DE2452386A1

DE2452386A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von dispersionen

Info

Publication number: DE2452386A1
Application number: DE19742452386
Authority: DE
Inventors: Godfrey Vaughan Jeffreys; Clive James Mumford; Frank Ernest George Ravault; Coldfield Warwickshire Sutton; Colin Washbourne
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 1973-11-05
Filing date: 1974-11-05
Publication date: 1975-05-07
Also published as: FR2249699A1; GB1485623A; JPS5075577A; BE821888A; JPS531065B2; US4129500A; IT1024738B; NL7414430A; FR2249699B1

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER

5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90

Köln, den 4. November 1974 Eg/Ax/pz/222

Foseco International Limited, Long Acre 285, Nechells, Birmingham B7 5JR (England)

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Dispersionen

Die Erfindung betrifft die Behandlung von Tropfchendispersionen, insbesondere Tröpfchendispersionen, in denen der Durchmesser der Tröpfchen kleiner ist als 100 ,um.

Eine Tröpfchendisperion ist ein zweiphasiges Flüssigkeits-Flüssigkeits-System oder ein Flüssigkeits-Gas-System. Dispersionen von Tröpfchen einer Flüssigkeit in einer geschlossenen Phase einer anderen Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten teilweise oder vollständig unmischbar sind und die Tröpfchen verhältnismäßig groß sind (0,5 bis 1,0 mm oder größer), werden häufig absichtlich bei industriellen Prozessen gebildet, um den Übergang von gelösten Stoffen aus einer Flüssigphase in die andere zu erleichtern. Flüssigkeitströpfchen in Gasen (im allgemeinen als "Nebel" bezeichnet) entstehen beispielsweise bei der Herstellung von Schwefelsäure während der SO^-Absorptionsstufe. Verschiedene Methoden wurden beispielsweise in den britischen Patentanmeldungen 35444/71, 60188/71 und 44217/72 der Anmelderin vorgeschlagen, die es ermöglichen sollen, Tröpfchendispersionen dieser Art zu zwei geschlossenen Phasen zusammenfließen zu lassen.

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Leider hat das Verschmelzen von zwei Tröpfchen zu einem größeren Tröpfchen zuweilen die Bildung eines oder mehrerer sehr kleiner zusätzlicher Tröpfchen zur Folge, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 2 "bis 100 um haben. Diese sehr kleinen Tröpfchen können auch entstehen, wenn ein System, das zwei nicht mischbare oder teilweise mischbare Flüssigphasen enthält, der Einwirkung von Scherkräften beispielsweise in einer Pumpe ausgesetzt wird, oder wenn ein Tank, der Rohöl enthielt, mit einem Wasserstrahl von hohem Druck gereinigt wird. Tröpfchendispersionen, deren Tröpfchen diese Größenordnung haben, haben häufig ein schillerndes oder milchiges Aussehen und sind gewöhnlich als "sekundärer Dunst" bekannt. Dieser sekundäre Dunst ist sehr schwierig zum Zusammenfließen zu bringen und stellt, wenn er in Form von Wassertröpfchen in Flugtr«ibstoff, als Öltröpfchen in Industrieabwässern oder als Öltröpfchen in dem in das Meer abgeleiteten Tankspülwasser von Erdöltankern vorliegt, eine sehr ernstliche Verunreinigung dar.

Verschiedene Methoden, sekundären Dunst zum Zusammenfließen zu bringen, wurden vorgeschlagen und werden zum Teil großtechnisch angewandt. Schichten von Materialien wie Sand, Glasfasern oder organischen Fasern dienen dazu, die zahllosen kleinen Tröpfchen zu einer primären Dispersion, d.h. einer Dispersion, die Tropfen einer Größe von mehr als 100 um enthält, die dann durch Absetzenlassen oder in anderer bekannter Weise abgetrennt werden können, au vereinigen« Beispielsweise besteht eine der im Handel erhältlichen Vorrichtungen zur Bildung solcher primären Dispersionen aus einem perforierten Metallrohr, um das eine dicke Glasfaserschicht gewickelt ist» Der sekundäre Dunst xcLrd unter Druck in das Hohr eingeführt und während seines - Durchgangs durch die Glasfaserwicklung zu einer primären Dispersion

