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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Behandlung von fliessfähigen Materialien durch Ultraschall-Longitudinalschwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Zelle (16) aufweist mit zwei einander eng benachbart gegenüberliegenden Wänden (52), von denen wenigstens eine zum Übertragen der Schwingungen auf das im Zelleninnere enthaltene Material bestimmt ist, dass der Abstand zwischen den Innenoberflächen der Wände (52) 0,1 bis 25 mm beträgt, dass wenigstens ein Ultraschallgeber (54) zur Erzeugung von Ultraschall-Longitudinalschwingungen an der Schwingungen übertragenden Wand montiert ist und dass Einrichtungen (20, 22, 24) zur Hindurchführung des fliessfähigen Materials durch das Zelleninnere vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wände (52) Schwingungen übertragende Wände sind, auf denen wenigstens je ein Ultraschallgeber (54) montiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schwingungen übertragenden Wand (52) eine Vielzahl von im Abstand angeordneten Ultraschallgebern (54) montiert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der die Schwingungen übertragenden Wand (52) eine Vielzahl von Ultraschallgebern (54) montiert ist, wobei die Frequenz der Ultraschallgeber in Strömungsrichtung des die Zelle durchströmenden Materials zunimmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der die Schwingungen übertragenden Wand (52) eine Vielzahl von Ultraschallgebern (54) montiert ist, wobei wenigstens einer der Ultraschallgeber eine Frequenz erzeugt, die von derjenigen der anderen Ultraschallgeber unterschied lichist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Zellen (16) in Reihe geschaltet ist und dass die Frequenz der Schallgeber (54) von Zelle zu Zelle in Strömungsrichtung des Materials zunimmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Zuführung des Materials durch das Zelleninnere Einlass- und Auslassleitungen (22, 24) mit kreisförmigem Querschnitt sind, dass entsprechende Einlassund Auslassleitungsübergangsteile (34, 36) zwischen den Leitungen und der Zelle vorgesehen sind und dass sich der Querschnitt der Übergangsteile fortschreitend vom kreisförmigen Querschnitt in einen langgestreckten rechteckigen Querschnitt am Einlass bzw. Auslass der Zelle ändert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Leitung (18, 22, 24), die die Zelle (16) und das Innere eines Vorratsbehälters (10) zur Umwälzung des Materials von der Zelle (16) zum Behälter (10) verbindet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine mechanische Rühr- oder Mischeinrichtung (12, 14), die sich in das Innere des Vorratsbehälters (10) erstreckt zwecks Vormischung des darin enthaltenen Materials.
10. Verfahren zur Behandlung fliessfähigen Materials mit der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Material von einem Einlass zu einem Auslass zwischen zwei in Abstand voneinander angeordneten Oberflächen durchgeführt wird, wobei der Abstand so gewählt ist, dass zwischen den Oberflächen hindurchgehende Ultraschallschwingungen mehrfach von den Oberflächen reflektiert werden und so mehrfach durch das Material hindurchgehen, wobei durch die Überlagerung der hin und her gehenden Druckschwingungen Interferenzen mit sich aufaddierenden Amplitudenspitzen an örtlich wechselnden Stellen im Material auftreten, und dass mindestens eine der Oberflächen mit Ultraschall-Longitudinalwellen in Schwingungen versetzt wird, wobei diese Oberfläche ihrerseits die Schwingungen auf das zwischen den Oberflächen hindurchgehende Material überträgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch die andere Oberfläche durch Ultraschall-Longitudinalwellen in Schwingungen versetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der auf das Material aufgebrachten Schwingungen in Strömungsrichtung des Materials zwischen den Oberflächen zunehmend gesteigert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einem Gemisch von Frequenzen in Schwingungen versetzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das fliessfähige Material während der Beschallung unter einem vom atmosphärischen Druck unterschiedlichen Druck steht.
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Vorrichtungen und Verfahren für die Behandlung von fliessfähigen Materialien durch die Anwendung von Ultraschall-Lon gitudinaischwingungen, beispielsweise zum Dispergieren, Emulgieren, Lösen, Mischen oder Entmischen solcher Materialien.
