren geht mit Erhöhung der Druckdifferenz über den Homogenisator, das heißt mit der Erhöhung des Energieeinsatzes, eine Verringerung der Tropfengröße einher. Allerdings wird ein großer Anteil der aufgewendeten Energie nicht zum Tropfenaufbruch genutzt, sondern dissipiert, was letztendlich zur unerwünschten Erwärmung führt. Ein weiterer Nachteil von Hochdruckhomogenisatoren ist, dass Koaleszenz unmittelbar nach Zerkleinerung der Tropfen nicht effektiv vermieden wird, sodass kleine Tropfen wieder zu großen Tropfen zusammenlaufen.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Hochdruckhomogenisator mit einer Dispergiereinheit aufzuzeigen, bei welchem die Druckenergie zum Tropfenaufbruch besser genutzt wird und die Koaleszenz bereits zerkleinerter Tropfen besser verhindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Hochdruckhomogenisator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße Hochdruckhomogenisator ist mit einer Dispergiereinheit ausgestattet, die eine Engstelle, insbesondere eine Düse oder Blende aufweist, welche während des Betriebs von einem Flüssigkeitsgemisch, das in der Regel grob vor dispergiert ist, durchströmt wird. In bekannter Weise schließt sich an die Engstelle eine Stabilisierungskammer an, in welcher die aus der Engstelle austretende Emulsion aufgenommen wird.
  • Wesentlich bei der Erfindung ist, dass zwischen der Stabilisierungskammer und der Engstelle ein Kanal vorgesehen ist, wobei in der Querschnittsfläche des Kanals wenigstens ein Störkörper angeordnet ist. Im Bereich des Kanals verläuft der aus der Engstelle austretende Freistrahl, der üblicherweise unmittelbar, das heißt ungehindert in die Stabilisierungskammer eintritt. Bei der Erfindung ist allerdings vorgesehen, dass in die Querschnittsfläche des Kanals bzw. in den Strömungspfad des aus der Engstelle austretenden Freistrahls ein Störkörper eingebracht ist, der als Störstelle fungiert. Der aus der Engstelle austretende Freistrahl weist zunächst trotz der hohen Austrittsgeschwindigkeit eine laminare Strömung auf, die nach einer gewissen Einlauflänge in eine turbulente Strömung umschlägt. Diese Turbulenz ist neben der Kavitation im großen Maße für den Tropfenaufbruch der großen, deformierten Rohemulsionstropfen verantwortlich.
  • Die Störstelle in Form eines Störkörpers soll unmittelbar hinter der Engstelle, also im Bereich der Querschnittsfläche des von dem Freistrahl durchsetzten Kanals angeordnet sein.
  • Es wurde festgestellt, dass die Einbringung einer Störstelle, zum Beispiel in Form eines quer angeströmten Drahtes, zu feineren Tropfen führt und eine schnellere Stabilisierung der mittels Hochdruckhomogenisierung erzeugten Tropfen ermöglicht. Eine Zwangsführung durch kleine Querschnitte der Engstelle begünstigt zudem eine enge Tropfenverteilung. Der Durchmesser der Engstelle kann in einem Bereich von 10 μm bis 10 cm, insbesondere in einem Bereich von 50 μm bis 1 cm, vorzugsweise in einem Bereich von 50 μm bis 2 cm liegen.
  • Durch die effizientere Ausnutzung der Druckenergie zur Tropfenzerkleinerung sind zur Erreichung des gleichen Verfahrensergebnisses niedrigere Drücke erforderlich. Die dadurch erzielte Verringerung des Energieeinsatzes und die mögliche Auslegung der Anlagenkomponenten für niedrigere Druckbereiche ermöglicht Kostenersparnisse sowohl hinsichtlich der Anlagenkosten als auch hinsichtlich der Betriebskosten.
  • Des Weiteren ist zu beachten, dass zur Verringerung der Tropfendurchmesser im Submikronbereich mit kleiner werdendem Durchmesser der Energieanteil zum Tropfenaufbruch aufgrund der im Quadrat wachsenden Oberfläche sehr stark ansteigt. Deshalb bedeutet bereits eine kleine Verringerung der Tropfengröße im Submikronbereich eine effektivere Energieausnutzung.
