DE19740617A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoff-Aerosols - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Feststoffaerosols aus einem Lösungs-Aerosol sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Erzeugung eines Kondensationskern enthaltenen Feststoffaerosols wobei an den Kondensationskernen im Rahmen einer zweiten Stufe ein Sekundär-Feststoff-Aerosol, das hochmonodispers ist, erzeugt werden soll. Dies ist beispielsweise ein Aerosol-Generator nach Sinclair-Lamer bekannt, bei dem in einer Zweistoff-Düse von durch diese hindurchgeführte Druckluft eine flüssige Lösung, wie beispielsweise eine Natriumchloridlösung, mitgerissen wird, wodurch ein (primäres) Lösungs-Aerosol erzeugt wird. Zur Erzeugung von festen Kondensationskernen muß dieses getrocknet werden, weist in einem beispielsweise einen Trocknerstoff auf, wie Silica-Gel aufweisenden Diffusions-Trockner ge­ schieht. Das trockene Primär-Feststoffaerosol wird dann anschließend durch ein Sekundär-Aerosolerzeuger geführt, der einen temperierten Aerosolverdampfer und eine an­ schließende Kondensationsstrecke mit Heizeinrichtung aufweist. Zum Stand der Technik wird beispielhaft auf die DE 43 12 983 A1 verwiesen.

Nachteilig ist insbesondere die Notwendigkeit eines Diffusions-Trockners, insbesondere mit Silica-Gel als Trocknermittel, da dieser immer wieder auszutauschen und zu reinigen ist und darüber hinaus der Silica-Gel-Stoff ebenfalls Partikel im Aerosol erzeugen kann, die im Sekundär-Aerosolerzeuger zu größeren Partikeln führen können und damit die Monodispersivität des erzeugten End-Aerosols beeinträchtigen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie dies oft der Fall ist, sehr kleine Pri­ mär-Aerosolpartikel notwendig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die Notwendigkeit eines aktiven Trockners, wie eines Diffu­ sionstrockners mit Silica-Gel als Trocknermittel vermie­ den wird.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe dadurch mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wel­ ches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Lösungsaerosol mit Tröpfchengröße von weniger als ca. 1 µm durch ein Expansions-Gefäß geleitet wird. Eine Vorrichtung ist zur Lösung der genannten Aufgabe gekennzeichnet durch einen Lösungs-Aerosol-Erzeuger zur Erzeugung eines Lösungs- Aerosols mit Tröpfchendurchmessern von weniger als 1 µm und ein an diesen anschließendes Expansionsgefäß.

In bevorzugter weiteren Ausbildung ist vorgesehen, daß das Lösungs-Aerosol von der Oberseite des Expansionsge­ fäßes in dieses eintritt und/oder das Aerosol aus dem Expansionsgefäß über die Oberseite desselben austritt bzw. das Expansionsgefäß einen Einlaß und/oder einen Auslaß auf seiner Oberseite aufweist.

Die Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß vor Ein­ treten des Lösungs-Aerosols in das Expansionsgefäß aus dem Lösungs-Aerosol Tröpfchen in einem Zyklon-Abscheider oder kurz Zyklon separiert werden, wobei insbesondere ein erzeugtes Lösungs-Aerosol tangential in den Zyklon-Ab­ scheider eintritt. Eine geringe Teilchengröße kann insbe­ sondere dadurch sichergestellt werden, daß der Durchmes­ ser des Zyklons weniger als 30 mm und die Länge des tangential in das führende Rohr mehr als 15 mm sowie der Durchmesser des Rohres weniger als 4 mm beträgt. Vorzugs­ weise ist vorgesehen, daß das Lösungs-Aerosol aus einem Volumenstrom der Lösung von 0,5-0,75 l/h erzeugt wird, wobei insbesondere mit einem Volumengasstrom zur Erzeu­ gung des Aerosols von 3-5 l/min gearbeitet wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Aerosolgenerator nach Sinclair-Lamer mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines (Primär-)Aerosols;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung im verti­ kalen Schnitt;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Drauf­ sicht, teilweise geschnitten; und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Zweistoffdüse.

