CH641974A5

CH641974A5 - Vorrichtung zur herstellung einer mehrphasigen dispersion und verfahren zum betrieb der vorrichtung.

Info

Publication number: CH641974A5
Application number: CH40979A
Authority: CH
Inventors: William Asher; Hsue Tsien
Original assignee: Exxon Research Engineering Co
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1979-01-16
Publication date: 1984-03-30
Also published as: DE2901501A1; SE7900350L; IT1114701B; JPS54116389A; SE438790B; US4201691A; NL7900345A; IT7947660A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer mehrphasigen Dispersion und die Verteilung dieser in Form von Kügelchen in einer Suspensionsphase. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.

Es ist bereits eine Anzahl von Möglichkeiten bekannt, mehrphasige Dispersionen herzustellen, welche mindestens drei Phasen enthalten. Im folgenden werden Verfahren nach dem Stand der Technik diskutiert, welche erlauben, eine Flüssigmembran herzustellen.

Eine Flüssigmembran ist eine derartige, welche eine innere Phase aufweist, welche von einer äusseren Phase (Membranphase) umgeben ist, und welche in Form von Kügelchen in einem Suspensionsmedium suspendiert sind. Die Membranphase muss im wesentlichen unmischbar mit der inneren Phase als auch mit der Suspensionsphase sein, so dass die innere Phase von der Suspensionsphase getrennt wird. Darüber hinaus ist die Membranphase gegenüber ausgewählten Materialien permeabel um eine kontrollierte Permeation in die innere Phase oder aus der inneren Phase heraus zu erlauben.

Die Verfahrensweisen zur Herstellung einer Flüssigmembran zerfallen im wesentlichen in zwei Kategorien. Die Verfahrensweise, die ein der US-Patentschrift Nr. 3 389 078 beschrieben wird, zeigt ein Verfahren, das nur einschalige Membranen ergibt. Bei diesem Verfahren wird die innere Phase durch eine Schicht einer Membranphase hindurchperlen gelassen, so dass die Membranphase die Bläschen der inneren Phase umschliesst. Die membranbeschichteten Bläschen bzw. Perlen an innerer Phase werden sodann in ein Suspensionsmedium eingebracht. Dieses Verfahren ist nur praktisch durchführbar für einschalige Flüssigmembranen von etwa 5000 um Durchmesser oder mehr.

Ein anderes Verfahren, das in der Publikation «Wie man Flüssigmembrantrennwände aufbaut» (How to Design Liquid Membrane Separations, E.L. Cussler und D.F. Evans, in «Separation and Purification Methods», 3(2), 399 421 (1974)) beschrieben ist, besteht in der Herstellung einer zwei-phasigen Dispersion von äusserer und innerer Phase in einem Behälter unter Anwendung einer Vorrichtung, wie z. B. in einem Mischer, und überführen dieser zweiphasigen Dispersion unter Mischungswirkung in eine andere Mischvorrichtung, welche das Suspensionsmedium enthält, um die Di-spersionskügelchen herzustellen. Dieses Verfahren ist nicht

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sehr wirksam, weil es zwei Mischbehälter benötigt und die Überführung der fluiden Medien von einem Behälter zu einem anderen. Wenn man mit einer zweiphasigen Dispersion arbeitet, die eine sehr kurze Lebensdauer aufweist, kann es sehr schwierig sein, wenn nicht sogar unmöglich, die zwei-phasige Dispersion in das Dispersionsmedium überzuführen, bevor die Dispersion sich entmischt bzw. zusammenbricht. Es existiert noch ein weiteres Problem bezüglich der Kügel-chengrösse, die nach dieser Verfahrensweise erhältlich ist. Die Grösse der Kügelchen, welche gebildet wird, ist eine Funktion der angewandten Scherkraft, wobei bei steigender Scherkraft die Kügelchen kleiner werden. Viele üblicherweise angewandten Scherkraftmischer bewirken eine breit verteilte Scherkraft. Dementsprechend wird auch ein grosser Bereich an Kügelchengrössen erhalten. Weiterhin ist es,

wenn man einen hohen Prozentsatz kleiner Kügelchen erwünscht, sehr wahrscheinlich, dass infolge der grossen Breite der Scherkraftverteilung bei vielen Scherkraftmischern die Kügelchen einer Scherkraft ausgesetzt werden, die ausreichend ist, um ein unerwünscht hohes Ausmass von Bruch zu bewirken.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einschaligen Flüssigmembranen wird in einer Publikation unter dem Titel «Fluorkohlenstoff-Flüssigmembranen für Sauerstoffanreicherung des Blutes» (Fluorocarbon Liquid Membranes For Blood Oxygénation, Schlussbericht vom 30. Juni 1971 bis 28. Februar 1973, von den Autoren William J. Asher, Herbert W. Wallace, Marc T. Zubrow, Peter Stein und Helen Brooks einer Forschungsarbeit, die vom US-Nationalen Herz- und Lungeninstitut, Nationales Gesundheitsinstitut Bethesda, Maryland 20014 unterstützt wurde) beschrieben. Diese Verfahrensweise verwendet zwei konzentrische hypo-dermische Röhren, um die einschaligen Flüssigkmembranen herzustellen. Die innere hypodermische Röhre bildet die innere Blasen bzw. Perlen boldende Vorrichtung für die innere Phase, und die äussere konzentrische Röhre bildet gleichzeitig die äussere Phase der einschaligen Flüssigmembranen. Diese hypodermischen Röhren werden in einer Suspensionsphase angeordnet, so dass die Kügelchen gleich bei ihrer Bildung gleichzeitig in der Suspensionsphase suspendiert werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht vorteilhaft, weil die Herstellung der Vorrichtung sehr schwierig ist. Die Fliessgeschwindigkeit durch diese Röhren ist sehr herabgemindert, wodruch die Kügelchendurchmesser auf etwa 1000 (im oder mehr begrenzt sind.

