DE102004053239A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten, insbesondere aus flüssigem Kohlendioxid - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten, welches folgende Schritte umfasst: DOLLAR A a) Die Flüssigkeit wird aus einem Lagerbehälter entnommen und DOLLAR A b) auf die Tripelpunktstemperatur abgekühlt und auf den gewünschten Gefrierdruck gedrosselt und danach werden DOLLAR A c) Tropfen aus der Flüssigkeit erzeugt und diese DOLLAR A d) in einen Gasstrom eingebracht, der mindestens zum Teil nicht aus dem Stoff der Flüssigkeit besteht, wodurch DOLLAR A e) die Tropfen zu festen Partikeln durch eine Teilverdunstung der Flüssigkeitstropfen gefrieren, wonach die festen Partikel DOLLAR A f) anschließend gesammelt und ausgeschleust werden. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten.
• Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kohlendioxid-Partikeln aus flüssigem Kohlendioxid. Als bevorzugtes Einsatzgebiet von Kohlendioxidpartikeln sind Strahlverfahren für die abrasive Oberflächenbehandlung zu nennen.
• Im Stand der Technik ist beispielsweise das sogenannte Trockeneisstrahlen zum Reinigen von Oberflächen bekannt.
• Kohlendioxid eignet sich in besonderer Weise zur Erzeugung von festen Partikeln aus flüssigem Kohlendioxid. Das Kohlendioxid unterscheidet sich von den meisten anderen Stoffen dadurch, dass sein Tripelpunktsdruck höher ist als 1 bar (0,1 Mpa), nämlich 5,2 bar. Die zugehörige Tripelpunktstemperatur liegt bei –56 °C. Bei Atmosphärendruck liegt Kohlendioxid somit nur in fester und in gasförmiger, nicht jedoch in flüssiger Form vor. Die zugehörige Sättigungstemperatur bei 1 bar ist etwa minus 80 °C. Bei 20 °C beträgt der Siededruck etwa 58 bar.
• Diese thermodynamischen Eigenschaften des Kohlendioxids ermöglichen eine relativ einfache Herstellung von festen Partikeln aus flüssigem Kohlendioxid. Das Gas wird in Druckflaschen bzw. größeren Drucktanks, in welchen die Flüssigkeit bei 58 bar mit Dampf im Gleichgewicht steht, gelagert und transportiert. Entnimmt man flüssiges Kohlendioxid aus einem solchen Lagertank und drosselt es auf Atmosphärendruck, so entsteht während des Drosselvorgangs in der Flüssigkeit sehr viel Dampf und zerreißt die Flüssigkeit in sehr kleine Tröpfchen. Nach dem Durchgang durch den Tripelpunktsdruck wandeln sich diese Tröpfchen in kleinste Eiskristalle um. Das entstehende feinkristalline Produkt sieht aus wie Schnee und wird auch als Trockeneis bezeichnet. Um Trockeneis für die abrasive Strahlbehandlung von Oberflächen einsetzen zu können, ist eine besondere Art der Weiterbehandlung des Trockeneises erforderlich. Diese besteht in der Komprimierung und anschließenden Extrusion. Das Endprodukt sind Kohlendioxid-Schneepellets, im Folgenden Pellets genannt. Die Pellets haben einen Durchmesser von 2 bis 5 Millimeter und werden in isolierten Behältern von 200 bis 700 Kilogramm Inhalt transportiert und gelagert.
• Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung der Trockeneis-Pellets ist in 1 anhand einer üblichen Vorrichtung dargestellt. Dabei wird das flüssige Kohlendioxid aus einem Lagertank 1 über einen Entnahmeleitung 2 und einen Vorkühlwärmeübertrager 3 zum Drosselventil 4 geleitet, wo es entspannt wird und über Sprühdüsen 6 in den Behälter 5 in Tropfenform eingebracht wird. Die Partikelerzeugung erfolgt in der Partikelerzeugungszone/Gefrierraum 7 des Behälters 5. Der entstehende Trockeneisschnee bzw. die festen Partikel 8 sammeln sich im unteren Teil infolge Schwerkraft und werden über eine Schleuse 9 in einen Extruder 12 geleitet und in letzterem durch ein Lochblech 13 extrudiert. Die entstehenden Pellets 11 werden schließlich im isolierten Transportbehälter 10 gelagert oder direkt ohne Zwischenlagerung für das Trockeneisstrahlen mithilfe eine Treibstrahles verwendet.
