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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerkleinern von in einem Fluid
suspendierten Festkörper-Partikeln
(Materialstrom). Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zum Zerkleinern derartiger Festkörper-Partikel
mit einer Fördereinrichtung für den Materialstrom
und einer Zerkleinerungseinrichtung, zu der der Materialstrom mittels
der Fördereinrichtung
förderbar
ist. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung Verwendungen eines derartigen Verfahrens
bzw. einer derartigen Vorrichtung.
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Eine
große
Anzahl verschiedener partikulärer
Materialien müssen
vor ihrem Einsatz im Endprodukt, beispielsweise in der pharmazeutischen
oder in der Farbindustrie oder bei der Herstellung von energetischen
Materialien, z.B. Sprengsätzen
mit definierten Abbrandcharakteristiken, in ihrer Größe angepasst,
im allgemeinen reduziert werden. Hierzu sind verschiedene Zerkleinerungsverfahren
und -vorrichtungen, wie z.B. Kolloidmühlen, Zahnkranzdispergierer
oder dergleichen bekannt und im Einsatz. Nach dem bekannten Stand
der Technik erscheint es nur mit derartigen mechanisch wirksamen
Vorrichtung möglich,
partikuläre
Festkörpermaterialien,
die insbesondere in Form von kristallinen Festkörpern vorliegen können, trotz
der hohen Bindungskräfte
im Kristallgitter zuverlässig
und definiert zu zerkleinern.
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Bei
den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Zerkleinern partikulärer Materialien
hat sich unter anderem als nachteilig herausgestellt, dass diese
aufgrund ihrer mechanischen Wirkungsweise und dem ggf. notwendigen
Zusatz von Mahlhilfsstoffen zu Abrieb und damit zu einer Verunreinigung
des Endprodukts führen
können.
Darüber
hinaus sind die bekannten Verfahren und Vorrichtungen nur bedingt
zur Zerkleinerung besonders reaktiver Stoffe, wie Explosivstoffen,
geeignet, da hier aufgrund der auf einer relativen Verdämmung beruhenden
Zerkleinerungswirkung ein erhöhtes
Risiko einer ungewollten Explosion gegeben ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung
sowie Möglichkeiten deren
Verwendung anzugeben, mit denen sich die vorstehend genannten Nachteile
vermeiden lassen, so dass insbesondere auch Explosivstoffe nach
einem derartigen Verfahren bzw. mit einer derartigen Vorrichtung
zerkleinerbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genanten Art gelöst, bei
dem der Materialstrom in eine Kavitationszone eingebracht wird.
Weiterhin ist zur Lösung
der genannten Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorgesehen, bei der zum Zerkleinern der Festkörper-Partikel in der Zerkleinerungseinrichtung
eine Kavitationszone ausbildbar ist. Unter Kavitation versteht man
ein Phänomen,
das auftritt, wenn in einem Fluid die Strömungsgeschwindig keit einen
solchen Wert erreicht, bei dem der statische Druck des Fluids unter
den Dampfdruck sinkt. Dann bilden sich Gasbläschen, die bei einem anschließenden Überschreiten
des Dampfdrucks implosionsartig zusammenbrechen. Dabei entstehen im
zusammenstürzenden
Hohlraum sehr hohe Drücke,
die Tausende von bar betragen können.
Durch das Einbringen von in einem Fluid suspendierten Festkörper-Partikeln
in eine solche Kavitationszone ergibt sich überraschenderweise eine neuartige
Möglichkeit
der Zerkleinerung von Festkörper-Partikeln, insbesondere
von kristallinen Feststoff-Partikeln. Derartige
Verfahren bzw. Vorrichtungen wurden bislang nur zum Dispergieren
von Flüssigkeiten,
d.h. zum Herstellen von Emulsionen sowie zum Wiederaufbrechen von
Agglomeraten, d.h. relativ großen Zusammenballungen
von Teilchen eingesetzt, die lediglich aufgrund von Oberflächenkräften aneinander haften.
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Nach
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kavitationszone
durch Einstrahlen von Ultraschallwellen erzeugt. Dementsprechend
sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass diese
in der Zerkleinerungseinrichtung eine Ultraschallquelle zum Erzeugen
der Kavitationszone mittels eines Ultraschallfeldes aufweist. Durch
Einstrahlen von Ultraschallenergie in ein Fluid lässt sich
in einfacher und darüber hinaus
leicht steuerbarer Weise in dem Fluid eine Kavitationszone mit definierbaren
Eigenschaften, wie Ausdehnung oder dergleichen, erzeugen.
