DD204403A1 - Vorrichtung zum behandeln von fluessigkeiten mittels schallernergie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschallen von Fluessigkeiten, Fluessigkeitsgemischen, Suspensionen mittels eines hydraulischen Schallerzeugers im kontinuierlichen Durchlauf bei Frequenzen von vorzugsweise 10 bis 30kHz, gekennzeichnet dadurch, dass unmittelbar vor Eintritt des fluiden Mediums in die Duese des Schallerzeugers eine statische Mischstrecke angeordnet ist und dass die Zunge des hydraulischen Schallerzeugers bei laufendem Betrieb von aussen axial verstellt werden kann. Durch die erfindungsgemaesse Vorrichtung koennen fluide Medien im Durchlauf beschallt werden, ohne dass eine Vorvermischung durch spezielle Ruehrvorrichtungen, Emulgier- oder Dispergiermaschinen erforderlich ist. Weiterhin wird die Moeglichkeit d. Entmischung der Phasen vor Eintritt in die Beschallungseinrichtung ausgeschlossen.

Description

YSB CHSMISiCOIvIBIMT BITTERFEH) Bitterfeld,' 25, 2, 1982

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Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten mittels Schallenersie

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschallen von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen, Suspensionen oder Emulsionen mittels eines hydraulischen Schallerzeugers im kontinuierlichen Durchlauf*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen kolloide Systeme, zum Beispiel Emulsionen oder Suspensionen unter Anwendung von Leistungsschall, in den meisten Fällen von Ultraschall, behandelt oder hergestellt werden* Weiterhin ist bekannt, Flüssigkeiten,.. Flüssigkeitsgemische oder disperse Systeme mit Schallenergie zu beaufschlagen, um bei bestimmten chemischen oder biochemischen Reaktionen die Reaktionsgeschwindigkeit oder den Umsetzungsgrad zu erhöhen. Oft werden den Vorrichtungen zur Einleitung von Schallenergie in die Flüssigkeit mechanische Bearbeitungsstufen vorangeschaltet, um zunächst eine Vorvermischung der Flüssigkeiten beziehungsweise eine Vordispergierung bei. heterpgenea Systemen., zu erzielen» Damit wird ein Großteil der Energie, die zur Erreichung einer bestimmten Mischgüte

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erforderlich, ist, vorher auf mechanischem Wege dem System zugeführt. Die restliche Snergieeinleitung erfolgt dann mittels Schall- beziehungsweise Ultraschallvorrichtungen. Als mechanische Vorstufen sind verschiedene Formen von Rühr-, Misch- und Homogenisiermaschinen geeignet, die durch hydrodynamische Scherspannungsfeider eine bestimmte Stoffverteilung herbeiführen. So beschreibt die DD-PS 82 905 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Dispersionen die nach dem bekannten Prinzip der einander scherenden Zahnkränze eines Stator/ Rotor-Systems arbeitet« In dem DD-AP 41 696 findet man ein spezielles Smulgiergerät, das aus einem Stator und einem rasch umlaufenden Rotor besteht, wobei Rotor und Stator gegenläufige Gewindesysteme aufweisen. Auch spezielle Rührvorrichtungen dienen zum Vermischen von fluiden Stoffsystemen, wobei sowohl unterschiedliche Rührerformen in einem beliebigen Behälter als auch spezielle Durchlaufmischvorrichtungen beschrieben worden sind. Bei den Durchlaufmischern sind auf einer zentralen Welle, die sich in einem in einzelne Kammern unterteilten Mantelrohr dreht, unterschiedlich gestaltete Rührelemente oder Schleuderräder befestigt (Dl-AS 1 230 397; IB-PS 3 679182).

Für die zweite Stufe des beschriebenen Dispergierverfahrens sind verschiedene Formen der Schall- beziehungsweise Ultraschallerzeugung bekannt. Gegenüber den bekannten magnetostriktiven und piezoelektrischen Ultraschallsystemen haben sich für industrielle .Maßstäbe die Vorrichtungen zur hydraulischen Schallerzeugung durchgesetzt. Diese sogenannten Ultraschallpfeifen sind allgemein bekannt. So beschreibt die DS-PS 969 eine Flüssigkeitspfeiie, die in einer zylindrischen Bmulgierkammer angeordnet ist« Weiterhin findet man in der DD-PS 6494 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschallung von Flüssigkeiten, wobei durch zwei im Wechsel geschaltete Druckgefäß der hydraulische Schallerzeuger wiederholt von der Flüssigkeit durchflossen wird. Die GB-PS 1 082 143 beinhaltet die Parallelschaltung von Ultraschallpfeifen, Bei diesen vorgeschlagenen Konstruktionen von Flüssigkeitspfeifen werden Zungen verwendet, die entweder in zwei Schwingungsknoten oder einseitig einge—

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spannt sind. Die Art der Befestigung erlaubt gedoch keine axiale Verstellung von außen, so daß die Resonanz zwischen hydraulischer Erregerfrequens und Eigenfrequenz der Zunge durch wiederholter Demontage, Verstellung, Montage und Erprobung hergestellt werden muß.

