DE19836724A1 - Zur Kombination von Reaktion, Feststoffbildung und Trocknung geeignete Dreistoffzerstäuberdüse - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Dreistoffzer­ stäuberdüse zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsgemisches, die zur Kombination einer Reaktion mit Feststoffbildung und einer Trocknung des gebildeten Feststoffes geeignet ist.

Pneumatische Düsen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe komprimierter Gase werden in der Technik in den unterschiedlich­ sten Bauformen eingesetzt. Gas und Flüssigkeit können in diesen sogenannten Zweistoffdüsen noch innerhalb der Düsen oder aber unmittelbar am Düsenmund miteinander vermischt werden und so zur Zerstäubung führen.

Typischerweise werden Flüssigkeiten, die reaktionsfähige Kompo­ nenten enthalten, in einem Rührbehälter gemischt. Dort kommt es zur Reaktion und - bei überschreiten der Löslichkeitsgrenze - zur Feststoffbildung. Die Lösung oder Suspension, die üblicherweise konvektiv zu einem Feststoff getrocknet wird, muß dann zu einem Trocknungsapparat gefördert werden, wo sie mit einer Zweistoff­ düse unter Verwendung eines komprimierten Gases oder mit einer Zerstäubungsscheibe dispergiert und dabei getrocknet wird. Dabei muß im Fall einer Suspension großer Aufwand getrieben werden, um ein Entmischen von Feststoff und Flüssigkeit zu unterdrücken. Generell besteht die Gefahr der Bildung von Verkrustungen und Verstopfungen.

Ein Versuch, die Probleme bei der Handhabung und dem Versprühen umgehen und zugleich den Rührbehälter und das Förderorgan ein­ zusparen, besteht darin, die Reaktionszone in die Sprühzone unmittelbar nach der Düse zu verlegen. Eine solche Dreistoffdüse ist in der DE-A 43 29 204 offenbart. Dort durchströmen zwei miteinander reaktionsfähige Flüssigkeiten ein Mittel- und ein inneres Mantelrohr, durchmischen sich unter Feststoffbildung nach dem Austritt aus der Düse, werden durch ein durch das äußere Mantelrohr strömendes Treibgas zerstäubt und anschließend in einem Sprühtrockner oder einem Sprühwirbelschichttrockner zu einem Feststoff getrocknet. Die Reaktion erfolgt ausschließlich im Sprühstrahl (Spalte 2, Zeile 30, Spalte 3, Zeile 34). Verweil­ zeit, Umsatz und Ausbeute sind daher nicht steuerbar. Die kurzen Verweilzeiten im Sprühkegel erweisen sich als äußerst nachteilig, Suspensionen können daher mittels solcher Düsen nicht vollständig umgesetzt werden.

Eine andere Dreistoffzerstäuberdüse, bei der es zur Feststoffbil­ dung durch Vermischung von Flüssigkeiten kommt, wird in der DE-A 23 23 384 beschrieben. Hier wird eine kegelige Dreistoffzer­ stäuberdüse zur Bildung umhüllter Kapseln eingesetzt, indem im Mittelrohr der Düse eine Flüssigkeit - der spätere Kapselinhalt - zertropft. In den äußeren Kanälen fließen zwei Flüssigkeiten, die bei ihrer Durchmischung zunächst die aus dem Mittelrohr austre­ tenden Tropfen umhüllen und anschließend miteinander reagieren und aushärten. Bei dieser Düse kommt es allerdings nicht zur Zerstäubung mit Hilfe eines komprimierten Gases, sondern zum Zertropfen der Flüssigkeiten in eine weitere Flüssigkeit, in der die äußere, durch die Reaktion der beiden äußeren Flüssigkeiten gebildete Schale aushärtet. Dieses sehr aufwendige Verfahren ist durch die fehlende Zerstäubung nicht zum Einsatz in Sprühtrock­ nern oder Sprühwirbelschichten geeignet.

Es stellte sich somit die Aufgabe, eine verbesserte Dreistoffzer­ stäuberdüse zu finden, die den genannten Nachteilen abhilft und welche eine verfahrenstechnisch einfache und wirtschaftliche Herstellung von Feststoffen hoher Qualität durch Kombination von Reaktion, Feststoffbildung und Trocknung ermöglicht. Weiterhin soll das die Dreistoffzerstäuberdüse verlassende, zerstäubte Produkt direkt einem Sprühtrockner oder einer Sprühwirbelschicht zur Trocknung bzw. Granulierung zugeführt werden können.

