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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen
Filtrieren von Flüssigkeiten
mittels Ultraschall hoher Leistungsdichte.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum
kontinuierlichen Filtrieren von Flüssigkeiten mittels einer modularen
röhrenförmigen Ultraschallbehandlungseinheit,
die gleichzeitig als äußeres Gehäuse für ein zylindrisches
Filterelement und als Ultraschallquelle hoher Leistungsdichte dient.
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Eine
derartige modulare Behandlungseinheit ist im Einzelnen in dem französischen
Patent
FR 2 671 737 oder
in dem entsprechenden europäischen Patent
EP 0 567 579 beschrieben.
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Auf
dem Gebiet der Filtrierung von Flüssigkeiten sind bereits etliche
Vorrichtungen bekannt, die in einem Hohlraum für die Filtrierung, in dem eine Flüssigkeit
strömt,
Filtrierungselemente aufweisen, die die Flüssigkeit durchläuft und
die die zu filtrierenden Partikel zurückhalten.
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Außerdem sind
Vorrichtungen zum Reinigen und Regenerieren von Filtrierungselementen
durch wiederholtes Erzeugen eines Flüssigkeits-Gegenstroms bekannt,
was eventuell gleichzeitig mit der Erzeugung von Ultraschallschwingungen
in dem Hohlraum für
die Filtrierung erfolgt. Diese Schwingungen können durch eine Ultraschallschwingungsquelle
erzeugt werden, die an dem Hohlraum angebracht ist oder die in das
Innere des Hohlraums ragt, so dass sie sich in der Nähe der Filtrierungselemente
befindet.
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Der
Reinigungseffekt, den man mit Ultraschallschwingungen erzielt, geht
auf den physikalischen Effekt der Kavitation in den Flüssigkeiten
zurück,
was dem Fachmann allgemein bekannt ist.
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Außerdem sind
Vorrichtungen zum Filtrieren bekannt, bei denen während des
Filtrierungsprozesses kontinuierlich Ultraschallschwingungen erzeugt werden,
die die Filtrierung unterstützen.
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Beispielsweise
ist es möglich,
den Durchsatz von Teilchen mit einer Größe unterhalb der Maschenweite
oder Poren der Filtrierungselemente mit Hilfe einer geraden zylindrischen
Sonotrode zu erzwingen, wie sie üblicherweise
im Labor verwendet werden, vorausgesetzt dass das Ende der Sonotrode
ausreichend nahe an den besagten Elementen angeordnet ist, so dass
die Amplitude der Schwingungen in der Flüssigkeit, die im Kontakt mit
dem Filtrierungselement steht, groß genug ist.
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Eine
derartige Vorrichtung bleibt auf Laborbedingungen beschränkt bzw.
auf sehr niedrige Durchflussraten und wird kaum für den Dauerbetrieb bei
einem Herstellungs prozess Berücksichtigung
finden, da die Sonotrode eine Geometrie aufweist, bei der die nutzbare
Schwingungsoberfläche
notwendigerweise zu klein ist.
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Außerdem sind
Vorrichtungen bekannt, bei denen Ultraschallschwingungen in einer
Kammer erzeugt werden, in der sich die Filtrierungselemente befinden.
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Im
Allgemeinen ist diese Kammer mit den Elementen zum Erzeugen und/oder
für die
Ausbreitung der Schwingungen akustisch nicht verbunden, so dass
die nutzbare akustische Leistung, die in Höhe der Filtrierungselemente übertragen
wird, begrenzt ist und es nicht zulässt, dass eine homogene Verteilung
dieser Leistung an den Filtrierungselementen erzielt wird.
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In
EP 0 904 820 wird eine derartige
Vorrichtung für
das kontinuierliche Filtrieren von Flüssigkeiten beschrieben, die
ein Filtrierungselement umfasst, das in einem äußeren Gehäuse untergebracht ist und durch
einen Ultraschallwandler in Ultraschallschwingungen versetzt wird.
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Es
gibt weitere Ultraschallschwingungsquellen, die in Flüssigkeiten
eingetaucht werden können, wie
zum Beispiel Tauchröhren.
