DE60017054T2

DE60017054T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von stabilisierten vernebelten Mikroemulsionen

Info

Publication number: DE60017054T2
Application number: DE60017054T
Authority: DE
Inventors: Ernesto Marelli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: ITMI992228A1; EP1095696B9; IT1313901B1; EP1095696A2; HK1038204A1; US6538041B1; ATE285836T1; ITMI992228A0; DE60017054D1; EP1095696A3; EP1095696B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden stabilisierter, zerstäubter Mikroemulsionen aus unterschiedlichen Flüssigkeiten, die normalerweise miteinander unmischbar sind, für die grundverschiedensten Anwendungen in den chemisch-pharmazeutischen, Nahrungsmittel- und kosmetischen Bereichen etc. Insbesondere ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, Mikroemulsionen mit unbehandelten und/oder basengebildetes Wasser von flüssigen Kohlenwasserstoffen mit den grundverschiedensten Dichten und Viskositäten zur Verwendung als Brennmaterial für Wohn- und Industrieheizsysteme und auch für große Motoren und/oder als Brennstoff für Dieselmotoren zu bilden.
Vorrichtungen und Verfahren zum Bilden von Mikroemulsionen sind im Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise offenbart die EP-630,398 die Bildung von Emulsionen durch Mischen von Komponenten in einem statischen Mixer unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen in dem Beisein einer Mischung aus oberflächenaktiven Stoffen.
Die EP-124,061 auf den Namen desselben Anmelders offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bilden von Emulsionen von fluiden Brennstoffen mit anderen unmischbaren Fluiden, insbesondere Wasser. Die beschriebene Vorrichtung wird durch einen Turboumwandler gebildet, der eine Emulgierungskammer aufweist, in die der fluide Brennstoff und das Wasser einer kombinierten mechanischen und elektromagnetischen Einwirkung unterworfen werden, die innerhalb der Kammer einen zentrierten Korridor erzeugt, durch den der gemischte Brennstoff und das Wasser fließt.
Die EP-373,353 auf den Namen desselben Anmelders offenbart einen Prozess zum Erzeugen stabilisierter Emulsionen eines Brennstoffes, insbesondere eines Brennstoffes für Dieselmotoren, mit Wasser mit dem Zusatz eines Produktes, das als ein Schmier- und Gefrierschutzmittel wirkt, die das Vormischen des Kraftstoffes, des Wassers und des Additives aufweist und den anschließenden Durchgang der resultierenden Mischung durch einen Turboumwandler ähnlich zu dem der vorstehend zitierten EP-124,061.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass diese Verfahren einen relativ hohen Energieaufwand in Bezug auf die Leistungsfähigkeit des Systems zur Folge haben und dass sie einen niedrigen Bedarf zur Konversion der Energie, die den Durchgang durch die emulgierende Vorrichtung zugeordnet ist, in Oberflächenenergie der Partikel der dispersiven Phase haben.
Die US-A 5,492,654 offenbart eine Vorrichtung, die aus einem Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung besteht, und im Innern einen Kontraktor, einen Flusskanal und einen Diffusor aufnimmt, die in Reihe an der Seite der Einlassöffnung angeordnet und miteinander verbunden sind. Der Kanal nimmt einen Drosselkörper auf, der drei Elemente in der Form von hohlen Stumpfkegeln aufweist, die in Reihe in der Flussrichtung angeordnet sind und deren kleinere Basis dem Kontraktor zugewandt orientiert sind. Der Kegel, welcher der erste in der Flussrichtung ist, hat einen Durchmesser der größeren Basis, der den Durchmesser einer größeren Basis des nachfolgenden Kegels übersteigt. Der Durchmesser der größeren Basis des derartigen nachfolgenden Kegels übersteigt den Durchmesser einer größeren Basis von dem weiter nachfolgenden Kegel. Der Betrieb einer derartigen Erfindung ist ebenfalls in der US-A 5,492,654 offenbart.
Die US-A 5,958,495 offenbart eine ein- oder mehrstufige Düsendispergiervorrichtung zur Homogenisierung fetthaltiger, flüssiger Naturprodukte oder Nahrungsmittel, die eine Fördereinheit zum Fördern der zu homogenisierenden Flüssigkeit, eine Vordruckkammer, eine oder mehrere Niederdruckkammern, die in einer Reihe verbunden sind, und eine Vielzahl von Dispergieröffnungen aufweist, über die die Vordruckkammer und die Niederdruckkammern miteinander verbunden sind, wobei die Fördereinheit einen definierten Vordruck in der Vordruckkammer erzeugt, und wobei die Düsenbohrungen der Dispergieröffnungen einen hydraulischen Durchmesser von 0,1 bis 1 mm haben und derart ausgebildet sind, dass das Produkt des hydraulischen Querschnittsbereichs der Düsenbohrung und deren Länge der Gleichung F_h × L=d⁵ genügen. Ein Prozess zur Homogenisierung fetthaltiger, flüssiger Naturprodukte unter Verwendung einer derartigen Erfindung ist ebenfalls in der US-A 5,958,495 offenbart.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum Erhalten stabilisierter, zerstäubter Mikroemulsionen bereitzustellen, das vorteilhafter und vor allem preiswerter für den Zweck der Industrialisierung mit einem beträchtlichen Einsparen an Zeiten und Kosten zur Produktion, Wartung, Aufstellung und elektrischer Energie ist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die jede Größe annehmen kann und deshalb direkt in der Produktionslinie jeder erforderlichen Leistungsfähigkeit eingefügt werden kann, auch wenn es nur wenige Liter pro Stunde sind, und zur Anwendung in der pharmazeutischen und/oder kosmetischen Industrie.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ohne sehr teure und unzuverlässige Ultraschallsysteme oder andere Vorrichtungen arbeitet.
