EP0860211A1 - Ultraschallvernebelung - Google Patents

Ultraschallvernebelung

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EP0860211A1
EP0860211A1 EP98100446A EP98100446A EP0860211A1 EP 0860211 A1 EP0860211 A1 EP 0860211A1 EP 98100446 A EP98100446 A EP 98100446A EP 98100446 A EP98100446 A EP 98100446A EP 0860211 A1 EP0860211 A1 EP 0860211A1
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EP
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liquid
degrees
aerosols
level
ultrasonic
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EP98100446A
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English (en)
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Stipan Katusic
Rainer Golchert
Helmut Dr. Mangold
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
Degussa Huels AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0615—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced at the free surface of the liquid or other fluent material in a container and subjected to the vibrations
    • 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
    • B01F23/21—Mixing gases with liquids by introducing liquids into gaseous media
    • B01F23/213—Mixing gases with liquids by introducing liquids into gaseous media by spraying or atomising of the liquids
    • B01F23/2133—Mixing gases with liquids by introducing liquids into gaseous media by spraying or atomising of the liquids using electric, sonic or ultrasonic energy

Definitions

  • concentrations of the salts in these solutions or Suspensions can be from 0.0001 to 20% by weight.
  • the d90 value (90% of the droplets, volume fraction) is 20.46 ⁇ m, the d50 value 6.69 ⁇ m.
  • the aerosol which is highly loaded with liquids, emerges from the large opening upwards.
  • the advantage of the inventive method and Apparatus lies in (with liquid droplets) to produce highly loaded aerosols, the highly loaded Aerosol has a small droplet size.

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit flüssiger Phase hochbeladenen Aerosolen mit kleinen Tröpfchen, mittels Ultraschallschwinger, wobei ein Ultraschallschwinger plan oder in einer Neigungsebene von 1 bis 20 Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt, und 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 Grad gegenüber der Flüssigkeitsebene schwingt. Die Aerosole können als Rohstoff zur Pyrolyse, zur Beschichtung, zur Dotierung von Substanzen und in der Medizin eingesetzt werden.

Description

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.
Vorteil:
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren und des Apparates liegt darin, (mit Flüssigkeitströpfchen) hochbeladene Aerosole herzustellen, wobei das hochbeladene Aerosol eine kleine Tröpfchengröße aufweist.
Anwendungsgebiete:
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.

Claims (4)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Aerosole als Rohstoff zur Pyrolyse, zur Beschichtung, zur Dotierung von Substanzen und in der Medizin.
EP98100446A 1997-02-20 1998-01-13 Ultraschallvernebelung Ceased EP0860211A1 (de)

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