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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pulverisieren
fester Teilchen, wobei die Vorrichtung zum Naßpulverisieren und Trocknen
von Pulver und insbesondere zum Herstellen und Trocknen feiner Teilchen
unter Verwendung eines überkritischen
Fluids als Suspensionsmedium oder Lösungsmittel ist.
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Als
Technik zum Pulverisieren von Pulver sind ein Verfahren unter Verwendung
eines Desintegrationsmediums sowie ein Verfahren ohne dessen Verwendung
bekannt. Bekannt sind auch ein Trockenverfahren zur Verarbeitung
von Pulver in der Luft oder einer anderen Gasphase sowie ein Naßverfahren
zur Verarbeitung von Pulver in verschiedenen Flüssigkeitsarten. In der Erfindung
bedeutet der Begriff "Pulverisieren" die Dispersion von
Teilchen im Agglomerat oder agglomerierten Zustand zu einzelnen
Teilchen oder zu kleinen Agglomeraten sowie die Zerkleinerung der
Teilchen auf eine kleinere Teilchengröße.
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In
der Desintegrationstechnik unter Verwendung eines Desintegrationsmediums
bestehen Probleme darin, daß es
schwierig ist, Pulver bis auf die Größenordnung submikroskopischer
Teilchen zu zerkleinern, da das Pulverisieren durch die Größe des Desintegrationsmediums
beschränkt
ist, sowie darin, daß wegen
des Verschleißes
des Desintegrationsmediums selbst sich im Pulverisierverfahren durch
Verschleiß erzeugte
feine Teilchen als Fremdkörper
einmischen und die Reinheit des erhaltenen Pulvers sinkt.
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Andererseits
gibt es als Verfahren ohne Verwendung des Desintegrationsmediums
ein Pulverisierverfahren mit Wandkollision, bei dem eine Strahlluftströmung durch
Druckluft erzeugt wird, Materialteilchen beschleunigt und zum Aufprall
auf eine Kollisionsplatte gebracht werden, sowie ein Pulverisierverfahren
mit Gegenstromkollision, um die Materialteilchen aufeinanderprallen
zu lassen. Allerdings haben diese Verfahren einen äußerst niedrigen
energetischen Wirkungsgrad, und es ist schwierig, das Pulver trotz
langer Verarbeitung bis auf die Größenordnung submikroskopischer
Teilchen zu zerkleinern. Im Gegensatz dazu wird beim Naßverfahren
ein Fluid mit darin dispergiertem Materialpulver unter Druck gesetzt
und durch eine Düse
gespritzt, oder ein Fluid mit dem Materialpulver, das unter extrem
hohen Druck gesetzt wird, wird durch Wandkollision oder Gegenstromkollision
pulverisiert. Im Naßverfahren
müssen
verschiedene Techniken im Zusammenhang mit dem extrem hohen Druck
eingesetzt werden, um die Probleme zu lösen, die durch die hohe Flüssigphasenviskosität und den
geringen Diffusionskoeffizienten verursacht werden, und das Verfahren
läßt sich
nur realisieren, nachdem diese Probleme gelöst sind. Vorgeschlagen wurde
von den Anmeldern bereits eine Emulgiervorrichtung zum Erhalten
einer Dispersionsflüssigkeit
von Teilchen oder eine Düse
zur Fest-flüssig-Mischphasenströmung zur
Verwendung für
die Emulgiervorrichtung in der
DE 4325541 A1 .
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Unter
Verwendung dieser Vorrichtungen kann ein Fluid mit gleichmäßig darin
dispergierten Teilchen erhalten werden, wobei jedoch ein Trockenverfahren
erforderlich ist, wenn Pulver vom Fluid mit darin dispergierten
Teilchen getrennt werden soll. Allgemein wird im Trockenverfahren
das Fluid mit darin dispergierten Teilchen unter hohem Druck in
einen Trockenofen freigesetzt und getrocknet. Die Geschwindigkeit,
um es in den Trockenofen einzuspritzen, beträgt mehrere Hundertstel der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids, das durch das vorstehend beschriebene Emulgier- oder
Dispersionsverfahren erhalten wird. Bei seiner Freisetzung in den
Trockenofen sind daher Teilchen bereits in umfangreicherer Größe agglomeriert,
und Teilchen können Bindungen
eingehen, während
sie durch den Trockenofen herabfallen. Dadurch werden die meisten
Objekte als kugelförmige
Agglomerate aufgefangen, und es ist unmöglich, die anfängliche
Teilchengröße beizubehalten.
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Die
DE 694 15 320 T2 betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Partikeln
unter Verwendung eines superkritischen Mediums, wobei eine Dispersion
aus einem Vehikel (einem Träger,
der ein oder mehrere Fluids, die ein oder mehrere Feststoffe lösen, enthält oder
eine Suspension eines oder mehrerer Feststoffe enthält) einem
Teilchenbildungsgefäß zugeführt wird.