Das Dispergieren, Emulgieren, Lösen, Mischen oder Entmischen verschiedener Materialien ist auf vielen Arbeitsgebieten von grosser Bedeutung. Dispersionen, Emulsionen, Lösungen und Gemische werden gewöhnlich durch rasches Rühren, Aufbringung hoher Scherkräfte, Verteilung gelösten Materials in einer Flüssigkeit od. dgl. hergestellt. Die üblichen Vorrichtungen für die Durchführung von Rührvorgängen sind gewöhnlich einfach in ihrem Grundaufbau und bestehen im allgemeinen aus einem Behälter und irgendeiner mechanischen Rührvorrichtung, die in das im Behälter enthaltene Gemisch hineinragt. Die bekannten Verfahren zur Erzielung eines ausreichenden Durchrührens sind verhältnismässig langsam und energieaufwendig und erfordern mitunter mehrere Tage kontinuierlicher Durchführung. Infolgedessen gibt es bereits eine Vielzahl von Versuchen, sowohl Vorrichtung als auch Verfahren zu verbessern.
Folgende Druckschriften geben den Stand der Technik wieder: US-PS 2 558 037, US-PS 2 678 811, US-PS 2 765 153, US-PS 2 896 922, US-PS 3 233 872 und US-PS 3 544 076.
Aus dieser Literatur ist z. B. die Anwendung von Druckschwingungen, vorwiegend im Ultraschallbereich, zur Herstellung von Dispersionen bekannt. Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben jedoch bisher nicht zu einem wirtschaftlichen Erfolg geführt.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur rationellen Behandlung von Materialien durch Anwendung von Ultraschall-Longitudinalschwingungen zu schaffen. Erfindungsgemäss wird dies so erreicht, dass die Vorrichtung mindestens eine Zelle aufweist mit zwei einander eng benachbart gegenüberliegenden Wänden, von denen wenigstens eine zum Übertragen der Schwingungen auf das im Zelleninnere enthaltene Material bestimmt ist, dass der Abstand zwischen den Innenoberflächen der Wände 0,1 bis 25 mm beträgt, dass wenigstens ein Ultraschallgeber 54 zur Erzeugung von Ultraschall-Longitudinalschwingungen an der Schwingungen übertragenden Wand montiert ist, und dass Einrichtungen zur Hindurchführung von Material durch das Zelleninnere vorgesehen sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im Patentanspruch 10 definiert.
Im folgenden sollen anhand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer vollständigen Anlage einschliesslich Vorratsbehälter, Ultraschallgeberanlage, Pumpe und Anschlussleitungen,
Fig. 2 eine Vorderansicht der Ultraschallgeberanlage des Systems nach Fig. 1 allein, und in
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2.
Die Erfindung befasst sich mit der Behandlung von Materialien durch Einwirkung von Longitudinalschwingungen oder -wellen mit Schall- und Ultraschallfrequenz auf diese Materialien. Unter solchen Schwingungen versteht man normalerweise solche im Betrieb oberhalb ca. 10 bis 15 kHz. Es ist wesentlich, dass Schwingungen oder Wellen dieser Frequenz bei der Behandlung verwendet werden, jedoch schliesst dies nicht aus, dass bei einigen Behandlungen Schwingungen oder Wellen, beispielsweise im Bereich von 5 bis 15 kHz, eingesetzt werden können.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass ein feinverteiltes Festmaterial mit einer Flüssigkeit dispergiert werden soll. Im Idealzustand soll jedes Festkörperteilchen einzeln getrennt in der Flüssigkeit suspendiert sein. Die Anlage nach Fig. 1 enthält einen Vorratsbehälter 10, in welchen der flüssige Träger und das feinverteilte Festkörpermaterial eingefüllt sind. Das Behälterinnere ist mit einem üblichen Mischrührer 12 ausgestattet, der von einem Motor 14 angetrieben wird. Dieser Rührer wird wenigstens während der Anfangsstufen des Dispersionsvorganges betätigt, um eine Rohdispersion zu erzeugen und sicherzustellen, dass die Flüssigkeit keine grösseren Klumpen enthält, die die Ultraschallanlage verstopfen könnten, welche allgemein mit dem Bezugszeichen 16 angedeutet ist.
