DE3126854C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger Teilchen aus spontan reagierenden flüssigen Komponenten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger Teilchen aus spontan reagierenden flüssigen Komponenten

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Abstract

Zur Herstellung kugelförmiger Teilchen mit Durchmessern zwischen 50 und 2500 μm und engem Kornspektrum aus zwei flüssigen Komponenten mit spontan miteinander reagierenden Substanzen werden die Komponenten, denen durch Vibration eine phasen- und frequenzgleiche Schwingung aufgeprägt ist, getrennten Düsen zugeführt, die so ausgerichtet sind, daß sich die beiden Tröpfchenstrahlen unter einem Winkel von 10 bis 120 ° treffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μπι und einem engen Kornspektrum aus zwei flüssigen Komponenten, die aus solchen Lösungen, Dispersionen, Emulsionen oder Schmelzen bestehen, welche innerhalb kurzer Zeit nach Vermischung miteinander unter Verfestigung reagieren, durch Ausfüeßenlassen der durch Vibration in Schwingung versetzten flüssigen Komponenten aus zwei voneinander beabstandeten Düsen in Form von Tröpfchenstrahlen und Verfestigung der Tröpfchenstrahlen zu den kugelförmigen Teilchen auf einer Fallstrecke, wobei die Komponenten jeweils einer gesonderten Düse zugeführt werden.
Kugelförmige Teilchen im Größenbereich zwischen und 2500 μΐη werden auf verschiedenen Gebieten benötigt und verwendet. Die Einhaltung eines engen Kornspektrums und einer gleichmäßigen Rundheit ergibt Partikel mit einheitlichen Oberflächen und Volumina was zu exakt einstellbaren und berechenbaren Produkteigenschaften führt. Weitere Vorteile sind die Staubfreiheit und gute Rieselfähigkeit solcher Produkte. Aufgrund dieser Eigenschaften ist man in verschiedenen Anwendungsgebieten bestrebt, Produkte in der Form kleiner, gleich großer Kügelchen herzustellen. So ist es bekannt, kugelförmige Teilchen mit Durchmessern bis μπι für die Nukleartechnik aus einer Uranylnitratlösung. die mit Hexamethylentetramin versetzt wird, herzustellen (DE-AS 19 60 289). Aus reaktorphysikalischen Gründen ist dabei ein sehr enges Kornspektrum und eine exakte Kugelform notwendig.
In der deutschen Auslegeschrift 27 25 924 wird ein Verfahren zur Herstellung von kleinen, kugelförmigen Teilchen aus schmelzbaren Substanzen mit darin enthaltenden Wirkstoffen für die Pharmaindustrie beschrieben. Die entsprechende Vorrichtung ist in der DE-AS 27 25 849 enthalten.
Für diese Anwendungsgebiete ist ein gleichmf Qiges
ίο Kornspektrum zur Steuerung der Wirkstoffabgabe bei der Anwendung erforderlich.
Bei der Herstellung von Isolier-Fensterglasscheiben werden kleine, kugelförmige Teilchen aus Silicagel in den Rahmen eingearbeitet, die zwischen den Scheiben befindliches Kondenswasser absorbieren sollen. Hier wird zur Berechenbarkeit des Absorptionsvermögens und aus Gründen des zur Verfügung stehenden Raumes ein kleines, gleichmäßiges kugelförmiges Produkt benötigt
Bei allen Anwendungsgebieten von kugelförmigen Teilchen mit engem Kornspektrum kommen solche vor, die aus unter Normalbedingungen spontan miteinander reagierenden Komponenten hergestellt werden müssen.
Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Teilchen aus innerhalb kurzer Zeit nach Vermischen miteinander reagierenden Komponenten sind für diesen Anwendungsbereich weniger geeignet. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, eine wäßrige Lösung aus Uranylnitrat, Harnstoff und Hexmathylentetramin (HMTA) so anzusetzen, daß sie bei Temperaturen unterhalb 10"C über eine gewisse Zeit stabil ist, bei Temperaturen oberhalb 10° C jedoch rasch durch Freisetzen von NH3 aus einer thermischen Zersetzungsreaklions des HMTA und Ausfällung von »Ammoniumdiuranat« (ADU) aus der Reaktion des Uranylnitrats mit diesem Ammoniak geliert (DE-AS 19 60 289). Zur Herstellung gleichmäßiger runder Teilchen wird die sorgfältig gekühlte Lösung unter Aufbringung einer Schwingung so aus einer Düse gepreßt, daß der Gießstrahl in uniforme Tropfen aufreißt, weiche dann in ein heißes Ölbad fallen und sich dort durch die beschriebene Reaktion, auch interne Geiierung genannt, verfestigen. Zur Vermeidung von Verstopfungen an der Düse sind auch an dieser Maßnahmen zur Kühlung zu treffen. Prinzipiell muß man hier also eine Mischung zweier miteinander spontan reagierender Reaktionspartner zunächst mit aufwendigen Maßnahmen an einer Reaktion hindern, um sie dann, nicht weniger aufwendig, zu dieser Reaktion zu zwingen. Die frisch hergestellten Kerne müssen mit einem organischen Lösungsmittel ölfrei gewaschen werden, weiterer organisch-chemischer Abfall fällt im Destillationssumpf aus der Aufbereitung des Wärmeträgers an. Ein zusätzlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Gießlösung erst bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von befriedigender Stabilität ist.
Ebenfalls mit der oben beschriebenen Methode der inneren Gelierung arbeiten die in den DE-AS 20 63 720 und 18 17 092 beschriebenen Verfahren zur Herstellung von UO2, ThÜ2 oder U/ThC^- Kügelchen und weisen dementsprechend die gleichen Nachteile bezüglich organisch-chemischem Abfall und Standzeit der Gießlösung auf. Das gleiche gilt für das Verfahren nach der DE-PS 26 01 684.
In der deutschen Patentschrift 9 21 564 ist ein Verfahren beschrieben, nach dem langsam reagierende Sole mit einer schnell fällbaren Substanz umhüllt und durch eine Fällungsreaktion der Umhüllung verfestigt werden.
Die Umhüllung erfolgt hierbei mittels konzentrisch angeordneter Düsen. Neben den beispielsweise benutzten Alkalialginaten wird noch ein Ölfilm zur Trennung der Soltröpfchen von der Alginatschicht eingesetzt Sowohl Ölfilm als auch Alginathülle müssen nach langsamer Verfestigung der Solkügelchen durch Abbrennen entfernt werden. Auch bei diesem Verfahren muß das Sol eine genügend langsame Reaktionsgeschwindigkeit zur Gelierung haben, um Verstopfungen in oder vor der Düse zu vermeiden. Zusätzlich entstehende Abfallstoffe aus den Umhüllungsschichten sind ein weiterer Nachteil.
Es ist auch bekannt, zur Herstellung von Silicagel-Kugelchen eine Lösung von Wasserglas mit verdünnter Schwefelsäure durch einen Daniell'schen Hahn zu mischen und in turbulc'em Strahl in ein Ölbad vergießen, wobei die Konzentrationsverhältnisse so gewählt sind, daß eine Erstarrung zum Gel erst nach etwa drei Sekunden erfolgt, so daß eine Verstopfung des Hahns vermieden wird. Nach diesem Verfahren hergestellte Kügelchen liegen jedoch in einem Durchmesserspektrum von unterhalb einem Millimeter bis zu mehr als eicem Zentimeter vor.
In der DE-OS 30 35 331 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahles beschrieben, mit der Schmelzen oder Lösungen durch Ausfließenlassen aus einer Düse durch Einwirkung einer Vibration in gleichförmige Tröpfchen aufgeteilt werden.
