DE2909989A1

DE2909989A1 - Emulsionserzeuger

Info

Publication number: DE2909989A1
Application number: DE19792909989
Authority: DE
Inventors: Yves Trouilhet
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1979-03-12
Publication date: 1979-09-27
Also published as: CH620134A5; FR2419755A1; IT7920950A0; GB2016940A; IT1111697B; BE874803A

Description

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PATENTANWÄLTE

ierooörner&,

D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 D-S MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE

BERLIN: DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRN ER

BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE

MÜNCHEN: DIPI INQ. HANS-HEINRICH WEY

DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 12. März 1979

Emulsionserzeuger

(Priorität: Schweiz, Nr. 2749/78 vom 14. März 1978)

11 Seiten Beschreibung mit

1 Patentanspruch

2 Blatt Zeichnungen

MP₁- 27 469/71

809839/0-831

BERLIN: TELEFON (030)8312088 MÜNCHEN: TELEFON (089)225585 KABEL: PROPINDUS · TELEX 01 84O57 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24244-

ORlGlNAL INSPECTED

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C'"-._V.vrv: ί

Es ist bekannt, daß, wenn ein Druckabfall in einer Flüssigkeitsströmung den Wert des Dampfdrucks dieser Flüssigkeit erreicht, er eine Kavitationswirkung erzeugt, die sich durch die Schaffung von Dampfblasen darstellt. Die Implosion dieser Blasen erzeugt bei Erhöhung des Drucks starke Druckwellen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, dieses Phänomen zum Fraktionieren einer Flüssigkeit auszunutzen, die man in Emulsion in einer anderen Flüssigkeit bringen möchte. Dies ist der Fall bei der DB-PS 862 6CX), der FR-PS 2 108 3Ol und der US-PS 3 937 445. Diese drei PS'en beziehen sich auf die Kavxtatxonsbxldung einer Strömung einer Mischung von zu emulgierenden Flüssigkeiten, die darin besteht, den Druck zu vermindern, bis er den Dampfdruck einer dieser Flüssigkeiten erreicht, um Dampfblasen zu schaffen, dann diesen Druck zu erhöhen, um diese Blasen implodieren zu lassen und quer durch die Flüssigkeit starke Druckwellen zu erzeugen. Derartige Apparate erfordern Mittel zum Mischen und Dosieren vor dem Emulgieren und führen zu relativ komplizierten !lösungen, Außerdem setzen diese getrennten Vorgänge von Mischung und Emulgierung relativ lange Leitungen voraus, was zusätzlichen Druckabfall bedeutet. Die zum Emulgieren dieser Mischungen in derartigen Apparaten erforderliche Energie kann daher erheblich über derjenigen liegen, die die Kavxtatxonsbxldung dieser Mischung erfordert. Außerdem ermöglicht eine solche Lösung nicht, einen kompakten Apparat zu verwirklichen.

Die DE-OS 2 220 632 bezieht sich auf einen Apparat zum Bilden einer Emulsion mittels Kavitationsbildung in einer Strömung, bei dem eine der Flüssigkeiten, die emulgiert werden sollen, am Beginn des durch eine Düse gebildeten Kavitationsbereichs

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ORIGINAL INSPECTED

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in die Strömung eingeleitet wird. Diese Einleitung von Flüssigkeit kann nur vor sich gehen, wenn der Druck, der in dem Strömungsbereich herrscht, in den diese Flüssigkeit eingeleitet wird, niedriger ist als der in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter herrschende Druck. Dies setzt voraus, daß entweder die Strömung bei Unterdruck stattfindet oder daß die Quelle der einzuleitenden Flüssigkeit sich unter Überdruck befindet. Zu dem statischen Druck kommt dann die Wirkung des dynamischen Drucks hinzu, der eine Funktion der Ströraungsge,schwindigkeit ist. Die Dosierung der beiden zu emulgierenden Flüssigkeiten ist aus diesem Grunde nur schwer zu verwirklichen.