• Beim Trockeneisstrahlen werden die Pellets üblicherweise in Druckluft eingeschleust. Das Gemisch wird in einer Düse auf Atmosphärendruck entspannt und dabei auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Beim Aufprall der CO₂-Partikel auf die Oberfläche übertragen die Pellets eine lokal hohe Aufprallenergie und sorgen zusätzlich durch ihre Sublimation für eine lokale starke Temperaturabsenkung, wodurch die Verunreinigung versprödet und leichter mechanisch abgelöst werden kann. Ein Vorteil des Trockeneisstrahlens liegt darin, dass das Kohlendioxid in den dampfförmigen Zustand übergeht und somit verschwindet. Es entstehen keine Strahlmittelrückstände, die entsorgt werden müssten.
• In der DE 37 20 992 C2 wird ein Verfahren zur Reinigung radioaktiv kontaminierter Werkstückoberflächen und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens offenbart, wobei CO₂-Eispartikel mithilfe eines Treibstrahls gegen eine Werkstückoberfläche gerichtet werden und die CO₂-Eispartikel dadurch gebildet werden, dass flüssiges CO₂ mit flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff unter den Erstarrungspunkt abgekühlt wird, so dass in dem flüssigen CO₂ die Kristallbildung einsetzt.
• Diese im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von festen Partikeln aus Kohlendioxid haben gravierende Nachteile. Der Weg über die Drosselung auf Atmosphärendruck und die anschließende Kompression und Extrusion des Schnees zu Pellets gemäß 1 ist apparativ sehr aufwendig. Die entstehenden Pellets, die aus zusammengedrücktem Schnee bestehen, sind relativ weich und für viele Anwendungen der Oberflächenbehandlung nicht ausreichend hart.
• Die Herstellung von CO₂-Eispartikeln über die kombinierte Abkühlung und Druckveränderung ist energetisch sehr aufwendig, da flüssiger Stickstoff oder flüssige Luft für die Erzeugung der festen Partikel erforderlich ist, was thermodynamisch einen höheren Aufwand bedeutet, der sich in der ökonomischen Effizienz des Verfahrens negativ niederschlägt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der feste Partikel aus Flüssigkeiten auf einfachere Weise erzeugbar sind und dass die entstehenden Partikel für das Strahlen von Oberflächen bessere Eigenschaften aufweisen. Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, härtere Partikel für den Einsatz zur Strahlbehandlung von Oberflächen zu erzeugen.
• Die Erfindung wird durch ein Verfahren zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
• a) Die Flüssigkeit wird aus einem Lagerbehälter entnommen und
• b) auf die Tripelpunktstemperatur abgekühlt und auf den gewünschten Gefrierdruck gedrosselt und danach werden
• c) Tropfen aus der Flüssigkeit erzeugt und diese
• d) in einen Gasstrom eingebracht, der mindestens zum Teil nicht aus dem Stoff der Flüssigkeit besteht, wodurch
• e) die Tropfen zu festen Partikeln durch eine Teilverdunstung der Flüssigkeitstropfen gefrieren, wonach die festen Partikel
• f) anschließend gesammelt und ausgeschleust werden.
• Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass nicht schneeartige kleinste Kristalle erzeugt und anschließend komprimiert werden, sondern dass Tropfen der gewünschten Größe erzeugt und durchgefroren werden. Dieser Vorgang läuft bei einem Druck ab, der in der Größenordung des Tripelpunktsdrucks liegt. Erfindungswesentlich ist, dass die zum Gefrieren der Tropfen benötigte Kälte durch Teilverdunstung eines Teils des Tropfens bzw. des bereits entstandenen festen Kohlendioxids erzeugt wird.
• Neben der erfindungsgemäßen Erzeugung der festen Partikel in einem Druckbehälter und im anschließenden Ausschleusen in einen Transportbehälter bei Umgebungsdruck können die erzeugten festen Partikel einer sofortigen Verwendung in einem Strahlgerät zugeführt werden, wodurch die Druckreduktion auf Umgebungsdruck entfällt.
• Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren energetisch effizient ist und dass ein Strahlmittel mit besonderen, bislang nicht verfügbaren Eigenschaften erzeugbar wird.
• Weiterhin wird es durch das Verfahren möglich, aus einer gegebenen Ausgangsmenge an Flüssigkeit eine sehr hohe Ausbeute an festen Partikeln zu erhalten, wobei möglichst wenig Gas entsteht, welches letztlich stofflich und energetisch nur schwer wieder nutzbar ist.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Verfahrensschritt b) eine Vorkühlung der Flüssigkeit erfolgt.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass in Verfahrensschritt b) zweistufig gedrosselt wird, wobei die Flüssigkeit nach der ersten Drosselung vom entstehenden Dampf getrennt und anschließend erneut gedrosselt wird.
• Zweckmäßig dabei ist, dass der entstehende Dampf zur Vorkühlung der Flüssigkeit eingesetzt wird.
• Ein bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Erzeugung von Kohlendioxidkörnern aus flüssigem Kohlendioxid. Alternativ ist dieses Verfahren aber auch vorteilhaft anwendbar für die Erzeugung von Methankörnern, die beispielsweise als Neutronenbremse in kalten Neutronenquellen benötigt werden. Als Gasstrom in diesem Einsatzfall wird Helium, Wasserstoff, Neon oder reiner Stickstoff eingesetzt.
• Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Erzeugung von Wasserstoffkörnern, die zur Erzeugung eines Wasserstoff-Fest-Flüssig-Gemisches („Slush-Hydrogen") benötigt werden. In diesem Fall kommt als Gasstrom Helium zum Einsatz.
• Im bevorzugten Einsatzfall, der Kohlendioxidpartikelerzeugung, wird als Gasstrom in Verfahrensschritt d) Luft eingesetzt.
• Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten gelöst, wobei ein Lagertank für die Flüssigkeit, eine Entnahmeleitung, ein Drosselventil sowie ein Behälter mit Sprühdüsen und Mitteln zur Erzeugung eines Gasstromes derart vorgesehen sind, dass Flüssigkeitstropfen im freien Fall einen Teil ihrer Masse in den Gasstrom verdunsten und dabei zu festen Partikeln gefrieren und dass am Behälter eine Schleuse zur Druck haltenden Abgabe der festen Partikel vorgesehen ist.
• Bevorzugt ausgestaltet wird die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, dass ein Vorkühlwärmeübertrager und ein Abscheider/Sammler für das nach der Drosselung entstehende Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorgesehen ist.
• Als Mittel zur Erzeugung eines vorgekühlten Gasstromes dient ein Kompressor, ein Trockner sowie ein Wärmeübertrager, wobei im Behälter ein Verteiler und ein Sammler für den Gasstrom angeordnet sind.
• Konzeptionsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung, härtere Partikel zu erzeugen, dadurch gelöst, dass feste Partikel in Form von durchgefrorenen Körnern durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Stand der Technik der Pelleterzeugung von Trockeneis,
• 2: Fließbild zur erfindungsgemäßen Herstellung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten,
• 3: Fließbild zur erfindungsgemäßen Herstellung von festen Partikeln mit direkter Nutzung der Partikel zur abrasiven Strahlbehandlung von Oberflächen,
• 4: Fließbild zur effizienten Gestaltung der Vorkühlung und Entspannung der Flüssigkeit mittels Einsatz eines Expander-Kompressors und
• 5: Fließbild zur zweistufigen Drosselung und Rückkompression mit Kondensation zur Verbesserung des Prozesses in der Vorkühlung und Drosselstufe.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird in 2 schematisch als Fließbild dargestellt. Zur Realisierung des Verfahrens ist ein Lagertank 1 für beispielsweise flüssiges Kohlendioxid dargestellt, aus dem das flüssige Kohlendioxid über eine Entnahmeleitung 2 und einen Vorkühlwärmeübertrager 3 zum Drosselventil 4 geleitet wird. Im Drosselventil 4 erfolgt eine Entspannung der Flüssigkeit. Das Flüssigkeits-, Dampfgemisch gelangt anschließend in den Abscheider/Sammler 14. Der im Abscheider/Sammler 14 entstehende Dampf verlässt das System, nachdem er im Vorkühlwärmeübertrager 3 das flüssige CO₂ gekühlt hat. Zur Regulierung der Systemdrücke ist ein Druckhalteventil 15 vorgesehen.