Eine Rohrleitung 18 führt die Flüssigkeit mit dem suspendierten Festkörpermaterial zu einer Druckpumpe 20. Eine Rohrleitung 22 führt das unter Druck gesetzte flüssige Gemisch zum Inneren der Ultraschallzelle 16. Eine andere Rohrleitung 24 führt die aus der Ultraschallzelle kommende Flüssigkeit über ein Ventil 26 und zurück in das Behälterinnere, so dass der Behälterinhalt umgewälzt werden kann, bis die Dispersion bis zu dem gewünschten Zustand fortgeschritten ist. Ferner ist ein Auslassventil 27 vorgesehen.
Die Zelle 16 besteht aus einem Metallrahmen 28 mit entsprechenden Querteilen 30 und 32, in denen die Rohre 22 bzw. 24 montiert sind, um den Zellenkörper im Rahmen zu halten. Jedes Rohr 22 und 24 weist kreisförmigen Querschnitt auf und ist mit den Enden an die Zelle 16 über entsprechende Übergangsteile 34 und 36 angeschlossen, durch welche die kreisförmige Rohrbohrung langsam und fortschreitend zu einem dünnen, langgestreckten, rechteckigen Querschnitt umgewandelt wird, wobei jeder Teil in einem entsprechenden horizontalen Flansch 38 und 40 endet. Druckmessgeräte 42 dienen zur Feststellung des Druckes innerhalb der Übergangsglieder und damit am Ein- bzw. Auslass des Zelleninneren.
Nach Fig. 3 besteht der Zellenkörper aus einem Glied 44 mit langgestrecktem, rechteckigem Querschnitt mit Endflanschen 46 und 48, die mit den Flanschen 38 und 40 fluchten und mit diesen durch leicht entfernbare, jedoch nicht gezeichnete Schrauben verschraubt sind. Das Glied 44 weist zwei kurze in weitem Abstand voneinander entfernte parallele Wandungen 50 und breite in engem Abstand voneinander befindliche parallele, die Schwingungen übertragende Wandungen 52 auf.
Bei der wiedergegebenen Ausführungsform sind die Wandungen 50 und 52 einstückig miteinander ausgebildet, jedoch können bei einer anderen Ausführungsform die Wandungen 50 auch durch ein offenes Rahmenglied 44 gebildet sein, während die die Schwingung aufbringenden Wandungen 52 durch entsprechende dünne Metallblechmembranen gebildet sind, die an ihren Kanten an entsprechenden Flanschen des Rahmengliedes 44 angeschraubt sind, wobei selbstverständlich eine entsprechende geeignete Abdichtung vorgesehen ist.
Jede der in engem Abstand angeordneten, Schwingungen aufbringenden Wandungen 52 trägt eine grosse Anzahl von Ultraschallgebern 54, die ihre erzeugten Longitudinaldruckwellen in die unter Druck stehende Flüssigkeit im Zelleninneren senkrecht zur Ebene der Wandungen 52 und auch in Strömungsrichtung der Flüssigkeit in der Zelle übertragen.
Die Schallgeber sind an eine entsprechende, jedoch nicht gezeichnete Energiequelle angeschlossen.
Als besonderes Beispiel eines erfolgreichen Betriebes einer Anlage gemäss der Erfindung darf eine Vorrichtung zur Herstellung von Tonaufschlämmung genannt werden, wobei eine hochwertige Aufschlämmung in nur 2 Stunden erzeugt werden konnte im Vergleich zu 24 bis 36 Stunden, wie sie bei üblichen Dispersionsverfahren erforderlich sind. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei Verwendung dieser Aufschlämmung in der Porzellanherstellung ungebrannte Rohlinge von überlegener Grünfestigkeit entstehen.
Die fertiggestellten Rohlingen hatten eine Grünfestigkeit, die mehr als 50% grösser war als diejenige, die sich mit üblichen Verfahren erreichen lässt und hatten ferner eine Konsistenz, die gummiähnlich war, so dass sie ohne Bruchgefahr gebogen werden konnten. Ein weiterer ausserordentlich überraschender Effekt der Anwendung des Erfindungsprinzipes besteht darin, dass der Niederschlag der Schlämme zur Bildung eines festen Bodenkuchens im Behälter beträchtlich reduziert wird und beispielsweise keinerlei oder nur ein geringer Niederschlag vorhanden ist, selbst wenn der Behälter bis zu 8 Wochen stehenbleibt, wobei die gesamte Aufschlämmung nach diesem Zeitraum noch giessbar ist.