Mit Hilfe eines überkritischen
Fluids wird das Vehikel extrahiert und die Fällung von Teilchen bewirkt,
die die Feststoffe enthalten. Das überkritische Fluid und das
Vehikel werden gleichzeitig mit übereinstimmenden
Strömungsrichtungen über eine
Düse mit
koaxialen Durchgängen
in das Teilchenbildungsgefäß eingebracht.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
bereitzustellen, mit denen es möglich
ist, die Wirksamkeit des Pulverisierens durch Kollision eines dispergiertes
Pulver enthaltenden Fluids zu verbessern und das Pulver abzutrennen,
ohne eine erneute Agglomeration feiner Teilchen aus dem Fluid mit
darin dispergierten Teilchen zu verursachen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Pulverisieren
fester Teilchen die folgenden Schritte auf: Suspendieren fester
Teilchen in einem Fluid in überkritischem
oder unterkritischem Zustand, das bei Normaltemperatur in gasförmigem Zustand
ist, Unter-Druck-Setzen des Suspensionsfluids, Dispergieren und
Pulverisieren des so erhaltenen Hochdruck-Suspensionsfluids durch Spritzen durch
eine Düse
und Gegenstromkollision mit hoher Geschwindigkeit Verringern des
Drucks auf das Suspensionsfluid, und Abtrennen des Fluids in überkritischem
oder unterkritischem Zustandals Gas von den festen Teilchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Pulverisieren fester Teilchen ist im Anspruch 2 beschrieben. Sie
weist auf: eine Materialeinstelleinrichtung zum Einstellen eines
Suspensionsfluids mit darin suspendierten festen Teilchen, d. h.,
eines Fluids in überkritischem
oder unterkritischem Zustand, das bei Normaltemperatur in gasförmigem Zustand
ist, eine Druckbeaufschlagungseinrichtung zum Unter-Druck-Setzen
des Suspensionsfluids, einer Dispergiers und Pulverisiereinrichtung
zum Spritzen des unter Druck gesetzten Suspensionsfluids durch eine
Düse und
zur Gegenstromkollision mit hoher Geschwindigkeit, und eine Trenneinrichtung zum
Trennen fester Teilchen durch Verringern des Drucks auf das Suspensionsfluid.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung der Erfindung zum Herstellen feiner
Teilchen;
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2 ein
Zustandsdiagramm von Kohlendioxid;
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3 ein
Diagramm der Beziehung zwischen dem Druck an einer Gegenstromkollisionsdüse und der Strömungsgeschwindigkeit
auf einer Seite;
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4 eine
Zeichnung einer in der Erfindung verwendeten Hochdruckpumpe;
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5a,
b eine Darstellung zur Erläuterung
der Abdichtung an der Hochdruckpumpe;
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6 eine Zeichnung eines Beispiels für eine Dispersionspulverisiereinrichtung;
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7a–c eine
Darstellung zur Erläuterung
eines Beispiels für
den Aufbau einer Dispersionspulverisiereinheit;
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8a–c eine
Darstellung zur Erläuterung
eines weiteren Beispiels für
den Aufbau der Dispersionspulverisiereinheit; und
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9 eine
Zeichnung eines Beispiels für
eine Düse
für Suspensionsfluid.
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Erfindungsgemäß wird das
zu pulverisierende Pulver in einem Fluid suspendiert, das im überkritischen Zustand
oder unterkritischen Zustand ist, in dem die Temperatur oder der
Druck nahe dem kritischen Punkt liegt und den kritischen Punkt durch
Temperatur- und Druckeinstellung nicht überschreitet. Nach Durchführen der
Verarbeitung zum Pulverisieren durch Kollision des Suspensionsfluids
in vorbestimmter Häufigkeit
wird der Druck auf das Teilchensuspensionsfluid verringert, um das
Fluid zu verdampfen und feine Teilchen augenblicklich abzutrennen.
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Beim
Naßpulverisieren
unter Verwendung von Wasser als Suspensionsfluid betragen die Viskosität des Wassers
1 mPa·s
(1 cP) und der Diffusionskoeffizient 10–5 cm2/s. Andererseits betragen beim Trockenverfahren
an Luft die Viskosität
der Luft etwa 0,002 mPa·s
(0,02 cP) und der Diffusionskoeffizient 0,1 bis 1 cm2/s. Bei
einem einfachen Vergleich zwischen dem Pulverisieren nach dem Naßverfahren
und Trockenverfahren ist bekanntlich das Trokkenpulverisieren 50mal
vorteilhafter im Hinblick auf die Viskosität und 1000 bis 10000mal vorteilhafter
im Hinblick auf den Diffusionskoeffizienten als das Naßpulverisieren.