• Das flüssige entspannte Kohlendioxid gelangt nun zum Behälter 5 und wird über dort vorgesehene Sprühdüsen 6 in Tröpfchen zerteilt in den Behälter 5 eingebracht. Infolge der Schwerkraft fallen die Tröpfchen nach unten durch die Gefrierzone 7 des Behälters 5 hindurch. Auf dem Wege eines Tropfen nach unten wird er mit einem Gasstrom in Kontakt gebracht, der über einen Verteiler 19 in den Behälter 5 eingebracht wird, in welchen ein Teil jedes Kohlendioxidtröpfchens in der Gefrierzone 7 hineinverdunstet, wodurch die Abkühlung und Erstarrung des restlichen Tröpfchens erfolgt.
• Das mit Kohlendioxid angereicherte Gasgemisch wird vom Sammler 20 aufgenommen und zum Wärmeübertrager 18 geleitet. Dort dient das mit Kohlendioxid angereicherte kalte Gasgemisch zur Vorkühlung des dem Behälter 5 zuzuführenden Gasstromes.
• Das erwärmte Gas-CO₂-Gemisch verlässt über ein Druckhalteventil 15 das System.
• Der Gasstrom selbst wird mittels eines Kompressors 16 erzeugt und in einem Trockner 17 aufbereitet, bevor er im Wärmeübertrager 18 vorgekühlt und im Verteiler 19 in den Behälter 5 eingebracht wird. Im Fließbild dargestellt ist die Nutzung von Luft als Gas, in welches das Kohlendioxid hineinverdunstet.
• Die gefrorenen Körner bzw. festen Partikel 8 sammeln sich im unteren Teil des Behälters 5 und werden druckhaltend über eine Schleuse 9, beispielsweise in einen isolierten Transportbehälter 10, eingebracht.
• In 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei welcher die erzeugten festen Partikel 8 direkt einer Strahldüse 22 zugeführt werden. Als Treibstrahl dient beispielsweise das im Abscheider/Sammler 14 abgeschiedene Kohlendioxidgas – beispielsweise in Verbindung mit Luft, welche nach der Kompression im Kompressor 16 und Trocknung im Trockner 17 als Trägergas für die festen Partikel 8 verwendet werden.
• Wenngleich in 3 keine Vorkühlung des flüssigen Kohlendioxids dargestellt ist, so ist es im Sinne der Erfindung, eine solche Vorkühlung auf verschiedenste Art und Weise vorzusehen, um den Prozess thermodynamisch effizienter zu gestalten und einen größeren Anteil des eingesetzten Kohlendioxids in feste Partikel zu verwandeln.
• Eine derartige Erhöhung der Effizienz der Vorkühlung und Drosselung wird beispielsweise in 4 dargestellt. Dabei ist auszugsweise die Entnahmeleitung 2 für das flüssige Kohlendioxid dargestellt, an die sich ein Expander 23 anschließt. In dem Expander 23 wird das flüssige Kohlendioxid arbeitsleistend entspannt und im Abscheider/Sammler 14a wird das Dampf-, Flüssigkeitsgemisch getrennt. Der gasförmige Anteil wird am Kopfende abgezogen und in einem Verdichter 25 komprimiert, wobei der Verdichter 25 zumindest teilweise durch die arbeitsleistende Entspannung des flüssigen Kohlendioxids angetrieben wird. Zweckmäßig ist es, das verdichtete Kohlendioxid einem Zwischenkühler 24 zuzuführen, wonach das rückgekühlte und verflüssigte, auf hohem Druck befindliche Kohlendioxid wieder in die Entnahmeleitung 2 vor der ersten Entspannungsstufe eingespeist wird. Der flüssige Teil des Kohlendioxids gelangt aus dem ersten Abscheider/Sammler 14a in eine zweite Entspannungsstufe, wobei wiederum ein arbeitsleistender Expander 23 eingesetzt wird. Die entspannte Flüssigkeit gelangt dann in den zweiten Abscheider/Sammler 14b, der ein Druckhalteventil 15 aufweist, wonach das flüssige CO₂ dann in den Behälter 5 mit den Sprühdüsen 6 zur Erzeugung von Tropfen eingesprüht wird.
