DE102004001346A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere metallischen und keramischen Schmelzen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere metallischen und keramischen Schmelzen Download PDF

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Abstract

Der in der Anwendung der Pulverherstellung häufigste eingesetzte Zerstäubertyp ist der Zweistoffzerstäuber mit interner oder externer Mischung von Zerstäubungsmedium mit Fluid. Nach dem Stand der Technik der Zweistoff-Zerstäubung mittels Gasen oder Flüssigkeiten bei externer Mischung wird ein zumeist zentral geführter Schmelzestrahl von einer auftreffenden oder parallel zum Strahl geführten Gas- oder Flüssigkeitsströmung zerstäubt. Hieraus resultieren Partikel mit einem breiten Partikelgrößenspektrum. Die Erfindung erhöht die Effizienz des Zerstäubungsverfahrens gegenüber dem Stand der Technik und erzeugt ein Pulver mit einem gegenüber dem Stand der Technik engeren Partikelgrößenspektrum. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Zerstäubung von Fluiden dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlich zugeführter Fluidstrom in einer beheizbaren Zuführkammer (5) derart geführt wird, dass das Fluid die Zuführkammer als konzentrischer Ringstrahl (9) verlässt. Das Zerstäubergas wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart in mindestens zwei Teilströmen geführt, dass ein Teilstrom zentral im Inneren des konischen Flüssigkeitsstrahls (9) zugeführt wird und ein weiterer Teilstrom (11) den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl (9) konzentrisch von außen umgibt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Herstellung von Pulvern aus Lösungen und Suspensionen sowie keramischen und metallischen Schmelzen.

Description

  • Die Zerstäubung von Fluiden als klassisches verfahrenstechnisches Grundverfahren ("unit-operation") überführt ein Kontinuum (Flüssigkeit) mittels intrinsischer (z.B. potentieller) oder extern aufgeprägter (z.B. kinetischer) Energie in ein disperses System (Tropfen-Spray). wesentliche Aufgabe des Verfahrens der Zerstäubung ist die Erzeugung einer vergrößerten Phasengrenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Gas als Summe der Oberflächen des erzeugten Tropfenspektrums (A ~ nidi 2) bei minimalem Energieaufwand.
  • Die mannigfaltigen Anwendungen von Zerstäubungsverfahren im Rahmen verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen können z.B. in die impaktorientierten (zur Beschichtung oder Kühlung etc.) und die auf die Spraystruktur (in der Verbrennung, Pulvererzeugung und -beschichtung etc.) gerichteten Verfahren eingeteilt werden. Eine weitere Einteilung erfolgt auf der Basis des Zerstäubertyps, welcher wiederum durch die Art der Energieeinbringung charakterisiert ist. Der hierbei in der Anwendung der Pulverherstellung aus Lösungen, Schmelzen oder Suspensionen häufigste eingesetzte Zerstäubertyp ist die Zweistoffzerstäubung mit interner oder externer Mischung von Zerstäubungsmedium und Fluid.
  • Der Stand der Technik der Zerstäubung von Fluiden ist in zahlreichen Monographien und Übersichtsbeiträgen dargelegt (s. z.B. [Lefebvre, A.H.: Atomization and Sprays, Hemisphere Publ. Corp. New York et al. 1989; Bayvel, L.; Orzechowski, Z.: Liquid Atomization, Taylor & Francis Publ. Washington DC 1993; Nasr, G.G., Yule, A.J.; Bendig, L.: Industrial Sprays, Springer Verlag, Berlin 2002]). Ebenfalls sind die speziellen Anforderungen zur Zerstäubung von keramischen oder metallischen Schmelzen Gegenstand einiger Übersichten (s. z.B. [Yule, A.J.; Dunkley, J.J.: Atomization of Melts, Clarendon Press, Oxford 1994; Lawley, A.: Atomization – The Production of Metal Powders, Metal Powder Industries Federation, Princeton 1992; Lavernia, E.J.; Wu, Y.: Spray Atomization and Deposition, J. Wiley & Sons, Chichester 1996]).
