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Die
Erfindung betrifft einen Hochdruckhomogenisator mit einer Dispergiereinheit
gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es
ist bekannt, Emulsionen mittels nicht-mechanischer Verfahren wie
z. B. dem Phaseninversionstemperatur-Verfahren, oder mittels der
Kondensationsmethode herzustellen. Zu den mechanischen Verfahren
der Emulsionsherstellung zählen
Rotor-Stator-Systeme, das Ultraschallemulgieren, das Membranemulgieren
sowie Hochdrucksysteme, bei welchen in Abhängigkeit von der Strömungsführung Radialdiffusoren,
Gegenstrahldispergatoren und axiale Düsenaggregate zu unterscheiden
sind. Zum Tropfenaufbruch tragen bei Hochdruckhomogenisatoren neben
Scher- und Trägheitskräften in
turbulenter Strömung
auch Kavitation und Scherkräfte
in laminarer Dehnströmung
bei. Hochdruckhomogenisatoren mit Blenden bzw. Düsensystemen ermöglichen die
kontinuierliche Herstellung von Emulsionen mit kleinen Tropfengrößen. Hochdruckhomogenisatoren sind
relativ leicht zu fertigen und erlauben eine einfache Reinigung,
da keine beweglichen Bauteile vorhanden sind. Mittels der Hochdruckhomogenisierung können niedrig-
und hochviskose Medien bei gleichzeitig großen Fördermengen und engen Tropfengrößenverteilungen
verarbeitet werden.
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Bei
der Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren geht mit Erhöhung der
Druckdifferenz über den
Homogenisator, das heißt
mit der Erhöhung
des Energieeinsatzes, eine Verringerung der Tropfengröße einher.
Allerdings wird ein großer
Anteil der aufgewendeten Energie nicht zum Tropfenaufbruch genutzt,
sondern dissipiert, was letztendlich zur unerwünschten Erwärmung führt. Ein weiterer Nachteil von
Hochdruckhomogenisatoren ist, dass Koaleszenz unmittelbar nach Zerkleinerung
der Tropfen nicht effektiv vermieden wird, sodass kleine Tropfen wieder
zu großen
Tropfen zusammenlaufen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Hochdruckhomogenisator mit
einer Dispergiereinheit aufzuzeigen, bei welchem die Druckenergie
zum Tropfenaufbruch besser genutzt wird und die Koaleszenz bereits
zerkleinerter Tropfen besser verhindert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Hochdruckhomogenisator mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Hochdruckhomogenisator
ist mit einer Dispergiereinheit ausgestattet, die eine Engstelle,
insbesondere eine Düse
oder Blende aufweist, welche während
des Betriebs von einem Flüssigkeitsgemisch,
das in der Regel grob vor dispergiert ist, durchströmt wird.
In bekannter Weise schließt
sich an die Engstelle eine Stabilisierungskammer an, in welcher
die aus der Engstelle austretende Emulsion aufgenommen wird.
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Wesentlich
bei der Erfindung ist, dass zwischen der Stabilisierungskammer und
der Engstelle ein Kanal vorgesehen ist, wobei in der Querschnittsfläche des
Kanals wenigstens ein Störkörper angeordnet
ist. Im Bereich des Kanals verläuft
der aus der Engstelle austretende Freistrahl, der üblicherweise unmittelbar,
das heißt
ungehindert in die Stabilisierungskammer eintritt. Bei der Erfindung
ist allerdings vorgesehen, dass in die Querschnittsfläche des
Kanals bzw. in den Strömungspfad
des aus der Engstelle austretenden Freistrahls ein Störkörper eingebracht
ist, der als Störstelle
fungiert. Der aus der Engstelle austretende Freistrahl weist zunächst trotz
der hohen Austrittsgeschwindigkeit eine laminare Strömung auf,
die nach einer gewissen Einlauflänge
in eine turbulente Strömung
umschlägt.
Diese Turbulenz ist neben der Kavitation im großen Maße für den Tropfenaufbruch der großen, deformierten
Rohemulsionstropfen verantwortlich.