In der vorliegenden Erfindung wurden die Schwierigkeiten, die nach dem Stand der Technik bestehen, überwunden. Wenn eine nur kurze Zeit zwischen der Bildung der Zweiphasendispersion und der Herstellung der Kügelchen vergeht, kann man Flüssigmembrankügelchen aus Dispersionen herstellen, welche zu unstabil sind, um Kügelchenher-stellungsverfahren nach dem Stand der Technik anzuwenden. Darüber ist es mit der erfmdungsgemässen Vorrichtung möglich, Flüssigmembrankügelchen von Emulsionen oder einschalige Flüssigmembranen herzustellen. Der Grössenbe-reich der Kügelchengrössen ist viel kleiner als derjenige, der nach irgendeinem bisher bekannten Verfahren hergestellt wurde, ohne dass ein messbarer Grad an Aufbrechen auftritt.

In der erfmdungsgemässen Vorrichtung wird zuerst die Dispersion oder ein Schaum gebildet, indem man ein erstes fluides Medium durch eine poröse Schicht in ein zweites fluides Medium einführt. Diese Dispersion oder dieser Schaum wird sodann durch eine poröse Fliessverteilerschicht hindurchtreten gelassen sowie durch eine perforierte nicht poröse Schicht. Diese Wanderung der Dispersion aus der Fliessverteilerschicht durch die perforierte Schicht und in eine Suspensionsphase bewirkt die Bildung von Kügelchen und ihre im wesentlichen gleichmässige Verteilung in der Suspensionsphase.

Schaumherstellungsvorrichtungen sind nach dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise diejenigen, bei welchen ein fluides Medium durch eine poröse Schicht in eine unmischbare Flüssigkeit eingebracht wird, wodurch man eine Dispersion erhält. Obwohl derartige Vorrichtungen bekannt waren, war bisher keine Vorrichtung bekannt, die sowohl zur Herstellung der Dispersion wie auch der gleichmässigen Verteilung der Dispersion in Form von Kügelchen einer vorbestimmten Grösse in einer Suspensionsphase diente.

Die erfindungsgemässe Ausbildung der Vorrichtung ergibt sich durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1.

Das Verfahren zum Betrieb der erfmdungsgemässen Vorrichtung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 6.

Die erste fluide Phase kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Die zweite fluide Phase und die Suspensionsphase sind vorzugsweise Flüssigkeiten. Es kann jedoch die Suspensionsphase auch ein Gas sein. Nach dem Stand der Technik war es sehr schwierig, eine mehrphasige Flüssigmembran herzustellen, welche eine gasförmige kontinuierliche Suspensionsphase aufwies, was erlauben würde, eine wirksame Behandlung des Gases mit Flüssigmembranen durchzuführen. Alle bisher bekannten Techniken waren dazu ungeeignet. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt die Herstellung von Flüssigmembranen mit einem Gas als Suspensionsphase und dementsprechend ist es möglich, eine wirksame Behandlung einer Gasphase mit Flüssigmembrankügelchen durchzuführen. In dieser Ausführungsform ist die erste Phase entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas und die zweite, nämlich die Membranphase, ist eine Flüssigkeit.

Es ist ebenso möglich, dass die erste fluide Phase eine Dispersion ist. Die zweite fluide Phase muss dann unmischbar mit der äusseren Phase der Dispersion der ersten Phase sein. Entsprechend ist es möglich, Dispersionen mit mehr als zwei Phasen herzustellen, um sie als Kügelchen in einer Suspensionsphase zu verteilen. Der Ausdrcuk «mehrphasige Dispersion» bezeichnet in der vorliegenden Beschreibung eine erste fluide Phase, welche in Form von Bläschen in einer zweiten fluiden Phase, d.h. der kontinuierlichen Phase, verteilt ist. Die Herstellung einer zweiphasigen Dispersion für die Verteilung in Form von Bläschen wird bevorzugt, wie auch die Herstellung einer dreiphasigen Flüssigmembrane. Wie dem Fachmann bekannt ist, können diese Flüssigmembrankügelchen verwendet werden, um entweder eine gesteuerte Abgabe von Materialien aus der inneren Phase des Kügelchens in die Dispersionsphase zu bewirken, oder zum Entfernen und Abfangen von Materialien aus der Suspensionsphase in die innere Phase der Kügelchen. In jedem Fall dringen die Materialien, die in Frage stehen, durch die äussere oder Membranphase der Emulsion hindurch. Es besteht hier nicht die Absicht, spezifische Anwendungen von dreiphasigen Flüssigmembranen anzugeben, um das Verfahren auf diese spezielle Ausführungsform zu beschränken.

Wie bereits gesagt, ist das Durchtreten eines fluiden Mediums durch ein poröses Material, wobei dieses in einem anderen fluiden Material dispergiert wird, nach dem Stand der Technik bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung kann irgendein poröses Material verwendet werden, soweit gewährleistet ist, dass das poröse Material das verwendete fluide Medium chemisch nicht verändert, dass die Porenstruktur nicht aus dem geeigneten Bereich heraus durch dieses fluide Medium verändert wird, und dass alle gewünschten Komponenten des fluiden Mediums durch das poröse Medium hindurchtreten können. Die Porengrössen dieser Schicht sind selbstverständlich von den Anforderungen der Ausfühs

