EP0515732B1 - Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen - Google Patents

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EP0515732B1
EP0515732B1 EP91121438A EP91121438A EP0515732B1 EP 0515732 B1 EP0515732 B1 EP 0515732B1 EP 91121438 A EP91121438 A EP 91121438A EP 91121438 A EP91121438 A EP 91121438A EP 0515732 B1 EP0515732 B1 EP 0515732B1
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cavitation element
resonance chamber
chamber
gas
ultrasonic
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/238—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using vibrations, electrical or magnetic energy, radiations

Definitions

  • Device for loading viscous liquids with gases in particular polyols for the production of polyurethanes with preferably carbon dioxide.
  • Sonochemical reactions are known per se, for example, from the DE magazine “Spectrum of Science", April 1969, pages 60-66.
  • a sonochemical reaction is generated by introducing the gas into one or both of the liquid formulation components and sonicating the two-phase mixture using an ultrasound generator.
  • the ultrasound is generated using piezoelectric or magnetostrictive materials.
  • Such materials for example barium-lead titanate and the structure of such ultrasonic generators, are known.
  • the invention has for its object to propose a device for loading a liquid phase with gas, which has a high efficiency and can be used industrially.
  • the invention makes use of the knowledge that this amount must also be made available in a suitable manner in order to dissolve a large amount of gas in a liquid.
  • the treatment of a bubble mixture, which is generated, for example, by simply introducing the gas into the liquid, is not sufficient for this.
  • the efficiency is significantly improved if the sonochemical reaction acts on a fine gas-liquid suspension.
  • a two-stage process is therefore proposed, according to which a fine gas-liquid suspension is first generated by mechanical cavitation and this suspension is then exposed to the action of ultrasonic transducers in a specially designed resonance room.
  • the better gas loading of, for example, polyol for the production of polyurethane can, for example, bring about a reduction in the density of the foam, which ultimately means better thermal insulation.
  • FIG. 1 shows a partially schematic cross section through an embodiment of the device with a prechamber, resonance chamber and part of the amplitude transformer.
  • the centerpiece of the device is the resonance chamber 10, which consists of four cloverleaf-shaped, paired chambers 12 which each have a concave, bowl-shaped rear side 12 and are open to the center of the resonance chamber.
  • An ultrasonic transducer 14 is arranged in each of the chambers 12, that it can be freely flowed around by the liquid-gas mixture to be loaded.
  • These are, for example, membrane plates made of barium lead titanate, as are used for conventional water nebulizers.
  • the membrane plates or piezo elements are held by two adjacent star-shaped contact spiders, via which the elements are supplied with current.
  • the edge of the elements is overlapped by finger-shaped extensions of the contact spiders, as is indicated in the figure by the reference number 16.
  • the contact spiders are separated from one another by insulating foils in order to supply the piezo elements with current in a suitable manner.
  • the electrical supply to the contact spiders takes place via the electrodes 18 and 20.
  • the provision of conventional copper contacts is not possible, for example, in the gas loading of polyols.
  • the ultrasound transducers are therefore excited by a process computer-supported frequency generator, the voltage emitted by the element being used as a control variable, so that the ultrasound transducers always work with maximum amplitude. Due to the bandwidth of the possible frequencies, the resonance chamber must have a certain size, which at the same time guarantees the desired high flow rate.
  • the resonance chamber 10 is supplied with a fine liquid-gas mixture or a liquid-gas suspension via a prechamber 22.
  • the pre-chamber 22 is supplied with liquid, for example polyol, via the feed line 24.
  • the gaseous phase, for example carbon dioxide, is fed in via the feed line 26.
  • a cavitation element 28 is arranged in the antechamber 22, which is disc-shaped and is attached to the end of a rapidly rotating, self-supporting shaft.
  • the cavitation element has different curvatures on its lower and upper side.
  • the top i.e. the side facing the shaft is more curved than the underside, which can have a flatter profile.
  • a plurality of axial bores 30 are arranged in the disc-shaped cavitation element 28, which allow a liquid flow from the underside of the element to the top.
  • the peripheral edge of the cavitation element is designed to be razor-sharp in order, as in the case of the aircraft wing, to prevent flow as far as possible.
  • the cavitation element according to the invention now, when rotating at about 3000 to 8000 revolutions per minute, has the effect that, due to the Bernoulli effect, a pressure difference between the top and Underside arises, which causes an intensive axial flow through the bores 30.
  • the mixing is so intense that the bubble mixture introduced into the prechamber is transformed into a fine suspension in a very short time.
  • the cavitation element which is preferably used in connection with the device according to the invention, can of course also be used in isolation and independently as a mixing element for producing the finest foams and suspensions. However, it is particularly preferred to use it in the prechamber of the device according to the invention, in which a suspension is generated, which is further refined in the resonance space by the energy of the ultrasound transducers and the cavitation effects caused thereby.
  • the cavitation element had a diameter of 42 mm and a speed of 3000 to 8000 revolutions per minute. In the suspension produced, the gas bubbles had an average diameter of 0.6 mm.
  • an amplitude transformer 32 Downstream of the resonance chamber 10 is an amplitude transformer 32, which essentially consists of a solid core, around which spirally wound channels wind, which are arranged in the manner of a multi-start helix.
  • the frequency of the ultrasonic transducer is reduced and the amplitude is increased by the different speed of sound in the material of the amplitude transformer.
  • the suspension flowing through the channels is thereby further refined, ie the gas bubbles are split up again and divided.
  • the amplitude transformer 32 leaving suspension is quasi transparent, ie the gas bubbles are so small that they cannot be seen with the naked eye - the gas was physically dissolved.
  • the frequency is reduced from 1.6 MHz to 1.1 MHz. At the same time, the amplitude of the vibration increases accordingly.
  • the device shown is primarily suitable for gas loading polyol in the production of polyurethane foam, it can also be used to produce polyether foams. Instead of gas loading the formulation components under high pressure, foaming can be carried out at normal pressure and temperature when using the device according to the invention.
  • the device according to the invention was able to reduce the bulk density by about 10%.
  • the loading of polyol with carbon dioxide could be increased tenfold from 1.2 g per 20 ml by using the device according to the invention.
  • the foams produced using the device are characterized by a lower density and a lower thermal conductivity or better insulation.

