CH200053A

CH200053A - Verfahren zur Behandlung von flüssigen dispersen Systemen durch Einwirkung von Schall- und Ultraschallwellen.

Info

Publication number: CH200053A
Authority: CH
Inventors: Hiedemann Dr Egon; Brandt Dr Otto
Original assignee: Hiedemann Dr Egon; Brandt Dr Otto
Priority date: 1936-10-24
Filing date: 1937-10-20
Publication date: 1938-09-30

Description

Verfahren zur Behandlung von flüssigen dispersen Systemen durch Einwirkung von Schall- und Ultraschallwellen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Behandlung von flüssigen dis persen Systemen, durch Einwirkung von Schall- und Ultraschallwellen. Unter flüs sigen dispersen Systemen versteht man flüs sige Körper, in welche Schwebeteilchen fein verteilt sind.

Je nach der Form der Teil chen unterscheidet man molekular-, kolloid- und grobdisperse Systeme. Kolloiddisperse Systeme sind die kolloidalen Lösungen, wie Hydrosolen, Suspensionen, Emulsionen. Diese Behandlung kann bei kolloiden dis persen Systemen vorzugsweise in der Ent fernung der Schwebeteilchen durch akusti sche Ausflockung (Koagulation) oder einer Entmischung des dispersen Mediums in trübe und geklärte Flüssigkeiten bestehen. Dabei können auch beide Wirkungen einan der ergänzen.

Zu den dispersen Systemen zählt man auch Öle (Schmier- und Treib- öle), die hochpolymere Molekel enthalten, die als Schwebestoffe im weiteren Sinne auf zufassen sind und sich in unerwünschter Zähigkeit oder in Verharzungen bemerkbar machen. Solche Öle können durch akustische und ultraakustische Beeinflussung veredelt werden.

Nähere Untersuchungen der Ausschei dungsvorgänge zeigten nun, dass der er reichte Effekt von der Zeitdauer T und der Schallintensität I der Schalleinwirkung in erheblichem Masse abhängt, und zwar steigt die erreichte Wirkung stärker als linear mit I und zum Teil mit 12 oder noch höheren Potenzen von I. Aus dieser Erkenntnis folgt, dass die Ausscheidung besonders wirt schaftlich durchgeführt werden kann, wenn verhältnismässig kleine Mengen der zu be handelnden Substanz besonders intensiven Schallschwingungen ausgesetzt werden.

Das ist aber praktisch nur durchführbar, wenn das Verfahren in einem verhältnismässig kleinen Reaktionsraum mit der darin er reichbaren höheren Schallintensität durchge führt wird.

Erfindungsgemäss wird daher vorge schlagen, das disperse System in einem rohr- förmigen Raum zu intensiven, kurzwelligen Schallschwingungen anzuregen, wobei die Anordnung der Schallquelle derart erfolgt, dass die Wellennormale in Richtung der Längsachse des Raumes fällt und die schall strahlende Fläche praktisch nicht kleiner als der Rohrquerschnitt ist. Durch diese Mass nahme wird zunächst der Nachteil vermie den, dass die Schallenergie sich verteilt, wie das bei grösseren Reaktionsräumen der Fall ist.

Da ausserdem die Schallenergie mit der Entfernung von der Schallquelle sehr schnell abnimmt, so wären bei grösseren Reaktions räumen übermässig grosse Schallquellen er forderlich. Schliesslich werden in solchen Räumen durch Reflektionen sehr unsaubere und unübersichtliche Verhältnisse im Schall feld geschaffen. Diese Nachteile werden bei dem rohrförmigen Reaktionsraum, dessen Durchmesser praktisch nicht grösser als die schallstrahlende Fläche ist, vermieden.

Der rohrförmige Raum wird zweckmässi- gerweise auf Resonanz mit den dem Me dium aufgedrückten Schallschwingungen ab gestimmt. Diese akustische Resonanz er möglicht es, bei gegebener Leistung der Schallquelle ein Maximum an Schallintensi tät in der Flüssigkeit zu erzielen.

Die Behandlung der kolloidalen Flüssig keit kann absatzweise erfolgen, indem immer nur ein Teil des Stoffes in dem Rohr behan delt wird. Da aber festgestellt wurde, dass der Vorgang von der Bewegung des Mediums in weiten Grenzen unabhängig ist, wird zweckmässigerweise der zu behandelnde Stoff in ununterbrochenem Strom durch den Rohrraum geführt.

