DE102018118165A1

DE102018118165A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen aus einem flüssigen Medium

Info

Publication number: DE102018118165A1
Application number: DE102018118165.5A
Authority: DE
Inventors: Mathias Etzold
Original assignee: Fmp Tech Fluid Measurements & Projects GmbH; FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Current assignee: Fmp Tech Fluid Measurements & Projects GmbH; FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen (10) aus einem flüssigen Medium, bei dem aus einer ersten Flüssigkeit (LI1), welche das flüssige Medium darstellt, mit einem Tropfengenerator (1) eine Tropfenkette (9) aus aufeinander folgenden Tropfen (10) generiert wird, welche sich mit einer ersten Geschwindigkeit in eine erste Richtung (R1) bewegen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einem Strahlerzeuger (7) ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl (8) aus einer zweiten Flüssigkeit (LI2) erzeugt, wobei sich der Flüssigkeitsstrahl (8) mit einer zweiten Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung (R2) bewegt und die zweite Flüssigkeit (LI2) mit der ersten Flüssigkeit (LI1) im Wesentlichen unvermischbar ist. Die Tropfenkette (9) wird auf den Flüssigkeitsstrahl (8) gerichtet, wobei der Neigungswinkel (ϕ) des relativen Geschwindigkeitsvektorsder Tropfenkette (9) zur zweiten Richtung (R2) und die Weber-Zahl (We) derart festgelegt sind, dass die Tropfen (10) der Tropfenkette (9) in den Flüssigkeitsstrahl (8) eintreten und jeweils separat durch den Flüssigkeitsstrahl (8) in die zweite Richtung (R2) transportiert werden, wobei die Weber-Zahl (We) die Zweiphasenströmung der Tropfen (10) im Flüssigkeitsstrahl (8) bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl (8) charakterisiert und der relative Geschwindigkeitsvektordie Bewegung der Tropfenkette (9) relativ zum Flüssigkeitsstrahl (8) beschreibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen aus einem flüssigen Medium.
Aus den Dokumenten [1] und [2] ist es bekannt, einen Flüssigkeitsspray aus einer Vielzahl von Tropfen mittels eines Tropfengenerators zu erzeugen. Der Tropfengenerator beaufschlagt dabei einen aus einer Blende oder Düse austretenden Flüssigkeitsstrahl mit Schwingungen, wobei die Schwingungen vorzugsweise mit einem piezokeramischen Schwingungselement generiert werden. Durch geeignete Einstellung der Schwingungsfrequenz, der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bei Austritt aus der Blende oder der Düse sowie des Durchmessers der Austrittsöffnung kann eine Tropfenkette aus Tropfen mit einem vorbestimmten Durchmesser generiert werden.
Zur dauerhaften Vereinzelung der erzeugten Tropfen kann ein koaxialer Gasstrom in der Umgebung der Tropfenkette erzeugt werden oder die Tropfen können gleichnamig elektrostatisch aufgeladen werden. Bei letztgenannter Methode verhindern Absto-ßungskräfte zwischen den einzelnen Tropfen deren Koaleszenz. Die beiden genannten Vereinzelungsmethoden sind bekannt (siehe Dokument [4]), sind aber nicht für jede Anwendung geeignet. Für das elektrostatische Aufladen muss die Flüssigkeit beispielsweise ein ausreichendes elektrisches Leitvermögen aufweisen. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen einfach und zuverlässig dauerhaft vereinzelte Tropfen aus einem flüssigen Medium erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen aus einem flüssigen Medium. Dabei wird zunächst aus einer ersten Flüssigkeit, die das flüssige Medium darstellt, mit einem Tropfengenerator eine Tropfenkette aus aufeinander folgenden Tropfen generiert. Diese Tropfen bewegen sich mit einer ersten Geschwindigkeit in eine erste Richtung. Hier und im Folgenden ist unter einer Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsbetrag zu verstehen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Strahlerzeuger verwendet, mit dem ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl aus einer zweiten Flüssigkeit erzeugt wird, wobei sich der Flüssigkeitsstrahl mit einer zweiten Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung bewegt und die zweite Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit im Wesentlichen unvermischbar ist. Der Begriff „im Wesentlichen unvermischbar“ ist insbesondere derart zu verstehen, dass sich maximal 5%, vorzugsweise maximal 3%, besonders bevorzugt maximal 1% der Masse der ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit vermischt. Die erste Geschwindigkeit und die zweite Geschwindigkeit liegen vorzugsweise jeweils zwischen 2 und 40 Metern pro Sekunde.
Die Tropfenkette, die mit dem Tropfengenerator erzeugt wurde, wird auf den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl gerichtet. Dabei sind der Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette zur zweiten Richtung und die Weber-Zahl derart festgelegt, dass die Tropfen der Tropfenkette in den Flüssigkeitsstrahl eintreten und jeweils separat durch den Flüssigkeitsstrahl in die zweite Richtung transportiert und hierdurch aus der Tropfenkette entfernt werden. Der relative Geschwindigkeitsvektor beschreibt die Bewegung der Tropfenkette bzw. der darin enthaltenen Tropfen relativ zum Flüssigkeitsstrahl und entspricht somit dem Geschwindigkeitsvektor der Tropfenkette in einem Bezugssystem, das sich mit dem Flüssigkeitsstrahl mitbewegt. Der Neigungswinkel beschreibt den kleinsten bzw. kleineren Winkel zwischen dem relativen Geschwindigkeitsvektor und dem Geschwindigkeitsvektor des kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls mit der zweiten Richtung, wenn die Spitzen beider Vektoren aufeinander treffen.
