Verfahren und Vorrichtung zum Dispergieren eines Stoffes in einer Fliissigkeit.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dispergie- ren eines Stoffes in mindestens einer Flüssig- keit. Dabei soll der Begriff Dispergieren die Herstellung von dispersen Systemen in wei iestem Sinn, also auch molekular disperser Systeme (Losungen), umfassen.
Die Flüssigkeit, in welche die andere Komponente dispergiert wird, kann ein einheitlicher Stoff sein oder ein Stoff, in welchem andere Stoffe gelöst, dispergiert oder emul- giert sind. Die zu dispergierenden Stoffe kön- nen einheitliche Stoffe oder Stoffgemische sein. Es ist weiter möglieh, dass sie gasförmig, flüssig oder fest sind. In letzterem Falle ist der feste Stoff mehr oder weniger aufgeteilt bzw. pulverisiert.
Man kann mit dem Dispergieren sehr verschiedene Zweeke verfolgen. So lässt sich die Erfindung zur FIerstellung von mehr oder weniger stabilen Emulsionen oder Suspensionen oder zur Bereitung homogener Lösungen anwenden.
Die Erfindung ist besonders für die Durchführung von physikalisehen oder chemischen Reaktionen zwischen einer Flüssigkeit oder einem in einer Flüssigkeit disper gierten Stoff und einer oder mehreren andern Komponenten von Bedeutung, wobei der Reaktionsverlauf von der Geschwindigkeit, mit der die Stoffe in Kontakt gebracht werden, abhängt und die Grosse der Kontaktflache eine bedeutende Rolle spielt.
Ohne das Gebiet, auf dem die Erfindung angewandt werden kann, zu beschränken, können als besondere Anwendungsmöglich- keiten genannt werden : das Waschen einer Flüssigkeit oder eines Gases mittels Dispergierung in der Flüssigkeit, das Belüften von Abwasser, Schlammsuspensionen oder andern Flüssigkeiten, in welchen aerobe mikrobiologische Vorgänge stattfinden, wie bei der Herstellung von Alkohol, Essigsäure ; weiter die Erzeugung heterogener katalytischer Reaktionen in einem flüssigen Medium, wobei der Katalysator in der flüssigen Phase di spergiert wird, usw.
Die bekannten Vorrichtungen zum Dispergieren eines Stoffes in einer Flüssigkeit enthalten meistens bewegliche Teile, wie Rührer, Knetarme, schwingende Wände oder Platten.
Hierdurch werden die Konstruktionen, vor allem, wenn man mit korrosiven Stoffen oder bei hoher oder sehr niedriger Temperatur oder unter Luftabschluss arbeiten muss, häu- fig kompliziert und kostspielig.
Es sind für das Dispergieren eines Gases in einer Flüssigkeit viele Methoden beschrieben worden.
Nach diesen Methoden wird das Gas ge wohnlich unter Druck in die Flüssigkeit eingebracht, z. B. unter Verwendung von porö- sen Platten oder Drahtgeweben. Um zu fei nerer Verteilung zu gelangen, wurde unter anderem vorgeschlagen, die poröse Platte oder das Drahtgewebe in Schwingung zu ver setzen oder die Austrittsoffnungen für das Gas in den äussersten Enden der Flügel eines schnell rotierenden Rührers anzubringen.
Auch wurde bereits vorgeschlagen, das zu verteilende Gas entweder durch Ansaugen mittels eines Injektors oder durch Einschleu- dern in die Flüssigkeit mittels rotierender Bürsten in die Flüssigkeit einzubringen. Die auf diese Weise herbeigeführte Verteilung ist gewohnlich wenig befriedigend.
Ausserdem macht man zur Herbeiführung einer gegenseitigen Einwirkung einer Flüs sigkeit oder eines festen Stoffes auf eine andere Flüssigkeit von Vorrichtungen Gebrauch, bei denen das Gemisch durch Kanäle geführt oder mit hoher Geschwindigkeit gegeneineWand oder einen andern Korper gesehleudert wird.
In der deutschen Patentschrift Nr. 645546 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Asphaltemulsionen beschrieben, welche aus einem zylindrischen Raum mit zentral angeordneter Abfuhroffnung besteht ; in diesen Raum münden zwei tangential gerichtete Zu fuhrleitungen. Wenn durch diese Leitungen die zu mischenden Komponenten-Wasser und warmer sehmelzflüssiger Asphalt-in den zylindrischen Raum hineingepresst werden, entsteht unter Einflu# der auftretenden rotierenden Strömung eine Emulsion.
Die vorliegende Erfindung bezweekt eine Verbesserung der bestehenden Vorrichtungen und Verfahren.
Gemäss dem Verfahren nach der Erfindung wird die Dispergierung erzielt, indem man in der Flüssigkeit eine Zyklonstromung erzeugt und den zu dispergierenden Stoff in der Achse der Zyklonstromung einleitet.
