DE4103264C2

DE4103264C2 - Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE4103264C2
Application number: DE19914103264
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Kohlmann; Klemens Breitenfeldt; Sabine Dipl Ing Ernst; Gerhard Dipl Ing Kamenz; Matthias Dipl Ing Rohkohl
Original assignee: Buna 06258 Schkopau De GmbH; BUNA GmbH
Current assignee: EVC Technology AG
Priority date: 1990-02-12
Filing date: 1991-02-04
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2011-02-05
Also published as: DE4103264A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit in ein Spray mit engem Tropfenspektrum mit Hilfe einer Zweistoffdüse. Das Verfahren ist vorzugsweise dort anzuwenden, wo im technologischen Prozeß ein enges Spektrum der Tropfengrößenverteilung des Sprays erforder lich ist. Dies betrifft insbesondere die Zerstäubung von Flüssigkeiten bzw. Suspensionen bei der Sprühtrocknung, bei der Sprühabsorption, bei der Flüssigkeitsverbrennung, bei der Farbgebung bzw. der Lackierung von Oberflächen und bei Prozessen der Wirbelschichttechnik.

Bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Zweistoffdüsen sind keine Verfahren bekannt, mit deren Hilfe das Trop fenspektrum im Spray unabhängig vom mittleren Tropfen durchmesser beeinflußt werden kann. Es ist Stand der Technik, daß bei der Notwendigkeit der Reduzierung des Anteils großer Tropfen im Spray der Massendurchsatz des zur Zerstäubung verwendeten Gases, dessen Vordruck oder beides erhöht wird. Dies führt zu einer Erhöhung des spezifischen Energieverbrauches für die Zerstäubung und gleichzeitig zur Erhöhung des Anteils feiner Tropfen im Spray, was bei einer Reihe von technologischen Prozessen unerwünscht ist.

Zweistoffdüsen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Zerstäubung einer Flüssigkeit erfolgt, indem die Flüssig keit vor der Zerstäubung zu einem Film ausgebildet wird und das zerstäubende Gas in einen Primär- und einen Se kundärgasstrom aufgeteilt wird, werden in den Erfindungen US-PS 2.980.233, US-PS 4.754.922 und US-PS 4.815.664 beschrieben. Das Ziel dieser Erfindungen besteht darin, bei vorgegebe ner Druckdifferenz des zerstäubenden Gases die Zerstäu bung der Flüssigkeit in ein Spray mit möglichst geringem mittleren Durchmesser zu realisieren, eine intensive Verteilung der zerstäubten Flüssigkeit im umgebenden Gas zu gewährleisten und eine Verdampfung der Flüssigkeit in der Düse bei höherer Temperatur des zerstäubenden Gases zu vermeiden. Ansprüche und sonstige Aussagen zur Beeinflussung der Tropfengrößenverteilung im Spray werden dazu nicht formuliert.