Durch die AT-PS 329 012 wird schließlich ein Apparat zum Emulgieren vorgeschlagen, bei dem die eine der Flüssigkeiten unter Druck in einen Mischungsbereich durch die Düse hindurch eingeleitet wird, die von einem ringförmigen, eine Verbindung mit der Quelle einer zweiten Flüssigkeit herstellenden Bereich umgeben ist. Diese zweite Flüssigkeit wird in den Mischungsbereich mit Hilfe von dynamischem Unterdruck angesaugt, der mittels der durch die Düse hindurch ausgestoßenen Flüssigkeit geschaffen wird. Diese Düse befindet sich in einem Teil einer Leitung von kegelstumpfartiger, konvergierender Form, auf den ein zylindrischer Abschnitt folgt, der in einen divergierenden, kegelstumpfartigen Teil einmündet. Dieser konvergierende, kegelstumpfartige Teil entspricht einem Bereich, in dem der Druck der Strömung sich senkt, bis er den zylindrischen Abschnitt erreicht, wo der Druck dann dem Kavitationsdruck entspricht, um dann erneut in dem divergierenden, kegelstumpfartigen Teil anzusteigen, wo die Implosion der Dampfblasen stattfindet. Da

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die Energie zum Ansaugen der zu emulgierenden Flüssigkeit und zur Schaffung der Kavitation durch die aus der Düse austretende Flüssigkeit geliefert wird, und da der Strömungsdruck stromabwärts der Düse noch vermindert wird, um ihn auf den Kavitationsdruck zu bringen, bei dem er eine gewisse Zeit gehalten wird, sind die daraus entstehenden Druckverluste erheblich, und die Energie, die geliefert werden muß, um einen solchen Apparat im Betrieb zu halten, ist im Verhältnis zum Ertrag relativ erheblich. Außerdem führt diese Lösung zu einer recht komplizierten Konstruktion.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest teilweise die Nachteile der vorerwähnten Lösungen zu vermeiden, um einen einfachen, kompakten, mit einem guten Wirkungsgrad arbeitenden Apparat zu schaffen, der in der Lage ist, eine Emulsion zu bilden, bei der die Abmessung der Tröpfchen entsprechend der Art der verwendeten Flüssigkeit ein Mikrometer erreichen kann.

Hierzu betrifft die Erfindung einen Emulsionserzeuger für mindestens zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, die quer durch eine Leitung laufen, deren stromaufwärts gelegenes Ende mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle verbunden ist und deren stromabwärts liegendes Ende als Verteileröffnung für die Emulsion mit einem Druck dient, der unter dem der Quelle liegt, wobei diese Leitung zwischen ihren beiden Enden eine Speiseöffnung aufweist, die mit einer Quelle der zweiten Flüssigkeit verbunden ist, und eine Düse, um diese Flüssigkeiten zu beschleunigen und den Druck bis auf den Dampfdruck einer von ihnen zu senken. Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, daß der Abschnitt der Leitung, der zwischen der Düse und ihrer Verteileröffnung liegt, die Form eines Kegelstumpfes

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.6.

hat, dessen seiner kleinen Grundfläche entsprechender Querschnitt mittels einer kreisförmigen Wand in eine Mittelöffnung und eine ringförmige Öffnung geteilt ist, wobei diese Öffnungen an die entsprechenden Quellen der zu emulgierenden Flüssigkeiten angeschlossen sind.

Die Geometrie des Kavitationsraumes gewährleistet einen progressiven Druckanstieg und ermöglicht es, die Kavitation in einem relativ erheblichen Flüssigkeitsvolumen zu schaffen. Infolgedessen wird die Wirkung der Kavitation maximal ausgenutzt. Außerdem wird die Beschleunigung der Strömung mit dem alleinigen Ziel berechnet, ihren Druck auf den Wert des Dampfdruckes einer der Flüssigkeiten der Strömung zu senken, und hat infolgedessen eine relativ geringe Energieabgabe zu Folge. Schließlich ist die Konzentration der Mischung unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit .

Einzelheiten, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes und einer Abwandlung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt dieser Ausführungsform,

Fig. 2 einen Teilschnitt einer Einzelheit der Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 ein erläuterndes Diagramm.