Wenn in einer Flüssigkeit eine genügend starke Zyklonstromung erzeugt wird, entsteht im Zentrum ein hohler Kern, worin sieh Luft oder Dampf mit verhältnismässig niedrigem Drucke befinden. Bei geeigneter Bemessung der Zyklonkammer ist es möglieh, da# dieser Druck bis auf etwa die Dampfspannung der verwendeten Flüssigkeit fällt. Dieser Unterdruek kann zur Ansaugung der in der Flüssigkeit zu dispergierenden Komponente benutzt werden. Die Vorrichtungfunktioniert in diesem Falle nicht nur als Dispergiervor- riehtung, sondern gleichzeitig als Dosierorgan.
Der zu dispergierende Stoff kann durch eine zentral einmündende Leitung der Zyklonkammer zugeführt werden. Hierin wird er durch die rotierende Flüssigkeit aufgenommen und den in dieser Flüssigkeit auftretenden Schubkräften ausgesetzt.
Das entstandene Endprodukt verlä#t an schlie#end die zentral angeordnete Abstrom- offnung in der Form eines hohlen Flüssig keitskegels.
Um eine gute Saugwirkung zu bekommen, ist es zweckmässig, dass der Durchmesser der Ansaugoffnung an der Unterseite der An- saugleitung kleiner ist als der Dnrehmesser der Abstromoffnung oder doch wenigstens, dassderWiderstand der Ansaugleitung stär- ker ist als der Widerstand der Abstromoff- nung und der gegebencnfalls daran anschlie ssenden Leitung. Dies ist beispielsweise dann erfiillt, wenn der Durelmesser der Ansaug- offnung kleiner ist als der Durehmesser des oben erwähnten Hohlkernes.
Gewölmlieh ragt die Ansaugleitung in die Kammer hinein. Es hat sich ergeben, da# die Saugwirkung in geringem Ma#e von der Länge der Ansaugleitung in der Zyklonkammer abhängt. Die Saugwirkung geht jedoch verloren, wenn die Ansaugleitung bis sehr nahe an die Abstromoffnung ragt. Die Fein heit der herbeigeführten Verteilung hängt gleichfalls von der Länge der Ansaugleitung in der Zyklonkammer ab. Wenn nämlich der Abstand zwischen der Mündung der Ansaugleitung und der Abströmöffnung zu klein ist, werden die sich bildenden Partikel grosser.
Die Flüssigkeitsmenge, welche bei einem bestimmten Druckgefälle durch die Zyklomkammer hindurchgepresst wird, ist praktisch unabhängig von der Menge zentral angesaug- ten Stoffes. Alithin ist es auf einfache Weise möglieh, mittels eines in der Ansaugleitung eingebauten Regulierhahnes das Verhältnis der zu dispergierenden Komponente zu der dispergierenden Flüssigkeit zu beeinflussen.
In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, dass beim Zunehmen des Druckgefälles die Flüssigkeitsmenge, die pro Zeiteinheit durch die Kammer hindurchgepresst wird, zwar zunimmt, dass aber ausserdem auch die Rotationsgeschwindigkeit der Flüs sigkeit steigt, wodurch die Ansaugkapazität und folglich die Menge angesaugten Stoffes wird. Somit ist das Mischverhältnis wenig empfindlich für zufällige Druckschwankungen in der Zufuhr der dispergie renden Flüssigkeit.
Dadurch unterscheiden sicli die nach der Erfindung gebauten Vor richtungen vorteilhaft von den Vorriehtun gen, welche in der deutschen Patentschrift Xr. 645546 beschrieben sind, bei welchen die zn mischenden oder zu dispergierenden Flüs sigkeiten beide tangential der Kammer zugeführt werden. Ein zweiter Vorteil ist, dass bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der in der Flüssigkeit zu disper gierendeStoff angesaugt wird, so dass er nicht unter Druck zugeführt zu werden hrauelt. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn es sien ut stark korrosive Stoffe handelt.
Ausführliche Versuche haben ergeben, dass sich bei zentraler Zufuhr eine bedeutend bes sere und schnellere Verteilung herbeiführen Hisst. als wenn beide Komponenten tangential. eingeführt werden.
Die Feinheit der erzielten Verteilung wird au#er durch die bereits genannte Länge der Ansaugleitung auch durch Form und (trösse der Zyklonkammer beeinflusst, und zwar insbesondere durch die Grosse des Durchmessers der Zu- und Abströmöffnun gell. Es hat sich herausgestellt, dass bei gleichem Zuführungsdruck eine Verringerung (ler Abmessungen der Zyklonkammer eine Verringerung der Partikelgrösse des zu verteilenden Stoffes zur Folge hat.