  • Bei der Zerkleinerung eines einzelnen Tropfens mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 μm auf 2 μm ist die theoretisch erforderliche Arbeit etwa so groß, wie für die weitere Zerkleinerung des erzeugten Tropfenkollektivs von 2 μm auf 1 μm. Für eine weitere Halbierung des Durchmessers auf 0,5 μm muss zusätzlich zu der bereits eingebrachten Energie, die doppelte Energiemenge aufgewendet werden. Daraus folgt: Gerade im Bereich kleiner Tropfengrößen ist die Energieeffizienz von Dispergierverfahren von entscheidender Bedeutung.
  • Im Rahmen der Erfindung wurden insgesamt über 200 Versuche mit dem Modellsystem Wasser (wahlweise mit Emulgator) und Pflanzenöl mit Pflanzenöl als disperser Phase durchgeführt. Hierbei wurde als Engstelle eine Düse verwendet und sowohl die Emulsionszusammensetzung (Öl-, Wasser-, und Emulgatoranteil), die Strömungsführung (mit und ohne Störkörper; Variation des Düsendurchmessers) als auch der Durchsatz und damit die mit dem Durchsatz einhergehende Druckdifferenz im Hochdruckhomogenisator variiert. Als Störkörper wurde bei den Versuchen ein zylindrischer, quer angeströmter Draht verwendet.
  • Die Versuche haben gezeigt, dass bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen bei Einsatz des Störkörpers im Vergleich zu Emulsionen, die ohne Störkörper hergestellt wurden, kleinere Sauterdurchmesser erreicht werden. Des Weiteren sind die Sauterdurchmesser dieser Erfindung im Vergleich zu Messwerten anderer Dispergatoren bzw. Hochdruckhomogenisatoren bei gleichem Energieeinsatz geringer. Interessant ist, dass durch das Einbringen eines Störkörpers im Anschluss an den engsten Querschnitt des Dispergators feinere Tröpfchen erzeugt werden können, als es ohne den Störkörper möglich ist. Besonders überraschend ist hierbei, dass der Druckverlust über die Gesamtvorrichtung im Rahmen der Messgenauigkeit nicht größer ist als ohne die Störstelle.
  • Im Vergleich zu bestehenden Hochdruckhomogenisatoren können also mit Hilfe der Erfindung kleinere Tropfengrößen bei gleichem Energieeinsatz bzw. gleiche Tropfengrößen mit niedrigerem Energieeinsatz hergestellt werden. Zudem kann die auf diese Weise hergestellte Emulsion sehr gut stabilisiert werden, da sich die Emulgatormoleküle innerhalb von Millisekunden an den Grenzflächen der Tropfen anlagern können, bevor diese durch gegenseitiges Auftreffen die Möglichkeit haben, sich wieder zu größeren Tropfen zu vereinigen. Die besondere Strömungsführung in der Stabilisierungskammer trägt dazu bei, besonders feindisperse Emulsionen zu schaffen, die eine hohe Stabilität, aufgrund der Feinteiligkeit der Dispersion eine große Oberfläche, sowie hohe Bioverfügbarkeit haben können.
  • Der Störkörper kann in bevorzugter Ausführungsform einen zylindrischen Querschnitt aufweisen. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen Draht der innerhalb der Querschnittsfläche des Kanals quer angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Querschnitt des Störkörpers auch unrund sein. Polygonförmige oder parallelepipedförmige, insbesondere dreieckförmige Querschnitte sind bei stabförmigen Störkörpern denkbar. Grundsätzlich kann der Störkörper auch von der Stabform abweichen. Beispielsweise kann es sich bei dem Störkörper um ein Ellipsoid und insbesondere um eine Kugel handeln, die der Düse nachgeschaltet ist. Auch ein pyramidenförmiger Störkörper, dessen Spitze auf die Düse weist, ist denkbar.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, als Störkörper ein Sieb zu verwenden, das im Bereich der Querschnittsfläche des Kanals angeordnet wird. Anstelle eines Siebs, das mehrere Durchlassöffnungen aufweist, können aber auch andere Störkörper mit sich kreuzenden Streben innerhalb der Querschnittsfläche angeordnet werden.