Es ist dem Fachmann bekannt, dass die Schwierigkeiten bei der Erzielung zufriedenstellender Dispersionen feinverteilter Festkörper in einer Flüssigkeit rasch zunehmen, wenn die Festkörperkonzentration hohe Werte erreicht, beispielsweise über 50 Gew.%, was bei Tonschlämmen normale Werte sind.
Das Problem wird selbstverständlich noch grösser bei noch höheren Festkörpergehalten, beispielsweise 80%, die bei keramischen Glasuren erforderlich sind.
Es ist davon auszugehen, dass ein Grund für die ungewöhnlichen Ergebnisse darin liegt, dass die Vorrichtung rasch und gleichmässig alle oberflächenaktiven Zusätze vollständig dispergiert, trotz der enormen Oberfläche des feinverteilten Tones, der dazu neigt, die Zusätze in örtlichen Bereichen festzuhalten. Mechanisches Rühren mag möglicherweise einen Gleichgewichtszustand erreichen, jedoch sind wenigstens einige Tage für die Erreichung dieses Gleichgewichtszustandes erforderlich, was jedoch erkennbar für die Praxis nicht wirtschaftlich ist.
Eine überraschende Eigenschaft der Dispergierungsverfahren, die mit der erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt werden können, besteht darin, dass sie selbst anzeigen, wenn der Dispersionsvorgang beendet ist. Wird beispielsweise die Vorrichtung anfänglich so eingestellt, dass ein Druck innerhalb der Zelle von 4,2 kg/cm2 (60 p.s.i.) am Ausgangsdruckmessgerät 42 erscheint, dann nimmt dieser Druck allmählich ab, bis er einen Minimalwert von üblicherweise ca.
1,4 kg/cm2 (20 p.s.i.) erreicht, bei welchem Wert er dann stehenbleibt. Eine Analyse der Dispersion zeigt, dass der Dispergierungsvorgang beendet ist, wenn dieser stabile niedrigere Druck erreicht ist, weil dann die Flüssigkeit ihre minimal mögliche Viskosität erreicht hat.
Frühere Benutzer von Longitudinalultraschallschwingun- gen für Behandlungszwecke haben offenbar den sehr kurzen Einwirkungsbereich selbst mit hoher Leistung arbeitender Schallgeber nicht erkannt, wenn die Schwingungen zur Unterstützung bei der Dispergierung oder Lösung verwendet wer den sollten, ebenso wie eine praktische maximale Dicke für das Innere der Mischzelle 16 gemessen zwischen den Innenoberflächen der Wandungen 52, die nur 25 mm (1") beträgt. Die Dicke liegt vorzugsweise sogar bei einem geringeren Wert und es sind Werte von 6 bis 1,5 mm (t/4 bis 1/1,") vorzuziehen, wobei der geringere Wert beispielsweise für die Strömungskapazität in der Zelle und die praktische Wirtschaftlichkeit bei der Erzielung dieser Strömungskapazität mit einer geringen Anzahl von Zellen bestimmt ist.
So hat es sich in einigen Systemen als wünschenswert herausgestellt, Abstände von nur 0,1 mm zu verwenden.
Der obere Wert für den Wandungsabstand hängt, von anderen Parametern abgesehen, von der Viskosität der zu behandelnden Mischung ab und ist vorzugsweise so gewählt, dass jede einfallende Welle von der gegenüberliegenden Wandung reflektiert wird und zu der die Schwingung erzeugenden Wandung zurückkehrt, so dass sie wenigstens zweimal durch die Zelle läuft, bevor sie auf einen vernachlässigbaren Wert geschwächt ist, d. h. weniger als ca. 10% ihres Ausgangswertes. Aus Gründen, die später noch bei der Betrachtung der Schallgeber 54 näher erörtert werden sollen, ist die maximale Anzahl der Reflexionen, die für jeden einfallenden Wellenzug erwünscht ist derart, dass er so oft als möglich durch das Zelleninnere läuft.