Die Erhöhung des Zuführungsdruckes hat bei gleiehen Abmessungen der Kammer 'lenselben Effekt. Wenn man nämlich den Druck erhöht, werden höhere Rotations geschwindigkeiten und dadurch höhere Sehubkräfte erzeugt. Dies hat eine verkleinernde Wirkung auf die Partikelgrösse.
Falls Stoffe mit grösserem spezifischem Gewicht als das der Flüssigkeit dispergiert werden sollen, verwendet man vorteilhaft Kammern, bei denen sich die Tangentialzuleitung an derselben Seite wie die Abström- öffnung befindet. Es entsteht dabei eine Strömung, bei der sich die Flüssigkeit schrau- benartig der Wand entlang nach dem der Abstromöffnung gegenüberliegenden Ende der Kammer und von dort der Achse entlang nach der Abströmöffnung bewegt. Die in dieser Weise erzeugte Strömung kann als eine Strömung beschrieben werden, bei welcher sich innerhalb eines rotierenden Zylindermantels ein zweiter Zylinder ausbildet, dessen Rotationsgeschwindigkeit infolge des geringeren Rotationsradius bedeutend hoher ist als die des äussern Zylindermantels.
Der zu dispergierende Stoff wird in den schnellrotierenden zentralen Zylinder aufgenommen, wodurch auf die Partikel eine zentrifugale Kraft zu wirken anfängt. Die Partikel werden infolgedessen nach aussen geschleudert ; hierbei legen die gröberen Par tikel in derselben Zeit einen grosseren Weg zurüek als die feineren. Nur Partikel, deren Korngrosse unter einem bestimmten Maximum liegt, befinden sich in dem Strom, welcher die Abströmöffnung verlässt. Partikel, die eine bestimmte kritische Grosse übersteigen, sind schon vor der Zeit aus dem der Offnung zuströmenden zentralen Zylinder verschwunden und in den Aussenmantel aufgenommen worden.
Hierdurch werden diese Partikel wieder nach dem Ausgangspunkt zuriickgeleitet und anschliessend aufs neue in den zentralen Zylinder übergeführt. Die Teilchen, welche eine bestimmte kritische Grösse noch überschreiten, zirkulieren wieder. Hierdurch lässt sich ein homogenes Produkt erzeugen.
Wenn man die Zyklonkammer, mit der Abstromöffnung nach unten gerichtet, in geringem Abstand von einem Flüssigkeitsspie- gel anordnet, bleibt die austretende Dispersion wie eine geschlossene, rotierende Säule stehen, in der sich ein Gebiet von niedrigerem Druck befindet. Der Flüssigkeitsspiegel kann dadurch sogar in die Hoche gesaugt werden.
Wenn die Abströmöffnung unter den Flüs- sigkeitsspiegel mündet, kann diese Offnung weiter bemessen werden, ohne dass die Saugwirkung in der Kammer hierdurch zurück- geht. Die Gefahr, dass Gas durch die Ab strömöffnung eingesaugt wird, wodurch sich der Unterdruck in dem Kern verringert, ist dann weniger gross.
Bei einer in einer Flüssigkeitsmasse un tergetauehten Zyklonkammer ist die Saugwir- kung von dem Abstand der Abstromoffnung der Kammer bis zum Flüssigkeitsspiegel ab hängig, weil beim Ansaugen auch der hydrostatische Druck der Flüssigkeit überwunden werden muss.
Die rotierende Bewegung der ausströmen- den Dispersion lässt sich benutzen, um die in einem Vorrats-oder Reaktionsgefäss, in welches die erzeugte Dispersion eingeführt wird, bereits vorhandene Materie zu rühren oder wenigstens in derselben eine Turbulenz her vorzurufen.
Es ist auch möglieh, die Bewegungsener- gie der ausstromenden Flüssigkeit teilweise als statisehen Druck zurückzugewinnen, und zwar dadurch, dass man die Abströmöffnung mit einem Diffusor versieht. Mit dessen Hilfe kann bei gleicher Wirkung der Vorrichtung der Zufuhrdruck für die Flüssigkeit erniedrigt oder der zurückgewonnene Druck zum Beispiel zum Betrieb einer folgenden Zyklon- kammer verwendet werden.
Wenn man die Kapazität der Vorrichtung steigern will, so kann man die zu verwen- dende Zvklonkammer nieht ohne weiteres vergrössern. Um die gleiche Dispergierungs- feinheit beizubehalten, ist es erforderlich, den Zufuhrdruck bedeutend zu erhohen. In energetischer Hinsieht ist es dann vorteilhaft, mehrere kleine Kammern parallel arbeiten zu lassen.
An Hand der Zeichnung, die Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung gemäss der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darstellt, wird auch das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise erläutert.
Fig. l und 2 stellen den Schnitt zweier Vorriehtungen schematisch dar. Die Flüssigkeit wird unter Druck durch die Leitung 1 bzw. la zugeführt und strömt durch die Öffnung 2 bzw. 2a in tangentialer Richtung in die Zyklonkammer 7 bzw. 7a ein. Diese wird von einem durch Ausbohrung des Blockes 5 bzw. 5a gesehaffenen Raum, der mittels der Platte 6 bzw. 6a verschlossen ist, gebildet.