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Die
Störstelle
in Form eines Störkörpers soll unmittelbar
hinter der Engstelle, also im Bereich der Querschnittsfläche des
von dem Freistrahl durchsetzten Kanals angeordnet sein.
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Es
wurde festgestellt, dass die Einbringung einer Störstelle,
zum Beispiel in Form eines quer angeströmten Drahtes, zu feineren Tropfen
führt und eine
schnellere Stabilisierung der mittels Hochdruckhomogenisierung erzeugten
Tropfen ermöglicht.
Eine Zwangsführung
durch kleine Querschnitte der Engstelle begünstigt zudem eine enge Tropfenverteilung. Der
Durchmesser der Engstelle kann in einem Bereich von 10 μm bis 10
cm, insbesondere in einem Bereich von 50 μm bis 1 cm, vorzugsweise in
einem Bereich von 50 μm
bis 2 cm liegen.
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Durch
die effizientere Ausnutzung der Druckenergie zur Tropfenzerkleinerung
sind zur Erreichung des gleichen Verfahrensergebnisses niedrigere
Drücke
erforderlich. Die dadurch erzielte Verringerung des Energieeinsatzes
und die mögliche
Auslegung der Anlagenkomponenten für niedrigere Druckbereiche
ermöglicht
Kostenersparnisse sowohl hinsichtlich der Anlagenkosten als auch
hinsichtlich der Betriebskosten.
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Des
Weiteren ist zu beachten, dass zur Verringerung der Tropfendurchmesser
im Submikronbereich mit kleiner werdendem Durchmesser der Energieanteil
zum Tropfenaufbruch aufgrund der im Quadrat wachsenden Oberfläche sehr
stark ansteigt. Deshalb bedeutet bereits eine kleine Verringerung der
Tropfengröße im Submikronbereich
eine effektivere Energieausnutzung.
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Bei
der Zerkleinerung eines einzelnen Tropfens mit einem Durchmesser
von beispielsweise 100 μm
auf 2 μm
ist die theoretisch erforderliche Arbeit etwa so groß, wie für die weitere
Zerkleinerung des erzeugten Tropfenkollektivs von 2 μm auf 1 μm. Für eine weitere
Halbierung des Durchmessers auf 0,5 μm muss zusätzlich zu der bereits eingebrachten
Energie, die doppelte Energiemenge aufgewendet werden. Daraus folgt:
Gerade im Bereich kleiner Tropfengrößen ist die Energieeffizienz
von Dispergierverfahren von entscheidender Bedeutung.
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Im
Rahmen der Erfindung wurden insgesamt über 200 Versuche mit dem Modellsystem
Wasser (wahlweise mit Emulgator) und Pflanzenöl mit Pflanzenöl als disperser
Phase durchgeführt.
Hierbei wurde als Engstelle eine Düse verwendet und sowohl die Emulsionszusammensetzung
(Öl-, Wasser-,
und Emulgatoranteil), die Strömungsführung (mit
und ohne Störkörper; Variation
des Düsendurchmessers) als
auch der Durchsatz und damit die mit dem Durchsatz einhergehende
Druckdifferenz im Hochdruckhomogenisator variiert. Als Störkörper wurde
bei den Versuchen ein zylindrischer, quer angeströmter Draht verwendet.
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Die
Versuche haben gezeigt, dass bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen
bei Einsatz des Störkörpers im
Vergleich zu Emulsionen, die ohne Störkörper hergestellt wurden, kleinere
Sauterdurchmesser erreicht werden. Des Weiteren sind die Sauterdurchmesser
dieser Erfindung im Vergleich zu Messwerten anderer Dispergatoren
bzw. Hochdruckhomogenisatoren bei gleichem Energieeinsatz geringer.
Interessant ist, dass durch das Einbringen eines Störkörpers im
Anschluss an den engsten Querschnitt des Dispergators feinere Tröpfchen erzeugt werden
können,
als es ohne den Störkörper möglich ist.
Besonders überraschend
ist hierbei, dass der Druckverlust über die Gesamtvorrichtung im
Rahmen der Messgenauigkeit nicht größer ist als ohne die Störstelle.