Die oben genannte Weber-Zahl ist eine an sich bekannte Größe und charakterisiert im Kontext der Erfindung die Zweiphasenströmung der Tropfen im Flüssigkeitsstrahl bei Eintritt der Tropfen in den Flüssigkeitsstrahl (d.h. im Moment des Eintritts der Tropfen). Sie ist dabei wie folgt definiert: $W e = \frac{ρ_{d} U_{R}^{2} d}{σ_{j d}}$
Dabei bezeichnet We die Weber-Zahl, ρ_d die Dichte der ersten Flüssigkeit, U_R die Relativgeschwindigkeit der Tropfenkette in Bezug auf den Flüssigkeitsstrahl (d.h. den Betrag des relativen Geschwindigkeitsvektors), d den Durchmesser der Tropfen und σ_jd die Grenzflächenspannung zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeit.
Die Erfindung macht sich bekannte Erkenntnisse zum Eindringen von Tropfen in stehende Flüssigkeiten zu Nutze. Zum Beispiel zeigt Dokument [3] für eine stehende Flüssigkeit einen Zusammenhang, der in Abhängigkeit von dem Eintrittswinkel eines Tropfens in die Flüssigkeit und der Weber-Zahl der Strömung des Tropfens in der Flüssigkeit angibt, ob der Tropfen sich mit der Flüssigkeit vereint (sog. Koaleszenz) oder ob der Tropfen an der Oberfläche der Flüssigkeit zerspritzt bzw. abprallt (8 in Dokument [3]). Im Rahmen der Erfindung werden diese Erkenntnisse auf die Wechselwirkung einer Tropfenkette mit einem bewegten Flüssigkeitsstrahl übertragen, indem in der Weber-Zahl die Relativgeschwindigkeit der Tropfenkette verwendet wird und der Eintrittswinkel durch den obigen Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette ersetzt wird. Diese Größen werden so gewählt, dass Koaleszenz auftritt und die jeweiligen Tropfen der Tropfenkette durch den Flüssigkeitsstrahl weitertransportiert werden.
Darüber sind die Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens so eingestellt, dass sich die Tropfen innerhalb des Flüssigkeitsstrahls nicht miteinander verbinden, sondem separat transportiert werden. Dies kann durch die Berücksichtigung einer Bedingung an den Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette erreicht werden. In der detaillierten Beschreibung wird diese Bedingung näher angegeben.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch eine einfache Wechselwirkung einer Tropfenkette mit einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl die Tropfen der Kette dauerhaft vereinzelt werden können. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, aus den vereinzelten Tropfen geeignete Produkte herzustellen, wie z. B. Granulate, Emulsionen oder Dispersionen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Tropfenkette mit einem Tropfengenerator erzeugt, in dem mittels eines Schwingungselements, vorzugsweise mittels eines piezokeramischen Schwingungselements, Schwingungen auf die erste Flüssigkeit aufgebracht werden, welche durch ein Gehäuse des Tropfenerzeugers geleitet wird, wodurch bei Austritt der ersten Flüssigkeit aus dem Gehäuse die Tropfenkette entsteht. Solche Tropfengeneratoren sind an sich bekannt und beispielsweise in den oben genannten Druckschriften [1] und [2] beschrieben. Diese Tropfengeneratoren ermöglichen die Erzeugung einer Tropfenkette aus monodispersen Tropfen (d. h. Tropfen mit einem einheitlichen und konstanten Durchmesser).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die oben genannte Weber-Zahl zur Beschreibung der Zweiphasenströmung der Tropfen im Flüssigkeitsstrahl bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl derart eingestellt, dass sie größer gleich 10, insbesondere größer gleich 60, ist. Darüber hinaus wird der oben beschriebene Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette vorzugsweise derart gewählt, dass er größer als 0°, vorzugsweise größer als 10°, insbesondere größer als 17° oder größer als 73°, und/oder kleiner als 170° ist. Die oben genannten Werte der Weber-Zahl und des Neigungswinkels haben sich zur Vereinzelung der Tropfen als besonders praktikabel erwiesen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Durchmesser der Tropfen der Tropfenkette zwischen 5 µm und 5000 µm, vorzugsweise zwischen 40 µm und 1000 µm.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hat der Flüssigkeitsstrahl einen runden Querschnitt, dessen Durchmesser vorzugsweise größer gleich 50 % und besonders bevorzugt größer gleich 140 % des Durchmessers der Tropfen ist. Anstatt eines runden Flüssigkeitsstrahls kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein Flüssigkeitsstrahl verwendet werden, der aus einer Düse mit rechteckigem Querschnitt am Strahlerzeuger austritt, vorzugsweise aus einer Schlitzdüse. Der Flüssigkeitsstrahl behält diesen rechteckigen Querschnitt in der Regel nur für kurze Zeit nach dem Austritt aus der Düse bei. Die Dicke des rechteckigen Querschnitts (d. h. die Länge der kürzesten Kante des rechteckigen Querschnitts) ist analog zum Durchmesser eines runden Querschnitts vorzugsweise größer gleich 50 % und besonders bevorzugt größer gleich 140 % des Durchmessers der Tropfen.
