EP0644271A1

EP0644271A1 - Verfahren zur herstellung eines frei dispersen systems und einrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP0644271A1
Application number: EP92903375A
Authority: EP
Inventors: Oleg Vyacheslavovich Kozjuk; Alexandr Anatolievich Litvinenko
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1995-03-22
Also published as: EP0644271A4; US5492654A; WO1994013392A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung, die den Kavitationseffekt ausnutzen.

Das Verfahren umfasst die Durchlassung eines hydrodynamischen Stroms durch einen Durchflusskanal (5) mit einem darin untergebrachten schlecht umströmbaren Körper (7), der für eine lokale Stromeinengung zumindest in zwei Abschnitten (12, 13) sorgt, und die Erzeugung eines Kavitationsfeldes hinter demselben. Das Verhältnis der Stromgeschwindigkeit in jedem von den Abschnitten (12, 13) zur Geschwindigkeit des frei dispersen Systems am Austritt aus dem Kanal (5) wird gleich 2,1 und der Kavitationsgrad mindestens 0,5 aufrechterhalten.

Die Einrichtung enthält einen schlecht umströmbaren Körper (7), der aus mindestens zwei Elementen besteht, welche die Formierung der eigenen Kavitationsfelder, die sich durch den Kavitationsgrad unterscheiden, sicherstellen.

Die Erfindung wird beforzugt für die Zubereitung von Emulsionen angewendet.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Hydrodynamik, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems und auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Weitgehend bekannt sind Verfahren zur Herstellung von frei dispersen Systemen, im besonderen von Lyosolen, verdünnten Suspensionen und Emulsionen, welche den Kavitationseffekt ausnutzen. Diese Systeme sind fluid und die Teilchen der dispersen Phase haben keine Kontakte, beteiligen sich an der ungeordneten Wärmebewegung, bewegen sich frei unter der Wirkung der Schwerkraft. Bei diesen Verfahren laufen die Prozesse der Emulgierung und Dispergierung im Ergebnis von Kavitationseinwirkungen ab, die in einem zu behandelnden Strom hydrodynamisch durch eine schroffe Änderung der Strömungsgeometrie zielgerichtet erzeugt werden.
Es sind auch Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren weit bekannt, bei denen ein in einem Durchflusskanal in Richtung des hydrodynamischen Stroms angeordneter schecht umströmbarer Körper das Hauptelement ist. Die Erscheinung der hydrodynamischen Kavitation besteht in der Bildung von mit einem Dampfgasgemisch gefüllten Hohlräumen im Inneren des Flüssigkeitsstroms oder an der Grenze des schlecht umströmbaren Körpers infolge einer durch die Flüssigkeitsbewegung bedingten lokalen Druckabsenkung. Die vermischende, emulgierende und dispergierende Einwirkung der hydrodynamischen Kavitation ist das Resultat einer grossen Anzahl der Kraftwirkungen von zusammenstürzenden Kavitationsblasen auf das zu behandelnde Gemisch von Komponenten. Das Zusammenstürzen der Kavitationsblasen in der Nähe der Trenngrenze der Phasen "Flüssigkeit - feste Teilchen" wird von der Dispergierung dieser Teilchen in der Flüssigkeit und von der Bildung einer Suspension begleitet, im System "Flüssigkeit - Flüssigkeit" aber von der Zerkleinerung der einen Flüssigkeit in der anderen und der Bildung einer Emulsion. In den beiden Fällen geschieht die Zerstörung der Trenngrenze der durchgehenden Phasen, d.h. deren Erosion, und die Bildung eines Dispersionsmediums und einer dispersen Phase.
Die meisten Modelle, die den Mechanismus des Prozesses der kavitaionsbedingten Emulgierung und Dispergierung erläutern, basieren gegenwärtig auf der Ausnutzung einer kumulativen Hypothese der Kavitationseinwirkung auf eine zu zerstörende Oberfläche. Der Prozess der kavitationsbedingten Dispergierung hängt mit der Bildung von kumulativen Mikro-Stromfäden zusammen. Es wird angenommen, dass infolge der Wechselwirkung einer Stosswelle, die durch zusammenstürzende Kavitationsblasen erzeugt wird, mit den an der Phasengrenze befindlichen Blasen kumulative Mikro-Stromfäden gebildet werden. Eine intensive Vermischung und Dispergierung erklärt sich durch die Bildung von Mikrowirbeln hoher Intensität und den nachfolgenden Zerfall der kumulativen Mikro-Stromfäden. Der Prozess der Zerkleinerung der Flüssigkeit ist durch auf diese einwirkende Tangentialspannungen bedingt, die an den Grenzen der kavitationsbedingten Mikrowirbel entstehen, während die Dispergierung der festen Teilchen infolge des hydrodynamischen Eindringens des kumulativen Mikro-Stromfadens in das Teilchen geschieht.
Ausser den Erosionseffekten, die durch das Zusammenstürzen der Kavitationsblasen bewirkt werden, entstehen auch andere physikalisch-chemische Effekte, welche zusätzliche Faktoren einer Intensivierung der technologischen Prozesse sind. Es muss auch darauf hingewiesen werden, dass einen wesentlichen Einfluss auf die Erosionsaktivität der Kavitationsblasen die physikalischen Charakteristiken des zu behandelnden Stroms des Gemisches von Komponenten ausüben. Beispielsweise setzt eine Erhöhung der Viskosität die Effektivität der Kavitationseinwirkung herab. Dasselbe geschieht bei einer Verminderung der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und der Dichte sowie bei einer Vergrösserung des Gasgehaltes der Flüssigkeit.
Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems- einer Suspension aus Faserstoffen, das die Durchlassung eines hydrodynamischen Stroms von Faserstoffen durch einen Durchflusskanal mit einem darin quer zum Strom angeordneten schlecht umströmbaren Körper, welcher für eine lokale Stromeinengung sorgt, und die Erzeugung hinter diesem eines hydrodynamischen Kavitationsfeldes, das auf den Strom der Faserstoffe bis zur Bildung ihrer Suspension einwirkt, umfasst.
Für die Realisierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wurde eine Einrichtung vorgeschlagen, die ein Gehäuse, das eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung aufweist, und auf der Seite der Eintrittsöffnung hintereinander angeordnete und miteinander in Verbindung stehende: einen Konfusor, einen Durchflusskanal mit einem darin untergebrachten einteiligen zylindrischen schlecht umströmbaren Körper und einen Diffusor enthält (US, A, 3834982).