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Description

  • Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethanen mit vorzugsweise Kohlendioxid.
  • Zur Verbesserung der Dämmeigenschaften von Schaumstoffen, insbesondere Polyurethansystemen, wurde bereits vorgeschlagen, einer oder beiden Rezepturkomponenten ein Treib- oder Zellgas zuzusetzen, das in einer sonochemischen Reaktion dispergiert und/oder gelöst wird.
  • Sonochemische Reaktionen sind beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", April 1969, Seiten 60-66 an sich bekannt. Eine sonochemische Reaktion wird dadurch erzeugt, daß man das Gas in eine oder beide der flüssigen Rezepturkomponenten einleitet und das Zweiphasengemisch mit Hilfe eines Ultraschallgenerators beschallt. Der Ultraschall wird mittels piezoelektrischer oder magnetostriktiver Materialien erzeugt. Derartige Materialien, beispielsweise Barium-Blei-Titanat sowie der Aufbau solcher Ultraschallgeneratoren, sind bekannt.
  • Es ist noch nicht genau bekannt, welche Vorgänge sich bei der sonochemischen Reaktion abspielen, man nimmt aber an, daß die Flüssigkeitsmoleküle durch die aufgrund der Schockwellen entstehenden Kapillarwellen aufgespreizt werden. Im pulsierenden Ultraschallfeld wird durch das Implodieren der Kavitionsbläschen ein Unterdruck in der Flüssigkeit erzeugt, wodurch die Gasmoleküle in Lösung gehen.
  • Die technische Anwendung des skizzierten und an sich bekannten Effekts bedingt jedoch eine sorgfältige Abstimmung der physikalischen und chemischen Randbedingungen mit den konstruktiven Möglichkeiten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beladung einer flüssigen Phase mit Gas vorzuschlagen, die einen hohen Wirkungsgrad hat und industriell eingesetzt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß zur Lösung einer größeren Menge Gas in einer Flüssigkeit diese Menge auch in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt werden muß. Die Behandlung eines Blasengemisches, das beispielsweise durch einfaches Einleiten des Gases in die Flüssigkeit erzeugt wird, reicht dafür nicht aus. Der Wirkungsgrad wird entscheidend verbessert, wenn die sonochemische Reaktion auf eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension einwirkt. Vorgeschlagen wird daher ein zweistufiges Verfahren, nach dem zunächst eine feine Gas-Flüssigkeitssuspension durch mechanische Kavitation erzeugt wird und diese Suspension dann in einem speziell ausgebildeten Resonanzraum der Wirkung von Ultaschallwandlern ausgesetzt wird. Durch die bessere Gasbeladung beispielsweise von Polyol für die Herstellung von Polyurethan läßt sich beispielsweise eine Dichteverringerung des Schaumstoffs bewirken, was letztlich eine bessere Wärmedämmung bedeutet.
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt einen teilweisen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung mit Vorkammer, Resonanzraum und einem Teil des Amplitudentransformers.
  • Kernstück der Einrichtung ist der Resonanzraum 10 der aus vier kleeblattförmig, sich paarweise gegenüberliegenden Kammern 12 besteht, die jeweils eine konkave gewölbte, schüsselförmige Rückseite 12 aufweisen und zum Mittelpunkt des Resonanzraums offen sind. In jeder der Kammern 12 ist ein Ultraschallwandler 14 so angeordnet, daß er von dem zu belandenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch frei umströmt werden kann. Es handelt sich beispielsweise um Membranplatten aus Barium-Blei-Titanat, wie sie für konventionelle Wasservernebler verwendet werden. Die Membranplatten oder Piezoelemente werden von zwei aneinander anliegenden sternförmigen Kontaktspinnen gehalten, über welche die Elemente mit Strom versorgt werden. Dabei wird der Rand der Elemente von fingerförmigen Fortsätzen der Kontaktspinnen übergriffen, wie es in der Figur mit der Bezugsziffer 16 angedeutet ist. Die Kontaktspinnen sind durch Isolierfolien voneinander getrennt, um die Piezoelemente in geeigneter Weise mit Strom zu versorgen. Die elektrische Versorgung der Kontaktspinnen erfolgt über die Elektroden 18 und 20. Die Vorsehung üblicher Kupferkontakte ist beispielsweise bei der Gasbeladung von Polyolen nicht möglich.
  • Da die geometrische Form der Membranplatten die Frequenz bestimmt, kann eine Frequenzänderung an sich nur durch den Austausch der Membranplatten erreicht werden. Dieses Auswechseln ist jedoch umständlich und nachteilig. Erfindungsgemäß werden die Ultraschallwandler daher durch einen prozeßrechnergestützten Frequenzgenerator erregt, wobei die vom Element abgegebene Spannung als Steuergröße verwendet wird, so daß die Ultraschallwandler immer mit maximaler Amplitude arbeiten. Bedingt durch die Bandbreite der möglichen Frequenzen muß der Resonanzraum eine bestimmte Größe aufweisen, die jedoch gleichzeitig den gewünschten hohen Durchfluß garantiert.
