DE4329204A1 - Dreistoffzerstäuberdüse und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dreistoffzerstäuberdüse zum gleichzeitigen Zerstäuben von zwei Flüssigkeiten unter Verwendung eines Treibgases. Ein weiterer Gegenstand richtet sich auf die Verwendung der Düse.

In der Technik sind Zerstäuberdüsen unterschiedlichster Bauart für unterschiedlichste Zwecke bekannt. Die Bauart richtet sich nach den Eigenschaften der zu verdüsenden Medien der gewünschten Form des Sprühstrahls der Tröpfchen­ verteilung und der Durchsatzleistung. Mittels sogenannter Zweistoffdüsen lassen sich Flüssigkeiten unter Verwendung eines Treibgases zuverlässig zerstäuben. Hierbei kann die Mischung zwischen den beiden Medien innerhalb oder außerhalb der Düse erfolgen - Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 5th ed (1988) Vol. B2 6-10 bis 6-11.

Üblicherweise bestehen Zweistoffdüsen aus einem Düsenkörper, der die Kanäle und Anschlüsse für die Medien enthält sowie einem Düsenmundstück das für die Art der Mischung sowie die Form des Sprühstrahls und die Tröpfchenverteilung verantwortlich ist.

Zum gleichzeitigen Versprühen von zwei flüssigen Medien, welche darin gelöste oder miteinander reaktionsfähige Stoffe enthalten, können diese unter Verwendung von zwei in räumlicher Nachbarschaft angeordnete Zweistoffdüsen, welchen jeweils eines der flüssigen Medien und ein Treibgas zugeführt wird, versprüht werden. Obgleich Tröpfchen aus jeder Düse teilweise miteinander in Kontakt kommen und somit Mischprozesse auftreten, ist es schwierig, zu homogenen Produkten zu gelangen.

Um zu homogenen Stoff- oder Reaktionsgemischen zu gelangen, werden die beiden flüssigen Medien gegebenenfalls auch unmittelbar vor oder in einer einzigen Zweistoffdüse gemischt und das Gemisch unter Verwendung eines Treibgases versprüht. Ein Problem derartiger Systeme besteht aber darin, daß es in der Düse leicht zu Verstopfungen und damit zu Betriebsstörungen kommt, wenn die Konzentration gelöster Stoffe nahe der Sättigungsgrenze liegt oder gar übersättigte Lösungen versprüht werden sollen. Übersättigte Lösungen können insbesondere auch dann auftreten, wenn in jedem flüssigen Medium Stoffe enthalten sind, welche beim Zusammenbringen der flüssigen Medien miteinander zu Stoffen mit geringerer Löslichkeit als diejenige der Ausgangskomponenten reagieren. Derartige Probleme, wie Verstopfungen in der Düse und Ankrustungen an der Düsenspitze, treten insbesondere dann auf, wenn unmittelbar nach dem Versprühen des Gemischs anwesendes Lösungsmittel verdampft wird, wie es bei der Sprühtrocknung oder der sogenannten Wirbelschicht-Sprühgranulation der Fall ist.

Eine Möglichkeit zum gleichzeitigen Versprühen von zwei Lösungen mittels einer einzigen Zweistoffdüse ohne Verstopfungsgefahr derselben, welche in einigen Fällen anwendbar ist, besteht darin, mindestens einem der beiden flüssigen Medien einen Kristallisationsinhibitor zuzusetzen, so daß die beiden Medien gemischt und das Gemisch mittels einer einzigen Zweistoffdüse unter Mitverwendung eines Treibgases versprüht werden kann. Diese Alternative ist nicht generell anwendbar, und zudem führt die Verwendung eines Kristallisationsinhibitors zu einer Erhöhung der Kosten sowie Verunreinigung des zu erzeugenden Produktes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit das Aufzeigen einer Vorrichtung, welche es erlaubt, mittels einer einzigen Düse zwei Flüssigkeiten, welche gelöste Stoffe, insbesondere miteinander reaktionsfähige Komponenten enthalten, unter Verwendung eines Treibgases zu versprühen, ohne daß es zu Verstopfungen in der Düse kommt und ohne Kristallisationsinhibitoren verwenden zu müssen.