Die Kombination einer Rührvorrichtung und eines im Durchlauf betriebenen Uitraschallsystems ist in der DE-OS 27 09 485 dargestellt. Das zu behandelnde flüssige Gut wird dabei aus einem ßührbehälter mittels einer Pumpe durch ein- System von einander gegenüber angeordneten Ultraschall-Longitudinalschwingern gefördert. In der DE-AS 1 063 123 wird auf die Schwierigkeit verwiesen, daß bei vorgemischten Produkten, die anschließend einer Ultraschalleinwirkung unterzogen werden, die Gefahr der Entmischung vor Eintritt in die Beschallungs-^· einrichtung besteht, Es wird dieser Nachteil hier durch eine spezielle Zuführung der einzelnen flüssigen Komponenten in den Behandlungsraum behoben. Fach der DE--FS 952 707 wird die zu dispergierende Komponente durch eine Filterfläche in den Beschallungsraum gedrückt.

Die genannten Verfahren oder Vorrichtungen zum Vorbehandeln von fluiden Medien mittels mechanischer Einrichtungen und anschließender Beschallung haben verschiedene Nachteile, Erfolgt die Vorvermischung mittels spezieller Rührvorrichtungenj so ist bei diesen mechanischen Bearbeitungsverfahren die Snergie6usnutzung.<aqzureichend, da nur ..örtlich hohe Schexspannungsdifferenzen auftreten, während die Hauptmenge der Flüssigkeit 'kaum behandelt wird« Hochtcurige Durchlaufaggre-" gate, wie Turbomischer, Desintegratoren sowie andere speziell gestaltete Dispergier- oder Emulgiereinrichtung erfordern einen hohen apparativen und maschinentechnischen Aufwand, Außerdem sind sie nicht universell einsetzbar, da sie für eine bestimmte Mischaufgabe konstruiert sind. Für diese Durchlaufmischer sind auch relativ hohe Antriebsenergien erforderlich. Hinzu kommt- der Aufwand für maschinentechnische Wartung und wechsel der Verschleißteile« Unabhängig von der Art der

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mechanischen Vorbehandlung "besteht immer die Gefahr der Entmischung des Gutes vor Eintritt in die Beschallungseinrichtungj da die Weiterleitung durch Rohrleitungen und Krümmer erfolgt»

Die in der DB-AS 1.063 123 sowie in der DS-PS 952 70? dargelegten konstruktiven Varianten zur Einleitung der "beiden flüssigen Phasen in den Beschallungsraum sind nur für Emulsionen geeignet. Außerdem handelt es sich bei diesen Beschallungseinrichtungen um magnetostriktive oder piezoelektrische Schallgeber, die nur für geringe Leistungen und deshalb für großindustrielle Volumina nicht anwendbar sind. Alle elektrischen Ultraschallverfahren erfordern zusätzliche Ultraschallgeneratoren beziehungsweise für höhere Leistungen Maschinenumformer, um die notwendige elektrische Energie für das Schallsystem zu erzeugen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die in ihrem Grundaufbau für die Behandlung von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen, Emulsionen und Suspensionen allseitig verwendbar ist und in technologische Systeme ohne wesentliche Änderung des vorhandenen Apparateaufbaus eingegliedert werden kann,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vormischung, der Flüssigkeit aller dispersen Systeme durch eine einfache Vorrichtung und eine anschließende Schallbeeinflussung zu erreichen, ohne daß spezielle Emuigier- oder Dispergiervorrichtungen erforderlich sind. Weiterhin soll eine Entmischung der Phasen vor Eintritt in die Beschallungseinrichtung ausgeschlossen werden. Die Vorrichtung soll keine rotierenden apparativen Teile aufweisen, mit geringerem Aufwand hersteilbar und durch geringfügige Änderungen dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden können»

