DE19641063A1

DE19641063A1 - Application of shock waves in mixing operations

Info

Publication number: DE19641063A1
Application number: DE19641063A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Becker; Juergen Dipl Ing Uehlin
Original assignee: UEHLIN JUERGEN DIPL ING FH
Current assignee: UEHLIN JUERGEN DIPL ING FH
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-09

Abstract

Use of shock waves in the preparation of mixtures or in dilution processes. The process can be applied to working substances in electrically conducting, or in electrically insulated vessels. The power source for the shock waves may be outside the vessel or attached to it. The shock waves can be focussed at various sections of the working substance and their intensity can be modulated. The power source may be a variable electrostatic, or electromagnetic, field surrounding the vessel. Alternatively, the shock could be provided by explosives.

Description

Aus Physik und Chemie ist bekannt daß Mischungen auf verschiedene Arten hergestellt wer den können. Abhängig von Volumen Temperatur, Löslichkeit, Reaktivität etc. der Sub stanzen sind die notwendigen einzelnen Arbeitsschritte in ihrer Abfolge variabel. Beispielswei se ist aus Gründen des Reaktionsablaufes die Zumischung von Säure in Wasser dem umge kehrten Fall immer vorzuziehen. Bei fest/flüssig Mischungen gibt man oft den Feststoff in die Flüssigkeit um Knollenbildungen zu vermeiden. Manchmal erreicht man das gleiche Ergebnis auch mit dem umgekehrten Ablauf(Wasserzugabe zu Gips). Auch Ruhezeiten zwischen der Zugabe einzelner Substanzen die von physikalischen oder chemischen Bedingungen abhängig sind müssen berücksichtigt werden. Ebenso wie die Reihenfolge sind die Zugabegeschwindig keiten in gewissen Grenzen einzuhalten. Manche Materialien müssen gleichzeitig zudosiert werden, andere dürfen das gerade nicht.It is known from physics and chemistry that mixtures are produced in different ways that can. Depending on the volume temperature, solubility, reactivity etc. of the sub the necessary individual work steps are variable in their sequence. For example For the sake of the course of the reaction, the addition of acid to water is the other way round always preferred to return. In the case of solid / liquid mixtures, the solid is often added to the Liquid to avoid bulb formation. Sometimes you get the same result also with the reverse process (adding water to plaster). Also rest periods between the Addition of individual substances depending on physical or chemical conditions must be taken into account. Just like the order, the additions are quick to keep within certain limits. Some materials have to be added at the same time others are not allowed to.

Oftmals können durch Steuerung des Temperaturverlaufes auch Stoffe gemischt werden, die auf Grund physikalischer Eigenschaften (zum Beispiel dem Aggregatzustand) oder chemischer Trägheit bei zuviel Kälte oder Wärme eigentlich gar nicht mischbar sind. Manche Gemische müssen durch rühren so in Bewegung gehalten werden, daß Entmischungen durch Sedimenta tion oder Schichtenbildungen beziehungsweise Konzentrationsinhomogenitäten vermieden werden. Andere werden durch Kolonnen und Zwangsmischer geschickt etc.By controlling the temperature curve, substances can often be mixed due to physical properties (for example, the physical state) or chemical Inertia with too much cold or heat are actually not miscible. Some mixtures must be kept in motion by stirring so that segregation by sediment tion or stratification or concentration inhomogeneities avoided will. Others are sent through columns and compulsory mixers etc.

