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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Entgasen von Flüssigkeiten
Insbesondere bei der Herstellung von Formkörpern und Beschichtungen durch Verfestigung
flüssiger Nassen bilden die in der Flüssigkeit eingeschlossenen Gasblasen in vielen
Fällen eine Quelle von Störungen. Gasblasen können auf verschiedene Art in die Flüssigkeit
gelangen: z.B. auf mechanische Art beim Mischen und Homogenisieren, sowie beim Fördern
durch Rohrleitungen und Pumpen, ferner durch Freisetzung von ursprünglich in der
Flüssigkeit gelöstem Gas durch Druck- oder Temperaturänderung.
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Dies letztere tritt vor allem ein, wenn die Flüssigkeit mit
gelöstem
Gas nahezu gesättigt ist. Blasen wirken sich störend aus, wenn die optische Homogenität
des Formkörpers oder der Beschichtung von Bedeutung ist, z.B. bei der Herstellung
von transparenten Folien, von optischen Gläsern oder von photographischen Schichten.
In andern Fällen, wie z.B. bei der Herstellung von Spinnfasern, wird durch die Anwesenheit
von Blasen die Festigkeit der verformten Materialien nachteilig beeinflusst.
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Bei der Herstellung von dünnen Folien und Beschichtungen mittels
Extrudern können noch zusätzliche Störungen auftreten: Die Extrudiervorrichtung
besitzen in diesen Fällen meist einen schmalen Spalt, durch welchen die Flüssigkiet
in die erforderliche Form gebracht wird. Kleine Gasblasen verhalten sich infolge
ihrer Oberflächenspannung vielfach wie elastische Festkörper und können deshalb
den engen Extrudierspalt örtlich verstopfen. Die Folge davon sind Fehlstellen in
Form von Längsstreifen, welche die Folien oder Beschichtungen über eine längere
Strecke durchziehen können.
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Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, allfällig vorhandene Blasen
vor dem eigentlichen Verformungsvorgang möglichst vollständig aus der Flüssigkeit
zu entfernen. Ueblicherweise geschieht dies dadurch, dass man die Flüssigkeit vor
ihrer Verwendung während einiger Zeit stehen lässt, sodass die Blasen durch ihren
Auftrieb zur Oberfläche steigen. Bei viskosen Flüssigkeiten dauert dieser Vorgang
jedoch sehr: lange
und würde den Fabrikationsvorgang in unerwünschter
Weise verlangsamen. Das Aufsteigen der Blasen kann durch Verminderung des Drucks
etwas beschleunigt werden: diesem Verfahren sind aber in vielen Fällen wegen Erreichen
des Siedepunkts Grenzen gesetzt.
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Es ist auch schon bekanntgeworden, die blasenhaltige Flüssigkeit
der Einwirkung eines Ultraschallfeldes, insbesondere eines solchen mit stehenden
Wellen, zu unterwerfen. Die Gasblasen werden in diesem Fall unter der Wirkung des
Schalldrucks zu den Orten mit geringster Amplitude, d.h. den Knotenlinien oder -ebenen
des Schallfeldes befördert und dort festgehalten. Gelingt es, das stehende Schallfeld
genügend stabil und stationär zu halten, läss sich an geeigneter Stelle blasenfreie
Flüssigkeit entnehmen. Das Verfahren besitzt den Nachteil, dass es sehr schwierig
ist, eine gewisse Unruhe in der Lage der Schwingungsknoten, verursacht z.B. durch
Bewegungen der reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche, zu vermeiden. Die Blasen
springen deshalb zeitweilig von einer Knotenebene zur andern und können dadurch
gelegentlich auch zur Entnahmestelle gelangen. Die durch den Schalldruck ausgeübte
Kraft sinkt zudem mit abnehmender Grösse der Blasen, und die Wirksamkeit der Apparatur
bleibt deshalb auf relativ grosse Blasen beschränkt. Bei diesem bekannten Verfahren
werden zudem nur die als freie Blasen vorhandenen Gasanteile aus der Flüssigkeit
entfernt, während es ebenso wünschenswert ist, auch die gelösten Gasanteile mindestens
teilweise zu entfernen.