Das beschriebene Verfahren und die Einrichtung zu dessen Realisierung gewährleisten keine hinreichende Effektivität des Prozesses der Vermischung und Dispergierung von Faserstoffen, da die Intensität des entstehenden Kavitationsfeldes nicht hoch ist und keine Möglichkeit zu seiner Regelung besteht. Zur Herstellung einer hochwertigen Suspension von Faserstoffen ist eine intensive "harte" Einwirkung erforderlich. Zu den Parametern, die die Intensität der Energieeinw irkung das hydrodynamischen Kavitationsfeldes bestimmen, gehören der Kavitationsgrad und die Behandlungsrate. Der Kavitationsgrad wird durch das Verhältnis einer charakteristischen Grösse der Kavitationsfeldausdehnung zur Grösse des schlecht umströmbaren Körpers in dessen Querschnitt an der Stelle der lokalen Stromeinengung bestimmt, während die Behandlungsrate durch die Anzahl der Zonen der Kavitationseinwirkung auf den Strom der zu behandelnden Komponenten gekennzeichnet ist. Die Bauart des schlecht umströmbaren Körpers in der beschriebenen Einrichtung ist eine solche, dass eine im zylindrischen Hinterteil entstehende Kaverne bei Ablösung und Zerstörung im Gebiet hoher Drücke ein Kavitationsfeld mit einem niedrigen Kavitationsgrad und einem einmaligen Behandlungsgrad bildet. Der Prozess der Dispergierung von Faserstoffen verläuft ohne die "harte" Einwirkung auf dieselben. Die Qualität der erhaltenen Suspension ist nicht hoch. Wegen der fehlenden Möglichkeit, die Intensität des Kavitationsfeldes zu regeln, haben das Verfahren und die Einrichtung äusserst begrenzte technologische Anwendungsmöglichkeiten.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems zu schaffen, das eine Regelung der Intensität des hyrodynamischen Kavitationsfeldes und eine passende Auswahl seiner Parameter unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Komponenten eines zu behandelnden Stromes ermöglicht, was es erlauben würde, nach ihren physilalisch-chemischen Charakteristiken verschiedene Komponenten gleich effektiv zu benandeln, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer solchen Bauart des schecht umströmbaren Körpers zu entwickeln, die es gestattet, die Behandlungsrate unter gleichzeitiger Erhöhung des Kavitationsgrades zu regeln, was die Qualität des hergestellten frei dispersen Systems bedeutend erhöhen und die technologischen Möglichkeiten des Verfahrens erweitern würde.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems, das die Durchlassung eines hydrodynamischen Stroms von Komponenten durch einen Durchflusskanal mit einem darin untergebrachten schecht umströmbaren Körper, welcher für eine lokale Stromeinengung sorgt, und die Erzeugung hinter diesem eines hydrodynamischen Kavitationsfeldes, des auf den Strom der zu behandelnden Komponenten unter Bildung eines Stroms eines frei dispersen Systems einwirkt , umfasst, erfindungsgemäss man die lokale Stromeinengung zumindest in zwei Durchflusskanalabschnitten zustandebringt, wobei man das Querschnittsprofil eines jeden von ihnen und den Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung wählt, das Verhältnis der Geschwindigkeit des genannten Stroms in jedem dieser Abschnitte zur Geschwindigkeit des Stroms des frei dispersen Systems am Austritt aus dem Durchflusskanal mindestens gleich 2, 1 und den Kavitationsgrad des hydrodynamischen Stroms des Kavitationsfeldes mindestens 0,5 aufrechtzuerhalten.
Ein derartiges Verfahren wird es gestatten, hochwertige im Aggregatzustand beständige Lyosole, Emulsionen, Suspensionen aus nach ihren physikalisch-chemischen Charakteristiken verschiedenen Komponenten durch eine vollständigere Ausnutzung der Erosionsaktivität des Feldes der Kavitations-Mikroblasen und der Energie des Stroms der zu behandelnden Komponenten zu erhalten.
Die Aufrechterhaltung der besagten Werte der genannten Parameter (das Geschwindigkeitsverhältnis und der Kavitationsgrad) ist eine unbedingte Voraussetzung für die Entstehung und Entwicklung der hydrodynamischen Kavitation unter den erwähnten Bedingungen.
Bei einem solchen Geschwindigkeitverhältnis werden infolge der entstehenden hydrodynamischen Effekte Druckwellen gebildet, die auf das Kavitationsfeld der Blasen intensiv einwirken, welche unter Bildung von kumulativen Stromfäden zusammenstürzen. Dadurch entstehen Bedingungen für ein übereinstimmendes Zusammenstürzen von Kavitationsblasengruppen in einem lokalen Volumen unter Bildung von Raum-Druckwellen hoher Energie, bei deren Ausbreitung der Zerfall der Kavitationskavernen und das Zusammenstürzen von im Prozess des Zusammenstürzens befindlichen Kavitationsblasengruppen intensiviert werden. Beim übereinstimmenden Zusammenstürzen der Gruppen der Kavitationsblasen mit gleichen charakteristischen Abmessungen sind die Intensität und das Energiepotential des Kavitationsfeldes etwa um eine Grössenordnung höher als beim nichtübereinstimmenden Einzelzusammenstürzen der Blasen. Auf diese Weise findet die Energiekonzentration und die Erosionseinwirkung auf den Strom der zu behandelnden Komponenten statt. Eine intensive Einwirkung auf diesen Strom üben auch sekundäre Stosswellen aus, die sich beim Schlag der Mikro-Stromfäden gegen die Wände der Kavitationsblasen bei ihrer Wechselwirkung mit diesen bilden. Alles das schafft Bedingungen für das Auftreten von Schwingungswirbelungseffekten, welche die Komponenten im lokalen Volumen des Durchflusskanals intensiv vermischen und umverteilen und dieselben einer zusätzlichen Behandlung unterwerfen. Ausserdem beschleunigen die besagten Effekte den Zerfall von Kavitationskavernen, die hinter dem schlecht umströmbaren Körper entstehen, in ein gleichartigeres Feld von relativ kleinen Kavitationsblasen und bedingen eine höhere Effektivität ihres übereinstimmenden Zusammenstürzens. Durch Vergrösserung der Abschnitte der lokalen Einengung, die entsprechende Wahl des Querschnittsprofils und des Abstandes zwischen ihnen ist es gelungen, die Anzahl der Zonen der Kavitationseinwirkung auf den zu behandelnden Strom zu vergrössern und dementsprechend seine Behandlungsrate zu erhöhen.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet die Möglichkeit, die Intensität des entstenenden hydrodynamischen Kavitationsfeldes in Anpassung an die konkreten technologischen Prozessabläufe zu regeln.
Zur Erhöhung der Behandlungsrate des Komponentenstroms ist es zweckmässig, die Abschnitte der lokalen Stromeinengung aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung zu formieren.
Um das hydrodynamische Kavitationsfeld im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Durchflusskanals zu formieren und seine maximale Intensität zu erreichen, ist es wünschenswert, die Abschnitte der lokalen Stromeinengung parallel zueinander in ein und demselben Querschnitt des Durchflusskanals zu formieren.
Es ist zur Optimierung der Prozesse der Dispergierung und Emulgierung zweckmässig, in den hydrodynamischen strom von Komponenten zumindest in einem Abschnitt seiner lokalen Einengung oder unmittelbar hinter ihm eine gasförmige Komponente einzuführen.
Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass in der Einrichtung zur Herstellung eines frei dispersen Systems, die ein Gehäuse, welches eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung aufweist, und im Gehäuse auf der Seite der Eintrittsöffnung hintereinander angeordnete und miteinander in Verbindung stehende: einen Konfusor, einen Durchflusskanal mit einem darin untergebrachten schlecht umströmbaren Körper und einen Diffusor enthält, erfindungsgemäss der schlacht umströmbare Körper mindestens zwei untereinander verbundene Elemente einschliesst, deren Form und der Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung gewählt sind, hinter jedem Element sein eigenes hydrodynamisches Feld mit einem Kavitationsgrad von mindestens 0,5 zu formieren, das hinsichtlich des Kavitationsgrades von den hydrodynamischen Kavitationsfeldern der anderen Elemente verschieden ist und mit ihnen zusammenwirken kann.
Eine solche konstruktive Ausführung des schlecht unströmbaren Körpers wird es erlauben, die Intensität der Einwirkung der hydrodynamischen Kavitationsfelder auf die zu behandelnden Komponenten bei deren Vermischung, Dispergierung und Emulgierung zu regeln. Sie wird es gestatten, das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems in weitem Bereich der technologischen Möglichkeiten bei einer wesentlichen Senkung des Energieaufwandes dank einer vollständigeren Ausnutzung der Energie des zu behandelnden Stromes bei einer Erhöhung der Qualität des frei dispersen Systems zu realisieren.