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Dies
dürfte
anhand der Tatsache verständlich
werden, daß beim
Naßdispersionspulverisieren
ein relativ hoher Druck im Vergleich zu dem des mathematischen Ausdrucks
erforderlich ist. Im Falle der Suspensionsflüssigkeit kommt es zur Kollision
infolge der durch hohen Druck hervorgerufenen Strömung mit
hoher Geschwindigkeit, wobei die Kollisionsenergie verringert werden
kann, da die Flüssigphase
als Puffer im Moment des Pulverisierens wirkt.
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Wird
andererseits bei dem in Diffusion und Viskosität vorteilhaften Trockenverfahren
versucht, den Gasdruck auf einen hohen Druck zu erhöhen, gibt
es aus Sicherheitsgründen
verschiedene Einschränkungen seitens
der Aufsichtsbehörden.
Dies macht eine größere Vorrichtung
erforderlich, und die beschleunigten festen Komponenten durchlaufen
den Abschnitt der Beschleunigungsdüse, in dem die Geschwindigkeit
der äußersten Strömung
am langsamsten ist. Außerdem
liegt ein Verschleißproblem
an der Seitenfläche
des Düsenrohrs
vor, und Ineffek tivität
ist dadurch gegeben, daß nur
die Gasphase den Bereich hoher Geschwindigkeit in der Mitte durchläuft.
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Vor
diesem Hintergrund befaßten
sich die Erfinder insbesondere mit überkritischem Fluid, das als
drittes Fluid bezeichnet werden kann. Das überkritische Fluid hat eine
Viskosität
und einen Diffusionskoeffizient, die denen von Gas nahekommen. In
Suspensionsflüssigkeit
oder Lösungsmittel
dieses überkritischen
Fluids ist der Diffusionskoeffizient höher als in der Flüssigkeit,
wodurch die Wanderungsgeschwindigkeit des Stoffs höher ist.
Verringert ist auch der Puffereffekt bei Kollision, da die Viskosität gering
ist. Dadurch wird der Wirksamkeit beim Pulverisieren durch Kollision
in der Pulverisiervorrichtung stark erhöht, wobei davon ausgegangen
werden kann, daß die
Ausnutzung des überkritischen
Fluids mit einer Dichte, die näher
an der von Flüssigkeit
nahe Normaltemperatur liegt, ideal ist. Tabelle 1 zeigt physikalische
Eigenschaften von Helium, das ein Gas mit hohem Diffusionskoeffizienten
ist, sowie von Kohlendioxid und Wasser im überkritischen Zustand. Tabelle 1
| Mobile
Phase | Zustand | Temperatur (°C) | Druck
(kPa) | Dichte (g/cm3) | Diffusionskoeffizien
t (cm2/s) | Viskosität (mPa·s) |
| Helium | Gasförmig | 200 | =
152 (1,5 atm) | 2 × 10–4 | 0,1–1 | 0,02 |
| Kohlendioxid | Geringe Dichte, überkritisch Hohe
Dichte, überkritisch | 100
35 | 8100
(80 atm) ≈20265 (200
atm) | 0,15
0,8 | 10–3
10–4 | 0,02
0,1 |
| Wasser | Flüssig | 20 | ≈100 (1 atm) | 1 | 10–5 | 1 |
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Viskosität und Diffusionskoeffizient
des überkritischen
Fluids liegen zwischen denen von Gas und Flüssigkeit, während sie durch geringfügige Druck-
und Temperatureinstellung in einem großen Bereich geändert werden
können.
In Tabelle 1 kann Kohlendioxid leicht auf die Strömung des überkritischen
Zustands hoher Dichte oder des überkritischen
Zustands gerin ger Dichte überführt werden.
Durch Einstellung von Diffusionskoeffizient und Viskosität kann die
Zeit zum Pulverisieren verringert werden, und es lassen sich hochfeine
Teilchen erhalten.
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Wird
ferner der Druck in dem Moment leicht verringert, in dem der in
feine Teilchen zu überführende Stoff
die gewünschte
Teilchengröße erreicht,
wird das überkritische
Fluid verdampft, und die gewünschten
feinen Teilchen lassen sich augenblicklich trennen und ohne erneute
Agglomeration auffangen, so daß keine
Notwendigkeit besteht, ein Trockenverfahren zum Trocknen der feinen
Teilchen vorzusehen.