Bei der Anwendung von Unterdruck, wie oben
erwähnt, wird zwar ein Teil des gelösten Gases mit entfernt. Da es sich dabei aber
um eine Oberflächenverdunstung handelt, bleibt der Vorgang relativ langsam. Er kann
zwar durch Erneuerung der Oberfläche, z.B. durch Rühren oder Bildung eines Rieselfilms
beschleunigt werden, doch wirken diese Massnahmen wegen der damit verbundenen Flüssigkeitsbewegung
der erwünschten Abtrennung der freien Blasen entgegen.
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Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mittels welchem sowohl die
in der Flüssigkeit vorhandenen freien Gasblasen als auch ein Teil des in der Flüssigkeit
gelösten Gases gleichzeitig aus der Flüssigkeit entfernt werden könne. Weiter soll
durch die Erfindung eine Vorrichtung geschaffen werden, mittels welcher diese Verfahren
kontinuierlich durchgeführt werden kann.
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Das erfindungsgemässe Verfahren zum Entgasen von viskosen Flüssigkeiten
und zur Entfernung frei suspendierter Gas- und/oder Luftblasen ist dadurch gekennzeichnet,
dass man die Flüssigkeit durch eine Lochblende in einen mit Unterdruck beaufschlagten
Raum fliessen lässt, und in diesem Raum die an der Lochblende entstandenen Blasen
von aus der Flüssigkeit freigesetztem Gas durch Einwirkung eines Ultraschallfeldes
konglomeriert und zur Oberfläche befördert.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausübung dieses neuen Verfahrens
ist gekennzeichnet durch ein geschlossenes
Gefäss mit mindestens
einem an dessen Boden,vorzugsweise auf seiner Aussenseite angebrachten Ultraschallerzeuger;
eine Flüssigkeits-Zulaufleitung, welche über eine Lochdüse und ein fernsteuerbares
Oeffnungs- und Schliessventil zu einem Flüssigkeits-Vorratsbehälter führt; eine
vorzugsweise vom unterenGefässteil wegführende, mit einer Förderpumpe verbundene
Entleerungsleitung, eine vom obern Gefässteil wegführenden Vakuumleitung, die zu
einer Vakuumpumpe mit regelbarem Unterdruck führt; und einen im. Innern des Gefässes
angebrachter Niveaufühler, der über einen Schalter dasZüLaufventil öffnet und schliesst.
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Die hohe Wirksamkeit des Ver#hrens erlaubt eine relativ kurze Aufenthalts
zeit. Bei kontinuierlicher Arbeitsweise~ kann dadurch das Volumen der Apparatur
im Verhältnis zum Durchsatz klein gehalten werden.
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Das erfindungsgemässe Verfahren kommt durch eine Kombination zweier
an sich bekannter Prinzipien zustande, wobei die Wirksamkeit beider Prinzipien durch
die Kombination erheblich gesteigert werden kann: Die Freisetzung von gelöstem Gas
wird dadurch bewirkt, dass man die Flüssigkeit durch eine Lochblende in einen teilweise
evakuierten Raum fliessen lässt. Die schlagartige Entspannung an der Lochdüse, zusammen
mit den am Düsenrand auftretenden Turbulenzen bewirken eine spontane Bildung von
Blasen, welche als Keime für die Freisetzung weiterer Mengen von Gas aus der im
Vergleich zum umgebenden Druck übersättigten Flüssigkeit
wirken.