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Im
Vergleich zu bestehenden Hochdruckhomogenisatoren können also
mit Hilfe der Erfindung kleinere Tropfengrößen bei gleichem Energieeinsatz bzw.
gleiche Tropfengrößen mit
niedrigerem Energieeinsatz hergestellt werden. Zudem kann die auf
diese Weise hergestellte Emulsion sehr gut stabilisiert werden,
da sich die Emulgatormoleküle
innerhalb von Millisekunden an den Grenzflächen der Tropfen anlagern können, bevor
diese durch gegenseitiges Auftreffen die Möglichkeit haben, sich wieder
zu größeren Tropfen
zu vereinigen. Die besondere Strömungsführung in
der Stabilisierungskammer trägt dazu
bei, besonders feindisperse Emulsionen zu schaffen, die eine hohe
Stabilität,
aufgrund der Feinteiligkeit der Dispersion eine große Oberfläche, sowie
hohe Bioverfügbarkeit
haben können.
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Der
Störkörper kann
in bevorzugter Ausführungsform
einen zylindrischen Querschnitt aufweisen. Insbesondere handelt
es sich hierbei um einen Draht der innerhalb der Querschnittsfläche des
Kanals quer angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Querschnitt
des Störkörpers auch
unrund sein. Polygonförmige
oder parallelepipedförmige,
insbesondere dreieckförmige
Querschnitte sind bei stabförmigen Störkörpern denkbar.
Grundsätzlich
kann der Störkörper auch
von der Stabform abweichen. Beispielsweise kann es sich bei dem
Störkörper um
ein Ellipsoid und insbesondere um eine Kugel handeln, die der Düse nachgeschaltet
ist. Auch ein pyramidenförmiger
Störkörper, dessen
Spitze auf die Düse
weist, ist denkbar.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
als Störkörper ein
Sieb zu verwenden, das im Bereich der Querschnittsfläche des
Kanals angeordnet wird. Anstelle eines Siebs, das mehrere Durchlassöffnungen aufweist,
können
aber auch andere Störkörper mit sich
kreuzenden Streben innerhalb der Querschnittsfläche angeordnet werden.
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Grundsätzlich können ähnlich wie
bei einem Störkörper aus
sich kreuzenden Streben bzw. bei einem siebförmigen Störkörper mehrere der Störstellen
in einer Radialebene der Querschnittsfläche nebeneinander angeordnet
sein. Grundsätzlich
ist es aber auch möglich,
Störkörper in
Axialrichtung, das heißt
in Strömungsrichtung
zueinander versetzt anzuordnen. Eine Kombination von in Radialrichtung und
Axialrichtung zueinander versetzten Störkörpern ist selbstverständlich auch
denkbar.
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Wesentlich
bei der Auswahl der Störkörper ist,
dass diese nicht als Prallkörper
ausgebildet sind, welche den Freistrahl komplett abbremsen, sondern vielmehr
den Freistrahl stören,
aufspalten und verwirbeln, sodass die durch Beschleunigung und Abbremsung
auftretenden fluiddynamischen und thermodynamischen Phänomene zur
Bildung noch feinerer Partikel ausgenutzt werden.
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Der
gewünschte
Effekt, nämlich
die Bildung feinerer Partikel, wird nur dann erreicht, wenn der
Abstand zwischen dem Düsenaustritt
und dem Störkörper nicht
zu groß ist.
Daher ist der wenigstens eine Störkörper nahe
der Engstelle innerhalb des Freistrahls angeordnet. Vorzugsweise
ist der Abstand zwischen der Engstelle und dem wenigstens einen Störkörper kleiner
als das 20-fache, insbesondere kleiner als das 10-fache des Durchmessers
der Engstelle. Der Durchmesser der Engstelle liegt hierbei vorzugsweise
in einem Bereich von 10 μm
bis 10 cm, insbesondere 50 μm
bis 1 cm, vorzugsweise 100 μm bis
2 mm.