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vereinigt. Die Druckdifferenz bei einer solchen Vorrichtung zur Bildung der primären Dispersion liegt in der Größenordnung vor* 0,8 bis 1,0 kg/cm . Dies kann mit der Zeit zum Ausfall der Vorrichtung führen, durch die ein bevorzugter Strömungsweg gebildet wird, auf dem der sekundäre Dunst in Jeder Hinsicht unverändert .-strömen kann.

Es hat sich gezeigt, daß der vorherrschende Mechanismus bei Vorrichtungen, die sekundäre Dispersionen zu primären Dispersionen vereinigen, der Aufprall ist, mit dem die Tröpfchen mit festen Oberflächen innerhalb der Schicht zusammenstoßen und daran haften oder von ihnen festgehalten werden. Ein in dieser Weise festgehaltenes Tröpfchen bleibt kugelförmig, vereinigt sich jedoch noch wiederholt mit anderen Tröpfchen aus dem sekundären Dunst. Das Tröpfchen wächst daher, bis die Kräfte, die durch die Strömung des umgebenden Mediums auf es ausgeübt werden, genügen, um das Tröpfchen von seiner Unterlage loszulösen. Der in dieser Weise losgelöste Tropfen wandert durch die Schicht, bis er erneut festgehalten wird und der Zyklus aus Wachstum und Loslösung sich wiederholt. Es wurde gefunden, daß einer der Faktoren, die die Haftung beeinflussen, seine Oberflächenrauhigkeit ist. Je größer die Rauhigkeit, umso besser die Haftung. Ferner sollte der Feststoff im Bett so angeordnet werden, daß eine große Zielfläche für den Aufprall geschaffen wird. Bei solchen Methoden hat jedoch die Schaffung einer großen Zielfläche, z.B. eine Vergrößerung der Dicke des Betts oder eine Verringerung seiner Porosität, einen Anstieg des Drucks zur Folge, der notwendig ist, das Medium durch das Bett zu transportieren.

Unter der Voraussetzung einer genügenden Betthöhe wachsen die Tröpfchen offensichtlich bis zu einer Gleichgewichtsgröße. Es wurde jedoch gefunden, daß die

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Große der austretenden Tröpfchen von der Ausgangsporengröße abhängt. Dies wird experimentell dadurch bestätigt, daß größere Tröpfchen, die dem Bett zugeführt werden, zur gleichen Austrittsporengröße zerteilt werden.»

Auf der Grundlage dieser beiden Erscheinungen, d.h.

a) Wachstum des Einzeltropfens und Loslösung und

b) Begrenzung des Austrittsporendurchmessers durch die Austrittsporenabmessungen, wurde gefunden, daß die Leistung einer Vorrichtung zum Vereinigen der dispersen Phase einer Tröpfchendispersion verbessert werden kann, indem ein Bett ausgebildet wird, in dem die Größe der Poren vom Eintritt zum Austritt allmählich zunimmt.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß das Vereinigen der dispersen Phase einer Tröpfchendispersion nach einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Tröpfchendispersion durch einen porösen Körper führt, der miteinander in Verbindung stehende Poren aufweist, die von einem Bereich an der Fläche oder angrenzend an die Fläche, an der die Dispersion in den Körper eintritt, zur Fläche, aus der die vereinigte oder zusammengeflossene disperse Phase den Körper verläßt, allmählich größer werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal umfasst die Erfindung eine zum Vereinigen der dispersen Phase einer Tröpfchendispersion dienende Vorrichtung, die aus einem Körper aus porösem Material besteht, der miteinander in Verbindung stehende Poren und zwei gegenüberliegende Flächen aufweist, wobei die Poren von einem Bereich an einer Fläche oder angrenzend an diese Fläche des Körpers zur gegenüberliegenden Fläche allmählich größer werden.

