DE2649677A1

DE2649677A1 - Verfahren und einrichtung zur vergroesserung des kontaktbereiches in einem fluessigen und/oder gasfoermigen mehrphasensystem

Info

Publication number: DE2649677A1
Application number: DE19762649677
Authority: DE
Inventors: James Lawton; David Preston Simpson
Original assignee: Electricity Council
Current assignee: Electricity Council
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR2368992B1; US4085170A; FR2368992A1; NL7612005A; GB1479795A; BE847823A

Description

Patentanwälte DIPL₁-I₁NG-ILW₁ICICMANn, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XPR

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

THE ELECTRICITY COUNCIL

50 Millbank, London, SW1P 4RD / England

Verfahren und Einrichtung zur Vergrößerung des Kontaktbereiches in einem flüssigen und/oder gasförmigen Mehrphasensystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Kontaktbereiches in einem flüssigen und/oder gasförmigen Mehrphasensystem. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Viele industrielle Verfahren arbeiten mit einer innigen Durchmischung unvermischbarer Flüssigkeiten oder mit einer Vermischung eines oder mehrerer Gase mit einer Flüssigkeit, Damit das industrielle Verfahren, das in einer chemischen Reaktion oder in der Übertragung von Wärme oder Massen bestehen kann, mit möglichst großer Geschwindigkeit bei solchen Mehrphasensystemen abläuft, soll der Kontaktbereich zwischen den einzelnen Phasen des Systems möglichst groß sein.

Die Vermischung von Flüssigkeiten und/oder Gasen kann durch bekannte Vorrichtungen erfolgen, beispielsweise

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mit einem Scheiben-Auflockerungsapparat oder mit Durchblasringen, die in Verbindung mit üblichen Dispersionssystemen eingesetzt werden können, die z.B. nach dem bekannten Flügelmischerprinzip arbeiten. Zur Vermischung von Flüssigkeiten mit Gasen hat das Mehrphasensystem die Form einer Wolke von Blasen des oder der Gase, die innerhalb des Flüssigkeitskörpers dispergiert sind. Die Blasen steigen allgemein durch den Flüssigkeitskörper nach oben, was auf ihren Auftrieb zurückzuführen ist. Das angestrebte Verfahren läuft während der Aufwärtsbewegung der Gasblasen durch den Behälter ab, in dem die Flüssigkeit angeordnet ist. Zur Vermischung mehrerer unvermischbarer Flüssigkeiten bilden sich Blasen der weniger dichten Flüssigkeiten in den dichtesten Flüssigkeiten und steigen durch diese hindurch aufwärts.

Das Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß eine erste des Systems in einer flüssigen zweiten Phase gemischt wird und daß mindestens eine elektrische Entladung in einem Flüssigkeitsvolumen durchgeführt wird, das in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase steht, wodurch in dieser eine die erste Phase dispergierende Stoßwelle erzeugt wird.

Ist die erste Phase ein Gas oder eine Flüssigkeit leichter als die flüssige zweite Phase und mit dieser unvermischbar, so wird die erste Phase vorteilhaft in Form von Blasen in die zweite flüssige Phase eingebracht, und die Stoßwelle verteilt dann die Blasen der ersten Phase. Durch Dispersion oder Verteilung der Blasen der ersten Phase und durch Verringerung ihrer Größe wird somit der gesamte Oberflächenbereich der ersten Phase und damit der Kontaktbereich zwischen der ersten und der

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flüssigen zweiten Phase vergrößert. Eine elektrische Ausgleichsentladung in einem Flüssigkeitsvolumen erzeugt einen schnell expandierenden Körper ionisierten Dampfes oder Plasmas in der Flüssigkeit und hat die Wirkung, daß in der Flüssigkeit eine Stoßwelle erzeugt wird. Dieser Effekt wird auch als "elektrohydraulischer Effekt" bezeichnet. Wenn das Volumen der Flüssigkeit, in dem die elektrische Ladung auftritt, in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase des Systems steht, so wird die Stoßwelle in die flüssige zweite Phase übertragen und dispergiert oder zerteilt dort die Blasen der ersten Phase. Dadurch wird der Kontaktbereich zwischen den Phasen vergrößert. Wenn die Flüssigkeit der zweiten Phase hierzu geeignet ist, kann die elektrische Entladung direkt in der flüssigen zweiten Phase erfolgen. Eignet sich die flüssige zweite Phase hierzu jedoch nicht, beispielsweise wegen einer zu hohen elektrischen Leitfähigkeit, so wird die elektrische Entladung in einem Wasservolumen oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit erzeugt, die von der flüssigen zweiten Phase über eine akustisch übertragungsfähige Membran getrennt ist. Die akustischen Eigenschaften der Membran sind vorzugsweise denjenigen der Flüssigkeit, in der die Entladung stattfindet, angepaßt, auch können sie denjenigen der Flüssigkeit der zweiten Phase oder einem geeigneten Mittelwert zwischen beiden angepaßt sein, so daß eine optimale Übertragung der Stoßwelle erfolgt. Das Verfahren nach der Erfindung kann kontinuierlich in einem industriellen Verfahren angewendet werden, das mit einem Mehrphasensystem arbeitet. Hierbei wird kontinuierlich die flüssige zweite Phase einem Behälter zugeführt, und eine kontinuierliche Zuführung der ersten Phase wird in die zweite Phase im Behälter eingeführt oder eingeblasen. Eine kontinuierliche Reihe elektrischer Aus-