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Diese
haben eine große
nutzbare schwingende Oberfläche.
Mit ihnen lässt
sich jedoch nur eine beschränkte
Leistungsdichte für
die Kavitation erzeugen, die häufig
nicht ausreicht (weniger als 1 W/cm2 der
Filtrierungsoberfläche),
um den Filtrierungsprozess wesentlich zu verbessern.
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Wie
im Fall des Filtrierungselements kann sie außerdem nur außerhalb
der Ultraschallröhren angebracht
werden, so dass sich bei diesem Aufbau der Nachteil ergibt, dass
er demzufolge voluminös
ist und die Verwendung von Filtern mit großem Durchmesser und einem externen
röhrenförmigen Gehäuse notwendig
macht.
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Bis
heute gibt es keine Vorrichtung zum Filtrieren von Flüssigkeiten,
die die folgenden Bedingungen befriedigt:
- – Umsetzen
einer Ultraschallschwingung zum Verbessern der kontinuierlichen
Filtrierung,
- – Erzielen
einer homogenen Verteilung der Ultraschallleistung für die Kavitation über die
gesamte Filtrierungsoberfläche,
- – Erzielen
einer mittleren Ultraschallleistung an der Oberfläche, die
deutlich größer als
2 Watt pro cm2 der Filtrierungsoberfläche ist,
- – kompakter
Aufbau,
- – einsetzbar
im industriellen Maßstab.
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Dieser
Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, genau diese oben genannten
Bedingungen zu erfüllen.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zum kontinuierlichen Filtrieren von Flüssigkeiten
mit einem Filtrierungselement innerhalb eines Gehäuses geschaffen,
das durch einen Ultraschallwandler in Ultraschallschwingungen versetzt
wird, die dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein röhrenförmiger metallischer Körper mit
zylindri scher Innenfläche
und kreisförmigem
Querschnitt ist, der an seinen zwei Enden für den Einlass und den Auslass
offen ist, wobei die Außenfläche des
röhrenförmigen metallischen Körpers in
der Nähe
der Knotenzone einen mit der Röhre
koaxialen und radial vorspringenden Kragen aufweist, wobei dieser
Kragen an seinem Rand mit einem Ultraschallwandler ausgestattet
ist, der radial vorspringt und dessen Frequenz der Schwingungsfrequenz
des Kragens und der longitudinalen Schwingungsfrequenz des röhrenförmigen metallischen
Körpers
entspricht, wobei der röhrenförmige metallische
Körper,
der Kragen und der Ultraschallwandler zusammen eine modulare Einheit
zur Ultraschallbehandlung bilden, wobei das zylindrische Filtrierungselement
eine Oberfläche
für die
Filtrierung von wenigstens etwa 50 cm2 und
vorzugsweise von etwa 80 cm2 mit einer Maschenweite von weniger
als etwa 20 μm
aufweist und in dem röhrenförmigen metallischen
Körper
in koaxialer Art und Weise zu letzterer zwischen dem Einlass- und
Auslassende angeordnet ist, wobei die nominale Ultraschallleistungsdichte
in dem röhrenförmigen metallischen
Körper größer als
etwa 2 Watt pro cm2 der Filtrierungsoberfläche beträgt.
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Gemäß einer
weiteren Eigenschaft der Erfindung ist die Länge des röhrenförmigen metallischen Körpers gleich
einem ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Ultraschallfrequenz
von dem Wandler, wobei der Innen- und Außendurchmesser des Kragens
so bestimmt wird, dass die Schwingungsfrequenz des Kragens bei der
gleichen Ultraschallschwingungsfrequenz liegt wie die, die durch
den Wandler erzeugt wird.
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Gemäß einer
weiteren Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird das zylindrische
Filtrierungselement ausgewählt
unter metallischen gewebten oder nicht gewebten, auf metallischen
Trägern aufgebrachten
Filtern, synthetischen gewebten oder nicht gewebten, auf metallischen
Trägern
aufgebrachten Filtern, metallischen mehrlagigen gesinterten Filtern
und mineralischen oder metallischen selbsttragend gesinterten Filtern.