Das allmähliche Größerwerden der Poren der Vorrichtung gemäß der Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß hierdurch eine große Zielfläche am Eintritt ausgebildet

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und hierdurch ein hoher Auffang- oder Sammelwirkungsgrad für Tröpfchen der dispersen Phase unterhalb von 100 um Durchmesser erzielt wird ohne den normalerweise mit Vorrichtungen mit großer Zielfläche verbundenen Nachteil des hohen Widerstandes gegen den Durchfluß der Flüssigkeit. Die allmähliche Vergrößerung der Poren gleicht ferner den größer werdenden Anteil der Querschnittsfläche der Vorrichtung aus, der von den wachsenden Tröpfchen der dispersen Phase eingenommen wird und sonst zu hohen örtlichen Geschwindigkeiten der geschlossenen Phase führen würde, durch die die Tröpfchen Scherkräften, die zu erneuter Bildung eines sekundären Dunstes führen wurden, ausgesetzt werden könnten,

Ferner bleiben die Tröpfchen der zusammengeflossenen dispersen Phase nach dem Verlassen der Vereinigungszone getrennt voneinander, und die Gefahr eines weiteren ZusammenfHeßens durch Kollision von Tröpfchen, die zu unerwünscht kleinen Nebentröpfchen führen kann, ist im wesentlichen ausgeschaltet.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers der vorstehend beschriebenen Art, jedoch ist eine Beschränkung der porösen Körper gemäß der Erfindung auf dieses Herstellungsverfahren allein nicht beabsichtigt.

Für die Herstellung von Körpern, die sich allmählich erweiternde Ausgangskanäle enthalten, sind verschiedene Verfahren verfügbar. Beispielsweise können sich allmählich erweiternde Ausgangskanäle in einem Keramikoder Sintermetallkörper ausgebildet werden, indem ein von einer Seite zur anderen allmählich größer werdender Anteil von organischen Teilchen oder Fasern eingearbeitet wird, die während des anschließenden Sinterns oder Brennens des Körpers ausgebrannt werden, wobei ein Porenvolumen zurückbleibt, das längs eines Querschnitts durch den Körper allmählich größer wird. Das gleiche

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Ergebnis kann auch, erhalten werden, wenn die organischen Stoffe mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung sich allmählich erweiternder Austrittskanäle in einem Keramiköder Sintermetallkörper ist die Verwendung eines Pulvers mit" großer Teilchengröße an einer Seite und eines Pulvers mit kleiner Teilchengröße an der anderen Seite mit sich, allmählich ändernder Teilchengröße zwischen -den beiden Seiten» Eine ähnliche Struktur kann in einem Metallkeramikkörper oder in einem Körper, der aus Kunststoff granulat ohne äußere Einwirkung von Wärme hergestellt worden ist, ausgebildet werden, indem das größenmäßig abgestufte Pulvergemisch in eine Form gegeben und der Einwirkung eines solchen Drucks ausgesetzt wird, daß die Teilchen fließen und an ihren Berührungsstellen verschmelzenο Das gleich® Ergebnis kann erreicht werden, indem eine größenmäßig abgestuft® lasse von Teilchen, der vorstehend beschriebenen Art mit ©in@m geeigneten Klebstoff oder Bindemittel behandelt wird_e Es ist ferner bekannt, daß in gewissen Fällen beim Pressen eines Pulvers in einer Form in Abhängigkeit von den Abmessungen der Form und den Eigenschaften dös Pulvers die Porengröße des erhaltenen Preßlings sich längs der Sichtung des zur Einwirkung gebrachten Drucks ändert und an den Enden des Preßlings am geringsten und in der Mitte des Preßlings am größten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein allmählich zunehmender Anteil der zur Einwirkung gebrachten Kraft auf die Wände der Form übertragen wird. Dieses Prinzip kann ebenfalls ausgenutzt werden, um zwei Körper mit sich allmählich erweiternden Austrittskanälen zu bilden, indem der hierbei gebildete Preßling in zwei mehr od@r weniger gleiche T@ile geschnitten wird, wobei die Schnitt@b©n® im rechten Winkel zur Sichtung der sur Einwirkung gebrachten Kraft verläuft.