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Die
erfindungsgemäße Pulverisiervorrichtung
weist eine Pulverisiereinrichtung auf, durch die das Fluid mit darin
dispergierten Teilchen unter hohen Druck gesetzt und zum Aufprall
gebracht wird, wenn es aus der Strahldüse als Strömung mit hoher Geschwindigkeit
gespritzt wird. Allerdings gibt es keine definitive Einrichtung
zum Aufrechterhalten der Luftdichtigkeit und Haltbarkeit der Dichtung
am Gleitabschnitt der Pumpe, die das Fluid mit darin dispergierten
festen Teilchen unter Druck setzt, so daß es schwierig ist, das Fluid
mit darin dispergierten festen Teilchen unter Druck zu setzen. In
der Erfindung sind Hochdruckdichtungen zur allgemeinen Verwendung
mit den Dichtflächen
zueinander weisend in einem vorgegebenen Abstand angeordnet, und ein
um etwa 5 bis 10% höherer
Druck als der zum Pulverisieren notwendige vorbestimmte Druck wird
durch das gleiche überkritische
Fluid zwischen den Dichtungen ausgeübt. Dadurch kann die Dichtung
mit dem gleichen kritischen Fluid mit hohem Druck mit sehr geringer
Differenzdruck zum unter Druck zu setzenden Suspensionsfluid mit
dem Dichtungsmaterial dazwischen angeordnet werden. Aus der Sicht
vom Dichtungsmaterial ist die Druckdifferenz davor und dahinter
geringer, und die Seite der Suspensionsflüssigkeit steht unter einem,
wenn auch geringfügig,
niedrigeren Druck. Dadurch kann das Eintreten der festen Phase in
der Suspensionsflüssigkeit
in die Dichtungen verhindert und die Haltbarkeit der Vorrichtung
stark verbessert werden, und auch durch Verschleiß verursachte
Verunreinigungen lassen sich verringern.
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Zu
in der Erfindung verwendbaren überkritischen
Fluiden gehören:
Kohlendioxid (kritischer Punkt 31,3 °C; 7290 kPa (72,9 bar)), Schwefelhexafluorid
(kritischer Punkt 45,6 °C;
3710 kPa (37,1 bar)), Ethan (kritischer Punkt 32,4 °C; 4830 kPa
(48,3 bar)), Propan (kritischer Punkt 96,8 °C; 4200 kPa (42,0 bar)), Dichlorfluormethan
(kritischer Punkt 111,7 °C;
3940 kPa (39,4 bar)), Ammoniak (kritischer Punkt 132,3 °C; 1113 kPa
(111,3 bar)), Butan (kritischer Punkt 152,0 °C; 3750 kPa (37,5 bar)), Ethylmethylether
(kritischer Punkt 164,7 °C;
4340 kPa (43,4 bar)), Dichlortetrafluorethan (kritscher Punkt 146,1 °C; 3550 kPa
(35,5 bar)), Dichlorfluormethan (kritischer Punkt 178,5 °C; 5100 kPa
(51,0 bar)) usw.
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Insbesondere
ist die Verwendung von Kohlendioxid bevorzugt, das leicht zu handhaben
ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung näher
anhand der Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Pulverisiervorrichtung der Erfindung.
Ein Materialeinstelleinrichtung 1 ist mit der Funktion
vorgesehen, die Temperatur durch eine Temperatureinstelleinrichtung 2 einzustellen,
und in ihm ist ein Rührwerk 3 eingebaut.
Das Rührwerk
wird durch Druckluft 4 angetrieben. Das zu pulverisierende Pulver
wird in den Materialeinste11einrichtung 1 gegeben, ein
Ventil 5a wird geöffnet,
und die Luft wird durch eine Vakuumpumpe 6 evakuiert. Danach
wird das Ventil 5a geschlossen, und ein Ventil 5b wird
geöffnet,
um das verflüssigte
Kohlendioxid aus einem Lagerbehälter 7 für verflüssigtes
Kohlendioxid in den Materialeinstell einrichtung 1 einzuleiten.
Nach Zugabe des verflüssigten
Kohlendioxids in vorbestimmter Menge wird das Rührwerk 3 zum Rühren gedreht,
und die Temperatur wird durch die Temperatureinstelleinrichtung
auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
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Ist
ein nahezu gleichmäßiger Suspensionszustand
erreicht, wird ein Ventil 5c geöffnet, der Betrieb einer Druckpumpe 8 wird
gestartet, die dazu dient, Kohlendioxid unter Druck zu setzen, und
die durch Druckluft angetrieben wird, und es werden Druckbeaufschlagungseinrichtung 9a und 9b betrieben.
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Nachdem
das Suspensionsfluid des Pulvers ein Filter 10 durchläuft, wird
die Temperatur durch einen Wärmetauscher 11 auf
eine vorbestimmte Temperatur reguliert, das Fluid durchläuft Rückschlagventile 12a und 12b,
erreicht die Druckbeaufschlagungseinrichtung 9a und 9b und
wird mit einem Druck von 30 bis 250 MPa beaufschlagt. Nach Durchlaufen
von Rückschlagventilen 12c und 12d erreicht
das Fluid anschließend eine
Dispergier- und Pulverisiereinrichtung 13, durch die es
pulverisiert wird.