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gleichsentladungen wird in. dem Flüssigkeitsvolumen durchgeführt, welches in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase im Behälter steht. Das Verfahrensprodukt Wird aus dem Behälter vorzugsweise an seiner Oberseite abgeführt.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine Vorrichtung zur Mischung einer ersten Phase des Systems in einer flüssigen zweiten Phase des Systems sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Entladung in einem Flüssigkeitsvolumen, das in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase steht, wodurch in dieser eine die erste Phase dispergierende Stoßwelle erzeugt wird.

Ist die erste Phase ein Gas oder eine Flüssigkeit, die leichter als die zweite Phase und mit dieser unvermischbar ist, so ist die Mischvorrichtung vorteilhaft dazu geeignet, die erste Phase in die flüssige zweite Phase in Form von Blasen einzubringen. Vorteilhaft ist dabei ein Behälter für die zweite flüssige Phase vorgesehen, in dessen unterem Teil eine Anordnung zur Dispersion der ersten Phase in Form von Blasen innerhalb der flüssigen zweiten Phase sowie eine Anordnung zur Zuführung der ersten Phase in die Dispersionsanordnung vorgesehen ist. Die Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Entladung kann Elektroden umfassen, die in das Flüssigkeitsvolumen eintauchen, sowie einen elektrischen Stromkreis, der mit den Elektroden verbunden ist und einen vorübergehenden Potentialunterschied zwischen den Elektroden erzeugt, der so groß ist, daß ein elektrischer Überschlag zwischen den Elektroden im Flüssigkeitsvolumen erfolgt. Die Elektroden können innerhalb des Behälters in die flüssige zweite Phase eingetaucht sein, wobei

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dann das Flüssigkeitsvolumen ein Volumenelement der flüssigen zweiten Phase enthält. Eignet sich die flüssige zweite Phase jedoch nicht zur Erzeugung einer elektrischen Entladung, so können die Elektroden von dem Innenraum des Behälters über eine akustisch übertragungsfähige Membran getrennt sein, wozu dann eine Vorrichtung zur Zuführung einer für das Eintauchen der Elektroden geeigneten Flüssigkeit vorgesehen ist. Vorzugsweise hat die Membran akustische Eigenschaften, die denjenigen der zum Eintauchen der Elektroden vorgesehenen Flüssigkeit sowie der flüssigen zweiten Phase angepaßt sind, so daß eine optimale Übertragung der Stoßwelle in den Körper der flüssigen zweiten Phase innerhalb des Behälters erfolgt. Geeignete Membranen können aus einem Kautschuk gefertigt sein, wobei das Produkt der Dichte und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit dieses Materials dem Produkt aus den entsprechenden Werten der Flüssigkeiten angepaßt ist, die durch die Membran voneinander getrennt sind. Alternativ kann die Membran auch aus einer 0,1 mm starken Edelstahlfolie gebildet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren gezeigter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Verfahrenskammer, die sich zur Durchführung der Erfindung für ein gasförmig/flüssiges Zweiphasensystem eignet,

Fig. 2 die elektrische Schaltung zur Erzeugung elektrischer Entladungen zwischen den Elektroden innerhalb der in Fig. 1 gezeigten Kammer,

Fig. 3 eine andere Elektrodenausbildung zur Verwendung in der in Fig. 1 gezeigten Kammer,

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Fig. 4 einen Teil einer abgeänderten Form der in Fig. 1 gezeigten Kammer,

Fig. 5 und 6 Teile anderer Elektrodenanordnungen zur Verwendung in der in Fig. 4 gezeigten Kammer und

Fig. 7 eine weitere Elektrodenanordnung zur Verwendung in der in Fig. 1 oder in Fig. 4 gezeigten Kammer.

In Fig. 1 ist eine Kammer 10 zur Durchführung eines Verfahrens dargestellt, das mit einem Mehrphasensystem arbeitet.. Die Kammer 10 hat einen aufrechtstehenden, zylindrischen Behälter 11, der mit einer Deckplatte 12 und einer Bodenplatte 13 versehen ist. Eine Siebplatte 14 ist nahe und parallel zur Bodenplatte 13 angeordnet und verläuft über die Breite des Behälters 11. Ist die Kammer im Betrieb, so füllt die Flüssigkeit 15, die eine der Komponenten des Mehrphasensystems darstellt, den Behälter 11 oberhalb der Siebplatte 14 weitgehend aus. Die Flüssigkeit wird kontinuierlich durch den Behälter 11 zirkuliert und tritt über eine Leitung 16 nahe und oberhalb der Siebplatte 14 ein und über eine Leitung 17 nahe der Oberseite des Behälters 11 wieder aus. Unter der Siebplatte 14 ist ein mit einem Gas 18 gefüllter Raum vorgesehen, der über eine Leitung 19 mit dem Gas gespeist wird. Das Gas 18 stellt eine weitere Phase des Mehrphasensystems dar. Das Gas 18 wird in die Flüssigkeit 15 durch die Öffnungen in der Siebplatte 14 eindiffundiert, wobei in der Flüssigkeit 15 Blasen 21 gebildet werden. Die Blasen 21 steigen durch die Flüssigkeit 15 aufwärts und treten an der Oberfläche 22 der Flüssigkeit nahe der Oberseite des Behälters 11 aus, so daß sie über eine Leitung 23 abgeführt werden können.