  • Statt der gezeigten kleeblattförmigen Anordnung von vier Ultraschallwandlern können natürlich auch mehrere Wandler kreisförmig angeordnet und radial auf den Mittelpunkt ausgerichtet sein.
  • Der Resonanzraum 10 wird über eine Vorkammer 22 mit einem feinen Flüssigkeits-Gasgemisch bzw. einer Flüssigkeits-Gas-Suspension versorgt. Die Vorkammer 22 wird über die Zuleitung 24 mit Flüssigkeit, beispielsweise Polyol beschickt. Die gasförmige Phase, beispielsweise Kohlendioxid, wird über die Zuleitung 26 eingespeist.
  • In der Vorkammer 22 ist ein Kavitationselement 28 angeordnet, das diskusförmig ausgebildet ist und am Ende einer schnell rotierenden, freitragenden Welle befestigt ist. Das Kavitationselement weist auf seiner Unter- und seiner Oberseite unterschiedliche Wölbungen auf. Vorzugsweise ist die Oberseite, d.h. die der Welle zugekehrte Seite stärker gewölbt, als die Unterseite, die ein flacheres Profil aufweisen kann. In dem diskusförmigen Kavitationselement 28 sind mehrere axiale Bohrungen 30 angeordnet, die eine Flüssigkeitsströmung von der Unterseite des Elements zur Oberseite ermöglichen. Der periphere Rand des Kavitationselements ist messerscharf ausgebildet, um, ähnlich wie beim Flugzeugflügel, eine Umströmung möglichst zu verhindern.
  • Das erfindungsgemäße Kavitationselement hat nun, wenn es sich mit etwa 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute dreht, die Wirkung, daß, infolge des Bernoulli-Effekts, eine Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite entsteht, die eine intensive axiale Strömung durch die Bohrungen 30 bewirkt. Die Durchmischung ist so intensiv, daß in kürzester Zeit das in die Vorkammer eingeleitete Blasengemisch in eine feine Suspension transformiert wird.
  • Das Kavitationselement, das vorzugsweise im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eingesetzt wird, kann natürlich auch isoliert und selbstständig als Mischelement zur Erzeugung feinster Schäume und Suspensionen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch seine Verwendung in der Vorkammer der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der eine Suspension erzeugt wird, die im Resonsanzraum durch die Energie der Ultraschallwandler und die damit hervorgerufenen Kavitationseffekte weiter verfeinert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform hatte das Kavitationselement einen Durchmesser von 42 mm und eine Drehzahl von 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. In der dabei erzeugten Suspension hatten die Gasbläschen einen mittleren Durchmesser von 0,6 mm.
  • Dem Resonsanzraum 10 nachgeschaltet ist ein Amplitudentransformer 32, der im wesentlichen aus einem massiven Kern besteht, um den herum sich spiralförmig Kanäle winden, die in der Art einer mehrgängigen Schraubenlinie angeordnet sind. Durch die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit im Material des Amplitudentransformers wird die Frequenz des Ultraschallwandlers erniedrigt und die Amplitude erhöht. Die die Kanäle durchströmende Suspension wird dadurch noch weiter verfeinert, d.h. die Gasbläschen werden nochmals aufgespalten und geteilt. Die den Amplitudentransformer 32 verlassende Suspension ist quasi transparent, d.h. die Gasbläschen sind so klein, daß sie mit freiem Auge nicht wahrgenommen werden können - das Gas wurde physikalisch gelöst. Im Amplitudentransformer findet beispielsweise eine Reduzierung der Frequenz von 1,6 MHz auf 1,1 MHz statt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Amplitude der Schwingung entsprechend.
  • Wenn auch die gezeigte Einrichtung in erster Linie zur Gasbeladung von Polyol im Rahmen der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff geeignet ist, so können damit auch Polyätherschäume erzeugt werden. Statt einer Gasbeladung der Rezepturkomponenten unter hohem Druck kann bei Verwendung der erfindunsgemäßen Einrichtung bei normalem Druck und normaler Temperatur geschäumt werden.
  • Bei der Herstellung von Polyurethan konnte mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Verringerung der Rohdichte um etwa 10 % erreicht werden. Die Beladung von Polyol mit Kohlendioxid konnte von 1,2 g pro 20 ml durch Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung verzehnfacht werden.
  • Die unter Verwendung der Einrichtung erzeugten Schaumstoffe zeichnen sich durch ein geringeres Raumgewicht und eine geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. bessere Dämmwirkung aus.