Die Abströmung findet dureh die Öffnung 3 bzw. 3a in dem Mundstück 9 bzw. 9a statt, das mittels Gewinde in dem Block 5 bzw. der Platte 6a befestigt ist. Da der Radius der Abströmöffnung beträchtlich kleiner ist als der Radius, auf dem die Zuführungsleitung eintritt, entsteht in der Zvklonkammer 7 bzw.
7a eine Zyklonstromung, so dass die Flüssig- keit als ein sich drehender, hohler Kegelmantel aus dem Mundstüek 9 bzw. 9a tritt.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist in der Platte 6, der Abstromoffnung gegenüber, ein Ansaugrohr 8 angebracht. Der Durchmesser dieses Ansaugrohres 8 ist bedeutend kleiner als der Durchmesser der Abstromoffnung, um zu verhindern, dass die Flüssigkeitsstromung in der Kammer unregelmässig wird bzw. die Flüssigkeit durch die Ansaugleitung austritt.
Bei der Zyklonkammer nach Fig. 2, wo sich die Tangentialzuleitung la am selben Ende der Kammer befindet wie die Abström- öffnung 3a, wird die Ansaugöffnung 4a durch eine zentrale Bohrung in der Schraube 10 gebildet, an der das Ansaugrohr 8a befestigt ist. Diese Kammer eignet sich insbesondere zum Dispergieren eines Stoffes, der spezifisch schwerer ist als die Flüssigkeit, weil in dieser Kammer eine Zirkulation von Teilchen stattfinden kann, was bei der Ausführung nach Fig. l nicht der Fall ist. Wenn es gilt, spezifiseh leichtere Stoffe zu dispergieren, bietet diese Vorrichtung jedoch keine Vorteile vor der nach Fig. 1 konstruierten.
Die Fig. 3a und 3b stellen eine Vorrichtung dar, die sich insbesondere zur Verwendung unter einem Flüssigkeitsspiegel eignet.
Die Zufuhrleitungen für die Flüssigkeit und den zu dispergierenden Stoff sind parallel an geordnet und beide an der Oberseite angehraeht. stellt den Schnitt nach A-A in Fig. dar ; Fig. 3b ist ein ein Sehnitt naeh B in Fig.3a. Die Zyklonkammer 11 wird durch die zvl. indrisehe Wand 12 und die Platten 14 4 und 15 gebildet. In der zylindrischen Wand sind einige, sich keilförmig verengende, tan- gential geriehtete Kanäle 13 für die Flüssig- keit ausgespart. Um diese Zyklonkammer lierne ist eine zweite Kammer 16 angeordnet, an welche der Zufuhrkanal 17 anschliesst.
Die Zyklonkammer 11 ist mit einem Mundstück 22 versehen, worin sich, zentral angeordnet, eine runde Öffnung 23 zur Abfuhr der Flüssigkeit befindet.
Wenn man durch das Zufuhrrohr 17 irgendeine Flüssigkeit hineinpresst, strömt diese über die Kammer 16 und die Kanäle 13 der Zyklonkammer 1 1 zu, was dort eine Zy Idonströmung verursacht. Die Flüssigkeit ver lä#t die Zyklonkammer durch die Abström- öffnung 23.
In der Wand 15 ist die Ansaugleitung 19 atyebnaeht, welche in der Führung 18, mit Packung 21 und Paekungsring 20, verstellt werden kann. Zur Änderung der Zufuhr des anzusaugenden Stoffes kann man in die Ansaugleitung 19 einen Hahn 24 anbringen.
Die Fig. 4a und 4b stellen eine Vorrieh tung dar, die sich insbesondere zum Dispergieren pulverförmiger oder stark viskoser flüssigel Stoffe eignet. Fig. 4a gibt den Schnitt nach A-A in Fig. 4b wieder. Fig. 4b ist der Schnitt nach B-B in Fig. 4a.
In die Kammer 7b münden zwei Tangen tialleitungen 1b ein, ein, die vorliegendem vorliegendem (inen reehteekigen Querschnitt aufweisen, so da# die Zufuhröffnungen 9b im zylindrischen Teil der Eotationskammer auch rechteekig sind. Die Abströmöffnung 3b befindet sich in dem Alundstüek 9b, das in der Wand am selben Ende der Kammer wie die Flüssigkeits- zufuhr angebracht ist. Folglieh besteht in der Kammer die Möglichkeit, den zu dispergieren- den Stoff zirkulieren zu lassen.