Gemeinsame Kennzeichen und Nachteile der beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bestehen darin, bei der Herstellung von einheitlich großen, runden Teilchen aus innerhalb kurzer Zeit miteinander reagierenden, in der Ausgangslösung gelösten oder suspendierten Komponenten die physikalischen und chemischen Parameter des Verfahrens so abstimmen zu müssen, daß eine Reaktion, Erstarrung oder Gelierung einer an sich schon reaktiven Lösung innerhalb der Gießanlage verhindert wird. Als Folge dieser Reaktionshemmung vor der Düse müssen in der Gelierzone, also der Tropfenfall:""·' recke nach der Düse, entweder eine längere Reaktionszeit und damit eine hohe Fallstrecke oder aber zusätzliche Verfahrensschritte z. B. zur Beschleunigung der Gelierungsreaktion in Kauf genommen werden. Dies führt in allen Fällen zu umständlichen Verfahren mit zusätzlichen Abfallproblemen.
Es war daher Aufgabe der vorlegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μπι und einem engen Kornspektrum aus zwei flüssigen Komponenten zu finden, die aus solchen Lösungen, Dispersionen, Emulsionen oder Schmelzen bestehen, welche innerhalb kurzer Zeit nach Vermischung miteinander unter Verfestigung reagieren, durch Ausfließenlassen der durch Vibration und Schwingung versetzten flüssigen Komponenten aus zwei voneinander beabstandeten Düsen in Form von Tröpfchenstrahlen und Verfestigung der Tropfenstrahlen zu den kugelförmigen Teilchen auf einer Fallstrecke, ohne daß es zu Verstopfungen in den Düsen kommt, zusätzlicher Abfall entsteht oder Maßnahmen zur Reaktionsverzögerung getroffen werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den Düsen durch die Vibration eine phasen- und frequenzgleiche Schwingung aufgeprägt wird, und die Düsen so ausgerichtet sind, daß sich die beiden Tröpfchenstrahlen unter einem Winkel von 10 bis 120° treffen. Die Düsen sind dabei vorzugsweise horizontal gegeneinander so angeordnet, daß die Verbindungslinie zwischen ihnen die Basis und die Verlängerungen der schräg nach unten weisenden Düsenlängsachsen die Schenkel eines von dem Schnittpunkt der Düsenlängsachsen und den Düsen selbst markierten gleichschenkligen Dreiecks bilden.
Die flüssigen Komponenten werden unter Aufbringung einer völlig identischen Vibration in phasengleiche Schwingungen versetzt, wodurch sie als seitenverkehrt gleiche Tröpfchenstrahlen aus den Düsen austreten.
Diese Gießstrahlen treffen im oder kurz unterhalb des Schnittpunktes der verlängerten Düsenlängsachser. unter Vereinigung und Vermischung von je einem Tröpfchen aus jedem der beiden Strahlen zu einem größeren Tröpfchen aufeinander und werden so als ein einzelner Tropfenstrahl in einer sich anschließenden Fallstrecke durch die chemische Reaktion der jetzt vereingten Komponenten oder duich Erstarren der Trägersubstanz zu separaten, gleichgroßen kugelförmigen Teilchen verfestigt. Die chemischen und physikalischen Parameter des Verfahrens können dabei so gewählt werden, daß die Gliederungs-, Fällung·- oder Erstarrungsreaktion möglichst schnell und innerhalb einer kurzen Fallzeit und Fallstrecke erfolgt, ohne dadurch eine Verstopfungsgefahr an den Düsen hervorzurufen.
Zur Herstellung der Teilchen werden zunächst zwei Gießlöiungen zweckmäßigerweise in dem gleichen Lösungsmittel oder in dem gleichen Trägermaterial hergestellt, von denen jede eine der reaktiven Komponenten enthält Als Komponenten kommen alle Stoffe in Frage, die bei Vermischung innerhalb kurzer Zeh miteinander unter Gelierung, Ausfällung oder chemischer Veränderung reagieren. Neben den gebräuchlichen anorganischen und organischen Lösungsmitteln kommen als Trägermaterial vor allem auch geschmolzene wachs- oder fettartige Substanzen in Frage. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sich die beiden Tröpfchenstrahlen unter einem Winkel von 40 bis 70° treffen.