Um eine zuverlässige Regelung der Intensität der Kavitationsfelder sicherzustellen und folglich die Einrichtung auf deren optimalen Betriebszustand einzustellen, ist es zweckmässig, dass der schlecht umströmbare Körper drei Elemente in Form von hohlen abgestumpften Kegeln enthält, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit ihren kleineren Grundflächen nach der Seite des Konfusors hin zeigen, wobei jeder in Strömungsrichtung vorhergehende Kegel einen Durchmesser der grösseren Grundfläche besitzt, welcher den Durchmesser der grösseren Grundfläche jedes nachfolgenden Kegels übersteigt, und wobei die Kegel an Stangen befestigt sind, die im Durchflusskanal gleichachsig mit diesem und koaxial zueinander axial verschiebbar relativ zueinander angeordnet sind.
Es ist wünschenswert, dass der Abstand zwischen jedem vorhergenenden und nachflogenden Kegel mindestens gleich 0,3 des Durchmessers der grösseren Grundfläche des vorhergehenden Kegels gewählt ist, während der Kegelwinkel jedes nachfolgenden Kegels kleiner oder im wesentlichen gleich dem Kegelwinkel jedes vorhergehenden Kegels ist.
Bei einer solchen gegenseitigen Anordnung der Elemente des schlecht umströmbaren Körpers im Durchflusskanal entsteht hinter jedem Element sein eigenes hydrodynamisches Kavitationsfeld, wobei diese Felder einen unterschiedlichen Kavitationsgrad aufweisen, der aber nicht weniger also 0,5 beträgt und durch die Geometrie dieser Elemente und die Ausdehnung des von jedem Element erzeugten Feldes bestimmt wird. Während der Vermischung, Dispergierung und Emulgierung lässt sich der Kavitationsgrad dieser Felder dank der Bewegung jedes nachfolgenden Elementes in Strömungsrichtung leicht regeln. Die Relativebewegung der Elemente gestattet es, die Lage der Abschnitte der Einengung des hydrodynamischen Stroms und folglich die Lage der hinter den Elementen entstehenden Kavitationsfelder und die Intensität ihrer Einwirkung zu ändern. Dies ermöglicht die Regelung des Kavitationsgrades und der Behandlungsrate des Stroms der zu behandelnden Komponenten.
Es ist wünschenswert, die Elemente des schlecht umströmbaren Körpers in Form einer Hemisphäre auszubilden. Bei der Ausführung der Elemente in Gestalt von Rotationskörpern gelingt es, verschiedene Formen der Kavitation, beispielsweise die Wirbel- oder die Superkavitation, in Abhängigkeit von der erforderlichen Intensität des hydrodynamischen Kavitationsfeldes leicht zu erhalten. Die Abschnitte der lokalen Einengung weisen über die Länge des Durchflusskanals ein ringförmiges Profil auf, das bei der Ausnutzung der Energie des hydrodynamischen Stroms bei der Behandlung der Komponenten optimal ist.
Zur Verminderung des Energieaufwandes durch maximale Ausnutzung der kinetischen Energie des hydrodynamischen Stromes ist es zweckmässig, dass der schlecht umströmbare Körper mindestens drei Elemente enthält, die jeweils die Form eines abgestumpften Kegels mit unterschiedlichen Kegelwinkeln haben und so angeordnet sind, dass sich ihre Achsen in der Ebene ein und desselben Querschnitts des Durchflusskanals befinden, und die mit ihren kleineren Grundflächen mit einem im Durchflusskanal gleichachsig mit diesem angeordneten Halter in Verbindung stehen, mit ihren grösseren Grundflächen aber mit der Wandung des Durchflusskanals kontaktieren, wobei die Winkel zwischen den Achsen der abgestumpfen Kegel ausgehend von der Bedingung gewählt sind, die Gleichheit der Flächeninhalte der Zwischenräume zwischen den genannten Kegeln sicherzustellen.
Zur Regelung des Kavitationsgrades der Kavitationsfelder, die hinter den abgestumpften Kegeln entstehen, ist es zweckmässig, dass die letzteren mit dem Halter drehbar um Achsen verbunden sind, welche sich in einer zur Achse des Durchflusskanals senkrechten Ebene befinden.
Bei dem gleichen Flächeninhalt der Zwischenräume wird der Strom der zu behandelnden Komponenten im Durchflusskanal gleichmässig verteilt, wodurch gleiche hydrodynamische Bedingungen für die Entstehung des eigenen hydrodynamischen Kavitationsfeldes hinter jedem der Elemente gewährleistet werden. Die Ausführung dieser Elemente in Gestalt von abgestumpften Kegeln mit unterschiedlichen Kegelwinkeln bedingt, dass ihre Durchmesser im Querschnitt in Bogenrichtung verschieden sind, wodurch die Erzeugung von verschieden intensiven Kavitationsfeldern durch dieselben bewirkt wird. Hinter jedem der Elemente bilden sich in ihrem Aufbau und ihrer Grösse verschiedene nichtstationäre wandernde Kavernen, die im Gebiet erhöhten Drucks Kavitationsblasen unterschiedlicher charakteristischer Abmessungen bilden, welche die Struktur der entstehenden Kavitationsfelder bestimmen. Diese Kavitationsfelder wirken miteinander zusammen, indem sie eine intensive Vermischung der Blasen und eine Sättigung des Stroms der zu behandelnden Elemente im gesamten Volumen des Durchflusskanals mit denselben gewährleisten. Aufgrund der polydispersen Struktur des aus einzelnen Kavitationsfeldern gebildeten Gesamtkavitationsfeldes nimmt die Einzelkonzentration der Kavitationsblasen in der Zone des Zusammenstürzens zu, welche den Effekt der Kavitationsbehandlung verstärkt. Die unterschiedlichen mittleren Durchmesser der Elemente bedingen auch unterschiedliche Häufigkeiten der Ablösung der sich hinter ihnen bildenden Kavitationskavernen. In der Zone des Zusammenstürzens wirken deshalb auf die Kavitationsblasen polyfrequente Druckimpulse ein, welche Bedingungen für das übereinstimmende Zusammenstürzen von Gruppen der Kavitationsblasen gleicher Abmessungen bestimmen. Die dabei entstehenden Stosswellen erhöhen den Druck in der Zone des Zusammenstürzens, und das breite Spektrum der polyfrequenten Druckpulsationen beeinflusst nicht nur die zusammenstürzenden Kavitationsblasen, sondern auch die im Strom wandernden Kavitationskavernen, wodurch deren Zerstörung beschleunigt und damit der Prozess der Vermischung, Dispergierung und Emulgierung der zu behandelnden Komponenten intensiviert wird.
Zur Intensivierung der Kavitationseinwirkung auf den Strom der zu behandelnden Komponenten ist es zweckmässig, dass die Einrichtung mindestens einen zusätzlichen schlecht umströmbaren Körper enthält, welcher dem Hauptkörper ähnlich ist, hinter diesem in Strömungsrichtung angeordnet ist und mit ihm durch ein elastisches Element verschiebbar längs der Achse des Durchflusskanals verbunden ist.