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Ein Eintritt 24 ist in der Wand des Behälters 11 vorgesehen und dient zur Aufnahme einer Elektrodenanordnung 25. Die Elektrodenanordnung ist in flüssigkeitsdichtem Sitz im Eintritt 24 vorgesehen, so daß ein Flüssigkeitsaustritt verhindert ist. Die Elektrodenanordnung umfaßt einen Stab 26 aus Isoliermaterial, der durch den Eintritt 24 ragt. Zwei leitfähige Stäbe 27 sind in Bohrungen in Längsrichtung des Stabes 26 angeordnet. Am inneren Ende des Stabes 26 bilden die leitfähigen Stäbe 27 Elektroden 28 und 29. Die Elektrode 28 ist als Ringelektrode ausgebildet und umgibt eine Stangenelektrode, die durch das Ende des anderen leitfähigen Stabes 27 gebildet ist. Die Stäbe 27 ragen aus dem Außenende des Isolierstabes 26 heraus und bilden Anschlußpunkte zur Beschaltung mit einem elektrischen Stromkreis (in Fig. 1 nicht dargestellt), über den eine Entladung zwischen den Elektroden 28 und 29 erzeugt wird. Die Elektroden 28 und 29 sind von der Flüssigkeit 15 im Behälter 11 über eine akustisch übertragungsfähige Membran 30 getrennt, die becherförmig ausgebildet ist und mit ihrer Kante an der Umfangsfläche des Stabes 26 nahe seinem Innenende abdichtend befestigt ist. Ein Kanal 31 ist längs dem Stab 26 vorgesehen und dient zur Zuführung einer geeigneten Arbeitsflüssigkeit, beispielsweise von Wasser, von einer Zuführungsstelle 32 in den Raum 33, der die Elektroden 28 und 29 umgibt und durch die Membran 30 begrenzt ist. Ein weiterer Kanal (in Fig. 1 nicht dargestellt) verläuft längs dem Stab 26 und dient zur Abführung der Flüssigkeit aus dem Raum 33. Eine kontinuierliche Zirkulation von Flüssigkeit im · Raum 33 ist allgemein erforderlich, um ein Sieden der Arbeitsflüssigkeit (im Falle von Wasser und wäßrigen Lösungen) zu verhindern oder um unerwünschte chemische Produkte zu entfernen, die durch die Entladung erzeugt werden.

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Wenn die Flüssigkeit 15, die eine Phase des Mehrphasensystems bildet, zur Erzeugung einer elektrischen Entladung geeignet ist, so ist die Membran 30 nicht erforderlich." Weiter ist zu berücksichtigen, daß elektrische Entladungen direkt in der Flüssigkeit 15 keine Nebenprodukte erzeugen oder Auswirkungen haben sollen, die das in der Kammer 10 durchzuführende Verfahren stören könnten. Eignet sich die Flüssigkeit 15 jedoch nicht für elektrische Entladungen, da sie beispielsweise eine relativ hohe Leitfähigkeit hat, so muß die Membran 30 den Bereich 33 an den Elektroden 28 und 29 bilden, in dem ein Flüssigkeitsvolumen, beispielsweise Wasser, vorgesehen ist, in dem die Entladung stattfindet.

Tritt eine Ausgleichsentladung zwischen den Elektroden 28 und 29 auf, so ergibt sich ein intensives Bersten der Flüssigkeit im Elektrodenbereich, und damit wird ein Körper eines stark ionisierten leitfähigen Gases (Plasma) erzeugt. Die schnelle Expansion dieses leitenden Gases oder Plasmas, die auf die weitere Freisetzung elektrischer Energie aus der Entladung im Gas folgt, führt zu einer oder mehreren Stoßwellen hohen Drucks, die vom Entladungsbereich ausgehen und die umgebende Flüssigkeit durchdringen. Ist die Membran 30 nicht vorhanden, so wird die Stoßwelle durch den Flüssigkeitskörper 15 übertragen, der eine Phase des Mehrphasensystems im Behälter 11 bildet. Trifft die Stoßwelle auf Blasen des Gases 18 in der Flüssigkeit 15, so werden diese Blasen in eine Anzahl kleinerer Blasen zerteilt, wodurch eine Zunahme der Gesamtfläche aller Blasen in der Flüssigkeit 15 erfolgt. Der Kontaktbereich zwischen dem Gas 18 und der Flüssigkeit 15 im Behälter 11 wird somit vergrößert. Ist eine Membran 30 vorhanden, so werden Stoßwellen, die in