Dieses Verfahren wird vorteilhafierweise mit einer Vorrichtung durchgeführt, deren einzelne Komponenten beispielsweise in der DE-AS 27 25 849 und in der DF-OS 30 35 331 beschrieben sind. Sie besteht aus zwei voneinander beabstandeten Düsen mit Düsenhalterungen. Zuführungen für die beiden flüssigen Komponenten und einem Vibratorsystem, wobei die beiden Düsen so ausgerichtet sind, daß die Düsenachsen einen Winkel von 10 bis 120° bilden. Außerdem wird durch das Vibratorsystem den flüssigen Komponenten eine phasen- und frequenzgleiche Schwingung aufgeprägt.
Die Abbildung zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung.
Die beiden je eine der reaktiven Komponenten enthaltenden Gießlösungen werden im folgenden mit .4 und B bezeichnet. Die Lösungen A und B werden jev,eils in einem thermostatisierten, mit einer der beiden Düsen verbundenen Vorratsbehälter auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Die Thermostatisierung ermöglicht einerseits die Einstellung der Viskosität der Gießlösung auf den gewünschten Bereich von weniger als 6OcP, vorzugsweise 10—3OcP, andererseits aber auch die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit der Komponenten der Lösung A und Lösung B miteinander nach der Vermischung. Weiterhin kann durch die Thermostatisierung eine Schmelze auf Temperaturen oberhalb des Erstarrungspunktes gehalten werden.
Sinnvollerweise \ ird daher die gesamte Anlage bis einschließlich zur Düse analog thermostatisiert. Die Lösungen A und B werden aus den Vorratsbehältern mit einem auf diese beaufschlagten Gasdruck getrennt
durch die beiden Düsen (1,2) ausgepreßt. Vorzugsweise werden dazu Drücke zwischen 0,1 und 5 bar Überdruck angewendet. Die genauen Durchflußmengen werden mit je einem Regelventil zwischen Voratsbehälter und Düse eingestellt.
Den aus den Düsen (1,2) austretenden Strahlen wird mit einem Vibrator (3) eine konstante harmonische Schwingung von mindestens 50 Hz aufgeprägt, die die Strahlen in die gleiche Zahl von Tropfen pro Sekunde aufreißt. Die Größe der sich bildenden Teilchen hangt ab von der Frequenz und der gewählten Volumengeschwindigkeit der ausfließenden Lösungen. Die Düsendurchmesser, aus dem sich die Strahlendurchmesser ergeben, müssen an die geforderten Teilchengrößen angepaßt sein, um eine gute Tropfenbildung zu erreichen. Dabei kann für Lösung A eine andere Tropfengröße und damit eine andere Volumengeschwindigkeit und Düsengröße eingestellt werden, als für Lösung B. Dies wird immer dann der FaM sein, wenn das Veriiitiinis uci Reaktionsvolumina bzw. der Lösungsvolumina von A und B von Eins verschieden ist. Dagegen ist die Frequenz der beiden Gießstrahlen stets absolut synchron zu halten. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß beide Gießstrahlen von demselben Vibrationssystem angeregt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Gießstrahlen von Lösung A und B jeweils mit einem eigenen Vibrationssystem anzuregen, beide Systeme jedoch mit demselben Verstärkungssignal zu versorgen, indem sie parallel an denselben Frequenzgenerator angeschlossen werden.
