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 <B><I>-,4</I></B> 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 man<I>r</I> als Funktion von<I>n</I> 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>i,</I> angeordnet.
Process for the treatment of liquid disperse systems by the action of sound and ultrasonic waves. The invention relates to a method for the treatment of liquid dis-persen systems by the action of sound and ultrasonic waves. Liquid disperse systems are liquid bodies in which suspended particles are finely distributed.
Depending on the shape of the particles, a distinction is made between molecular, colloidal and coarsely dispersed systems. Colloidal systems are colloidal solutions, such as hydrosols, suspensions and emulsions. In the case of colloidal dispersed systems, this treatment can preferably consist in removing the suspended particles by acoustic flocculation (coagulation) or a separation of the dispersed medium into cloudy and clarified liquids. Both effects can complement each other.
The disperse systems also include oils (lubricating and propellant oils) that contain high-polymer molecules that are to be regarded as suspended solids in the broader sense and are noticeable in undesirable toughness or resinification. Such oils can be refined through acoustic and ultra-acoustic influences.
Closer investigations of the excretion processes now showed that the effect achieved depends to a considerable extent on the duration T and the sound intensity I of the sound impact, and the effect achieved increases more than linearly with I and sometimes with 12 or even higher powers of I. From this knowledge it follows that the excretion can be carried out particularly economically if relatively small amounts of the substance to be treated are exposed to particularly intense sound vibrations.
However, this is practically only feasible if the process is carried out in a relatively small reaction chamber with the higher sound intensity that can be achieved therein.
According to the invention it is therefore proposed to stimulate the disperse system in a tubular room to intense, short-wave sound oscillations, the sound source being arranged in such a way that the wave normal falls in the direction of the longitudinal axis of the room and the sound-radiating surface is practically no smaller than that Pipe cross section is. This measure initially avoids the disadvantage that the sound energy is distributed, as is the case with larger reaction spaces.
In addition, since the sound energy decreases very quickly with the distance from the sound source, excessively large sound sources would be required in larger reaction spaces. Ultimately, very unclean and confusing conditions in the sound field are created in such rooms by reflections. These disadvantages are avoided in the case of the tubular reaction space, the diameter of which is practically no larger than the sound-radiating surface.
The tubular space is expediently tuned to resonance with the sound vibrations imposed on the medium. This acoustic resonance makes it possible to achieve a maximum of Schallintensi ity in the liquid for a given power of the sound source.
The treatment of the colloidal liquid speed can be carried out in batches, in that only part of the substance in the tube is treated. However, since it has been found that the process is largely independent of the movement of the medium, the substance to be treated is expediently passed through the pipe space in an uninterrupted flow.
Frequencies of the lower ultrasonic range, that is to say up to 100 kHz and less, which can be produced with suitable piezo quartz crystals in very high intensity, as well as the frequencies of the limit are particularly suitable for carrying out the method. sound area between about 8 to 30 kHz. which can also be generated with very high intensity by electromagnetic or electrostrictive sounders.
However, in order to be as effective as possible coagulation. Achieving flocculation is. it does not matter which frequencies are used at any given time. Rather, it has been shown in practice that a certain frequency range has the most favorable effects for every particle size. The following theoretical considerations also lead to this knowledge.
The oscillation equation for a particle in the oscillating medium is:
EMI0002.0040
that is, the acting force m
EMI0002.0041
is the same as the well-known Stokes resistance force: ss7rrg <B><I>-,4</I> </B> r), where the speed difference between the particle and the medium is 4v = --lm cos wt -
EMI0002.0053
is.
They also mean: x - elongation of the particle, t = time, r = radius of the particle, r7 = coefficient of viscosity, A = amplitude of the surrounding medium, a) = 2 n n = angular frequency, a = spec. Weight of the particle.
The following equation then exists for the relationship between the amplitude Xp of the particle and Xr of the liquid:
EMI0002.0070
If one carries <I> r </I> as a function of <I> n </I> for the different ratios
EMI0002.0073
on a logarithmic scale, the result is the diagram shown in FIG. 1 of the drawing, with r being plotted on the abscissa in u units and n on the ordinate in kHz.