Demgemäß wurde eine Dreistoffzerstäuberdüse zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsgemisches gefunden, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Düsenkörper (1) mit einem Zentralrohr (2) für die eine Flüssigkeit und einen Anschluß (3) für die zweite Flüs­ sigkeit aufweist, wobei die beiden Flüssigkeiten in der Drei­ stoffzerstäuberdüse einer Mischzone (5) zugeführt werden und wo­ bei die Dreistoffzerstäuberdüse einen Anschluß (7) für Treibgas aufweist, womit das Flüssigkeitsgemisch am Düsenmund zerstäubt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung besonders bevorzugte Ausführungsformen dieser Dreistoffzerstäuberdüse sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Dreistoffzerstäuberdüse zur Sprühtrocknung oder Wirbelschichtgranulation bzw. zur Durchfüh­ rung einer Reaktion mit Feststoffbildung und gleichzeitiger Trocknung.

Die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse ermöglicht vorteil­ hafterweise eine Vermischung der beiden flüssigen Einsatzstoffe bereits im Innern der Düse. Hierdurch ergibt sich eine intensive Vermischung bei relativ hoher Verweilzeit im Vergleich zu einer Düse, bei welcher die Vermischung lediglich nach Verlassen der Düse im Sprühkegel stattfindet. Besonders vorteilhaft erweist sich die neue Dreistoffzerstäuberdüse bei Verwendung von mitein­ ander reaktionsfähigen Komponenten.

Die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse wird im folgenden exemplarisch anhand der Figur näher beschrieben.

Der Düsenkörper (1) enthält ein Zentralrohr (2), in dem die erste Flüssigkeit zugegeben wird, und einen Anschluß (3) für die zweite Flüssigkeit. Die zweite Flüssigkeit tritt unter Beschleunigung in aus dem Zentralrohr (2) und dem Düsenkörper (1) gebildeten Ringspalt (4) in die Mischzone (5) ein. Dort reagieren die in den beiden Flüssigkeiten enthaltenen reaktionsfähigen Komponenten miteinander unter Ausbildung einer neuen Flüssigphase und unter Feststoffbildung. Die Strömungsgeschwindigkeit der zweiten Flüs­ sigkeit im Ringspalt (4) ist bevorzugt so groß, daß es zu keiner Rückvermischung mit der feststoffhaltigen Flüssigphase und zu Verstopfungen kommen kann. In der Mischzone herrscht eine turbu­ lente Strömung, die Reynoldszahl liegt bei etwa 300 bis 4000, bevorzugt 2500 bis 3000. Durch die turbulente Strömung in der Mischzone werden Ablagerungen und Anbackungen vermieden und eine sehr intensive Vermischung gewährleistet. Die Länge der Mischzone (5) kann durch eine Veränderung der Position des Zentralrohres (2), das über ein Gewinde (6) mit dem Düsenkörper (1) verbunden ist, so verändert werden, daß ein praktisch vollständiger Umsatz der reaktionsfähigen Komponenten in der Mischzone (5) erreicht wird. Die Mischzone besitzt bevorzugt einen konischen Auslauf, in die neue feststoffhaltige Flüssigphase so beschleunigt wird, daß es zu keinen Verstopfungen und Feststoffablagerungen kommen kann.

Für sehr schnelle Reaktionen ist ein Verschieben des Zentral­ rohres bis in die unmittelbare Nähe des Düsenmunds (8) möglich. Der Düsenkörper enthält ferner einen Anschluß (7) für das Treib­ gas. Als Treibgase werden beispielsweise verdichtete Umgebungs­ luft, Netzluft, synthetische Luft oder Stickstoff eingesetzt. Das Düsenmundstück (8), das mittels eines Gewindes (9) an den Düsen­ körper geschraubt ist, beschleunigt das Treibgas und führt es an Ringspalt (10), der vom Düsenmundstück (8) und vom Auslauf der Mischzone (5) gebildet wird. Am Ringspalt (10) kommen das Treibgas und die aus der Mischzone (5) austretende neue Flüssig­ phase in Kontakt, wobei die Zerstäubung der neuen Flüssigphase erfolgt. Die Größe des Ringspalts (10) kann durch ein Höher- oder Tieferschrauben des Düsenmundstücks (8) verändert werden. Zusätz­ lich kann gasseitig zwischen Düsenmundstück (8) und Düsenkörper (1) ein Drallkörper (11) - vorzugsweise ein Metallring mit Schrägbohrungen - eingebracht sein.

Die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse weist vorteilhafter­ weise eine relativ lange Mischzone auf. Hierdurch werden relativ hohe Verweilzeiten für die Durchmischung eröffnet, was letztlich bei Einsatz von reaktionsfähigen Komponenten zu einer Erhöhung des Umsatzes führt. Die Länge der Mischzone beträgt etwa 1 mm bis 100 mm, bevorzugt 2 mm bis 10 mm. Die Verweilzeiten in der Mischzone liegen bei etwa 15 ms bis 300 ms, bevorzugt 25 ms bis 40 ms. Das Ende der Mischzone kann vorteilhafterweise nahe an den Düsenmund posi­ tioniert werden. Hierdurch kann ein Verstopfen der Düse vorteil­ hafterweise unterdrückt werden.