Dieses Ziel, diese Aufgaben und andere, die aus der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich werden, werden erreicht durch eine Emulgierungsvorrichtung zum Bilden stabilisierter, zerstäubter Mikroemulsionen, die eine erste Kammer und eine Reihe von mindestens zwei Kavitationskammern, die in Folge angeordnet sind, eine Einrichtung zum Zuführen eines Primärfluids oder -fluiden und ei nes Sekundärfluids oder -fluiden, entweder getrennt oder vorgemischt, in die Primärkammer und eine Einrichtung für den Auslass der Mikroemulsion von der letzten Kavitationskammer der Reihe der Kavitationskammern zu der Außenseite der Vorrichtung hin aufweist, bei der die Primärkammer und die zumindest zwei Kavitationskammern jeweils miteinander durch Fluiddurchlassvorrichtungen fluid-verbunden sind, und die Durchlassvorrichtungen ausgebildet sind, eine Geschwindigkeit der Fluide während des Durchlasses durch die Durchlassvorrichtungen zu erzeugen, die graduell von der Primärkammer bis zur letzten Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern ansteigt, wobei die erste Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern zumindest teilweise innerhalb der Primärkammer angeordnet ist und die anderen Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern jeweils zumindest teilweise innerhalb der vorherigen in der Reihe der Kavitationskammern angeordnet sind.
Anspruch 13 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen einer stabilisierten, zerstäubten Mikroemulsion.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Rückflussdiffusor mit mehreren Kavitationskammern, die geeignet sind, den Fluiden einen Turbineneffekt zu erteilen. Die Kavitationskammern können theoretisch eine unbegrenzte Anzahl aufweisen und sie können die meisten spezifischen Abmessungen aufweisen. In den Kammern nimmt die Mikroemulsion von dem äußeren Bereich Form an und wird in der letzten Kavitationskammer vollendet.
Die Primärkammer kann zylindrisch oder sie kann auch einen ovalen, quadratischen oder viereckigen Querschnitt aufweisen. Ein polyedrischer oder dreieckiger Querschnitt ist ebenfalls möglich.
In geeigneter Weise ist die erste Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern zumindest teilweise innerhalb der Primärkammer angeordnet und die anderen Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammer sind derart angeordnet, dass jede zumindest teilweise innerhalb der vorherigen in der Reihenfolge der Kavitationskammern angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Primärkammer der Behälter all der anderen Kavitationskammern, die innerhalb desselben installiert sind.
In vorteilhafter Weise haben die Primärkammer und die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern im Wesentlichen parallele Achsen und sind weiterhin vorteilhaft koaxial.
Eine große Anzahl der Kavitationskammern mit Turbineneffekt ist in dem Beisein einer Vielzahl von Sekundärfluiden mit stark abweichenden physikalischen und chemischen Eigenschaften zweckdienlich.
Die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern haben bevorzugt eine blinde Wand, die im Wesentlichen rechtwinklig zu den Achsen der Kavitationskammern angeordnet ist und auf die vorherige Kavitationskammer in der Reihenfolge der Kavitationskammern ausgerichtet ist.
Bevorzugt sind die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern beidseitig fest gekoppelt und mit der Primärkammer fest gekoppelt.
Die Außenseite der Vorrichtung oder die Oberfläche der Primärkammer kann, falls notwendig, beheizt werden, beispielsweise durch ein selbstkompensierendes, selbsteinstellendes Heizkabel, und sie kann isoliert sein.
Die Primärkavitationskammer kann aus nicht magnetischen oder kaum magnetisierbaren Stählen (AlSI 304L, AlSI 316L oder ASTELLOY C) hergestellt werden, da das System, falls zweckdienlich, mit magnetischen Einsätzen aus Lanthanum und/oder Samarium oder Kobalt mit einem hohen Energiebetrag aktiviert werden kann.
Die Abmessungen der Kammer und die Dicke der Wände werden gemäß der Leistungsfähigkeit ausgewählt, die von dem Anwender und/oder durch den Prozess benötigt werden.
In geeigneter Weise sind die Fluiddurchlassvorrichtungen ausgebildet, den Fluiden eine Turbineneffektbewegung zu erteilen.
Bevorzugt weisen die Fluiddurchlassvorrichtungen Löcher in den Wänden der Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern auf.
In vorteilhafter Weise haben die Löcher longitudinale Achsen, die in Bezug auf die Achse der entsprechenden Kavitationskammer geneigt sind, und die Neigung der Achsen in den Löchern jeder Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern ist entgegengesetzt zu der Neigung der Achsen der Löcher den vorherigen und den nachfolgenden Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern.