  • Grundsätzlich können ähnlich wie bei einem Störkörper aus sich kreuzenden Streben bzw. bei einem siebförmigen Störkörper mehrere der Störstellen in einer Radialebene der Querschnittsfläche nebeneinander angeordnet sein. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, Störkörper in Axialrichtung, das heißt in Strömungsrichtung zueinander versetzt anzuordnen. Eine Kombination von in Radialrichtung und Axialrichtung zueinander versetzten Störkörpern ist selbstverständlich auch denkbar.
  • Wesentlich bei der Auswahl der Störkörper ist, dass diese nicht als Prallkörper ausgebildet sind, welche den Freistrahl komplett abbremsen, sondern vielmehr den Freistrahl stören, aufspalten und verwirbeln, sodass die durch Beschleunigung und Abbremsung auftretenden fluiddynamischen und thermodynamischen Phänomene zur Bildung noch feinerer Partikel ausgenutzt werden.
  • Der gewünschte Effekt, nämlich die Bildung feinerer Partikel, wird nur dann erreicht, wenn der Abstand zwischen dem Düsenaustritt und dem Störkörper nicht zu groß ist. Daher ist der wenigstens eine Störkörper nahe der Engstelle innerhalb des Freistrahls angeordnet. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Engstelle und dem wenigstens einen Störkörper kleiner als das 20-fache, insbesondere kleiner als das 10-fache des Durchmessers der Engstelle. Der Durchmesser der Engstelle liegt hierbei vorzugsweise in einem Bereich von 10 μm bis 10 cm, insbesondere 50 μm bis 1 cm, vorzugsweise 100 μm bis 2 mm.
  • Die starke Querschnittsreduzierung im Bereich der Engstelle führt dazu, dass das Fluid ausgesprochen stark beschleunigt und bei Eintritt in den nachgeschalteten, im Durchmesser wesentlich größer bemessenen Kanal und bei Auftreffen auf den dort angeordneten, wenigstens einen Störkörper stark abgebremst wird. Der Kanal weist einen Durchmesser auf, der wesentlich größer ist als derjenige der Engstelle, jedoch kleiner ist als der mittlere Durchmesser der sich anschließenden Stabilisierungskammer. Der Durchmesser der Stabilisierungskammer muss nicht über die gesamte Länge konstant sein, sondern kann variieren. Auch der Durchmesser des Kanals muss nicht über seine gesamte Länge konstant sein, sondern kann ebenfalls variieren. Bevorzugt nimmt der Querschnitt des Kanals in Strömungsrichtung zu.
  • In praktischer Ausgestaltung ist es besonders zweckmäßig, wenn die Dispergiereinheit mit der Engstelle der eigentlichen Stabilisierungskammer lösbar zugeordnet ist. In diesem Fall besteht nämlich die Möglichkeit den Störkörper zwischen der Stabilisierungskammer und dem Kanal zu platzieren und zwar indem die Dispergiereinheit axial gegen die Stabilisierungskammer gepresst wird. In diesem Fall befindet sich der Störkörper in Strömungsrichtung gesehen am hinteren Ende des Kanals, im Übergangsbereich zur Stabilisierungskammer.
  • Die Stabilisierungskammer weist vorzugsweise einen sich trichterförmig erweiternden Diffusorabschnitt und einen sich hieran anschließenden, sich trichterförmig verjüngenden Abschnitt auf. Durch diese Gestaltung ist es möglich, Totwassergebiete innerhalb der Stabilisierungskammer zu reduzieren. Ebenso können Energieverluste begrenzt werden. Gleichzeitig kann der Durchsatz bei dieser Kombination aus Diffusor und Düse verbessert werden. Der Grund ist darin zu sehen, dass der statische Druck im engsten Querschnitt des Hochdruckhomogenisators, d. h. im Bereich der Engstelle und des Kanals sehr stark verringert wird, wobei die Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Ein Teil der kinetischen Energie kann aufgrund des geringen Druckverlustes im Diffusorabschnitt wieder in Form von Druckenergie zurückgewonnen werden.