Die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse läßt sich zum gleichzeitigen Versprühen zweier Flüssigkeiten, die zu einer homogenen Mischung führen sollen, verwenden. Ein bevorzugtes Ein­ satzgebiet ist die Verwendung der Dreistoffzerstäuberdüsen in Anlagen zur kontinuierlichen Sprühtrocknung und zur Wirbel­ schicht-Granulation. Solche Prozesse sind beispielsweise in Krischer, Kröll, Kast: Trocknungstechnik Band 1 bis 3 beschrie­ ben. Es ist damit vorteilhafterweise möglich, zwei Flüssigkeiten - bei denen es sich auch um Suspensionen feindispergierter reak­ tionsfähiger Feststoffe in einer flüssigen Lösung handeln kann - miteinander zu versprühen, die jeweils reaktionsfähige Komponen­ ten enthalten und so zu getrockneten oder granulierten Formulie­ rungen des Reaktionsprodukts zu gelangen.

Die Dreistoffzerstäuberdüse läßt sich vorzugsweise einsetzen, wenn es sich bei der ablaufenden Umsetzung um eine schnelle Reak­ tion mit Feststoffbildung handelt. Als Beispiele können Neutra­ lisationsreaktionen zwischen Säuren und Basen unter Bildung fester Salze, vorzugsweise Reaktionen zwischen organischen Säuren und anorganischen Basen genannt werden. Durch die im Vergleich zu Rührkesseln kurzen Verweilzeiten ist die Vorrichtung vorzugsweise auch bei exothermen Reaktionen, wie sie die Neutralisationen darstellen, geeignet. Beispielsweise kann es sich bei der anorga­ nischen Base um eine Lösung wie Natronlauge oder um eine Suspen­ sion wie Kalkmilch (suspendiertes Calciumhydroxid) handeln, bei der organischen Säure um Ameisensäure, Essigsäure der Propion­ säure. Beim Versprühen wird dann Natriumformiat, Natriumacetat, Natriumpropionat oder Calciumpropionat gebildet. Durch eine Ver­ änderung der Position des Zentralrohres kann die Länge der Misch­ zone so beeinflußt werden, daß die Verweilzeit in der Mischzone auch zur Umsetzung fester, suspendierter Reaktionskomponenten ausreicht. Das Zerstäubungsverhalten kann durch eine Veränderung der Position des Düsenmundstücks und damit der Ringspaltgröße am Düsenmund gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse ermöglicht eine wirtschaftliche und verfahrenstechnisch einfache Herstellung von Feststoffen hoher Qualität durch Kombination von Reaktion, Fest­ stoffbildung und Trocknung. Durch die turbulente Strömung in der Mischkammer werden Verstopfungen und Anbackungen in der Düse vermieden, was sich vorteilhaft auf Produktqualität und Standzeit der Dreistoffzerstäuberdüse auswirkt. Durch die Gewinde (6) und (9) kann die Düse an die unterschiedlichen Erfordernisse resul­ tierend von dem jeweils eingesetzten Stoffsystem angepaßt werden.

Claims (5)

1. Dreistoffzerstäuberdüse zum Zerstäuben eines Flüssigkeitsge­ misches, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Düsenkörper (1) mit einem Zentralrohr (2) für die eine Flüssigkeit und einen Anschluß (3) für die zweite Flüssigkeit aufweist, wobei die beiden Flüssigkeiten in der Dreistoffzerstäuberdüse einer Mischzone (5) zugeführt werden und wobei die Dreistoffzer­ stäuberdüse einen Anschluß (7) für Treibgas aufweist, womit das Flüssigkeitsgemisch am Düsenmund zerstäubt wird.

2. Dreistoffzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sie ein Gewinde (6) zur Veränderung der Position des Zentralrohres (2) und der Mischzone (5) aufweist.

3. Dreistoffzerstäuberdüse nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen oder mehrere Drallkörper (11) zwischen Düsenmundstück (8) und Düsenkörper (1) aufweist.

4. Verwendung der Dreistoffzerstäuberdüse gemäß Ansprüchen 1 bis 3 zur Sprühtrocknung oder Wirbelschichtgranulation.

5. Verwendung der Dreistoffzerstäuberdüse gemäß Ansprüchen 1 bis 3 zur Durchführung einer Reaktion mit Feststoffbildung und anschließender Trocknung.