Die Anzahl der Löcher, deren Querschnitt, die Neigung der Löcher in Bezug auf die horizontale Achse, der Abstand zwischen den Oberflächen jeder Kammer, das Arbeitsvolumen jeder Kammer und das Gesamtvolumen der Primärkammer sind die Grundlage für die Berechnungen, die auf die Mechaniken des Erhaltens unverzüglich stabiler Mikroemulsionen oder Mikrozellen mit der Sicherheit des Dispersionsgrades des Sekundärfluids bezogen sind. In der Berechnung (Volumen der Kammern, Anzahl der Löcher, Querschnitt der Löcher, Neigung der Löcher, Abstand zwischen den Wänden der Kammern) ist es ebenfalls notwendig, eine hohe Berücksichtigung der chemisch-physikalischen Parameter der beteiligten Fluide aufzunehmen.
Beispielsweise sollte die Summe der Querschnitte aller Löcher jeder Kavitationskammer niedriger als die der vorherigen Kavitationskammer in der Reihenfolge sein, um eine Steigerung der Fluidgeschwindigkeit in den Löchern von der ersten zu der letzten Kavitationskammer in der Reihenfolge hin sicherzustellen.
Die Geschwindigkeit der Fluide in den Löchern der Wände der Kavitationskammern wächst graduell von der ersten zu der letzten Kammer entlang des Weges des Fluids. Die Geschwindigkeit in den Löchern ist niedriger in den Löchern der ersten Kammer und kann sogar zehn oder hunderte von Metern pro Sekunde in den Löchern der letzten Kammer der Reihenfolge der Kavitationskammern erreichen.
Bevorzugt sollte die Geschwindigkeitssteigerung in den Löchern der letzten Kavitationskammer in Bezug auf die Geschwindigkeit in den Löchern der ersten Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern nicht weniger als vierfach sein. Optimal ist die Steigerung größer als achtfach für jede Eigenschaft der Fluide.
Die Einrichtung zum Zuführen der Fluide in die Primärkammer kann eine Einrichtung zum Zuführen des Primärfluids und eine Einrichtung zum Zuführen des Sekundärfluids aufweisen.
Die Einrichtung zum Zuführen des Primärfluids (Primärfluide) kann beispielsweise bevorzugt aus elektrischen Schraubenpumpen bestehen.
In vorteilhafter Weise weist die Einrichtung zum Zuführen des Sekundärfluids ein Einspritzsystem auf, das mit einem Diffusorstab ausgestattet ist, der mit Löchern versehen ist, die in Bezug auf die longitudinale Achse des Stabes geneigt sind, und die Neigung der Löcher derart ist, um zu ermöglichen, das Sekundärfluid in die erste Kavitationskammer in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Richtung anzutreiben, in die es in den Stab eindringt.
Die Löcher können einen bevorzugten Durchmesser zwischen 1 und 15 mm in Abhängigkeit der Eigenschaften des Sekundärfluids und der Durchflussrate, des Drucks, der Viskosität und der Temperatur des Primärfluids aufweisen.
Der Außendurchmesser des Diffusorstabes kann zwischen 8 bis 10 mm bis zu einem vernünftigen Maximum von 150 mm variieren, größere Abmessungen sind möglich aber selten ausführbar oder zweckmäßig. Die Gesamtzahl der Löcher kann von einem Minimum von 24 bis zu einem vernünftigen Maximum von 350 variieren. Der Durchmesser jedes Loches kann von einem Minimum von 1 mm bis zu einem technologischen Maximum von 15 mm variieren. Der Abstand zwischen den Achsen jedes Loches kann von einem Minimum von 5 mm bis zu einem Maximum von 30 mm betragen.
Die Löcher entlang des Diffusorstabes müssen zumindest in vier Reihen (axial um 90° in Bezug auf den Querschnitt des Diffusorstabes versetzt) und bevorzugt in sechs und/oder acht Reihen angeordnet sein, die proportional axial versetzt sind.
Um jeden Rückfluss des Pirmärfluids in Richtung der Quelle des Sekundärfluids zu vermeiden, ist es möglich, zwischen dem Diffusorstab und dem Fluidauslass der Dosierpumpe ein Sicherheitsventil zwischenzuordnen, das beispielsweise mit einem Ball und einer Feder versehen und mit einem Minimum von 5 kg bis zu einem Maximum von 25 kg eingestellt ist.
In diesem Fall ist ein Vorbetrieb, der ausgeführt werden muss, das Füllen des Körpers des Sicherheitsventils mit dem Sekundärfluid, bevor die Pumpe gestartet wird, die das Primärfluid fördert.
Das Sekundärfluid wird normalerweise durch eine elektrische Messpumpe des Kolbentyps mit Einstellung der Flussrate mit einer Noniusskala gefördert, die auf den Hub des Kolbens wirkt.
Die Durchflussrate der elektrischen Pumpe oder der elektrischen Pumpen wird in Bezug auf den maximalen Anteil des Sekundärfluids berechnet, das eingeführt wird. Wenn dieser Parameter 2000 bis 2500 Liter pro Stunde jedoch übersteigt, ist es zweckdienlich, die Durchflussrate auf eine Vielzahl von elektrischen Pumpen aufzuteilen, insbesondere um Motoren mit begrenzten, spezifischen Leistungsniveaus und Abmessungen (nicht mehr als 7 bis 8 KW) zu gebrauchen.
In vorteilhafter Weise weist die Einrichtung zum Zuführen des Sekundärfluids ferner ein Messventil auf, dass zwischen dem Diffusorstab und der Messpumpe zum Zuführen des Sekundärfluids angeordnet ist.
