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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols Bereits friihereArbeiten
des Erfinders beschäftigten sich mit den Bedingungen, unter denen man durch Zerstäuben
einer Lösung, z. B. Kochsalzlösung, mittels Druckgas, z. B. Druckluft, einen Sprühnebel
bilden und. aus diesem ein stabiles Aerosol erzeugen kann.
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Es wurde schon erkannt, daß es dazu erforderlich ist, den Sprühnebel
mit der Lösung in Berührung zu bringen.
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Auch sind schon Einrichtungen. beschrieben, bei denen der mittels
einer Düse erzeugte Sprühnebel in Berührung mit den von ihm selbst mitgerissenen
Flüssigkeitsteilchen gebracht wird. An den Wandung gen der Gefäße, in denen diese
bekannte Behandlung stattfindet, strömt die sich niederschlagende Flüssig keit als
dünner Film im Gegenstrom zum dispersen System, das durch Öffnungen in der Wandung
aus dem Behandlungsgefäß austritt. Die Filterwirkung, die die mitgerissene Flüssigkeit
auf das Aerosol auswirkt und die zur Ausscheidung der gröberen Teilchen fiihren
soll, reicht aber bei solcher Gegenstrombehandlung bei wietem nicht aus. Diese Einrichtungen
gestatten nicht, zu einem Aerosol mit einer Teilchen größe zu gelangen, welche so
gering- ist, wie es insbesondere therapeutische Zwecke oder die Staubbekämpfung
beim Gesteinsabbau oder in anderen silikosegefährdeten Betrieben erfordern. Auch
können die bekannten Einrichtungen nicht mit niedrigen Drücken für die Aerosolbildung
betrieben werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem aus einer am
Boden eines Gefäßes stehenden Lösung mittels einer verhältnismäßig einfachen Apparatur
und bei verhältnismäßig geringen Drücken, unter denen das einer Düse zugeführte
Druckgas den Spruhnebel - nämlich die Mischung des Druckgases mit den mitgerissenen
flüssigen und festen Teilchen -bildet, ein weitgehend kolloidstabiles Aerosol erzeugt
werden kann, sowie die Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglichende Vorrichtungen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß mit verhältnismäßig einfachen Mitteln,
nämlich unter Verwendung nicht sehr komplizierter Einbauten für die Gefäße zur Aerosolerzeugung
und unter Benutzung verhältnis mäßig geringer Drücke, der Stoffaustausch wesentlich
intensiviert und damit die obere Grenze für die Größe der im Aerosol enthaltenen
Teilchen erheblich herab gesetzt werden kann; vor allem gelingt es, bei einem derart
intensiven Stoffaustausch zwischen dem dispersen System und der mitgerissenen Flüssigkeit
die obere Grenze der Teilchengröße und die Verteilung des Spektrums der Teilchengröße
unabhängig sowohl von der Konzentration der verwendeten Lösung als a.uch von dem
benutzten Druck zu machen.
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Das Wesen des neuen Verfahrens besteht darin, daß das disperse System
und die durch das Druckgas mit-
gerissenen Flüssigkeitsschichten bzw. -säulen mehrmals
im Gleichstrom durch die Einbauten geführt werden. Damit ist gemeint, daß innerhalb
der Einbauten kein Rückströmen der mitgerissenen Flüssigkeit stattfindet, sondern
daß die Flüssigkeit gemeinsam mit dem Gas durch die Einbauten gerissen wird und
erst hinter dem gemeinsamen Auslaß von Flüssigkeit und Aerosol aus dem Einbau Gelegenheit
hat, in die am Boden des Gefäßes befindliche Flüssigkeitsschicht zurückzufließen.
Auch hierbei wird der Sprühnebel in an sich bekannter Weise in wechselnder Richtung
durch die Einbauten geführt, wobei die Flüssigkeitsschfchten in an sich ebenfalls
bekannter Weise ständig erneuert werden. Maßgeblich für das erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch, daß allel Teile des Sprühnebels nach seiner Bildung mehrmals im Gleichstrom
mit der gesamten. mitgerissenen Flüssigkeit in Berührung kommen; die Größe der Berührungsoberfläche
zwischen Flüssigkeit und Sprühnebel und die Berührungszeit werden dabei so gewählt,
daß die Flüssigkeit alle Teilchen ungenügender Stabilität, nämlich solche über 5
10- mm, festhält.