• Eine zweistufige Drosselung ist sinnvoll, so dass ein Teil des entstandenen Dampfes bei höherem Druck vorliegt und somit mehr Treibkraft bei einer Nutzung des Dampfes in der Strahldüse 22 gemäß 3 besitzt. Es lassen sich auf die Art und Weise drei Treibströme nutzen, zum einen Kohlendioxid von Tripelpunktsdruck, zum zweiten Kohlendioxid vom Mitteldruck und drittens Druckluft. Die Einbindung eines Gegenstromwärmeübertragers zur Erhöhung der Ausbeute und zur Erwärmung des Dampfes, der dadurch eine höhere Treibenergie bekommt, ist vorteilhaft.
• Eine weitere alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Vorkühlung und Drosselung wird in 5 als Fließbild gezeigt.
• Dabei wird wiederum zweistufig gedrosselt, wobei jeweils eine Rückkompression mittels der Verdichter 25 des gasförmigen Kohlendioxids erfolgt, welches nach Zwischenkühlung im Zwischenkühler 24 wieder in die Entnahmeleitung 2 vor der ersten Drosselung im Drosselventil 4 eingespeist wird. Es schließen sich in bekannter Weise die zwei Abscheider/Sammler 14a, b an, bevor das flüssige Kohlendioxid in den Behälter 5 in Tropfenform eingebracht wird.
• Der Gasstrom, in welchen das Kohlendioxid verdunstet, muss für den Verdunstungsgefriervorgang zwar nicht kälter sein als der gefrierende Kohlendioxidtropfen, jedoch ist ein Vorkühlen des Gasstromes in einem Wärmeübertrager 18 mit beispielsweise CO₂-Dampf aus dem Abscheider/Sammler 14 gemäß 3 thermodynamisch sinnvoll. Im Unterschied dazu muss das der Düse 22 zugeführte Treibgas nicht vorgekühlt werden, da im Strahlgerät kein kühleres Gas benötigt wird.
• Das Trocknen der Luft als Gasstrom ist sinnvoll, weil sonst Wasser im Wärmeübertrager 18 ausfriert und diesen verstopft. Die Kälte zum Vorkühlen des Gasstromes, welcher über das Ventil 21 und den Verteiler 19 in die Gefrierzone 7 des Druckbehälters 5 eingebracht wird, kommt alternativ oder kummulativ vom Gas/Kohlendioxidgemisch, das beim Verdunsten in der Partikelerzeugungs/Gefrierzone 7 entsteht und über den Sammler 20 sowie einen Wärmeübertrager 18 und ein Druckhalteventil 15 das System verlässt, sofern das CO₂ nicht einer Wiederverwendung zugeführt wird.
• Das beim Verdunstungsvorgang entstehende Gas-Kohlendioxid-Gemisch kann alternativ auch zur Unterstützung der Abkühlung der Ausgangsflüssigkeit verwendet werden und bei der direkten Nutzung der festen Partikel in einem Strahlgerät lässt sich das aufgewärmte Gasgemisch anschließend als Treibgas in der Strahldüse 22 verwenden.
• Der Verdunstungsgefriervorgang wird dadurch gekennzeichnet, dass das vorgekühlte und gedrosselte Kohlendioxid direkt oder nach Zwischenspeicherung in einem Abscheider/Sammler 14 in Tropfenform in den Gasstrom aus beispielsweise Luft gesprüht wird. Durch den Kontakt mit dem Gasstrom verdunstet ein Teil der Flüssigkeit an der Oberfläche. Dadurch kühlt sich der Rest der Flüssigkeit auf die Tripelpunktstemperatur und noch tiefer ab, bis eine zur Kristallbildung notwendige Unterkühlungstemperatur erreicht ist. Die Verdunstung ist nicht mit der Bildung von Eis an der Oberfläche abgeschlossen, sondern sie geht als Verdunstung von bereits gefrorenem festem Kohlendioxid weiter, bis die gesamte Flüssigkeit gefroren ist. Dieses Verfahren des Verdunstungsgefrierens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung durch Verdunstung erfolgt, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Tropfen- und Gasstrom unerheblich ist.
• Die Tropfenerzeugung kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Bekannte Vorrichtungen zur Erzeugung von Tropfen sind rotierende Teller, perforierte Körbe, Sprühdüsen, Sprührohre und perforierte Platten. Damit die Bildung der Tropfen nicht bereits durch ein Beginnen des Gefrierens überlagert und beeinflusst wird, sollte in diesem Bereich direkt um die Tropfenbildungsstelle eine möglichst reine Kohlendioxidatmosphäre vorliegen.
