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Die
Erfindung betrifft einen Blasenmischer zum Mischen von mindestens
zwei Flüssigkeiten,
die nicht ineinander löslich
sind und eine unterschiedliche Dichte aufweisen, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Für das Mischen
von Stoffen können
entsprechend dem Stand der Technik mechanische Rührer und alternativ auch pneumatisch
betriebene Mischapparate eingesetzt werden.
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Pneumatisch
betriebene Mischapparate haben gegenüber den mechanisch betriebenen
den Vorteil, dass in der Regel keine Scherkräfte auftreten, so dass diese
Technik auch für
sensible energetische Materialien wie beispielsweise Explosivstoffe,
eingesetzt werden kann.
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In
der
US 2007 0 182
033 A1 wird der Stand der Technik für pneumatische Mischer wie
folgt beschrieben. Ein pneumatischer Mischer besteht aus einem vertikalen
Rohr, an dessen unterem Ende die zu mischenden Stoffe zugegeben
werden. Am unteren Ende des Rohres befindet sich auch der Gasblaseneintritt.
Die Gasblasen werden in einem separaten Gasblasengenerator erzeugt
und müssen
eine bestimmte optimale Größe aufweisen,
da nur so in dem Rohr eine Pfropfströmung erzeugt wird, mit der die
zu mischenden Flüssigkeiten
wie mit einem Kolben aus Gas gemeinsam von unten nach oben durch das
Rohr gepumpt werden und sich dadurch mischen.
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In
der
KR 10 2002
0 074 659 A (Abstract) wird eine mehrstufige pneumatische
Mixer-Settler Einheit beschrieben, bei der die Mischwirkung durch ein
Pulsieren der Gasströmung
verbessert wird. Auch hier wird eine spezielle Vorrichtung zur Erzeugung
einer gleichmäßigen Verteilung
der Gasblasen beschrieben.
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Die
EP 1 679 112 A1 beschreibt
einen pneumatischen Mischer, bei dem mit einer Düse feine Gasblasen erzeugt
werden. Die zu mischenden Stoffe werden direkt unterhalb der Düse aufgegeben
und im Gleichstrom mit den Luftblasen durch einen statischen Mischer
von unten nach oben gefördert,
um eine gleichmäßige Durchmischung
zu erreichen. Hier wird auch der Einsatz eines zusätzlichen
statischen Mischers in der Gaseintrittsdüse beschrieben, durch den der
Mischeffekt verbessert wird.
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In
der
DE 16 67 231 B2 wird
eine Vorrichtung zur Durchführung
eines Stoffaustausches zwischen Gas- und flüssigen Phasen beschrieben,
bei der ein Tauchrohr eingesetzt wird, wobei das Gas und die Flüssigkeit
im oberen Bereich des Tauchrohres gemischt werden und gemeinsam
das Tauchrohr durchströmen.
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Die
DE 1 026 283 A bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Emulsionen durch Umwälzen von
Flüssigkeiten
mittels Gaszufuhr, wobei das Gas am Boden des Behälters eingeblasen
wird.
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Die
FR 1 529 536 A schlägt eine
Vorrichtung zum Mischen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten unter
Verwendung eines Tauchrohres vor, in welchem Gas als Transportmedium
verwendet wird, wobei das Gas ebenfalls am Boden des Behälters eingebracht
wird und die Flüssigkeiten
im Behälter
zirkulieren.
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Alle
entsprechend dem Stand der Technik beschriebenen pneumatischen Mischer
haben gemein, dass sie eine aufwendige Eindosierung für das Gas
benötigen
und dass teilweise zusätzliche
Einbauten für
das Erreichen der gewünschten
Mischgüte
benötigt
werden.
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Der
hier beschriebenen Erfindung lag die Idee zu Grunde, einen einfachen
pneumatischen Mischer herzustellen, der bei der Wäsche von
organischen Verbindungen, die nicht wasserlöslich sind, eingesetzt werden
kann und zusätzlich
folgende Eigenschaften aufweist. Die Gasaufgabe sollte einfach zu
regeln sein. Über
die Gasmenge sollte die Mischgüte
gut eingestellt werden können.
Der Mischer sollte kontinuierlich betrieben werden. Da auch sensible, weniger
stabile Substanzen wie beispielsweise Sprengstoffe, gemischt werden
sollen, muss der Mischer einfach und schnell vollständig entleerbar sein.
Der Mischer sollte, wenn möglich,
keine Einbauten enthalten, an denen Scherkräfte auftreten können und
die ein vollständiges
Entleeren erschweren. Der Mischer sollte zum Mischen kleinerer Mengen
im Labor eingesetzt werden können.