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Durch die Forderung, daß die Bewegung von Druckgas und mitgerissener
Flüssigkeit über die ganze durch die Einbauten hindurchführende Strecke im Gleichstrom
zu erfolgen hat, ergibt sich natürlich für jeden Einbau eine bestimmte Flüssigkeitsmenge,
welche von dem Druckgas mitgerissen wird und zu deren Förderung durch die Einbauten,
gegebenenfalls entgegen der wirksamen Schwerkraft oder den Reibungskräften, der
Gasdruck ausreichen muß.
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Der höchste in Frage kommende Druck, mit dem die Düse bei dem neuen
Verfahren betrieben wird, liegt bei 8 kg/cm2. Je nach der verwendeten Apparatur
ist es aber möglich, mit dem Druckgas bis auf etwa
0,2 kg/cm2 herunterzugehen.
Als besonders günstig hat sich für die Zerstäuberdüse ein Durchmesser zwischen 0,7
und 1,5 mm erwiesen.
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Es ist bereits bekannt, einen gebildeten Sprühnebel durch ein trompetenartig
erweitertes Rohr auszublasen, um durch Reibung an den Wandungen. des Rohres einen
weiteren Zerfall der dispersen Phase zu erreichen; man kann hierbei aber keine genügende
Abscheidung der größeren Teilchen erreichen.
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Da, die Erfindung mit Druckdifferenzen innerhalb des Behandlungsgefäßes
zu arbeiten gestattet, die unterhalb einer Atmosphäre liegen, kann das neue Verfahren
statt mit Druck auch mit Saugung durchgeführt werden. Die nachstehend beschriebenen
Behälter können. statt unter Verwendung einer Druckdüse so betrieben werden, daß
das erzeugte Aerosol mit einem gewissen Unterdruck abgesaugt wird.
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In manchen Fällen gestaltet sich die Erzeugung des Aerosols besonders
einfach, wenn der Behandlung mit bewegten Flüss i gkei tsschi chten eine an sich
bekannte Tauchung des dispersen Systems in einer im wesentlichen ruhenden Flüssigkeitsschicht
folgt. Um das Hindurchtreten in großen Gasblasen zu verhüten, bringt man innerhalb
der Flüssigkeit ein feinmaschiges Sieb an, durch welches das Aerosol hindurchtreten
muß; hierbei teilt es sich in sehr feine Bläschen auf, wodurch eine genügend große
Berührungsoberfläche geschaffen wird.
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Bei der zur Durchführung des neuen Verfahrens der Aerosolerzeugung
bestimmten Vorrichtung ist die zur Bildung des Sprühnebels dienende Düse von einer
Einschnürung der Wand eines der Flüssigkeitszuführung dienenden Ringraumes umgeben.
Die Einschnürung ist dabei unmittelbar unterhalb des Innenraumes des Einbaus angeordnet
oder an diesen angeschlossen. Der Einbau ist mit einem für Flüssigkeit un.d Aerosol
gemeinsamen Auslaß versehen und so ausgebildet, daß sich zwischen der Einschnürung
und dem Auslaß eine oder mehrere Umkehrstellen und gegebenenfalls enge Bohrungen
befinden.
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Es sind zwar auf frühere Konstruktionen des Erfinders zurückgehende
Einrichtungen zur Aerosolerzeugung bekannt, bei denen oberhalb eines Düsenaggregats
ein oben geschlossener Zylinder vorgesehen ist, in dessen Mantel sich Öffnungen
zum Hindurchtreten des dispersen Systems befinden. Diese Öffnungen waren jedoch
so groß, daß nur das disperse System, nicht aber auch die Flüssigkeitsschichten
hindurchtraten, welche vielmehr nur einen Film bildeten, der an der Innenwand des
Zylinders herablief.
