DE19617924A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanregung von flüssigen Medien bei der Herstellung von sphärischen Granulaten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanregung von flüssigen Medien bei der Herstellung von sphärischen GranulatenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, welches zur Schwingungsanregung der
Precurserflüssigkeiten bei der Herstellung von sphärischen Granulaten dient. Die
Schwingungsanregung führt zur Ausbildung von Tropfen der aus einer oder mehreren
Düsen oder koaxialen Düsen abgegebenen flüssigen Materialien.
Unmittelbar vor den Düsen oder zumindest in kurzer Entfernung der Düsenvorrichtung wird
der zu den Düsen hinfließender Flüssigkeitsstrom direkt in Schwingungen versetzt.
Die Ausbildung der Tropfen wird durch die direkte Schwingungsanregung auf die zu
vertropfende Flüssigkeit bewirkt. Die die Flüssigkeit umhüllenden Behältnisse,
Rohrleitungen und Düsen bleiben dabei in Ruhe.
Die direkte Einbringung der Schwingung geschieht in verschiedener Weise:
- - durch mechanische Schwingungsübertragung eines in Schwingung versetzten elastischen Körpers, der als Rohrzwischenstück in der Zuführleitung zu der Düse oder den Düsen angeordnet ist, der als elastische Membran in die Düsenanordnung oder in die Zuführleitung kurz vor der Düsenanordnung eingebaut ist, der als elastisch verformbarer Hohlkörper bzw. Tauchkolben in die Düsenanordnung eingeführt ist,
- - durch Einbringung eines Piezokristalls oder einer Ultraschallsonde in die Düsenanordnung oder in die Zuführleitung kurz vor der Düsenordnung.
Die Anordnung der schwingungsübertragenden Vorrichtung kann je nach zu vertropfenden
flüssigem Materal horizontal, vertikal oder schräg angeordnet sein.
Die ausgebildeten Tropfen fallen in einen luftdurchströmten, gasgefüllten oder
gasdurchströmten Raum von oben nach unten. Die Tropfen können auch seitlich oder von
unten in ein flüssiges Medium, welches eine kleinere Dichte als die zu vertropfende
Flüssigkeit aufweist, mit leichtem Überdruck, der mindestens gleich oder größer als der
statische Druck der Flüssigkeitssäule ist, eingetropft werden.
Die ausgebildeten Tropfen werden in dem luft- oder gasdurchströmten Raum durch
Kühlung oder durch Verdampfung eines in den Tropfen enthaltenden Lösungsmittels
verfestigt. Eine weitere Verfestigung in dem gasdurchströmten Raum ist durch chemische
Reaktion des Gases mit den Tropfen erzielbar. Ist der Raum in dem die ausgebildeten
Tropfen hindurchfallen mit einer Flüssigkeit gefüllt oder durchströmt, so werden die
Tropfen durch chemische Reaktion oder auch durch Abkühlung in dieser Flüssigkeit
gehärtet.
Verfahren zur Herstellung von sphärischen Granulaten unter Verwendung von
Schwingungsanregungen sind hinreichend bekannt.
In DE 43 38 212 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben mit der sphärische
Granulate herstellbar sind. Dabei wird die Düseneinrichtung selbst in Schwingungen
versetzt, um die Ausbildung von gleichmäßigen Tropfen zu bewirken. Die
Düsenanordnungen sind bei Anordnungen, die eine Vielzahl von Düsenbohrungen
aufweisen, großvolumig und mit hoher Masse behaftet. Die Schwingungsanregung muß
daher mit hoher Schwingungsleistung, z. B. mit großen schweren elektromagnetischen
Schwingern, eingebracht werden.
Nach DE 30 35 331 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Düsenkopf zylindrisch geformt
ist und in diesen ein fest mit einem Vibrator verbundener Stößel hineinragt.
Der Stößel wird auf einer ringförmigen Führungsfläche, die mit einem O-Ring abgedichtet
ist, auf und ab bewegt. Diese Schwingungsbewegung versetzt dann die dem Düsenkopf
zugeführte Flüssigkeit in Schwingungen, welche dann die Tropfenausbildung bewirkt.
