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Ultraschallvernebelung
EP0860211A1
European Patent Office
- Other languages
English French - Inventor
Stipan Katusic Rainer Golchert Helmut Dr. Mangold - Current Assignee
- Evonik Operations GmbH
Worldwide applications
Application EP98100446A events
1998-08-26
Status
Ceased
Description
translated from
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Aerosolen, insbesondere von Aerosolen
von Salzlösungen, mittels Ultraschallvernebelung.
Die Herstellung von Aerosolen, insbesondere von Aerosolen
von salzhaltigen Lösungsmitteln, in einer Gasphase ist eine
Aufgabe, wie sie bei der Herstellung von pyrolytischen oder
pyrolytisch zersetzbaren Materialien, beispielsweise der
Spraypyrolyse gestellt wird.
Bekanntermaßen erfolgt die Herstellung von Aerosolen
mittels Düsen oder durch Ultraschallvernebelung
entsprechender Salzlösungen. Dabei wird ein
Ultraschallschwinger eingesetzt.
Der Nachteil der bekannten Verfahren liegt darin, daß der
Gehalt an Salzlösung in dem fluiden Trägermedium, welches
üblicherweise ein Gas ist, nur innerhalb eines engen
Bandes, ohne das Tröpfchenspektrum des Aerosols
entscheidend zu beeinflussen, variiert werden kann.
Für bestimmte Anwendungsgebiete ist es jedoch erforderlich,
die Konzentration des Feststoffes oder der Flüssigkeit in
dem Gas bei unverändertem Tröpfchenspektrum des Aerosols
über einen großen Bereich zu variieren. Insbesondere stellt
sich die Aufgabe, eine hohe Fremdgasbelastung , die
gleichbedeutend mit einer niedrigen Konzentration an festen
oder fluiden Phasen in dem Gasstrom ist, zu vermeiden.
Die Erzeugung von Aerosolen mit hohen Konzentrationen an
Salzlösungen in der Gasphase (bis ca. 800 g/Nm3)und dem
gleichzeitigen Vorliegen eines Tröpchenspektrums mit d50-Wert
im Bereich von ca. 6 µm, d. h. relativ kleine
Tröpfchen, war bisher technisch nicht machbar.
Es bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine
Vorrichtung, zur Herstellung von Aerosolen mit hohen
Konzentrationen einer Salzlösung in der Gasphase, wobei
gleichzeitig ein Tröpfchenspektrum mit möglichst kleinen
Tröpfchendurchmessern sichergestellt ist, zu entwickeln.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von mit flüssiger Phase hochbeladenen Aerosolen mit kleinen
Tröpfchen mittels Ultraschallschwingern, welches dadurch
gekennzeichnet ist, daß ein Ultraschallschwinger plan oder
in einer Neigungsebene von 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5
und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, daß
bei Verwendung von mehreren Schwingern in einer kompakten
Einheit diese jeweils in einer Vertiefung sitzen und jeder
einzelne Schwinger plan oder mit einer Neigungsebene
zwischen 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5 und 8, Grad
gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt.
Als Flüssigkeit kann man alle bekannten wässrigen Lösungen
von Salzen oder Suspensionen von Salzen in Wasser
einsetzen.
Die Kozentrationen der Salze in diesen Lösungen oder
Suspensionen können von 0,0001 bis 20 Gew.-% sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die
Konzentration 4 bis 6 Gew.% insbesondere 5 Gew.% betragen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung
zur Herstellung von mit flüssiger Phase hochbeladenen
Aerosolen mit kleinen Tröpfchen, welche dadurch
gekennzeichnet ist, daß ein Ultraschallschwinger plan oder
in einer Neigungsebene von 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5
und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, daß
bei Verwendung von mehreren Schwingern in einer kompakten
Einheit diese jeweils in einer Vertiefung sitzen und jeder
einzelne Schwinger plan oder mit einer Neigungsebene
zwischen 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5 und 8 Grad,
gegenüber der Flüssigkeit schwingt, wobei sich über den
Ultraschallschwingern eine Flüssigkeit befindet, deren Höhe
über der Schwingebene kontrolliert werden kann, und optimal
über die Flüssigkeit ein Tragergas, mit dem das erzeugte
Aerosol ausgetragen wird, eingespeist werden kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Aerosol,
hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches
dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Beladung in der
Gasphase von mehr als 100 g/Nm3 Flüssigkeit aufweist, wobei
der d90-Werte des Tröpfchenspektrums (Volumenwert) unter 30
µm, zwischen 1 und 30 µm, bevorzugt zwischen 1 und 10 µm,
liegt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Aerosole als Rohstoff zur Pyrolyse, zur Beschichtung, zur
Dotierung von Substanzen und in der Medizin.
Es ist bekannt, ein Aerosol mittels kommerziell
erhältlicher Ultraschallschwinger zu erzeugen.
Ein solcher kommerziell erhältlicher Schwinger der Fa.