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rungspraxis abhängig, aber typische Bereiche liegen zwischen etwa 100 um und etwa 0,1 um und vorzugsweise zwischen etwa 50 [im und 1 Jim und insbesondere bevorzugt zwischen 20 |im und 2 |im. In der vorliegenden Beschreibung wird die Porengrösse so definiert, dass sie die Teilchengrösse angibt, welche zu 98% aus einer wässrigen Lösung, die die genannten Teilchen enthält, entfernt werden, wenn diese Lösung durch die poröse Schicht hindurchgeleitet wird, was eine häufig angewandte Methode ist, um die Porengrösse eines porösen Materials zu charakterisieren. Da es bei der Ausführung des Verfahrens nötig ist, fluide Medien durch poröse Materialien hindurchtreten zu lassen, ist es notwendig, dass eine positive Druckdifferenz aufrechterhalten wird, um den Fluss des fluiden Mediums, das verwendet wird, wie oben beschrieben, aufrechtzuerhalten. Dementsprechend ist es erwünscht, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung unter Druck stehende fluide Medien enthalten kann, ohne dass irgendeine unerwünschte Leckbildung auftritt. Es kann dazu irgendeine Arbeitsweise angewandt werden, die nach dem Stand der Technik bekannt ist, solange gewährleistet ist,

dass die Massnahmen mit anderen Erfordernissen der erfmdungsgemässen Vorrichtung im Einklang stehen. Die Vorrichtung kann einen einzigen Behälter umfassen, der durch verschiedene Schichten poröser Materialien in einzelne Kammern unterteilt ist. Es ist an bestimmten Stellen erwünscht, dass die fluiden Medien durch die porösen Schichten hindurchfliessen, um in eine nächste Zone einzutreten, aber es ist auch erwünscht, dass man andere Lecks zwischen zwei Zonen minimal hält. Die Vorrichtung kann auch eine Reihe von getrennten Behältern umfassen, wobei jeder Behälter eine andere Zone bildet, und wobei diese Behälter mit einer Reihe von Leitungen für fluide Medien in der geeigneten Reihenfolge verbunden sind. Die vorgeschlagenen Ausführungsformen der erfmdungsgemässen Vorrichtung dienen nur illustrativen Zwecken.

Wie oben festgehalten, werden die fluiden Medien in die Vorrichtung eingeführt und unter einem angemessenen Druck gehalten, um ihren Fluss in die gewünschte Richtung aufrechtzuerhalten. Mittel zur Einführung eines fluiden Mediums unter Druck in die erwünschte Zone umfassen irgendwelche geeigneten Einlassventile oder entsprechende Mittel, welche die Einführung eines unter Druck stehenden fluiden Mediums in eine Kammer mit minimaler Leckrate ermöglichen. In gleicher Weise kann das fluide Medium nach irgendeinem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren unter Druck gesetzt werden. Falls beispielsweise ein Gas als erstes fluides Medium verwendet wird, kann es in die erste Zone direkt von einem Druckbehälter, in welchem es aufbewahrt wird, eingeführt werden.

Es sei ebenso festgehalten, dass die Aufenthaltszeit der Dispersion in der zweiten Zone nicht zu lange sein sollte, damit die Dispersion sich nicht wesentlich entmischt. Dies kann durch verschiedene Arbeitsweisen erreicht werden. Beispielsweise kann die Fliessgeschwindigkeit erhöht werden, um die Aufenthaltszeit der Dispersion in der zweiten Zone zu vermindern. Ebenso kann man das Volumen der zweiten Zone im Verhältnis zur Fortbewegungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums reduzieren, um die Aufenthaltszeit der Dispersion in dieser Zone zu vermindern. Die Länge der Aufenthaltszeit in der zweiten Zone ist am kritischsten für die eher unstabilen Dispersionsformen.

Wie oben festgehalten, besteht ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung im Durchtritt einer mehrphasigen Dispersion durch ein zweites poröses Material, nämlich die Fliessverteilerschicht, unmittelbar bevor die Dispersion durch ein im wesentlichen nicht poröses perforiertes Material vor dem Eintritt in die Suspensionsphase hindurchgeht. Unerwarteterweise hat sich herausgestellt, dass diese poröse

Fliessverteilerschicht für die gleichmässige Verteilung der Dispersion in Form von Kügelchen, die aus der perforierten Schicht in die Dispensionsphase austreten, entscheidend ist. Ohne diese poröse Fliessverteilerschicht tritt die Dispersion aus den Perforationslöchern in ungleichen Mengen aus und es kann dann vorkommen, dass aus gewissen Perforationslöchern überhaupt keine Dispersion austritt. Diese Fliessverteilerschicht bewirkt auch, dass die Kügelchen einen kleineren Grössenbereich überdecken, als man ihn sonst erhalten würde. Durch diese Massnahmen können bis zu 90% der Kügelchen innerhalb des Durchmesserverhältnisses von 2 :1 für den Vergleich der Grössten mit den Kleinsten liegen. Um diese Resultate zu erhalten, muss die Fliessverteilerschicht in direktem und gut gewährleistetem Kontakt mit der im wesentlichen nicht porösen perforierten Schicht stehen, so dass die Dispersion sich nicht entlang der Grenzfläche zwischen Fliessverteilerschicht und nicht poröser perforierter Schicht verteilt. Anders gesagt, darf keine Verbindung für das fluide Medium zwischen den Perforationen der nicht porösen Schicht und der Grenzfläche zwischen Fliessverteilervorrich-tung und nicht poröser Schicht bestehen. Das Fehlen einer Fliessverbindung zwischen den Perforationen und dieser Grenzfläche bewirkt die gleichmässigere Verteilung der mehrphasigen Dispersion über die perforierte Schicht, wodurch man einen kleinen Bereich von Kügelchengrössen erhält, wie dies oben beschrieben ist. Der enge Kontakt kann in einer Vielzahl von Realisationsmöglichkeiten erreicht werden. Der porösen Fliessverteilervorrichtung kann auf die perforierte nicht poröse Schicht aufgelegt sein und sie kann auch mit dieser Schicht auf allen Kontaktflächen verbunden sein. Dieses Verbinden ist kein absolutes Erfordernis, und in jedem Fall darf der bindende Film nicht in Flächen auftreten, in welchen der Flüssigkeitsfluss durch die Perforationen der nicht porösen Schicht dadurch behindert oder verunmöglicht würde. Es wird bevorzugt, dass diese poröse Fliessverteilerschicht eine im wesentlichen gleichmässige Dicke aufweist, sodass eine gleichmässige Verteilung der mehrphasigen Dispersion über die perforierte Schicht hinweg erreicht wird. Wenn im Gegensatz dazu eine Dickenänderung der Fliessverteilerschicht eintritt, welche mit den Perforationen der nicht porösen Schicht in Kontakt steht, wird der Fluss in die Suspensionsphase zwar in zufriedenstellender Weise verteilt, aber die Durchflussmenge der Kügelchen durch die jeweilige Perforation hängt von der Dicke der Fliessverteilerschicht ab, mit der sie in Kontakt steht. Da die Fliessgeschwindigkeit durch jede Perforation hindurch umgekehrt proportional zur Dicke der damit in Kontakt stehenden Fliessverteilerschicht ist, wird der Dispersionsfluss aus der Perforation um so langsamer, je dicker die mit dieser Perforation in Kontakt stehende Fliessverteilerschicht ist. Um also eine gleichmässige Verteilung des Flusses aus allen Perforationen heraus zu gewährleisten, sollte die Fliessverteilerschicht im wesentlichen gleichmässige Dicke aufweisen.