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Bei einer Ausführungsform der neuen Vorrichtung zur Aerosolerzeugung
wird ebenfalls ein oben geschlossener Zylinder verwendet, in dessen Mantel sich
Öffnungen befinden. Aber diese Öffnungen sind nur im oberen 'Seil der Zylinderwand
angebracht und nur von kapillarer Größe, und der Zylinder ist oberhalb nur einer
einzigen in einer Einschnürung befindlichen Düse angeordnet; er ist von einem weiteren
Zylinder umgeben, der ebenfalls oben geschlossen und nur unten offen ist. Zwischen
beiden Zylindern verbleibt ein unterer Ringschlitz. Der Sprühnebel und die mitgerissene
Flüssigkeit müssen also zunächst in dem inneren Zylinder aufwärts strömen, gemeinsam
die kapillaren Bohrungen durchfließen und in dem engen Raum zwischen beiden Zylindern
wieder abwärts strömen, ehe die Flüssigkeitsschicht durch den unteren Ringspalt
zwischen beiden Zylindern austreten kann, wo der Stoffaustausch besonders intensiv
ist, wenn der Ringspalt verengt ist. Was den Begriff kapillar angeht, so soll eine
Bohrung im Sinne der vorliegen;
den Erfindung so bezeichnet werden, wenn die durch
die Innenwand der Bohrung bedingten Oberflächenkräfte einen Einfluß auf die hindurchtretende
Flüssig keit ausüben, der in der gleichen Größenordnung liegt oder größer ist als
diejenigen Kräfte, die auf die hindurchtretende Flüssigkeit von dem unter Druck
stehenden dispersen System und der Erdanziehung ausgeübt werden.
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Der äußere Zylinder kann auch nach unten bis in die am Boden des
Gefäßes stehende Flüssigkeit ragen, so daß das disperse System nach der erfind.ungsgemäßen
Behandlung mit bewegten Flüssigkeitsschichten noch eine Tauchung erfährt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens mündet die die Düse umgebende Einschnürung in einen Zylinder,
welcher in ein oder mehrere waagerechte, allseitig geschlossene Rohre einmündet;
dieses Rohr bzw. diese Rohre sind mit einem oder mehreren weiteren waagerechten
Rohren durch ansteigende Leitungen verbunden, deren Querschnitt wesentlich geringer
als derjenige der waagerechten Rohre ist.
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Die Leitungen können dabei schräg ansteigen oder senkrecht verlaufen.
Es können. mehrere Rohre parallel, es können auch mehr als zwei Rohre hintereinandergeschaltet
sein.
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Wenn nur zwei Rohre hintereinandergeschaltet sind, ist es vorteilhaft,
wenn die Leitungen in den freien Raum der Rohre hineinragen. Die aufsteigenden Leitungen
können geknickt oder gekrümmt sein.
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Bei einer dritten Ausführungsform des Behälters befindet sich oberhalb
der die Düse umgebenden Einschnürung ein Zylinder, der in seinem ganzen oberen Teil
geschlossen ist und nur oberhalb der Einschnürung einen vorzugsweise schräg abwärts
gerichteten Ringspalt hat; die obere Wandung des Spaltes kalm dabei auf der Außenseite
des Zylinders einen. lippenförmigen Fortsatz haben. Bei dieser Ausbildung des Behälters
findet zunächst zwischen. dem in dem Zylinder auf- und abströmenden Sprühnebel eine
Gleichstromwäsche mit den mitgerissenen Flüssigkeitssäulen statt, alsdann muß das
disperse System durch die Flüssigkeitsschicht treten, die sich ringförmig um den
unteren Spalt bildet.
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Der waagerechte Querschnitt des Behälters kann bei den verschiedenen
Ausführungsformen kreisförmig, quadratisch oder rechteckig sein. Grundsätzlich können
die Behälter im Querschnitt nach unten abnehmen. Alsdann ergibt sich ein geringerer
Querschnitt in demjenigen Teile, in welchem die Lösung steht; man kommt also mit
einem geringen Flüssigkeitsvorrat aus.
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In. der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von Behältern
im senkrechten Schnitt dargestellt, die zur Erzeugung von Aerosolen dienen, und
zwar bezieht sich Abb. 1 auf die erste Ausführungsform, Abb. 2 auf die Ausführungsform
mit mehreren waagerechten Rohren, Abb. 3 auf ein weiteres Beispiel dieser Ausführungsform,
Abb. 4 auf die dritte Ausführungsform.