Der zweite schlecht umströmbare Körper vollführt unter der Wirkung des zulaufenden zu behandelnden Stromes dank dem vorhandenen elastischen Element longitudinale und radiale Selbstresonanzschwingungen, indem er Strompulsationen und eine intensive Zerstörung der Grenzschicht auf der Oberfläche der Elemente der schlecht umströmbaren Körper hervorruft , hinter denen sich die eigenen Kavitationsfelder bilden. Durch diese Kavitationsfelder geht ein Unterdruckimpuls, der ausreichend grosse Anfangsabmessungen und folglich eine hohe potentielle Energie der sich bildenden Kavitationsblasen gewährleistet. Beim nachfolgenden Durchgang eines Überdruckimpulses durch diene Kavitationsfelder geschient ein "härteres" Zusammenstürzen der Blasen. Die zusätzlich aufgespeicherte potentielle Energie erlaubt es, eine grössere Phasengrenzfläche der Komponenten des zu behandelnden Stromes zu erzielen. Überdies begünstigen die durch den zweiten schlecht umströmbaren Körper hervorgerufenen Pulsationen der Kavitationsfelder die Entstehung zusätzlicher Kavitationsblasen über den gesamten Querschnitt des Durchflusskanals, was die Erosionseinwirkung dieser Felder auf den Strom der zu behandelnden Komponenten erhöht.
Zur Intensivierung der hydrodynamischen Kavitationseinwirkung auf den Strom der zu behandelnden Komponenten ist es zweckmässig, die Elemente des schlecht umströmbaren Körpers aus einem elastischen nichtmetallischen Material auszuführen oder mit einem Überzug aus einem elastischen nichtmetallischen Material, z.B. Gummi, zu versehen. Die Intensivierung ist durch ein hohes Energiepotential der entstehenden Kavitationsfelder bedingt, welches durch die Vibration des nichtmetallischen Materials sowie durch die Reflexion der Stosswellen zusätzlich verstärkt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verstehen der Erfindung sind nachstehend konkrete Ausführungsbeuspiele derselben unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen angeführt, in denen es erfindungsgemäss zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur Herstellung eines frei dispersen Systems mit einem schlecht umströmbaren Körper aus drei Elementen in Form von abgestumpften Kegeln, die hintereinander angeordnet sind, Längsschnitt;
Fig. 2 dasselbe wie in Fig. 1 mit zwei Elementen, die die Form von hohlen Hemisphären aufweisen, Längsschnitt;
Fig. 3 eine Variante der Einrichtung zur Herstellung eines frei dispersen Systems mit einem schlecht umströmbaren Körper mit Kegeln, die in ein und demselben Querschnitt angeordnet sind, Längsschnitt;
Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV - IV in Fig. 3, der schlecht umströmbare Körper enthält drei Elemente;
Fig. 5 dasselbe wie in Fig. 4, der schlecht umströmbare Körper enthält sieben Elemente;
Fig. 6 eine Variante der erfindungsgemässen Einrichtung mit einem Haupt- und einem zusätzlichen schlecht umströmbaren Körper, Längsschnitt;
Fig. 7 einen Schnitt nach Linie VII - VII der Fig. 6.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht im Durchlassen eines hydrodynamischen Stroms von zu benandelnden Komponenten, beispielsweise von Wasser und einer Ölkomponente, durch einen Durchflusskanal mit einem darin untergebrachten schlecht umströmbaren Körper z.B. in Gestalt eines Rotationskörpers. Dieser Körper hat eine solche Form und eine solche Anordnung, dass der Strom einer lokalen Einengung zumindest in zwei Abschnitten des Durchflusskanals unterworfen wird. Hinter dem schlecht umströmbaren Körper wird ein hydrodynamisches Kavitationsfeld erzeugt, das eine vermischende, dispergierende und emulgierende Einwirkung auf die zu behandelnden Komponenten ausübt. Um die Energie des hydrodynamischen Stroms und die Intensität des Kavitationsfeldes mit einem maximalen Effekt auszunutzen, wählt man das Querschnittsprofil der Abschnitte der lokalen Einengung und den Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung, das Verhältnis der Geschwindigkeit des genannten Stromes in jedem von diesen Abschnitten zur Geschwindigkeit des Stroms des frei dispersen Systems am Austritt aus dem Durchflusskanal mindestens 2, 1, den Kaviationsgrad des hydrodynamischen Kavitationsfeldes mindestens 0,5 aufrechtzuerhalten. Nur in einem solchen Fall wird unter diesen Bedingungen der Effekt der hydrodynamischen Kavitation entstehen. In Abhängigkeit von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der zu benandelnden Komponenten und der erforderlichen Intensität der Kaviationseinwirkung formiert man die Abschnitte der lokalen Stromeinengung in Strömungsrichtung hintereinander, oder man formiert die Abschnitte der lokalen Stromeinengung parallel zueinander in ein und demselben Querschnitt des Durchflusskanals. Zur besseren Dispergierung und Emulgierung von schwer vermischbaren Komponenten führt man in den hydrodynamischen Strom zumindest in einem Abschnitt seiner Einengung oder unmittelbar hinter diesem eine gasförmige Komponente ein.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die in den Figuren 1 bis 7 schematisch dargestellt ist. In allen vorgeschlagenen Varianten der Einrichtung gemäss der Erfindung wird die Ausführung eines schlecht umströmbaren Körpers vorgesehen, der zumindest aus zwei Elementen besteht, bei denen ihre Form und der Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung gewählt wird, hinter jedem davon ein eigenes hydrodynamisches Kavitationsfeld zu formieren, wobei sich die Felder durch den Kavitationsgrad voneinander unterscheiden. Hierbei wird der Kavitationsgrad jedes lokalen Feldes grössenmässig nicht kleiner also 0,5 gewährleistet, da sonst keine Bedingungen für die effektive Einwirkung auf die zu behandelnden Komponenten geschaffen werden.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung schematisch dargestellt, die ein Gehäuse 1, das eine Eintrittsföffnung 2 und eine Austrittsöffnung 3 aufweist, und in ihm auf der Seite der Eintrittsöffnung 2 hintereinander angeordnete, miteinander in Verbindung stehende: einen Konfusor 4, einen Durchflusskanal 5 und einen Diffusor 6 enthält. Im Kanal 5 ist ein schlecht umströmbarer Körper 7 untegebracht, der drei Elemente in Form von hohlen abgestumpften Kegeln 8, 9, 10 enthält, welche in Strömungsrichtung hintereiander angeordnet sind und mit ihren kleineren Grundflächen nach der Seite des Konfusors 4 hin zeigen. Der schlecht umströmbare Körper 7 und die Wandung 11 des Durchflusskanals 5 bilden in Strömungsrichtung hintereinader angeordnete Abschnitte 12, 13, 14 der lokalen Stromeinengung, die ein ringförmiges Querschnittsprofil haben. Der in Strömungsrichtung erste Kegel 8 besitzt einen Durchmesser der grösseren Grundfläche 15, welcher den Durchmesser der grösseren Grundfläche 16 des nachfolgenden Kegels 9 übersteigt. Der Durchmesser der grösseren Grundfläche 16 des Kegels 9 übersteigt den Durchmesser der Grösseren Grundfläche 17 des nachfolgenden Kegels 10. Der Kegelwinkel nimmt den Kegeln 8,9, 10 von jedem vorhergehenden zu jedem nachfolgenden Kegel ab. Möglich ist eine Ausführungsvariante derselben mit im wesentlichen gleichen Kegelwinkeln. Die Kegel 8, 9, 10 sind an jeweiligen Stangen 18, 19, 20 befestigt, die im Durchflusskanal 5 gleichachsig mit diesem angeordnet sind. Die Stangen 18, 19 sind hohl ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet, während die Stange 20 im Hohlraum der Stange 19 längs ihrer Achse untergebracht ist. Die Stangen 19 und 20 sind mit (in Fig. 1 nicht gezeigten) individuellen Vorrichtungen zur Axialverschiebung relative zueinander und zur Stange 18 verbunden. Möglich ist eine Variante, bei der die Stange 18 mit einer Vorrichtung zur Axialverschiebung längs der Achse des Durchflusskanals 5 versehen ist. Die axiale Verschiebbarkeit der Kegel 8, 9, 10 macht es möglich, die Geometrie des schlecht umströmbaren Körpers 7 zu ändern und somit das Querschnittsprofil der Abschnitte 12, 13, 14 und den Abstand zwischen ihnen über die Länge des Durchflusskanals 5 zu verändern, was es erlaubt, den Kavitationsgrad der hydrodynamischen Kaviationsfelder hinter jedem der Kegel 8, 9, 10 und die Benandlungsrate von Komponenten zu regeln. Zur Regelung der Kavitationsfelder können die nachfolgenden Kegel 9, 10 teilweise im Hohlraum der vorhergehenden Kegel 8, 9 untergebracht werden, aber der minimale Abstand zwischen den kleineren Grundflächen derselben wird mindestens gleich 0,3 des grösseren Durchmessers der jeweiligen vorhergehenden Kegel 8, 9, aufrechterhalten. Notwendigenfalls kann einer der nachfolgenden Kegel 9, 10 im Hohlraum des vorhergehenden vollständig aufgenommen werden, jedoch unter der Bedingung, zwei arbeitende Elemente am schlecht umströmbaren Körper 7 beizubehalten. Die Führung des Stroms der zu behandelnden Komponenten erfolgt in Pfeilrichtung A.