Der in Fig. 1 dargestellte Emulsionsgenerator umfaßt einen zylindrischen Körper 1, in dem ein an seinen beiden Enden offener, kegelstumpfförmiger Raum 2 ausgespart ist, der koaxial zur Längsachse verläuft, und dessen seine kleine Grundfläche

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- sf-

durchquerende Öffnung 4 mit zwei Quellen entsprechender Flüssigkeiten verbunden ist, von denen die eine mit einer koaxial zu dieser Öffnung 4 verlaufenden Düse 3 und die andere mit dem zwischen der Düse 3 und der Öffnung 4 angeordneten ringförmigen Raum verbunden ist.

In dieser Ausführungsform, bei der man eine Emulsion von Öl in Wasser erhalten möchte, ist die Düse 3 über eine von einer Drosselklappe 6 gesteuerte Leitung 5 mit einer unter Druck stehenden Wasserquelle verbunden, die ganz einfach aus dem Stadtwassernetz bestehen kann. Die die Düse 3 umgebende ringförmige Öffnung kann über eine ebenfalls durch eine Drosselklappe 8 gesteuerte Leitung 7 mit einem unter atmosphärischem Druck stehenden Ölreservoir verbunden sein. Der Querschnitt dieser Leitung kann als Funktion der gewünschten ölkonzentration mittels eines Kolbens 9 (Fig. 2) reguliert werden, der einen mit einem feststehenden Vorsprung 11 in Eingriff stehenden schraubenförmigen Führungslauf 10 aufweist. Ein Handgriff 12 dient dazu, diesen Kolben zu drehen, um ihn mehr oder weniger nach vorn in die Leitung 7 eindringen zu lassen. Wenn der Apparat so angeordnet ist, daβ die die große Grundfläche des kegelstumpfförmigen Raumes 2 durchquerende öffnung 13 nach unten gedreht ist, dient ein Rückschlagventil 14 zur Steuerung des Ausgangs dieses Raumes 2 für den Fall des Stillstandesderart, daß dieser Raum stets gefüllt bleibt, um den Apparat nicht leerlaufen zu lassen. Eine andere Lösung bestünde darin, den Apparat so zu drehen, daß die Öffnung 13 des kegelstumpfförmigen Raumes 2 nach oben gerichtet ist.

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Im folgenden soll, bevor zum eigentlichen Betrieb übergegangen wird, der Einfluß der verschiedenen Parameter auf das Verhalten des beschriebenen Apparats geprüft werden. Das Diagramm der Fig.3 veranschaulicht schematisch die Geometrie der Ströraungsleitung des Apparats mit der entsprechenden Druckverteilung.

Der Abschnitt dieser Leitung, dessen Querschnitt am geringsten ist, dient dazu, die Strömung zu beschleunigen, indem ihr Druck bis auf den Dampfdruck der Flüssigkeit, die im vorliegenden Fall Wasser ist, gesenkt wird. R. Pozzorini hat in "Das turbulente Ströraungsfeld in einem langen Kreiskegel-Diffusor", Diss.ETH No. 5646 die für In-Geschwindigkeit-Versetzen der Strömung mit geringem Druckverlust optimale Geometrie untersucht. Wenn beispielsweise cL/d_ = 4 ist, dann ist die Länge des Querschnitts vom Durchmesser d gleich L/d- =2,5.

Der optimale Winkel des kegelstumpfförmigen Raums 2, der nach und nach den Druck der Strömung dem Atmosphär endruck angleichen soll, beträgt nach G. Sovran in "Fluid mechanics of internal flow", Elsevier (1967), 5°. Bei einem gleichen Verhältnis d./dwürde ein kleinerer Winkel die Druckverluste durch Reibung erhöhen, während ein größerer Winkel die Druckverluste infolge Abreißens der Strömung erhöhen würde.

Aufgrund dieser Zahlen kann die Miniraum-Durchflußmenge V ■ zur

^s min

Schaffung des gesuchten Kavitations-Effekts mit Hilfe der Bernouilli¹sehen Gleichung errechnet werden, wobei man die Reibung zwischen den Abschnitten mit den Durchmessern d₂ und d unbeachtet läßt:

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J.