Es hat sich als wünschenswert herausgestellt, die Zelle so anzuordnen, dass die Flüssigkeitsströmungsbahn eine wesentliche vertikale Komponente aufweist, wobei die Wirkung der auf die Flüssigkeit gegen die von der Pumpe erzeugte Bewegung wirkenden Schwerkraft sicherstellt, dass alle Hohlräume oder Fehlstellen, die sich in der Flüssigkeit bilden, sich mit dieser bewegen und aus der Zelle austreten, da sonst solche Fehlstellen oder Hohlräume die Wirkung der Schallgeber ernsthaft beeinträchtigen würden. Wenn die Zelle mit vollständig vertikaler Strömungsbahn aufgestellt werden kann, wie es beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, dann ist dies natürlich vorzuziehen.
Die in engem Abstand befindlichen Wandungen 52 sollten für eine wirksame Übertragung der Longitudinalschwingungen so dünn als möglich gemacht werden. Es ist in einem handelsüblichen Gerät praktisch, die dünnen eng benachbarten Wandungen leicht auswechselbar zu machen, da die umge wälzten Flüssigkeiten hoch abreibend oder schmirgelnd und damit verschleissend sein können. Bei einer besonderen Ausführungsform weisen diese Wandungen eine Wandstärke von 1,8 mm (0,07") auf, wobei eine angemessene Abstützung für die Schallerzeuger und zum Widerstand gegen den Flüssigkeitsdruck innerhalb der Zelle vorgesehen werden muss.
Es ist selbstverständlich, dass dünnere Wandungen verwendet werden können, wenn Massnahmen getroffen werden, um sie gegen den Innendruck abzustützen.
Die Verwendung einer grossen Anzahl von in engem Abstand angeordneten Schallgebern 54 ist vorzuziehen, da diese Anordnung ein intensives flaches Ultraschallwellenfeld erzeugt. Die bevorzugte Anordnung besteht darin, Schallgeber auf jeder der beiden einander gegenüberliegenden Wandungen vorzusehen, so dass beide Wandungen gleichzeitig Schallwellen erzeugen und reflektieren können. Da die reflektierenden Wellen von einer vibrierenden Oberfläche kommen, wandern sie mit sich periodisch ändernden, durch Dopplereffekte erzeugten Frequenzen, so dass keine Möglichkeit der Erzeugung stehender Wellen besteht, die einen nachteiligen Agglomerationseffekt auf kleine Teilchen haben würden.
Die oben beschriebenen Mehrfachreflexionen stellen neben der gleichzeitigen Vibration beider Wandungen sicher, dass an einer grossen Anzahl sich benachbarter Punkte über das Zelleninnere die Amplituden der erzeugten Wellen addiert werden, manchmal sogar mehrfach.
Die Energie pro Volumeneinheit (E) in einer Longitudinaldruckwelle ist gegeben durch die Gleichung: E = 222 f2 A2 d wobei f = Frequenz der Welle A = Amplitude d = Dichte des Mediums, in welchem die Welle wandert.
Man erkennt somit, dass die Addition der Amplituden der Wellengipfel, die sich aus Mehrfachreflexionen ergeben, eine entsprechende quadratische Steigerung der Energie an den Zusammenfallpunkten der Wellengipfel erzeugt. Man erkennt ausserdem, dass eine Erhöhung der Frequenz auch durch eine entsprechend quadratische Steigerung des Energiegehaltes begleitet ist, neben einer entsprechenden Steigerung der Wahrscheinlichkeit der Anzahl zusammenfallender Punkte, an denen sich die Wellengipfel addieren. Infolge des beschriebenen erwünschten Dopplereffektes gibt es weiter eine hohe Wahrscheinlichkeit einer enorm grossen Anzahl von Punkten, an denen sowohl die Frequenz- als auch die Spitzenamplitudeneffekte gleichzeitig addiert werden, mit entsprechend addierten Effekten auf den Energieinhalt an diesen Stellen.