Panasonic (Typ EFEHEV1R7M52, 1,63 MHz) weist bei einer
Vernebelung von destilliertem Wasser (bei 50°C) und einem
darüber angelegten Trägergasstrom von 1,0 Nm3/h Luft ein
Tröpfchenspektrum des vernebelten Wassers auf, wie es in
Figur 1 und Tabelle 1 gezeigt ist.
| (Erläuterungen zu Figur 1) | |||||||
| x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) |
| 3,10 | 17,89 | 12,50 | 76,61 | 51,00 | 100,00 | ||
| 0,90 | 0,00 | 3,70 | 24,33 | 15,00 | 82,27 | 61,00 | 100,00 |
| 1,10 | 0,28 | 4,30 | 30,40 | 18,00 | 87,13 | 73,00 | 100,00 |
| 1,30 | 1,06 | 5,00 | 36,88 | 21,00 | 90,63 | 87,00 | 100,00 |
| 1,50 | 2,24 | 6,00 | 45,15 | 25,00 | 94,01 | 103,00 | 100,00 |
| 1,80 | 4,54 | 7,50 | 55,66 | 30,00 | 96,86 | 123,00 | 100,00 |
| 2,20 | 8,27 | 9,00 | 64,03 | 36,00 | 98,80 | 147,00 | 100,00 |
| 2,60 | 12,45 | 10,50 | 70,39 | 43,00 | 99,76 | 175,00 | 100,00 |
| x10 = 2,37 mym x50 = 6,69 mym x90 = 20,46 | |||||||
| x5 = 1,85 mym x30 = 4,26 mym x84 = 16,07 |
Der d90-Wert (90 % der Tröpfchen, Volumenanteil) beträgt
20,46 µm, der d50-Wert 6,69 µm.
Die Tröpfchenspektren werden mittels eines
Laserbeugungsspektrometers "Helos" der Firma Sympatic
ermittelt.
Die Erzeugung eines Tröpfchenspektrums mit einem
niedrigeren d50-Wert kann erfindungsgemäß erfolgen, wenn
der Einbau des Ultraschallschwingers abweichend zur
Einbaumethode nicht parallel zur Flüssigkeitsoberfläche
erfolgt, sondern die Schwingebene des Ultraschallschwingers
in einem Winkel von 1 bis 20 Grad, bevorzugt von 5 bis 8
Grad, zur Ebene der Flüssigkeit erfolgt. Diese Anordnung
ist in Figur 2 schematisch gezeigt.
Das mit dieser Einbaumethode erzielte Tröpfchenspektrum
(bei einer Trägerluftmenge von 0,9 Nm3/h) ist in Figur 3
und Tabelle 2 gezeigt.
| (Erläuterungen zu Figur 3) | |||||||
| x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) | x/mym | Q3 (%) |
| 3,10 | 32,96 | 12,50 | 99,01 | 51,00 | 100,00 | ||
| 0,90 | 0,00 | 3,70 | 44,30 | 15,00 | 99,94 | 61,00 | 100,00 |
| 1,10 | 0,00 | 4,30 | 53,86 | 18,00 | 100,00 | 73,00 | 100,00 |
| 1,30 | 0,78 | 5,00 | 62,87 | 21,00 | 100,00 | 87,00 | 100,00 |
| 1,50 | 2,70 | 6,00 | 72,69 | 25,00 | 100,00 | 103,00 | 100,00 |
| 1,80 | 7,00 | 7,50 | 84,25 | 30,00 | 100,00 | 123,00 | 100,00 |
| 2,20 | 14,35 | 9,00 | 91,99 | 36,00 | 100,00 | 147,00 | 100,00 |
| 2,60 | 22,59 | 10,50 | 96,46 | 43,00 | 100,00 | 175,00 | 100,00 |
| x10 = 1,96 mym x50 = 4,06 mym x90 = 8,61 | |||||||
| x5 = 1,66 mym x30 = 2,96 mym x84 = 7,47 |
Tabelle 3 zeigt den Effekt des geneigten Einbaus des
Ultraschallschwingers auf das Tröpfchenspektrum. Angegeben
sind die gemessenen Tröpfchendurchmesser.
| Effekt des gegen die Flüssigkeit geneigten Einbaus auf die Tröpfchengröße | |||
| Ultraschallschwinger | d10 µm | d50 µm | d90 µm |
| Einbau plan | 2,37 | 6,69 | 20,46 |
| 7 Grad Neigung | 1,96 | 4,06 | 8,61 |
Um eine möglichst hohe Bedadung der Gasphase mit Salzlösung
zu erreichen, wäre ein Zusammenschalten mehrerer
Ultraschallschwinger in einer Vernebelungseinheit denkbar.
Eine solche Zusammenschaltung mehrerer Schwinger in einem
kompakten Apparat führt zu einer gegenseitigen
Beeinflussung der Schwinger (und zu einer reduzierten
Vernebelungsleistung) sowie zu einer möglichen
gegenseitigen Zerstörung der Schwinger.