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Ein Körper, der sich allmählich erweiternde Austrittskanäle enthält, kann auch aus einem Körper mit miteinander in Verbindung stehenden Poren von im wesentlichen gleichmäßiger Größe hergestellt werden, indem die Poren mit Fasermaterial oder feinteiligem Material so gefüllt werden, daß der Anteil des Füllmaterials pro Volumeneinheit von einer Seite zur anderen allmählich größer wird·

Vorzugsweise wird an der die feineren Poren aufweisenden Seite des Körpers eine Fasermatte angeordnet, wie in der britischen Patentanmeldung 51352/73 der Anmelderin beschrieben.

Nach einem bevorzugten Verfahren wird der poröse Keramikkörper mit den hier beschriebenen, sich allmählich erweiternden Austrittskanälen wie folgt hergestellt: Man taucht einen Keramikkörper mit netzartiger Scha.umstruktur, :der auf die in den britischen Patentanmeldungen 1927/72, 1929/72 und 1930/72 der Anmelderin beschriebene Weise hergestellt worden ist, so in eine Aufschlämmung von gut dispergierteri. kurzen anorganischen Fasern, wie sie in der britischen Patentanmeldung 22704/73 beschrieben worden ist, daß die Aufschlämmung nur zu einer Seite des Körpers Zugang hat, trocknet den Körper, wiederholt die Maßnah τη en des Tauchens und Trocknens, bis die Fläche des Keramikkörpers mit Netzstruktur mijfc einer Schicht des Faserstoffs vollständig bedeckt ist, und erhitzt abschließend auf eine Temperatur, bei der organische. Stoffe entfernt werden. Dies hat zur Folge, daß beim ersten Eintauchen in die Faseraufschlämmung die Aufschlämmung gut in das Innere des Netzwerks des Keramikkörpers eindringt, daß Jedoch bei den anschließenden Tauchvorgängen die bereits abgelagerten Fasern eine Filterwirkung auf die Aufschlämmung ausüben, wodurch der Grad, bis zu dem die Aufschlämmung in das Netzwerk des Keramikkörpers eindringen kann, verringert wird. Die Fasermenge auf und

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zwischen d®n Stegen des Metswerks des Keramikkörpers wird somit von d®r in die Aufsehlämmung getauchten Seite des Netswerks sur gegenüberliegenden Seite allmählich geringer^ Hierbei entsteht ein Körper, der auf einer Seit® @in© Matte aus anorganischen Fasern aufweist, die als Mittel zur Vereinigung der Tröpfchen wirksam ist, wie in der britischen Patentanmeldung 51332/73 beschrieben, und der in d@n Zwischenraum zwischen dieser Seite und der gegenüberliegenden Seite des Körpers sich allmählich erweiternde Porsnräum© aufweist«

Vorzugsweise wird ein Stück eines Keramikkörpers mit Netzstruktur und geeigneter Dicke, die gewöhnlich nicht geringer ist als 10 Hm₉ an den Sandern mit beliebigen geeigneten Mftbeln abgedichtet, um seitliches Eindringen der Aufschlämmung ^u verhindern, und in eine F.aseraufschlämmung getaucht,, die in das Netzwerk einzudringen vermag, wie in der britisehen Patentanmeldung 22704-/73 der Anmelderin beschrieben, bis die Oberseite des Keramikkörpers mit Metsstruktur in eimer Höh© mit der¹ Oberfläch© der Aufsehläairang liegt„ Der Keramikkörper wird dann herausgesogen und getrocknet, erneut in die Aufschlämmung getaueht, herausgenommen und getrocknet. Für einen Keramikkörper mit Net^struktur, der 4· bis 10 Poren pro linearen Zentimeter aufweist, muß dieser Tauchprosess etwa fünfmal wiederholt werden, um ©ine Seite mit einer Pasermatte zu verschließen© D@r erhaltene Körper wird dann getrocknet und sur Entfernung von organischen Stoffen auf 400 bis 500⁰G erhitzt.