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Die
starke Querschnittsreduzierung im Bereich der Engstelle führt dazu,
dass das Fluid ausgesprochen stark beschleunigt und bei Eintritt
in den nachgeschalteten, im Durchmesser wesentlich größer bemessenen
Kanal und bei Auftreffen auf den dort angeordneten, wenigstens einen
Störkörper stark
abgebremst wird. Der Kanal weist einen Durchmesser auf, der wesentlich
größer ist
als derjenige der Engstelle, jedoch kleiner ist als der mittlere Durchmesser
der sich anschließenden
Stabilisierungskammer. Der Durchmesser der Stabilisierungskammer
muss nicht über
die gesamte Länge
konstant sein, sondern kann variieren. Auch der Durchmesser des
Kanals muss nicht über
seine gesamte Länge
konstant sein, sondern kann ebenfalls variieren. Bevorzugt nimmt
der Querschnitt des Kanals in Strömungsrichtung zu.
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In
praktischer Ausgestaltung ist es besonders zweckmäßig, wenn
die Dispergiereinheit mit der Engstelle der eigentlichen Stabilisierungskammer lösbar zugeordnet
ist. In diesem Fall besteht nämlich die
Möglichkeit
den Störkörper zwischen
der Stabilisierungskammer und dem Kanal zu platzieren und zwar indem
die Dispergiereinheit axial gegen die Stabilisierungskammer gepresst
wird. In diesem Fall befindet sich der Störkörper in Strömungsrichtung gesehen am hinteren
Ende des Kanals, im Übergangsbereich
zur Stabilisierungskammer.
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Die
Stabilisierungskammer weist vorzugsweise einen sich trichterförmig erweiternden
Diffusorabschnitt und einen sich hieran anschließenden, sich trichterförmig verjüngenden
Abschnitt auf. Durch diese Gestaltung ist es möglich, Totwassergebiete innerhalb
der Stabilisierungskammer zu reduzieren. Ebenso können Energieverluste
begrenzt werden. Gleichzeitig kann der Durchsatz bei dieser Kombination
aus Diffusor und Düse
verbessert werden. Der Grund ist darin zu sehen, dass der statische
Druck im engsten Querschnitt des Hochdruckhomogenisators, d. h.
im Bereich der Engstelle und des Kanals sehr stark verringert wird,
wobei die Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Ein
Teil der kinetischen Energie kann aufgrund des geringen Druckverlustes
im Diffusorabschnitt wieder in Form von Druckenergie zurückgewonnen
werden.
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Grundsätzlich ist
es möglich
mehrere derartiger Stabilisierungskammern hintereinander zu schalten,
wobei zwischen einer ersten und einer zweiten Stabilisierungskammer
wiederum eine Dispergiereinheit mit einer Engstelle und einem Störkörper angeordnet
werden kann. Der Einsatz von zwei Stabilisierungskammern ermöglicht die
Anlegung eines Gegendrucks, der ebenfalls zu einem verbesserten Tropfenaufbruch
führen
kann. Durch die zweimalige Führung
der Emulsion durch Düsen
wird außerdem eine
engere Verteilungskurve hinsichtlich des Tropfendurchmessers erreicht.
Das heißt
die Tropfengröße streut
weniger um einen Mittelwert.
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Durch
die Variation des Volumenstroms der Rohemulsion und der gewählten Düsendurchmesser in
den beiden Stabilisierungskammern können die Druckverhältnisse
im Hochdruckhomogenisator gezielt eingestellt und somit maßgeschneiderte
Tropfengrößen hergestellt
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Hochdruckhomogenisator im Längsschnitt;
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2 eine
weitere Ausführungsform
eines Hochdruckhomogenisators im Längsschnitt;
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3 eine
Dispergiereinheit des Hochdruckhomogenisators der 1 in
der Draufsicht;
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4 die
Dispergiereinheit der 3 im Längsschnitt;
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5a)–h)
Unterschiedliche Ausführungsformen
von Störkörpern;
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6 ein
Diagramm, in welchem der Druck vor einer ersten und einer zweiten
Düse über den
Volumenstrom aufgetragen ist;
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7 ein
Diagramm, in welchem der Sauterdurchmesser über der Energiedichte aufgetragen
ist;
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8 ein
Diagramm, in welchem der Druck vor einer ersten und zweiten Düse über den
Volumenstrom aufgetragen ist;
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9 ein
Diagramm, in welchem der Sauterdurchmesser über der Energiedichte aufgetragen worden
ist.