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der Flüssigkeit im Bereich der Elektroden innerhalb der Membran 30 erzeugt werden, über die Membran in den Körper der Flüssigkeit 15 geleitet. Die Membran 30 sollte aus einem geeigneten Material bestehen, so daß die Stoßwellen durch sie nicht wesentlich gedämpft werden. Die Membran 30 besteht vorzugsweise aus einem Kautschuk, der so ausgewählt ist, daß das Produkt seiner Dichte und seiner Schallausbreitungsgeschwindigkeit dem Produkt der entsprechenden Größen der Flüssigkeit 15 oder der Flüssigkeit innerhalb der Membran 30, beispielsweise Wasser, oder einem geeigneten Mittelwert zwischen beiden Materialien angepaßt ist. Statt dessen kann die Membran auch aus einer 0,1 mm dicken Edelstahlfolie bestehen, sie eignet sich dann besonders zum Einsatz in chemischen Reaktoren bzw. bei erhöhten Temperaturen.

Das Isolationsmaterial des Stabes 26 ist so ausgewählt, daß es den chemischen Bedingungen innerhalb des Behälters 11 sowie der Zertrümmerungswirkung der Stoßwellen widersteht. Geeignete Stoffe sind Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen oder Polystyrol.

Eine geeignete Schaltung zur Erzeugung einer kontinuierlichen Reihe elektrischer Ausgleichsentladungen an den Elektroden 28 und 29 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kammer 10 ist schematisch mit den darin vorhandenen Elektroden 40 und 41 gezeigt. Diese sind in die Schaltung eingefügt. Die Stromversorgung erfolgt über Leitungen 42, die ein Hochspannungs-Gleichstromversorgungsgerät 43 speisen. Dieses Gerät 43 ist über einen Ladewiderstand 44 an einen Kondensator 45 angeschlossen. In der Praxis kann der Ladewiderstand 44 größtenteils durch den Widerstand der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators innerhalb des Geräts 43 gebildet sein. An einem geeigneten Punkt innerhalb des Ladezyklus, normalerweise bei oder nahe

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der maximalen, am Kondensator 45 auftretenden Spannung, wird ein Hochspannungs-Schnellschalter 46 durch einen Triggerimpulsgenerator 47 betätigt und schaltet den Kondensator 45 an die Elektroden 40, 41 der Kammer 10 an, wodurch eine elektrische Entladung in der Flüssigkeit erzeugt wird, die die Elektroden innerhalb der Kammer umgibt. Das Gleichstromversorgungsgerät 43 liefert im allgemeinen einen ungeglätteten pulsierenden Gleichstrom, der sich aus einer Vollweg- oder Einweggleichrichtung einer speisenden Wechselspannung ergibt. Der Triggerimpulsgenerator 47 wird durch eine Steuereinheit 48 gesteuert, die Triggerimpulse liefert, so daß das Schließen des Schalters 46 mit der Frequenz der speisenden Wechselspannung synchronisiert ist und eine wiederholte elektrische Entladung auftritt. Der Kondensator 45 muß über das Gerät 43 in der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entladungen geladen werden. Ein Sicherheitsschalter 49 wird gleichfalls von der Steuereinheit 48 gesteuert und schaltet einen Notentladewiderstand 50 dem Kondensator

45 parallel, so daß dieser erforderlichenfalls entladen werden kann. Die Parameter des Entladungsstromkreises (d.h. der Widerstand R und die Induktivität L des Entladungsstromweges vom Kondensator 45 über den Schalter

46 zu den Elektroden 40 und 41 sowie die Kapazität C des Kondensators 45 und die Ladespannung) sind so ausgewählt, daß eine Ausgleichsentladung zwischen den Elektroden in der Kammer 10 mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Energieableitung und Dauer entsteht, so daß die geeigneten Stoßwellen in der flüssigen Phase des in der Kammer 10 vorhandenen Systems erzeugt werden. Typische Werte für die Kapazität des Kondensators 45 liegen in der Größenordnung von 1/uF, wobei die Ladespannung ca. 20 kV beträgt.

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Anstelle der Einzelelektrodenanordnung 25 nach Fig. 1 können auch mehrere derartige Anordnungen vorgesehen sein, die entweder parallel an ein einzelnes Entladungsgerät der in Fig. 2 gezeigten Art angeschaltet oder jeweils mit einem besonderen Entladungsgerät verbunden sind. Natürlich können unterschiedliche Elektrodenanordnungen verwendet werden, was vorteilhaft zur Verbesserung des gegenseitigen Kontakts zwischen den einzelnen Phasen im jeweiligen Verfahren sein kann. Beispielsweise können Anordnungen verwendet werden, bei denen das Material der flüssigen Phase parallel zu dem durch das Sieb verlaufenden Weg strömt, über den die andere Phase oder mehrere Phasen eingeblasen werden, im Gegensatz zu einer Strömung rechtwinkelig zu der Platte, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Es kann dann günstig sein, mehrere derartige Siebplatten parallel zueinander sowie eine entsprechende Anzahl Elektrodenanordnungen zu verwenden, die die von jeder der Siebplatten erzeugten Blasen zerteilen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung von Stoßwellen in einer Verfahrenskammer ist in Fig. 3 gezeigt. Die Elektrodenanordnung ist mit 60 bezeichnet und in einer Öffnung 61 einer Wandung 62 der Kammer befestigt, die beispielsweise eine flüssige Phase 63 sowie Blasen 64 enthält. Die Elektrodenanordnung ragt von der Wandung der Kammer nach außen und bildet eine Stoßwellenerzeugungskammer, die durch eine Membran 65 aus akustisch übertragungsfähigem Material abgeteilt ist, wobei dieses Material demjenigen der Membran 30 nach Fig. 1 entsprechen kann. Die Membran 65 ist an ihrem Umfang abdichtend mit den Wandungen der Stoßwellen- ·