Claims (11)

  1. Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethan mit vorzugsweise Kohlendioxid, gekennzeichnet durch einen Resonanzraum (10), in dem wenigstens ein Ultraschallwandler (14) freischwingend gelagert ist, eine dem Resonanzraum (10) vorgeschaltete Vorkammer (22), in welcher ein mechanisches Kavitationselement (28) angeordnet ist, durch welches eine innige Vermischung des in die Vorkammer (22) eingeleiteten Gases und der Flüssigkeit bewirkt wird, und einen der Resonanzkammer (10) nachgeschalteten Amplitudentransformer (32).
  2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Resonanzraum (10) zentralsymmetrisch ausgebildet ist und eine solche Form hat, daß die Energie mehrerer, sich jeweils paarweise gegenüberliegender oder kreisförmig angeordneter Ultraschallwandler (14) im geometrischen Mittelpunkt des Resonanzraums (10) fokussiert wird.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich jeweils zwei Ultraschallwandler (14) Paarweise gegenüberliegen.
  4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ultraschallwandler (14) jeweils in einer zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) offenen Kammer (12) angeordnet sind und die Rückwand der Kammer (12) konkav gewölbt ist, so daß darauf abgestrahlte Energie zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) reflektiert wird.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ultraschallwandler (14) Membranplatten sind, die frei umströmbar zwischen zwei elektrisch voneinander isolierten sternförmigen Kontaktspinnen gelagert sind, die in der Wand der Kammer (12) verankert sind und über welche die Ultraschallwandler mit elektrischem Strom versorgt werden.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Kavitationselement (28) eine diskusartige Form hat und am Ende einer schnell rotierenden fliegend gelagerten Welle befestigt ist.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Kavitationselement (28) axial zur Antriebswelle gerichtete Bohrungen (30) aufweist und die Wölbung der beiden Hauptflächen des Kavitationselements, d.h. Unterseite und Oberseite unterschiedlich sind, so daß bei Drehung des Kavitationselements eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Kavitationselements entsteht, die eine axiale Strömung der Flüssigkeit durch die Bohrungen (30) hervorruft.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Übergang der Bohrungen (30) in die gewölbte Unter- bzw. Oberseite des Kavitationselements (28) gerundet ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zur Antriebswelle gerichtete Oberseite des Kavitationselements (28) stärker gewölbt ist, d.h. einen kleineren Krümmungsradius aufweist, als die Unterseite, die ein flacheres Profil besitzt.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der radial äußere Rand des Kavitationselements (28) messerscharf ausläuft.
  11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Amplitudentransfomator (32) mehrere enge Kanäle aufweist, die, wie die Gänge einer mehrgängigen Schraube, einen massiven Kern umgeben und die von der Flüssigkeits-Gas-Suspension vom Resonanzraum (10) zum Ausgang durchströmt werden.
EP91121438A 1991-04-25 1991-12-13 Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen Expired - Lifetime EP0515732B1 (de)

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DE4113578 1991-04-25

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EP0515732A1 EP0515732A1 (de) 1992-12-02
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