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Zur
Lösung
dieser Vorgaben ist der Blasenmischer gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zunächst wurde
ein Mischer entsprechend dem Stand der Technik bestehend aus einem
vertikalen zylindrischen Rohr erprobt. Die beiden zu mischenden
Flüssigkeiten
wurden in den unteren Teil des Mischrohres zugegeben. Das Gas wurde
mittels eines Perlators, einer feinporigen Glasstruktur, die speziell
zur Erzeugung kleiner Gasblasen eingesetzt wird, im unteren Teil
des Mischrohres unterhalb der Flüssigkeitseintritte
eingeperlt. Mit diesem Mischer konnte zwar eine ausreichende Mischgüte erreicht werden,
diese Konstruktion erfüllte
aber nicht die übrigen
Kriterien. Ein vollständiges
Entleeren war nicht möglich,
da sich in dem feinporigen Perlator die Flüssigkeiten anreicherten und
selbst durch längeres Durchblasen
von Gas nicht vollständig
entfernt werden konnten.
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Mit
der gleichen Konstruktion konnte ohne Perlator, nur mit einem getauchten
Gaseinleitrohr, keine ausreichende Mischgüte erreicht werden.
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Um
ohne Perlator eine ausreichende Mischgüte zu erreichen, war ein sehr
dünnes
und mehrere Meter langes Mischrohr notwendig. Diese Konstruktion
lässt sich
aus Platzgründen
nicht in einem Labor einsetzen.
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Nach
Erprobung mehrerer verschiedener Konstruktionen wurde eine überraschenderweise
relativ einfache Konstruktion für
den erfinddungsgemäßen Blasenmischer
gefunden, die alle Anforderungen erfüllt.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Blasenmischers
ist in 1 dargestellt. Der erfindungsgemäße Blasenmischer
B besteht aus einem vertikalen zylindrischen Rohr. Das untere Ende
ist geschlossen und mit einer Entleerungsleitung mit Entleerungsventil
V ausgestattet. In den Abbildungen ist der untere Abschluss des
Blasenmischers plan. Diese Ausführungsform
ist die einfachste. Zur optimalen Entleerbarkeit kann dieser Abschluss
auch konisch zum Entleerungsventil V zulaufen. In dem Blasenmischer
ist ein zylindrisches Tauchrohr T eingebaut, über das die Flüssigkeit
mit niedriger Dichte ND und die Flüssigkeit mit höherer Dichte
HD an Position 1 in den erfindungsgemäßen Blasenmischer zugeführt werden.
Das zum Mischen benötigte
Gas G wird an Position 2 in ein Gastauchohr GT zugegeben und in
den erfindungsgemäßen Blasenmischer
geleitet. Im oberen Bereich des erfindungsgemäßen Blasenmischers ist der
Auslauf für
die erzeugte Mischung M, die an Position 3 aus dem erfindungsgemäßen Blasenmischer
austritt. Der erfindungsgemäße Blasenmischer
verfügt
weiterhin über
einen Gasauslass GA, aus dem an Position 4 das Mischgas den Blasenmischer
wieder verlässt.
Beim Betrieb des Mischers bilden sich in den Teilbereichen des erfindungsgemäßen Blasenmischers
verschiedene Phasen. Im unteren Bereich bildet sich eine Phase,
die mit Flüssigkeit mit
höherer
Dichte HD (schwarz dargestellt) angereichert ist. Im oberen Bereich
des Tauchrohres T bildet sich eine Phase, die mit Flüssigkeit
niedrigerer Dichte ND (hell dargestellt) angereichert ist. Die zulaufende Flüssigkeit
mit niederer Dichte ND vermischt sich direkt beim Auftreffen auf
die Oberfläche
mit der Phase, während
die Flüssigkeit
mit höherer
Dichte HD als Tropfen (schwarz dargestellt) durch die Phase im Tauchrohr
T nach unten sinkt und dabei schon entsprechend der Verweilzeit
im Tauchrohr Kontakt mit der Flüssigkeit
niedrigerer Dichte ND hat. Wenn die Tropfen der Flüssigkeit
höherer
Dichte HD auf die Phase höherer
Dichte am unteren Bereich des Mischers auftreffen, vermischen sie
sich direkt mit der Phase. Das Mischgas G tritt oberhalb der Phase mit
höherer
Dichte aus dem Gastauchohr GT aus. Die Gasblasen (weiß dargestellt)
treffen auf die Oberfläche
der Phase mit höherer
Dichte und dort lagern sich kleinste Tröpfchen der Flüssigkeit
mit höherer Dichte
HD an die Gasblasen an. Die Flüssigkeit
niedrigerer Dichte steigt allein aufgrund des Dichteunterschiedes
nach oben zum Auslauf während
die Flüssigkeit
höherer
Dichte mit den Gasblasen in Form feiner Töpfchen nach oben getragen wird.