Um diese Resultate zu erzielen, muss die Fliessverteilerschicht eine gewisse Druckdifferenz bewirken, im Vergleich zu Druckdifferenz bei der Bildung der Kügelchen, wenn sie die Perforationen der nicht porösen Schicht verlassen. Dieses Erfordernis wird weiter unten näher diskutiert. Die Fliessverteilerschicht besteht aus einem porösen Material und kann aus einem weiten Bereich an Substanzen ausgewählt werden, abhängig von den fluiden Medien und den Verfahrensbedingungen, die ausgewählt werden. Wie auch die erste poröse Schicht muss auch die Fliessverteilerschicht chemisch gegenüber den fluiden Medien inert sein, mit welchen sie in Kontakt steht.

Die im wesentlichen nicht poröse perforierte Schicht besteht aus einem Material, welches im wesentlichen gegenüber den verwendeten fluiden Medien nicht permeabel ist, d. h.

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unter Betriebsbedingungen, tritt im wesentlichen die gesamte Dispersionsmasse durch die Perforationen hindurch und nicht durch die nicht perforierten Gebiete. In den Fällen, in welchen die im wesentlichen nicht poröse Schicht aus einem Material besteht, welches eine äussere und eine innere Oberfläche aufweist, so ist die innere Oberfläche diejenige Oberfläche, welche die Grenzfläche zur Fliessverteilerschicht darstellt. Die äussere Oberfläche der Auslasszone ist diejenige Oberfläche, die mit der Suspensionsphase in Kontakt steht. Da die genannte Schicht des nicht porösen Materials nicht perforiert ist, kann jede Perforation als Durchgangsweg oder Kanal angesehen werden, der, unabhängig vom anderen, mit der Fliessverteilerschicht und der Suspensionsphase durch seine Öffnungen in Kontakt steht. So fliesst die Dispersion durch die Fliessverteilerschicht in diese Durchgangswege der nicht porösen Schicht ein und tritt in die Suspensionsphase in Form von Dispersionskügelchen durch die genannten Öffnungen ein. Die nicht poröse Schicht sollte ebenso chemisch inert gegenüber den verwendeten Medien sein. Vorzugsweise besteht die nicht poröse Schicht aus einem Material, welches eine im wesentlichen gleichmässige Dicke parallel zur Flussrichtung aufweist.

Wie oben festgehalten, stellt jede Perforation in der nicht porösen Schicht einen Kanal oder Durchgangsweg für die Leitung der fluiden Medien zwischen der Fliessverteilerschicht und der Suspensionsphase dar. Jeder Durchgangsweg definiert eine Öffnung auf beiden Oberflächen der nicht porösen perforierten Schicht. Diese Durchgangswege werden nun näher beschrieben. In Fig. 2 wird eine spezielle Ausführungsform dieser Durchgangswege dargestellt.

Es existiert eine Anzahl von Parametern, die die Durchgangswege in der porösen Schicht definieren. Dazu gehören beispielsweise der Winkel des Durchgangsweges, die geometrische Anordnung des Durchgangsweges, wie auch die Öffnung des Durchgangsweges an der inneren und der äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht, die diesen Durchgangsweg definiert. Obwohl es theoretisch möglich ist, dass die Durchgangswege einen Winkel mit der Grenzfläche der Fliessverteilerschicht bilden, wird bevorzugt, wenn dieser Winkel ein im wesentlichen rechter Winkel zur Grenzfläche der Fliessverteilerschicht ist. Die geometrische Konfiguration dieser Durchgangswege kann mittels ihres Querschnittes definiert werden. Die Durchgangswege können irgendeine denkbare Form oder Konfiguration aufweisen. Vorzugsweise jedoch sollten die Durchgangswege eine reguläre Ausgestaltung aufweisen. Beispielsweise kann der Querschnitt der Durchgangswege parallel zur Flussrichtung rechteckig, spitzförmig, trapezförmig sein oder eine Form haben mit konvexen Kurven in den Wänden, wobei die Wände sich einander nähern, wenn man zu den Öffnungen gelangt. Die bevorzugte Form ist die konvexe Konfiguration, wobei die Öffnung an der inneren Oberfläche der nicht porösen Schicht grösser ist als die Öffnung an der äusseren Oberfläche dieser nicht porösen Schicht. Eine andere Verfahrensweise zur Definition der Durchgangswege besteht im Beschrieb der Querschnittsfläche senkrecht zur Flussrichtung. Theoretisch kann dieser Querschnitt wieder irgendeine denkbare geometrische Form aufweisen. Die bevorzugten Formen sind rund, rechteckig, dreieckig und elliptisch. Insbesondere bevorzugt sind runde und elliptische Querschnitte. Die Wände der Durchgangswege können rauh oder glatt sein, aber es wird bevorzugt, wenn die Wände der Durchgangswege so glatt wie möglich sind, wodurch ein möglichst kleiner Fliesswiderstand und eine möglichst kleine Scherkraft gegenüber der durchtretenden Dispersion herrscht.