In area A to the left of the curve
EMI0003.0003
= 0.8 so all particles oscillate fairly evenly in time with the liquid oscillation, while in area C to the right of the curve -
EMI0003.0005
= 0.2 to remain almost at rest compared to the liquid oscillation. In the transition area B, on the other hand, as can be seen immediately, particles of different sizes oscillate with different amplitudes. This causes collisions between the particles, which in suspensions lead to flooding.
In order to achieve maximum flocculation, it will therefore be advisable to use frequencies between n to n.- for a range of particle sizes from r to r ", with the assignment of r to r2 and n1 to n2 through the specified formula is set.
The method can in particular also be used for demixing. With a suitable frequency, one finds that in the case of cloudy liquids, for example, the suspended particles, depending on the height of their specific gravity in relation to that of the carrier, migrate either to the node or to the vibra- tion belly, so that there is a separation between cloudy and clearer Fluid is effected. At periodic intervals of
EMI0003.0019
(2nd = sound wave length) are the areas that are enriched with turbid matter, while the clarified liquid collects at the points in between.
The clear liquid obtained in this way can be sucked off or filled separately from the pulp, so that separation and cleaning is achieved.
As an example of such a cleaning, the clearing of spinning liquids can be given, which has tet prepari considerable difficulties in all previous processes; in the same way, in the case of oils, for example, resinous particles or high-polymer molecules can be separated from the other components.
The method described can also be used to remove foreign additions from metallic or other melts, to change the viscosity of oils, to improve the degree of fineness of colloidal substances or to flocculate the suspended particles from suspensions. Finally, all of the disperse liquid systems can be acoustically separated in this way.
In many cases, a single pipe space, which in view of the economic viability of the process must not be too long, is not sufficient to achieve complete clarification of the pulp. It is therefore expedient to connect several tubular separation chambers one behind the other, in which the liquid is treated in stages. The intermediate products obtained in the following stages are advantageously fed back to the first stage for renewed treatment after the flakes have settled.
In some other cases, the colloidal solution in its entirety does not tend to coagulate, so that the flocculation no longer occurs with the desired rapidity due to the influence of sound. This case usually occurs when the concentration of the colloidal solution is too low. In these cases, foreign, in particular chemically indifferent suspensions can be added to the colloidal solutions to be treated, the particles of which then act as flocculation cores on which the suspended matter particles to be deposited settle under the action of the sound or ultrasonic waves.
The invention also relates to a device for performing the method according to the invention. It is characterized by a cylindrical container provided with inflow and outflow openings, at one end of which a vibrational energy source, e.g.
B. a magnetostriction rod, is arranged, and the opposite end is closed by a sliding piston to produce the acoustic resonance, the disperse system to be treated is exposed to the treatment within the container space delimited by the piston and energy source.
Since the coagulation and excretion of the colloidal solution preferably takes place at the nodal points of the sound waves, it is advantageous to use special discharge pipes at these points to divert the flocculated suspended particles with part of the liquid.
In most cases it will be an intermediate product which has a medium concentration. After the sedimentation of the larger flocculated suspended particles has taken place, the sludge removed from the separation space can again be fed to a further treatment. Finally, the uncleaned residue can in turn be added to the first pipe space so that the liquid to be treated is switched into a circuit.
It can also be arranged on both sides of a clamped in the middle and provided at the ends with piston-shaped widenings magnetostriction rod, a quartz plate or the like, depending on a separation chamber connected to the vibration generator. With this measure, both sides of the oscillating sound generator are used and the process makes it more economical.
In the drawing, an exemplary embodiment of a device for carrying out an exemplary method according to the invention with simultaneous acoustic separation is illustrated in FIG. a is the tubular separation space to which the pulp is fed through pipe connection b. A magnetostriction rod c is arranged at one end of the tube, the piston-shaped enlargement d of which completely fills the cylindrical tube cross-section.
This magnetostricting rod is excited by a coil e through which a current flows through a hole frequency, the piston d transmitting the vibration to the liquid in the tube a. The generated sound waves are reflected at the opposite pipe ends' by the longitudinally movable piston f, this piston being adjusted so that the space in front of it is in resonance with the sound oscillation.
In the area in which the slurry accumulates, there are withdrawal points hl, h2, h3, h4 in the separation space, and withdrawal points, len il, i2, i3, <I in the area in which the clarified liquid accumulates > i, </I> arranged.