Die erfindungsgemässe Einrichtung enthält, wie dies Fig. 2 zeigt, einen im Durchflusskanal 5 untergebrachten schlecht umströmbaren Körper 21, der aus zwei Elementen in Form von hohlen Hemisphären 22, 23 besteht, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit ihren Kuppen nach der Seite des Konfusors 4 hin zeigen. Die in Strömungsrichtung erste Hemisphäre 22 besitzt einen Durchmesser der grösseren Grundfläche 24, welcher den Durchmesser der grösseren Grundfläche 25 der zweiten Hemispäre 23 überstreigt. Die Hemisphäre 22 ist an einer hohlen Stange 26 befestigt, die im Durchlfusskanal 5 gleichachsig mit diesem angeordnet ist. Die Hemisphäre 23 ist an einem Stab 27 befestigt, welcher im Hohlraum der Stange 26 angeordnet ist. Der Stab 27 ist mit einer (in Fig. 2 nicht gezeigten) Vorrichtung zuseiner Axialverschiebung relativ zur Stange 26 verbunden. Die Wandung 11 des Durchfluskanals 5 bildet mit dem schlecht umströmbaren Körper 21 zwei Abschnitte 28, 29 der lokalen Stromeinengung, die ringförmige Querschnittsprofile aufweisen. Durch Verschiebung der Hemispäre 23 relativ zur Hemisphäre 22 lässt sich die Intensität der durch sie erzeugten Kavitationsfelder regeln. Die führung des Stroms der zu behandelnden Komponenten erfolgt in Pfeilrichtung A.
In Fig. 3 ist eine weitere Variante der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt, in deren Durchflusskanal 5 ein schlecht umströmbarer Körper 30 untergebracht ist, der drei Elemente in Gestalt von abgestumpften Kegeln 31, 32, 33 mit unterschiedlichen Kegelwinkeln enthält, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, oder aber ein schlecht umströmbarer Körper 34, der sieben Elemente in Form von abgestumpften Kegeln 35, 36, 37, 38, 39, 40 mit unterchiedlichen Kegelwinkeln enthält, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Anzahl der Elemente hängt ab von den physikalisch-chemischen Charakteristiken der zu behandelnden Komponenten und dementsprechend von der erforderlichen Intensität der Kavitationseinwirkung auf dieselben. Die Kegel 31 - 33 und 35 - 41 sind so angeordnet, dass sich ihre Achsen in der Ebene ein und desselben Querschnitts des Durchflusskanals 5 befinden. Mit ihren kleineren Grundflächen sind sie an einem Halter 42 (Fig. 3) befestigt, der eine zylindrische Form mit kegelförmigen Enden zur Vermiderung des hydrodynamischen Widerstandes gegen den Zustrom hat und gleichachsig mit dem Durchflusskanal 5 angeordnet ist. Mit ihren grösseren Grundflächen sind die Kegel 31 - 33 und 35 - 41 in einer Buchse 43 befestigt, die an der inneren Wandung 11 des Durchflusskanals 5 festgehalten ist.
Möglich ist eine Variante, bei der der Halter 42 mit den kleineren Grundflächen der Kegel 31 - 33 oder 31 - 41 kinematisch verbunden ist, und zwar drehbar um Achsen, die sich in einer zur Achse des Durchflusskanals 5 senkrechten Ebene befinden (dies ist in Fig. 3 nicht gezeigt). Die Winkel zwischen den Achsen der abgestumpften Kegel 31 - 33 (Fig. 4) und 35 - 41 (Fig. 5) sind ausgehend von der Bedingung einer Gleichheit der Flächeninhalte der Zwischenräume 44 bzw. 45 zwischen ihnen gewählt. Die Zwischenräume 44, 45 sind die Abschnitte einer lokalen Einengung des hydrodynamischen Stroms der zu behandelnden Komponenten. Die Führung des Stroms der zu behandelnden Komponenten erfolgt in Pfeilrichtung A.
In Fig. 6 ist eine erfindungsgemässe Einrichtung dargestellt, in deren Durchflusskanal 5 hinter dem Körper 34 in Strömungsrichtung ein zusätzlicher schlecht umströmbarer Körper 46 mit einem elastischen Element - einer Feder 47 - verschiebbar längs der Achse des Kanals 5 angeordnet ist. Die kleineren Grundflächen der abgestumpften Kegel 35 - 41 sind in dieser Variante an einer Stange 48 befestigt, die im Durchflusskanal 5 gleichachsig mit diesem angeordnet ist. Der in Fig. 7 dargestellte schlecht umströmbare Körper 46 besteht aus vier Elementen in Form von abgestumpften Kegeln 49, 50, 51, 52 mit unterschiedlichen Kegelwinkeln, bei denen ihre Achsen sich in ein und derselben Ebene des Querschnitts des Querschnitts des Durchflusskanals 5 befinden. Mit ihren kleineren Grundflächen sind sie an einer Buchse 53 befestigt, die auf der Stange 48 axial verschliebbar und drehbar angeordnet ist, während ihre grösseren Grundflächen sich in einem gewissen Abstand von der Wandung 11 des Durchflusskanals 5 befinden und einen ringförmigen Abschnitt 54 der lokalen Stromeinengung, bilden. Die Winkel α zwischen den Achsen der abgestumpften Kegel 49 - 52 werden ausgehend von der Bedingung einer Gleichheit der Flächeninhalte der Zwischenräume 55 zwischen ihnen gewählt. Die Feder 47, welche die schlecht umströmbaren Körper 46 und 34 verbindet, ist gleichachsig mit der Stange 48 angeordnet. Die Führung des Stroms der zu behandelnden Komponenten erfolgt in Pfeilrichtung A.