Zur Durchführung des Verfahrens eig nen sich besonders Frequenzen des untern Ultraschallgebietes, das heisst bis 100 kHz und weniger, die sich mit geeigneten Piezo- quarzen in sehr grosser Intensität herstellen lassen, sowie auch die Frequenzen des Grenz. schallgebietes zwischen etwa 8 bis 30 kHz. die ebenfalls mit sehr grosser Intensität durch elektromagnetische oder elektrostrik- tive Schallgeber erzeugt werden können.

Um jedoch eine möglichst wirksame Ko agulation bezw. Ausflockung zu erzielen, ist. es nicht gleichgültig, welche Frequenzen je weils benutzt werden. Es hat sich vielmehr praktisch gezeigt, dass für jede Teilchen grösse ein bestimmter Frequenzbereich die günstigsten Wirkungen hat. Zu dieser Er kenntnis führen auch die nachfolgenden theoretischen Überlegungen.

Die Schwingungsgleichung für ein Par tikel im schwingenden Medium lautet:
EMI0002.0040
das heisst die wirkende Kraft m
EMI0002.0041
ist gleich der bekannten Stokesschen Wider standskraft: ss7rrg -,4 r), wobei die Geschwin- digkeitsdifferenz zwischen Teilchen und Me dium 4v = --lm cos wt -
EMI0002.0053
ist.

Es bedeuten ferner: x - Elongation des Partikels, t = Zeit, r = Radius des Partikels, r7 = Zähigkeitsbeiwert, A = Amplitude des umgebenden Mediums, a) = 2 n n = Kreisfrequenz, a = spez. Gewicht des Partikels.

Für das Verhältnis zwischen der Ampli tude Xp des Partikels und Xr der Flüssig keit besteht dann folgende Gleichung:

EMI0002.0070
Trägt manr als Funktion vonn für die verschiedenen Verhältnisse
EMI0002.0073
im logarith mischen Massstabs auf, so ergibt sich das in Fig.1 der Zeichnung dargestellte Diagramm, wobei rauf der Abszisse in ,u Einheiten und n auf der Ordinate in kHz aufgetragen sind.

Im Gebiete A links der Kurve
EMI0003.0003
= 0,8 schwingen also alle Partikel ziemlich gleich mässig im Takte der Flüssigkeitsschwingung, während sie im Gebiete C rechts von der Kurve -
EMI0003.0005
= 0,2 gegenüber der Flüssig keitsschwingung fast in Ruhe bleiben. Im Übergangsgebiete B dagegen schwingen, wie man sofort übersieht, verschieden grosse Par tikel mit verschieden grosser Amplitude. Da durch werden Zusammenstösse zwischen den Partikeln bewirkt, die bei Suspensionen zu einer Ausfloekung führen.

Es wird daher zur Erzielung einer maxi malen Ausflockung zweckmässig sein, bei einem Bereich der vorliegenden Teilchen grösse von r, bis r" Frequenzen zwischen n, bis n.- zu benutzen, wobei die Zuordnung von r,. bis r2 und n1 bis n2 durch die angegebene Formel festgelegt ist.

Das Verfahren kann insbesondere auch zur Entmischung benutzt werden. Bei ge eigneter Frequenz findet man nämlich, dass bei trüben Flüssigkeiten zum Beispiel die suspendierten Teilchen je nach der Höhe ihres spezifischen Gewichtes im Verhältnis zu dem des Trägers entweder nach dem Schwingungsknoten oder zum Schwingungs bauch wandern, so dass dadurch eine Tren nung zwischen trüber und klarer Flüssig keit bewirkt wird. In periodischen Abstän den von
EMI0003.0019
(2. = Schallwellenlänge) befin den sich also mit Trübstoffen angereicherte Stellen, während sich an den dazwischen lie genden Punkten die geklärte Flüssigkeit an sammelt.

Die so gewonnene klare Flüssig keit lässt sich gesondert von der Trübe ab saugen oder abfüllen, so dass eine Trennung und Reinigung erzielt wird.

Als Beispiel für eine solche Reinigung kann die Enttrübung von Spinnflüssigkeiten angegeben werden, die bei allen bisherigen Verfahren erhebliche Schwierigkeiten berei tet hat; desgleichen lassen sich zum Beispiel bei Ölen verharzte Partikel oder hochpoly- mere Molekel von den andern Bestandteilen trennen.