Diese Vorrichtung führt zu einer hohen Beanspruchung des O-Rings insbesondere dann
wenn die zu vertropfende Flüssigkeit hohe Temperaturen aufweist wie dies bei Schmelzen
von Metallen, Metalloten oder hochschmelzenden Salzen, organischen Verbindungungen
und Kunststoffen der Fall sein kann. Diese Temperaturen liegen dann oft höher als die
maximale Beständigkeitstemperatur eines O-Rings z. B. bei Metalloten mit Schmelzpunkten
von 400°C. Neben der Temperaturempfindlichkeit führt die hin und hergehende
Abrollbewegung des O-Rings zu einem schnellen Verschleiß.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu den eingangs
genannten Arten so weiter zu bilden, daß die Schwingungsanregung kurz vor dem Eintritt in
die Düsenöffnungen direkt auf die zu vertropfende Flüssigkeit einwirkt und diese in
gleichmäßige Schwingungen versetzt, um eine gleichmäßige Teilchenform und -größe sowie
hohe Durchsätze ermöglichen, ohne daß verschleißanfällige Komponenten sowie
leistungsstarke Schwingungserreger von hohem Gewicht verwendet werden müssen.
Dieses Problem wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß kurz vor
dem Eintritt der zu vertropfenden Flüssigkeit ein elastisches temperaturbeständiges Element
in die Düsenanordnung oder die Zuführleitung eingesetzt wird auf welches eine Schwingung
direkt oder auch pneumatisch indirekt über ein Luft- oder Gaspolster einwirkt. Das so in
Schwingungen versetzte elastische Element überträgt diese Schwingung direkt auf die zu
vertropfendene Flüssigkeit und bewirkt die Ausbildung von gleichmäßigen und gleichgroßen
Tropfen.
Das elastische Element kann aus einem elastisch verformbar Tauchkolben bestehen, dessen
Seitenwände von dem am Boden des Tauchkolbens mit einer festen Verbindung
angebrachten Vibrators hin und her gedehnt werden. Der Tauchkolben kann auch von einem
pneumatischen Schwingelement hin und her gedehnt oder rhythmisch aufgeblasen werden.
Die Vorrichtung zur Schwingungsanregung kann auch in Form eines zur Flüssigkeit hin
verschlossenen Rohres, dessen Seitenwände gewellt und elastisch verformbar sind,
ausgebildet werden. Wird dieser Zylinder mit faltenartig ausgebildeten Seitenwänden zum
Beispiel am Boden mit einem Stößel, der fest an einem elektromagnetischen Schwinger
angeschlossen ist in Bewegung versetzt, so bewirkt dieser Atmungsvorgang eine
Schwingung in der zu vertropfende Flüssigkeit.
Von einem Schwingungserreger ist bei dieser vorgenannten Anordnung nur das elastische
Element und das kleine Volumen an zu vertropfender Flüssigkeit, welches sich in diesem
Teil der Düsenanordnung gerade befindet, in Schwingungen zu versetzen. Die große mit
hoher Masse behaftete Düsenordnung mit Vielfachdüsenplatte verbleibt in Ruhe.
Hierdurch ist es möglich mit einem Schwingungserreger mit z. B. einem Sinus-Kraftvektor
von 17,8N eine Düsenanordnung mit bis zu 300 Einzeldüsen zu betreiben statt mit einem
Sinus-Kraftvektor von 310N bei einer Schwingungsanregung der gesamten
Düsenanordnung.
Eine zweite Art der Ausführung des elastischen in der Düsenanordnung oder in der
Zuführung angebrachten Elementes kann aus einer eingesetzten elastischen Membran
bestehen, die von außen von einem Schwingungsanreger direkt in Schwingungen versetzt
wird.
Die Zuführungsleitung für die zu vertropfenden Flüssigkeit kann in einer weiteren
Ausführung mit einem elastischen Rohrstück versehen sein, welches die Schwingung direkt
auf die durchströmende Flüssigkeit überträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist auch dadurch gegeben, daß piezoelektrische Umformer
oder elektro-akustische Wandler im hörbaren oder Ultraschallbereich fest in der
Düsenanordnung oder der Zuführleitung eingebaut sind und somit die
Schwingungsanregung direkt in die zu vertropfende Flüssigkeit einbringen.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ergeben weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung, die - jeweils für sich oder in Kombination - als erfinderisch anzusehen sind.