In den beschriebenen Varianten der erfindungsgemässen Einrichtung wird es vorgeschlagen, die Elemente der schlecht umströmbaren Körper 7, 21, 30, 34, 46 aus einem elastischen nichtmetallischen Material auszuführen oder sie mit einem Überzug aus einem elastischen nichtmetallischen Material, z.B. Gummi, zu versehen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung (Fig. 1) arbeitet folgendermassen. Ein hydrodynamischer Strom von zu behandelnden Komponenten gelangt in Pfeilrichtung A durch die Eintrittsöffnung 2 und den Konfusor 4 in den Durchflusskanal 5, wird kontrahiert und trifft auf den schlecht umströmbaren Körper 7, genauer sein erstes Element - den hohlen abgestumpften Kegel 8 - auf. Danach passiert der Strom der zu benandelnden Komponenten aufeinanderfolgend die ringförmigen Abschnitte 12, 13, 14 der lokalen Stromeinengung und umfliesst die nachfolgenden Elemente: die Kegel 9, 10. Bein Umfliessen der Kegel 8, 9, 10 werden an den Kanten ihrer grösseren Grundflächen 15, 16, 17 Kavitationskavernen erzeugt, die sich ablösen und durch den Strom in die Zone erhöhten Drucks mitgerissen werden, wo sie unter Bildung hinter jedem der Kegel 8, 9, 10 von Kavitationsblasen zerfallen, welche die Struktur der Kavitationsfelder bilden. Diese Felder unterscheiden sich durch den Kavitationsgrad , da die Kegel 8, 9, 10 unterschiedliche geometrische Abmessungen (Durchmesser der grösseren Grundflächen 15, 16, 17, Kegelwinkel) aufweisen und sich in einem verschiedenen Abstand voneinander befinden. Hohe lokale Drücke bis zu 1000 MPa, die beim Zusammenstürzen der Kavitationsblasen und Zusammenwirken der Kavitationsfelder entstehen, über eine intensive vermischende und dispergierende Einwirkung auf den Strom der zu behandelnden Komponenten aus. Wie festgestellt wurde, wird die Erzeugung einer intensiven Kavitationseinwirkung auf den Strom unter diesen Bedingungen durch Aufrechterhaltung des Verhältnisses der Stromgeschwindigkeiten in jedem der Abschnitte 12, 13, 14 zur Geschwindigkeit des Stroms des sich bildenden frei dispersen Systems am Austritt aus dem Durchflusskanal 5 mindestens gleich 2, 1 und des Kavitationsgrades jedges der Felder mindestens 0,5 bestimmt. Die Stromgeschwindigkeit im Abschnitt 12 wird durch die Breite des letzteren und die anfängliche Stromgeschwindigkeit am Eintritt in die Einrichtung vorgegeben, und in den Abschnitten 13, 14 wird die Stromgeschwindigkeit durch die Stellung der Kegel 9, 10 in bezug auf den Kegel 8 vorgegeben. Bei Verringerung des Abstandes zwischen den kleineren Grundflächen jedes vorgergehenden Kegels 8, 9 und jedes nachfolgenden Kegels 9, 10 nimmt die Stromgeschwindigkeit in den Abschnitten 13, 14 zu. Bei Änderung dieses Abstandes verändert sich auch die Länge des hinter jedem der Kegel entstehenden Kavitationsfeldes. Daher werden durch Änderung der Stellung der Kegel 8, 9, 10 in bezug aufeinander und über die Länge des Durchflusskanals 5 der Kavitationsgrad und das Geschwindigkeitsverhältnis geregelt. Man verändert den Abstand zwischen den Kegeln 8, 9, 10 durch axiale Verschiebung der Stangen 19, 20 mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen.
Die Geschwindigkeit in den Abschnitten 12, 13, 14 hält man nicht unter 20 m/s aufrecht, den Abstand zwischen den kleineren Grundflächen der Kegel 8, 9, 10 nicht kleiner als 0,3 des grösseren Durchmessers jedes vorhergehenden Kegels 8 bzw. 9.
Die gegenseitige Verschiebung der Kegel 8, 9, 10 ermöglicht es, auch die Behandlungsrate des Stroms der Komponenten zu regeln, wodurch die erforderliche Anzahl der Zonen der Kavitationseinwirkung je nach den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Komponenten sichergestellt wird, weil jedes Element des schlecht umströmbaren Körpers 7 als selbständige Stufe arbeiten kann. Nach Passieren sämtlicher Abschnitte 12, 13, 14 der lokalen Einengung verwandelt sich der Strom der zu behandelnden Komponenten in den Strom eines frei dispersen Systems, welches über den Diffusor 6 und die Öffnung 3 aus der Einrichtung herausgeführt wird. Die Qualität des hergestellten frei dispersen Systems wird nach der spezifischen Oberfläche der dispersen Phase und dem Durchmesser der gewonnenen Teilchen bestimmt, die im voraus in Abhängigkeit von den geforderten Eigenschaften des herzustellenden Systems vorgegeben wurden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung (Fig. 2) arbeitet ähnlich wie vorstehend beschrieben. Ein hydrodynamischer Strom von zu behandelnden Komponenten, der in Pfeilrichtung A geführt wird, passiert die ringförmigen Abschnitte 28, 29 der lokalen Einengung, umfliesst den schlecht umströmbaren Körper 21 und bildet hinter jedem seiner Elemente in Form von hohlen Hemisphären 22, 23 die eigenen Kavitationsfelder, die sich durch den Kavitationsgrad unterscheiden. Die Geschwindigkeit im Abschnitt 29 und der Kavitationsgrad dieser Felder wird durch die Stellung der Hemisphäre 23 in bezug auf die Hemisphäre 22 durch axiale Verschiebung des Stabes 27 mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung geregelt. Die Kavitationsfelder wirken miteinander zusammen, indem sie die Bedingungen eines übereinstimmenden Zusammenstürzens von Kavitationsblasengruppen gewährleisten. Dadurch erfolgt eine Verstärkung der Erosionseinwirkung auf die zu behandelnden Komponenten und eine Verbesserung der Qualität des hergestellten frei dispersen Systems.
Die erfindungsgemässe Einrichtung (Fig. 3 - 5) arbeitet folgenderweise.