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedene Flüssigkeiten für den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl verwendet werden. Insbesondere kommt neben Wasser auch ein Öl, z.B. ein pflanzliches oder synthetisches Öl, in Betracht. Als pflanzliches Öl kann beispielsweise Maisöl oder Sonnenblumenöl verwendet werden. Entscheidend ist dabei, dass die zweite Flüssigkeit des kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls mit der ersten Flüssigkeit der Tropfen im Wesentlichen unvermischbar ist.
Die erste Flüssigkeit kann eine beliebige natürliche oder synthetische Substanz (z.B. ein flüssiger Kunststoff) sein, die mit der zweiten Flüssigkeit im Wesentlichen unvermischbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Flüssigkeit eine Schmelze, wobei die Temperatur des kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls unterhalb der Schmelztemperatur der Schmelze derart eingestellt ist, dass sich zumindest ein äußerer Mantel der jeweiligen Tropfen beim Transport im zweiten Flüssigkeitsstrahl verfestigt. Auf diese Weise können aus den vereinzelten Tropfen feste Granulate hergestellt werden. Die Schmelze ist dabei vorzugsweise eine Harnstoffschmelze, so dass durch Kühlung der Tropfen ein Granulat aus Harnstoff generiert werden kann, welches beispielsweise als Düngemittel zum Einsatz kommt. Ebenso kann die Schmelze eine Kunststoffschmelze, eine Wachsschmelze, eine Epoxidharzschmelze und ggf. auch eine Metallschmelze sein. Auf diese Weise können verfestigte Kugeln aus Kunststoff bzw. Wachs bzw. Epoxidharz bzw. Metall hergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Flüssigkeitsstrahl mit den darin transportierten Tropfen einer Weiterverarbeitung unterzogen, bei der zumindest teilweise und vorzugsweise komplett verfestigte Tropfen mittels einer Separationseinrichtung von umgebender Flüssigkeit getrennt werden. Die Verfestigung der Tropfen kann dabei durch Kühlung oder ggf. durch eine chemische Reaktion erfolgt sein. Vorzugsweise stammen die Tropfen aus einer Schmelze und werden durch Kühlung verfestigt. In dieser Variante der Erfindung können an sich bekannte Separationseinrichtungen genutzt werden. Beispielsweise kann die Separationseinrichtung einen Trägheits- bzw. Fliehkraftabscheider, wie z. B. ein Hydrozyklon, umfassen. Ebenso kann diese Separationseinrichtung ein Sedimentationsbecken und/oder einen Filter umfassen. Darüber hinaus kann die Separationseinrichtung ein Netz oder ein Gitter umfassen, worauf der Flüssigkeitsstrahl mit den darin transportierten Tropfen gerichtet wird, wobei das Netz bzw. Gitter die Tropfen auffängt und hierdurch deren Separation bewirkt. Dabei kann ggf. auch eine Trocknungseinrichtung vorgesehen sein, welche die auf dem Gitter bzw. dem Netz befindlichen Tropfen z. B. durch Abblasen trocknet.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der kontinuierliche Flüssigkeitsstrahl mit den darin transportierten Tropfen in ein Flüssigkeitsbad gerichtet, wobei anschließend mit der oben beschriebenen Separationseinrichtung die zumindest teilweise und vorzugsweise komplett verfestigten Tropfen von der Flüssigkeit des Flüssigkeitsbads separiert werden. Die Flüssigkeit des Flüssigkeitsbads entspricht vorzugsweise der zweiten Flüssigkeit. In einer bevorzugten Variante stammen die Tropfen aus einer Schmelze, wobei in diesem Fall das Flüssigkeitsbad eine Kühlung der Tropfen bewirkt.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die umgebende Flüssigkeit nach der Trennung der Tropfen mittels der Separationseinrichtung zum Strahlerzeuger weitergeleitet, um dort als zweite Flüssigkeit zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls verwendet zu werden. Hierdurch wird eine Zirkulation der zweiten Flüssigkeit erreicht. Gegebenenfalls kann die Flüssigkeit bei der Weiterleitung zum Strahlerzeuger auch mittels einer Kühleinrichtung gekühlt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Flüssigkeitsstrahl mit den darin transportieren Tropfen gesammelt, wobei die gesammelte zweite Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls mit den darin enthaltenen Tropfen ein mit dem Verfahren hergestelltes Produkt darstellt. Auf diese Weise können auch flüssige Produkte in der Form von Emulsionen hergestellt werden.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen aus einem flüssigen Medium. Die Vorrichtung umfasst einen Tropfengenerator, um aus einer ersten Flüssigkeit, welche das flüssige Medium darstellt, eine Tropfenkette aus aufeinander folgenden Tropfen zu generieren, welche sich mit einer ersten Geschwindigkeit in eine erste Richtung bewegen. Die Vorrichtung beinhaltet ferner einen Strahlerzeuger zur Erzeugung eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls aus einer zweiten Flüssigkeit, wobei sich der Flüssigkeitsstrahl mit einer zweiten Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung bewegt und die zweite Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit im Wesentlichen unvermischbar ist. Der Tropfengenerator und der Strahlerzeuger sind derart ausgestaltet und angeordnet, dass die Tropfenkette auf den Flüssigkeitsstrahl gerichtet wird und dabei den Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette zur zweiten Richtung und die Weber-Zahl derart festgelegt sind, dass die Tropfen der Tropfenkette in den Flüssigkeitsstrahl eintreten und jeweils separat durch den Flüssigkeitsstrahl in die zweite Richtung transportiert und hierdurch aus der Tropfenkette entfernt werden. Die Weber-Zahl charakterisiert dabei die Zweiphasenströmung der Tropfen im Flüssigkeitsstrahl bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl und der relative Geschwindigkeitsvektor beschreibt die Bewegung der Tropfenkette relativ zum Flüssigkeitsstrahl.