Das Primärfluid kann durch eine elektrische Pumpe des Schraubentyps und/oder Getriebetyps und/oder Kolbentyps und/oder Hohlscheibentyps und/oder Mehrfachscheibentyps zugeführt werden. Eine elektrische Schraubentyppumpe mit Einstellung der Durchflussrate und des Drucks durch einen einstellbaren Bypass ist bevorzugt. Zentrifugalpumpen sind nicht zweckmäßig.
Der auf das Primärfluid aufgebrachte Druck kann beispielsweise 0,5 bis 1 bar und bis zu 400 bar und mehr gemäß der chemisch-physikalischen Eigenschaften des Sekundärfluids und gemäß der Eigenschaften der elektrischen Pumpe sein, die das Sekundärfluid fördert, da die Pumpen automatisch einen Druckabfall delta-p (Δp) des Sekundärfluids aufbringen, so dass es in die erste Primärkammer eingeführt werden kann.
Vorteilhaft ist der erteilte Druck derjenige, der am besten durch den Typ der elektrischen Pumpe in Bezug auf deren Zuverlässigkeit möglich ist, jedoch auch in Bezug auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Arbeitsfluide und in Bezug auf die Eigenschaft der elektrischen Pumpe, die das Sekundärfluid fördert und die auf das Sekundärfluid einen Druck aufzubringen hat, der zumindest 1 und/oder 2 bar in Bezug auf den Primärdruck in einer automatischen Weise ge steigert ist. Für diesen Zweck ist die Zuführanordnung des Sekundärdruckes, die vorgesehen ist, eine elektrische Pumpe des pulsierenden Kolbentyps.
Die Temperatur der Fluide muss die geeignetste in Bezug auf die geeignetste Arbeitsviskosität des Betriebsfluids und seines chemisch-physikalischen Inhalts sein.
Alternativ weist die Einrichtung zum Zuführen der Fluide in die erste Zuführkammer einer Einrichtung zum Zuführen des Primärfluids und des Sekundärfluids auf, möglicherweise vorgemischt jedoch dosiert in Bezug zu jedem anderen in den geeignetsten Verhältnissen.
Die Einrichtungen zum Ablassen der Mikroemulsion aus der Vorrichtung weisen zweckdienlich ein Rohr auf, das mit einem Steuerventil versehen ist.
In vorteilhafter Weise ist eine Druckeinstellvorrichtung an dem Rohr in einer Position angebracht, die stromaufwärts des Steuerventils liegt.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann durch eine teilweise mechanische Anordnung mit mehreren Kavitationskammern gebildet sein, die bevorzugt koaxial und durch Fluide an deren Außenflächen beeinflusst sind und die, durch in der Außenfläche gebildete Löcher in geeigneter Größe und mit Winkeln (in Bezug auf die Horizontalakte) in Bezug auf die Eigenschaften der meisten der vorgesehen Fluide und der Abmessung der verschiedenen abfolgenden Kavitationskammern (optional eine innerhalb der anderen angeordnet), die Fluide beschleunigt, die durch diese von der Außenseite einwärts fließen, um diese in dem gesamten eingenommenen Volumen durch die sehr große Turbulenz zu verteilen.
Der Prozess wird jederzeit wiederholt, wenn die Fluide von der Primärkammer zu der letzten Kavitationskammer hin fließen, d. h., in der Ausführungsform mit koaxialen Kammern, die innerhalb jeder anderen angeordnet sind, von der Außen kammer in die innere Kammer. Der Fluss der Fluidmasse und deshalb der Prozess tritt mit einem Weg von der Außenseite nach innen und nicht umgekehrt in dem Beisein eines Diffusors auf, der das Fluid intern aufnimmt und in ein äußeres Volumen beschleunigt, bekannt als ein Direktfluss-Diffusor. Folglich kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung als ein Rückflussdiffusor bezeichnet werden.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ausgebildet, die Fluide mit einem Turbineneffekt zu versehen, die durch sie durchfließen; dieser Ausdruck wird verwendet, da die Fluide, die mit Energie versehen sind, gegen die Außenfläche jeder Kammer gestoßen werden (was in typischen Turbinen in Bezug auf die Propellerflügel auftritt).
Die Energie der Fluide wird jedoch nicht übertragen, um Bewegung zu liefern, wie im Fall des Fluids einer Turbine eines Propellerflügeln eines Rades, aber sie wird beibehalten bis zum Ausgang aus der letzten Kavitationskammer, d. h. der innersten, wodurch die justierten und gewinkelten Löcher die Geschwindigkeit, die die Fluide erreicht haben, n-mal höher als die Geschwindigkeit beim Eintritt in die erste Kavitationskammer ist und die aufgebrachte Energie werden verwendet, um Mikrozellen zu bilden, die von den Fluiden gebildet werden, die an dem Prozess beteiligt sind.
Die bestimmte Geometrie und Abmessung jeder Kavitationskammer, die Anzahl der Löcher jeder Kammer, der Durchmesser und Winkel der Löcher und deshalb die Energie, die auf die Fluide aufgebracht wird, erzeugen eine starke Turbulenz, wie durch die Annahmen gewünscht ist, auf denen die Erfindung basiert.
Definitionsgemäß sind die Eigenschaften einer turbulenten Bewegung unregelmäßig von der Geschwindigkeit jeden Partikels, welches das Fluid bildet (und/oder die Fluide), sowohl wenn sie in Kontakt mit Fluidströmungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten kommen und als auch wenn die Fluide in Kontakt mit festen Wänden fließen.