Eine Düsenanordnung wird mit einem zylindrischen, elastischem Tauchkolben, wie in Fig. 1
dargestellt, versehen. Die seitlichen Wände (7) des Tauchkolbens sind aus elastischem
Kunststoffmaterial ausgebildet, der Boden (6) ist fest mit dem Stößel (9) eines
Schwingungserregers (8) verbunden. Die seitlichen Wände (7) werden durch die
Schwingung des Stößels (9) hin und her bewegt und übertragen die Schwingung auf das
Flüssigkeitsvolumen (5) in der Düsenanordnung. Die oszillierende Flüssigkeit tritt durch die
mit Düsenöffnungen (3) versehene Düsenplatte (3) und erzeugt die gleichförmigen
Tropfen (4).
Eine Anordnung wie in Beispiel 1 wobei der Tauchkolben aus einem wellenförmigen und
metallischem Element besteht, der bis 800°C temperaturbeständig ist.
Die Düsenanordnung (Fig. 2) ist mit einer elastischen Kunststoffmembran (6) versehen,
welche fest mit dem Stößel (7) des Schwingerregers (8) verbunden ist. Durch die
Oszillation der Membran wird die Flüssigkeit, die bei (1) in die Düsenordnung eintritt, in
Schwingungen versetzt (5) und kann zur Tropfenausbildung (4) durch die Düsenöffnung
(2) der Düsenplatte (3) treten.
Die Schwingungsanregung wird wie bei Beispiel 3 ausgeführt, jedoch besteht die elastische
Membran aus einer gewelltem Metallmembran, die temperaturstabil bis 1000°C ist.
In die Zuführungsleitung (1) (Fig. 3) zur Düsenanordnung ist ein elastisches Rohrstück (2)
aus hochtemperaturstabilem Kunststoff eingebaut, welches von außen mit einem
pneumatischen Schwingungserreger (3) in Schwingungen versetzt wird. Die in Schwingung
versetzte Flüssigkeit (4) tritt aus den Düsenöffnungen (5) der Düsenplatte (6) aus und bildet
die gewünschten Tropfen (7).
Ein elastisches Halbrohrstück wird analog wie bei Beispiel 5 in die Zuführungsleitung
eingebaut und mit einem fest verbundenen Schwingungserreger in Schwingungen versetzt.
Wie Beispiel 1, 3, 5 und 6 wobei des elastische Rohrelement aus einem
kohlenstoffaserverstärkten Elastomerkunststoff besteht.
Wie Beispiel 1, 3 und 5 wobei eine Ultraschallsonde direkt an die Düsenordnung statt über
elastische Elemente zur direkten Schwingungserregung Verwendung findet.
Wie Beispiel 8 wobei ein piezoelektrischer Umformer als direkter Schwingungserreger
eingesetzt wird.
Die Schwingungsanregung bei einer Düsenanordnung mit koaxialen Doppeldüsen (Fig. 4)
kann durch die Anregung von getrennten elastischen Elementen (1, 2) durchgeführt werden,
wobei diese koaxial angeordnet sind und das innere elastische Element (2) wie bei den
Beispielen 1 und 2 ausgeführt ist. Das äußere elastische Element (1) ist ringförmig
ausgebildet. Die Schwingungsanregung geschieht durch einen Schwinganreger (7), um die
exakt gleiche rotationssymmetrische Schwingung in den Flüssigkeitsstrahlen bzw. -tropfen
zu erzeugen. Die oszillierende innere Flüssigkeit (3), die bei (9) in die Düsenanordnung
eintritt, bildet durch die innere Düse (5) den inneren Teil des sphärischen Granulates. Die
oszillierende äußere Flüssigkeit (4) tritt bei (8) in die Düsenanordnung ein, um bei (6) durch
den äußeren Ringspalt den koaxialen Tropfen zu bilden. Die Düsenanordnung (Fig. 4) ist als
Doppelkammersystem ausgebildet und zeigt in Fig. 4 nur zwei Doppeldüsen, um das Prinzip
zu verdeutlichen.
Für eine Düsenanordnung mit koaxialen Doppeldüsen wurde für die Schwingungsanregung
eine analoge Anordnung wie in Fig. 2 und 3 gezeigt verwendet. Die beiden Düsenkammern
sind dann mit getrennten elastischen Elementen (Membranen, Rohrstücken, bzw.