Bei all diesen Verfahren ist der Mischprozeß eigentlich nur die physikalische Vermengung ver schiedener Substanzen. Feste Materialien die nicht in Lösung gehen werden behalten ihre Korngrößen bei. Für organisches Material (Pflanzenteile o. ä.) gilt das Gleiche. Nur wenn die Substanzen direkt oder unter Einwirkung anderer Einflüsse miteinander reagieren, wenn also beispielsweise ein Lösemittel zugemischt wird, findet eine weitergehende Mischung statt In den meisten Fällen reichen die bekannten physikalisch chemischen Mischvorgänge in ihrer Qualität völlig aus, obwohl die Vielzahl der heute üblichen Verfahren und Hilfsmittel auf einen grundsätzlichen Mangel hinzudeuten scheint.In all of these processes, the mixing process is actually only the physical mixing different substances. Solid materials that will not go into solution will keep theirs Grain sizes at. The same applies to organic material (parts of plants or the like). Only if that Substances react with one another directly or under the influence of other influences, if so For example, if a solvent is mixed in, further mixing takes place In most cases, the known physico-chemical mixing processes are sufficient Quality completely out, although the multitude of methods and tools common today fundamental deficiency seems to indicate.

Wenn organisches Material mit weiteren organischen und anorganischen Stoffen gemischt oder wird, laufen meist sehr viele Reaktionen nebeneinander ab, die auf Grund ihrer Vielzahl ein fach nur als sogenannte Begleitreaktionen ohne grundsätzlichen Einfluß auf die Hauptreaktion betrachtet und nur in sehr geringem Umfang berücksichtigt werden.If organic material is mixed with other organic and inorganic substances or usually, a large number of reactions run side by side, due to their large number subject only as so-called accompanying reactions without a fundamental influence on the main reaction considered and considered only to a very small extent.

Die oben beschriebenen Reihenfolgenabhängigkeiten und Zugabegeschwindigkeiten bezie hungsweise Verweildauern orientieren sich in der Praxis überwiegend an der analysierten Mi schung in Form einer Summenanalyse der enthaltenen Substanzen und an deren Struktur.The order dependencies and addition speeds described above relate The length of stay in practice is mainly based on the analyzed Wed. research in the form of a sum analysis of the substances contained and their structure.

Alle bekannten Verfahren besitzen den Nachteil, daß bei Mischvorgängen das Verhalten ein zelner Substanzen oder Substanzgruppen kaum beeinflußt werden kann.All known methods have the disadvantage that the behavior during mixing processes individual substances or groups of substances can hardly be influenced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem einerseits die Möglichkeit besteht den Mischvorgang in Abhängigkeit der beteiligten Substanzen so zu beeinflussen, daß die zum Endprodukt führenden Reaktionen schnell und sicher erreicht wer den, andererseits bisher nicht oder nur in mehreren Arbeitsgängen durchführbare Reaktions schritte beziehungsweise Produktionsstufen verkürzt werden können.The invention has for its object to develop a method with the one hand there is the possibility of mixing depending on the substances involved influence that the reactions leading to the end product can be achieved quickly and safely the reaction which, on the other hand, has hitherto not been possible or can only be carried out in several work steps steps or production stages can be shortened.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird darin gesehen, daß, mit Hilfe von Stoßwellen, Re aktionen ausgelöst, unterstützt oder behindert werden, die bisher nicht, sehr viel langsamer oder schneller ablaufen. The solution to the problem is seen in the fact that, with the help of shock waves, Re actions are triggered, supported or hindered, which so far have not been much slower or run faster.

Als neues Verfahren soll die Stoßwellen-Mischtechnik, teilweise unter Verwendung elektro statischer und elektromagnetischer Felder, bisher für diesen Zweck nicht genutzte physikali sche und chemische Techniken anwenden.Shock wave mixing technology is to be used as a new method, partly using electro static and electromagnetic fields, physi not previously used for this purpose Apply chemical and chemical techniques.

Stoßwellen sind leicht herzustellen. Es gibt Geräte die unter der Bezeichnung Stoßwellen-Ge nerator im Handel sind. Die meisten arbeiten mit magnetostriktiven oder elektrostriktiven Elementen, manche auch mit Druckluft (diese werden heute vor allem in der Seismik verwen det, wo durch sie die älteren, mit Sprengstoff arbeitenden, Verfahren abgelöst wurden). Prinzipiell genügt ein Schlag mit hoher Geschwindigkeit.Shock waves are easy to make. There are devices that are called shock wave Ge nerator are on the market. Most work with magnetostrictive or electrostrictive Elements, some with compressed air (these are mainly used in seismics today where they replaced the older, explosive-based processes). A stroke at high speed is generally sufficient.