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Sind
feine Teilchen noch nicht auf eine vorbestimmte Teilchengröße pulverisiert,
wird ein Dreiwegeventil 14 umgeschaltet, um das Suspensionsfluid
wieder zum Materialeinstelleinrichtung 1 zu führen, und
das gleiche Verfahren wird wiederholt.
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Im
durch die Pulverisiereinrichtung pulverisierten Suspensionsfluid
wird der Druck geändert,
und bei seiner Kollision wird Energie freigesetzt und Wärme erzeugt.
Ist ein zu pulverisierender und dispergierender Festphasenstoffentartet
oder soll keine Erwärmung über den
notwendige Punkt hinaus erfolgen, findet daher eine Abkühlung unter
Verwendung eines Wärmetauschers 15 nach
Verarbeitung durch die Pulverisiereinrichtung statt.
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Nach
Abschluß des
vorbestimmten Pulverisierens des Suspensionsfluids wird das Suspensionsfluid in
einen Trennbehälter
16 über das
Dreiwegeventil
14 eingeleitet, und der Druck wird verringert.
Bei Entnahme aus der Pulverisiereinrichtung erhöht sich die Temperatur im Suspensionsfluid.
Wird daher der Druck verringert, verdampft es sofort, und feine
Teilchen lassen sich leicht trennen. Das im Trennbehälter abgetrennte
Kohlendioxidgas
17 kann erneut als flüssiges Kohlendioxid durch Verflüssigung
mit einer Verflüssigungsvorrichtung
(
DE-4422819 A1 ) verwendet werden.
Feine Teilchen
18 des getrockneten Produkts können ebenfalls
aus dem Trennbehälter
erhalten werden. Jede Art von Trennbehälter kann zum Einsatz kommen,
sofern ein Mechanismus zur Druckreduzierung vorgesehen ist.
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Bei
Verwendung eines Trennbehälters
mit Zyklonfunktion können die
abgetrennten feinen Teilchen sofort nach jeder Teilchengröße klassiert
werden.
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In
dieser Vorrichtung muß der
Druck auf mindestens 10 MPa oder darüber gehalten werden, damit
der Arbeitsdruck der gesamten Vorrichtung bis zum Trennbehälter nicht
unter den kritischen Druck von Kohlendioxid sinkt.
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Vor
diesem Hintergrund entspricht der zur Kollision durch die Dispergier-
und Pulverisiereinrichtung 13 nutzbare Druck dem Wert,
der durch Subtrahieren von 10 MPa vom Wert gemäß der Anzeige auf einem Druckmesser 19 erhalten
wird.
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Bei
Verwendung des überkritischen
Fluids aus Kohlendioxid (CO2) der Ausführungsform
als Suspensionsmedium wird es gemäß der Darstellung im Zustandsdiagramm
für Kohlendioxid
von 2 im überkritischen
Zustand gehalten, indem Druck und Temperatur auf 7290 kPa (72,9
bar) bzw. 31,3 °C
gehalten werden, was für
die Vorrichtungswartung und -einstellung einfacher ist. Da es unabhängig von
der Temperatur augenblicklich verdampft, kann nicht nur die durch
Druckverringerung pulverisierte Festphase ohne erneute Agglomeration
aufgefangen werden, sondern es läßt sich
auch ultrareines Pulver aus feinen Teilchen gewinnen, da die gesamte
Vorrichtung ein vollkommen geschlossenes System und das Suspensionsfluid
ein überkritisches Fluid
mit sehr hoher Reinheit ist, und es kommt weder zur Einmischung
von Fremdkörpern
noch zur Oxidation von Material im Pulverisierverfahren des Materials
in der Vorrichtung der Erfindung.
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In
der Vorrichtung der Erfindung wird hoher Druck durch Starten von
hydraulischen Pumpen 21a und 21b unter Verwendung
eines Motors 20 erzeugt. Durch hydraulische Druckerzeugung
wird die Höchstgrenze für die Druckbeaufschlagungseinrichtung 9a und 9b durch
Druckeinstellvorrichtungen 22a und 22b bestimmt, und
die Druckbeaufschlagungseinrichtung 9a und 9b werden
abwechselnd über
Vierwege-Umschaltventile 23a und 23b betrieben.
Der Druck wird durch einen Druckregler 24 reguliert.
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Soll
andererseits gemäß 3,
in der die Beziehung zwischen dem Druck an der Düse zur Gegenstromkollision
und der Strömungsgeschwindigkeit
auf einer Seite erläutert
ist, Pulver mit feinen Teilchen durch die Vorrichtung der Erfindung
erhalten werden, gilt: Je höher
die Kollisionsgeschwindigkeit ist, um so wirksamer kann Pulverisieren
und Dispergieren realisiert werden. Um eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit
zu erreichen, kann hoher Druck kontinuierlich mit hoher Wirksamkeit
auf die Druckpumpe ausgeübt
werden, weshalb eine lange Haltbarkeit der Pumpe erforderlich ist.