In der Ansaugleitung 8b, welche der Abströmöffnung 3b gegenüber angebracht ist, befindet sich eine Forderschneeke 25, die aus dem Trichter 26 beschickt wird. Die Ansaugleitung ist mittels der Überwurfmutter 27 am Gehäuse 5b der Zyklonkammer 7b befestigt.
Obige Vorrichtung eignet sich insbesondere für die gegenseitige Einwirkung zweier Flüssigkeiten in Anwesenheit eines dritten Stoffes, z. B. eines Katalysators. Die beiden flüssigen Reaktionskomponenten können separat durch die Leitungen 1b zugeführt werden, während der zu dispergierende Katalysator durch das Ansaugrohr 8b eingeführt wird, wobei die Fördersehneeke 25 den Transport bis an die Ansaugöffnung besorgt.
Die Fig. 5a und 5b bzw. 6a und 6b geben je ein Beispiel von Vorrichtungen, bei denen mehrere Zyklonkammern zu einer grösseren Einheit zusammengebaut sind.
Die Fig. 5a bzw. 6a stellen den Schnitt nach A-A in Fig. 5b bzw. in Fig. 6b dar ; die Fig. 5b bzw. 6b sind ein Schnitt nach B-B in Fig. 5a bzw. 6a.
Bei der Vorrichtung nach den Fig. 5a und 5b sind die Zyklonkammern 29, die zentrale Ansaugkammer 30 und die einzelnen Ansaug- leitungen 31 aus einem zylindrischen Block 28 ausgebohrt. Die Zyklonkammern sind durch die Platten 33 verschlossen, in denen die Mundstücke 34 eingeschraubt sind. Auf dem zylindrischen Block 28 befindet sich die Fliis sigkeitskammer 37 mit der Zufuhrleitung 38.
Die Flüssigkeit, die durch das Rohr 38 in den Raum 37 hineingepresst wird, kann durch die Tangentialzuleitungen 35 mit ihren Offnungen 36 in die Zyklonkammern 29 einströmen, wodurch in denselben eine Zyklonströmung entsteht. Der zu dispergierende Stoff kann durch die Leitung 32, den zentralen Raum 30 und die Ansaugleitungen 31 zugeführt werden. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Belüften von Flüssigkeiten in einem Behälter. Die Luftdispersion wird in einen die Vorrichtung umgebenden Behäl- ter geführt. Hierdurch entstehen turbulente Strömungen, welche bewirken, dass der ganze Tnhalt des Behälters schnell belüftet wird.
In den Fig. 6a und 6b stellt 40 einen zylin- drischen Block dar, in dem sechs Zyklonkam mern 41 und eine zentrale Bohrung 42 angebracht sind. Die Unterseite jeder Kammer 41 bildet ein Mundstück 43 mit einer koni- sehen Aussparung und der anschliessenden Abstromoffnung.
Die zentrale Bohrung 42 ist durch die Sehraube 46 an der Unterseite versehlossen.
Im Block 40 sind Tangentialzuleitungen 44 zu den Kammern 41 ausgefräst, die mit den offnungen 45 in dieselben einmünden.
Die Kammern 41 und Zuleitungen 44 sind an der Oberseite durch die Platte 47 verschlossen. In dieser Platte sind koaxial in bezug auf die Kammern 41 Düsen 49 mit Ansaugoffnungen eingeschraubt. Die gemeinsehaftliehe Ansaugkammer 50 ist im zylindri schen Block 51, der eine zentrale Bohrung enthält, ringförmig ausgespart. In diesen Block sind die Ansaugleitung 52 und die Zufuhrleitung 48 für die Flüssigkeit eingeschraubt. Die Blocke 51 und 40 können zum Beispiel mittels Zugbolzen 53 aneinander befestigt sein. Wenn nötig, kann man zur Vermeidung von Undichtheiten noch eine Platte aus elastischem Material zwischen der Platte 47 und den Blöeken 40 und 51 anbringen.
Wenn die Flüssigkeit durch die Leitung 48 eingepresst wird, strömt sie durch die Boh rune 42, die Tangentialzuleitungen 44 und die Öffnungen 45 in die Zyklonkammern 41, in denen eine starke Zyklonstromung entsteht.
Die Flüssigkeit verlä#t die Kammern durch die in den Mundstücken 43 befindliehen Ab- stromoffnungen. Infolge der Zyklonstromung entsteht in dem Zentrum der Kammern ein Unterdruck, wodurch der zu dispergierende Stoff durch die Düsen 49, die Ansaugkam- mer 50 und die Ansaugleitung 52 zugeführt werden kann.
Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Dispergieren eines Gases oder einer wenig viskosen Flüssigkeit in einer Flüssig- keit. Wie bei den Vorrichtungen nach den Fig. 5a und 5b ist aueh hier die Kapazität mittels Vervielfachung der Kammern bedeutend gesteigert.
Method and device for dispersing a substance in a liquid.
The invention relates to a method and a device for dispersing a substance in at least one liquid. The term dispersing is intended to encompass the production of disperse systems in the broadest sense, including molecularly disperse systems (solutions).