Wenn die beiden Düsen (1, 2) horizontal nebeneinander mit schräg nach unten weisenden Düsenöffnungen so angeordnet werden, daß sich die Verlängerung der Düsenlängsachsen in einem Winkel zwischen 10° und 120° schneiden, so treffen sich die aus ihnen austretenden Tröpfchenstrahlen der Gießlösungen A und B im oder kurz unterhalb des AchssiiscHrsitt^unkts. LJbsrraschenderweise trifft an diesem Punkt immer ein Tröpfchen der Lösung A ein Tröpfchen der Lösung B. Beide Tröpfchen vermischen sich in Bruchteilen von Sekunden zu einem Tropfen, dessen Volumen der Summe der Volumina der ihn bildenden Tröpfchen entspricht. So entsteht aus den zwei V-förmig aufeinander treffenden Gießlösungsstrahlen A und Bein Produktstrahl, der mit synchroner Frequenz vom Vereinigungspunkt der Gießstrahlen senkrecht nach unten fällt. Vorteilhafterweise beträgt der Abstand ^zwischen den beiden Düsen (1,2) 10 bis 100 mm.
Überraschenderweise zeigt sich bei diesem Verfahren, daß die Durchmischung jeweils der zwei aufeinander treffenden Tröpfchen so intensiv ist, daß auch bei kürzesten Reaktionszeiten eine gute Homogenisierung des Produkts erreicht wird.
Zur Vergrößerung des Durchsatzes können mehrere Düsenpaare parallel geschaltet werden. Dabei können die Düsen für die Komponenten A und B jeweils aus einem gemeinschaftlichen Vorratsbehälter versorgt werden. Für eine sehr exakte Dosierung wird dann jedoch vorzugsweise der Durchfluß an jeder Düse mit einem separaten Ventil geregelt
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine Vergrößerung des Durchsatzes durch Anwendung hoher Frequenzen und entsprechend hoher Volumengeschwindigkeit erreichen. Teilchen von 1200 μπ*. und größerem Durchmesser werden vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 100 und 400 Hz hergestellt. Teilchen unterhalb 500 μπι mit Frequenzen zwischen 1000 und 2000 Hz. Beispielsweise kann mit einer Frequenz von.
200 H/. bei Teilchendurchmessern bei A und B von jeweils 1000 Jim ein resultierender Produktdurchmesser von 1260 um eingestellt werden, was einem Durchsatz von etwa 0,75 l/h entspricht.
Anhand der folgenden Beispiele wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Beispiel 1
Die Lösung A bestand aus Kaliumwasserglas von etwa 28° —30° Beaume, die Lösung B aus etwa 10%iger Schwefelsäure. Bei diesen Konzentrationsverhältnissen wird sofort nach der Vermischung eine Gelierung beobachtet. Mittels Preßluft wurden die beiden Gießlösungen getrennt aus den Vorratsbehältern durch Schlauchleitungen zu den Düsen transportiert. Diese waren in einem Winkel von 55° gegeneinander gerichtet und hatici'i einen Abstand voneinander von 20 ίητη. Kürz vor den Düsen wurden die Gießlösungen A und B mit einem elektromagnetischen Vibrationssystem in synchrone Schwingungen von 400 Hz versetzt, so daß die austretenden Strahlen in 400 Tropfen pro Sekunde zerteilt wurden. Etwa 15 mm unterhalb der horizontalen Verbindungslinie zwischen den Düsen vereinigten sich die schräg nach unten laufenden Gießstrahlen zu einem vertikal fallenden Produktstrahl. Während des Fallens erstarrten :„;»; Produkt-Tropfen bei Raumtemperatur in einer 1,5 m langen Luftstrecke und wurden als kugelförmige Gelteilchen in einem Behälter gesammelt. Bei einem Teilchendurchmesser der Lösungen A und B von je 800 μπι resultierte ein Silicagelküyelchen mit einem Durchmesser von etwa 1010 μπι. Der Durchsatz betrug dabei 0,77 l/h.
Eine Überprüfung der Teilchen ergab einen mittleren Durchmesser von 1007 μπι bei Abweichungen von maximal 80 μηι.