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erzeugungskammer durch zwei O-Ringe 66 verbunden. Auf der linken Seite der Membran 65 (Fig. 3) steht die Stoßwellenerzeugungskammer über die Öffnung 61 in Verbindung mit dem Körper der flüssigen Phase 63 mit Blasen 64. Auf der rechten Seite der Membran ist die Kammer mit einer Arbeitsflüssigkeit 67 gefüllt, die über eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung in der Wandung der Kammer zirkuliert. Eine dieser Öffnungen ist in der Figur dargestellt und mit 68 bezeichnet. Die Arbeitsflüssigkeit ist zur Erzeugung elektrischer Entladungen geeignet, eine derartige Flüssigkeit ist beispielsweise Wasser. Zwei aufeinander ausgerichtete, konisch zugespitzte Elektrodenköpfe 69 und 70 sind so vorgesehen, daß sie in die Arbeitsflüssigkeit 67 eintauchen, sie sind mit isolierenden Gewindehalterungen 71 und 72 montiert. Die Halterungen 71 und 72 sind in entsprechende Bohrungen in einander gegenüberliegenden Wandteilen der Elektrodenanordnung 60 eingeschraubt, und die Elektroden haben jeweils stabförmige Anschlußteile 73 und 74, die koaxial auf die Halterungen 71 und 72 außerhalb ausgerichtet sind und zur elektrischen Beschaltung außerhalb der Elektrodenanordnung dienen.

Die in Fig. 3 gezeigte Elektrodenanordnung arbeitet ähnlich wie die in Fig. 1 gezeigte. Die Elektroden 69 und sind in einem Stromkreis der in Fig. 2 gezeigten Art angeordnet und erzeugen elektrische Entladungen in der Arbeit sflüssigkeit 67. Die durch diese Entladungen erzeugten Stoßwellen werden über die akustisch übertragungsfähige Membran 65 in. die flüssige Phase 63 des Mehrphasensystems in der Verfahrenskammer übertragen. Die Stoßwellen zerteilen die Blasen in dem Zweiphasensystem, wodurch der Kontaktbereich zwischen den Phasen vergrößert wird.

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Mehrere Elektrodenanordnungen 60 können in entsprechenden Öffnungen 61 in den Wandungen der Kammer angeordnet sein, um eine vorgegebene Verteilung der Stoßwellenenergie hervorzurufen. Die dargestellte Elektrodenanordnung 60 eignet sich zur Behandlung von Mehrphasensystemen unabhängig davon, ob die flüssige Phase sich zur Erzeugung elektrischer Entladungen eignet oder nicht. Ist die flüssige Phase hierzu geeignet, so kann jedoch die Membran 65 entfallen, und die flüssige Phase bildet auch die Arbeitsflüssigkeit 67.

In Fig. 4 ist eine Kammer 10' dargestellt, die zwei diametral einander gegenüberliegende Öffnungen 24 aufweist, in denen jeweils eine Elektrodenanordnung 75 mit einer Stabelektrode 76 vorgesehen ist, die in einer zentralen Bohrung 77 mit Abstand zu dieser innerhalb einer Befestigungshülse 78 aus Isolierstoff mittels eines Abstandselements 79 gehalten ist. Am Außenende der Befestigungshülse 78 ist ein Flansch 80 vorgesehen, der einstückig mit der Hülse 78 ausgeführt oder in Form einer besonderen Scheibe an dieser befestigt sein kann. Er dient zur Befestigung der Hülse mittels Bolzen, die ihn mit einem Flansch 80 verbinden, der die Öffnung 24 umgibt. Die Verbindung zwischen den Flanschen 80 und 81 ist durch einen O-Ring 82 abgedichtet. Die Elektrode 76 ist mittels einer Überwurfmutter (nicht dargestellt) mit dem äußeren Ende der Befestigungshülse oder mit der separaten Scheibe verbunden.

Ein radialer Kanal 83 im Flansch 80 steht mit der Außenseite der zentralen Bohrung 77 zur Zuführung oder Abführung einer geeigneten Arbeitsflüssigkeit, beispielsweise von Wasser, in Verbindung.

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Eine rohrförmige Membran 84 umgibt die beiden Elektrodenanordnungen und liegt mit ihren freien Enden an den Flanschen 80 an. Die Membran ist mit den Hülsen 78 mittels Klammern 85 und zugeordneten O-Ringen 86 abdichtend verbunden und besteht aus demselben Material wie die bereits beschriebene Membran 30.