The liquid in which the other component is dispersed can be a uniform substance or a substance in which other substances are dissolved, dispersed or emulsified. The substances to be dispersed can be uniform substances or mixtures of substances. It is also possible that they are gaseous, liquid or solid. In the latter case, the solid substance is more or less divided or pulverized.
One can pursue very different purposes with the dispersion. Thus, the invention can be used to produce more or less stable emulsions or suspensions or to produce homogeneous solutions.
The invention is particularly important for carrying out physical or chemical reactions between a liquid or a substance dispersed in a liquid and one or more other components, the course of the reaction depending on the speed with which the substances are brought into contact the size of the contact area plays an important role.
Without restricting the field in which the invention can be applied, the following can be named as special application possibilities: washing a liquid or a gas by means of dispersion in the liquid, aerating waste water, sludge suspensions or other liquids in which aerobic microbiological processes take place, as in the production of alcohol, acetic acid; further the generation of heterogeneous catalytic reactions in a liquid medium, the catalyst being dispersed in the liquid phase, etc.
The known devices for dispersing a substance in a liquid mostly contain moving parts such as stirrers, kneading arms, oscillating walls or plates.
This often makes the constructions complicated and costly, especially when one has to work with corrosive substances or at high or very low temperatures or in the absence of air.
Many methods have been described for dispersing a gas in a liquid.
According to these methods, the gas is introduced into the liquid under pressure, z. B. using porous plates or wire mesh. In order to achieve finer distribution, it was proposed, inter alia, to set the porous plate or the wire mesh in vibration or to attach the outlet openings for the gas in the outermost ends of the blades of a rapidly rotating stirrer.
It has also already been proposed that the gas to be distributed be introduced into the liquid either by suction using an injector or by being thrown into the liquid using rotating brushes. The distribution brought about in this way is usually not very satisfactory.
In addition, to bring about a mutual action of a liquid or a solid substance on another liquid use is made of devices in which the mixture is guided through channels or thrown at high speed against a wall or another body.
In the German patent specification No. 645546 a device for the production of asphalt emulsions is described, which consists of a cylindrical space with a centrally arranged discharge opening; Two tangentially directed feed lines open into this space. When the components to be mixed - water and warm, molten asphalt - are pressed into the cylindrical space through these pipes, an emulsion is created under the influence of the rotating current.
The present invention aims to improve upon the existing apparatus and methods.
According to the method according to the invention, the dispersion is achieved by generating a cyclonic flow in the liquid and introducing the substance to be dispersed in the axis of the cyclonic flow.
If a sufficiently strong cyclonic current is generated in a liquid, a hollow core is created in the center, in which air or vapor is located at relatively low pressure. With a suitable dimensioning of the cyclone chamber it is possible that this pressure drops to about the vapor tension of the liquid used. This negative pressure can be used to suck in the component to be dispersed in the liquid. In this case, the device functions not only as a dispersing device, but also as a metering device.
The substance to be dispersed can be fed into the cyclone chamber through a centrally opening line. Here it is absorbed by the rotating liquid and exposed to the thrust forces occurring in this liquid.
The resulting end product then leaves the centrally arranged outflow opening in the form of a hollow cone of liquid.
In order to get a good suction effect, it is useful that the diameter of the suction opening on the underside of the suction line is smaller than the diameter of the outflow opening or at least that the resistance of the suction line is stronger than the resistance of the outflow opening and the possibly connected to it. This is fulfilled, for example, when the diameter of the suction opening is smaller than the diameter of the hollow core mentioned above.
The suction line protrudes into the chamber. It has been found that the suction effect depends to a small extent on the length of the suction line in the cyclone chamber. The suction is lost, however, if the suction line projects very close to the outlet opening. The fineness of the resulting distribution also depends on the length of the suction line in the cyclone chamber. If the distance between the mouth of the suction line and the discharge opening is too small, the particles that form become larger.
The amount of liquid that is pressed through the cyclome chamber at a certain pressure gradient is practically independent of the amount of substance sucked in centrally. Alithin it is possible in a simple manner to influence the ratio of the component to be dispersed to the dispersing liquid by means of a regulating valve built into the suction line.
In this context, it is important that when the pressure gradient increases, the amount of liquid that is pressed through the chamber per unit of time increases, but that the rotational speed of the liquid also increases, which increases the suction capacity and consequently the amount of substance sucked in. Thus, the mixing ratio is not very sensitive to accidental pressure fluctuations in the supply of the dispersing liquid.
This sicli distinguish the built according to the invention before devices advantageous from the Vorriehtun conditions, which in the German patent Xr. 645546 are described, in which the liquids to be mixed or dispersed are both fed tangentially to the chamber. A second advantage is that, in the preferred embodiment of the method, the substance to be dispersed in the liquid is sucked in so that it does not have to be supplied under pressure. This is particularly advantageous if you are dealing with highly corrosive substances.