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Gemäß einer
besonderen Eigenschaft der Erfindung ist das filtrierende zylindrische
Element mit dem röhrenförmigen metallischen
Körper über Verbindungsteile
verbunden, die derart aufgebaut sind, dass die zu filtrierende Flüssigkeit
entweder von außen
nach innen in das filtrierende Element strömt oder umgekehrt von innen
aus dem filtrierenden Element nach außen in Bezug auf letzteres
strömt.
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Gemäß einer
weiteren Abwandlung der Erfindung sind die Verbindungsteile zwischen
dem röhrenförmigen metallischen
Körper
und dem filtrierenden zylindrischen Element wie auch der Kreis für die Umwälzung des
Fluids, das behandelt werden soll, derart aufgebaut, dass die Filtrierung
nach dem Prinzip der tangentialen Filtrierung abläuft.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Filtrieren, die
in einem Umwälzkreis
für die
zu filtrierende Flüssigkeit
integriert ist, wobei letztere es ermöglicht, den Druckunterschied
zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Vorrichtung zu messen und
diesen Druckunterschied einzustellen, indem der Durchsatz der Flüssigkeit
in dem Kreis und/oder der Druckverlust unterhalb der Vorrichtung
geregelt wird.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Filtrierungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
die in einem Umwälzungskreis für die zu
filtrierende Flüssigkeit
integriert ist, wobei letztere es ermöglicht, das Filtrierungselement
wiederholt im Gegenstrom zu reinigen, wenn der bestehende Druckunterschied
zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Filtrierungselements einen
vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Betreiben einer Filtrierungsvorrichtung nach der
obigen Beschreibung, bei dem die Intensität der Kavitation in der zu
filtrierenden Flüssigkeit
durch Einstellung der Ultraschallschwingungsleistung und/oder durch
Wahl der Form eines Verstärkers
zwischen dem Ultraschallstrahler und der Außenfläche des Kragens eingestellt
wird, der in der Nähe
der Knotenzone des röhrenförmigen metallischen
Körpers
radial vorspringt.
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Ferner
ermöglicht
die Erfindung den Aufbau eines Ultraschallfilters, der als Hintereinanderschaltung
oder Parallelschaltung von mehreren modularen Einheiten für die Ultraschallerzeugung
gemäß der obigen
Beschreibung aufgebaut ist, wobei ein zylindrisches Filtrierungselement
verschlossen wird, so dass sich eine Kette von mehreren Filtern
ergibt. Ein derartiger Ultraschallfilter kann mehrere Wandler umfassen,
die parallel durch denselben Generator versorgt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf zwei spezielle
Ausführungsformen
genauer beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind, wobei 1 und 2 eine erste
einfache Ausführungsform
der Filtrierungsvorrichtung zeigen und 3 eine Ausführungsform
für tangentiale
Filtrierung zeigt. In den Figuren und in der folgenden Beschreibung
sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
den 1 bis 3 ist die modulare Ultraschallbehandlungseinheit 12 oder
der röhrenförmige Ultraschallreaktor 12 dargestellt.
Der Aufbau besteht im Wesentlichen aus drei essentiellen, charakteristischen
Elementen. Die modulare Einheit 12 umfasst zunächst einen
röhrenförmigen metallischen
Körper 11 mit
einer Innenfläche 13,
die zylindrisch ist und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Der röhrenförmige metallische
Körper 11 ist
an beiden Enden, das heißt
an seinem Einlassende 10 und an seinem Auslassende 15,
offen. Die beiden Enden 10, 15 für Einlass
und Auslass sind mit Einlass- und Auslassleitungen verbunden, die
eventuell ihrerseits mit Umwälzpumpen
verbunden sind. Dieser Teil des Aufbaus ist nicht dargestellt, wobei
davon ausgegangen wird, dass Einrichtungen der üblichen Art verwendet werden,
die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
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Die
modulare Einheit 12 weist außerdem auf einer Außenoberfläche des
röhrenförmigen metallischen
Körpers 11 in
der Nähe
der Knotenzonen der letzteren, einen Kragen 17 auf, der
koaxial mit der Röhre
ist, wobei der Kragen in Bezug auf die freie Oberfläche des
röhrenförmigen Körpers 11 radial nach
außen
vorspringt.