Die Aufgabe wird durch eine Dreistoffzerstäuberdüse gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Düsenkörper (1) mit voneinander getrennten Kanälen (6 bis 8) und Anschlüssen (3 bis 5) für die zwei Flüssigkeiten und das Treibgas sowie ein Düsenmundstück (2), das ein Zentralrohr (10) und zwei darum koaxial angeordnete Mantelrohre (11 und 12) aufweist, umfaßt, wobei das Zentralrohr (10) mit dem Flüssigkeitskanal (7), der zwischen dem Zentralrohr und dem inneren Mantelrohr (11) gebildete Ringspalt (13) mit dem Flüssigkeitskanal (6) und der zwischen den Mantelrohren gebildete äußere Ringspalt (14) mit dem Kanal für das Treibgas (8) in Verbindung stehen und wobei das Zentralrohr und die Mantelrohre an der Düsenspitze auf der gleichen Höhe enden oder das Zentralrohr in Form einer Verlängerung (15) über die Enden der beiden Mantelrohre hinausreicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform reicht das Zentralrohr um mindestens einen, vorzugsweise 2 bis 10 Zentralrohrradien über die Enden der Mantelrohre hinaus.

Gegenüber handelsüblichen Zweistoffdüsen enthält die erfindungsgemäße Dreistoffzerstäuberdüse zusätzlich Vorrichtungen zur Einbringung und Führung der zweiten Flüssigkeit in der Düse, wobei die beiden Flüssigkeiten erst außerhalb der Düse miteinander in Kontakt kommen.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Dreistoffzerstäuberdüse näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Dreistoffzerstäuberdüse im Längsschnitt; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die in Fig. 1 angegebene Ebene A-B:

Der Düsenkörper (1) enthält die Anschlüsse (3) und (4) für die beiden Flüssigkeiten und den Anschluß (5) für das Treibgas, ferner voneinander getrennte Kanäle (6) und (7) für die beiden Flüssigkeiten und (8) für das Treibgas. Die Ausbildung der Kanäle kann unterschiedlich sein und ist im wesentlichen nur konstruktionsbedingt. In der Ausbildungsform gemäß Fig. 1 werden zwei Kanäle (6 und 8) von der Seite und ein Kanal (7) von hinten in den Düsenkörper geführt; der Kanal (7) und das Zentralrohr (10) des Düsenmundstücks (1) sind in Fig. 1 als ein durch den Düsenkörper (1) und das Düsenmundstück (2) gehendes Rohr ausgebildet. Der Düsenkörper (1) und das Düsenmundstück (2), das aus einem oder, wie in Fig. 1 gezeigt, aus mehreren Teilen bestehen kann, sind derart miteinander verbunden, daß die zu fördernden flüssigen Medien erst außerhalb der Düse miteinander in Kontakt kommen. Die Verbindung zwischen (1) und (2) kann im Prinzip in beliebiger Weise ausgeführt sein, etwa mittels eines oder mehrerer Schraubverschlüsse, Steck- oder Bajonettverschlüssen oder Muffen. In der bevorzugten Ausbildung gemäß Fig. 1 sind die Mantelrohre (11) und (12), welche zusammen mit dem Zentralrohr wesentliche Elemente des Düsenmundstücks (2) bilden, mittels Schraubgewinden (9a) und (9b) mit dem Düsenkörper (1) verbunden. Das Düsenmundstück (1) umfaßt ein Zentralrohr (10) und zwei darum koaxial angeordnete Mantelrohre (11) und (12). Das Zentralrohr (10) steht mit dem Kanal (7) in Verbindung. Der zwischen dem Zentralrohr (10) und inneren Mantelrohr (11) gebildete Ringspalt (13) steht mit dem Kanal (6) und der zwischen dem inneren (11) und dem äußeren (12) Mantelrohr gebildete äußere Ringspalt (14) mit dem Kanal (8) in Verbindung. Obgleich das Zentralrohr und die Mantelrohre an der Düsenspitze auf gleicher Höhe enden können, werden Ausbildungsformen bevorzugt, wonach eine Zentralrohrverlängerung (15) über beide Mantelrohre, welche auf gleicher oder, weniger bevorzugt, auf unterschiedlicher Höhe enden, hinausreicht. Eines oder beide Mantelrohre sowie das Zentralrohr können sich zur Düsenspitze hin verjüngen - (17a) und (17b) in Fig. 1 -, um die Austrittsgeschwindigkeit der Medien zu erhöhen und ein Aufreißen der aus den austretenden Flüssigkeitsströmen und des Treibgasstroms zu begünstigen und eine innige Durchmischung der Medien außerhalb der Düse zu erzielen. Die Mantelrohrenden und das Zentralrohrende können unterschiedlich ausgebildet sein, um die Form des Sprühkegels zu beeinflussen. Zusätzlich können im Zentralrohr (10) bzw. dessen Verlängerung (15) und/oder in einem oder beiden Ringspalten Drallkörper (16a und b) enthalten sein. Das Treibmittel für die Düse kann Luft oder ein anderes inertes Gas, wie etwa Stickstoff oder auch überhitzter Wasserdampf, sein.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Düse reicht das Zentralrohr des Düsenmundstücks um mindestens einen, vorzugsweise um 2 bis 10 und insbesondere um 3 bis 6 Zentralrohrradien über die Enden der Mantelrohre hinaus, und beide Mantelrohre enden auf gleicher Höhe. Die Mantelrohre können aber auch auf unterschiedlicher Höhe enden, sofern die zuvor spezifizierte Zentralrohrverlängerung gegenüber beiden Mantelrohren gewährleistet ist. Sofern das äußere Mantelrohr über das innere Mantelrohr reicht, werden die Flüssigkeit im Ringspalt und das Treibgas innerhalb der Düse vorgemischt, die Mischung der Flüssigkeiten erfolgt aber weiterhin außerhalb der Düse. Mit zunehmendem Zentralrohrradius ist es im allgemeinen günstig, die Zentralrohr­ verlängerung zu verkürzen - bei einem Zentralrohr­ radius von beispielsweise 2 mm und mehr reicht eine Zentralrohrverlängerung zwischen 3 und 5 Zentralrohrradien meist aus.