  • Grundsätzlich ist es möglich mehrere derartiger Stabilisierungskammern hintereinander zu schalten, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten Stabilisierungskammer wiederum eine Dispergiereinheit mit einer Engstelle und einem Störkörper angeordnet werden kann. Der Einsatz von zwei Stabilisierungskammern ermöglicht die Anlegung eines Gegendrucks, der ebenfalls zu einem verbesserten Tropfenaufbruch führen kann. Durch die zweimalige Führung der Emulsion durch Düsen wird außerdem eine engere Verteilungskurve hinsichtlich des Tropfendurchmessers erreicht. Das heißt die Tropfengröße streut weniger um einen Mittelwert.
  • Durch die Variation des Volumenstroms der Rohemulsion und der gewählten Düsendurchmesser in den beiden Stabilisierungskammern können die Druckverhältnisse im Hochdruckhomogenisator gezielt eingestellt und somit maßgeschneiderte Tropfengrößen hergestellt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Hochdruckhomogenisator im Längsschnitt;
  • 2 eine weitere Ausführungsform eines Hochdruckhomogenisators im Längsschnitt;
  • 3 eine Dispergiereinheit des Hochdruckhomogenisators der 1 in der Draufsicht;
  • 4 die Dispergiereinheit der 3 im Längsschnitt;
  • 5a)–h) Unterschiedliche Ausführungsformen von Störkörpern;
  • 6 ein Diagramm, in welchem der Druck vor einer ersten und einer zweiten Düse über den Volumenstrom aufgetragen ist;
  • 7 ein Diagramm, in welchem der Sauterdurchmesser über der Energiedichte aufgetragen ist;
  • 8 ein Diagramm, in welchem der Druck vor einer ersten und zweiten Düse über den Volumenstrom aufgetragen ist;
  • 9 ein Diagramm, in welchem der Sauterdurchmesser über der Energiedichte aufgetragen worden ist.
  • 1 zeigt im Längsschnitt einen Hochdruckhomogenisator 1. Bei der Hochdruckhomogenisierung wird eine Rohemulsion mittels eines nicht näher dargestellten Druckerzeugers vorgespannt und über eine nicht näher dargestellte Druckleitung der dargestellten Einheit zugeführt. Der Pfeil P kennzeichnet die Zuführungsrichtung der Rohemulsion.
  • Der Hochdruckhomogenisator umfasst eine scheibenförmige Dispergiereinheit 2, die einer Stabilisierungskammer 3 vorgeschaltet ist. Die Stabilisierungskammer 3 ist zweigeteilt und umfasst einen sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Diffusorabschnitt 4 und einen sich konusartig verjüngenden Düsenabschnitt 5, über welchen die erzeugte Emulsion die Stabilisierungskammer 3 wieder verlässt. Die Dispergiereinheit 2, der Diffusorabschnitt 4 sowie der Düsenabschnitt 5 werden in nicht näher dargestellter Weise in einer Haltevorrichtung fixiert.