Während
die Gasblasen aufsteigen, werden Sie auf Grund des sinkenden hydrostatischen
Druckes größer. Durch
den Kontakt mit anderen Gasblasen können sich Gasblasen auch vereinigen.
Die mitgetragenen feinen Tröpfchen
der Flüssigkeit
mit höherer
Dichte HD können sich
während
des Aufsteigens auch von den Gasblasen lösen und schwimmen dann in der
Flüssigkeit
mit niedrigerer Dichte ND. Auch können sich Tröpfchen der
Flüssigkeit
höherer
Dichte HD zu größeren Tropfen
vereinigen und wieder nach unten sinken. Tröpfchen der Flüssigkeit
höherer
Dichte HD, die in der Flüssigkeit
niedrigerer Dichte ND schwimmen, können durch aufsteigende Gasblasen
eingefangen und nach oben getragen werden. Gasblasen, die die obere
Phasengrenze (Flüssigkeitsgrenze)
erreichen, verlassen die Flüssigkeit
und die anhaftenden Tröpfchen
der Flüssigkeit
höherer
Dichte HD bleiben in der Flüssigkeit
zurück.
Mit dieser Technik wird eine sehr gute Mischung M der beiden Flüssigkeiten
ND und HD erreicht, die dann an Position 3 aus dem Mischer abläuft. Das
Mischgas wird über
den Gasaustritt GA an Position 4 aus dem Mischer abgeleitet. Überraschenderweise
wurde festgestellt, das bei Einsatz des erfindungsgemäßen Blasenmischers
bereits mit niedrigen Gasmengen wesentlich bessere Mischgüten bis
hin zu Emulsionen erreicht werden, verglichen mit den Blasenmischern
entsprechend dem Stand der Technik, bei denen beide Flüssigkeiten
gemeinsam mit dem Gas durch den Mischer gefördert werden. Auch bei Einsatz
eines Perlators zur Feinverteilung des Gases wurde für vergleichbare
Mischgüte eine
höhere
Gasmenge benötigt.
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Beim
Aufbau des erfindungsgemäßen Blasenmischers
ist darauf zu achten, dass das Tauchrohr T tiefer in den Mischer
B eintaucht als das Gastauchrohr GT, damit sicher gestellt ist,
dass keine Gasblasen durch das Tauchrohr T nach oben steigen, da
ansonsten das gleichmäßige Absinken
der Tropfen aus Flüssigkeit
höherer
Dichte HD gestört wird.
Weiterhin ist darauf zu achten, dass das Gastauchrohr GT erfindungsgemäß oberhalb
der sich bildenden Phase mit höherer
Dichte endet, damit die Gasblasen auf die Oberfläche der Phase auftreffen und
sich dort feine Flüssigkeitströpfchen an
die Gasblasen anlagern. Beim Eintauchen des Gastauchrohres GT in
die Phase mit Flüssigkeit
höherer
Dichte HD wird überraschenderweise
eine schlechtere Mischgüte,
verglichen mit der erfindungsgemäßen Anordnung,
erreicht. Dieser Effekt war unerwartet, da er im Gegensatz zur Lehre
entsprechend dem Stand der Technik steht, nach der möglichst
verhindert wird, dass sich eine Phase aus nur einer Flüssigkeit
bildet, und bei der idealer weise das Gas von unten durch die Flüssigkeit
geleitet wird, um über
die dadurch erzeugte Turbulenz die Flüssigkeiten zu mischen und um
eine Pfropfenströmung
zur Förderung
beider Flüssigkeiten
zu erzeugen. Das dem erfindungsgemäßen Blasenmischer zu Grunde liegende überraschend
neu gefundene Prinzip, dass durch die Ausbildung einer Phase und
das Mitreißen von
feinsten Tröpfchen
von der Phasengrenze mit den Gasblasen eine wesentlich bessere Mischgüte erreicht
wird, hat gegenüber
den Blasenmischern entsprechend dem Stand der Technik auch den wesentlichen
Vorteil, dass die Gaseinleitung über
ein einfaches Tauchrohr erfolgt und keine aufwendige Gasverteilung
benötigt
wird.
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Für die bauliche
Optimierung des Blasenmischers wurden Mischversuche mit folgenden
Systemen durchgeführt:
Wasser/Dichlormethan, Wasser/Nitrobenzol, Wasser/Nitrotoluol, Wasser/Chloroform.