Rohrteilstücken) versehen, die von einem Schwingungserreger versorgt werden.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung eignet sich wegen der durch die Schwingung des
elastischen Rohrstückes erzeugten Pumpwirkung für eine seitliche Düsenanordnung (Fig. 5)
zum Hineintropfen in eine zweite Flüssigkeit (8), in der die aus den Düsen (5) austretenden
Tropfen für den Fall, daß die zweite Flüssigkeit eine geringere Dichte als das
Tropfenmaterial besitzt, gravitationsbedingt nach unten fallen (6). Bei zu vertropfenden
Materialien, deren Dichte kleiner als die der zweiten Flüssigkeit ist, steigen die Tropfen
nach oben (7). Um die Pumpwirkung zu erzeugen, ist das elastische Rohrstück zu einer
gerichteten Wellenform ausgebildet. Die in die Düsenanordnung eintretende zu vertropfende
Flüssigkeit (2) wird mit einem gleich großen oder leicht höheren Druck als der durch die
Flüssigkeitssäule der zweiten Flüssigkeit (8) hervorgerufenen hydrostatischen Druck
beaufschlagt. Dieser Druck wird durch die Pumpwirkung des wellenförmigen, elastischen
Elementes bei Schwingungsanregung (3) leicht erhöht, so daß die in Schwingungen
versetzte Flüssigkeit (4) mit leichtem Überdruck in die Zone mit der zweiten Flüssigkeit (8)
eingesprüht wird.
Die Anordnung wurde wie bei Beispiel 12 gewählt, wobei die Düsenanordnung unten an der
Flüssigkeitssäule angebracht ist und die zweite Flüssigkeit eine höhere Dichte als die zu
vertropfende Flüssigkeit hat.
Claims (11)
1. Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsanregung von flüssigen Medien bei der
Herstellung von sphärischen Granulaten durch Einwirkung von gleichmäßigen
Schwingungen auf die zu Tropfen zu verformende Flüssigkeit, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schwingung über ein elastisches Element oder auch direkt
mit dem Schwingungserregerelement auf die Flüssigkeit kurz vor dem Austritt aus der oder
den Düsen eines Düsensystems übertragen werden und daß nur der kleine Teil kurz vor
dem Düsenaustritt der zu vertropfenden Flüssigkeit in Schwingung versetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwingungsüber
tragung eine elastische Membran aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff oder
einer Metallegierung in glatter oder gewellter Form fest in die Düsenanordnung
eingebaut ist und über eine feste Verbindung mit dem Schwingungserreger verbunden
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran nicht fest mit
einem Schwingungserreger verbunden ist, sondern über ein Luft- oder Gaspolster von
einem Schwingungungserreger in Schwingungen versetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Hohlkörper
oder auch Tauchkolben aus Kunststoff, faserverstärktem Kunststoff oder einer
Metallegierung in glatter oder gewellter Form fest in die Düsenanordnung eingebaut
und mit dem Schwingungserreger fest verbunden ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Hohlkörper
oder Tauchkolben nicht fest mit einem Schwingungserreger verbunden ist, sondern über
ein Luft- oder Gaspolster von einem Schwingungungserreger in Schwingungen versetzt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuführungsleitung der
zu vertropfenden Flüssigkeit ein elastisches Rohrstück oder Teilrohrstück eingebaut
ist, welches aus Kunststoffe faserverstärktem Kunststoff oder einer Metallegierung in
glatter oder gewellter Form besteht und dieses mit einem Schwingungserreger fest
verbunden ist oder über ein Luft- oder Gaspolster zur Schwingung angeregt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer koaxialen Doppel
düsenanordnung die Schwingungsanregung über koaxial angeordnete Hohlkörper,
welche aus Kunststoff faserverstärktem Kunststoff oder einer Metallegierung in glatter
oder gewellter Form bestehen und fest mit einem Schwingungserreger verbunden sind
oder über ein Luft- oder Gaspolster an einen Schwingungserreger gekoppelt sind,
synchron für beide zu vertropfende Flüssigkeiten erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer
Umformer oder ein elektroakustischer Umwandler im hörbaren oder Ultraschallbereich
direkt ohne Zwischenschaltung eines elastischen Elementes in die Düsenanordnung
oder die Zuführleitung eingebaut ist und so die Schwingungsanregung der zu
vertropfenden Flüssigkeit bewirkt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung mit
dem elastischen Element zur Schwingungseinbringung seitlich oder am Boden einer
Flüssigkeitssäule, die den Granulathärtungsvorgang durch Abkühlung oder chemische
Reaktion bewirkt, angeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der zu
vertropfenden Flüssigkeit gleich oder größer ist wie der durch die Flüssigkeitssäule in
die hinein vertropft wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die
Schwingungsanregung des in gerichteter Wellenform ausgebildeten elastischen
Elementes eine gerichtete Pumpwirkung erzeugt wird.
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