- β~

P₂

und die Kontinuitätsglexchung

woraus V ·_
mm

Dabei entspricht P- dem Dampfdruck von Wasser bei der Betriebstemperatur des Apparats und P- dem Atmosphärendruck,

Bei einem Wasserdampfdruck bei 1O°C P- = 10 N/m , einem

5 2 3 3

Druck P- = lO N/m , einer Dichte V =10 kg/m und Durch-

-3 -3

messern d₂ = 5·1θ ra und d = 30*10 m ergibt sich

^Vmin * ²'⁸ 10 m /s

In der beschriebenen Ausführungsform kommt das unter Druck stehende Wasser durch die Düse 3 an, während das Öl durch den auf die Einspritzung des Wasser durch die Düse 3 hindurch folgenden Unterdruck angezogen wird, wodurch-die Düse einen Pumpeffekt für dieses Öl erzeugt, das durch die ringförmige Öffnung 4 austritt. Diese koaxiale Anordnung der Öffnung 4 in bezug auf die Düse 3 ist vorteilhaft, weil der in dieser Öffnung 4 erzeugte Unterdruck eine Funktion der Durchflußmenge des Wasser durch die Düse 3 ist, so daß die Konzentration des Öls unabhängig vom Wasserdruck stromaufwärts der Düse ist.

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Da die maximale Konzentration des Öls in dem beschriebenen Beispiel auf 20% festgesetzt ist, ist es vorteilhaft, den Zulauf des Wasser in der Mitte und den des Öls außen stattfinden zu lassen, da die Kontaktfläche zwischen dem öl und dem Wasser dann größer ist. Noch ein weiterer Faktor spricht für diese Wahl: Wenn zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten in einem Rohr fließen, kann man beobachten, daß die weniger viskose dazu neigt, sich gegen die Rohrwand zu halten, was in diesem Fall die Mischung vereinfacht. Dieses Phänomen kann auch noch unterstützt werden, indem man dem Wasser stromaufwärts der Düse 3 eine Wirbelbewegung verleiht, die dazu führt, daß das Wasser unter der Wirkung der Zentrifugalkraft gegen die Wände geworfen wird.

Unter der Wirkung der in dem kegelstumpfförmigen Raum 2 geschaffenenKavitation bilden sich im Wasser Dampfblasen. Beim Ansteigen des Drucks implodieren diese Blasen und verursachen erhebliche Druckwellen, die die Öltröpfchen durchschlagen. Der Mechanismus ist folgender: Für einen Druckgradienten dp/dx beträgt die Kraft, die die Neigung hat,,eine halbe Tröpfchenkalotte platzen zu lassen

4 dx

wobei d der Durchmesser des Tröpfchens ist. Das ist eine Kraft, der sich die Grenzschichtspannung T d -r entgegensetzt. Man erhält dann den maximalen Durchmesser der diesem Druckabfall unter worfenen Tröpfchen durch die Formel

- 10 -

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Es ist festzustellen, daß nach dieser Formel die Dicke der der Kavitation unterworfenen Tröpfchen wesentlich von der Grenzschichtspannung abhängig ist. Diese verringert sich mit der zeit entsprechend der Ausbreitung des in dem Öl vorhandenen Surfactant-Agens auf der Grenzfläche. Infolgedessen ist es erforderlich, daß ein bestimmtes Volumen der Kavitation unterworfen wird, damit die Zeit des Verbleibens der Flüssigkeiten in diesem Bereich gemeinsam mit der Wirkung der Druckwellen nicht zu kurz ist. Der kegelstumpfförmige Raum 2, dessen Winkel an der Spitze etwa 5° beträgt, gibt eine Verweilzeit der Emulsion zwischen 0,5 und einer Sekunde. Obgleich diese Dauer relativ kurz ist, kann man in Betracht ziehen, daß die mit dem Öl, das besonders schwer in Emulsion gebracht werden kann, erhaltenen Ergebnisse insgesamt zufriedenstellend sind, da die erhaltenen Tröpfchen in diesem Fall die Größenordnung zwischen 25 Aim bei lo C aufweisen bei einem Wasser-

druck stromaufwärts von 2 kg/cm . Im Vergleich dazu konnte durch eine unte.r gleichen Bedingungen arbeitende Emulgiermaschine, die jedoch Scherwirkung verwandte, die Größe der Tröpfchen nicht unter 70 Aim verkleinert werden. Bei Ölen mit einem noch höheren Gehalt an grenzflächenaktiven Stoffen konnte die Größe der Tröpfchen bis auf 1 ,um verringert werden.