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1 zeigt
im Längsschnitt
einen Hochdruckhomogenisator 1. Bei der Hochdruckhomogenisierung
wird eine Rohemulsion mittels eines nicht näher dargestellten Druckerzeugers
vorgespannt und über
eine nicht näher
dargestellte Druckleitung der dargestellten Einheit zugeführt. Der
Pfeil P kennzeichnet die Zuführungsrichtung
der Rohemulsion.
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Der
Hochdruckhomogenisator umfasst eine scheibenförmige Dispergiereinheit 2,
die einer Stabilisierungskammer 3 vorgeschaltet ist. Die
Stabilisierungskammer 3 ist zweigeteilt und umfasst einen
sich in Strömungsrichtung
konisch erweiternden Diffusorabschnitt 4 und einen sich
konusartig verjüngenden Düsenabschnitt 5, über welchen
die erzeugte Emulsion die Stabilisierungskammer 3 wieder
verlässt.
Die Dispergiereinheit 2, der Diffusorabschnitt 4 sowie
der Düsenabschnitt 5 werden
in nicht näher
dargestellter Weise in einer Haltevorrichtung fixiert.
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Bei
der Hochdruckhomogenisierung gelangt die Rohemulsion zunächst in
eine Engstelle 6 in Form einer Düse, die in diesem Ausführungsbeispiel in
die scheibenförmige
Dispergiereinheit 2 eingeschraubt ist. Die Rohemulsion
wird innerhalb der Engstelle 6 bzw. Düse stark beschleunigt. Es handelt sich
bevorzugt um eine Glattstrahldüse.
Der in der Engstelle 6 erzeugte Freistrahl tritt dann in
einen Kanal 7 ein, der in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der
Dispergiereinheit 2 angeordnet ist. Die Querschnittsfläche des
Kanals 7 endet bei diesem Ausführungsbeispiel im Übergang
zur Stabilisierungskammer 3. Genau in diesem Übergangsbereich
ist ein Störkörper 8 in
Form eines quer angeströmten
Drahtes angeordnet, der sich in der Bildebene der 1 von
oben nach unten erstreckt. Die Enden des drahtförmigen Störkörpers 8 sind zur Verdrehsicherung abgekröpft, weisen
entgegen der Strömungsrichtung der
Rohemulsion und sind in einer Tasche 9 in der Dispergiereinheit 2 gehalten.
Da die Dispergiereinheit 2 in der Einbaulage fest gegen
eine Stirnfläche der
Stabilisierungskammer 3 gepresst wird, ist der drahtförmige Störkörper 8 ebenfalls
lageorientiert. Der aus der Engstelle austretende Flüssigkeitsstrahl trifft
auf den Störkörper 8,
der unmittelbar hinter dem Engstellenaustritt angeordnet ist. Durch
den Störkörper 8 werden
die Tropfen des Freistrahls aufgebrochen und anschließend innerhalb
des Diffusorabschnitts 4 stabilisiert. Der Bereich 10 innerhalb
des Diffusorabschnitts 4 kann daher auch als Stabilisierungszone
bezeichnet werden. Zusätzlich
kann zur Verfahrensüberwachung
eine Druckmessstelle 11 im hinteren Bereich des Diffusorabschnitts 4 ausgebildet sein.
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Die
Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 dadurch,
dass zwei Stabilisierungskammern 3 mit entsprechenden Dispergiereinheiten 2 hintereinander
geschaltet sind, sodass ein Gegendruck erzeugt wird, welcher den Tropfenaufbruch
weiter verbessert. Die Funktionsweise der Dispergiereinheit 2 mit
den zusätzlich
eingebrachten Störkörpern 8 wurde
bereits vorstehend erläutert.
Auf die Beschreibung der 1 wird Bezug genommen.