Jeder mit Überschallgeschwindigkeit oder hoher Unterschallgeschwindigkeit bewegte Körper schiebt eine Stoßwelle vor sich her. So baut sich nach einer gewissen Anlaufstrecke ein Be reich mit extrem hohen Druck- und Temperaturwerten auf. Je nach Material, Volumen und Gefaßart ist diese Distanz Bruchteile von Millimetern bis zu viele Zentimeter lang. Die vorteilhafte Wirkungsweise der Stoßwellen bei der Behandlung von Mischungen besteht darin, daß in dieser Zone durch Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Substanzen Re aktionsabläufe ausgelöst und oder unterstützt werden, die unter Normalbedingungen so nicht möglich wären.Any body moving at supersonic or high subsonic speeds pushes a shock wave in front of it. So after a certain run-up distance, a load builds up rich with extremely high pressure and temperature values. Depending on the material, volume and Gefäßart this distance is fractions of a millimeter to many centimeters long. The advantageous mode of action of the shock waves in the treatment of mixtures exists in that in this zone through interactions between the substances involved Re action sequences are triggered and or supported that are not so under normal conditions would be possible.

Ein bisher nur sehr wenig betrachtetes Phänomen ist die Veränderung von Reaktionsabläufen unter Einwirkung von Stoßwellen. Dazu sei an dieser Stelle als Beispiel das Verhalten von Dynamit und TNT aufgeführt. Wenn Dynamit oder TNT mit einer Flamme (Streichholz) an gezündet wird, verbrennt es ähnlich wie Kerzenwachs, langsam mit rußiger Flamme. Wird das gleiche Dynamit oder TNT jedoch von einer Stoßwelle getroffen, detoniert es in Sekun denbruchteilen. Das zeigt sehr drastisch, wie bei völlig gleichen Mischungen (Nitroglyzerin + Kieselgur = Dynamit), ganz unterschiedliche Reaktionsabläufe und Endprodukte entstehen, wenn Stoßwellen angewendet werden.A phenomenon that has been considered very little so far is the change in reaction processes under the influence of shock waves. The behavior of Dynamite and TNT listed. If dynamite or TNT with a flame (matchstick) on ignited, it burns like candle wax, slowly with a sooty flame. Becomes but the same dynamite or TNT hit by a shock wave detonates in seconds fractions. This shows very drastically, as with completely identical mixtures (nitroglycerin + Diatomaceous earth = dynamite), very different reaction processes and end products arise, when shock waves are applied.

Die Anwendung von Stoßwellen in der Medizin erleichtert die Beseitigung von Nierensteinen und Gallensteinen im Körper von Mensch und Tier dadurch, daß diese Feststoffe durch die Einwirkung von Stoßwellen in ihrer unmittelbaren Umgebung zertrümmert werden.The use of shock waves in medicine makes it easier to remove kidney stones and gallstones in the body of humans and animals by the fact that these solids by the Exposure to shock waves in their immediate surroundings.

Aus der Patentschrift 196 27 949.6-45 ist bekannt, daß sich unter der Einwirkung elektroma gnetischer Felder und selektiv empfindlicher, piezoaktiver Substanzen, die Stoffumwandlung und oder Zustandsänderung von Stoffen gezielt beeinflussen läßt. Piezoelektrische Materialien sind in der Lage mit höchsten Frequenzen zu schwingen und unter anderem Stoßwellen zu ini tiieren. Damit ist die Aufspaltung von zwei- und mehratomigen Verbindungen möglich und die aktivierte (Quarz)Substanz eignet sich, unter anderem, vortrefflich zur Gewässerklärung und als Wachstumsstimulator für Pflanzen.From the patent 196 27 949.6-45 it is known that under the action of electroma genetic fields and selectively sensitive, piezoactive substances, the material conversion and or can change the state of substances in a targeted manner. Piezoelectric materials are able to vibrate at the highest frequencies and among other things to ini shock waves animals. This enables the splitting of diatomic and polyatomic compounds and the activated (quartz) substance is, among other things, excellent for water purification and as a growth stimulator for plants.