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Schließlich umfasst
die modulare Einheit 12 wenigstens einen Ultraschallwandler 19,
der radial und fest mit dem Kragen 17 verbunden am Rand
des letzteren angeordnet ist. Die Frequenz des Wandlers 19 ist
gleich der Schwingungsfrequenz des Kragens 17 und der longitudinalen
Schwingungsfrequenz des röhrenförmigen metallischen
Körpers 11.
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In
der Praxis verwendet man als Ultraschallwandler 19 beispielsweise
einen klassischen Wandler, beispielsweise von der Art eines piezoelektrischen
Erregers. Er kann beispielsweise vom Typ "Langevin Triplet" sein, wie er in "High Intensity Ultrasonics" von B. Brown und
J. E. Goodman beschrieben wird.
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Bei
der speziellen Ausführungsform
nach den 1 bis 3 wird der
koaxiale Kragen 17 direkt aus der Masse des röhrenförmigen metallischen Körpers 11 gefertigt.
Bei dieser Herstellung ist der Kragen 17 mit der Außenfläche des
röhrenförmigen Körpers 11 über Verbindungskehlen 21 verbunden. Der
röhrenförmige metallische
Körper 11 hat
bei der beschriebenen Ausführungsform
eine Länge,
die der halben Wellenlänge
der verwendeten Frequenz entspricht. Man beachte in dieser Beziehung,
dass die Frequenz der Ultraschallschwingungen des Emitters oder
des Wandlers 19 zwischen 5 und 100 kHz liegt. Bei dieser
speziellen Ausführungsform
ist die Länge des
röhrenförmigen metallischen
Körpers
exakt gleich der halben Wellenlänge
der Ultraschallfrequenz. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auf
jeden Fall möglich,
auf ein röhrenförmiges metallisches Teil
größerer Dimension
zurückzugreifen,
das sich beispielsweise auf einer oder beiden Seiten des koaxialen
Kragens 17 über
eine Länge
erstreckt, die gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge der abgegebenen
Frequenz ist, wobei die Verbindung dieses metallischen Teils mit
der modularen Einheit 12 beispielsweise in Höhe der Bäuche der Längsamplituden
(Belastungsknoten) mittels Gewinde, Einpressenden, Verschweißungen oder ähnlichem
sowie auch Fertigung aus dem Vollen hergestellt werden kann.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann die modulare Einheit 12 für die Ultraschallerzeugung
ein SONITUBE 20 oder 35 kHz sein, der von der Firma SODEVA
vertrieben wird.
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Bei
dem einfachen Filtrierungsaufbau nach den 1 und 2 sorgt
eine nicht dargestellte Pumpe dafür, dass die Flüssigkeit,
die gefiltert werden soll, in eines der Enden des modularen Ultraschallreaktors 12 eintritt.
Die zu filtrierende Flüssigkeit
tritt dann über
das Teil 16 oder 18 in das Filtrierungselement 14 ein.
Wenn das Eingangsteil das Teil 16 ist, wird die Flüssigkeit
durch das Filtrierungselement 14 von innen nach außen filtriert,
bevor sie über die
in das Teil 18 gebohrten Löcher 20 austritt.
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Der
Druckgradient in der Vorrichtung kann eingestellt werden, indem
der Durchsatz der nicht dargestellten Pumpe geregelt wird. Diese
befindet sich oberhalb der Vor richtung. Zusätzlich oder alternativ kann
die Öffnung
eines Ventils eingestellt werden, das sich unterhalb der Vorrichtung
befindet. Druckmessfühler,
die sich oberhalb und unterhalb der Vorrichtung befinden, können vorzugsweise
die Vorrichtung ergänzen,
wobei alles gegebenenfalls in einer industriellen Einheit installiert
sein kann, die durch einen programmierbaren Automaten gesteuert wird.