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Die 3 und 4 zeigen
die scheibenförmige
Dispergiereinheit 2 der 1 in der
Seitenansicht und im Längsschnitt.
Die scheibenförmige
Dispergiereinheit 2 weist eine zentrische Bohrung 12, zur
Aufnahme der Engstelle 6 in Form der Düse auf. Diese Düse ist austauschbar
und kann über
eine Gewindepaarung in die Bohrung 12 eingeschraubt werden.
Die Bohrung 12 dient gleichzeitig als Kanal 7, wie
er in 1 dargestellt ist. Die Dispergiereinheit 2 dient
zudem zur Aufnahme eines Störkörpers, welcher
in eine Tasche 9 austauschbar eingesetzt werden kann. Die
Tasche 9 besteht aus diametral angeordneten Nuten in einer
Stirnfläche 13,
die zur Anlage der Dispergiereinheit 2 an der Stabilisierungskammer 3 vorgesehen
ist. Jeder Längenabschnitt
der Tasche 9 ist im Querschnitt L-förmig konfiguriert und umfasst eine
sich in der Stirnfläche 13 in
Radialrichtung erstreckende Nut, sowie eine Sackbohrung am radial außenseitigen
Ende der Nut. Die Tasche 9 ist selbstverständlich so
bemessen, dass der jeweilige Störkörper 8 nicht über die
Stirnfläche 13 der
Dispergiereinheit 2 vorsteht, sodass die Stirnfläche 13 bündig an
der Stabilisierungskammer 3 anliegt. Etwaige Leckageströme zwischen
der Dispergiereinheit 2 und der Stabilisierungskammer 3 können durch
einen O-Ring abgefangen werden, welcher zur Abdichtung radial außenseitig
in einer Nut 14 der Dispergiereinheit 2 platzierbar
ist.
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Die 5a) bis h) zeigen unterschiedliche Ausführungsformen
von Störkörpern. Der
Pfeil verdeutlicht jeweils die Anströmrichtung. In der Ausführungsform
der 5a) ist der Störkörper ein
im Querschnitt zylindrischer Draht. Dieser Querschnitt kann variieren,
wie die Ausführungsformen
der 5c) und d) zeigen. In 5c) ist der Störkörper im
Querschnitt parallelepipedförmig
ausgebildet. 5d) zeigt einen im Querschnitt
dreieckigen Störkörper. Grundsätzlich ist
es auch möglich
Störkörper vorzusehen,
deren Querschnitt über
die Längserstreckung variiert.
Ein Beispiel hierfür
ist ein ellipsoidförmiger Störkörper wie
er in 5b) dargestellt ist. Bei diesem
Störkörper ist
eine Kugel an einem zylindrischen Stab befestigt worden. 5f) zeigt ein Beispiel, bei welchem ein pyramidenförmiger Störkörper an
einem zylindrischen Stab befestigt worden ist.
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Grundsätzlich ist
es denkbar, dass der Störkörper von
sich kreuzenden Drähten
bzw. Stäben
gebildet wird, wie es beispielsweise in 5e) dargestellt
ist. Ganz allgemein kann es sich bei dem Störkörper daher auch um ein Sieb
handeln (5g)). Selbstverständlich können auch
mehrere Störkörper in
Radialrichtung und/oder Axialrichtung zueinander versetzt angeordnet
werden. Ein Beispiel hierfür zeigt 5h).
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6 zeigt
das Ergebnis einer Versuchsreihe, bei welcher Wasser mit Pflanzenöl und wahlweise
einem Emulgator (Tween 80) mit Pflanzenöl als disperser Phase gemischt
worden ist. Die eingesetzte Emulgatormenge wird als Vielfaches der
rechnerisch bestimmten, kritischen Mizellbildungskonzentration (nCMC) angegeben. Während eines Versuchs wird eine
voremulgierte Rohemulsion über
eine Hochdruckpumpe verdichtet und durch den Dispergator bzw. den
Hochdruckhomogenisator gefördert. Die
treibende Kraft zur Tröpfchenzerkleinerung
der dispersen Phase im Dispergator ist die Druckdifferenz über den
Dispergator. Bei Hochdruckdispergatoren bzw. Hochdruckhomogenisatoren
entspricht der Druckverlust der Energiedichte. Unmittelbar nach der
Emulgierung wird die Tröpfchengröße (Sauterdurchmesser)
mit einem Laserbeugungsmessgerät vom
Typ Mastersizer2000 bestimmt.