Wenn es möglich ist, ist es erwünscht, dass der maximale Abstand derart gewählt ist, dass die Abschwächung bei der ersten Reflexion nur ca. 10% beträgt, so dass die addierten Amplituden von vergleichbarer Grösse sind und dies nicht weniger als ca. 4 oder 5 Reflexionen beinhaltet, bevor es zur vollständigen Auslöschung kommt. Es sind sogar höhere Zahlen als 10 und 20 Reflexionen bevorzugt, wenn dies wirtschaftlich möglich sein sollte.
Diese Punkte addierter Spitzenamplituden und Frequenzen bewegen sich konstant und die durch die addierten Spitzenamplituden und Frequenzen ausgebildeten enormen Energien werden an diesen Stellen auf das Gemisch aufgebracht und von ihm wieder entfernt, und zwar mit einer enormen Anzahl von Sequenzen pro Sekunde, beispielsweise 50 bis 500 Kiloherz. Das Resultat ist eine vollständige Dispersion der feinen Teilchen in ihrem flüssigen Träger, die Emulgierung aller Flüssigkeitströpfchen in ihrem flüssigen Träger, die rasche Lösung eines Materials im anderen und die vollständige Trennung eines agglomerierten Materials in Komponententeilchen, alles mit höherer Geschwindigkeit und grösserem Wirkungsgrad, als mit üblichen Rührvorrichtungen erreichbar.
Beispielsweise benötigt eine übliche Rührdispersionsvorrichtung für einen 3790-Liter-Behälter (1 000-Gallonen-Be- hälter) für Tonschlämme einen Rührermotor von ca. 40 PS.
Die Vorrichtung der Erfindung zur Verarbeitung einer äquivalenten Schlammenge benötigt 2,7 PS für die Ultraschallgeber, 6,3 PS für die Umwälzpumpe 20 und 3 PS für den die Klumpen auflösenden Rührermotor 14, insgesamt also nur 12 PS.
Eine weitere Steigerung beim Dispersions- und Trennungseffekt erhält man mit der erfindungsgemässen Vorrichtung durch Steigerung des Druckes innerhalb der Zelle über den Atmosphärendruck, beim im Beispiel wiedergegebenen Gerät durch Drosseln mit Hilfe des Ventils 26. Der verbesserte Effekt kann beispielsweise für sehr feine submikroskopische Pigmente oder Farbstoffe, wie Preussischblau verwendet werden. Eine Steigerung von nur 0,035 at (0,5 p. s. i.) führt zu einer Verdoppelung der Anzahl der Teilchen von einer Grösse von 0,3 Mikron im Vergleich zu der Anzahl, die man mit Behandlung bei atmosphärischem Druck erreicht.
Wenn die Vorrichtung in einem Löseverfahren Verwendung findet, dann verhindern die sich intensiv ändernden Konvektionsbewegungen im submikroskopischen Bereich in der Flüssigkeit, die Bildung von hoch konzentrierten und übersättigten Diffusionsschichten um die sich lösenden Teilchen.
Dies führt zu einer Steigerung des Aufiösungsprozesses bis zu einem Ausmass, dass die Aufiösezeit nur '/5 derjenigen Zeit beträgt, die bei normalen Rührvorrichtungen aufgewendet werden muss, wobei die Bildung von übersättigten Lösungen verhindert wird.
Die Frequenz der Schallgeber kann weit variieren und vorzugsweise zwischen 15 und 500 kllz liegen, obwohl geringere Frequenzen von 5 bis 15 kHz zusätzlich, wie oben beschrieben, zum Einsatz gebracht werden können. Vorzugsweise verwendet man ein Gemisch aus Frequenzen, indem man wenigstens einen der Schallgeber auf jeder Wandung mit unterschiedlicher Ausgangsfrequenz gegenüber den anderen Schallgebern ausbildet, was die Vermeidung stehender Wellen unterstützt.
Es ist selbstverständlich, dass dieses Verfahren soweit erstreckt werden kann, bis jeder Schallgeber auf der gleichen Wandung eine unterschiedliche Ausgangsfrequenz aufweist.