Es entsteht eine im englischen Sprachgebrauch mit nrroth bezeichnete Suspension
von Gasblasen in der Flüssigkeit. Diese Gasblasensuspension wird unmittelbar nach
ihrer Entstehung einem intensiven Ultraschallfeld ausgesetzt. Der rerelativ geringe
gegenseitige Abstand der zahlreichen Gasblasen erleichtert ihre rasche Koagulation,
zuerst zu himbeerähnlichen Gebilden, die sich unter weiterer Einwirkung des Ultraschalls
zu grossen Einzelblasen vereinigen und rasch zur Oberfläche steigen. Es bildet sich
dabei eine klare und vollkommen blasenfreie Flüssigkeitsschicht, welche durch eine
Pumpe aus dem evakuierten Raum herausbefördert werden kann.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemässen Vorrichtung.
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In ein Entgasungsgefäss 1 mündet von oben ein Zulaufrohr 2, welches
mit einem Vörratsgefäss 3 für die zu entgasende Flüssigkeit verbunden ist. In der
Zulaufleitung befindet sich ferner ein Ventil 4, welches in bekannter Weise, z.B.
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elektromagnetisch oder pneumatisch, geöffnet und geschlossen werden
kann, ferner eine Entgasungsdüse 5, bestehend aus einer flachen Scheibe 50 mit einem
zentralen kreisrunden Loch.
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Das Entgasungsgefäss enthält einen Niveaufühler 6J durch welchen bei
Erreichen eines vorgegebenen Flüssigkeitsniveaus im Gefäss das Ventil 4 über eine
Steuerleitung automatisch geschlossen wird. Im Gefässboden 7 befindet sich eine
Entnahmeöffnung 8, welche über eine Leitung 9 mit einer Förderpumpe 10 verbunden
ist. An der Aussenwand des Gefässbodens sind ferner
Ultraschallerzeuger
11 angebracht, welche in bekannter Weise z.B. piezoelektrisch oder magnetostriktiv
durch einen Generator 12 zu Schwingungen angeregt werden. Das Entgasungsgefäss ist
ferner durch eine Leitung 15 mit einer Vakuumpumpe verbunden, durch welche das Gefäss
auf einen vorbestimmten, durch einen Vakuumregler 14 einstellbaren Unterdruck gebracht
werden kann.
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Im Betrieb wird das Entgasungsgefäss auf den vorgegebenen Druck ausgepumpt.
Nach Oeffnung des Ventils 4 strömt die zu entgasende Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäss
3 durch das Ventil 4 und die Entgasungsdüse 5 in das Entgasungsgefäss-l so lange
bis durch Erreichen des vorgegebenen Niveaus das Ventil 4 automatisch wieder geschlossen
wird. An der Entgasungsdüse 5 wird durch den plötzlichen Druckabfall gelöstes Gas
in Form von feinen Blasen freigesetzt und vom Flüssigkeitsstrom in das Entgasungsgefäss
mitgerissen. Die Flüssigkeit im Entgasungsgefäss besteht danach aus einer Suspension
von feinen Blasen, die in der umgebenden Flüssigkeit gleichmässig verteilt sind
und allmählich infolge des Antriebs nach oben steigen.
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Durch Inbetriebsetzen des Generators 12 werden nun die Ultraschallschwinger
11 in hochfrequente Schwingungen#versetzt, die durch den Gefässboden 7 auf die Flüssigkeit
übertragen werden.
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Diese Schwingungen bewirken eine rasche Agglomeration
der
Gasblasen zu grösseren Gebilden, die nun beginnen, rasch zur Oberfläche zu steigen.
Es bildet sich in kurzer Zeit eine scharf begrenzte horizontale Trennfläche oder
Front aus, die vertikal nach oben steigt. Unterhalb dieser Grenzfläche, im untern
Teil des Entgasungsgefasses bildet sich eine Schicht von entgaster und blasenffeier
Flüssigkeit, die nun über die Leitung 9 und die Förderpumpe 10 ausgepumpt und auf
Normaldruck gebracht werden kann.