Die inneren Enden der Befestigungshülsen 78 sind kegelstumpfförmig ausgebildet und haben einen geringen Abstand nahe oder bei der Achse der Kammer 10^r. Die Stabelektroden 76, die in ihrer Längsrichtung innerhalb der Befestigungshülsen 78 verschiebbar sind, haben einen geeigneten Abstand zueinander, der typisch im Bereich von 2 bis 5 mm liegt, um eine Entladung hervorzurufen, die eine Stoßwelle erzeugt. Der Elektrodenabstand kann automatisch mit einem geeigneten Steuersystem 96 (nicht dargestellt) eingestellt werden, das auf Änderungen der Entladungsparameter, insbesondere des Entladungsstromes, anspricht. Zur Bewegung der Stabelektroden 76 kann das Steuersystem von einem Elektromotor angetriebene Schraubspindeln oder hydraulisch oder pneumatisch arbeitende Schieber oder auch motorgetriebene Rollen umfassen, wobei diese Elemente auf die Enden der Stabelektroden 76 oder auf deren Seiten einwirken. Solche Vorrichtungen sind natürlich im Hinblick auf die den Stabelektroden 76 zugeführte Hochspannung entsprechend isoliert montiert.

Die elektrische Beschaltung der Stabelektroden 76 kann über flexible Litzenbänder oder Kabel erfolgen, die nahe den äußeren Enden an die Stabelektroden angebracht sind, ferner über Schleifkontakte, wozu beispielsweise Graphitoder Graphit/Kupfer-Bürsten vorgesehen sein können.

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Die Flüssigkeit, in der die Entladung stattfinden soll, wird über den Kanal 83 und die Bohrung 77 einer der Elektrodenanordnungen 75 zugeführt und über den entsprechenden Kanal 83 und die entsprechende Bohrung 77 der anderen Elektrodenanordnung 75 abgeführt. Die Strömung kann je nach Erfordernis pulsierend oder gleichförmig sein, und die Strömungsgeschwindigkeit kann abhängig von Änderungen der Entladungsparameter (durch die nicht dargestellte Einrichtung 97) ähnlich wie der Elektrodenabstand entweder zusätzlich oder alternativ gesteuert werden.'

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird die Flüssigkeit über die Bohrung 77 zugeführt (oder abgeführt), die koaxial mit der Befestigungshülse 78 und der Stabelektrode 76 angeordnet ist. Falls erforderlich, müssen die Bohrung 77 und die Stabelektrode 76 nicht koaxial angeordnet sein. Ferner kann eine separate Bohrung in der Befestigungshülse zur Zuführung (oder Abführung) der Flüssigkeit vorgesehen sein. Diese letztere Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt, hierbei wird die Flüssigkeit über eine Längsbohrung 87 zugeführt (oder abgeführt), die gegenüber der Achse der Befestigungshülse 78 seitlich versetzt vorgesehen ist. Am inneren Ende der Elektrodenanordnung läuft die Bohrung 87 in einen kurzen Kanal 88 aus, der an der Kegelstumpfoberfläche des inneren Endes der Befestigungshülse 78 mündet. Die Achse des Kanals 88 verläuft senkrecht zu dieser Fläche.

Fig. 6 zeigt eine Abänderung, bei der das innere Ende der Bohrung 77 in mehrere kurze Kanäle 89 aufgeteilt ist, die an der Kegelstumpffläche der Befestigungshülse 78 münden, im Gegensatz zu der einen koaxialen Öffnung nach Fig. 4. Es ist zu erkennen, daß die Achsen der Kanäle einen kleineren Winkel zur Achse der Befestigungshülse haben als die Achse des Kanals 88 nach Fig. 5.

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ΧΜ

Beim Betrieb wird die Elektrodenanordnung nach Fig. 5 so vorgesehen, daß der Kanal 88 über der Stabelektrode 76 liegt. Durch diese Anordnung können Gas- oder Dampfblasen, die sich am oberen Teil des Arbeitsraumes bilden, der durch die beiden Elektrodenanordnungen und eine sie umgebende rohrförmige Membran 84 eingeschlossen ist, entfernt werden, da eine Gasblase an der Membran bei Auftreten der Stoßbelastung eine Beschädigung hervorrufen kann. Falls erforderlich, können die Elektrodenanordnungen leicht in Längsrichtung der Kammer 10' versetzt sein, um das Sammeln und Entfernen solcher Gas- oder Dampfblasen zu erleichtern.

Die beiden Elektrodenanordnungen einer Vorrichtung nach Fig. 4 müssen nicht identisch ausgebildet sein und sind vorzugsweise so ausgewählt, daß sich die optimalen Bedingungen zur Entfernung der Gas- oder Dampfblasen ergeben. Beispielsweise kann eine Kombination der Anordnung nach Fig. 5 und der Anordnung nach Fig. 6 verwendet werden, ferner ist auch eine Kombination der Anordnung nach Fig. 4 mit der Anordnung nach Fig. 5 oder Fig. möglich.

Fig. 7 zeigt eine weitere Elektrodenanordnung 90, die sich für die in Fig. 1 oder die in Fig. 4 gezeigte Kammer eignet. Im letzteren Falle wird die zweite Öffnung verschlossen, oder es kann eine weitere Elektrodenanordnung vorgesehen sein, die Stoßwellen erzeugt, welche mit denen der ersten Elektrodenanordnung in Phase oder außer Phase auftreten.