Die erfindungsgemäß® Vorrichtung zur Vereinigung der dispersen Phase ©in@r Tröpfchendispersion kann die verschiedensten Formen haben* Sie kann beispielsweise eine einfache runde Scheibe oder Platte, wie b±® vorstehend beschrieben wurde, oder ©in Hohlsylinder mit offenem (eine zylindrische Hülse) s®in, bei dem die Tröpf-

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chendispersion durch eine zentrale Bohrung in den Körper eingeführt wird.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter erläutert.

Beispiel

Ein 4 Foren pro linearen Zentimeter enthaltendes Stück eines Polyesterpolyurethan-Schaumstoffs mit Netzstruktur mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Dicke von 2 cm wurde geschnitten. Ferner wurde eine Aufschlämmung durch Mischen der folgenden Bestandteile mit einem Schnellrühr er hergestellt:

70 Gew.-Teile Petalit einer Teilchengröße von weniger als 125 pm

30 Gew.-Teile China Clay
20 Gew.-Teile Dextrin
100 Gew.-Teile Wasser

0,5 Gew.-Teile Siliconemulsion als Schaumverhütungsmittel
0,5 Gew.-Teile eines Gemisches von C.g-Coo

Der in dieser Weise hergestellten Aufschlämmung wurden 50 ml Monoäthanolamin pro Liter zugesetzt.

Das Schaumstoffstück wurde mit einer 0,01%igen Lösung eines anionischen Polyacrylamide mit einem mittleren

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Molekulargewicht im Bereich von 3 χ 10 bis 1 χ 10' in einem Gemisch aus 50 % Methanol und 50 % destilliertem Wasser behandelt und in einem warmen Luftstrom getrocknet. Es wurde dann in die vorstehend genannte Aufschlämmung getaucht. Es wurde dann herausgenommen, worauf man überschüssige Aufschlämmung ablaufen ließ und dann durch Zentrifugieren entfernte. Der Schaumstoff wurde dann in einem Heißluftstrom getrocknet. Der erhaltene Körper wurde erneut mit der vorstehend genannten Polyacrylamid-

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Der beschichtet© Schaumstoff wurde dann in einem elektrischen Muffelofen mit einer Geschwindigkeit von 1-50°G/ Stunde auf 300⁰G erhitzt, 2 Stunden bei 300⁰C gehalten, mit einer Geschwindigkeit von 100°G/Std_e auf 125O⁰G erhitzt, 16 Stunden h®± 1250°C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 100°G/Std„ auf Raumtemperatur gekühlt· Di® erhaltene Keramikscheibe mit Netzstruktur aus Lithiumoxyd, Aluminiumoxyd und Siliciumdioxyd mit einer Größe von 12 cm Durchmesser und 1,5 cm Dicke wurde dann um ihre Händer mit einer Paste eines hitzehärtbaren Kunststoffs abgedichtet.

Eine zweite Aufschlämmung wurd® wi© folgt hergestellt: 7 g Aluminosilicatfaaera ®in®r durchschnittlichen Länge von 1 mm wurden in 8?»5 g einer 0,25%igen wässrigen Lösung eines modifizierten Carboxyvinylpolymerisats dispergiert, dessen Lösungen die Eigenschaft haben, daß ihre Viskosität stark steigt, wenn sie mit Hilfe eines Sehneilrührers mit Scherwirkung neutralisiert werden. Nachdem alle Fasern gut dispergiert und voneinander getrennt waren, wurde eine Ammoniaklösung (spezifisches Gewicht 0,880) zugetropft, bis ein deutlicher Viskositätsanstieg stattfände Zu dies.om Zeitpunkt lag der pH-Wert der Aufschlämmung im Bereich von 10® Dieser Dispersion wurden 5?5 S eines kolloidalen Kieselhydrosols zugesetzt, das 30 Gew.-% kolloidale Kieselsäurefeststoff® in Wasser enthielt* Das Ganze wurde erneut gut gemischt.