  • Zur Herstellung von Pulvern aus Lösungen sowie keramischen oder metallischen Schmelzen oder zur Sprühkompaktierung kommt hierbei die Technik der Zweistoff-Zerstäubung mittels Gasen oder Flüssigkeiten bei externer Mischung von Zerstäubungsmittel und Schmelze zum Einsatz. Hierbei wird ein zumeist zentral geführter Schmelzestrahl von einer auftreffenden oder parallel zum Strahl geführten Gas- oder Flüssigkeitsströmung, die den Schmelzestrahl zumeist konzentrisch umgibt, zerstäubt. Die Schmelze wird hierbei bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts aus einem Schmelztiegel (diskontinuierliche Schmelzezuführung) oder einem Verteilersystem (kontinuierliche Schmelzezuführung) als zylindrischer Strahl oder Flachstrahl in den Zerstäubungsbereich eingebracht. Als Zerstäubergas werden hierbei Luft oder Inertgase wie Argon, Helium oder Stickstoff verwendet. Die Gase werden aus Gasdrucknetzen oder Flüssigtanks unter Druck zugeführt und können vor der Zerstäubung erhitzt werden. Als Flüssigkeiten kommt neben Wasser auch Flüssiggas zum Einsatz. Die Verbrauchskosten des Zerstäubungsprozesses ergeben sich aus den Bereitstellungskosten der Gase oder Flüssigkeiten und der Energieeffizienz des Zerstäubungsverfahrens. Hierbei wird letztere zumeist mit dem spezifischen Gasverbrauch (z.B. kg an Gas pro kg an Schmelze) beschrieben. Im hohen Gasverbrauch liegt ein wesentlicher Nachteil der Zerstäubung metallischer oder keramischer Schmelzen nach dem Stand der Technik begründet.
  • Jedes Zerstäubungsverfahren resultiert in Partikeln, welche ein Spektrum der Tropfen- oder Partikelgrößen aufweist, welches wiederum charakterisiert ist durch die Art der Partikelgrößenverteilung, einen Lage- und einen Streuparameter. Anwendungstechnisch ist im Rahmen der Pulverproduktion zumeist nicht das gesamte Partikelgrößenspektrum, welches durch die Zerstäubung hergestellt wird, von Interesse, sondern lediglich ein enges Kornspektrum. Hierfür sind zumeist dem Zerstäubungsprozess nachgeschaltete Klassierverfahren notwendig, um die interessierende Pulverfraktion aus dem Zerstäubungsergebnis herzustellen. Die Breite der Partikelgrößenverteilung eines Zweistoff-Zerstäubungsverfahrens wird hierbei wesentlich durch die Art des Schmelzezerfalls bei der Interaktion mit dem Zerstäubergas geprägt. Die nach dem Stand der Technik bei extern mischenden Zweistoffdüsen der Schmelzezerstäubung erzielbare Enge der Partikelgrößenverteilung ist hierbei in vielen Anwendungen nicht ausreichend.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung einer Vorrichtung sowie eines Verfahrens zur gegenüber dem Stand der Technik energieeffizienteren Zerstäubung von Fluiden, insbesondere von Lösungen und Suspensionen sowie keramischen und metallischen Schmelzen zur Pulverproduktion und Sprühkompaktierung. Das hierbei erzielte Pulver als Zerstäubungsergebnis zeichnet sich wesentlich gegenüber Pulvern, die nach dem Stand der Technik hergestellt werden, durch eine größere Homogenität (engeres Korngrößenspektrum) aus.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Zerstäubung von Fluiden (insbesondere metallischen und keramischen Schmelzen) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Zerstäubung von Fluiden (insbesondere metallischen und keramischen Schmelzen) mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere von keramischen oder metallischen Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich zugeführte Fluidstrom in einer beheizbaren Zuführkammer derart geführt wird, dass das Fluid die Zuführkammer als konzentrischer Ringstrahl verlässt. Das Zerstäubergas wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart in mindestens zwei Teilströmen geführt, dass ein Teilstrom zentral im Inneren des konischen Flüssigkeitsstrahls zugeführt wird und ein weiterer Teilstrom den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl konzentrisch von außen umgibt. Durch die Schaffung einer vergrößerten Phasengrenz- und somit Angriffsfläche für die Zerstäubergasströmung des Schmelzestrahls in Form einer Ringströmung und die gleichzeitige Anwendung der Zerstäubergasströmung von innen und von außen am konzentrischen Flüssigkeitsstrahl wird die Zerstäubungseffizienz des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik erhöht. Des weiteren resultiert aus der Intensivierung des Desintegrationsvorgangs ein enges Partikelgrößenspektrum als Ergebnis des Zerstäubungsprozesses.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung führt die Flüssigkeit durch einen Ringspalt in den Zerstäubungsbereich. Zur Steuerung oder Regelung von Fluidmassenstrom und/oder der Dicke des konzentrischen Flüssigkeitsstrahls ist hierbei die Spalthöhe einstellbar.
  • In einer weiteren zweckmäßigen Art der Flüssigkeitszufuhr wird die Flüssigkeit über einen tangentialen Zulauf in die Zuführkammer geleitet, wodurch sich ein Drall des Fluids ergibt, welcher das Fluid wiederum als Ringspaltströmung die Zuführkammer verlassen lässt.