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Bei
einer weiteren Variante des einfachen Filtrierungsaufbaus ist das
Einlassteil in dem modularen Ultraschallreaktor 12 das
Teil 18; bei dieser Variante tritt die zu filtrierende
Flüssigkeit
durch die in das Teil 18 gebohrten Löcher 20 in den modularen
Ultraschallreaktor 12 ein und wird dann durch das Filtrierungselement 14 von
außen
nach innen filtriert, bevor sie über
das Teil 16 ausströmt.
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In
einem Beispiel für
den Aufbau für
tangentiale Filtrierung, der in 3 dargestellt
ist, haben die Sperreinrichtungen und Verbindungseinrichtungen 22 eine
zusätzliche
Bohrung, die eine doppelte Verbindung des röhrenförmigen Ultraschallreaktors 12 nach
außen
ermöglichen.
Eine erste Verbindung erfolgt über
die zentrale Bohrung 24 und stellt die Verbindung von innerhalb
des Filtrierungselements 14 nach außen dar. Eine zweite Verbindung
erfolgt über die
zusätzliche
Bohrung 26 und stellt die Verbindung von außerhalb
in das Filtrierungselement 14 dar.
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Bei
diesem Aufbau tritt die zu filtrierende Flüssigkeit durch die in das Teil 28 gebohrten
Löcher in
den modularen Ultraschallreaktor 12 ein. Die Pfeile in 3 zeigen
die Zirkulationswege der Flüssigkeit. Die
Flüssigkeit
teilt sich in zwei Teile auf: der erste Teil fließt durch
und wird in dem Filtrierungselement 14 von außen nach
innen filtriert, bevor er den modularen Ultraschallreaktor 12 über die
zentrale Bohrung 24 in dem Teil 22 verlässt, während sich
der zweite Teil der Flüssigkeit
tangential an dem Filtrierungselement 14 vorbeibewegt,
bevor er den Reaktor über
die Zusatzbohrung 26 verlässt.
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Zwei
Ventile unterhalb der Vorrichtung, eines in dem Kreis mit der zentralen
Bohrung 24, das andere in dem mit der Zusatzbohrung, ermöglichen
die Einstellung des jeweiligen Durchflusses in jedem Kreis.
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Vorzugsweise
kann die vorliegende Erfindung, soweit sie in einem Flüssigkeitskreis
eingesetzt wird, Gegenstand wiederholter Gegenstrom-Reinigungsvorgänge in dem
Filtrierungselement sein, die vorzugsweise automatisch ausgelöst werden,
sobald der Druckunterschied zwischen oberhalb und unterhalb des
Filtrierungselements einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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Als
Folge des Vorangehenden wird erfindungsgemäß eine kontinuierliche Ultraschallschwingung
erzeugt, um den Filtrierungsprozess zu verbessern. Damit wird es
möglich,
eine homogene Verteilung der Ultraschallleitung an der Filtrierungsoberfläche zu erreichen.
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Ein
erstes Beispiel für
die Anwendung des Aufbaus, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist,
hat in der Praxis zufriedenstellende Ergebnisse geliefert.
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Der
röhrenförmige Ultraschallreaktor 12 ist ein
SONITUBE 35 kHz, Standardausführung
der Firma SODEVA, mit 225 mm Länge
und 20 mm Innendurchmesser, der in vertikaler Position angeordnet wurde.
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Das
Filtrierungselement 14, das verwendet wurde, ist vom Typ
Poremet 5 μm
absolut; es hat einen Außendurchmesser
von 12 mm und eine Länge von
225 mm.
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Eine
Lösung
von Titankarbid in Wasser mit 15 Gew.-% in Form von Pulver, das
kleiner als 2 μm ist,
wurde gemäß der Erfindung
filtriert, um die Rückstände von
der Herstellung und die Agglomerate abzuschöpfen. Die Lösung wird mit einem Durchsatz von
10 Litern pro Minute aus einem geschüttelten Reservoir abgepumpt.
Sie fließt
durch einen röhrenförmigen Ultraschallreaktor 12 von
unten nach oben und durch das Filtrierungselement 14 von
innen nach außen.