Die Keramikseheib© wurd® waagerecht gehalten und teilweise in die lasoraufsohlämmung getauchte Si® wurde dann herausgenommen und bei 110 G getrocknete Dieser Vorgang wurd© fünfmal wiederholt, worauf festgestellt wurde, daß die Poren d©r Unters©ite der Keramikscheibe

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durch den Faserstoff verschlossen waren. Die mit Fasern imprägnierte Scheibe wurde dann zur Entfernung von organischen Stoffen eine Stunde auf 500⁰C erhitzt und gekühlt.

Die Scheibe wurde dann in einem Eing aus einem Polyacrylkunststoff befestigt. Die Bänder der Scheibe wurden mit Hilfe eines hitzegehärteten Harzes am Ring befestigt und abgedichtet. Die Scheibe wurde in eine Vorrichtung eingebaut, in der sie zuerst einer Vorbehandlung mit Kerosin unterworfen wurde, worauf ein »ekundärer Dunst aus Kerosintröpf chen einer Größe von 5 bis 25 JJm Durchmesser in einer Konzentration von 3»5 Raumteilen Kerosin in Wasser der mit Fasern verschlossenen Seite zugeführt wurde. Dieser sekundäre Dunst wurde mit Hilfe von Pumpen mit veränderlicher Drehzahl und Drosselventilen erzeugt.

Bei einer Druckdifferenz von 0,12 kg/cm von einer Seite der Scheibe zur anderen wurde eine Durchflußgeschwindigkeit der dispergierten Phase von 0,9 cm.Sek. erreicht. Die austretenden Tröpfchen hatten einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm, hauptsächlich zwischen 0,15 und 0,5 mm. Diese Tröpfchen hatten genügende Absetzgeschwindigkeit unter der Einwirkung der Schwerkraft.

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Claims

Pat ent ansprüche

1. Verfahren zum Vereinigen der dispersen Phase einer Tropfchendispersion durch Behandlung in einem die Vereinigung bewirkenden Körper, dadurch gekennzeichnet, daß man die Tröpfchendispersion durch einen porösen Körper leitet, der miteinander verbundene Poren aufweist, deren Größe von einem Bereich an der Seite oder angrenzend an die Seite, an der die Dispersion in den Körper eintritt, zu der Seite, an der die vereinigte disperse Phase den Körper verläßt, allmählich größer wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Tröpfchendispersion eine Flüssigkeit-in-Flüssigkeit-Dispersion, die als disperse Phase einen flüssigen Kohlenwasserstoff enthält, behandelt wird.

3. Die Vereinigung der dispersen Phase von Tropfehendispersionen bewirkendes Element, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einem Körper eines porösen Materials besteht, der miteinander verbundene Poren und zwei gegenüberliegende Seiten aufweist, wobei die Porengr,öße von einem Bereich an einer Seite oder angrenzend an eine Seite des Körpers zur gegenüberliegenden Seite allmählich zunimmt.

4. Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er

aus gesintertem Metallpulver hergestellt worden ist.

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5. Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Keramikmaterial mit netzartiger dreidimensionaler Schaumstruktur besteht.

6. Körper nach Anspruch 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß er auf der Seite mit der feineren Porengröße mit einer Schicht eines Faserstoffs belegt ist.

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7. Körper nach Anspruch 3 his 6, dadurch gekennzeichnet., daß er die Form einer runden Scheibe oder Platte oder eines Hohlzylinders mit offenem Ende hat.

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