Ein Aerosolerzeuger nach Sinclair-Lamer weist eine Inert­ gasquelle 1, beispielsweise in Form einer Druckfalsche auf, der ein regelbarer Druckminderer 2 nachgeordnet ist. Diesem kann ein Filter 3 folgen. Gemäß der Erfindung ist weiter ein Primäraerosolerzeuger 4 zur Erzeugung eines Primär-Feststoffaerosols vorgesehen. Es kann weiterhin ein Durchflußmesser 6 vorhanden sein. Auf jeden Fall weist ein Aerosolerzeuger nach Sinclair-Lamer weiterhin einen Sekundäraerosolerzeuger 7 zur Erzeugung eines Feststoffsaerosols durch Kondensation von verdampfter Aerosolsubstanz an den durch den Primäraerosolerzeuger erzeugten Feststoff-Kondensationskernen auf. Der Sekun­ däraerosolerzeuger weist einen temperierten Aerosolver­ dampfer 8 auf, in dem entsprechend der temperierten Temperatur und dem Sättigungsdampfdruck an der bis zur Sättigungskonzentration Aerosol verdampft wird. Dem Aerosolverdampfer 8 schließt sich eine Kondensations­ strecke 9 mit einer Heizeinrichtung 10 an. Hier wird das Kern-Dampf-Gemisch zunächst über den Siedepunkt der Aerosolsubstanz erhitzt, wodurch vorzeitig gebildete Kondensate wieder verdampft werden, so daß sie sich auf das Aerosol nicht störend auswirken. In der Kondensa­ tionsstrecke wird das laminarströmende Kern-Dampf-Gemisch abgekühlt. Durch die hierdurch gegebene Übersättigung erfolgt eine Kondensation der Aerosolsubstanz auf den Kondensationskernen.

Weiterhin kann der Kondensationsaerosolerzeuger 7 ein Kernabscheideelement, gegebenenfalls mit einem Bypass zur Zweistellung zur Kondensation der Diffusionskerne und darüber hinaus ein Bypass über den Aerosolverdampfer hin zur Einstellung der Dampfkonzentration in an sich bekann­ ter Weise vorgesehen ein.

Der erfindungsgemäße Primäraerosolerzeuger zur Erzeugung eines Kondensationskerne aufweisenden Feststoff-Aerosols weist zunächst ein Funktionsblock 11 aus, an dessen Unterseite 12 über Gewinde einerseits eine Salzlösungs­ flasche 13, die eine Salzlösung 14 enthält und anderer­ seits eine Expansionskammer 16 befestigt sind. Oberhalb der Lösungsflasche 13 ist im Block 11 ein Hohlraum 17 ausgebildet, der über ein Leitungsstück 18 mit der Fla­ sche 13 in Verbindung steht. Der Hohlraum 17 ist auf der Oberseite 18 des Funktionsblocks 11 durch einen Auslaß­ block 19 abgedeckt, der ein Tief, allerdings nicht bis zu dem Boden des Hohlraums 17 ragenden Auslaßstutzen 21 trägt.

Seitlich des Hohlraums 17 ist zu diesem hin ein Flüssig­ keitsaerosoleinlaß 22 vorgesehen, der senkrecht und tangential in den Hohlraum 17 führt. Der Einlaß 22 und der Hohlraum 17 bilden so gemeinsam einen Zyklon 23 oder Zyklonabscheider.

Dem Einlaß 22 ist eine Zweistoffdüse 24 vorgeordnet, die eine zentrale Kapillare 26 aufweist und kurz vor der Mündung 27 der Kapillare 26 von ca. 20 mm Länge und 0,5 mm Durchmesser einen Ringraum 28 hat, in den radial ein in Inert-Gas-Einlaß 29 mündet. Die Kapillare 26 und ihr Auslaß 27 mündet kurz vor dem Zyklon-Einlaßrohr 22.

Sie ist über eine Leitung 31 mit der Lösungsflasche 13 verbunden.

Der Stutzen 21 des Abdeckblocks 19 steht über eine Lei­ tung 32 mit einer in den oberen Bereich des Expansionsge­ fäßes 18 führenden Einlaß 33 in Verbindung. Ebenfalls von der Oberseite des Expansionsgefäßes 16 führt eine Auslaß­ leitung 34 fort und beispielsweise bzw. insbesondere über eine Meßeinrichtung 6 sowie gegebenenfalls über die weiter oben erwähnten Elemente zu einem Sekundäraerosol­ erzeuger 7, wie er oben beschrieben wurde.

Mit dem vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Primär- Feststoffaerosolerzeuger wird ein Feststoffaerosol mit trockenen Partikeln mit Größen von weniger als 1 µm Durchmesser erzeugt, die optimal als Kondensationskerne in einem Sekundäraerosolerzeuger, wie in den beschriebe­ nen Sinclair-Lamer-Aerosolerzeuger eingesetzt werden können.

Hierzu weist das Einlaßrohr 22 des Zyklons 23 dargestell­ ten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 18 mm und der Hohlraum 17 einen Durchmes­ ser von 25 mm auf.