• Sobald die Tropfen gebildet sind und in den Gasstrom gelangen, setzt an der Oberfläche die Verdunstung ein. Dies führt zu einer Unterkühlung der Flüssigkeit an der Oberfläche bis dann das Gefrieren beginnt. Ist der Stoffübergang auf der ganzen Oberfläche gleichmäßig, so gefriert die ganze Oberfläche und eine Eisschicht umgibt den Flüssigkeitskern. Mit weiterer Verdunstung kühlt sich die Eisaußenfläche deutlich unter die Tripelpunktstemperatur ab und es fließt Wärme von der Flüssigkeitsoberfläche in die Eisschicht. Dadurch gefriert mehr Flüssigkeit und die Eisschicht wächst weiter nach innen. Da das Gefrieren mit einer Volumenreduktion verbunden ist, bildet sich in der Flüssigkeit ein reduzierter Druck und dadurch eine Dampfblase. Die Voraussetzung für das Entstehen einer solchen Hohlkugel ist, dass der Stoffaustausch am Umfang des Tropfens gleichmäßig ist und auf der ganzen Oberfläche gleichzeitig eine Eisschicht entsteht. Ist der Stoffaustausch unsymmetrisch, wie zum Beispiel beim Fallen eines Tropfens durch ein stehendes Gas, so wird ein durchgefrorenes, aber nicht mehr kugelförmiges Partikel entstehen. Das Volumen der entstandenen Körner beträgt etwa 50 % des Volumens des ursprünglichen Tropfens. 36 % der Masse verdunsten und die restliche Masse zieht sich aufgrund der Volumenreduktion beim Gefrieren zusammen.
• Das Durchfrieren der Körner benötigt eine gewisse Zeit. Diese Zeit ist umso länger, je größer der ursprüngliche Tropfen ist und je niedriger die Gasstrommenge ist, das heißt je größer der Partialdruck des Kohlendioxids im Gasgemisch ist. Aus der benötigten Gefrierzeit und der Fallgeschwindigkeit der Tropfen ergibt sich die benötigte Höhe des Druckbehälters 5. Um die Höhe des Behälters 5 zu reduzieren, werden bevorzugt in dem Behälter 5 Einbauten angeordnet, die die Tropfen bzw. die bereits entstandenen Körner am freien Fall hindern. Es ist aber zu verhindern, dass die noch vorhandene Flüssigkeit in oder an den Körnern die Einbauten benetzt, da sich sonst die Einbauten mit einer Eisschicht umgeben, welche mit der Zeit den Behälter 5 zusetzt. Ein Benetzen wird verhindert, indem die Oberfläche der Einbauten schlecht benetzbar ausgebildet ist.
• Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, einen Teil der Oberfläche aus einem gasdurchlässigen Material, zum Beispiel einem Sintermaterial, zu gestalten, über den zumindest ein Teil des Gasstromes in den Druckbehälter 5 eintritt.
• Beim Gefrieren der Kohlendioxidtropfen durch Verdunstungskühlung in Luft verdunstet etwa 30 % der Masse der Tropfen. Dieser CO₂-Dampf ist nun in der Mischung mit Luft. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft besonders effizient ausgestaltet, wenn das Kohlendioxid aus dieser Mischung zurückgewonnen wird, indem das Gemisch komprimiert und anschließend gekühlt wird. Dabei kondensiert ein Teil des Kohlendioxids, abhängig vom Druck und der Temperatur, nach der Kompression und der Kühlung. Man kann desto mehr Kohlendioxid zurückgewinnen mit desto weniger Luft die Verdunstung abläuft. In dieser Hinsicht vorteilhaft ausgestaltet ist ein Verfahren, bei dem die Verdunstung mit einem Gemisch von zum Beispiel 10 % Luft und 90 % Kohlendioxid stattfindet.
• Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden Methankörner als feste Partikel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt.
• Als Gasstrom, in den Teile der Flüssigkeitstropfen hineinverdunsten, kommen Gase wie Helium, Wasserstoff, Neon oder reiner Stickstoff zum Einsatz.
• Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung werden Wasserstoffkörner als feste Partikel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt. Als Gasstrom, in den Teile der Flüssigkeitstropfen hineinverdunsten, kommt das Gas Helium zum Einsatz.