Die Elektrodenanordnung 90 umfaßt einen Stab 91 aus Isoliermaterial, der an seinem Außenende geflanscht ist, um eine flüssigkeitsdichte Verbindung mit dem

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Flansch 81 der Kammer 10' (oder dem entsprechenden in Fig. 1 gezeigten Flansch) zu bilden. Zwei Stabelektroden 92 sind in diametral einander gegenüberliegenden Bohrungen angeordnet, die gegenüber der Längsachse des Stabes 91 geneigt sind. Die Bohrungen sind so vorgesehen, daß ein Abstand der vorstehenden Innenenden der Stabelektroden 92 entsteht, der typisch zwischen 2 und 5 mm liegt. Mindestens eine der Stabelektroden 92 ist in ihrer Bohrung bewegbar, um eine Einstellung des Elektrodenabstandes mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zu ermöglichen.

Die Arbeitsflüssigkeit wird über zwei Kanäle 93 zugeführt und abgeführt, die in Längsrichtung des Stabes 91 verlaufen. Die äußeren Enden der Kanäle 93 sind vorzugsweise radial ausgerichtet und münden an der zylindrischen Oberfläche des geflanschten Teils des Stabes 91» wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Falls erwünscht, können die Kanäle 93 auch in Längsrichtung verlaufen und auf der Rückseite des Stabes 91 münden.

Die Kanäle 93 können in einer gemeinsamen Ebene mit den Stabelektroden 92 oder in einer Ebene rechtwinkelig zu derjenigen der Stabelektroden 92 liegen. Bei einer anderen Anordnung können die Kanäle 93 koaxial mit den Elektroden 92 verlaufen, hierbei bilden sie die vorstehend beschriebenen geneigten Bohrungen,und es sind dann geeignete Abstandselemente zur Halterung der Elektroden vorgesehen, so daß die Strömung der Arbeitsflüssigkeit möglich ist.

Eine Membran 94 umgibt das innere Ende der Elektrodenanordnung und ist als dünnes Edelstahlrohr ausgebildet, an dem eine Abschlußplatte 95 verschweißt oder verlötet

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ist. Alternativ kann auch die Membran 30 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung anstelle der Membran Sk vorgesehen sein.

Im Betrieb wird die Elektrodenanordnung so ausgerichtet, daß einer ihrer Kanäle 93 sich innerhalb der Kammer in der obersten Stellung befindet. Die Arbeitsflüssigkeit wird dann über den unteren Kanal 93 zugeführt und über den oberen Kanal 93 abgeführt, so daß eine Entfernung von Gas- und Dampfblasen in bereits beschriebener V/eise möglich ist.

Der Stab 26, die Halterungen 71 und 72, die Befestigungshülse 78 und der Stab 91 können aus Polyäthylen, PoIytetrafluoräthylen oder anderen geeigneten Kunststoffen bestehen.

Bei einer anderen Anwendungsmöglichkeit der Erfindung können unvermischbare Flüssigkeiten, die gemeinsam durch ein Rohr fließen, durch Elektrodenanordnungen in oder an den Rohrwandungen inniger miteinander vermischt werden, auch hierbei werden elektrohydraulisch^ Stoßwellen in der Flüssigkeitsströmung erzeugt.

Bei einer anderen Anwendungsmöglichkeit der Erfindung können Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit oder einer Flüssigkeitsmischung oder in einer Mischung von Flüssigkeiten und Gasen dispergiert werden. Wird ein teilchenförmiger Feststoff mit einer Flüssigkeit vermischt, so neigen die Teilchen zur Klumpenbildung, wodurch Teile der Oberflächen einiger Teilchen von dem Kontakt mit der Flüssigkeit abgeschirmt werden. Die Klumpen können durch Spannungskräfte zusammengehalten werden, und Rühren oder andere normale Arten der mecha-

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nischen Beeinflussung führen manchmal nicht zur Zerteilung der Klumpen und zur Dispersion der Teilchen, um deren gesamte Oberfläche der Flüssigkeit auszusetzen. Wird eine solche Mischung den nach der Erfindung erzeugten Stoßwellen ausgesetzt, so können solche Klumpen erfolgreich zerteilt und die Feststoffteilchen in der Flüssigkeit dispergiert werden. Die Dispersion von Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit kann beispielsweise zur Verbesserung chemischer Reaktionen zwischen dem Feststoff und der Flüssigkeit oder zur Übertragung' von Massen oder Wärme oder zur Einführung vorgegebener physikalischer Eigenschaften in die Mischung, beispielsweise einer Thixotropie oder einer Verfestigung eingesetzt werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Vergrößerung des Kontaktbereiches in einem flüssigen und/oder gasförmigen Mehrphasensystem, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Phase des Systems in einer flüssigen zweiten Phase gemischt wird und daß mindestens eine elektrische Entladung in einem Flüssigkeitsvolumen durchgeführt wird, das in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase steht, wodurch in dieser eine die ers+.e Phase dispergierende Stoßwelle erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer gasförmigen oder flüssigen ersten Phase, die leichter als die flüssige zweite"Phase und mit dieser unvermischbar ist, die Mischung durch Blasenbildung der ersten Phase innerhalb der zweiten flüssigen Phase erfolgt, wobei die Stoßwelle die Blasen der ersten Phase zerteilt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeitsvolumeii für die elektrische Entladung die flüssige zweite Phase verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der flüssigen zweiten Phase getrenntes Flüssigkeitsvolumen für die elektrische Entladung verwendet wird und daß die Stoßwelle über eine akustisch übertragungsfähige Membran auf die flüssige zweite Phase übertragen wird, welche die Flüssigkeit von der flüssigen zweiten Phase trennt.