Die Eigenschaften einer Turbulenz sind deshalb die Unregelmäßigkeit der Geschwindigkeit jedes Partikels des Fluids und das chaotische Verhalten der Partikel in Bezug auf die Kontinuität und Konstanz seiner Trajektorie.
Da es unmöglich ist, die momentanen Werte jedes Faktors in Bezug auf die Fluidpartikel zu bestimmen, die in dem Prozess beteiligt sind, nimmt das erfindungsgemäße System einen "Mischweg" jedes Partikels des sekundären Fluids (in Bezug auf den Turbineneffekt, d. h. die turbulente Bewegung) derart an, dass das Partikel einen Zustand erreicht, in dem es seine Individualität verliert und in der Gesamtheit aufgeht.
Der angenommene Turbineneffekt, der in dieser Situation plausibel ist, kann nicht der isotropische sein, da eine Antriebsbewegung, die in jedem Punkt des Prozessvolumens identisch ist, nicht absehbar ist, und der Effekt kann nicht der "freie" sein, aufgrund des Vorhandenseins der Wände und auf jedem Fall aufgrund der Nähe der Wände zu beiden dem Fluid und zu jeder anderen.
Man kann jedoch Situationen von "erzwungenen Turbulenz" annehmen, da die Fluidströme in Kontakt mit den festen Wänden sind, und von "anisotropischen Turbulenz", da die Turbulenz in der Nähe der festen Wände mit Sicherheit absehbar ist.
Der involvierte Prozess steigert die Reibungskoeffizienten und den Koeffizienten der Wärmeübertragung zwischen dem Fluidstrom und der festen Wand.
Der Turbineneffekt und deshalb auch die hohe Turbulenz werden durch beidseitig axiale Versetzung der Position der Löcher von jeder Kammer in Bezug auf die folgende unterstützt, insbesondere von jeder Außenkammer in Bezug auf die nachfolgende innere Kammer.
Die Anwendung von hochenergetischen Permanentmagneten (außerhalb der Primärkammer angeordnet, die aus nicht magnetischem Material hergestellt ist, und welche die nachfolgenden Kammern aus magnetisierbarem Material enthält) hat, obwohl möglich, keinen Einfluss, da das magnetische Feld nur durch die erste Kavitationskammer schließt, in der zusätzlich weder der Zustand der Turbulenz noch die Geschwindigkeit des Fluids in dem Loch das maximale Niveau hat. Auch durch die Anwendung von Ultraschallsystemen mit Wandlern des piezoelektrischen- oder magnetostriktiven Typs auf die Oberfläche der ersten Kammer wird die mechanische Wirkung oder Kavitationswirkung auf das beeinflusste Fluid nicht verbessert, wenn die Kavitationskammern konzentrisch und koaxial sind.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer stabilisierten, zerstäubten Mikroemulsion, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Vormischen eines Sekundärfluids mit einem Primärfluid, um eine Vormischung bereitzustellen, beispielsweise eine Makrozellenemulsion;
b) Aussetzen der Vormischung einer Reihenfolge von Fließschritten bei einer höheren Durchschnittsgeschwindigkeit, abwechselnd mit Fließschritten bei einer niedrigeren Durchschnittsgeschwindigkeit, wobei die Hochgeschwindigkeitsfließschritte mit Geschwindigkeitswerten vorgesehen sind, die sich graduell steigern.

Bevorzugt ist die Steigerung der Geschwindigkeit in den Schritten des Hochgeschwindigkeitsflusses von einem ersten Schritt eines Hochgeschwindigkeitsflusses zu einem letzten Schritt eines Hochgeschwindigkeitsflusses zumindest vierfach, bevorzugter achtfach.
Die wechselseitige Abfolge von Fließschritten bei höherer Durchschnitssflussgeschwindigkeiten und von Fließschritten bei niedrigeren Durchschnittsgeschwindigkeiten des Verfahrens gemäß der Erfindung kann durch Durchlassen einer gegeben Flussrate eines vorgemischten Fluids abwechselnd durch engere und weitere Fließbereiche bereitgestellt werden.
In diesem Fall sind beide, die engeren Fließbereiche und die weiteren Fließbereiche entlang des Weges der Fluide graduell reduziert.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und sein Betrieb werden nun im Detail unter Bezug auf 1 beschrieben. Die Erfindung muss durch diese Ausführungsform als eingeschränkt betrachtet werden, die als nicht einschränkendes Beispiel präsentiert wird.
Die Vorrichtung weist eine äußere Primärkammer C1 und eine Reihenfolge von Kavitationskammern C1 bis C5 auf. Die Primärkammer C1 ist der Behälter für alle anderen Kavitationskammern C2 bis C5, die innerhalb desselben installiert sind.
Das Sekundärfluid dringt in die Primärkammer durch ein direktes Diffusorelement A1 ein, welches einen perforierten Diffusorstab aufweist. Die Achse der Löcher ist in Bezug auf die Longitudinalachse des Diffusorstabs um 25° geneigt. Die Neigung ist derart, um das Sekundärfluid in die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die Eintrittsrichtung abzulenken.
Die Kammer C1 nimmt an einem Ende das Primärfluid auf und für einen zuverlässigen Betrieb ist (sind) der Einlass (die Einlässe) des Sekundärfluids (der Sekundärfluide) rechtwinklig angeordnet.