Je nach den Erfordernissen der praktischen Durchführung des Verfahrens können die Durchgangswege im wesentlichen gleiche Volumina und Formen aufweisen, aber der

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Techniker kann diese Parameter verändern, je nach seinen Erfordernissen. Es wird bevorzugt, wenn die Porengrösse dieser Durchgangswege grösser ist als die durchschnittliche Porengrösse der Fliessverteilerschicht, um einen geeigneten Druck entlang des Durchgangsweges aufrechtzuerhalten.

Wie oben angegeben, ergeben die Durchgangswege auf beiden Oberflächen der nicht porösen Schicht Öffnungen, von welchen sie durch die Oberfläche hindurchtreten. Diese Öffnungen können eine scharfe Kante mit dieser Oberfläche bilden oder eine abgerundete Kante. Es wird bevorzugt, wenn auf der äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht eine scharfe Kante ein Durchtritt des Durchgangsweges durch die Oberfläche gebildet wird.

Es sei wiederholt, dass die Grösse und die Form dieser Öffnungen in weitem Bereich variieren kann. Beispielsweise kann die Form dieser Öffnungen rund, elliptisch, rechteckig oder dreieckig sein. Die bevorzugten Formen sind elliptisch und kreisförmig. Die Fläche der Austrittsöffnungen im Vergleich zur gesamten äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht, d.h. der Oberfläche, die in Kontakt mit der Suspension steht, ist weniger als 20% dieser Fläche und vorzugsweise weniger als 5% der gesamten Oberfläche und besonders bevorzugt weniger als 1%. Diese Berechnungen wurden so angestellt, dass die gesamte äussere Oberfläche der Austrittszone die Fläche der Öffnungen einschliesst, und dass die voneinander getrennten Öffnungen im wesentlichen voneinander gleiche Abstände aufweisen. Jedoch ist auch hier gewährleistet, dass der Ausführende Bedingungen aufstellen kann, die für seine Anfordernissen am meisten geeignet sind. Die Durchmesser der Öffnungen in der Austrittszone können im Bereich zwischen etwa 3000 und 10 um und bevorzugt im Bereich zwischen 500 und 50 Jim und insbesondere bevorzugt zwischen 400 und 100 p.m liegen. Es sei ebenso festgehalten, dass die Poren der Fliessverteilerschicht kleiner sein sollten als die Öffnungen auf den beiden Oberflächen der nicht porösen Schicht.

Während des Betriebes bildet die nicht perforierte Fläche der äusseren Oberfläche der perforierten nicht porösen Schicht eine Grenzfläche zur Suspensionsphase, d.h. die nicht perforierte Fläche der perforierten nicht porösen Schicht wird durch die Suspensionsphase benetzt. Eine Be-netzungszone durch die suspendierende Phase sollte bei einem Teil der nicht perforierten Fläche zwischen den meisten Perforationen auftreten. Es hat sich ebenso herausgestellt, dass es bevorzugt wird, wenn die Oberfläche der nicht porösen Schicht, die mit der Suspensionsphase in Kontakt steht, aus einem Material aufgebaut ist, das von der suspendierenden Phase benetzt wird. Wie es dem Fachmann bekannt ist, bildet sich ein Kontaktwinkel von weniger als 90 Grad aus, wenn eine Flüssigkeit verwendet wird, die eine Oberfläche benetzt. Wenn eine Oberfläche von Haus aus nicht durch die suspendierende Phase benetzt wird, kann die Oberfläche so behandelt werden, dass sie benetzt wird. Beispielsweise kann man die Oberfläche mit einem Protein wie z. B. Fibrinogen behandeln, und dies erhöht die Benetzbarkeit der Oberfläche mit einer wässrigen Suspensionsphase. Es ist vorzuziehen, die Behandlung so durchzuführen, dass man die perforierte nicht poröse Schicht allein in eine Lösung von Fibrinogen (0,01-0,1 mg/ml physiologische Kochsalzlösung) eintaucht, um die Fibrinogenkonzentration um einen Faktor von etwa 100 herabzusetzen, bevor man diese Schicht aus dem Kontakt mit der Lösung entfernt. Diese Vorgangsweise verhindert, dass der Proteinfilm Brücken über die Öffnungen, die durch die Perforationen gebildet werden, bildet, welche den Fluss durch die Perforationen wesentlich behindern könnten. Die folgenden Materialien können angewandt werden, wenn die Suspensionsphase nicht wässrig ist: Polyperfluor-äthylen, <Teflon>. Silikonöle, Kohlenwasserstoffwachse und

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Kohlenwasserstofföle. Die Materialien, welche vorzugsweise von wässrigen Lösungen benetzt werden, umfassen geeignete Polymeren mit polaren Bindungen (Nylon). Zwei Materialien, welche bevorzugt durch nicht wässrige Lösungen benetzt werden, sind die folgenden: Polyäthylen und Teflon, und sie sind in geeigneter Vorbehandlung verwendbar. Es sei nochmals festgehalten, dass diese Liste nicht vollständig ist und nur beispielsweie Angaben macht.