In der Ultraschallchemie (Sonochemie) wird der schnelle Wechsel zwischen hohen und niede ren Drücken und Temperaturen in Verbindung mit, meist metallischen, Katalysatoren zur Be schleunigung von Reaktionen und Stoffumsätzen genutzt. Die Leistungssteigerungen betragen bis zum 20 000 fachen gegenüber gleichen Katalysatoren ohne Ultraschall.In ultrasound chemistry (sonochemistry), the rapid change between high and low pressures and temperatures in connection with, mostly metallic, catalysts for loading acceleration of reactions and material sales. The performance increases are up to 20,000 times more than the same catalysts without ultrasound.

Bei Versuchen der Fa. CIBA-GEIGY zeigten Pflanzen bei Keimungsversuchen in künstlichen elektrischen Feldern unerwartete, positive Wachstumseigenschaften. Maispflanzen erreichten beispielsweise vier bis sechs Fruchtstände.In experiments by the company CIBA-GEIGY plants showed in germination experiments in artificial electrical fields unexpected, positive growth characteristics. Corn plants reached for example four to six fruit stands.

Aus der Literatur und dem praktischen Einsatz beispielsweise in sogenannten High-Tech-Stoß dämpfern ist bekannt, daß sich Flüssigkeiten in einem elektrischen Feld zumindest in ihrer Viskosität verändern (lassen). Man nennt sie elektroviskose Flüssigkeiten. Sie bestehen im einfachsten Fall aus Maisöl und Maisstärke und können schon bei 1000 Volt/mm so zäh wie Zahnpasta werden.From the literature and practical use, for example in so-called high-tech shock dampers is known that liquids in an electrical field at least in their Change viscosity (let). They are called electroviscous liquids. They consist in simplest case of corn oil and corn starch and can be as tough as 1000 volts / mm Become toothpaste.

Aus der Patentschrift P 44 23 477.5-26 ist bekannt, daß mit Hilfe eines Fluidstrahls Explosiv stoffe kontinuierlich an eine Wirkungsstelle gebracht und dort gezündet werden kann. Die Energieentfaltung führt zu Stoßwellen, in deren Folge das getroffene Material abgetragen wird Bei Verwendung von Flüssig-Luft-Sprengstoffen können, mit sehr viel Sauerstoffüberschuß, Oxidationsprozesse im Gemisch begünstigt, beziehungsweise ausgelöst werden.From the patent P 44 23 477.5-26 it is known that with the aid of a fluid jet explosive substances can be continuously brought to a point of action and ignited there. The Energy development leads to shock waves, as a result of which the material hit is removed When using liquid-air explosives, with a lot of excess oxygen, Oxidation processes in the mixture favored or triggered.

Die genannten Beispiele zeigen, daß die Anwendung bekannter physikalischer, chemischer und biologischer Phänomene in neuen Kombinationen auch zu neuen Verfahrenstechniken füh ren kann.The examples mentioned show that the use of known physical, chemical and biological phenomena in new combinations also lead to new process technologies can.