Sofern die Mengen der zu versprühenden beiden Lösungen unterschiedlich sind, werden die geringere Lösungsmenge vorzugsweise durch das Zentralrohr und die größere Menge durch den benachbarten Ringspalt gefördert.

Die erfindungsgemäße Düse läßt sich zum gleichzeitigen Versprühen von zwei Lösungen, welche erst außerhalb der Düse miteinander Kontakt haben, aber zu einer homogenen Mischung führen sollen, verwenden. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung der Düse in Anlagen zur kontinuierlichen Sprühtrocknung und insbesondere zur Wirbelschicht-Sprühgranulation. Unter Verwendung anspruchsgemäßer Dreistoffzerstäuberdüsen ist es möglich, aus einer einzigen Düse gleichzeitig zwei Lösungen zu versprühen, welche jeweils eine miteinander reaktionsfähige Komponente enthalten und so zu Sprühtrocknungsprodukten oder Wirbelschicht- Sprühgranulaten der gebildeten Reaktionsprodukte zu gelangen. Die eigentliche Reaktion zwischen den Reaktionspartnern findet außerhalb der Düse statt, wobei die aus dem Zentralrohr und dem Ringspalt austretenden Lösungen beim Zerstäuben in Tröpfchenform intensiv gemischt werden und die Umsetzung vor dem beendeten Trocknungsvorgang ermöglicht wird.

Die Düse läßt sich insbesondere dann bevorzugt einsetzen, wenn die in Betracht kommenden Umsetzungen zwischen den Reaktionskomponenten rasch verlaufen, eine Mischung der Lösungen vor oder in der Düse aber wegen gegebenenfalls ausfallenden Reaktionsprodukts und damit einhergehender Verstopfungs- oder/und Verkrustungsprobleme nicht in Frage kommt. Bei den fraglichen Reaktionen handelt es sich beispielsweise um Salzbildungen, wie solche aus zwei Salzen oder aus einer Säure und einer Base. Beispielsweise kann es sich bei der einen Lösung um Natronlauge und bei der anderen Lösung um eine Lösung von Ameisensäure oder Essigsäure in Wasser oder um die im wesentlichen reine Säure handeln, wobei beim Versprühen Natriumformiat oder Natriumacetat gebildet werden. Zusätzlich können die zu versprühenden beiden Lösungen auch andere gelöste Bestandteile enthalten als die für die Umsetzung erforderlichen Reaktionskomponenten.

Besonders zweckmäßig ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Düse in Anlagen zur Wirbelschicht- Sprühgranulation, wobei zwei jeweils eine Reaktionskomponente enthaltende Lösung mittels einer einzigen Düse auf Keime, deren Abmessungen kleiner sind als die der herzustellenden Granulate, gesprüht und so Granulate des Reaktionsproduktes gebildet werden. Unter Verwendung erfindungsgemäßer Dreistoffzerstäuberdüsen ist es möglich, zu homogen aufgebauten Granulaten zu gelangen, was beim Versprühen der beiden Lösungen unter Verwendung von zwei üblichen Zweistoffzerstäuberdüsen oft nicht möglich war. Zur Technik der Wirbelschicht- Sprühgranulation wird auf den Artikel von H. Uhlemann in Chem.-Ing. Technik 62 (1990), Nr. 10, S. 822-834 verwiesen.