Diese Werte zeigen, daß, wenn der Apparat eine Emulsion in Wasser erzeugen soll, das Stadtwassernetz eine völlig geeignete, unter Druck stehende Flüssigkeitsquelle darstellt, so daß der Apparat ohne jede andere Zufuhr von Energie arbeiten kann.

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In einer Abwandlung kann man vorsehen, in die Leitung 5 unmittelbar stromaufwärts der Düse 3 einen Wirbelerzeuger anzuordnen, der aus einem schraubenartig verwundenen Blech 15 besteht, das dem in die Düse 3 eintretenden Wasser eine wirbelnde Bewegung verleihen soll. Dank dieser Bewegung wird das aus der Düse austretende Wasser unter Zentrifugalkraftwirkung gegen die Wand des kegelstumpfförmigen Raumes 2 geworfen, wodurch die Mischung mit dem Öl verbessert wird. Dieser Wirbelerzeuger ermöglicht außerdem, das Rückschlagventil 14 wegzulassen. Tatsächlich lässt das Zentrifugieren des aus der Düse austretenden Wasserstrahls den Apparat automatisch wieder anlaufen, ohne daß es erforderlich wäre, den kegelstumpfförmigen Raum 2 mit Emulsion gefüllt zu halten.

Gewisse Vorteile des beschriebenen Emulsionserzeugeis sind bereits im Verlauf der vorhergehenden Beschreibung erläutert worden. Es muß aber besonderer Nachdruck darauf gelegt werden, wie einfach der Apparat ist, auf die Tatsache, daß er die Kavitation durch die alleinige Geschwindigkeitsveränderung der Strömung erzeugt, und daß aus diesem Grunde kein bewegliches Teil den Emulsionserzeugungsprozess störend beeinflußt. Im Gegensatz zu anderen Emulgiermaschinen, die die Beschleunigung der Strömung ausnutzen, ist der Druckverlust aufgrund dieser Beschleunigung gering, so daß der erforderliche Druck stromauf-

2 wärts des Emulgierbereichs relativ gering zwischen 2 und 6 kg/cm liegt. Die durchgeführten Versuche haben selbst mit schwer zu emulgierenden Flüssigkeiten die ausgezeichneten Leistungen der Emulgiermaschine entsprechend der Erfindung gezeigt.

Die Verwendung dieses Apparates erstreckt sich selbstverständlich auf alle Anwendungen, bei denen man eine Emulsion erzeugen will.

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Leerseite

Claims

2900383

Pate η ta η s ρ r u c h

Einulsionserzeuger für mindestens zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, die quer durch eine Leitung laufen, deren stromaufwärts liegendes Ende mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle verbunden ist und deren stromabwärts liegendes Ende als Verteileröffnung für die Emulsion mit einem Druck dient, der unter dem der Quelle liegt, wobei diese Leitung zwischen ihren beiden Enden eine Speiseöffnung aufweist, die mit einer Quelle der zweiten Flüssigkeit verbunden ist, und eine Düse, um diese Flüssigkeiten zu beschleunigen und den Druck bis auf den Dampfdruck einer von ihnen zu senken, dadurch gekennze i ebnet, daß der Abschnitt der Leitung (2), der zwischen der Düse (3) und ihrer Verteileröffnung (13) liegt, die Form eines Kegelstumpfs hat, dessen seiner kleinen Grundfläche (4) entsprechender Querschnitt mittels einer kreisförmigen Wand in eine Mittelöffnung und eine ringförmige Öffnung geteilt ist, wobei diese Öffnungen an die entsprechenden Quellen (5,7) der zu emulgier enden Flüssigkeiten angeschlossen sind.

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ORIGINAL INSPECTED