Ein hydrodynamischer Strom von zu behandelnden Komponenten gelangt in Pfeilrichtung A durch die Eintrittsöffnung 2 und den Konfusor 4 in den Durchflusskanal 5, wird kontrahiert und trifft auf den konischen Teil des Halters 2 und den schlecht umströmbaren Körper 30 oder 34 auf. Der Strom passiert alle Zwischenräume 44 oder 45 und umfliesst entweder drei Elemente in Form von abgestumpften Kegeln 31 - 33, oder sieben Elemente in Form von abgestumpften Kegeln 35 - 41. Dank den gleichen Flächeninhalten der Zwischenräume 44 oder 45 wird der Strom gleichmässig im Volumen des Durchflusskanals 5 verteilt. Die Ausführung der Kegel mit unterschiedlichen Kegelwinkeln bedingt ihren Unterschied im Querschnitt in Bogenrichtung, das heisst mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern. Dar Unterschied in den mittleren Durchmessern wird eine unterschiedliche Häufigkeit der Ablösung der sich bildenden Kavitationskavernen hinter jedem der Kegel 31 - 33 oder 35 - 41 bestimmen. Indem sich die Kavernen ablösen, im hydrodynamischen Strom wandern und im Gebiet erhönten Druckes zerfallen, bilden sie pulsierende Kavitationsfelder hinter jedem der Elemente, welche Felder aus Kavitationsblasen unterschiedlicher Abmessungen bestehen. Bei der Wechselwirkung der Kavitationsfelder stürzen die Blasen zusammen, die Einzelkonzentration der Blasen in der Zone des Zusammenstürzens nimmt zu, der Kavitationseffekt der Behandlung wird grösser. Einen wesentlichen Einfluss auf die Intensivierung des Kavitationsfeldes übt ein ausreichend breites Spektrum von polyfrequenten Druckpulsationen aus, welches durch unterschiedliche Häufigkeit der Ablösung der wandernden Kavernen von der Kegeln 31 - 33 oder 35 - 41 bedingt ist. Die Druckpulsationen, die nicht nur auf die zusammenstürzenden Blasen, sondern auch auf die zerfallenden Kavernen einwirken, erhöhen das Energiepotential des Kavitationsfeldes, erlauben es, die Energie des Stroms von zu behandelnden Komponenten aureichend effektiv auszunutzen. Die anfängliche Geschwindigkeit des hydrodynamischen Stroms wird ausgehend von der Bedingung vorgegeben werden, das Verhältnis der Geschwindigkeit in den Abschnitten seiner lokalen Einengung, d.h. in den Zwischenräumen 44 oder 45, zur Geschwindigket des Stroms des sich bildenden frei dispersen Systems am Austritt aus dem Durchflusskanal grössenmässig mindestens 2,1 aufrechtzuerhalten. Die Geschwindigkeit in den Abschnitten der lokalen Einengung wird nicht unter 20 m/s eingestellt, und der Kavitationsgrad jedes der Kavitationsfelder soll durch entsprechende Auswahl der geometrischen Parameter der Kegel 32 - 33, 35 - 41 und des Abstandes zwischen ihnen 0,5 übersteigen. Eine Regelung der Intensität der Kavitationseinwirkung auf die zu behandelnden Komponenten erzielt man durch Änderung der Anzahl von Elementen an dem schlecht umströmbaren Körper. Der Strom des hergestellten frei dispersen Systems tritt aus dem Durchflusskanal 5 in den Diffusor 6 ein und wird durch die Öffnung 3 aus der Einrichtung herausgeführt.
In die erfindungsgemässen Einrichtung (Fig. 6, 7) gelangt ein hydrodynamischer Strom von zu benandelnden Komponenten in Pfeilrichtung A durch die Öffnung 2. Über den Konfusor 4 tritt der Strom in den Durchflusskanal 5 ein und trifft auf den schlecht umströmbaren Körper 34 auf, welcher aus sieben Elementen - den abgestumpften Kegeln 35 - 41 - besteht. Beim Passieren der Zwischenräume 45 gewahrleistet der Strom Bedingungen, bei denen jeder der Kegel 35 - 41 in Aufbau und Grösse verschiedene nichtstationäre wandernde Kavernen erzeugt. Die Kavernen zerfallen im Gebiet nohen Druckes und formieren Kavitationsfelder hinter jedem der Elemente mit unterschiedlichem Kavitationsgrad. Bei der Wechselwirkung dieser Felder findet eine untensive Vermischung der Kavitationsblasen und eine Sättigung mit ihnen das Stroms im gesamten Volumen das Durchflusskanals 5 statt. In der Zone ihres Zusammenstürzens varstärkt sich der Effekt der Kavitationseinwirkung auf die zu benandelnden Komponenten. Des weiteren trifft der Strom auf den zweiten schelcht umströmbaren Körper 46 auf, und die abgestumpften Kegel 49 - 53 erzeugen beim Durchlauf des Stroms durch die Zwischenräume 55 und den ringförmigen Abschnitt 54 ebenfalls in Aufbau und Grösse unterschiedliche Kevernen. Unter der Wirkung des ankommenden Stroms der zu behandelnden Komponenten und aufgrund das von der Buchse 53 besorgten Freinheitsgrades vollführt der schlecht unströmbare Körper 46 longitudinale und drehende Resonanzschwingunge. Diese Schwingungen haben zur Folge, dass durch die Kavitationsfelder, die sich hinter den Kegeln 49 - 52 bilden, ein Unterdruckimpuls geht, der zur Bildung von Kavitationsblasen grosser Abmessungen und mit noher potentieller Energie führt. Diese Energie gewährleistet, dass bei der Wechselwirkung den Kavitationsfelder eine erhebliche Phasengrenzfläche beim frei dispersen System erhalten wird. Die Feder 47 ist ebenfalls eine Quelle von zusätzlichen Strompulsationen, die den Charakter des Zusammenstürzens der Kavitationsblasen beeinflussen, wodurch der Erosionseffekt der Einwirkung verstärkt wird. Die Behandlungsrate der Komponenten wächst um das Mehrfache im Vergleich mit der Variante, wenn ein einziger schlecht umströmbarer Körper im Durchflusskanal 5 untergebracht wird. Diese Ausführungsvariante der Einrichtung ist bei der Zubereitung eines hochwertigen frei dispersen Systems von der Art einer Suspension am besten geeignet.
Der Strom des gebildeten frei dispersen Systems wird über den Diffusor 6 und die Öffnung 3 aus der Einrichtung herausgeführt.
Nachstehend werden konkrete Beispiele für die Durchführung des Verfahrens an Versuchsmustern der in den Figuren 1, 3, 5 dargestellten erfindungsgemässen Einrichtungen angeführt.

Beispiel 1

Ein hydrodynamischer Strom, der aus 95 Masse-% Wasser und 5 Masse-% Industrieöl besteht, wird mit einer Geschwindigkeit von 40,5 m/s durch die Öffnung 2 in die Einrichtung wie in Fig. 1 dezeigt geleitet. Der Strom der Komponenten gelangt über den Konfusor 4 in den Durchflusskanal 5 und umfliesst den schlecht umströmbaren Körper 7. Die Geschwindigkeit (V_c) des Stroms in den Abschnitten 12, 13, 14 seiner lokalen Eineingung hält man jeweils gleich 39,3 m/s, 42,1 m/s, 43,2 m/s aufrecht. Den Kavitationsgrad der sich hinter den hohlen abgestumpften Kegeln 8, 9, 10 bildenden Kavitationsfelder stellt man jeweils gleich 0,65, 0,6, 0,5 ein. Der Strom der zu behandelnden Komponenten, der den Durchflusskanal 5 passiert und die Kegel 8, 9, 10 umfliesst, wird einer Kavitationseinwirkung unterworfen, die einen hohen Grad der Emulgierung der Komponenten gewährleistet. Die Geschwindigkeit (V) des Stroms der gebildeten Emulsion beträgt am Austritt aus dem Durchflusskanal 18,7 m/s. Die Qualität der hergestellten Emulsion beurteilt man nach der spezifischen Oberfläche der dispersen Phase (Ölphase). Sie beträgt 1000 m²/m³.