Erfindungsgemäß wurde das Problem der Zusammenschaltung von
Ultraschallschwingern ohne Leistungseinbuße und
gegenseitige Zerstörung dadurch gelöst, daß die Schwinger
in einer Vertiefung sitzen, wie es in Figur 4 schematisch
gezeigt wird. Dadurch ist ein gleichzeitiger Betrieb von
mehreren Schwingern möglich, ohne daß die erwähnten
Nachteile auftreten.
Werden die in der Vertiefung sitzenden Ultraschallschwinger
noch in ihrer Schwingungsachse gegen die
Flüssigkeitsoberfläche geneigt, und zwar zwischen 1 und 20
Grad, bevorzugt jedoch zwischen 5 und 8 Grad, so tritt -
wie überraschenderweise gefunden wurde - eine gegenüber dem
planen Einbau eine erhöhte Vernebelungsleistung der
Ultraschallschwinger auf. Dies ist in Tabelle 2 gezeigt, wo
die Vernebelungsleistung mehrerer, in Vertiefung sitzender
zusammengeschalteter Ultraschallschwinger in planem bzw.
geneigtem Einbau miteinander verglichen werden.
| Einfluß der Ebene der Ultraschallschwinger auf
die Vernebelungsleistung. Wassertemperatur 30°C. Trägerstrom: Luft 1 Nm3/h, Trägergastemperatur 25°C. | ||||
| Anzahl der Schwinger | 7°-Anordnung Vernebelungsleistung [g/h] | Plane Anordnung Vernebelungsleistung [g/h] | ||
| Gesamt | pro Schwinger | Gesamt | pro Schwinger | |
| 3 | 424 | 141,3 | 215 | 71 |
| 4 | 525 | 131,3 | 290 | 72,5 |
| 5 | 495 | 99 | 310 | 62 |
In Figur 5 und Figur 6 ist der Apparat zur Herstellung
hochbeladener Aerosole mit kleinen Tröpfchendurchmessern
gezeigt.
Es besteht aus 9 Ultraschallschwingern, die wie in Figur 5
angeordnet sind. Jeder dieser Ultraschallschallschwinger
sitzt zur Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung bzw.
Zerstörung in einer Vertiefung (Figur 6). Durch die
entsprechende Regelung wird eine konstante Füllstandhöhe
über den Schwingern gewährleistet. Die in den Vertiefungen
sitzenden Ultraschallschwinger sind mit ihrer Schwingfläche
mit 7° gegen die Flüssigkeitsebene geneigt. Die tiefste
Stelle der jeweiligen äußeren Schwinger liegt zur
Kreismitte hin.
Über der Flüssigkeit befinden sich zwei
Gaseinleitungsrohre, in die das Trägergas gegeben wird.
Das mit Flüssigkeiten hochbeladene Aerosol tritt aus der
großen Öffnung nach oben hin aus.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren und des
Apparates liegt darin, (mit Flüssigkeitströpfchen)
hochbeladene Aerosole herzustellen, wobei das hochbeladene
Aerosol eine kleine Tröpfchengröße aufweist.
Die nach diesen Verfahren erzeugten Aerosole können als
Rohstoff für eine anschließende Pyrolyse, für
Beschichtungen, zur Dotierung von Substanzen und in der
Medizin angewandt werden.
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- Verfahren zur Herstellung von mit flüssiger Phase hochbeladenen Aerosolen mit kleinen Tröpfchen mittels Ultraschallschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallschwinger plan oder in einer Neigungsebene von 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5 und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, daß bei Verwendung von mehreren Schwingern in einer kompakten Einheit diese jeweils in einer Vertiefung sitzen und jeder einzelne Schwinger plan oder mit einer Neigungsebene zwischen 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5 und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt.
- Vorrichtung zur Herstellung von mit flüssiger Phase hochgeladenen Aerosolen mit kleinen Tröpfchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallschwinger plan oder in einer Neigungsebene von 1 bis 20, bevorzugt zwischen 5 und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, daß bei Verwendung von mehreren Schwingern in einer kompakten Einheit diese jeweils in einer Vertiefung sitzen und jeder einzelne Schwinger plan oder mit einer Neigungsebene zwischen 1 und 20, bevorzugt zwischen 5 und 8, Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, wobei sich über den Ultraschallschwingern eine Flüssigkeit befindet, deren Höhe über der Schwingebene kontrolliert werden kann, und optimal über die Flüssigkeit ein Trägergas, mit dem das erzeugte Aerosol ausgetragen wird, eingespeist werden kann.
- Ein Aerosol hergestellt nach Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Beladung in der Gasphase von mehr als 100 g/Nm3 Flüssigkeit aufweist, wobei der d90-Wert des Tröpfchenspektrums (Volumenwert) unter 30 µm, bevorzugt zwischen 1 und 8 µm, liegt.
- Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Aerosole als Rohstoff zur Pyrolyse, zur Beschichtung, zur Dotierung von Substanzen und in der Medizin.