In einer bevorzugten Variante ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind. Mit anderen Worten sind die entsprechenden Komponenten der Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie die Durchführung entsprechender bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Variante einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 eine Detailansicht, welche das Aufeinandertreffen der Tropfenkette und des Flüssigkeitsstrahls in der Vorrichtung der 1 zeigt.

Anhand von 1 wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats aus einer Schmelze beschrieben, z.B. zur Herstellung von Harnstoffkugeln aus einer Harnstoffschmelze. Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen an sich bekannten Tropfengenerator 1, dessen Aufbau beispielsweise in den eingangs genannten Dokumenten [1] und [2] beschrieben ist. Der Tropfengenerator 1 umfasst ein rohrförmiges Gehäuse 2 sowie ein piezokeramisches Schwingungselement 3. An das Gehäuse 2 ist eine Flüssigkeitsleitung 4 angeschlossen. In diese Flüssigkeitsleitung wird über eine Pumpe 5 eine erste Flüssigkeit LI1 aus einem Flüssigkeitsbehälter 6 gepumpt, wie durch den Pfeil P1 angedeutet ist. Bei der Flüssigkeit LI1 handelt es sich um eine Schmelze, deren Schmelzpunkt deutlich über Raumtemperatur liegt. Demzufolge ist eine (nicht gezeigte) Heizeinrichtung vorgesehen, um die Flüssigkeit LI1 oberhalb der Schmelztemperatur und somit im flüssigen Zustand zu halten.
Durch das Zuführen der ersten Flüssigkeit LI1 in das rohrförmige Gehäuse 2 entsteht ein Flüssigkeitsstrahl mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit an der Austrittsöffnung am unteren Ende des Gehäuses 2. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird durch eine Blende bzw. eine Düse erzeugt und mit Schwingungen bzw. Vibrationen in Längsrichtung des rohrförmigen Gehäuses 2 beaufschlagt. Die Schwingungen werden über das piezokeramische Schwingungselement 3 generiert. Als Konsequenz der Schwingungen werden Störwellen auf den Flüssigkeitsstrom im Gehäuse 2 aufgebracht, wodurch eine Tropfenkette 9 aus Tropfen 10 mit konstantem Durchmesser generiert wird, die sich in die Richtung R1 senkrecht nach unten bewegt. Die Tropfen sind in 1 durch kleine Kreise wiedergegeben. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur einige der Tropfen mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Durchmesser d der Tropfen 10 ist dabei durch folgende an sich bekannte Gleichung gegeben: $d = \sqrt[3]{\frac{3 U_{d} D^{2}}{2 f_{G}}}$
Dabei bezeichnet U_d die Geschwindigkeit beim Austritt der Tropfen aus dem Gehäuse 2. Die Größe D ist der Durchmesser der Flüssigkeitsausströmung aus dem Gehäuse 2 und entspricht dem Durchmesser der Austrittsöffnung des Gehäuses 2. Die Größe f_G ist die Frequenz des Schwingungsgenerators 3, d.h. die Frequenz der Schwingungen, die auf den Flüssigkeitsstrom im Gehäuse 2 aufgebracht werden. Die durch die Schwingungen verursachten Störwellen haben die Wellenlänge λ, welche wie folgt gegeben ist: $λ = \frac{U_{d}}{f_{G}}$
Der Zerfall der Flüssigkeitsströmung in Tropfen ist dabei nur möglich, wenn folgende Beziehung zwischen der Wellenlänge λ und dem Durchmesser D der Austrittsöffnung des Gehäuses 2 besteht: $λ \geq π D$
Basierend auf den obigen Parametern lässt sich die dimensionslose Wellenzahl k wie folgt definieren: $k = \frac{π D f_{G}}{U_{d}}$
Zur Erzeugung von monodispersen Tropfen mit konstantem Durchmesser d ist es besonders vorteilhaft, die Wellenzahl k im folgenden Intervall zu wählen: $0,3 \leq k \leq 0,7$
In dem Tropfengenerator 1 der 1 werden die Parameter derart eingestellt, dass sich eine Wellenzahl in diesem Bereich ergibt.