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Die
granulometrische Analyse der Lösung zeigt,
dass der Durchlauf größer als
99 Masse-% der festen Phase ist. Ohne Ultraschall nimmt jedoch der Druck
stromaufwärts
rapide zu, und die Flüssigkeit tritt
nach etwa einer Minute nicht mehr durch das Filtrierungselement 14 hindurch.
Der Filter ist verstopft.
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Bei
Ultraschall bleibt der Druck an jedem Punkt des Kreises konstant,
der Druckabfall innerhalb des röhrenförmigen Ultraschallreaktors
beträgt weniger
als 100 mb. Nach Ablauf von 12 Minuten, das heißt 120 Litern Lösung oder
21 kg Karbidpulver, hat der Filter 3,6 Gramm an Partikeln zurückgehalten,
ist aber nach wie vor porös.
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In
einem zweiten Beispiel ist der röhrenförmige Ultraschallreaktor
ein SONITUBE 20 kHz in Standardausführung von SODEVA mit einer
Länge von 370
mm und einem Innendurchmesser von 50 mm, angeordnet in vertikaler
Position und montiert für
tangentiale Filtrierung, wobei es Ventile unterhalb des Filtrierungselements
ermöglichen,
den Druckunterschied zwischen oberhalb und unterhalb des Filtrierungselements
zu modulieren.
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Das
verwendete Filtrierungselement ist ein Filter Poremet 10 μm mit 40
mm Durchmesser und 30 mm Länge.
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Eine
Lösung
von gemahlenem Silizium in Wasser mit 10 Masse-% in Form eines granulometrischen
Pulvers zwischen 1 μm
und 40 μm
wird mit der Erfindung aufgeteilt, wobei der Grenzwert bei 10 μm liegt.
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Die
Lösung
wird zunächst
in dem unteren Teil des röhrenförmigen Ultraschallreaktors 12 ohne Filter
entklumpt. Ein Teil der Flüssigkeit
durchläuft das
Filtrierungselement, wobei der größere Teil der Partikel kleiner
als 10 μm
ist, während
ein kleinerer Teil der Flüssigkeit
die anderen Partikel mitnimmt und außerhalb des Filtrierungselements
zurücklässt, bevor
er selbst den Reaktor verlässt.
Im Betrieb stellt man fest, dass die Druckwerte bis zum Verbrauch von
50 Litern Lösung
konstant bleiben.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines röhrenförmigen Ultraschallreaktors
12 vom Typ SONITUBE 35 kHz, Standardausführung der Firma SODEVA, mit 225
mm Länge und
20 mm Innendurchmesser wurde gemäß einer
Ausführungsform,
die in den 1 und 2 dargestellt
ist, in horizontaler Position angeordnet.
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Das
Filtrierungselement 14 ist ein Filter Poremet 2 μm mit einem
Durchmesser von 12 mm und einer Länge von 225 mm.
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Es
handelt sich darum, eine Lösung
von Aluminiumpulver in Wasser mit 5 Masse%, die zum Polieren gedacht
ist, zu filtrieren. Das Ziel besteht darin, Teilchen zu eliminieren,
die größer als
2 μm sind.
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Die
Lösung
wird mit einem Durchsatz von 5 Litern pro Minute gepumpt. Der Druckunterschied zwischen
oberhalb und unterhalb des Filtrierungselements bleibt nach 20 Minuten
unter 1 Bar, trotz der Bildung einer Widerstandsschicht von ungefähr 3 mm
um das Filtrierungselement herum.
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Ein
einfacher Gegenstrombetrieb ohne Ultraschall ermöglicht es, den Widerstand zu
beseitigen, indem das Filtrierungselement wiederhergestellt wird durch
Beseitigung aller Partikel, die sich in den Poren des Filtrierungselements
gefangen haben.