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Hierbei
galt es als nahezu unmöglich,
eine Hochdruckerzeugungspumpe herzustellen, die diesen Anforderungen
gerecht wird, da das unter Druck zu setzende Objekt das Suspensionsfluid
aus Feststoffen ist.
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Für diese
Zwecke läßt sich
die Hochdruckpumpe verwenden. In der Vorrichtung der Erfindung kann das
Dichtungsmaterial ohne Austausch lange Zeit verwendet werden, indem
der Dichtungsabschnitt der Hochdruckpumpe so gestaltet wird, daß er den
nachfolgend beschriebenen Aufbau hat.
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4 ist
eine Zeichnung einer in der Erfindung verwendeten Hochdruckpumpe.
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Die
Hochdruckpumpe 9 weist einen Kolben 33, einen
Zylinder 34, eine Innenhülse 35 und einen Flansch 37 auf,
der mit einem Anschluß für einen
Zufuhrstutzen 40 für
Suspensionsfluid und einen Austragstutzen 41 für Suspensionsfluid
unter hohem Druck versehen ist. Der Flansch 37 und der
Zylinder 34 sind in einem Stück mit Schrauben 42 über eine
Dichtung 36 montiert, die ein Austreten des unter hohem
Druck stehenden Suspensionsfluids verhindert. In 1 wird
das zur Hochdruckpumpe über
das Rückschlagventil 12a geführte Suspensionsfluid
im Zylinder gestaut, und die Druckbeaufschlagung beginnt, wenn sich
der Kolben 33 nach unten bewegt. In diesem Fall wird das
Suspensionsfluid durch die Wirkung der Ruckschlagventile 12a und 12b unter
Druck gesetzt, die mit dem Zufuhrstutzen und dem Austragstutzen
verbunden sind, und über
die Rückschlagventile 12c und 12d ausgetragen.
Da die Pumpe eine kleine Lücke
zwischen dem Kolben und dem Zylinder hat, ist eine Hochdruckdichtung 38 vorgesehen,
um ein Austreten des Suspensionsfluids in Aufwärtsrichtung zu verhindern.
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5 dient
zur Erläuterung
der Hochdruckdichtungen, um Leckagen durch eine Lücke zwischen
Kolben und Zylinder in der Hochdruckpumpe zu verhindern. 5(A) ist eine Querschnittansicht der Dichtung
zur Erläuterung
eines herkömmlichen
Verfahrens zur Hochdruckabdichtung.
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Bei
Druckbeaufschlagung verformt die Hochdruckdichtung eine Hauptdichtung 44,
die Hauptdichtung 44 wird zum Kolben gedrückt und
weist einen O-Ring 45 zum Erreichen einer vollkommenen
Abdichtung sowie mehrere Stützringe 43, 46 und 47 auf,
um druckbedingte Verformung zu verhindern und langfristige Haltbarkeit zu
gewährleisten.
Das am Kolben angelagerte Mischphasenfluid durchläuft die
Hauptdichtung 44 und wird gezwungen, zu den Stützringen 43 und 47 auszuströmen, die
auf der Seite des niedrigen Drucks angeordnet sind. Dadurch werden
die Festphasenkomponenten im Mischphasenfluid an der Hauptdichtung 44 angelagert oder
gebunden. Aus diesem Grund kommt es trotz großer Bemühungen um ein geeignetes Material
und eine geeignete Form zu einer Verringerung der Haltbarkeit der
Dichtung oder zu Defekten oder Schäden des Kolbens infolge von
Reibung der angelagerten Festphasenkomponenten, wenn sich der Kolben
wiederholt auf- und abwärts
bewegt, wodurch diese Teile zwangsläufig frühzeitig ersetzt werden müssen.
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5(B) ist eine Querschnittansicht von Dichtungskomponenten
in der Hochdruckpumpe der Erfindung. Hauptdichtungen 44a und 44b weisen
Stützringe 43a, 43b, 46a, 46b, 47a und 47b,
O-Ringe 45a und 45b und einen Führungsring 48 auf.
Das als Druckbeaufschlagungsmedium verwendete überkritische Fluid wird über einen
Zufuhrstutzen 30 des Druckbeaufschlagungsmediums der Hochdruckpumpe
der Erfindung gemäß 4 eingeleitet,
indem der Druck 5 bis 10% höher
als der Druck eingestellt wird, der in der Hochdruckpumpe zur Druckbeaufschlagung
erforderlich ist. Das so eingeleitete überkritische Fluid füllt eine
Nut 49, die um den Führungsring 48 vorgesehen
ist. Gleichzeitig werden die Hauptdichtungen 44a und 44b durch
Druckbeaufschlagung verformt, so daß die Hauptdichtun gen 44a und 44b konstant
und fest zur Kolbenseite gedrückt werden.