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Bei
der gewählten
Konfiguration mit einem Durchmesser von 0,5 mm in der ersten Düse und 0,8 mm
in der zweiten Düse
und einem Ölanteil
von 10 Gew.% wurde in Einzelversuchen der Pumpenhub an der eingesetzten
Hochdruckpumpe variiert, wodurch sich verschiedene Volumenströme einstellten.
Im Diagramm der 6 sind zu jedem Volumenstrom
zwei Drücke
dokumentiert. Der erste Druck zeigt den Druck vor dem Eintritt in
die Dispergiereinheit. Der zweite Druck zeigt den Druck vor der
zweiten Engstelle an. Der erste Druck entspricht der über die
Dispergiereinheit abgebauten Druckdifferenz (Energiedichte). Im
Diagramm der 8 sind ebenfalls zu jedem Volumenstrom
zwei Drücke
dokumentiert. Im Unterschied zur experimentellen Anordnung bei 6 sind
bei 8 zwei gleich große Düsen mit einem Innendurchmesser
von jeweils 0,5 mm verwendet worden.
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Es
ist zu erkennen, dass mit steigendem Volumenstrom in beiden Anordnungen
die Drücke
steigen. Des Weiteren ist anzumerken, dass durch die Strömungsführung in
der Stabilisierungskammer Druckenergie zurückgewonnen werden kann. Dies äußert sich
darin, dass keine Halbierung des Drucks bei gleichgroßen Düsen erfolgt
(siehe 8). Es ist kein messbarer Unterschied im Druckverlauf
zwischen eingesetztem und fehlendem Störkörper festzustellen.
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Zu
dieser Versuchsanordnung wurde der Sauterdurchmesser über der
Energiedichte aufgetragen (7). Es ist
zu erkennen, dass mit steigender Energiedichte, das heißt mit steigender
Druckdifferenz der Sauterdurchmesser fällt, das heißt die Tröpfchengröße abnimmt.
Es ist dabei zu beachten, dass generell zur Verringerung der Tropfendurchmesser im
Submikronbereich mit kleiner werdendem Durchmesser der Energieanteil
zum Tropfenaufbruch aufgrund der im Quadrat wachsenden Oberfläche sehr stark
ansteigt. Deshalb bedeutet bereits eine kleine Verringerung der
Tropfengröße eine
effektivere Energieausnutzung. Es ist zu erkennen, dass bei gleicher Energiedichte
der Einsatz der Störstelle
eine Verkleinerung des Sauterdurchmessers bewirkt. Hierdurch wird
der erfindungsgemäße Effekt
belegt.
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Die 8 und 9 verdeutlichen
den gleichen zuvor beschriebenen Effekt bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen.
Insbesondere ist der Düsendurchmesser
bei dieser Versuchsanordnung in beiden Dispergiereinheiten gleich.
Er beträgt
0,5 mm. Die kritische Mizellbildungskonzentration beträgt nCMC = 3. Auch hier ist zu erkennen, dass
mit steigender Energiedichte, das heißt steigender Druckdifferenz
der Sauterdurchmesser fällt,
obschon kein maßgeblicher
Unterschied im Druckverlauf zwischen eingesetzter und demontierter
Störstelle
festzustellen ist (8).
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- 1
- Hochdruckhomogenisator
- 2
- Dispergiereinheit
- 3
- Stabilisierungskammer
- 4
- Diffusorabschnitt
- 5
- Düsenabschnitt
- 6
- Engstelle
- 7
- Kanal
- 8
- Störkörper
- 9
- Tasche
- 10
- Stabilisierungszone
- 11
- Druckmessstelle
- 12
- Bohrung
- 13
- Stirnfläche
- 14
- Nut
- P
- Pfeil