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Um
eine zu starke Abrasivität,
d.h. eine Abnutzung von Bestandteilen, wie der Wände, der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu vermeiden und darüber
hinaus die Dissipation eingestrahlter Ultraschallenergie zu minimieren,
sieht eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass durch die
Ultraschallwellen ein Ultraschallfeld erzeugt wird, dessen Kavitation
erzeugende Ausdehnung höchstens
so groß ist
wie eine Abmessung einer Zerkleinerungseinrichtung für die im
Materialstrom enthaltenen Partikel, in die zum Erzeugen des Ultraschallfeldes
der Ultraschall eingestrahlt wird.
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Zwecks
einer flexiblen Anpassbarkeit an externe Produktionsanforderungen
können
durch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Partikel wahlweise
kontinuierlich oder chargenweise zerkleinert werden. Um die Geschwindigkeit
des Materialstroms und damit der zu zerkleinernden Partikel relativ
zum Ultraschallfeld anpassen zu können, so dass eine optimale
Verweildauer der Partikel in der Kavitationszone erreichbar ist,
sieht eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die
Zerkleinerungseinrichtung einen im wesentlichen rohrförmigen Abschnitt
mit in Richtung seiner Rohrlängsachse
veränderlichem
Querschnitt aufweist. Dabei kann der Querschnitt des rohrförmigen Abschnitts
kreisförmig
oder rechteckig sein, wobei der rohrförmige Abschnitt vorzugsweise
eine Verengung im Bereich der Kavitationszone aufweist, die durch
eine konvexe Krümmung
von zumindest einer Wand des rohrförmigen Abschnitts gebildet
ist. Eine Verengung des Querschnitts führt nach den grundlegenden
Strömungsgesetzen
zu einer erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit,
so dass sich über
den Grad der Verengung, d.h. durch Anpassen einer den Materialstrom
fördernden
Fördereinrichtung
auch die Verweildauer der Partikel in der Kavitationszone anpassen
lässt.
Vorzugsweise beträgt
eine Weite der Verengung etwa ein Drei- bis Fünffaches einer Größe der zu
zerkleinernden Partikel. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Weite darüber
hinaus einstellbar.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
handelt es sich bei der Ultra- schallquelle
um eine Sonotrode, durch die ein besonders homogenes Ultraschallfeld mit
definierter Strahlungsrichtung erzeugbar ist. Vorzugsweise wird
hierbei durch die Ultraschallquelle Ultraschall im wesentlichen
senkrecht zur Rohrlängsachse
in das Fluid eingestrahlt.
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Um
bei einer Rohrleitung mit veränderlichem Querschnitt
eine optimale Abstimmung der Eigenschaften des Ultraschallfeldes
bzw. der Kavitationszone auf die Eigenschaften des Materialstroms
bzw. das gewünschte
Zerkleinerungsergebnis zu erreichen, sieht eine besondere Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vor, dass eine Anordnung der Ultraschallquelle relativ zum rohrförmigen Abschnitt
veränderbar
ist. Dabei kann insbesondere die Ultraschallquelle in Richtung der
Rohrlängsachse verschiebbar
sein.
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Um
eine größtmögliche Effizienz
des Ultraschalleintrags bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erreichen,
sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass sich
eine Symmetrieachse des rohrförmigen
Abschnitts und eine ausgezeichnete Strahlungsachse der Ultraschallquelle
schneiden. Die Ultraschallquelle ist vorzugsweise zum Aussenden
einer Strahlung im Bereich zwischen 20 kHz und 100 kHz ausgebildet.
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Ein
derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung eignet sich
zum Zerkleinern von kristallinen Festkörper-Partikeln und vorzugsweise zum Zerkleinern
von organisch kristallinen Explosivstoffen. Es lassen sich Partikel
mit einer Ausgangsgröße zwischen
200 μm und
400 μm bis
zu einer Endgröße in der
Größenordnung
von 10 μm
zerkleinern.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Be schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
beigefügten Zeichnungen.
Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Zerkleinern von Festkörper-Partikeln;
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2 eine Detaildarstellung
der Zerkleinerungszone bei einer Vorrichtung gemäß der 1;
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3 eine anfängliche
Partikelgrößenverteilung
eines zu zerkleinernden Feststoffs; und
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4 die entsprechende Partikelgrößenverteilung
des zerkleinerten Feststoffes.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Zerkleinern von in einem Fluid suspendierten Festkörper-Partikeln (Materialstrom m ·),
die zu einer Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Fördereinrichtung 2 auf,
die sich gemäß der Darstellung in 1 im wesentlichen aus einer
Förderleitung 2.1 für den Materialstrom m ·,
einer in die Förderleitung 2.1 eingeschalteten
Förderpumpe 2.2 sowie
einer Anzahl von Vorlagenbehältern 2.3, 2.4 zum
Aufnehmen des Ausgangsstoffes bzw. des Endprodukts zusammensetzt.
Ferner beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine
Zerkleinerungseinrichtung 3 für die im Materialstrom m · enthaltenen
Festkörper-Partikel.
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Bei
Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird
der (nicht näher
dargestellte) Materialstrom m · in Richtung des Pfeils mittels der
Förderpumpe 2.2 durch
die Förderleitung 2.1 aus
dem Vorlagenbehälter 2.3 zur
Zerkleinerungseinrich tung 3 gefördert. Diese wird im folgenden
anhand der 2 näher erläutert. Nach
erfolgter (teilweiser) Zerkleinerung der Partikel in der Zerkleinerungseinrichtung 3 gelangt
der Materialstrom m · durch die Förderleitung 2.1 zum
zweiten Vorlagenbehälter 2.4.
Dort kann das Endprodukt nach ausreichender Zerkleinerung der enthaltenen
Festkörper-Partikel
direkt entnommen werden; anderenfalls gelangt die Suspension aus dem
Vorlagenbehälter 2.4 erneut
in den Vorlagenbehälter 2.3,
von wo aus sie erneut zu der Zerkleinerungseinrichtung 3 gefördert wird,
wo eine weiter gehende Zerkleinerung der Partikel stattfindet. Dieser Vorgang
lässt sich
beliebig oft wiederholen, bis eine angestrebte Partikelgrößenverteilung
im Vorlagenbehälter 2.4 erreicht
ist.
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Die 2 zeigt in einer Detailansicht
eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Zerkleinerungseinrichtung 3 der 1. Die Zerkleinerungseinrichtung 3 weist
einen rohrförmigen
Abschnitt 3.1 mit Rohrlängsachse
L auf, an den sich beidseitig die in der 1 gezeigte Förderleitung 2.1 anschließt. Der rohrförmige Abschnitt 3.1 weist
in seinem mittleren Bereich eine Verengung 3.2 auf, die
durch eine konvexe Ausbildung der Rohrwände 3.2a, 3.2b gebildet ist.
Die konvexen Wände 3.2a, 3.2b des
rohrförmigen Abschnitts 3.1 weisen
einen Krümmungsradius
R auf, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel
der 2 längs der
Wände 3.2a, 3.2b in
Richtung der Rohrlängsachse
L variiert. Im Bereich der Verengung 3.2 des rohrförmigen Abschnitts 3.1 ist
eine Ultraschallquelle 3.3 in Form einer Sonotrode mit
Achse S derart angeordnet, dass sich die Sonotrodenachse S und die
Symmetrieachse des Strömungskanals
(die Rohrlängsachse
L) im Innern der Zerkleinerungseinrichtung 3 schneiden.
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Mittels
der Ultraschallquelle 3.3 wird Ultraschallenergie in den
Innenraum des rohrförmigen
Abschnitts 3.1 eingestrahlt und erzeugt dort ein Ultraschallfeld,
das in der
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2 anhand von waagerechten
Linien 3.4 dargestellt ist. Es bildet sich eine Kavitationszone 3.5 mit
angenähert
trapezförmigem
Querschnitt aus. In dieser ergibt sich aufgrund der durch den Ultraschall hervorgerufenen
Schwingungsbewegungen und auch nach der Bernoulli-Gleichung aufgrund
der in der Verengung 3.2 zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit
im Materialstrom m · ein geringer statischer Druck, der bis unter den
Dampfdruck des Fluids absinkt, so dass sich im Fluid Dampfblasen
bilden, deren anschließende
Implosion über
hohe Druckdifferenzen im Fluid zu Zerreißspannungen führt, die
erfindungsgemäß zur Zerkleinerung
der Festkörperpartikel
im Fluid ausgenutzt werden. Die Kavitationszone 3.5 besitzt
in einer Richtung senkrecht zur Rohrlängsachse L eine Ausdehnung
LK. Der rohrförmige Abschnitt 3.1 ist
erfindungsgemäß in derselben
Richtung mindestens genauso groß,
vorzugsweise ist die entsprechende Weite z jedoch größer als
LK. Auf diese Weise wird eine verstärkte, durch die
Kavitation hervorgerufene Materialabnutzung an der unteren Wand 3.2b des
rohrförmigen
Abschnitts 3.1 im Bereich der Ultraschalleinstrahlung 3.4 vermieden.