Das beschriebene Verfahren kann ferner zur Entfernung von fremden Beimengungen aus metallischen oder andern Schmelzen, zur Veränderung der Viskosität von Ölen, zur Verbesserung des Feinheitsgrades kolloida ler Substanzen oder zur Ausflockung der Schwebeteilchen aus Suspensionen benutzt werden. Schliesslich können alle irgendwel chen dispersen flüssigen Systeme auf diese Weise akustisch entmischt werden.

In vielen Fällen wird ein einziger Rohr raum, welcher mit Rücksicht auf die Wirt schaftlichkeit des Verfahrens keine allzu grosse Länge haben darf, nicht ausreichen, um eine vollständige Klärung der Trübe zu erzielen. Zweckmässig werden daher meh rere rohrförmige 171bscheidungsräume hinter- einandergeschaltet, in welchen eine stufen weise Behandlung der Flüssigkeit erfolgt. Dabei werden vorteilhaft die in den nach folgenden Stufen gewonnenen Zwischenpro dukte nach erfolgtem Absetzen der Flocken zur erneuten Behandlung wieder der ersten Stufe zugeführt.

In einigen andern Fällen neigt die kol loidale Lösung in ihrer Gesamtheit nicht zur Koagulation, so dass die Ausflockung durch die Schallbeeinflussung nicht mehr mit der gewünschten Schnelligkeit vor sich geht. Dieser Fall tritt meistens dann ein, wenn die Konzentration der kolloidalen Lösung zu gering ist. In diesen Fällen können den zu behandelnden kolloidalen Lösungen fremde, insbesondere chemisch indifferente Suspen sionen zugesetzt werden, deren Teilchen dann als Flockungskerne wirken, an denen die abzuscheidenden Schwebstoffteilchen sich unter der Einwirkung der Schall- oder Ultraschallwellen absetzen.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zur Durchführung des er findungsgemässen Verfahrens. Sie kennzeich net sich durch einen mit Zu- und Abfluss- öffnungen versehenen zylindrischen Behäl ter, an dessen einem Ende eine schwingungs liefernde Energiequelle, z.

B. ein Magneto- striktionsstab, angeordnet ist, und dessen gegenüberliegendes Ende zur Herstellung der akustischen Resonanz durch einen ver schiebbaren Kolben verschlossen ist, wobei das zu behandelnde disperse System inner halb des von Kolben und Energiequelle be grenzten Behälterraumes der Behandlung ausgesetzt ist.

Da die Koagulation und Ausscheidung der kolloidalen Lösung vorzugsweise an den Knotenpunkten der Schallwellen erfolgt, können vorteilhaft an diesen Stellen durch besondere Ableitungsrohre die bis dahin aus geflockten Schwebeteilchen mit einem Teil der Flüssigkeit abgeleitet werden.

In den meisten Fällen wird es sich dabei um ein Zwischenprodukt handeln, welches eine mitt lere Konzentration aufweist. Die dem Ab- srheidungsraum entnommene Trübe kann nach erfolgter Sedimentation der grösseren geflockten Schwebeteilchen erneut einer wei teren Behandlung zugeführt werden. Schliess lich kann der nicht gereinigte Rest wiederum dem ersten Rohrraum beigefügt werden, so dass die zu behandelnde Flüssigkeit in einen Kreislauf eingeschaltet ist.

Es kann auch zu beiden Seiten eines in der Mitte eingespannten und an den Enden mit kolbenförmigen Verbreiterungen versehenen Magnetostriktionsstabes, einer Quarzplatte oder dergleichen, je ein mit dem Schwin gungserzeuger in Verbindung stehender Ab scheidungsraum angeordnet sein. Durch diese Massnahme werden beide Seiten des schwin genden Schallerzeugers ausgenutzt und da durch das Verfahren wirtschaftlicher ge staltet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungs- beispiel einer Vorrichtung zur Durchfüh rung eines beispielsweisen, erfindungsgemä ssen Verfahrens mit gleichzeitiger akusti scher Entmischung in Fig. 2 veranschau licht. a ist der rohrförmige Abscheidungs- raum, welchem die Trübe durch den Rohr anschluss b zugeleitet wird. An dem einen Ende des Rohres ist ein Magnetostriktions- stab c angeordnet, dessen kolbenförmige Ver breiterung d den zylindrischen Rohrquer- schnitt ganz ausfüllt.