Eine weitere Verbesserung in der Verfahrensführung ist möglich durch Verwendung aufeinanderfolgend höherer Frequenzen von Schallgeberreihe zu Schallgeberreihe in Strömungsrichtung des Materials, beginnend mit der niedrigsten Frequenz von beispielsweise einigen kHz in einer Reihe der Schallgeber in der Nähe des Flüssigkeitseinganges in die Zelle aus der Leitung 22, wobei dann die Frequenz fortlaufend gesteigert wird, bis die höchste Frequenz von der Reihe der Schallgeber in der Nähe des Ausganges der Zelle zur Leitung 24 erreicht wird, die dann bei ca. 5 MHz liegt. Die niedrigeren Frequenzenwellen sind wirkungsvoller bei grösseren Teilchen und die höher frequenten Wellen bei feineren Teilchen. Wenn das Verfahren in der Zelle fortschreitet ist es infolgedessen vorteilhaft, immer höher werdende Frequenzen einzusetzen, da ja auch die Teilchen fortschreitend feiner werden.
In einem, insbesondere für kontinuierlichen Betrieb geeigneten System, verwendet man zwei oder mehrere Zellen, wobei das Innere der Zellen in Reihe geschaltet ist und jede Zelle mit Schallgebern unterschiedlicher zunehmender Frequenz ausgerüstet wird, beispielsweise die erste Zelle mit Schallgebern von 5 kHz, die zweite mit Schallgebern von 50 kHz, die dritte mit Schallgebern von 100 kHz, die vierte mit solchen von 500 kHz, die fünfte mit solchen von 1 MHz, die sechste und letzte Zelle schliesslich mit 5 Mliz arbeiten.
Als Beispiel für den erforderlichen Leistungsverbrauch darf darauf hingewiesen werden, dass die beschriebene Vorrichtung für die Dispersion von 2000 Kilo (4400 Pfund) Ton in 3790 Liter (1000 Gallonen) Wasser eine Zelle 16 von 104 cm (41") Höhe und 18 cm (7") Breite mit einer Kammerstärke von 1,27 cm (1/2'') aufweist und 48 Schallgeber 54 mit einer Eingangsleistung von 2000 Watt eingesetzt sind.
Auch der Druck, mit dem die Anlage betrieben wird, ist von Bedeutung, wobei man Drücke im Bereich von 0,7 bis 8,5 kg/cm2 (10 bis 120 p.s. i.) normalerweise verwendet, der bevorzugte Bereich jedoch bei 0,35 bis 2,1 kg/cm2 (5 bis 30 p.s.i.) liegt.
Die umgewälzte Flüssigkeit ist der Energie von den Schallgebern, der Pumpe und dem mechanischen Rührer ausgesetzt mit dem Ergebnis, dass ihre Temperatur zunimmt. Wenn der erzeugte Temperaturanstieg nicht annehmbar ist, dann müssen Einrichtungen zur Kühlung der Flüssigkeit eingesetzt werden. Vorzugsweise verwendet man elektrisch betätigte Schallgeber wegen der Leichtigkeit ihrer Anwendung, es können jedoch auch andere Ausführungsformen von entsprechenden Wandlern eingesetzt werden. Die bei den früheren Verfahren verwendeten Strahl- und Pfeifengeneratoren arbeiten nicht zufriedenstellend, da das zu behandelnde Material durch sehr kleine Öffnungen unter sehr hohen Drücken geführt werden muss, was zu hohem Verschleiss an den Öffnungen, hohem Kraftverbrauch und häufigem Verstopfen der Öffnungen führt.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann zur Behandlung einer Mischung aus gasförmigen Medien verwendet werden, wenn es erwünscht ist, solche Bestandteile miteinander umzusetzen und die Reaktion oder Umsetzung durch die angewendeten Ultraschall-Longitudinalwellen erleichtert wird.
Sie eignet sich insbesondere jedoch für die Behandlung von Mischungen aus Flüssigkeiten und Flüssigkeiten und solchen aus Flüssigkeiten und Festkörpern. Sie kann auch eingesetzt werden zur Behandlung von Mischungen aus Gasen und Flüssigkeiten und lässt sich auch verwenden zur Behandlung von Mischungen aus Gasen und Festkörpern sowie von Mischungen aus Festkörpern und Festkörpern, falls die Festkörper sich in einem fliessfähigem Zustand befinden.