Um die Tropfen 10 aus der Tropfenkette 9 zu vereinzeln, wird in der Ausführungsform der 1 ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl 8 mittels eines Strahlerzeugers 7 generiert. Bei der Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls handelt es sich um eine zweite Flüssigkeit LI2, welche mit der ersten Flüssigkeit LI1 nicht vermischbar ist. Vorzugsweise ist die zweite Flüssigkeit Wasser oder ein Öl. Der Strahlerzeuger 7 kann wie der Tropfengenerator 1 aufgebaut sein, wobei jedoch das piezokeramische Schwingungselement 3 bei der Strahlerzeugung nicht aktiviert wird oder ganz weggelassen wird. Der generierte Flüssigkeitsstrahl 8 bewegt sich in die Richtung R2, die gegenüber der Richtung R1 der Tropfenkette 9 geneigt ist.
Wie weiter unten näher beschrieben wird, sind die Parameter der Tropfenkette 9 und des Flüssigkeitsstrahls 8 derart eingestellt, dass beim Auftreffen der jeweiligen Tropfen 10 auf den Flüssigkeitsstrahl 8 Koaleszenz auftritt, d.h. die Tropfen vereinigen sich mit dem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl und es tritt kein Abprallen bzw. Zerspritzen der Tropfen auf. Dabei bewirkt der Flüssigkeitsstrahl 8 nach dem Eintritt der Tropfen 10 in den Strahl deren Abtransport schräg nach unten, wobei durch eine geeignete Wahl der Parameter, wie z.B. der Relativgeschwindigkeit der Tropfen und des Neigungswinkels der Tropfenkette, sichergestellt wird, dass sich die Tropfen 10 jeweils separat im Flüssigkeitsstrahl 8 weiterbewegen, ohne miteinander zu verschmelzen. Die Temperatur des Flüssigkeitsstrahls 8 liegt bei einer niedrigeren Temperatur als die Temperatur der Tropfen, vorzugsweise in etwa bei Raumtemperatur. Als Konsequenz bewirkt der Flüssigkeitsstrahl beim Abtransport der Tropfen 10 eine Verfestigung der äußeren Hülle der Tropfen, die beim Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl noch in flüssiger Form vorliegen.
In der Ausführungsform der 1 wird der Flüssigkeitsstrahl 8 auf einen Flüssigkeitsbehälter 12 gerichtet, der ein Flüssigkeitsbad 11 aus der zweiten Flüssigkeit LI2 enthält. Beim Eintritt des Flüssigkeitsstrahls 8 in das Flüssigkeitsbad 11 sind die im Flüssigkeitsstrahl 8 enthaltenen Tropfen 10 schon derart verfestigt, dass sie nicht mehr aneinanderkleben, so dass in dem Flüssigkeitsbad eine Vielzahl von vereinzelten Tropfen enthalten sind. Die Temperatur des Flüssigkeitsbads 11 liegt bei der gewünschten kühlen Endtemperatur der Tropfen, vorzugsweise in etwa bei Raumtemperatur, so dass eine weitere Kühlung der Tropfen in dem Bad bewirkt wird. Nach kurzer Zeit sind die Tropfen im Flüssigkeitsbad vollständig verfestigt und haben bevorzugt eine Kugelform angenommen.
Wie durch den Pfeil P2 angedeutet, fließt die Flüssigkeit LI2 des Flüssigkeitsbads 11 mit in darin enthaltenen verfestigten Kugeln über eine Leitung 13 in eine Separationseinrichtung 14, welche lediglich schematisch dargestellt ist. In der Separationseinrichtung wird die Trennung der Kugeln von der Flüssigkeit LI2 bewirkt. Hierzu können an sich bekannte Technologien verwendet werden, die weiter oben beschrieben wurden. Beispielsweise kann es sich bei der Separationseinrichtung um einen Fliehkraftabscheider oder einen Filter handeln. Die durch die Separationseinrichtung separierten Kugeln werden nach unten ausgegeben, wie durch den Pfeil P3 angedeutet ist. Da die Kugeln nunmehr keine Tropfen mehr sind, werden sie in 1 zumindest zum Teil mit Bezugszeichen 10' bezeichnet. Diese Kugeln 10' stellen die Körner eines Granulats dar, das mit der Vorrichtung der 1 aus einer Schmelze erzeugt wurde. Dieses Granulat wird über ein Förderband 15 abtransportiert, wie durch den Pfeil P4 angedeutet ist.
In der Ausführungsform der 1 wird die Flüssigkeit LI2, aus der mittels der Separationseinrichtung 14 die verfestigten Tropfen entfernt wurden, über die Leitung 18 dem Strahlerzeuger 7 zugeführt. Hierfür wird die Pumpe 16 genutzt, welche die Flüssigkeit LI2 in Richtung des Pfeils P5 fördert. Auf diese Weise wird ein Kreislauf der zweiten Flüssigkeit LI2 gebildet, so dass während des Betriebs der Vorrichtung keine Flüssigkeit zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls 8 nachgeführt werden muss. In der Ausführungsform der 1 ist ferner eine schematisch angedeutete Kühleinrichtung 17 in der Leitung 18 verbaut, wodurch die durch die Tropfen erwärmte Flüssigkeit wieder auf Raumtemperatur gekühlt wird. Auf diese Weise wird die Kühlung von neu im Flüssigkeitsstrahl 8 aufgenommenen Tropfen sichergestellt.