1

Lagertank für Flüssigkeit

2

Entnahmeleitung

3

Vorkühlwärmeübertrager

4

Drosselventil

5

(Druck-)Behälter

6

Sprühdüsen

7

Schneeerzeugung, Gefrierzone

8

feste Partikel

9

Schleuse

10

Isolierter Transportbehälter

11

Pellets

12

Extruder

13

Lochblech

14a,b

Abscheider/Sammler für Flüssigkeits-Dampf-Gemisch

15

Druckhalteventil

16

Kompressor

17

Trockner

18

Wärmeübertrager

19

Verteiler

20

Sammler

21

Ventil

22

Strahldüse

23

Expander

24

Zwischenkühler

25

Verdichter

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten, aufweisend folgende Schritte: a) Entnahme von Flüssigkeit aus einem Lagerbehälter, b) Abkühlen der Flüssigkeit auf die Tripelpunktstemperatur und Drosseln der Flüssigkeit auf den gewünschten Gefrierdruck, c) Erzeugen von Tropfen aus der Flüssigkeit, d) Einbringen der Tropfen in einen Gasstrom, der mindestens zum Teil nicht aus dem Stoff der Flüssigkeit besteht, e) Gefrieren der Tropfen zu festen Partikeln durch Teilverdunstung der Flüssigkeitstropfen, f) Sammeln und Ausschleusen der festen Partikel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt b) eine Vorkühlung der Flüssigkeit erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in Verfahrensschritt b) zweistufig gedrosselt wird, wobei die Flüssigkeit nach der ersten Drosselung vom entstehenden Dampf getrennt und anschließend erneut gedrosselt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf zur Vorkühlung der Flüssigkeit eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit flüssiges Kohlendioxid eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom in Verfahrensschritt d) Luft eingesetzt wird.
7. Vorrichtung zur Erzeugung von festen Partikeln aus Flüssigkeiten nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagertank (1), eine Entnahmeleitung (2), ein Drosselventil (4) sowie ein Behälter (5) mit Sprühdüsen (6) und Mitteln zur Erzeugung eines Gasstromes derart vorgesehen sind, dass Flüssigkeitstropfen im freien Fall einen Teil ihrer Masse in den Gasstrom verdunsten und dabei zu festen Partikeln gefrieren und dass am Behälter (5) eine Schleuse (9) zur Druck haltenden Abgabe der festen Partikel vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorkühlwärmeübertrager (3) und ein Abscheider/Sammler (14) für die Flüssigkeit vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erzeugung eines Gasstromes ein Kompressor (16), ein Trockner (17) sowie ein Wärmeübertrager (18) vorgesehen sind und dass im Behälter (5) ein Verteiler (19) und ein Sammler (20) für den Gasstrom angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächen aus Sintermaterial für das Einbringen des Gasstromes in den Behälter 5 in diesem vorgesehen sind.