Vormischen mit der Bildung von chaotischen und heterogenen Makrozellen tritt in der Kammer C1 auf.
Die Kavitationskammern C2, C3, C4 und C5, die den Turbineneffekt mit Rückdiffusion erzeugen, fördern das vollendete Fluid (Mikroemulsion) zu dem Auslass des Systems gemäß dem "Rückflussdiffusions"-Konzept.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung:

– hat die Kammer C2 doppelt so viele Löcher wie die Kammer C3;
– ist der Durchmesser der Löcher der C2 der doppelte Durchmesser der Löcher der C3;
– beträgt die Neigung der Löcher der C2 in Bezug auf die Longitudinalachse des Systems 25° und das Fluid dringt von rechts nach links ein;
– hat die Kammer C3 doppelt so viele Löcher wie die Kammer C4;
– ist der Durchmesser der Löcher der C3 der doppelte von den Löchern der C4;
– beträgt die Neigung der Löcher der C3 in Bezug auf die Longitudinalachse des Systems 25° und das Fluid dringt von links ein und verlässt es nach rechts (das Gegenteil zu dem, was in der Kammer C2 auftritt);
– hat die Kammer C4 viermal so viele Löcher wie die Kammer C5;
– ist der Durchmesser der Löcher der C4 doppelt zu dem Durchmesser der Löcher der C5;
– beträgt die Neigung der Löcher der C4 in Bezug auf die Longitudinalachse des Systems 15° und das Fluid dringt von rechts ein und verlässt es nach links (das Gegenteil zu dem, was in der Kammer C3 auftritt);
– hat die Kammer C5 ein Viertel der Löcher der Kammer C4;
– ist der Durchmesser der Löcher der C5 die Hälfte des Durchmessers der Löcher der C4;
– beträgt die Neigung der Löcher der C5 in Bezug auf die Longitudinalachse des Systems 15 ° und das Fluid dringt von links ein und verlässt es nach rechts (das Gegenteil in Bezug auf das, was in der Kammer C4 auftritt);
– verlässt das Fluid die Kammer C5 und deshalb das Systems, und die gebildete Mikroemulsion ist vollendet, milchig und derart, keine Auftrennung des Sekundärfluids (beispielsweise Wasser) zuzulassen, selbst wenn es thermischen Variationen und/oder Zentrifugationen bis zu Werten von über 30.000 m/s² für über 60 Minuten nach Erwärmen auf 50 ° C ausgesetzt wird;
– haben die Kammern C2, C3, C4, C5, wie in 1 gezeigt, eine Blindfläche S1, wobei jede Fläche S2 fest mit dem Kammersatz verbunden ist; die Kammern sind fest mit der C1 beispielsweise durch Schweißen und/oder Schrauben und/oder Anflanschen gekoppelt;
– können die Sätze C2, C3, C4, C5 deshalb an C1 lediglich durch Schraub- oder Flanschverbinden zu Wartungszwecken angebracht werden, wie in der Zeichnung gezeigt wird;
– ist das Rohr, das den Ablass der Emulsion fördert, mit einem Steuerventil (beispielsweise vom Nadeltyp mit Kalibrierung) versehen, um den Betriebsdruck der Fluide gemäß den Anforderungen einstellen zu können;
– ist zwischen dem Ventil und dem System, wie in 1 gezeigt ist, eine zwischengesetzte Drucksteuerung der elektronischen Art (Drucksteuerungsfern schalter) und es sind dort zwei ausschließlich einstellbare (Min.-Max.) Drucksteuerungen vorgesehen; eine elektronische Druckmessung kann in geeigneter Weise ebenfalls am Einlass des Systems vorgesehen sein. Die zwei Instrumente lassen es zu, den Druckverlust der Fluide zwischen dem Einlass und dem Auslass des Systems abzuschätzen.

Die Eigenschaften einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in Tabelle 1 angegeben.
Die Daten beziehen sich auf ein System des Typs, das für eine Leistungsfähigkeit von 20.000 kg/Stunde einer Mikroemulsion aus Wasser-Brennöl zum Zuführen der Heizeinheiten einer industriellen Leistungsstation vorgesehen ist. Die Viskosität des Brennöls beträgt 380 × 10^–6 m²/s (50°E) bei 50°C (ungefähr (380 cSt)). Die Betriebstemperatur beträgt 85°C und die Betriebsviskosität ist ungefähr 45,5 × 10^–6 m²/s (6°E) (ungefähr 45,5 cSt). Der Betriebsdruck beträgt 20 bar. Das Wasser ist unbehandeltes Leitungswasser und der Betriebsdruck beträgt 22 bar.
Anmerkungen:
Bewegungsgeschwindigkeit W in Meter pro Sekunde = Flussrate in den Löchern in Liter/Stunde (q) / Querschnitt der Löcher in mm² (S) Mit dem Größenverhältnis W = 0,278 q/S, in Meter/Sekunde
Die Daten bezogen auf ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden in Tabelle 2 angegeben.
Das Beispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung des Typs mit drei internen Kammern für eine theoretischen Gesamtflussrate von 150 bis 17.000 kg/Stunde (Liter/Stunde). Der Durchschnittsbetriebsdruck beträgt 25 bar, die Viskosität des Primärfluids beträgt 50°E bei 50°C, die Dichte des Primärfluids beträgt 0,98 kg/dm³, und die Betriebstemperatur beträgt 80°C.