Extensive tests have shown that a central supply leads to a significantly better and faster distribution. as if both components are tangential. be introduced.
The fineness of the distribution achieved is influenced not only by the length of the suction line already mentioned, but also by the shape and size of the cyclone chamber, in particular by the size of the diameter of the inlet and outlet openings. It has been found that with the same inlet pressure a reduction in the dimensions of the cyclone chamber results in a reduction in the particle size of the substance to be distributed.
The increase in the feed pressure has the same effect with the same dimensions of the chamber. If you increase the pressure, higher speeds of rotation and thus higher visual forces are generated. This has a reducing effect on the particle size.
If substances with a specific weight greater than that of the liquid are to be dispersed, it is advantageous to use chambers in which the tangential feed line is on the same side as the outflow opening. This creates a flow in which the liquid moves screw-like along the wall to the end of the chamber opposite the outflow opening and from there along the axis to the outflow opening. The flow generated in this way can be described as a flow in which a second cylinder is formed within a rotating cylinder jacket, the speed of which is significantly higher than that of the outer cylinder jacket due to the smaller rotation radius.
The substance to be dispersed is taken up in the rapidly rotating central cylinder, whereby a centrifugal force begins to act on the particles. As a result, the particles are thrown outwards; in this case the coarser particles cover a greater distance than the finer ones in the same time. Only particles whose grain size is below a certain maximum are in the flow that leaves the discharge opening. Particles that exceed a certain critical size have already disappeared from the central cylinder flowing towards the opening and have been absorbed into the outer jacket.
As a result, these particles are returned to the starting point and then transferred again to the central cylinder. The particles that still exceed a certain critical size circulate again. This enables a homogeneous product to be produced.
If the cyclone chamber, with the outlet opening pointing downwards, is placed a short distance from a liquid level, the emerging dispersion remains like a closed, rotating column in which there is an area of lower pressure. The liquid level can even be sucked into the high altitude.
If the outflow opening opens below the liquid level, this opening can be dimensioned further without the suction effect in the chamber being reduced as a result. The risk of gas being sucked in through the flow opening, as a result of which the negative pressure in the core is reduced, is then less great.
In the case of a cyclone chamber thawed in a liquid mass, the suction effect is dependent on the distance from the outlet opening of the chamber to the liquid level, because the hydrostatic pressure of the liquid also has to be overcome during suction.
The rotating movement of the emitted dispersion can be used to stir the material already present in a storage or reaction vessel into which the dispersion produced is introduced, or at least to induce turbulence in the same.
It is also possible to partially recover the kinetic energy of the outflowing liquid as static pressure by providing the outflow opening with a diffuser. With the help of this, the supply pressure for the liquid can be reduced with the same effect of the device or the recovered pressure can be used, for example, to operate a subsequent cyclone chamber.
If you want to increase the capacity of the device, you can not easily enlarge the zvklonkammer to be used. In order to maintain the same fineness of dispersion, it is necessary to increase the feed pressure significantly. From an energetic point of view, it is then advantageous to have several small chambers working in parallel.
The method according to the invention is also explained, for example, with reference to the drawing, which shows exemplary embodiments of the invention in accordance with the device for carrying out the method.
Fig. 1 and 2 show the section of two Vorriehtungen schematically. The liquid is supplied under pressure through the line 1 or la and flows through the opening 2 or 2a in a tangential direction into the cyclone chamber 7 or 7a. This is formed by a space created by drilling out the block 5 or 5a, which is closed by means of the plate 6 or 6a.
The outflow takes place through the opening 3 or 3a in the mouthpiece 9 or 9a, which is fastened by means of a thread in the block 5 or the plate 6a. Since the radius of the outflow opening is considerably smaller than the radius on which the feed line enters, the zvklonkammer 7 resp.
7a a cyclonic flow, so that the liquid emerges from the mouthpiece 9 or 9a as a rotating, hollow conical surface.
In the embodiment according to FIG. 1, a suction pipe 8 is attached in the plate 6, opposite the outlet opening. The diameter of this suction pipe 8 is significantly smaller than the diameter of the outlet opening in order to prevent the liquid flow in the chamber from becoming irregular or the liquid from escaping through the suction line.
In the cyclone chamber according to FIG. 2, where the tangential feed line la is at the same end of the chamber as the outflow opening 3a, the suction opening 4a is formed by a central bore in the screw 10 to which the suction pipe 8a is attached. This chamber is particularly suitable for dispersing a substance that is specifically heavier than the liquid, because particles can circulate in this chamber, which is not the case with the embodiment according to FIG. When it comes to dispersing specifically lighter substances, however, this device offers no advantages over that constructed according to FIG.
FIGS. 3a and 3b illustrate a device which is particularly suitable for use under a liquid level.