  • Eine besonders günstige Ausführung der erfindungsgemäßen Zerstäubervorrichtung ermöglicht den Austritt des Flüssigkeitsstrahls als Ringspaltströmung mit und ohne Anstellwinkel zur Ausbreitungsrichtung. Die Umlenkung des Flüssigkeitsstrahls erfolgt in einer geeigneten Ausführung durch die geometrische Ausgestaltung des Auslassbereichs und der Strömungsführung auf der Basis des Coanda-Effekts in radialer Richtung. Ebenfalls lässt sich eine Umlenkung des Fluidstroms durch die Aufprägung eines Dralls auf die Fluidströmung in oder vor der Zuführkammer gewährleisten.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Zerstäubervorrichtung führt den inneren Gasstrom möglichst mittels einer Lanzenvorrichtung nahe an den Flüssigkeitsauslass heran. Über einen zu variierenden Gasvordruck in Kombination mit dem Auslassdurchmesser der inneren Düse werden der Gasmassenstrom und die Austrittsgeschwindigkeit des Gases zweckmäßigerweise eingestellt. Das Gas kann hierbei aus einer rein konvergenten oder einer konvergent/divergenten Düse mit Geschwindigkeiten im Unter- oder Überschallbereich aus der Düse austreten. Zusätzlich kann in einer zweckmäßigen Variante dem Gasstrom ein Drall bspw. durch Einbau eines Drallkörpers aufgegeben werden. Die Drallrichtung kann hierbei gleich- oder gegensinnig zum möglichen Drall des Fluidstroms aufgeprägt werden.
  • Die äußere Gasströmung umschließt in einer geeigneten Zerstäubervorrichtung konzentrisch den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl. Die Gasströmung kann hierbei parallel zum Fluidstrahl oder in einem Anstellwinkel zum Fluidstrahl geführt werden. Die Ausführung des Gasaustritts erfolgt zweckmäßigerweise aus einem System diskreter Bohrungen oder einem Ringspalt. Die in einer geeigneten Ausführungsart zu wählenden Querschnittsverläufe (nicht erweitert oder konvergent/divergent) der Gasauslässe ermöglichen Austrittsgeschwindigkeiten des Gases im Unter- oder Überschallbereich.
  • Das Zerstäubermedium einer zweckmäßigen Ausführung der Zerstäubervorrichtung ist im Druck und in der Temperatur einstellbar. Es können Gase sowie Flüssigkeiten oder verflüssigte Gase als Zerstäubungsmedium eingesetzt werden.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere von keramischen oder metallischen Schmelzen, wird das kontinuierlich strömende Fluid in einer Zuführkammer derart geführt, dass das Fluid die Zuführkammer als konzentrischer Ringstrahl verlässt. Das Zerstäubermedium wird derart in mindestens zwei Teilströmen geführt, dass ein Teilstrom zentral im Inneren des Flüssigkeitsstrahls zugeführt wird und ein weiterer Teilstrom den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl konzentrisch von außen umgibt. Durch Ringfilmbildung des Zerstäubungsfluids und die damit verbundene Schaffung einer vergrößerten Phasengrenz- und somit Angriffsfläche für die Zerstäubergasströmung und die gleichzeitige Anwendung der Zerstäubergasströmung von innen und von außen am konzentrischen Flüssigkeitsstrahl wird gegenüber dem Stand der Technik die Zerstäubungseffizienz des Verfahrens erhöht. Aus der Intensivierung des Desintegrationsvorgangs resultiert eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Homogenität des Zerstäubungsergebnisses mit einem engeren Partikelgrößenspektrum.