Wenn eine stabile zweiphasige Dispersion im Handel erhältlich ist, ist es nicht notwendig, ein erstes fluides Medium in einem zweiten fluiden Medium zu dispergieren, indem man das erste fluide Medium durch eine poröse Schicht, die das fluide Medium dispergiert, hindurchleitet. Dementsprechend führt die Einführung einer Dispersion direkt in eine Zone, die den Durchtritt durch eine Fliessverteilerschicht und durch eine perforierte, nicht poröse Schicht ermöglicht, zur Bildung von Kügelchen in einer Suspensionsphase.

Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung im grössten Ausmasse auszunützen, ist es für den Durchführenden nötig, in geeigneter Weise eine Anzahl von voneinander abhängenden Parametern in geeigneter Weise zu koordinieren. Da diese Parameter voneinander abhängig sind, kann der Praktiker eine Anzahl von Schemata auswählen, um den Bereich dieser variablen Parameter auszuwählen. Im folgenden wird ein Beispiel eines deratigen Schemas vorgeschlagen.

Am Ausgangspunkt wählt der Praktiker folgende Dinge: Die chemische Zusammensetzung der Suspensionsphase, die chemische Zusammensetzung der Emulsion, die Ausführungsbedingungen (d.h. Temperatur und Druck), die durchschnittliche Fliessgeschwindigkeit, d.h. die Fliessgeschwindigkeit aus der Vorrichtung in die Suspensionsphase und die Grösse der Öffnungen an der äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht. Sobald diese Parameter festgelegt sind, ist es möglich, die Erfordernisse der porösen Fliessverteilerschicht zu bestimmen. Der Parameter, der für die Auswahl der Fliessverteilerschciht angewandt wird, ist die Druckdifferenz dieser Schicht. Für ein gegebenes fluides Medium definiert die Druckdifferenz in geeigneter Weise unter speziellen Bedingungen die Art eines porösen Materiales. Die Druckdifferenz AP bezeichnet den Druckabfall eines gegebenen fluiden Mediums beim Durchtritt durch das poröse Material. Dieser Druckabfall kann gemessen werden, indem man ein Differenzdruckmessgerät anwendet, nämlich ein Druckmessgerät, das Druckmessanschlüsse auf beiden Seiten der Schicht aufweist, und das so in der Lage ist, den Druckabfall, den eine unter Druck stehende Flüssigkeit erleidet, wenn sie durch ein gegebenes poröses Material hin-durchfliesst, zu messen. Wie oben angeführt, verändert sich die Druckdifferenz unter Bedingungen der Permeation, d.h. in Abhängigkeit vom fluiden Medium, den Strukturcharakteristiken des porösen Materiales, der Dicke des jeweiligen porösen Materiales usw.

Es wurde festgestellt, dass für ein geeignetes Arbeiten mit der Erfindung der Arbeitsbereich der Druckdifferenz in der Fliessverteilerschicht eine Beziehung zur statischen Druckdifferenz einer Öffnung durchschnittlicher Grösse zu denjenigen, die auf der Aussenseite der perforierten, nicht porösen Schicht gebildet sind, nämlich APAuslass, haben sollte. Dieser Differenzdruck wird entweder gemessen oder für statische anstelle von Fliessbedingungen gerechnet. Experimentellerweise kann eine Probe dieses Materials so montiert werden, dass seine äussere Oberfläche in Kontakt mit der Suspensionsphase steht und das zweite fluide Medium sehr langsam durch diese Perforationen von der anderen Seite der Schicht her durchgeleitet wird. Wenn die zweite Flüssigkeit durch die Öffnung in ein derartigen Ausmass hindurchtritt, dass die Grenzfläche zwischen dem zweiten fluiden Medium und der Suspensionsflüssigkeit im wesentlichen rechtwinklig zur nichtperforierten Oberfläche der perforierten Schicht steht, wird der Fluss unterbrochen und die Druckdifferenz zwischen den zwei Phasen wird gemessen. Diesen Wert bezeichnet amn als APAuslass. Üblicherweise ist es am geeignetsten, diesen statischen Differenzdruck zu berechnen. Die dafür geeignete Gleichung ist APAusIass=yC/A, wobei in dieser Gleichung y die Grenzflächenspannung zwischen dem zweiten fluiden Medium und der Suspensionsflüssigkeit bezeichnet, C bedeutet den Umfang einer typischen Öffnung in der Auslassoberfläche und A ist die Fläche einer typischen Öffnung in der Auslassoberfläche. Da die Parameter E wie Emulsionszusammensetzung, der Druck usw. weiter oben festgelegt worden sind, kann die Fliessverteilungsschicht so ausgewählt werden, dass die oben angeführten Erfordernisse für die gewählten Bedingungen erfüllt werden. Man kann eine Vielzahl von porösen Materialien auswählen, bezüglich ihrer Porengrösse, Dicke usw. Der Anwender kann eine spezielle Schicht auswählen, welche seinen Erfordernissen ange-passt ist, d.h. eine Schicht einer bestimmten Porenstruktur, einer bestimmten Dicke usw., aber in jedem Fall müssen die Parameter so gewählt werden, dass die Druckdifferenz für diese Fliessverteilerschicht den Verhältnissen der Druckdifferenz an den äusseren Öffnungen der nicht porösen Schicht, die oben angegeben wurden, gehorchen.

Nachdem die Fliessverteilerschicht ausgewählt worden ist, kann die poröse, das fluide Medium dispergierende Schicht nach den folgenden Kriterien ausgewählt werden. Es ist vorzuziehen, dass die mittlere Porengrösse der das fluide Medium dispergierenden Schicht nicht grösser ist als die mittlere Porengrösse der Fliessverteilerschicht. Insbesonders bevorzugt wird, wenn die mittleren Porengrössen etwa die gleichen sind. Es ist jedoch möglich, dass die mittlere Porengrösse der das fluide Medium dispergierenden Schicht grösser ist als die mittlere Porengrösse der Fliessverteilerschicht, und es ist sogar möglich, dass diese mittlere Porengörsse das zweifache der erstgenannten Porengrösse beträgt, aber dieser Fall wird nicht bevorzugt.