Dieser Magnetostrik- tionsstab wird durch eine von ]Elochfrequenz- strom durchflossene Spule e erregt, wobei der Kolben d die Schwingung auf die im Rohr a befindliche Flüssigkeit überträgt. Die erzeugten Schallwellen werden an den gegenüberliegenden Rohrenden 'von dem längsbeweglichen Kolben f reflektiert, wobei dieser Kolben so einreguliert wird, dass der davorliegende Raum in Resonanz mit der Schallschwingung ist.

Im Bereich, in dem sich die Trübe ansammelt, sind an dem Ab scheidungsraum Entnahmestellen hl, h2, h3, h4, und in dem Bereich, in dem sich die ge klärte Flüssigkeit ansammelt, Entnahmestel-, len il, i2, i3, i, angeordnet.

Claims

PATENTANSPRUCH I: Verfahren zur Behandlung von flüssigen dispersen Systemen durch die Einwirkung von Schall- und Ultraschallwellen, dadurch gekennzeichnet, dass das disperse System in einem rohrförmigen Raum zu intensiven, kurzwelligen Schallschwingungen angeregt wird, wobei die Anordnung der Schallquelle derart erfolgt, dass die Wellennormale in Richtung der Längsachse des Raumes fällt und die schallstrahlende Fläche praktisch nicht kleiner als der Rohrquerschnitt ist. UNTERANSPRÜCHE: 1.

Verfahren nach Patentanspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass der Rohr raum auf Resonanz mit den dem Me dium aufgedrückten Schwingungen ab gestimmt ist. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass das zu be handelnde Medium in kontinuierlichem Strom durch den Rohrraum geführt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass Schallfre quenzen im Bereich von 8 bis 100 kHz Verwendung finden. 4.

Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass Schallfre quenzen Verwendung finden, deren Grö- ssen dem Radius der Teilchengrösse des dispersen Systems in der Weise zuge ordnet sind, dass in dem Gebiet gearbei tet wird, wo das Verhältnis der Schwin gungsamplitude von Partikel und des Dispersionsmittels zwischen den Werten 0,2 bis 0,8 liegt. 5.

Verfahren nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass im Rohrraum eine Entmischung zwischen Trübe und klarer Flüssigkeit bewirkt wird, indem sich die Trübstoffe in periodischen Ab ständen von der halben Wellenlänge an sammeln, während an den dazwischen liegenden Stellen die geklärte Flüssig keit sich sammelt. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass eine Aus scheidung stufenweise erfolgt, wobei die gewonnenen Zwischenprodukte in ge schlossenem Kreislauf wieder den vor angehenden Stufen zugeführt werden. 7.

Verfahren nach Unteranspruch 6, ge kennzeichnet durch Hintereinander- anordnung mehrerer Abscheidungsräume, in welchen eine stufenweise Behandlung der Flüssigkeiten erfolgt. B. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass den kolloi dalen Lösungen fremde, chemisch indif ferente Suspensionen zugesetzt werden.

PATENTANSPRUCH II: Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens nach Patentanspruch I, gekennzeich net durch einen mit Zu- und Abflussöffnun- gen versehenen, zylindrischen Behälter, an dessen einem Ende eine schwingungslie fernde Energiequelle angeordnet ist und dessen gegenüberliegendes Ende zur Her stellung der akustischen Resonanz durch einen verschiebbaren Kolben verschlossen ist. wobei das zu behandelnde System innerhalb des von Kolben und Energiequelle begrenz ten Behälterraumes der Behandlung ausge setzt ist. UNTERANSPRÜCHE: 9.

Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass als schwin gungsliefernde Energiequelle eine Quarz platte Verwendung findet. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass zur Ablei tung von Zwischenprodukten sowohl an den Stellen der Anreicherung der Trübe, als auch an den Stellen der geklärten Flüssigkeit Entnahmerohre vorgesehen sind. 11.

Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten der Schwingungsquelle je ein zy lindrischer Behälter angeordnet ist, wo bei die Abscheidungsräume derselben mit den beiden wirksamen Flächen des Schwingungserzeugers in Verbindung stehen. 12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass als schwin gungsliefernde Energiequelle ein Mag- netostriktionsstab Verwendung findet.