ORIGiNAL INSPECTED

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran verwendet wird, deren akustische Eigenschaften denjenigen der das Flüssigkeitsvolumen für die elektrische Entladung bildenden Flüssigkeit und denjenigen der flüssigen zweiten Phase angepaßt ist, so daß eine optimale Übertragung der Stoßwelle in die flüssige zweite Phase hinein erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wiederholte elektrische Entladungen in Form einer kontinuierlichen Entladungsreihe erzeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige zv/eite Phase kontinuierlich einem Behälter zugeführt wird, daß die erste Phase kontinuierlich in die zweite Phase innerhalb des Behälters gegebenenfalls in Form von Blasen eingeführt wird und daß das Verfahrensprodukt kontinuierlich aus dem Behälter abgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Entladungen zwischen mit Abstand zueinander angeordneten Elektroden erzeugt werden, die in das Flüssigkeitsvolumen eingetaucht sind und daß ferner ein elektrischer Parameter der elektrischen Entladungen ausgewertet und davon abhängig der Elektrodenabstand automatisch eingestellt wird, so daß der ausgewertete Parameter auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Parameter der

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elektrischen Entladungen ausgewertet und die Zuführungsrate der Flüssigkeit für das Flüssigkeitsvolumen abhängig von der Auswertung automatisch eingestellt wird, so daß der ausgewertete Parameter auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (11, 19, 20) zur Mischung einer ersten Phase (18) des Mehrphasensystems in einer flüssigen zweiten Phase (15, 63) des Mehrphasensystems und durch eine Vorrichtung (28, 29, 40, 41, 69, 70, 76, 92, 93, 42 bis 50) zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Entladung in einem Flüssigkeitsvolumen, das in akustischer Verbindung mit der flüssigen zweiten Phase (15, 63) steht, wodurch eine Stoßwelle in der flüssigen zweiten Phase (15, 63) erzeugt wird, die die erste Phase (18) in ihr dispergiert.
11. Einrichtung nach Anspruch 10 zur Verwendung in einem Mehrphasensystem, bei dem die erste Phase gasförmig oder flüssig und leichter als die flüssige zweite Phase sowie mit dieser unvermischbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (11, 19, 20) zur Vermischung die erste Phase (18) in Form von Blasen in die flüssige zweite Phase (15, 63) einmischt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einmischung der ersten Phase (18) in Form von Blasen einen Behälter (11) für die flüssige zweite Phase, eine Dispersionsvorrichtung (20) im unteren Teil des Behälters (11) zur Dispersion der ersten Phase (18) in Form von Blasen (21,

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64) in der flüssigen zweiten Phase (15, 63) innerhalb des Behälters (11) und eine Vorrichtung (19) zur Zuführung der ersten Phase (18) in die Dispersionsvorrichtung (20) umfaßt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Entladung Elektroden (28, 29, 40, 41, 69, 70, 76, 92, 93) umfaßt, die in das Flüssigkeitsvolumen eingetaucht sind, und daß eine elektrische Schaltung (42 bis 50) mit den Elektro den verbunden ist, die einen vorübergehenden Potential unterschied zwischen den Elektroden erzeugt, der so groß ist, daß ein elektrischer Überschlag zwischen den Elektroden in dem Flüssigkeitsvolumen erfolgt.
14. Einrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in die flüssige zweite Phase innerhalb des Behälters (11) eingetaucht sind und daß das Flüssigkeitsvolumen ein Teil des Volumens der flüssigen zweiten Phase ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 12 und 13,'dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden von dem Innenraum des Behälters (11) durch eine akustisch übertragungsfähige Membran (30, 65, 84, 94) getrennt sind und daß eine Vorrichtung (31, 32, 77, 83, 87 bis 89, 93) zur Zuführung von Flüssigkeit, in die die Elektroden eintauchen, vorgesehen ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (30, 65, 84, 94) aus Kautschuk oder aus einer 0,1 mm dicken Edelstahlfolie besteht.

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17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer elektrischen Entladung wiederholte elektrische Entladungen in Form einer kontinuierlichen Reihe erzeugt.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (97) zur Auswertung eines elektrischen Parameters der elektrischen Entladungen und zur Einstellung der Flüssigkeitsströmung für die Flüssigkeit, in die die Elektroden eintauchen, vorgesehen ist, so daß der ausgewertete Parameter auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (96) zur Auswertung eines elektrischen Parameters der elektrischen Entladungen zwecks Einstellung des Elektrodenabstandes derart vorgesehen ist, daß der ausgewertete Parameter auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

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