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In Abb. 1 ist mit 10 der zylindrische Behälter bezeichnet, innerhalb
dessen sich die Einbauten befinden.
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Im unteren Teile des Behälters mündet die Druckluftleitung 11 in einer
Vernebelungsdüse 12. Der Durchmesser dieser Düse liegt zwischen Q7 und 1,5 mm.
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Die Düse befindet sich in dem oben geschlossenen Zylinder 14. Durch
untere Öffnungen 17 a steht das Innere des Zylinders 14 mit der Flüssigkeit in Verbindung,
welche
z. B. eine Kochsalzlösung sein kann und deren Spiegel mit 15 bezeichnet ist. Ein
Einbau 13 verengt oberhalb der Düse 12 den Querschnitt des Zylinders 14.
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Am oberen Ende befinden sich in der Wandung des Zylinders 14 waagerechte
kapillare Bohrungen 17.
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Der obere Teil des Zylinders 14 ist von dem Rohr 20 konzentrisch umgeben,
das sich nach unten etwas verjüngt und mit dem Zylinder 14 einen ringförmigen Schlitz
16 bildet. Die durch die Behälterwandung 10, das Rohr 20 und den Zylinder 14 gebildeten
Räume sind oben durch eine Prallplatte 18 abgeschlossen, die über dem zwischen dem
Rohr 20 und der Behälterwandung 10 gebildeten Ringraum 21 Durchtrittsöffnungen 19
zum Raum 22 hat, an den sich ein kaminartiger Aufsatz 23 anschließt.
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Unter Einwirkung der aus der Druckleitung 11 austretenden Luft wird
Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Behälters innerhalb des Einbaues 13 angesaugt
und zerstäubt; es bildet sich ein Nebel aus Luft und feinverteilter Flüssigkeit.
Große und instabile Teilchen bilden durch gegenseitige Berührung und Reibung Flüssigkeitssäulen
bzw. Flüssigkeitsschichten innerhalb des Zylinders, die sich dauernd zwangläufig
erneuern. Das disperse System durchdringt diese Flüssigkeitssäulen bzw. -schichten
und wird gegen die obere Prallplatte 18 geschleudert, wo die weniger stabilen Teilchen
eine neue flüssige und bewegte Schicht bilden. Das schließlich gebildete feine Aerosol
tritt dann durch die Kapillarbohrungen 17 in den Ringraum 25 zwischen dem Zylinder
14 und dem Rohr 20 ein. In den Kapillarbohrungen .befindet eine nochmalige Auswaschung
der noch instabilen Teilchen statt, ebenso in dem Ringraum25 zwischen Zylinder 14
und Rohr 20 und in der Verengung 16.
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Die an der Außenwand des Zylinders 14 abgeschiedene Flüssigkeit läuft
in den Flüssigkeitsvorrat am Boden des Behälters zurück. Über den Ringraum 21, die
Durchtrittsöffnungen 19 und dem Raum 22 zieht ein stabiles Aerosol durch den Aufsatz
23 ab.
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Das Rohr 20 kann so weit nach unten verlängert sein, daß es unter
den Flüssigkeitsspiegel 15 ragt. In diesem Fall findet nach der Gleichstromwäsche
zwlschen dispersem System und bewegter Flüssigkeit noch eine Tauchung statt.
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Bei dem Aerosolerzeuger nach Abb. 2 mündet eine Druckluftleitung
25 wiederum in einer Düse 26. Diese ist in einem flaschenartigen Gefäß eingeschlossen,
das im unteren Teil durch Öffnungen29 mit der Ausgangslösung in Verbindung steht.
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30 ist der Flüssigkeitsspiegel. Das flaschenartige Gefäß 28 mündet
oben in ein waagerechtes Rohr 31, das im übrigen allseitig geschlossen ist, jedoch
über senkrechte Leitungen 32 mit einem weiteren waagerechten Rohr 33 verbunden ist.