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In 2 ist
die Konstruktion des erfindungsgemäßen Blasenmischers dargestellt.
Für alle
Versuche wurde ein Blasenmischer aus Glas mit einem Durchmesser
DB von 5 cm eingesetzt. Es wurden Tauchrohre mit Durchmesser DT
1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm, 3 cm, 3,5 cm, 4 cm und 4,5 cm eingesetzt. Weiterhin
wurden Gastauchrohre mit Durchmesser DGT 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5
mm, 3 mm; 3,5 mm, 4 mm, 4,5 mm und 5 mm eingesetzt. Es wurden Blasenmischer
mit einer Höhe
HB von 30 cm, 50 cm und 100 cm eingesetzt. Als Flüssigkeitsmengen
wurden 10 ml/min und 100 ml/min untersucht, wobei für beide Flüssigkeiten
HD und ND jeweils die gleiche Flüssigkeitsmenge
eingesetzt wurde. Als Gas G wurden für die Versuche Luft und Stickstoff
eingesetzt. Als Gasmengen wurde 1 l/min, 5 l/min, 10 l/min und 20
l/min untersucht.
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Es
wurde folgendes gefunden. Für
alle untersuchten Systeme ergaben sich ähnliche Mischgüten bei
gleichen Betriebsbedingungen. Es konnte kein Unterschied festgestellt
werden zwischen Luft und Stickstoff als Gas. Bei einer Gasmenge
von 10 l/min und höher
wurde bei allen Konstruktionen und allen Flüssigkeitskombinationen eine
Emulsion erzeugt. Bei einer Gasmenge von 1 l/min wurde nur ein geringer
Mischeffekt erreicht. Mit 5 l/min Gasmenge konnte für alle Systeme
eine gute Durchmischung erzielt werden. Die beste Durchmischung
bei einer Gasmenge von 5 l/min wurde bei Tauchrohrdurchmessern DT
zwischen 1,5 cm und 3,5 cm erzielt; d. h. bei einem Verhältnis DT/DB
zwischen 0,3 und 0,7; und bei einem Gastauchrohrdurchmesser DGT
zwischen 1 mm und 4 mm; d. h. bei einem Verhältnis DGT/DB zwischen 0,02
und 0,08.
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Bei
einer Flüssigkeitsmenge
von je 10 ml/min und einer Gasmenge von 5 l/min reicht die Blasenmischerhöhe HB von
30 cm zur Erzeugung einer guten Mischung aus. Bei einer Flüssigkeitsmenge
von je 100 ml/min und einer Gasmenge von 5 l/min sollte die Blasenmischerhöhe HB mindestens
50 cm betragen.
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Weiterhin
wurde bei den Versuchen festgestellt, dass beim Abstellen der Gaszufuhr
auf Grund des Dichteunterschiedes der Flüssigkeitsstand in Tauchrohr
T über
den Flüssigkeitsstand
im Blasenmischer B ansteigt. Um zu verhindern, dass bei Ausfall der
Gaszufuhr während
des Betriebes des Mischers die Flüssigkeit aus dem Tauchrohr überläuft, muss die
Höhe H
des Tauchrohres über
dem Mischer entsprechend hoch gewählt werden. Der Abstand HT zwischen
dem unteren Ende des Blasenmischers B und dem unteren Ende des Tauchrohres
T beeinflusst die Mischgüte
nicht, solange sich eine Phase ausbildet, in der sich die Flüssigkeit
höherer
Dichte HD anreichert. Der Abstand HGT zwischen dem unteren Ende
des Blasenmischers B und dem unteren Ende des Gastauchrohres GT
muss so gewählt
werden, dass die austretenden Gasblasen auf die Oberfläche der
Phase, in der die Flüssigkeit
höherer
Dichte HD angereichert ist, auftreffen. Der Abstand HGT muss in
jedem Fall größer sein
als der Abstand HT, um zu verhindern, dass Gasblasen im Tauchrohr
T aufsteigen.
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Der
Durchmesser des Mischungsablaufes muss so gewählt werden, dass die gesamte
erzeugte Mischung ohne Rückstau
ablaufen kann. Der Durchmesser des Gasaustritts GA muss so gewählt werden,
dass das gesamte Gas problemlos austreten kann. Alternativ kann der
Durchmesser des Mischungsablaufes so groß gewählt werden, dass auch das Gas über der
ablaufenden Mischung hier problemlos austreten kann. In diesem Fall
kann ein separater Gasaustritt entfallen.