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Auch
wenn der Kolben 33 beginnt, sich nach unten zu bewegen,
ist der Druck 5 bis 10% höher
als der voreingestellte Druck im Zylinder. Durch den voreingestellten
Druck auf die Dichtungseinheit tritt das Suspensionsfluid nicht
aus der Hauptdichtung 44b nach oben aus. Nachdem der Kolben
den unteren Totpunkt erreicht hat und beginnt, sich nach oben zu
bewegen, kann sich das am Kolben angelagerte Suspensionsfluid nicht aus
der Hauptdichtung 44b nach oben bewegen, da hoher Druck
konstant zwischen den Hauptdichtungen 44a und 44b ausgeübt wird.
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Daher
kommt es nicht zum Eindringen oder Binden von Festphasenkomponenten
in die bzw. an der Hauptdichtung, und die Haltbarkeit der Hauptdichtung
und des Kolbens kann verbessert werden.
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Im
Suspensionsfluid im überkritischen
Zustand, das durch die Hochdruckpumpe der Erfindung unter Druck
gesetzt wird, erfolgt eine Gegenstromkollision des Suspensionsfluids
im überkritischen
Zustand mit hoher Geschwindigkeit durch die Pulverisiereinrichtung,
so daß es
in feine Teilchen überführt wird.
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6 ist eine Querschnittansicht eines Beispiels
für die
Pulverisiereinrichtung.
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In
einem Raum in einer Druckbehälter-Haupteinheit 51,
die aus rostfreiem Stahl hergestellt und gegenüber Fluid unter hohem Druck
beständig
ist, ist zwischen Metalldichtungsstücken 52 und 53 ein
Hauptkörper 55 der
Pulverisiereinrichtung aus Wolframcarbid vorgesehen, in dem eine
Pulverisiereinheit 54 aus Diamant eingebaut ist. Ein oberer
Deckel 57 mit einem Strömungsdurchgang 56 und
ein unterer Deckel 59 mit einem Strömungsdurchgang 58 sind
mit der Druckbehälter-Haupteinheit 51 verbunden,
und ein Strömungsdurchgang 60 auf
der Seite der Druckbehälter-Haupteinheit
steht mit Strömungsdurchgängen 61 und 64 auf der
Seite des Hauptkörpers
der Pulverisiereinrichtung in Verbindung. Die Zuflußseite und
die Ausflußseite
sind jeweils durch Hochdruck-Metalldichtungskopplung verbunden.
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7 zeigt
Einzelheiten des Aufbaus eines Beispiels für die Pulverisiereinheit, die
mit zwei Teilen gebildet ist. 7(A) ist
eine Draufsicht auf den Hauptkörper
der Pulverisiereinheit, und 7(B) ist
eine Querschnittansicht an der Linie A-A von 7(A). 7(C) zeigt eine Pulverisiereinheit, die
erhalten wird, indem zwei Hauptkörper
der Pulverisiereinheit mit gleichem Aufbau kombiniert werden. Der
Hauptkörper 71 der
Pulverisiereinheit ist mit einem Durchgangsloch 72 versehen,
und eine als Strömungsausfluß dienende
Nut 73 ist ausgebildet. Auf der Seite des Durchgangslochs
des Hauptkörpers
der Pulverisiereinheit gegenüber
dem Strömungsausfluß ist ein
Ansatz 74 mit größerem Durchmesser
gebildet, um gleichmäßiges Pulverisieren
und Emulgieren zu gewährleisten.
Gleichzeitig wird angestrebt, Beschädigungen der Pulverisiereinheit
aufgrund von Kollision des zu pulverisierenden Fluids mit der Wandoberfläche zu minimieren.
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8 zeigt
Einzelheiten des Aufbaus eines Beispiels für eine Pulverisiereinheit,
in der drei Teile laminiert sind. 8(A) ist
eine Draufsicht auf jedes der einzelnen Teile, und 8(B) ist
eine Querschnittansicht an der Linie B-B jedes Teils von 8(A). 8(C) zeigt
eine Emulgiereinheit, in der ein Zwischenteil zwischen den Endteilen
laminiert ist.
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An
einer Endplatte 81 der Dispersionspulverisiereinheit ist
ein Durchgangsloch 82 gebildet, und ein Ansatz sowie ein
Strömungsauslaß 84 sind
an einer Zwischenplatte 83 vorgesehen, um Beschädigungen
der Pulverisiereinheit aufgrund von Kollision des zu emulgierenden
und dispergierenden Fluids mit der Wandoberfläche zu minimieren.