  • Bei der Hochdruckhomogenisierung gelangt die Rohemulsion zunächst in eine Engstelle 6 in Form einer Düse, die in diesem Ausführungsbeispiel in die scheibenförmige Dispergiereinheit 2 eingeschraubt ist. Die Rohemulsion wird innerhalb der Engstelle 6 bzw. Düse stark beschleunigt. Es handelt sich bevorzugt um eine Glattstrahldüse. Der in der Engstelle 6 erzeugte Freistrahl tritt dann in einen Kanal 7 ein, der in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der Dispergiereinheit 2 angeordnet ist. Die Querschnittsfläche des Kanals 7 endet bei diesem Ausführungsbeispiel im Übergang zur Stabilisierungskammer 3. Genau in diesem Übergangsbereich ist ein Störkörper 8 in Form eines quer angeströmten Drahtes angeordnet, der sich in der Bildebene der 1 von oben nach unten erstreckt. Die Enden des drahtförmigen Störkörpers 8 sind zur Verdrehsicherung abgekröpft, weisen entgegen der Strömungsrichtung der Rohemulsion und sind in einer Tasche 9 in der Dispergiereinheit 2 gehalten. Da die Dispergiereinheit 2 in der Einbaulage fest gegen eine Stirnfläche der Stabilisierungskammer 3 gepresst wird, ist der drahtförmige Störkörper 8 ebenfalls lageorientiert. Der aus der Engstelle austretende Flüssigkeitsstrahl trifft auf den Störkörper 8, der unmittelbar hinter dem Engstellenaustritt angeordnet ist. Durch den Störkörper 8 werden die Tropfen des Freistrahls aufgebrochen und anschließend innerhalb des Diffusorabschnitts 4 stabilisiert. Der Bereich 10 innerhalb des Diffusorabschnitts 4 kann daher auch als Stabilisierungszone bezeichnet werden. Zusätzlich kann zur Verfahrensüberwachung eine Druckmessstelle 11 im hinteren Bereich des Diffusorabschnitts 4 ausgebildet sein.
  • Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch, dass zwei Stabilisierungskammern 3 mit entsprechenden Dispergiereinheiten 2 hintereinander geschaltet sind, sodass ein Gegendruck erzeugt wird, welcher den Tropfenaufbruch weiter verbessert. Die Funktionsweise der Dispergiereinheit 2 mit den zusätzlich eingebrachten Störkörpern 8 wurde bereits vorstehend erläutert. Auf die Beschreibung der 1 wird Bezug genommen.
  • Die 3 und 4 zeigen die scheibenförmige Dispergiereinheit 2 der 1 in der Seitenansicht und im Längsschnitt. Die scheibenförmige Dispergiereinheit 2 weist eine zentrische Bohrung 12, zur Aufnahme der Engstelle 6 in Form der Düse auf. Diese Düse ist austauschbar und kann über eine Gewindepaarung in die Bohrung 12 eingeschraubt werden. Die Bohrung 12 dient gleichzeitig als Kanal 7, wie er in 1 dargestellt ist. Die Dispergiereinheit 2 dient zudem zur Aufnahme eines Störkörpers, welcher in eine Tasche 9 austauschbar eingesetzt werden kann. Die Tasche 9 besteht aus diametral angeordneten Nuten in einer Stirnfläche 13, die zur Anlage der Dispergiereinheit 2 an der Stabilisierungskammer 3 vorgesehen ist. Jeder Längenabschnitt der Tasche 9 ist im Querschnitt L-förmig konfiguriert und umfasst eine sich in der Stirnfläche 13 in Radialrichtung erstreckende Nut, sowie eine Sackbohrung am radial außenseitigen Ende der Nut. Die Tasche 9 ist selbstverständlich so bemessen, dass der jeweilige Störkörper 8 nicht über die Stirnfläche 13 der Dispergiereinheit 2 vorsteht, sodass die Stirnfläche 13 bündig an der Stabilisierungskammer 3 anliegt. Etwaige Leckageströme zwischen der Dispergiereinheit 2 und der Stabilisierungskammer 3 können durch einen O-Ring abgefangen werden, welcher zur Abdichtung radial außenseitig in einer Nut 14 der Dispergiereinheit 2 platzierbar ist.
  • Die 5a) bis h) zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Störkörpern. Der Pfeil verdeutlicht jeweils die Anströmrichtung. In der Ausführungsform der 5a) ist der Störkörper ein im Querschnitt zylindrischer Draht. Dieser Querschnitt kann variieren, wie die Ausführungsformen der 5c) und d) zeigen. In 5c) ist der Störkörper im Querschnitt parallelepipedförmig ausgebildet. 5d) zeigt einen im Querschnitt dreieckigen Störkörper. Grundsätzlich ist es auch möglich Störkörper vorzusehen, deren Querschnitt über die Längserstreckung variiert. Ein Beispiel hierfür ist ein ellipsoidförmiger Störkörper wie er in 5b) dargestellt ist. Bei diesem Störkörper ist eine Kugel an einem zylindrischen Stab befestigt worden. 5f) zeigt ein Beispiel, bei welchem ein pyramidenförmiger Störkörper an einem zylindrischen Stab befestigt worden ist.
  • Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Störkörper von sich kreuzenden Drähten bzw. Stäben gebildet wird, wie es beispielsweise in 5e) dargestellt ist. Ganz allgemein kann es sich bei dem Störkörper daher auch um ein Sieb handeln (5g)). Selbstverständlich können auch mehrere Störkörper in Radialrichtung und/oder Axialrichtung zueinander versetzt angeordnet werden. Ein Beispiel hierfür zeigt 5h).
  • 6 zeigt das Ergebnis einer Versuchsreihe, bei welcher Wasser mit Pflanzenöl und wahlweise einem Emulgator (Tween 80) mit Pflanzenöl als disperser Phase gemischt worden ist. Die eingesetzte Emulgatormenge wird als Vielfaches der rechnerisch bestimmten, kritischen Mizellbildungskonzentration (nCMC) angegeben. Während eines Versuchs wird eine voremulgierte Rohemulsion über eine Hochdruckpumpe verdichtet und durch den Dispergator bzw. den Hochdruckhomogenisator gefördert. Die treibende Kraft zur Tröpfchenzerkleinerung der dispersen Phase im Dispergator ist die Druckdifferenz über den Dispergator. Bei Hochdruckdispergatoren bzw. Hochdruckhomogenisatoren entspricht der Druckverlust der Energiedichte. Unmittelbar nach der Emulgierung wird die Tröpfchengröße (Sauterdurchmesser) mit einem Laserbeugungsmessgerät vom Typ Mastersizer2000 bestimmt.
  • Bei der gewählten Konfiguration mit einem Durchmesser von 0,5 mm in der ersten Düse und 0,8 mm in der zweiten Düse und einem Ölanteil von 10 Gew.% wurde in Einzelversuchen der Pumpenhub an der eingesetzten Hochdruckpumpe variiert, wodurch sich verschiedene Volumenströme einstellten. Im Diagramm der 6 sind zu jedem Volumenstrom zwei Drücke dokumentiert. Der erste Druck zeigt den Druck vor dem Eintritt in die Dispergiereinheit. Der zweite Druck zeigt den Druck vor der zweiten Engstelle an. Der erste Druck entspricht der über die Dispergiereinheit abgebauten Druckdifferenz (Energiedichte). Im Diagramm der 8 sind ebenfalls zu jedem Volumenstrom zwei Drücke dokumentiert. Im Unterschied zur experimentellen Anordnung bei 6 sind bei 8 zwei gleich große Düsen mit einem Innendurchmesser von jeweils 0,5 mm verwendet worden.
  • Es ist zu erkennen, dass mit steigendem Volumenstrom in beiden Anordnungen die Drücke steigen. Des Weiteren ist anzumerken, dass durch die Strömungsführung in der Stabilisierungskammer Druckenergie zurückgewonnen werden kann. Dies äußert sich darin, dass keine Halbierung des Drucks bei gleichgroßen Düsen erfolgt (siehe 8). Es ist kein messbarer Unterschied im Druckverlauf zwischen eingesetztem und fehlendem Störkörper festzustellen.
  • Zu dieser Versuchsanordnung wurde der Sauterdurchmesser über der Energiedichte aufgetragen (7). Es ist zu erkennen, dass mit steigender Energiedichte, das heißt mit steigender Druckdifferenz der Sauterdurchmesser fällt, das heißt die Tröpfchengröße abnimmt. Es ist dabei zu beachten, dass generell zur Verringerung der Tropfendurchmesser im Submikronbereich mit kleiner werdendem Durchmesser der Energieanteil zum Tropfenaufbruch aufgrund der im Quadrat wachsenden Oberfläche sehr stark ansteigt. Deshalb bedeutet bereits eine kleine Verringerung der Tropfengröße eine effektivere Energieausnutzung. Es ist zu erkennen, dass bei gleicher Energiedichte der Einsatz der Störstelle eine Verkleinerung des Sauterdurchmessers bewirkt. Hierdurch wird der erfindungsgemäße Effekt belegt.