example

Bei geschickter Anordnung eines elektrischen Feldes und entsprechender Ausrichtung der Stoßwellen auf ein ganz bestimmtes (kleines) Areal können gezielt, innerhalb des Gemenges mit hoher Genauigkeit, an Wunschpositionen Reaktionen ausgelöst, beschleunigt oder verzö gert werden. Auch bei Schichtenbildung im Gemisch kann man von außen Grenzschichten-Re aktionen begünstigen oder verhindern; (spröde) Feststoffe lassen sich beim Mischvorgang zerkleinern. Das führt zu größeren Oberflächen bei kleineren Volumina. Dadurch verringert sich die Sedimentationsgeschwindigkeit und die Homogenität des Gemenges wird verbessert. Es ist damit auch möglich gekapselte Stoffe innerhalb eines (vorgemischten) Gemenges freizu setzen. Dies kann örtlich oder und zeitlich gesteuert erfolgen.With a clever arrangement of an electrical field and appropriate alignment of the Shock waves on a specific (small) area can be targeted within the batch reactions triggered, accelerated or delayed with high accuracy, at desired positions be tied. Even if layers are formed in the mixture, boundary layers can be formed from the outside favor or prevent actions; (Brittle) solids can be mixed shred. This leads to larger surfaces with smaller volumes. This reduces the sedimentation rate and the homogeneity of the mixture is improved. It is also possible to release encapsulated substances within a (premixed) batch put. This can be done locally or in a time-controlled manner.

Mit diesem Verfahren wird es erstmals möglich unerwünschte Kristallisationen während ihres Wachstums beim Mischvorgang physisch zu zerstören. Das gilt auch für alle anderen Konglo merate und Aggregationen. In vielen Fällen wird es auch vorteilhaft sein, wenn aus wenigen großen Kristallen viele kleine Kristallisationskerne entstehen.With this method it becomes possible for the first time undesired crystallizations during their Physically destroy growth during the mixing process. This also applies to all other conglo merate and aggregations. In many cases it will also be beneficial if out of a few large crystals, many small nuclei are formed.

Bei großen Mischanlagen wie sie in der Industrie (Biotechnologie) und in Kläranlagen einge setzt werden, kann es sinnvoll sein, wenn nicht das ganze Volumen sondern nur Teilbereiche des Mischgefäßes der Behandlung mit e1. Feldern und den Stoßwellen ausgesetzt sind. Man hat damit die Möglichkeit, innerhalb eines Gefäßes mehrere zeitlich differente Zustände beziehungsweise Konzentrationsunterschiede zu schaffen. Die Bildung kolloidaler Gemenge wird gefördert.In large mixing plants such as those used in industry (biotechnology) and in sewage treatment plants it can be useful if not the entire volume but only partial areas the mixing vessel of treatment with e1. Fields and shock waves. This gives you the option of having several different states within a vessel or to create differences in concentration. The formation of colloidal batches is promoted.

Bei organischen Substanzen (beispielsweise Pflanzen oder Teile davon) werden Bestandteile erst bei oder nach Kontakt bzw. Umhüllung mit anderen Beimischungen aufgebrochen.Organic substances (for example plants or parts thereof) become constituents only broken up on or after contact or wrapping with other admixtures.

Claims

1. A process for the preparation of mixtures and dilutions, characterized in that all substances or parts thereof are treated in their mixing with Stoßwel len.

2. The method according to claim 1, characterized in that the substances, at least at least partially, are contained in electrically conductive, isolatable vessels.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the sub punching are held in electrically non-conductive vessels.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the shock waves are formed outside the mixing vessel.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that the shock waves are formed by the mixing vessel.

6. The method according to claims 1 to 5, characterized in that the shock waves are formed in the volume enclosed by the mixing vessel.

7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that the Shock waves can be modulated.

8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the Effect of the shock waves can be changed.

9. The method according to claims 1 to 8, characterized in that the mixing vessel or the vessels and substances when mixed in one electrostatic field.

10. The method according to claims 1 to 9, characterized in that the electrostatic field can be changed.

11. The method according to claims 1 to 10, characterized in that the mixing vessel or the vessels and substances when mixed in one electromagnetic field.

12. The method according to claims 1 to 11, characterized in that the electromagnetic field can be changed.

13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that only parts of the mixing vessel and the substances of the fields or and shock waves are exposed.

14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the Shock waves caused by Ex continuously introduced and ignited in the mixture explosives are generated.

15. The method according to claims 1 to 14, characterized in that in the Mi there is an excess of oxygen.