Im Folgenden wird anhand von 2 erläutert, wie die Parameter des Flüssigkeitsstrahls 8 und der Tropfenkette 9 zu wählen sind, so dass Koaleszenz zwischen Tropfen und Flüssigkeitsstrahl auftritt und ein Abtransport der Tropfen durch den Flüssigkeitsstrahl bewirkt wird, ohne dass die Tropfen miteinander verschmelzen. 2 zeigt dabei eine Detailansicht des Flüssigkeitsstrahls 8 und der Tropfenkette 9 aus Tropfen 10. In 2 bezeichnet ${\vec{U}}_{d}$
den Geschwindigkeitsvektor der Tropfenkette und s ist der Abstand zwischen benachbarten Tropfen nach Eintritt der Tropfenkette in den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl. Demgegenüber bezeichnet ${\vec{U}}_{j}$
den Geschwindigkeitsvektor des kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls 8. Die Geschwindigkeiten dieser beiden Geschwindigkeitsvektoren sind in der gleichen Größenordnung und liegen vorzugsweise zwischen 2 und 40 Metern pro Sekunde. Der relative Geschwindigkeitsvektor der Tropfenkette 9 in Bezug auf den Flüssigkeitsstrahl 8 ist mit ${\vec{U}}_{R}$
bezeichnet und durch folgende Gleichung gegeben: ${\vec{U}}_{R} = {\vec{U}}_{d} - {\vec{U}}_{j}$
Der Betrag des relativen Geschwindigkeitsvektors ${\vec{U}}_{R}$
stellt einen Parameter der Weber-Zahl We dar, die in 2 in Klammern neben dem Bezugszeichen des relativen Geschwindigkeitsvektors angegeben ist.
In 2 ist ferner die Komponente ${\vec{U}}_{R n}$
des relativen Geschwindigkeitsvektors senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl 8 sowie die Komponente ${\vec{U}}_{R p}$
des relativen Geschwindigkeitsvektors parallel zum Flüssigkeitsstrahl 8 wiedergegeben. Ferner bezeichnet der Winkel ϕ den Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors ${\vec{U}}_{R}$
zur Richtung des Flüssigkeitsstrahls 8. Demgegenüber bezeichnet der Winkel α den Neigungswinkel der Tropfenkette 9 zur Richtung des Flüssigkeitsstrahls 8. Die Beziehungen der Geschwindigkeitsvektoren zueinander sind zur Verdeutlichung nochmals im linken Teil der 2 wiedergegeben. Im Folgenden bezeichnen U_j, U_d, U_R, U_Rn und U_Rp die Beträge (Geschwindigkeiten) der jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren ${\vec{U}}_{j}, {\vec{U}}_{d}, {\vec{U}}_{R}, {\vec{U}}_{R n} und {\vec{U}}_{R p} .$
Es gelten dabei folgende Beziehungen zwischen den Geschwindigkeiten sowie den obigen Winkeln ϕ und α: $U_{R p} = U_{d} cos α - U_{j}$
$U_{R n} = U_{d} sin α$
$U_{R} = \sqrt{U_{R p}^{2} + U_{R n}^{2}}$
$tan ϕ = \frac{U_{R n}}{U_{R p}} = \frac{U_{d} sin α}{U_{d} cos α - U_{j}}$
Wie bereits oben erwähnt, ist die Weber-Zahl We für die Zweiphasenströmung der Tropfen 10 im Flüssigkeitsstrahl 8 bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl wie folgt gegeben: $W e = \frac{ρ_{d} U_{R}^{2} d}{σ_{j d}}$
ρ_d ist dabei die Dichte der Tropfen und σ_jd stellt die Grenzflächenspannung zwischen der Flüssigkeit der Tropfen und der Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls dar.
Erfindungsgemäß werden nunmehr die Weber-Zahl We und der Winkel ϕ derart gewählt, dass sich die Tropfen 10 mit dem Flüssigkeitsstrahl 8 vereinigen, d.h. dass Koaleszenz auftritt und kein Zerspritzen des Flüssigkeitsstrahls bzw. der Tropfen oder ein Abprallen der Tropfen am Flüssigkeitsstrahl auftritt. Für Tropfen, die auf eine stehende Flüssigkeit auftreffen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, wie die Weber-Zahl We und der Winkel ϕ zu wählen sind, damit Koaleszenz auftritt (siehe beispielsweise 8 aus dem Dokument [3]). Diese Lehre lässt sich auf einen bewegten Flüssigkeitsstrahl übertragen, indem in der Weber-Zahl der relative Geschwindigkeitsvektor berücksichtigt wird und statt des Neigungswinkels der Tropfen gegenüber der Oberfläche der stehenden Flüssigkeit der Neigungswinkel des relativen Geschwindigkeitsvektors der Tropfenkette verwendet wird.