Über den Einlaß 29 strömt Inertgas unter Druck, bei­ spielsweise unter einem Überdruck von einem Bar, in die Zweistoffdüse 24 und reißt so über die Kapillare 26 Lösung 14, wie NaCl-Lösung mit einer Konzentration von ca. 10 mg/l, aus dem Lösungs-Gefäß 13 mit und bildet derart ein Flüssigkeitsaerosol, das über das Röhrchen 22 des Zyklonabscheiders in den eine zylindrische Umfangs­ wand aufweisenden Hohlraum 17 tangential eintritt. NaCl- Konzentrationen von 8-20 mg/l sind durchaus geeignet. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde mit einem Volumenstrom der reinen Lösung von 0,64 l/h, einem Gasstrom von 4 l/min und einer Einströmgeschwindigkeit von ca. 185 m/sec gearbeitet. Bei anderen Lösungen können andere Konzentra­ tionen und Arbeitsparameter sinnvoll sein. Wesentlich ist, daß diese so eingestellt werden, daß die in das Expansionsgefäß eintretende Tröpfchengröße nicht wesent­ lich über 1 µm liegt, was in üblicher Weise leicht ge­ prüft werden kann, so daß die Parameter eingestellt werden können.

Größere Partikel werden abgeschieden, während kleinere Partikel aufgrund des Überdrucks durch den Stutzen 21 und die Leitung 22 in das Expansionsgefäß 16 eintreten, in dem eine Kondensation und damit Verfestigung der Flüssig­ keitströpfchen des Flüssigkeits-Aerosols erfolgt. Nur Feststoffkerne treten über die Leitung 34 aus und können in der oben erwähnten Weise als Kondensationskerne wei­ terverwendet werden.

Maximalgröße der Feststoffteilchen kann dabei insbesonde­ re durch die Daten des Lösungs-Aerosol-Erzeugers sowie die Arbeitsparameter gesteuert werden. Je kleiner der Durchmesser der Ausnehmung 17 ist, desto kleiner sind die Feststoffteilchen, ebenso je länger das Einlaßrohr ist.

Claims (22)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Feststoff-Aerosols aus einem Lösungs-Aerosol, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol mit einer Tröpfchengröße von weniger als ca. 1 µm durch ein Expansions-Gefäß geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol von der Oberseite des Expan­ sionsgefäßes in dieses eintritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Aerosol aus dem Expansionsgefäß über die Oberseite desselben austritt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor Eintreten des Lö­ sungs-Aerosols in das Expansionsgefäß aus dem Lö­ sungs-Aerosol Flüssigkeitströpfchen in einem Ab­ scheider absepariert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen in einem Zyklon-Ab­ scheider absepariert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein erzeugtes Lösungs-Aerosol tangen­ tial in den Abscheider eintritt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Separierung der Lösungströpfchen in einem Zyklon mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol über ein Röhrchen mit einer Länge von mehr als 15 mm tangen­ tial in den Zyklon eintritt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol über ein Röhrchen mit einem Durchmesser von weniger als 4 mm in den Abscheider eintritt.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol in einer Mischdüse (Zweistoffdüse) erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol aus einem Volumenstrom der Lösung von 0,5-0,75 l/h erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Volumengasstrom zur Erzeugung des Aerosols von 3-5 l/min gearbeitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungs-Aerosol in den Abscheider mit einer Geschwindigkeit zwischen 150 m/sec und 200 in/sec eintritt.

14. Vorrichtung zum Erzeugen eines Feststoffaerosols, gekennzeichnet durch einen Lösungs-Aerosol-Erzeuger (23) zur Erzeugung eines Lösungs-Aerosols mit Tröpf­ chendurchmessern von weniger als 1 µm und ein an diesen anschließendes Expansionsgefäß (16).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß das Expansionsgefäß (16) einen Einlaß und/oder einen Auslaß auf seiner Oberseite aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Aerosol-Er­ zeuger eine Mischdüse (Zweistoffdüse) (24) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Aerosol-Erzeuger einen Abscheider (23) aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abscheider ein Zyklon-Abscheider (23) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zyklon-Abscheider (23) ein tangential in ihn führendes Einlaßrohr aufweist, dem die Misch­ düse (24) vorgeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider (23) einen Durch­ messer von weniger als 30 mm aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Einlaßrohr (22) eine Länge von mehr als 15 mm aufweist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19-21, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßrohr (22) einen Durch­ messer von weniger als 4 mm aufweist.