Desweiteren ist die Anwendbarkeit dieser Erfindungen auf Grund der Ansprüche auf die Düsenkonstruktion auf die Zerstäubung von Flüssigkeiten beschränkt, die nicht zu Verkrustungen und zur Ausbildung von Anlagerungen in und an der Düse neigen. Daher sind derartige Düsenkonstruk tionen zur Erzeugung eines relativ engen Tropfenspektrums unter Verhinderung fester Ablagerungen am Düsenausgang nicht geeignet.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, bei der Zerstäu bung einer Flüssigkeit bzw. einer Suspension mit Hilfe eines Gases den Energieverbrauch für die Erzeugung eines relativ engen Tropfenspektrums des Sprays zu senken und eine hohe technische Verfügbarkeit der Zerstäuberdüse durch Vermeidung von Verstopfungen und Feststoffanlage rungen am Düsenausgang zu gewährleisten. Gleichfalls ist der spezifische Massendurchsatz der Zerstäubungseinrich tung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit oder einer Suspension mit einer Zweistoffdüse zu entwickeln, wobei ein mit einem Drall beaufschlagter Flüssigkeitsstrom einen mit einem gleichsinnigen Drall beaufschlagten Primärstrom konzentrisch umschließt, der Flüssigkeitsstrom von einem unverdrallten Sekundärgasstrom gleichfalls kon zentrisch umschlossen wird und die Flüssigkeit an der Kontaktstelle aller drei Ströme zu einem Spray zerfällt. Mit dem Verfahren soll ein Tropfenspektrum des Sprays erzeugt werden, das unabhängig vom mittleren Tropfen durchmesser ein enges Tropfenspektrum ergibt, das heißt, der Anteil großer Tropfen reduziert wird, ohne den Anteil feiner Tropfen zu erhöhen, also eine Tropfenverteilung nach (d₉₀ - d₁₀)/d₅₀ = 1,2 bis 1,4 erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sekundärgasstrom ringförmig unter einem Winkel von 0° bis 50° auf den Primärgasstrom auftrifft und am Düsenausgang eine Strömungsgeschwindigkeit von 80 m/s bis 330 m/s erreicht. Das Volumenverhältnis zwischen dem Primärgas strom und dem Sekundärgasstrom beträgt 0,2 bis 3 und das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten am Düsenausgang von Sekundärgasstrom zu Primärgasstrom 0,5 bis 1,5. Der Flüssigkeitsstrom verläßt den Ausgang der Düse als ring förmiger Film mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,05 m/s bis 5 m/s.

Mit d₁₀, d₅₀ bzw. d₉₀ werden Tropfendurchmesser im Spray bezeichnet, für die gilt, daß 10%, 50% bzw. 90% des Gesamtvolumens der Tropfen einen kleineren Tropfendurch messer besitzen.

Die Variation des mittleren Tropfendurchmessers des Sprays erfolgt in bekannter Weise durch die Veränderung des Verhältnisses des Flüssigkeitsdurchsatzes zum Gesamt massendurchsatz des Gases, durch die Veränderung der Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus den Strömungsöff nungen oder durch die Kombination beider Maßnahmen.

Die Veränderung des Volumenverhältnisses von Primärgas strom zu Sekundärgasstrom erfolgt, indem die Strömungsge schwindigkeiten eines oder beider Gasströme, die Quer schnitte der Strömungsöffnungen eines oder beider Gas ströme oder eine beliebige Kombination der beiden genann ten Maßnahmen durchgeführt wird.

Die Ausbildung eines Filmes gleichmäßiger Dicke nach dem Ausströmen der zu zerstäubenden Flüssigkeit aus dem Ring spalt der Düse ist die Voraussetzung für eine stabile Zerstäubung und damit für die Beeinflussung des Spektrums der Tropfengrößenverteilung. Ein gleichmäßiger Flüssig keitsfilm wird ausgebildet, wenn die Flüssigkeitsströmung mit einem zum Primärgasstrom gleichsinnigen Drall beauf schlagt wird.

Durch die Drallströmung des Primärgases in der zentral angeordneten Düse wird erreicht, daß das Maximum der Strömungsgeschwindigkeit des Primärgasstromes an der Innenseite der inneren Schneide der ringspaltförmigen Flüssigkeitsdüse auftritt, und daß nach Verlassen der Strömungsöffnung das Primärgas unter einem bestimmten Winkel, in Abhängigkeit von der Drallzahl, von der Symme trieachse der Düse weg strömt.

Dadurch, daß der Sekundärgasstrom unverdrallt und paral lel (Winkel 0°) oder unter einem bestimmten Winkel (bis maximal 50°) auf den Primärgasstrom auftrifft, erfolgt eine starke Beschleunigung des Flüssigkeitsfilmes, eine rasche Abnahme seiner Dicke und die Zerstäubung zwischen dem Primär- und Sekundärgasstrom.