Um ferner das Verschmelzen der Tropfen 10 untereinander in dem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl 8 zu vermeiden, muss nach dem Eindringen der Tropfen in den Flüssigkeitsstrahl der Abstand s der Tropfen in Längsrichtung des Flüssigkeitsstrahls größer als der Durchmesser d der Tropfen sein. D.h., es muss folgende Beziehung gelten: $\frac{s}{d} > 1$
Der Abstand s kann dabei durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: $s = \frac{U_{j}}{f_{G}}$
Unter Verwendung der obigen Gleichung (4) ergibt sich der Abstand s wie folgt: $s = \frac{U_{j} π D}{U_{d} k}$
Indem der Durchmesser D in der Gleichung (14) durch die Gleichung (1) ausgedrückt wird und dabei die Frequenz f_G durch die Gleichung (4) beschrieben wird, ergibt sich folgender Wert für s: $s = \frac{U_{j} π}{U_{d} k} \sqrt[3]{\frac{2 k}{3 π}} d$
Mittels der Gleichung (15) kann die obige Bedingung gemäß Gleichung (12) wie folgt geschrieben werden: $\frac{U_{j}}{U_{d}} > \sqrt[3]{\frac{3 k^{2}}{2 π^{2}}}$
Indem das Verhältnis U_j/U_d in Gleichung (16) durch die obige Gleichung (10) beschrieben wird, kann die Bedingung gemäß Gleichung (16) durch folgende Bedingung an den Winkel ϕ beschrieben werden: $tan ϕ > \frac{sin α}{cos α - \sqrt[3]{\frac{3 k^{2}}{2 π^{2}}}}$
Für praktisch sinnvolle Werte von α = 10° und k= 0,7 folgt aus obiger Gleichung (17), dass der Neigungswinkel ϕ größer als 17° sein muss. Für die weiteren praktisch sinnvollen Werte von α = 45° und k = 0,9 ergibt sich, dass der Neigungswinkel ϕ größer als 73° sein muss. In der Vorrichtung der 1 wird der Winkel ϕ immer derart eingestellt, dass das Kriterium der Gleichung (17) erfüllt ist, so dass gewährleistet ist, dass die Tropfen im Flüssigkeitsstrahl 8 nicht miteinander verschmelzen.
Im Vorangegangenen wurde die Erfindung anhand der Herstellung eines Granulats aus festen Kugeln, d.h. der Herstellung fester Teilchen aus einer Schmelze, beschrieben. Nichtsdestotrotz kann mit der Erfindung ggf. auch eine Emulsion hergestellt werden. In diesem Fall wird als Flüssigkeit LI1 keine Schmelze verwendet, sondern eine Substanz, die bei der Verarbeitungstemperatur, bevorzugt bei Raumtemperatur, flüssig ist. Diese Substanz wird in der Form der Tropfenkette auf den Flüssigkeitsstrahl 8 gerichtet, wobei der Flüssigkeitsstrahl mit den darin enthaltenen Tropfen anschließend in einem Sammelbehälter gesammelt wird. Der Sammelbehälter enthält dann eine Emulsion aus den Tropfen und der Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine einfache und zuverlässige Vereinzelung von Tropfen aus einer Tropfenkette dadurch erreicht, dass die Tropfen der Tropfenkette von einem bewegten Flüssigkeitsstrahl aufgenommen werden. Hierdurch wird die Herstellung von unterschiedlichen Produkten ermöglicht. Dabei kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Verfestigung von geschmolzenen Tropfen aus einer Schmelze erreicht werden, indem der Flüssigkeitsstrahl eine ausreichende Kühlung der darin transportierten Tropfen bewirkt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Granulat aus Körnern mit konstantem Durchmesser hergestellt werden. Ebenso eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Emulsionen.
Literaturverzeichnis:

[1] DE 44 41 553 A1
[2] DE 10 2014 207 657 B3
[3] Rein, M. (1993). Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research, 12(2), 61-93.
[4] Dabora, E. K. (1967). Production of monodisperse sprays. Review of Scientific Instruments, 38(4), 502-506.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4441553 A1 [0053]
DE 102014207657 B3 [0053]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rein, M. (1993). Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research, 12(2), 61-93 [0053]
Dabora, E. K. (1967). Production of monodisperse sprays. Review of Scientific Instruments, 38(4), 502-506 [0053]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen (10) aus einem flüssigen Medium, bei dem aus einer ersten Flüssigkeit (LI1), welche das flüssige Medium darstellt, mit einem Tropfengenerator (1) eine Tropfenkette (9) aus aufeinander folgenden Tropfen (10) generiert wird, welche sich mit einer ersten Geschwindigkeit in eine erste Richtung (R1) bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Strahlerzeuger (7) ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl (8) aus einer zweiten Flüssigkeit (LI2) erzeugt wird, wobei sich der Flüssigkeitsstrahl (8) mit einer zweiten Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung (R2) bewegt und die zweite Flüssigkeit (LI2) mit der ersten Flüssigkeit (LI1) im Wesentlichen unvermischbar ist, und die Tropfenkette (9) auf den Flüssigkeitsstrahl (8) gerichtet wird und dabei der Neigungswinkel (ϕ) des relativen Geschwindigkeitsvektors $({\vec{U}}_{r})$
der Tropfenkette (9) zur zweiten Richtung (R2) und die Weber-Zahl (We) derart festgelegt sind, dass die Tropfen (10) der Tropfenkette (9) in den Flüssigkeitsstrahl (8) eintreten und jeweils separat durch den Flüssigkeitsstrahl (8) in die zweite Richtung (R2) transportiert werden, wobei die Weber-Zahl (We) die Zweiphasenströmung der Tropfen (10) im Flüssigkeitsstrahl (8) bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl (8) charakterisiert und der relative Geschwindigkeitsvektor $({\vec{U}}_{r})$