Die Wirbelschicht- Sprühgranulation unter Verwendung erfindungsgemäßer Dreistoffzerstäuberdüsen ist auch zum Aufbringen einer festen Umhüllung auf teilchenförmige Produkte geeignet, wenn die Umhüllung ein in situ aus in den versprühten Lösungen enthaltenen Reaktionskomponenten gebildetes Reaktionsprodukt enthalten soll. Sofern beispielsweise auf ein Produkt eine Magnesiumsilikat enthaltende Umhüllung aufgebracht werden soll, können der Dreistoffzerstäuberdüse sowohl eine wäßrige Magnesiumsulfatlösung als auch eine Wasserglaslösung in einem solchen Mengenverhältnis zugeführt werden, daß sich eine ein oder mehrere Magnesiumsilikate und Natriumsulfat enthaltende Umhüllung ausbildet.

Es war nicht vorhersehbar, daß die anspruchsgemäße Ausbildung der Düse gleichzeitig zwei Lösungen zu versprühen gestattet, welche außerhalb der Düse in Tröpfchenform derart gemischt werden, daß chemische Reaktionen zwischen in den Lösungen enthaltenen Reaktionspartnern vor der Trocknung der Tröpfchen ablaufen können. Gleichzeitig kommt es zu keinen Verstopfungsproblemen in der Düse. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch die Zentralrohrverlängerung Betriebsstörungen verursachende Ankrustungen an der Düse, wie sie bei Düsen ohne eine derartige Verlängerung noch auftreten können, praktisch vollständig vermieden werden, ohne daß die erforderliche intensive Durchmischung der Tröpfchen und die Reaktion nachteilig beeinflußt werden. Inhomogenitäten in den durch Wirbelschicht- Sprühgranulation erzeugten Granulaten oder umhüllten Produkten, wie sie bei Verwendung getrennter Düsen für zwei Reaktionspartner stets auftreten, lassen sich durch Verwendung der erfindungsgemäßen Düsen vermeiden.

Bezugszeichenliste

1 Düsenkörper
2 Düsenmundstück
3 Anschluß für Flüssigkeit (i)
4 Anschluß für Flüssigkeit (ii)
5 Anschluß für Treibgas
6 Kanal für Flüssigkeit (i)
7 Kanal für Flüssigkeit (ii)
8 Kanal für Treibgas
9a Gewinde
9b Gewinde
10 Zentralrohr
11 Mantelrohr (innen)
12 Mantelrohr (außen)
13 Ringspalt für Flüssigkeit (i)
14 Ringspalt für Treibgas
15 Zentralrohr-Verlängerung
16a Drallkörper
16b Drallkörper
17a Verjüngung
17b Verjüngung.

Claims (5)

1. Dreistoffzerstäuberdüse zum Zerstäuben von zwei Flüssigkeiten unter Verwendung eines Treibgases, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Düsenkörper (1) mit voneinander getrennten Kanälen (6 bis 8) und Anschlüssen (3 bis 5) für die zwei Flüssigkeiten und das Treibgas sowie ein Düsenmundstück (2), das ein Zentralrohr (10) und zwei darum koaxial angeordnete Mantelrohre (11 und 12) aufweist, umfaßt, wobei das Zentralrohr (10) mit dem Flüssigkeitskanal (7), der zwischen dem Zentralrohr und dem inneren Mantelrohr (11) gebildete Ringspalt (13) mit dem Flüssigkeitskanal (6) und der zwischen den Mantelrohren gebildete äußere Ringspalt (14) mit dem Kanal für das Treibgas (8) in Verbindung stehen und wobei das Zentralrohr und die Mantelrohre an der Düsenspitze auf gleicher Höhe enden oder das Zentralrohr in Form einer Verlängerung (15) über die Enden der beiden Mantelrohre hinausreicht.

2. Dreistoffzerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr um mindestens einen Zentralrohrradius über die Enden der beiden Mantelrohre hinausreicht.

3. Dreistoffzerstäuberdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr um 2 bis 10, insbesondere 3 bis 6 Zentralrohrradien über die Enden der Mantelrohre hinausreicht.

4. Dreistoffzerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentralrohr und/oder in einem oder beiden Ringspalten Drallkörper eingebaut sind.

5. Verwendung der Dreistoffzerstäuberdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in Anlagen zur kontinuierlichen Wirbelschicht-Sprühgranulation zur Herstellung von granulatförmigen Reaktionsprodukten aus in zwei zerstäubten Lösungen enthaltenen Reaktionskomponenten oder zur Beschichtung von teilchenförmigen Produkten mit Reaktionsprodukten aus in zwei zerstäubten Lösungen enthaltenen Reaktionskomponenten.