Erfindungsgeinä-ß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dai3 direkt im Einlaufrohr zur Beschallungseinrichtung eine statische Mischstrecke installiert wird, die in der Art und Anzahl der einzelnen Mischelemente beliebig variiert werden kann. Die Beschallungseinrichtung selbst ist erfindungsgeinäß so gestaltet," daß durch Auswechseln von Zungenschwingern mit verschiedenen Abmessungen deren Grundfrequenz, die entsprechend der jeweiligen Aufgabe zur Vermischung von fluiden Phasen, Dispergierung von heterogenen Systemen und Aktivierung von chemischen beziehungsweise biochemischen Reaktionen vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 30 kHz liegt, variiert werden kann und daß durch axiale Yerstellbarkeit der Zunge von außen bei laufendem Betrieb die Grundfrequenz des Zungenschwingers mit der hydraulischen Srregerfrequenz in die erforderliche Resonanz gebracht werden kann,

Die Grundfrequenz V g der Zunge errechnet sich nach der Beziehung

Die einzelnen Symbole haben dabei folgende Bedeutung:

k = konstanter Faktor, abhängig von den Sinspannungsbedin™ gungen und dem physikalischen Schwingungsbild der Zunge

1 = charakteristische Länge der schwingenden Zunge (m) (1 = £ bei einseitig eingespannter Zunge

1 = -4 bei Halterung der Zunge in 2 Schwingungsknoten und bei Schwingung in der Grundfrequenz,) .

Ξ =: Elastizitätsmodul des Zungenwerkstoffs (kp/m ) 3-= Widerstandsmoment des Zungenquerschnitts (m¹) 5 = Dichte des Zungenwerkstoffs (kg/nr)

ο= Querschnittsfläche der Zunge (m )

?i ~ Wellenlänge der Schwingung (m)

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Die Erregerfrequenz \\ ergibt sich aus der Gleichung

* = ( ) ^υ e a ^v s ^J

Die einzelnen Größen "bedeuten hierbei:

W = Strömungsgeschwindigkeit am Austritt der

Schlitzdüse (m/s)

a = Abstand zwischen Düsenantritt und vorderer Zungenkante (m)

Bei festgelegten Abmaßen und Werkstoffkennziffern der Zunge kann die damit fixierte Grundfrequenz g durch axiale Verstellung der Zunge, und damit Veränderung des Abstandes a mit der Erregerfrequenz $ _Q is Resonanz gebracht werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll durch ein Beispiel erläutert werden, -ⁿ ffigm? 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die Flüssigkeit, das Flüssigkeitsgemisch oder die heterogene Mischung ^gelangen in das Einlaufrohr 5· Ia diesem Einlaufrohr 5 sind nach dem Prinzip des Statikmischers wendeiförmige Einsätze 2 und 4·, die in den Hülsen 3 befestigt sind, eingeschoben. Die Wendeln 2 und 4 sind aus einem rechteckigen Blech geformt und haben einen Drallwinkel von 180 °, Die linksgängigen Wendeln 2 und die rechtsgängigen Wendeln 4 sind so hintereinander angeordnet, daß ihre Kanten unter einem Winkel von 90 ° aufeinanderstoßen« Durch diese Wendelanordnung wird der Produktstrom mehrfach geteilt und die Seilstrome verlagert. Die Mischintensität dieses an sich bekannten statischen Systems wächst progressiv mit der Anzahl der eingesetzten Mischelemente. In der Praxis werden vorzugsweise 5 bis 10, maximal etwa 20 dieser Wendeleinsätze für eine Vormischung: ausreichend sein. Prinzipiell können anstelle der

sogenannten "Wendelinischer" auch, andere bekannte Formen von Statik-Mischern an dieser Stelle eingesetzt werden. Das vorgemischte Material gelangt durch den Schraubeinsatz 7 5 der mittels Rundring 6 abgedichtet ist_? in die Plachstrahldüse 9) die in dem Grundkörper 10 verspannt ist, Die Austrittsgeschwindigkeit am Ende der Düse 9 liegt vorzugsweise zwischen 60 und 80 m/s. Der Grundkörper 10 wird durch den Zwischenflansch 18 gehaltert. Auf dem Grandkörper 10 ist eine axial bewegliche Hülse 12 angeordnet, die durch die Paßfeder 13 gesichert ist,