die Bewegung der Tropfenkette (9) relativ zum Flüssigkeitsstrahl (8) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenkette (9) mit einem Tropfengenerator (1) erzeugt wird, in dem mittels eines Schwingungselements (3), vorzugsweise mittels eines piezokeramischen Schwingungselements, Schwingungen auf die erste Flüssigkeit (LI1) aufgebracht werden, welche durch ein Gehäuse (2) des Tropfenerzeugers (1) geleitet wird, wodurch bei Austritt der ersten Flüssigkeit (LI1) aus dem Gehäuse (2) die Tropfenkette (9) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Weber-Zahl (We), welche die Zweiphasenströmung der Tropfen (10) im Flüssigkeitsstrahl (8) bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl (8) beschreibt, größer gleich 10 und insbesondere größer gleich 60 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (ϕ) des relativen Geschwindigkeitsvektors $({\vec{U}}_{r})$
der Tropfenkette (9) größer als 0°, vorzugsweise größer als 10°, insbesondere größer als 17° oder größer als 73°, und/oder kleiner als 170° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Tropfen (10) der Tropfenkette (8) zwischen 5 µm und 5000 µm, vorzugsweise zwischen 40 µm und 1000 µm, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (8) einen runden Querschnitt aufweist, dessen Durchmesser vorzugsweise größer gleich 50 % und besonders bevorzugt größer gleich 140 % des Durchmessers der Tropfen (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (8) aus einer Düse mit rechteckigem Querschnitt am Strahlerzeuger (7) austritt, wobei die Dicke des rechteckigen Querschnitts vorzugsweise größer gleich 50 % und besonders bevorzugt größer gleich 140 % des Durchmessers der Tropfen (10) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkeit (LI2) Wasser oder ein Öl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Flüssigkeit (LI1) eine Schmelze ist und die Temperatur des Flüssigkeitsstrahls (8) unterhalb der Schmelztemperatur der Schmelze derart eingestellt ist, dass sich zumindest eine äußerer Mantel der jeweiligen Tropfen (10) beim Transport im zweiten Flüssigkeitsstrahl (8) verfestigt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Harnstoffschmelze oder eine Kunststoffschmelze oder eine Wachsschmelze oder eine Epoxidharzschmelze oder eine Metallschmelze ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (8) mit den darin transportierten Tropfen (10) einer Weiterverarbeitung unterzogen wird, bei der zumindest teilweise und vorzugsweise komplett verfestigte Tropfen (10') mittels einer Separationseinrichtung (14) von umgebender Flüssigkeit getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (8) mit den darin transportierten Tropfen (10) in ein Flüssigkeitsbad gerichtet wird, wobei anschließend mittels der Separationseinrichtung (14) die zumindest teilweise und vorzugsweise komplett verfestigten Tropfen (8) von der Flüssigkeit des Flüssigkeitsbads (11) separiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (8) mit den darin transportierten Tropfen (10) gesammelt wird, wobei die gesammelte zweite Flüssigkeit (LI2) des Flüssigkeitsstrahls (8) mit den darin enthaltenen Tropfen (8) ein mit dem Verfahren hergestelltes Produkt darstellt.
Vorrichtung zur Erzeugung von dauerhaft vereinzelten Tropfen (10) aus einem flüssigen Medium, umfassend einen Tropfengenerator (1), um aus einer ersten Flüssigkeit (LI1), welche das flüssige Medium darstellt, eine Tropfenkette (9) aus aufeinander folgenden Tropfen (10) zu generieren, welche sich mit einer ersten Geschwindigkeit in eine erste Richtung (R1) bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Strahlerzeuger (7) zur Erzeugung eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls (8) aus einer zweiten Flüssigkeit (LI2) umfasst, wobei sich der Flüssigkeitsstrahl (8) mit einer zweiten Geschwindigkeit in einer zweiten Richtung (R2) bewegt und die zweite Flüssigkeit (LI2) mit der ersten Flüssigkeit (LI1) im Wesentlichen unvermischbar ist, und der Tropfengenerator (1) und der Stahlerzeuger (7) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass die Tropfenkette (9) auf den Flüssigkeitsstrahl (8) gerichtet wird und dabei der Neigungswinkel (ϕ) des relativen Geschwindigkeitsvektors $({\vec{U}}_{r})$
der Tropfenkette (9) zur zweiten Richtung (R2) und die Weber-Zahl (We) derart festgelegt sind, dass die Tropfen (10) der Tropfenkette (9) in den Flüssigkeitsstrahl (8) eintreten und jeweils separat durch den Flüssigkeitsstrahl (8) in die zweite Richtung (R2) transportiert werden, wobei die Weber-Zahl (We) die Zweiphasenströmung der Tropfen (10) im Flüssigkeitsstrahl (8) bei deren Eintritt in den Flüssigkeitsstrahl (8) charakterisiert und der relative Geschwindigkeitsvektor $({\vec{U}}_{r})$
die Bewegung der Tropfenkette (9) relativ zum Flüssigkeitsstrahl (8) beschreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 13 eingerichtet ist.