The supply lines for the liquid and the substance to be dispersed are arranged in parallel and both are connected to the top. shows the section along A-A in Fig.; Fig. 3b is a section near B in Fig.3a. The cyclone chamber 11 is through the zvl. indrisehe wall 12 and the plates 14 4 and 15 formed. In the cylindrical wall, some, wedge-shaped narrowing, tangentially directed channels 13 are recessed for the liquid. A second chamber 16, to which the feed channel 17 connects, is arranged around this cyclone chamber.
The cyclone chamber 11 is provided with a mouthpiece 22, in which, centrally arranged, there is a round opening 23 for discharging the liquid.
If any liquid is pressed through the supply pipe 17, it flows through the chamber 16 and the channels 13 of the cyclone chamber 11, which causes a Zy Idon flow there. The liquid leaves the cyclone chamber through the outflow opening 23.
The suction line 19, which can be adjusted in the guide 18 with the packing 21 and packing ring 20, is atyebnaeht in the wall 15. In order to change the supply of the substance to be sucked in, a cock 24 can be fitted in the suction line 19.
Figs. 4a and 4b represent a Vorrieh device, which is particularly suitable for dispersing powdery or highly viscous liquid substances. Fig. 4a shows the section according to A-A in Fig. 4b. Fig. 4b is the section along B-B in Fig. 4a.
Two tangential lines 1b open into the chamber 7b, which in the present case have a rectangular cross-section, so that the supply openings 9b in the cylindrical part of the eotation chamber are also rectangular. The discharge opening 3b is located in the aluminum piece 9b, which is in the Wall is attached to the same end of the chamber as the liquid supply, so there is the possibility of circulating the substance to be dispersed in the chamber.
In the suction line 8b, which is attached opposite the discharge opening 3b, there is a conveying snow 25 which is fed from the funnel 26. The suction line is fastened to the housing 5b of the cyclone chamber 7b by means of the union nut 27.
The above device is particularly suitable for the mutual action of two liquids in the presence of a third substance, e.g. B. a catalyst. The two liquid reaction components can be fed separately through the lines 1b, while the catalyst to be dispersed is introduced through the suction pipe 8b, the conveyor tendon 25 taking care of the transport up to the suction opening.
5a and 5b or 6a and 6b each give an example of devices in which several cyclone chambers are assembled to form a larger unit.
FIGS. 5a and 6a show the section according to A-A in FIG. 5b and in FIG. 6b, respectively; Figs. 5b and 6b are a section along B-B in Figs. 5a and 6a, respectively.
In the device according to FIGS. 5 a and 5 b, the cyclone chambers 29, the central suction chamber 30 and the individual suction lines 31 are bored out of a cylindrical block 28. The cyclone chambers are closed by the plates 33 into which the mouthpieces 34 are screwed. The liquid chamber 37 with the supply line 38 is located on the cylindrical block 28.
The liquid, which is pressed through the pipe 38 into the space 37, can flow through the tangential feed lines 35 with their openings 36 into the cyclone chambers 29, whereby a cyclone flow arises in them. The substance to be dispersed can be supplied through the line 32, the central space 30 and the suction lines 31. This device is particularly suitable for aerating liquids in a container. The air dispersion is fed into a container surrounding the device. This creates turbulent flows, which cause the entire contents of the container to be ventilated quickly.
In FIGS. 6a and 6b, 40 represents a cylindrical block in which six Zyklonkam mern 41 and a central bore 42 are attached. The underside of each chamber 41 forms a mouthpiece 43 with a conical recess and the adjoining outflow opening.
The central bore 42 is closed by the viewing hood 46 on the underside.
In the block 40, tangential feed lines 44 are milled out to the chambers 41, which open into the same with the openings 45.
The chambers 41 and supply lines 44 are closed at the top by the plate 47. In this plate 41 nozzles 49 with suction openings are screwed coaxially with respect to the chambers. The common suction chamber 50 is recessed in the cylindri's block 51, which contains a central bore, in a ring. The suction line 52 and the supply line 48 for the liquid are screwed into this block. The blocks 51 and 40 can be attached to one another by means of tie bolts 53, for example. If necessary, a plate made of elastic material can be attached between the plate 47 and the blocks 40 and 51 to prevent leaks.
When the liquid is pressed in through the line 48, it flows through the boring rune 42, the tangential feed lines 44 and the openings 45 into the cyclone chambers 41, in which a strong cyclone flow arises.
The liquid leaves the chambers through the outflow openings located in the mouthpieces 43. As a result of the cyclone flow, a negative pressure arises in the center of the chambers, as a result of which the substance to be dispersed can be supplied through the nozzles 49, the suction chamber 50 and the suction line 52.
This device is particularly suitable for dispersing a gas or a liquid of low viscosity in a liquid. As in the case of the devices according to FIGS. 5a and 5b, the capacity is also here significantly increased by multiplying the chambers.