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Durch Aenderung der Förderleistung der Pumpe 10 kann der Durchsatz
an entgaster Flüssigkeit jederzeit dem momentanen Verbrauch angepasst werden. Der
Durchsatz ist nach oben begrenzt durch die maximale Flüssigkeitsmenge, welche unter
dem gegebenen Druckunterschied durch die Ansaugleitung 2, das Ventil 4 und die Entgasungsdüse
5 gefördert wird. Würde man den Druchsatz grösser wählen, so würde das Niveau im
Entgasungsgefäss 1 absinken, und das Gefäss würde sich schliesslich völlig entleeren.
Wird der Durchsatz dagegen kleiner gewählt- als die Maximalmenge, so wird das Niveau
im Gefäss durch Oeffnen und Schliessen des Ventils,4 automatisch auf konstanter
Höhe gehalten. Die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Lochdüse 5 bleibt
während der Oeffungszeit des Ventils 4 im wesentlichen konstant und kann aus dem
Verhältnis zwischen Oeffnungs- und Schliesszeit des Ventils und dem Durchsatz am
Austritt der Flüssigkeit bestimmt werden. Füs einen guten Entgasungseffekt soll
diese Lineargeschwindigkeit mindestens ca. 3m/sec erreichen. Diese Geschwindigkeit
kann
durch richtige Dimensionierung der Zulau£-leitung 2 und der Lochdüse leicht auf
den gewünschten Wert eingestellt werden.-Die Leistung der Ultraschallschwinger 11
und des zugehörigen Speisegenerators 12 muss ausserdem so bemessen sein, dass bei
gegebenem Durchsatz die Blasenfront im Entgasungsgefäss 1 mindestens stationär ist
oder im Steigen begriffen ist. Der maximal mögliche Durchsatz muss von Fall zu Fall
bestimmt werden. Er hängt ausser von der Leistung des Ultraschallerzeugers von der
Viskosität der zu entgasenden Flüssigkeit sowie von der Menge und Grössenverteilung
der erzeugten Gasblasen ab. Die letzteren beiden Grössen lassen sich durch geeignete
Wahl des Düsendurchmessers, sowie durch die Dimensionierung der Zufuhrleitung beeinflussen.
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Beispiel: Ein zylindrisches Entgasungsgefäss(l)von 60 cm Höhe und
30 cm Innendurchmesser gemäss Figur wurde auf einen regulierten Druck von 300 Torr.
abs. ausgepumpt. Durch die Ansaugleitung (2) wurde über eine Düse (5) mit einem
Lochdurchmesser von 9 mm eine wässerige Gelatinelösung mit einer Temperatur von
4000 und einer Viskosität von 20 cp eingesaugt. Die Ansaugleitung wurde so dimensionierta
dass die mittlere Geschwindigkeit über den Lochquerschnitt 3,5 mm etc betrug Der
Niveauregler (5; wurde so ein#estelft, dass das Ventil (4) sich automatisch SChleSS5
sobald das Flüssigkeitsniveau sich 40 cm über dem Genässboden befand. Aussen am
Gefässboden
waren acht zylindrische, piezoelektrische Schwingelemente von 40 mm Durchmesser
in kreisförmiger Anordnung angebracht. Der Frequenzgenerator arbeitete bei einer
Frequenz von 40 kHz, seine verfügbare Ausgangsleistung betrug 800 W.
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Nach dem Füllen des Entgasungsgefässes wurde der Frequenzgenerator
eingeschaltet. Unter der Wirkung des Ultraschalls bildete sich rasch eine scharfe
Trennfront zwischen einer unteren klaren und blasenfreien Flüssigkeitsschicht und
einer obern blasenhaltigen Schicht aus, die mit einer Geschwindigkeit von ca. 16
cm/min nach oben wanderte. Durch Inbetriebsetzung der Pumpe konnte blasenfreie Gelatinelösung
durch die Ausgangsleitung abgezogen werden, wobei der maximal erreichbare Durchsatz
im kontinuierlichen Betrieb ca.
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-11,5 ltr/min betrug. Vor der Entgasung war die Gelatine mit Luft
gesättigt, nach der Entgasung betrug der Restgehalt noch 60% der Sättingungskonzentration.