Beispiel 2

Ein hydrodynamischer Strom, der aus 3 Masse-% Aluminiumoxid und 97 Masse-% Wasser besteht, wird mit einer Geschwindigkeit von 55,7 m/s durch die Öffnung 2 in die in Fig. 3, 5 dargestellte Einrichtung geleitet. Der Strom der Komponenten gelangt über den Konfusor 4 in den Durchflusskanal 5, wo er auf den konischen Teil des Halters 42 und den schlecht umströmbaren Körper 34 auftrifft und die Zwischenräume 45 passiert. In diesen Abschnitten der lokalen Einengung des Stroms wird seine Geschwindigkeit gleich 55,7 m/s aufrechterhalten. Beim Umfliessen der Kegel 35 - 41 und Durchlauf durch den Durchflusskanal 5 wird der Strom der Komponenten einer Kavitationseinwirkung unterworfen, die seine intensive Vermischung und Dispergierung gewährleistet. Den Grad der Kavitation der sich hinter den Kegeln 35 - 41 bildenden Kavitationsfelder hält man jeweils 0,65, 0,62, 0,60, 0,57, 0, 54, 0,51, 0,50 aufrecht. Die Geschwindigkeit des Stroms der gebildeten Suspension beträgt 26,5 m/s. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten V_c/V beträgt 2,1. Die Qualität der hergestellten Suspension beurteilt man nach dem mittleren Durchmesser der erhaltenen Teilchen. Er beträgt 3,8 µm.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Die Erfindung wird Anwendung finden in der chemischen, petrolchemischen Industrie bei der Produktion von Farben, Lacken, Insektiziden, Schmierölen; in der Brennstoffindustrie und Energiewirtschaft bei der Zubereitung von Brennstoff auf Basis von Masut und Heizölen; im Maschinenbau für die Zubereitung von Emulsionen, Schmier- und Kühlflüssigkeiten; in der Parfümindustrie bei der Herstellung von flüssigen und Reinigungsmitteln, Lotionen, Vitaminpräparaten; in der Lebensmittelindustrie bei der Zubereitung von Likören, Fruchtsäften, Alkohol- und alkoholfreien Getränken, Sossen, Milchprodukten; ausserdem auch bei der Zubereitung von Fotoemulsionen, Emulsionen von Ölen verschiedener Zweckbestimmung, bei der Abwasserreinigung durch Chemikalien.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines frei dispersen Systems, das die Durchlassung eines hydrodynamischen Stroms von Komponenten durch einen Durchflusskanal mit einem darin untergebrachten schlecht umströmbaren Körper, welcher für eine lokale Stromeinengung sorgt, und die Erzeugung hinter diesem eines hydrodynamischen Kavitationsfeldes, das auf den Strom der zu behandelnden Komponenten unter Bildung eines Stroms des frei dispersen Systems einwirkt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man die lokale Stromeinengung zumindest in zwei Durchflusskanalabschnitten zustandebringt, wobei man das Querschnittsprofil eines jeden von ihnen und den Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung wählt, das Verhältnis der Geschwindigkeit des genannten Stroms in jedem von diesen Abschnitten zur Geschwindigkeit des Stroms des frei dispersen Systems am Austritt aus dem Durchflusskanal mindestens gleich 2,1 und den Kaviationsgrad des hydrodynamischen Stroms des Kavitationsfeldes mindestens 0,5 aufrechtzuerhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abschnitte der lokalen Stromeinengung aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung formiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abschnitte der lokalen Stromeinengung, aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung formiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abschnitte der lokalen Stromeinengung parallel zueinander in ein und demselben Querschnitt des Durchflusskanals formiert.

4. Verfahren nach Anspruüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass man in den hydrodynamischen Strom von Komponenten zumindest in einem Abschnitt seiner lokalen Einengung eine gasförmige Komponente einführt.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass man in den hydrodynamischen Strom von Komponenten unmittelbar hinter mindestens einem Abschnitt seiner lokalen Einengung eine gasförmige Komponente einführt.

6. Einrichtung zur Herstellung eines frei dispersen Systems, die ein Gehäuse (1), welches eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung (2, 3) aufweist, und im Gehäuse (1) auf der Seite der Eintrittsöffnung (2) hintereinander angeordnete und miteinander in Verbindung stehende: einen Konfusor (4), einen Durchflusskanal (5) mit einem darin untergebrachten schlecht umströmbaren Körper (7, 21, 30, 34, 35) und einen Diffusor (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der schlecht umströmbare Körper (7, 21, 30, 34, 35) mindestens zwei untereinander verbundene Elemente enthält, deren Form und der Abstand zwischen ihnen ausgehend von der Bedingung gewählt sind, hinter jedem Element sein eigenes hydrodynamisches Feld mit einem Kavitationsgrad von mindestens 0,5 zu formieren, das hinsichtlich des Kavitationsgrades von den hydrodynamischen Kavitationsfeldern der anderen Elemente verschieden ist und mit ihnen zusammenwirken kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der schlecht umströmbare Körper (7) drei Elemente in Form von hohlen abgestumpften Kegeln (8, 9, 10) enthält, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit ihren kleineren Grundflächen nach der Seite des Konfusors (4) zeigen, wobei jeder in Strömungsrichtung vorhergehende Kegel (8, 9) einen Durchmesser der grösseren Grundfläche (15, 16) besitzt, welcher den Durchmesser der grösseren Grundfläche (16, 17) jedes nachflogenden Kegels (9, 10) übersteigt, und wobei die Kegel (8, 9, 10) jeweils an Stangen (18, 19, 20) befestigt sind, die im Durchflusskanal (5) gleichachsig mit diesem und koaxial zueinander axial verschiebbar relativ zueinander angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den kleineren Grundflächen jedes vorhergehenden Kegels (8, 9) und jedes nachfolgenden Kegels (9, 10) mindestens gleich 0,3 des Durchmessers der grösseren Grundfläche (15, 16) des vorhergehenden Kegels (8, 9) gewählt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel jedes nachfolgenden Kegels (9, 10) kleiner oder im wesentlichen gleich dem Kegelwinkel jedes vorhergehenden Kegels (8, 9) ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der schlecht umströmbare Körper (30) zwei Elemente in Form von hohlen Hemisphären (22, 23) enthalt, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit ihren Kuppen nach der Seite des Konfusors (4) zeigen, wobei die in Strömungsrichtung erste Hemisphäre (22) einen Durchmesser der grösseren Grundfläche (24) besitzt, welcher den Durchmesser der grösseren Grundfläche (25) der zweiten Hemisphäre (23) übersteigt, und an einer hohlen Stange (26) befestigt ist, die im Durchflusskanal (5) gleichachsig mit diesem angeordnet ist, während die zweite Hemisphäre (23) an einem Stab (27) befestigt ist, der im Hohlraum der Stange (26) verschiebbar relativ zu dieser angeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der schlecht umströmbare Körper (30) mindestens drei Elemente enthält, die jeweils die Form eines abgestumpften Kegels (31, 32, 33) haben und so angeordnet sind, dass sich ihre Achsen in der Ebene ein und desselben Querschnitts des Durchflusskanals (5) befinden, und die mit ihren kleineren Grundflächen mit einem im Durchflusskanal gleichachsig mit diesem angeordneten Halter (42) in Verbindung stehen, mit ihren grösseren Grundflächen aber mit der Wandung (11) des Durchflusskanals (5) kontaktieren, wobei die abgestumpften Kegel (31 - 33) unterschiedliche Kegelwinkel aufweisen und die Winkel zwischen ihren Achsen ausgehend von der Bedingung gewählt sind, die Gleichheit der Flächeninhalte der Zwischenräume (43) zwischen ihnen sicherzustellen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abgestumpften Kegel (31 - 33) mit dem Halter (42) drehbar um Achsen verbunden sind, welche sich in einer zur Achse des Durchflusskanals (5) senkrechten Ebene befinden.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen zusätzlichen schlecht umströmbaren Körper (46) enthält, welcher dem Hauptkörper (30) ähnlich ist, hinter diesem in Strömungsrichtung angeordnet ist und mit ihm durch ein elastisches Element (47) verschiebbar längs der Achse des Durchflusskanals (5) verbunden ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des schlecht umströmbaren Körpers aus einem elastischen nichtmetallischen Material ausgeführt sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente des schlecht umströmbaren Körpers mit einem Überzug aus einem elastischen nichtmetallischen Material versehen sind.