Gesamtdurchlässe in den Löchern: 188
Verhältnis der Volumen zur Anzahl der Zeiten:
V₁>V₂=5
V₁<V₃=12
V₁>V₃=60
Das in der Tabelle 2 beschriebene System und die gezeigten Abmessungen ermöglichen eine Anwendung mit Flussraten von 17.000 kg/h (17.000 l/h) im Beisein von Fluiden mit Dichten von bis zu 1,5 kg/dm³ und Viskositäten von bis zu 45,5 × 10^–6 m²/s (6°E) (ungefähr 45,5 cSt) bei einer Temperatur von 80 – 85°C.
Wie vorstehend angegeben, sind die Abmessungen, die Geometrie, die Anzahl der Löcher und deren Querschnitte in der Tat möglich auch mit Fluidförderdrücken bis zu 35 bis 40 bar.
Die maximale Flussrate in dem Loch der innersten und am meisten limitierenden Kammer C3 ist näherungsweise 531 l/h, d. h. ungefähr 8,9 l/min, und die Geschwindigkeit in dem Loch der C3 ist ungefähr gleich 21 m/s, d. h. ungefähr fünfmal höher als die Geschwindigkeit in dem Loch der C1, die lediglich 4,3 m/s beträgt. Dieses Verhältnis, das immer mehr als mindestens viermal zwischen der innersten Kammer und der äußersten Kammer beträgt, ist wesentlich, um die Mikroemulsion in den Räumen und Mikrozeiten zu erhalten, die durch die Abmessungen des Systems möglich sind.
Das gezeigte System, geeignet für eine minimale Produktivität von 150 kg/h und hoch bis zu einem Maximum von 17.000 kg/h (und/oder Liter/Stunde) gibt eine angezeigte Abmessung mit einem minimalen Durchmesser von 290 mm und einer minimalen Länge von 320 mm bis zu einem maximalen Durchmesser von 600 mm und einer Länge von 800 mm vor.
Unter Verwendung anderer, früherer Technologien, würde das System nicht aus einer einzelnen Einheit zusammengesetzt sondern zumindest aus vier Einheiten mit Gesamtabmessungen von 3.000 mm × 1.400 × 1.700 h und mit einer Gesamtaufnahmeleistung von 27 kW in Bezug auf 6 kW des Beispielssystems.
Die Steigerung der Bewegungsgeschwindigkeit in den Löchern gemäß den gezeigten Parametern, die in den Beispielen unter Bezug auf Tabelle 1 und 2 angegeben sind, ist fundamental. Die gezeigten Geschwindigkeiten sind in Systemen mit einer einfachen Kavitationskammer nicht möglich, die, obwohl mit einem Einlass/Auslassdiffusor mit unterschiedlichen Kalibrierungen aber in einer Leitung angeordnet sind, keinen gleichmäßigen Fluss im Beisein derart unterschiedlicher Parameter ermöglichen, beispielsweise die Fundamentale zwischen den Kammern C2 und C5, da der Druck des Fluids, um Betriebsheterogenität herzustellen, beim Einlass aufgrund der Kavitation der elektrischen Pumpe und ebenfalls aufgrund des kontinuierlichen Einfluss des thermischen Kontaktes zum Schutz des Fernschalters, der den Pumpenmotor ansteuert, zu einem derart hohen Wert im Hinblick auf die hohen Stromspitzen ansteigen würde, auf die der Motor ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert eine Mikroemulsion, dessen Zellabmessungen 0,2–0,15 mm nicht übersteigen, und das Sekundärfluid, in der Gesamtmikroemulsion, kann auch 70% in dem Fall von beispielsweise Wasser und flüssigen Kohlenwasserstoffen betragen, die als Heiz- oder Antriebsbrennstoffe verwendet werden.
Andere Beispiele für Primär- und Sekundärfluide zum Vorbereiten von Mikroemulsionen gemäß der Erfindung können destilliertes Wasser und aktive Elemente sein, die aus Kräutern erhalten wurden, optional mit oberflächenaktiven Stoffen, um Medikamente, Cremes, Zahnpasten oder Nahrungsmittelgeschmacksstoffe zu bilden.
Die Industrialisierung und Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung hat extrem niedrige Kosten zur Folge, was außerordentlich unterschiedlich zu den Kosten ist, die jede bekannte Technologie zur Folge hat.
Der Prozess, der in der Vorrichtung gemäß der Erfindung auftritt, bezieht sich auf fluid-dynamische Aspekte, in denen der Fluidmischprozess im Hinblick auf die hohe Turbulenz unverzüglich ist, die durch die beträchtliche Steigerung der Geschwindigkeit der Bewegung in den Löchern bewirkt wird.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann durch ein einzelnes Modul aufgebaut sein, das jede Dimension annehmen kann gemäß der gewünschten Kapazität ohne dafür notwendigerweise eine Vielzahl von Modulen zur Folge zu haben, die in Serie und/oder in Parallelität angeordnet sind. Dies führt zu einer beträchtlichen Einsparung bei den Kosten und der Zeit für Produktion, Wartung, Aufstellung und elektrischen Leistung.