Zugleich ist die Weite des rohrförmigen
Abschnitts 3.1 derartig dimensioniert, dass ihr Betrag,
z, etwa drei mal so groß wie
eine maßgebliche
Abmessung der zu zerkleinernden Partikel ist, beispielsweise die
mittlere Partikel- oder Korngröße (Durchmesser)
im Ausgangsmaterial (vgl. 3).
Geeignet sind auch Abmessungsverhältnisse bis z:Korngröße = 5.
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Bei
einer Veränderung
von LK aufgrund veränderter Eigenschaften des Fluids,
dem Einsatz einer anderen Ultraschallquelle oder dergleichen ist ggf.
auch die Weite z des rohrförmigen
Abschnitts mit anzupassen, beispielsweise mittels eines geeignet dimensionierten
neuen Bauteils.
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Im
Zuge einer Weiterbildung der in der 2 dargestellten
Zerkleinerungseinrichtung 3 ist es möglich, die Ultra schallquelle
in Richtung der Rohrlängsachse
L verschiebbar beweglich auszubilden, so dass der Ort der Ultraschalleinstrahlung 3.4 bezüglich des
Materialstroms m ·, d.h. dessen Geschwindigkeit am Ort der Kavitationszone 3.5 je
nach angestrebter Verweildauer der zu zerkleinernden Festkörper-Partikel in der Kavitationszone 3.5 flexibel
wählbar
ist.
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Als
Beispiel für
eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. den Einsatz
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sei die Zerkleinerung von RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-Trinitramin;
Cyclonite; Hexogen) durch Ultraschall und Kavitation genannt, wobei
die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung
zum Einsatz kommt. In dem Vorlagenbehälter 2.3 wird eine
Suspension aus 15 Gew.-% RDX und 85 Gew-% Wasser vorgelegt. Die Ausgangs-Korngrößenverteilung
in einer solchen Suspension ist in der 3 gezeigt. Die mittlere Korngröße gemessenen
als mittlerer Partikeldurchmesser des Ausgangsmaterials beträgt 105 μm. Die Suspension
wird einige Male, wie bereits vorstehend anhand der 1 erläutert,
mit Hilfe der Förderpumpe 2.2 im
Kreislauf durch die Förderleitung 2.1,
die Zerkleinerungseinrichtung 3 und den Vorlagenbehälter 2.4 gefahren,
bis eine gewünschte
Partikelgröße durch
Zerkleinerung der RDX-Partikel
in der Kavitationszone 3.5 der Zerkleinerungseinrichtung 3 erreicht ist.
Anschließend
wird die Suspension im Vorlagenbehälter 2.4 aufgefangen
und dort entnommen. Die 4 zeigt
die Korngrößenverteilung
des Endproduktes. Die mittlere Korngröße beträgt hier nur noch 11 μm.
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- 1
- Vorrichtung
zum Zerkleinern von Festkörper-
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- Partikeln
- 2
- Fördereinrichtung
- 2.1
- Förderleitung
- 2.2
- Förderpumpe
- 2.3
- Vorlagenbehälter
- 2.4
- Vorlagenbehälter
- 3
- Zerkleinerungseinrichtung
- 3.1
- rohrförmiger Abschnitt
- 3.2
- Verengung
- 3.2a
- Wand
- 3.2b
- Wand
- 3.3
- Ultraschallquelle
- 3.4
- Ultraschallfeld
- 3.5
- Kavitationszone
- L
- Rohrlängsachse
- LK
- Länge der
Kavitationszone
- m ·
- Materialstrom
- R
- Krümmungsradius
- S
- Achse
der Ultraschallquelle
- z
- Weite
(von 3.1)