Figur 2 zeigt die Seitenansicht der Hülse 12. Durch vier Schrauben 21, die durch die Muttern 20 gegen den Gewindeeinsatz 19 gekontert sind, wird die metallische Zunge 11 in den beiden Schwingungsknoten K gehaltert. Die axiale Bewegung der Zunge erfolgt am Handrad 15 über die Gewindespindel 17, die durch die Stopfbuchse 16 abgedichtet ist. Damit kann der Abstand a zwischen Austrittsöffnung der Schlitzdüse 9 und der Vorderkante der Zunge 11 so verstellt werden, daß die hydraulische Srregerfrequenz mit der Eigenfrequenz der Zunge übereinstimmt. Die. Ebntrclle erfolgt durch Messung der Schallintensität mittels üblicher elektronischer. Geräte, zum Beispiel mit Ultraschallmikrophon und Schleifenoszillograph., Die beiden zylindrischen Kammern .8 und 14 werden mittels Schrauben zusammen mit dem Zwischenflansch 18 verspannt. Die Befestigung der erfindungsgemäßsn Vorrichtung erfolgt mit den Anschlußflanschen 1Ό : ··

In Figur 3 wird eine Anwendungsmöglichkeit der:erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, in den'Behälter 23 wird über das Einlaufrohr 22 das zu behandelnde Medium eingefüllt. Mit der Pumpe 32 wird das Produkt durch den Wärmeübertrager 3I gefördert, der als ISihler oder Erhitzer betrieben werden kann. Hinter dem Wärmeübertrager 31 gelangt die Flüssigkeit in die erfindungsgemäBe Beschallungsvorrichtung 27 und von dort über die. Leitung 24 zurück in den Behälter 23. Die Durchflußmenge wird mit der Blende' 30 gemessen und an dem U-Eöhr-Manometer

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angezeigt. Der Druck vor der Beschallungseinrichtung 27, der bei Strömungsgeschwindigkeiten in der Düse von 60 - 80 m/s im Bereich von 10 - 16 kp/cm liegt_s wird mit dem Manometer 29 gemessen. Menge und Vordruck können durch das Ventil 33 eingestellt werden. Die Temperatur wird am Thermometer 28 abgelesen* Die Anlage kann diskontinuierlich betrieben werden, indem der Behälter 23 gefüllt wird und das Dreiwegeventil 25 allein in Richtung Behälter geöffnet ist* Die fertige Charge wird durch Öffnen des Ventils 36 über den Stutzen 37 entleert. Bei kontinuierlichem Betrieb der Anlage bleibt das Ventil 3& geschlossen und das Ventil 35 ist voll geöffnet. Durch Verstellung des Dreiwegeventils 25 kann eine Teilmenge über den Stutzen 26 entnommen werden. Der kontinuierliche Zulauf erfolgt über das Sinlaufrohr 22,

Claims (4)

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   Erf indungsansr>ruch

   1. Vorrichtung zum Beschallen von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen, Suspensionen und Emulsionen mittels eic hydraulischen Schallerzeugers im kontinuierlichen Durch lauf bei Frequenzen von 10 "bis 30 kHz, gekennzeichnet dadurch, daß unmittelbar vor dem Eintritt des fluiden Mediums in die Düse des Schallerzeugers eine statische Mischstrecke und in dein hydraulischen Schallerzeuger ei auswechselbarer Zungenschwinger, deren Grundfrequenz im Frequenzbereich variierbar sind, angeordnet sind*

   Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Zungenschwinger bei laufendem Betrieb von außen axi verstellt werden kann,
2. 3. Vorrichtung' nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mischstrecke aus -rechts-.--und ^inksgä-ßgigen. wendeln mit einem Drallwinkel von jeweils 180 besteht und hintereinander mit ihren Kanten unter einem Winkel von 90 ° aufeinanderstoßend angeordnet sind.
3. 4. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, dais in der statischen Mischstrecke andere bekannte Formen von Mischern, vorzugsweise Kanalmischer aus Riffelläse1-len ( SuI zer-Mls eher.) oder zylindrische Einsätze mit siel kreuzenden Einzelkanälen (ISG-Mischer) verwendet werden,

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4. 5. Vorrichtung nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zunge des hydraulischen Schallerzeugers in zwei Schwingungsknoten gehaltert ist und die frei schwingende Länge der Zunge 2 ^ beträgt.

   6_e Vorrichtung nach den Punkten 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zunge einseitig, eingespannt ist und die frei schwingende Länge der Zunge ^ beträgt«,

   Hierzu JL-Seiien Zeichnungeil