Wo technische Merkmale, die in einem Anspruch erwähnt werden, von einem Bezugszeichen gefolgt werden, wurden diese Bezugszeichen für den einzigen Zweck zur Steigerung der Lesbarkeit der Ansprüche eingeführt und folglich haben derartige Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf die Interpretation jedes Elementes, das als Beispiel durch derartige Bezugszeichen identifiziert wurde.

Claims

Emulgierungsvorrichtung zum Bilden stabilisierter, zerstäubter Mikroemulsionen, die eine Primärkammer (C1) und eine Reihenfolge von zumindest zwei seriell angeordnete Kavitationskammern (C2 – C5), eine Einrichtung zum Zuführen eines Primärfluids oder -fluiden und eines Sekundärfluids oder -fluiden, entweder getrennt oder vorgemischt, in die Primärkammer (C1) und eine Einrichtung für den Auslass der Mikroemulsion aus der letzten Kavitationskammer (C5) der Reihenfolge der Kavitationskammern zu der Außenseite der Vorrichtung hin aufweist, bei der die Primärkammer (C1) und die zumindest zwei Kavitationskammern (C2 – C5) miteinander durch Fluiddurchlassvorrichtungen fluid-verbunden sind, und die Durchlassvorrichtungen ausgebildet sind, eine Geschwindigkeit der Fluide während des Durchlasses durch die Durchlassvorrichtungen zu erzeugen, die graduell von der Primärkammer (C1) bis zu der letzten Kavitationskammer (C5) der Reihenfolge der Kavitationskammern ansteigt, wobei die erste Kavitationskammer (C2) der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) zumindest teilweise innerhalb der Primärkammer (C1) angeordnet ist und die anderen Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) jeweils zumindest teilweise innerhalb der vorherigen in der Reihe der Kavitationskammern angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassvorrichtungen ausgebildet sind, eine Geschwindigkeit der Fluide während des Durchlasses durch die Durchlassvorrichtungen zu der letzten Kavitationskammer von der vorherigen in der Reihenfolge der Kavitationskammern zu erzeugen, die mindestens vierfach, bevorzugt achtfach, im Bezug auf die Geschwindigkeit der Fluide während des Durchlasses durch die Durchlassvorrichtungen von der Primärkavitationskammer zu der ersten Kavitationskammer gesteigert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) jeweils innerhalb der vorherigen Kavitationskammer in der Reihenfolge der Kavitationskammern angeordnet sind und die Reihenfolge der Kavitationskammern innerhalb der Primärkammer (C1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärkammer (C1) und die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) im Wesentlichen parallele Achsen aufweisen oder koaxial sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) jeweils eine blinde Wand (S1) aufweisen, die im Wesentlichen mit rechten Winkeln zu den Achsen ausgebildet ist und zu der vorherigen Kavitationskammer in der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) beidseitig fest gekoppelt und mit der ersten Kavitationskammer (C2) und der Primärkammer (C1) fest gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen für den Durchlass der Fluide Löcher in den Wänden der Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher longitudinale Löcher aufweisen, die in Bezug auf die Achse der entsprechenden Kavitationskammer geneigt sind und die Neigung der Achsen der Löcher jeder Kavitationskammer der Reihenfolge der Kavitationskammern entgegengesetzt zu der Neigung der Achsen der Löcher der vorherigen und der nachfolgenden Kavitationskammern der Reihenfolge der Kavitationskammern (C2 – C5) ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Zuführen des Sekundärfluids einen Diffusorstab aufweist, der mit Löchern versehen ist, die im Bezug auf die longitudinale Achse des Stabes geneigt sind, und die Neigung der Löcher derart ist, um zu ermöglichen, das Sekundärfluid innerhalb der Primärkammer in die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die Richtung des Eintritts in den Stab anzutreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung für das Sekundärfluid ferner ein Sicherheits- und/oder Einwegventil für das (die) Sekundärfluid(e) aufweist, das zwischen dem Diffusorstab und einer messenden Pumpe zum Zuführen des Sekundärfluids angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ablassen der Mikroemulsion ein Rohr aufweist, das mit einem Steuerventil versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Einstellen des Druckes an dem Rohr stromaufwärts des Steuerventils aufweist.
Verfahren zum Erzeugen einer stabilisierten, zerstäubten Mikroemulsion, mit den folgenden Schritten: a) Vormischen eines Primärfluids mit einem Sekundärfluid, um eine Vormischung zu bilden; b) Aussetzen der Vormischung in eine Emulgierungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 in einer Reihenfolge von Fließschritten bei einer ersten Geschwindigkeit abwechselnd mit Fließschritten bei einer zweiten Geschwindigkeit, wobei die erste Geschwindigkeit höher als die zweite Geschwindigkeit ist und die Fließschritte bei der höheren Geschwindigkeit bei Geschwindigkeitswerten vorgesehen ist, die graduell von einem ersten Fließschritt bei höheren Geschwindigkeiten zu einem letzten Fließschritt bei höheren Geschwindigkeiten ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit in den Fließschritten bei höherer Geschwindigkeit zumindest vierfach, bevorzugt achtfach und mehr, von einem ersten Fließschritt bei höherer Geschwindigkeit zu einem letzten Fließschritt bei höherer Geschwindigkeit der Abfolge der Fließschritte bei höherer Geschwindigkeit gesteigert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Fließschritten bei niedrigerer Geschwindigkeit die Fluide eine Bewegung mit einem Turbineneffekt zulassen.