Das Rohr 33 ist ebenfalls allseitig geschlossen und hat nur eine untere Öffnung
34. Die Leitungen 32 durchsetzen nicht nur die Wandungen der Rohre 31 und 33, sondern
ragen ein bestimmtes Stück in den Innenraum der Rohre 31 bzw. 33 hinein. Auch dieser
Behälter hat einen kaminartigen Aufsatz 35.
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Der von der Düse 26 gebildete Sprühnebel prallt gegen den oberen
Teil der Wandung des Rohres 31 und strömt durch die Leitungen 32 in das obere Rohr
33. Der Nebel und die mitgerissene Flüssigkeit kommen im Gleichstrom innerhalb des
Rohres 31, innerhalb der Verbindungsleitung 32 und innerhalb des Rohres 33 zur Wechselwirkung.
Durch die Öffnung 34 treten das Aerosol und die mitgerissenen Flüssigkeitsschichten
aus: das fertige Aerosol zieht durch
den Aufsatz 35 ab, die mitgerissene Flüssigkeit
fließt längs der Außenwandungen des Einbaus in die Ausgangslösung zurück.
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Die Ausführungsform nach Abb. 3, bei der für entsprechende Teile
gleiche Bezugszeichen verwendet sind, unterscheidet sich von dem Behälter nach Abb.
2 dadurch, daß insgesamt vier waagerechte Rohre 36, 37, 38 und 39 vorhanden sind
und daß die Verbindungsleitungen 40, welche die verschiedenen waagerechten Rohre
verbinden, mit der oberen und unteren Wandung der Rohre abschließen, also nicht
in den freien Raum der Rohre hineinragen. Außerdem sind die waagerechten Teile der
Rohrwandungen nach den Enden zu schräg aufwärts bzw. abwärts geführt, was sich im
Sinne einer intensiveren Gleichstromberührung zwischen Nebel und Flüssigkeit auswirkt.
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Eine weitere Ausführungsform einer geeigneten Vorrichtung zeigt Abb.
4. Der Behälter, dessen Wand 41 einen Raum von rechteckigem Querschnitt umschließt,
ist im unteren Teil 42 verjüngt. Der von der Flüslsigkeit (Spiegel 43) erfüllte
Raum ist daher be deutend geringer als bei einem Behälter mit einem über die ganze
Höhe gleichbleibenden waagerechten Querschnitt.
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Auch bei dieser Vorrichtung rührt eine Druckluftleitung 44 zu einer
Düse 45. Die Düse 45 befindet sich in einem oben völlig geschlossenen Zylinder 46.
Durch Öffnungen 47 steht der Innenraum des Zylinders 46 in seinem unteren Teil mit
der Flüssigkeit in Verbindung. Durch Einbauten 48 wird an der Düse eine starke Verengung
des Zylinderquerschnittes gebildet.
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Oberhalb dieser Verengung liegt ein Ringspalt 49.
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Die obere Begrenzungswand dieses Ringspaltes ist zu einem lippenförmigen,
ringsum laufenden Fortsatz 50 verlängert. 51 ist die Abzugsöffnung für das gebildete
Aerosol.
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Der durch die Düse 45 gebildete Sprühnebel strömt im Inneren des
Zylinders 46 zunächst aufwärts, alsdann abwärts. Dabei gelangt er mit der im Gleichstrom
mitgerissenen Flüssigkeit in Wechselwirkung.
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Durch den Ringspalt 49 tritt alsdann das Aerosol in den außerhalb
des Zylinders 46 liegenden Behälterraum. An dem lippenförmigen Fortsatz 50 bildet
sich von der mitgerissenen Flüssigkeit eine ständig erneuerte, ablaufende Schicht,
durch welche das disperse System treten muß.
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Das genannte Verfahren und die geschilderten Vorrichtungen können
zur Herstellung von Aerosol auf den verschiedensten Gebieten der Technik Verwendung
finden. Sie können auch zur Therapie dienen, insbesondere auch bei der vorbeugenden
Behang lung von Personen, deren Atmungsorgane schädlichen Stäuben ausgesetzt sind,
sowie bei der Heilung von Krankheitserscheinungen, die auf die Einwirkung von Stäuben
zurückgehen.