    •
  • Anhand nachfolgend aufgeführter Darstellungen (1 bis 3) sollen einige Beispiele von Ausführungen der Erfindung zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere metallischen oder keramischen Schmelzen, erläutert werden. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zerstäubung von Fluiden im Querschnitt. Die abgebildete Vorrichtung 1 umfasst eine zentrale Düsenlanze 2 zur Anwendung des zentralen, inneren Zerstäubergasstroms. Dieser wird aus einem Druckreservoir oder aus Flüssigkeitstanks gespeist und kann in Druck und Temperatur eingestellt werden. Die Ausführung kann (wie dargestellt) als rein konvergente Düse mit einer unterexpandierten Gasströmung oder in konvergent/divergente Form zur Erzielung von Überschallgeschwindigkeiten gestaltet werden. Eine Be- und Entlüftungsanordnung 3 ermöglicht die Regelung des Druckausgleichs im zentralen Spalt zwischen einem Wehrrohr 7 und der Düsenlanze 2 und somit der Einstellung des Entrainmentstroms in den Lanzenstrahl. Die Schmelze wird in diesem Ausführungsbeispiel einer im wesentlichen zylindrischen und beheizbaren Zuführkammer 5 kontinuierlich über eine Einführung 4 zudosiert. Alternativ kann die Zuführkammer selbst als Schmelztiegel ausgeführt sein, wodurch sich ein Betrieb in Batch-Fahrweise ergibt. Die Schmelze wird in der Zuführkammer 5 im Ringraum zwischen der aus Feuerfestmaterial oder chemisch nicht reaktivem Material ausgeführten Wandung der Zuführkammer und dem ebenfalls aus nicht reagierendem, geeignetem Material ausgeführten Wehrrohr 7 gehalten. Die Zuführkammer kann zur Kompensation von Wärmeverlusten oder zur Einstellung einer gezielten Überhitzung der Schmelze geheizt werden. Ein äußerer Zerstäubergasstrom 11 wird über einen konzentrischen Ringraum über diskrete Bohrungsdüsen oder einen Ringspalt konzentrisch um den ringförmigen Schmelzestrom 9 angeordnet. Dieser wird aus einem Druckreservoir oder aus Flüssigkeitstanks gespeist und kann in Druck und Temperatur unabhängig vom inneren Zerstäubergasstrom eingestellt werden. Es resultiert bei der vertikal angeordneten Ausführung der Zerstäubervorrichtung ein nach unten austretender Sprühkegel 12 mit Hohlkegelstruktur.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel nach 13 in 2. wird die Schmelze tangential und kontinuierlich über einen Zuführkanal 14 der Zuführkammer zugeführt. Es resultiert eine Drallströmung, welche im Auslass als konzentrische Ringströmung die Zuführkammer verlässt.
  • In der 3 sind mögliche Ausführungsformen der Strömungsführung von Zerstäubungsfluid oder -schmelze und äußerem Zerstäubergasstrahl im Auslassbereich der Zerstäubervorrichtung dargestellt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3a wird die Schmelze in einem zylindrischen Austrittskörper geführt. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Zerstäubervorrichtung nach 3b zeigt eine im Austrittsbereich divergierende Strömungsführung des Schmelzestroms. Durch die geeignete Gestaltung der Geometrie des Auslassbereichs lässt sich die Schmelzeströmung unter Ausnutzung des Coanda-Effekts so in radialer Richtung aufweiten, so dass daraus eine weitere Verminderung der Fluidfilmdicke und eine Vergrößerung der Phasengrenzfläche zum geeigneten Angriff des äußeren Zerstäubergasstroms resultiert. Der Zerstäubungsfluidströmung lässt sich so in ihrem Austrittswinkel – gegenüber der Senkrechten auslenken. Desweiteren kann die äußere Zerstäubergasströmung um einen Auslenkungswinkel – so geführt werden, dass ihre Richtung tangential zum Fluidstrahl geführt wird oder mit einer Normalkomponente der Geschwindigkeit auf das Zerstäubungsfluid trifft. Die äußere Zerstäubergasströmung kann hierfür zweckmäßigerweise in einem Anstellwinkel von +/- 45 ° zur Senkrechten angestellt werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Zerstäubung von Fluiden, insbesondere von keramischen oder metallischen Schmelzen, bei welcher der kontinuierlich zugeführte Fluidstrom in einer Zuführkammer (5) derart geführt wird, dass das Fluid die Zuführkammer (5) in einen Zerstäubungsbereich als konzentrischer Ringstrahl (9) verlässt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerstäubergas in mindestens zwei Teilströmen derart geführt wird, dass ein Teilstrom zentral im Inneren des konischen Flüssigkeitsstrahls zugeführt wird und ein weiterer Teilstrom den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl konzentrisch von außen umgibt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasteilströme individuell in Druck, Temperatur und Massenstrom regelbar sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Zerstäubergasströmung mit Unter- oder Überschallströmung sowie ohne oder mit Drall eine zentrale Düsenlanze (2) verlässt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Zerstäubergasströmung (11) in einem Winkel zur Senkrechten eingestellt werden kann.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Gasströmung (11) aus diskreten Bohrungen oder einem Ringspalt ausströmt.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidfilm mit einem Drall beaufschlagt werden kann.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmung durch die Gestaltung des Auslassbereichs eine radiale Strömungskomponente aufgeprägt wird und die Zuführkammer (5) unter einem Winkel zur Senkrechten verlässt.
  9. Verfahren zur Zerstäubung von Fluiden, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlich zugeführter Fluidstrom in einer Zuführkammer derart geführt wird, dass das Fluid die Zuführkammer in den Zerstäubungsbereich als konzentrischer Ringstrahl verlässt und von einem Zerstäubergas zerteilt wird, wobei ein Teilgasstrom zentral im Inneren des konischen Flüssigkeitsstrahls zugeführt wird und ein weiterer Teilstrom den ringförmigen Flüssigkeitsstrahl konzentrisch von außen umgibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Herstellung von Pulvern aus keramischen oder metallischen Schmelzen sowie Lösungen und Suspensionen.
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