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Da
der erfindungsgemäße Blasenmischer keine
zusätzlichen
Einbauten enthält,
kann er problemlos über
das Entleerungsventil V schnell und vollständig entleert werden.
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Bei
der Mischung von Substanzen, speziell wenn dabei zusätzliche
chemische Reaktionen wie beispielsweise Neutralisationsreaktionen
ablaufen, kann Mischungswärme
und Reaktionswärme
entstehen. Bei vielen chemischen Produkten kann aber eine Temperaturerhöhung zu
unerwünschten
Reaktionen führen.
Um die Temperatur im erfindungsgemäßen Blasenmischer konstant
zu halten, kann die entstehende Wärme bevorzugt über einen
Kühlmantel abgeführt werden.
In 3 ist der erfindungsgemäße Blasenmischer mit außen liegendem
Kühlmantel K
dargestellt. Verfahrenstechnisch ist es meist sinnvoll, das Kühlmittel
im Gegenstrom zu den Prozessmedien zu führen, d. h. das Kühlmittel
tritt am oberen Ende des Blasenmischers an Position KME in den Kühlmantel
K ein, nimmt die Energie auf und verlässt ihn auf der gegenüberliegenden
Seite unten an Position KMA. Für
verschiedene Prozesse kann auch eine Gleichstromfahrweise sinnvoll
sein. Auch diese ist mit der angegebenen Konstruktion möglich. Dann wird
das Kühlmittel
entgegengesetzt durch den Kühlmantel
geführt.
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Der
Einbau von Kühlschlangen
oder Kühlplatten
in den Blasenmischer ist ebenfalls möglich. Hier sollte jedoch darauf
geachtet werden, dass diese Einbauten die Mischgüte beeinflussen können. Weiterhin
sollte darauf geachtet werden, dass die Einbauten die Entleerbarkeit
nicht beeinflussen. Welche Konstruktion gewählt wird ist nur abhängig von der
jeweiligen Mischaufgabe und kann frei gewählt werden. Die angegebenen
Möglichkeiten
sind nur als Beispiele gedacht und sollen die Einsatzmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Blasenmischers
nicht einschränken.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Blasenmischer lassen
sich auch mehrere verschiedene Flüssigkeiten mischen, solange
mindestens eine Phase mit niedrigerer und eine Phase mit höherer Dichte
entstehen.
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Als
Mischgas kann prinzipiell jedes Gas eingesetzt werden, solange sich
die Tröpfchen
der Flüssigkeit
mit höherer
Dichte an die Gasblasen anlagern. Aus Kostengründen wird Luft bevorzugt. Wenn Sauerstoff
mit den Flüssigkeiten
oder deren Bestandteilen unerwünscht
reagieren kann, sollte Stickstoff oder ein anderes nicht reagierendes
Gas gewählt werden.
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Die
angegebenen Dimensionen beziehen sich auf einen für den Einsatz
in einem Labor gedachten Blasenmischer und sollen die Anwendung des
erfindungsgemäßen Blasenmischers
nicht einschränken.
Das Mischprinzip kann auch auf größere Blasenmischer für den industriellen
Einsatz übertragen
werden. Die dafür
benötigten
Dimensionen müssen
gegebenenfalls experimentell angepasst werden.
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Der
erfindungsgemäße Blasenmischer
kann als Reaktor beispielsweise für eine Nitrierreaktion eingesetzt
werden, bei der eine nicht säurelösliche organische
Verbindung wie beispielsweise Toluol mit Nitriersäure, einer
Mischung aus Schwefelsäure
und Salpetersäure,
nitriert wird. Auch für
die Wäsche
von Rohprodukten aus Nitrierprozessen kann der erfindungsgemäße Blasenmischer
eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Blasenmischer können Säurereste
aus dem organischen Rohprodukt mit Wasser ausgewaschen oder mit
alkalischer Lösung neutralisiert
werden. Auch in einer organischen Flüssigkeit gelöste Salze
können
beispielsweise mit Wasser mit dem erfindungsgemäßen Blasenmischer aus der organischen
Flüssigkeit
ausgewaschen werden, wenn diese nicht oder nur zu einem geringen
Teil in Wasser löslich
ist und sich die Dichte entsprechend unterscheidet.
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Der
erfindungsgemäße Blasenmischer
kann auch als Quench zur schnellen Verdünnung oder Neutralisation einer
Reaktionslösung
eingesetzt werden.
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Alle
angegebenen Anwendungsmöglichkeiten
sind nur als Beispiele gedacht und schränken die Anwendung des erfindungsgemäßen Blasenmischers
nicht ein.