Beispiel 2
Die Lösung A bestand aus einer wäßrigen Uranylnitratlösung mit 500 g U/l und 250 g Harnstoff/1, Lösung B aus einer wäßrigen Lösung von Hexamethylentetramin (HMTA) mit einer HMTA -Konzentration von 375 g/l. Mittels Preßluft wurden die beiden Gießlösungen durch Schlauchleitungen zu den Düsen transportiert. Die Düsen waren in einem Winkel von 60° gegeneinander gerichtet und hatten einen Abstand von 25 mm. Kurz vor den Düsen wurde den Lösungen eine synchrone Schwingung von 100 Hz aufgeprägt Lösung A wurde mit einem Durchfluß von 7,58 ml/min und Lösung B mit 13,82 ml/min vergossen. Dadurch entstehen Tropfen mit einem Durchmesser von A = 134 mm und B = 1,64 mm, die sich etwa 18 mm unterhalb der Düsenhorizontalen zu einer Kette von sich rasch durch Gelierung verfestigenden »ADU-«Kügelchen vereinigen. Die Gelkügelchen fielen direkt in eine wäßrige ammoniakalische Waschlösung. Nach dem Waschen wurden die Gelkugeln getrocknet und unter Wasserstoff bis 1650° C reduziert und gesintert
Mit einer Ausbeute von 92% wurden hochdichte keramische Kerne aus UO2 mit einem mittleren Durchmesser von 502 μπι erhalten. Die Standardabweichung !ag bei !3,2 μηη. 99% der so hergestellten Kerne hatten ein kleineres purchmesserverhäitnis (d^x/dmin) als 1, 2, waren also sehr rund.
Beispiel 3
Die Lösung A bestand aus einer wäßrigen Lösung mit 427 g U/l (900 g UGi · (NOj)2 · 6 H2O, 200 g Resorcin/I und 50 g Ethylcnglykol/I. Die Lösung B bestand aus einer 40%igen Formaldehydlösung. Als verfestigende Reaktion wurde hierbei die Polykondensation zwischen Resorcin und Formaldehyd benutzt. Lösung A wurde auf 80°C tnermostatisiert. Die beiden Lösungen wurden wie in Beispiel 2 verarbeitet. In einer Luft-Fallstrecke von etwa 2 m Länge härteten die Teilchen durch. Sie wurden unter Luft bis 3000C getrocknet, wobei auch der Binder verkokt, und anschließend unter Wasserstoff bis I65O°C reduziert und gesintert. Mit etwa 90%iger Ausbeute wurden UO2-Kerne mit einem mittleren Durchmesser von 298 μπι bei einer Standardabweichung von 19,5 μπι erhalten.
rlici/u i Bläii Zeichnungen
25
30
35
40
45
50
55
60
65

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μπι und einem engen Kornspektrum aus zwei flüssigen Komponenten, die aus solchen Lösungen, Dispersionen, Emulsionen oder Schmelzen bestehen, welche innerhalb kurzer Zeit nach Vermischung miteinander unter Verfestigung reagieren, durch Ausfließenlassen der durch Vibration in Schwingung versetzten flüssigen Komponenten aus zwei voneinander beabstandeten Düsen in Form von Tröpfchenstrahlen und Verfestigung der Tröpfchenstrahlen zu den kugelförmigen Teilchen auf einer Fallstrecke, wobei die Komponenten jeweils einer gesonderten Düse zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß den Düsen durch die Vibration eine phasen- und frequenzgleiche Schwingung aufgeprägt wird, urwi die Düsen so ausgerichtet sind, daß sich die beide.-: Tröpfchenstrahlen unter einem Winkel (λ) von 10 bis 120° treffen.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus zwei voneinander beabstandeten Düsen mit Düsenhalterungen, Zuführungen für die beiden flüssigen Komponenten und einem Vibratorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Düsen (1,2) so ausgerichtet sind, daß die Düsenachsen einen Winkel (λ) von 10 bis 120° bilden, und durch das Vibratorsystem (3) den flüssigen Komponenten eine phasen- und frequenzgleiche Schwingung auiprägbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den beiden Düsen (1,2) 10 bis 100 mm beträgt
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