Die Fliessgeschwindigkeit des ersten fluiden Mediums in die erste Zone und des zweiten fluiden Mediums in die zweite Zone werden so eingestellt, dass man die gewünschte Dispersionszusammensetzung erhält. Wenn man ein volumetri-sches Verhältnis in der Dispersion von 2:1 erwünscht, bezüglich des ersten fluiden Mediums zum zweiten, stellt man die Fliessgeschwindigkeiten der ersten fluiden Phase, welche in die erste Zone eintritt, so ein, dass sie zweimal so hoch ist als die Fliessgeschwindigkeit des zweiten fluiden Mediums, das in die zweite Zone eintritt. Ähnliche Einstellungen werden angewandt für Zusammensetzungen, welche verschiedene Verhältnisse der Komponenten aufweisen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfmdungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und

Fig. 3 ein schematisches Flussdiagramm.

Das erste fluide Medium wird durch eine Einlassöffnung 9 in eine erste Zone 10 eingeführt, welche durch ein Gehäuse 12 und eine poröse, das fluide Medium dispergierende Schicht 1 gebildet wird. Das zweite fluide Medium wird in eine zweite Zone 11 durch eine Einlassöffnung 6 eingeführt, indem man das Medium durch einen ringförmigen Verbindungsteil 7 leitet und über eine Einlassöffnung 8 strömen lässt. Während das erste fluide Medium durch die poröse, das fluide Medium dispergierende Schicht 1 in die zweite Zone 11 eindringt, wird das erste fluide Medium in der zweiten fluiden Phase in der zweiten Zone 11 dispergiert. Dieses dispergierte Medium wird sodann durch eine poröse Fliessverteilerschicht 2 und durch eine im wesentlichen nicht poröse perforierte Schicht 3 (die Perforationen 16 sind nur in

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Fig. 3 gezeigt) durchgeleitet, sodass die Dispersion in Form von Kügelchen 17 in der Suspensierungsphase verteilt wird, wobei die nicht poröse perforierte Schicht 3 eine Grenzfläche zur Suspensionsphase 18 darstellt. Die das fluide Medium dispergierende Schicht 1 ist mit dem Gehäuse 12 an der Stelle 4 dicht verbunden. Die Fliessverteilerschicht 2 und die nicht poröse, perforierte Schicht 3 sind mit dem Gehäuse 12 an der Stelle 5 dicht verbunden.

Das erste fluide Medium wird in Richtung eines Pfeiles 13 durch die poröse, das fluide Medium dispergierende Schicht 1 in die zweite Zone 11 eingeführt, wo sich bläschenartige Teile 14 des ersten fluiden Mediums in der zweiten fluiden Phase 15 bilden. Diese mehrphasige Dispersion wird sodann durch eine poröse Fliessverteilerschicht 2 und durch die Perforationen 16 der nicht porösen Schicht 3 hindurchgeführt, wodurch sich Kügelchen 17 der mehrphasigen Dispersion in einer Suspensionsphase 18 bilden.

Beispiel:

Es wurde ein Versuch ausgeführt mit einer Vorrichtung, bei welchem die das fluide Medium dispergierende Schicht ein poröser rostfreier Stahl Qualität H, erhältlich von «Pali Trinity Micro Corp., Cortland, N.Y.» war. Qualität H wird vom Hersteller so gekennzeichnet, dass sie eine Porengrösse von 2 jxm aufweist, wenn man das oben erläuterte Kriterium einer 98prozentigen Entfernung von Teilchen zugrunde legt. Diese Qualität H wird vom Hersteller weiterhin dahingehend charakterisiert, dass eine absolute Entfernung von 12 um Teilchen erreicht wird, wenn man Flüssigkeiten oder Gase filtriert, und dass Teilchen mit Grössen von 0,4 Jim und 1,0 |jm zu 98% oder vollständig entfernt werden können. Es wird ferner eine mittlere Porengrösse von 5 um angegeben. Dieses Material der Qualität H, das verwendet wurde, wies eine Dicke von 0,8 mm und einen Durchmesser von 1 cm auf, der für den Durchfluss zur Verfügung stand. Die Fliessverteilerschicht, welche etwa 1,6 mm oberhalb der ersten Schicht angeordnet war, war ein poröser rostfreier Stahl der Qualität G des gleichen Herstellers. Diese Qualität ist charakterisiert durch 98prozentige Entfernung von Teilchen einer Grösse von 3 (im, wenn man Flüssigkeiten fîltriet. Ebenso wurde vom Hersteller angegeben, dass 15 jim-Teilchen von Flüssigkeiten vollständig abgetrennt werden. Beim Filtrieren von Gasen wurden Teilchen mit Grössen von 0,7 bzw. 1,8 um zu 98% bzw. vollständig entfernt. Es wurde ebenso eine mittlere Porengrösse von 10 (im angegeben. Es s wurde eine Schicht dieses Materials dieser Qualität G mit einer Dicke von 1,6 mm verwendet. Dieses Material war mit einer nicht porösen perforierten Schicht ohne Abdeckung der Öffnungen der Perforationen mit einem Cyanacryl-klebstoff Typ 910 von «Eastman Chemical, Kingsport, Tenn.» verklebt, welchen man mit Trichloräthylen verdünnte. Die nicht poröse perforierte Schicht war aus Elektrolytnickel der Qualität 15T, hergestellt von «Veco Stork International, Charlotte, North Carolina». Das Material wies Poren auf der Oberfläche auf, welche in Kontakt mit der suspendierenden Phase standen, die 330 (im Durchmesser und 1670 um Tiefe mit einer Durchgangswegsfläche von 3,5% der Gesamtfläche auf. Die Poren auf der Oberfläche, die zur Fliessverteilerschicht hingewandt waren, waren grösser. Die Oberfläche dieser perforierten Schicht, welche mit der Sus-pendierungsphase in Kontakt stand, wurde mit Fibrinogen-lösung, wie oben beschrieben, vorbehandelt.