Liegt das Volumenstromverhältnis von Primärgas zu Sekun därgas im Verhältnis von 0,2 bis 3, dann werden die in einem ersten Dispergierschritt gebildeten großen Tropfen im Primär- oder Sekundärgasstrom weiter zerteilt, aber gleichzeitig wird das Ansteigen des Anteils feiner Trop fen durch Koaleszenz im Volumen zwischen den beiden Gas strömen begrenzt. Ist das Volumenstromverhältnis von Primärgasstrom zu Sekundärgasstrom kleiner 0,2 oder größer 3, so wird die Zerteilung großer Tropfen im Pri mär- bzw. Sekundärstrom unwirksam und der Anteil der großen Tropfen im Spektrum nimmt zu.

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Für die Zerstäubung von 200 l/h einer wäßrigen Lösung wird gefordert, daß 10% des zerstäubten Flüssigkeits volumens einen Tropfendurchmesser kleiner 20 µm, 50% einen Tropfendurchmesser kleiner 50 µm und 90% einen Tropfendurchmesser kleiner 90 µm besitzt. Die Ausführung erfolgt mit einer Zweistoffdüse bei einem Gesamtdurchsatz der zur Zerstäubung verwendeten Luft von 135 kg/h und einem Vordruck der Luft von 98 kPa. Die Drallzahl des Primärgasstromes beträgt 0,7 und der Sekundärgasstrom wird unter einem Winkel von 12° zur Symmetrieachse der Düse zugeführt. Der Sekundärgasstrom hat am Ausgang der Düse eine Geschwindigkeit von 317 m/s und der Primärgasstrom eine Geschwindigkeit von 295 m/s. Das Volumenstromver hältnis von Primärgasstrom zu Sekundärgasstrom beträgt 0,4. Der Flüssigkeitsstrom tritt mit einer Geschwindig keit von 0,1 m/s aus der Düse aus.

Ausführungsbeispiel 2

Für ein PVC-E-Pulver, das durch Sprühtrocknung der Sus pension hergestellt wird, besteht die Forderung, daß 10% der Masse des Pulvers einen Korndurchmesser kleiner 15 µm, 50% einen Korndurchmesser kleiner 25 µm und 90% einen Korndurchmesser kleiner 45 µm besitzt.

Zur Zerstäubung von 100 kg/h PVC-E-Suspension in einer Zweistoffdüse werden 90 kg/h Luft mit einem Vordruck von 83 kPa verwendet. Die Drallzahl des Primärgasstromes beträgt 0,9 und der Sekundärgasstrom wird unter einem Winkel von 43° zur Symmetrieachse der Düse zugeführt. Der Sekundärgasstrom hat am Ausgang der Düse eine Geschwin digkeit von 310 m/s und der Primärgasstrom eine Geschwin digkeit von 280 m/s. Das Volumenverhältnis vom Primär gasstrom zu Sekundärgasstrom beträgt 2,8. Der Flüssig keitsstrom tritt mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s aus der Düse aus.

Claims

Verfahren zum Zerstäuben einer Flüssigkeit oder einer Suspension mit Hilfe einer Zweistoffdüse, wobei ein mit einem Drall beaufschlagter Flüssigkeitsstrom einen mit einem gleichsinnigen Drall beaufschlagten Primärgasstrom konzentrisch umschließt, der Flüssigkeitsstrom von einem unverdrallten Sekundärgasstrom gleichfalls konzen trisch umschlossen wird und die Flüssigkeit an der Kon taktstelle aller drei Ströme in ein Spray mit einer Verteilung der Tropfendurchmesser (d₉₀ - d₁₀)/d₅₀ = 1,2 bis 1,4 zerfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärgasstrom unter einem Winkel von 0° bis 50° auf den Primärgasstrom auf trifft und eine Geschwindigkeit von 80 m/s bis 330 m/s am Ausgang der Düse aufweist, das Volumenverhältnis zwischen Primärgasstrom und Sekundärgasstrom 0,2 bis 3 ist, das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit am Düsenausgang von Sekundärgasstrom zu Primärgasstrom 0,5 bis 1,5 be trägt und der Flüssigkeitsstrom mit einer Strömungsge schwindigkeit von 0,05 m/s bis 5 m/s aus der Düse aus tritt.