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Ferner
ist vom Strömungseinlaß der Pulverisiereinheit
bis zu einem Kollisionsabschnitt eine Öffnung gebildet, deren Querschnittfläche sich
auf einer Ebene senkrecht zur Mittelachse des Strömungsdurchgangs allmählich vom
Einlaß des
Strömungsdurchgangs
zum Auslaß verringert.
Indem eine Fläche
vorgesehen ist, in der kein Teilchen vom Abschnitt der Öffnung mit
minimalem Durchmesser zum Auslaß vorhanden
ist, kann ein Verschleiß der
Wandoberfläche
durch die Teilchen verhindert werden. Eine Querschnittansicht eines
Beispiels für
eine solche Düse
ist in 9 gezeigt. Eine Öffnung 94 ist zwischen
einer Zuflußseite 92 und
einer Ausflußseite 93 gebildet,
und die Querschnittfläche
des Kanals verringert sich allmählich
zur Öffnung 94.
In diesem Beispiel ist ein Kanal mit 2,2 mm Größe auf der Zuflußseite gebildet,
und die Querschnittfläche
des Kanals verringert sich allmählich
zur Öffnung
mit 0,23 mm Durchmesser über
eine Länge
von 1,15 mm. Als Ergebnis gibt es auf der Seite in Durchlaßrichtung
der Öffnung
einen Bereich, in dem kein festes Teilchen vorhanden ist, wodurch
Beschädigungen
der Wandoberfläche
verhindert werden.
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Beispiel 1
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Als
Fluid im überkritischen
Zustand wurde Siliziumcarbid (SiC) zu 30 Gewichtsprozent in Kohlendioxid unter
einem Druck von ≈9800
kPa (100 kp/cm2 ) bei
40 °C suspendiert,
und der Druck wurde durch eine Hochdruckpumpe auf ≈196 000 kPa
(2000 kp/cm2 ) erhöht. Eine
Aufteilung erfolgte in zwei Strömungsdurchgänge in einem
druckdichten Gehäuse.
Anschließend
wurde es durch Gegenstromkollision beim Spritzen durch eine Beschleunigungsdüse aus Diamant
mit 0,23 mm Durchmesser pulverisiert, und das Fluid wurde durch
den Mittelabschnitt ausgetragen. Die Austragmenge betrug 2,3 Liter/min.
Die Geschwindigkeit bei der Gegenstromkollision betrug 462 m/s und
die Relativgeschwindigkeit 924 m/s. Das aus der Pulverisiereinheit
entnommene Suspensionsfluid wurde unter Verwendung eines Wärmetauschers
auf 40 °C
abgekühlt
und anschließend
zu einem Materialeinstellbehälter
geführt.
Dieses Pulverisierverfahren wurde insgesamt dreimal durchgeführt. Nach
Entnahme aus der Pulverisiereinheit nach dem dritten Mal wurde der
Druck auf das Suspensionsfluid in einem Trennbehälter verringert, das überkritische
Fluid verdampfte, und feine Teilchen wurden abgetrennt.
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Bei
der Untersuchung der so erhaltenen feinen Teilchen unter einem Rasterelektronenmikroskop
wurde festgestellt, daß Teilchen
mit einem Teilchendurchmesser von 10 μm in einen Teilchendurchmesser
von 1 μm überführt wurden
und Primärteilchen
nicht in Agglomeration vorlagen.
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Vergleichsbeispiel 1
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Siliziumcarbid
mit 10 μm
Teilchengröße wurde
zu 15 Gewichtsprozent in Wasser suspendiert, und der Druck wurde
auf ≈245
165 kPa (2500 kp/cm2 ) erhöht. Anschließend erfolgte
das Pulverisieren durch die gleiche Pulverisiereinheit wie im Beispiel
1. Dieses Verfahren wurde fünfzehnmal
wiederholt, und feste Teilchen wurden durch Trocknen abgetrennt.
Die Primärteilchen
hatten eine Teilchengröße von 2
bis 3 μm,
allerdings betrug die Agglomerationsgröße etwa 10 μm.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann gemäß dem Pulverisieren durch die
Vorrichtung wirksam pulverisiert werden, da ein überkritisches Fluid mit höherem Diffusionskoeffizienten
und geringerer Viskosität als
Suspensionsmedium verwendet wird. Da das Suspensionsfluid leicht
vom überkritischen
Fluid als Gas durch Verringerung des Drucks auf das Suspensionsfluid
getrennt werden kann, besteht keine Notwendigkeit für ein Trockenverfahren,
und es kommt zu keiner Agglomeration feiner Teilchen im Trockenverfahren.
Somit lassen sich feine Teilchen mit einer gewünschten Teilchengröße erhalten.