Diese beiden Schichten wiesen eine kreisförmige Fläche von 1 cm Durchmesser auf, welche für den Durchtritt der fluiden Medien zur Verfügung stand, weil dies auch der Fall war für die das fluide Medium dispergierende Schicht. Das erste fluide Mediu, das bei diesem Beispiel angewandt wurde, war gasförmiger Sauerstoff, der durch die Apparatur mit einer Geschwindigkeit von 203 ml/min bei Zimmertemperatur und ausreichendem Druck hindurchströmte. Die zweite fluide Phase war ein Fluorkohlenstoff, der in die zweite Zone mit einer Geschwindigkeit von 0,75 ml/min eingeführt wurde. Die zweite fluide Phase war Perfluxtributylamin der Formel (C4F9)3N. Rinderblutplasma war die Suspensionsphase in einer Säule oberhalb des Flüssigmembrangenerators. Es wurden Flüssigmembraneingekapselte Sauerstoffbläschen von etwa 1000 (am Durchmesser mit einer Membrandicke von etwa 0,6 um hergestellt, werlche durch die Kolonne aufstiegen, welche das Plasma enthielt und die bei Zimmertemperatur und Normaldruck gehalten wurde. Diese eingekapselten Bläschen wurden sodann durch weiteren Plasmazu-fluss in einen getrennten Behälter übergeführt und gesammelt.

15

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35

S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

641974

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Herstellung einer mehrphasigen Dispersion und zur Verteilung der mehrphasigen Dispersion in Form von Kügelchen in einer Suspensionsphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Teile um-fasst:

erste Mittel (9) zur Einführung eines ersten fluiden Mediums unter Druck;

eine erste Zone (10), die eine poröse flüssigkeitsdisper-gierende Schicht (1) enthält, und welche das erste fluide Medium aufnimmt und dieses erste fluide Medium in eine zweite Zone (11) dispergiert, indem es durch die poröse flüssig-keitsdispergierende Schicht (1) hindurchtritt;

zweite Mittel (6, 7, 8) zur Einführung eines zweiten fluiden Mediums unter Druck in die zweite Zone (11), wobei in der zweiten Zone das genannte erste fluide Medium im genannten zweiten fluiden Medium unter Blasenbildung dispergiert wird, wodurch man eine Mehrphasendispersion erhält;

eine zur Schaffung einer Grenzfläcne zu einer Suspensionsphase angepasste Austrittszone, enthaltend eine perforierte im wesentlichen nicht poröse Schicht (3), welche eine äussere und eine innere Oberfläche aufweist, und wobei jede Perforation eine Öffnung an der äusseren und inneren Oberfläche der nicht porösen Schicht (3) bildet, und wobei die Austrittszone eine poröse Fliessverteilerschicht (2) enthält, welche im wesentlichen in Kontakt mit der inneren Oberfläche der nicht porösen Schicht (3) steht, wobei die zweite Zone (11) in Fliessverbindung mit der Austrittszone steht, und wobei eine mehrphasige Dispersion, die in der zweiten Zone gebildet wird, durch die poröse Fliessverteilerschicht (2) hindurchtreten kann wie auch durch die nicht poröse Schicht (3), so dass die Dispersion in Form von Kügelchen eines vorbestimmten Grössenbereiches durch die Perforationen hindurchtritt, wenn die äussere Oberfläche der nicht porösen Schicht eine Grenzfläche zu einer Suspensionsphase bildet, welche mit dem zweiten fluiden Medium unmischbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der nicht porösen Schicht (3) der Austrittszone aus einem Material besteht, welches von der Suspensionsphase benetzt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen, welche auf der äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht (3) vorhanden sind, im wesentlichen kreisförmig sind mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 500 um und 50 jxm, und wobei die Totalfläche aller Öffnungen weniger als 20% der gesamten äusseren Oberflächen der nicht porösen Schicht (3) ausmacht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Perforation der nicht porösen Schicht (3) einen Durchgangsweg von der äusseren Oberfläche der nicht porösen Schicht zur inneren Oberfläche der nicht porösen Schicht bildet, und dass der Querschnitt jedes Durchgangsweges konvex ist, wenn man diesen Durchgangsweg von innen betrachtet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengrösse der Fliessverteilerschicht (2) im Bereich von 10 bis 0,5 |im liegt, und dass die durchschnittliche Porengrösse der Fliessverteilerschicht im Bereich von 2 bis 0,5 um liegt.
6. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das erste fluide Medium durch die poröse flüssigkeitsdispergierende Schicht (1) in das zweite fluide Medium einleitet, wobei das zweite fluide Medium im wesentlichen unmischbar mit dem ersten fluiden Medium ist, so dass eine mehrphasige Dispersion gebildet wird, indem man das erste fluide Medium im zweiten fluiden Medium dispergiert, und man die mehrphasige Dispersion durch die Austrittszone leitet, wobei der durch die Fliessverteilerschicht bewirkte Druckunterschied grösser oder gleich dem 0,25fachen der statischen Druckdifferenz über einer Öffnung durchschnittlicher Grösse der nicht porösen Schicht ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz im Bereich dem 0,25 bis lOOfachen, vorzugsweise dem 1,0 bis lOfachen der statischen Druckdifferenz an einer Öffnung durchschnittlicher Grösse liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspensionsphase ein fluides Medium ist und vorzugsweise Blut.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fluide Medium gasförmig ist und vorzugsweise Sauerstoff, und dass das zweite fluide Medium flüssig ist und vorzugsweise eine Fluorkohlenstoffverbindung.