  • Die 8 und 9 verdeutlichen den gleichen zuvor beschriebenen Effekt bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen. Insbesondere ist der Düsendurchmesser bei dieser Versuchsanordnung in beiden Dispergiereinheiten gleich. Er beträgt 0,5 mm. Die kritische Mizellbildungskonzentration beträgt nCMC = 3. Auch hier ist zu erkennen, dass mit steigender Energiedichte, das heißt steigender Druckdifferenz der Sauterdurchmesser fällt, obschon kein maßgeblicher Unterschied im Druckverlauf zwischen eingesetzter und demontierter Störstelle festzustellen ist (8).
  • 1
    Hochdruckhomogenisator
    2
    Dispergiereinheit
    3
    Stabilisierungskammer
    4
    Diffusorabschnitt
    5
    Düsenabschnitt
    6
    Engstelle
    7
    Kanal
    8
    Störkörper
    9
    Tasche
    10
    Stabilisierungszone
    11
    Druckmessstelle
    12
    Bohrung
    13
    Stirnfläche
    14
    Nut
    P
    Pfeil

Claims (22)

  1. Hochdruckhomogenisator mit einer Dispergiereinheit (2), die eine Engstelle (6) aufweist, welche dafür vorgesehen ist, von einem Flüssigkeitsgemisch durchströmt zu werden und wobei sich an die Engstelle (6) eine Stabilisierungskammer (3) für das dispergierte Flüssigkeitsgemisch anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stabilisierungskammer (3) und der Engstelle (6) ein Kanal (7) vorgesehen ist, wobei in der Querschnittsfläche des Kanals (7) wenigstens ein Störkörper (8) angeordnet ist.
  2. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) einen zylindrischen Querschnitt aufweist.
  3. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) im Querschnitt polygonförmig ausgebildet ist.
  4. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) im Querschnitt parallelepipedförmig ausgebildet ist.
  5. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) im Querschnitt dreieckig ausgebildet ist.
  6. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) ein Ellipsoid ist.
  7. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) pyramidenförmig ausgebildet ist.
  8. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) ein Sieb ist.
  9. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) stabförmig ausgebildet ist und quer angeströmt wird.
  10. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Störkörper (8) von sich kreuzenden Streben gebildet wird.
  11. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Störkörper (8) in Radialrichtung des Kanals (7) zueinander versetzt angeordnet sind.
  12. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Störkörper (8) in Axialrichtung des Kanals (7) zueinander versetzt angeordnet sind.
  13. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen einer Engstelle und dem wenigstens einen Störkörper (8) kleiner als dem 20-fachen des Durchmessers der Engstelle ist.
  14. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand kleiner dem 10-fachen des Durchmessers der Engstelle ist.
  15. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Engstelle in einem Bereich von 10 μm bis 10 cm liegt.
  16. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Engstelle in einem Bereich von 50 μm bis 1 cm liegt.
  17. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Engstelle in einem Bereich von 100 μm bis 2 mm liegt.
  18. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kanals (7) in Strömungsrichtung zunimmt.
  19. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Störkörper (8) zwischen der Dispergiereinheit (2) und der Stabilisierungskammer (3) angeordnet ist.
  20. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispergiereinheit (2) der Stabilisierungskammer (3) lösbar zugeordnet ist.
  21. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungskammer (3) einen Diffusorabschnitt (4) und einen Düsenabschnitt (5) aufweist.
  22. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stabilisierungskammern (3) hintereinander geschaltet sind, wobei jeder Stabilisierungskammer (3) eine Dispergiereinheit (2) zugeordnet ist.
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