DE19640027A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pulverisieren fester Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Naßpulveri­ sieren und Trocknen von Pulver und insbesondere eine Vorrich­ tung zum Herstellen und Trocknen feiner Teilchen unter Ver­ wendung eines überkritischen Fluids als Suspensionsmedium oder Lösungsmittel.

Als Technik zum Pulverisieren von Pulver sind ein Ver­ fahren unter Verwendung eines Desintegrationsmediums sowie ein Verfahren ohne dessen Verwendung bekannt. Bekannt sind auch ein Trockenverfahren zur Verarbeitung von Pulver in der Luft oder einer anderen Gasphase sowie ein Naßverfahren zur Verarbeitung von Pulver in verschiedenen Flüssigkeitsarten. In der Erfindung bedeutet der Begriff "Pulverisieren" die Dispersion von Teilchen im Agglomerat oder agglomerierten Zu­ stand zu einzelnen Teilchen oder zu kleinen Agglomeraten so­ wie die Zerkleinerung der Teilchen auf eine kleinere Teil­ chengröße.

In der Desintegrationstechnik unter Verwendung eines Desintegrationsmediums bestehen Probleme darin, daß es schwierig ist, Pulver bis auf die Größenordnung submikrosko­ pischer Teilchen zu zerkleinern, da das Pulverisieren durch die Größe des Desintegrationsmediums beschränkt ist, sowie darin, daß wegen des Verschleißes des Desintegrationsmediums selbst sich im Pulverisierverfahren durch Verschleiß erzeugte feine Teilchen als Fremdkörper einmischen und die Reinheit des erhaltenen Pulvers sinkt.

Andererseits gibt es als Verfahren ohne Verwendung des Desintegrationsmediums ein Pulverisierverfahren mit Wandkol­ lision, bei dem eine Strahlluftströmung durch Druckluft er­ zeugt wird, Materialteilchen beschleunigt und zum Aufprall auf eine Kollisionsplatte gebracht werden, sowie ein Pulveri­ sierverfahren mit Gegenstromkollision, um die Materialteil­ chen aufeinanderprallen zu lassen. Allerdings haben diese Verfahren einen äußerst niedrigen energetischen Wirkungsgrad, und es ist schwierig, das Pulver trotz langer Verarbeitung bis auf die Größenordnung submikroskopischer Teilchen zu zer­ kleinern. Im Gegensatz dazu wird beim Naßverfahren ein Fluid mit darin dispergiertem Materialpulver unter Druck gesetzt und durch eine Düse gespritzt, oder ein Fluid mit dem Mate­ rialpulver, das unter extrem hohen Druck gesetzt wird, wird durch Wandkollision oder Gegenstromkollision pulverisiert. Im Naßverfahren müssen verschiedene Techniken im Zusammenhang mit dem extrem hohen Druck eingesetzt werden, um die Probleme zu lösen, die durch die hohe Flüssigphasenviskosität und den geringen Diffusionskoeffizienten verursacht werden, und das Verfahren läßt sah nur realisieren, nachdem diese Probleme gelöst sind. Vorgeschlagen wurde von den Anmeldern bereits eine Emulgiervorrichtung zum Erhalten einer Dispersionsflüs­ sigkeit von Teilchen oder eine Düse zur Fest-flüssig-Misch­ phasenströmung zur Verwendung für die Emulgiervorrichtung in der DE-A-43 25 541 (JP-A-6-47264 und JP-A-6-278030).

Unter Verwendung dieser Vorrichtungen kann ein Fluid mit gleichmäßig darin dispergierten Teilchen erhalten werden, wo­ bei jedoch ein Trockenverfahren erforderlich ist, wenn Pulver vom Fluid mit darin dispergierten Teilchen getrennt werden soll. Allgemein wird im Trockenverfahren das Fluid mit darin dispergierten Teilchen unter hohem Druck in einen Trockenofen freigesetzt und getrocknet. Die Geschwindigkeit, um es in den Trockenofen einzuspritzen, beträgt mehrere Hundertstel der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, das durch das vorstehend beschriebene Emulgier- oder Dispersionsverfahren erhalten wird. Bei seiner Freisetzung in den Trockenofen sind daher Teilchen bereits in umfangreicherer Größe agglomeriert, und Teilchen können Bindungen eingehen, während sie durch den Trockenofen herabfallen. Dadurch werden die meisten Objekte als kugelförmige Agglomerate aufgefangen, und es ist unmög­ lich, die anfängliche Teilchengröße beizubehalten.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es möglich ist, die Wirksamkeit des Pulverisierens durch Kollision eines dispergiertes Pulver enthaltenden Fluids zu verbessern und das Pulver abzutrennen, ohne eine erneute Agglomeration fei­ ner Teilchen aus dem Fluid mit darin dispergierten Teilchen zu verursachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Pulverisieren fester Teilchen die folgenden Schritte auf: Suspendieren fester Teilchen in einem Fluid in überkritischem oder unterkritischem Zustand, das bei Normal­ temperatur in gasförmigem Zustand ist, Unter-Druck-Setzen des suspendierenden Fluids, Spritzen des so erhaltenen Hochdruck- Suspensionsfluids durch eine Düse und mit hoher Geschwindig­ keit erfolgendes Aufprallenlassen zum Pulverisieren, Verrin­ gern des Drucks auf das Suspensionsfluid, und Überführen des Fluids in überkritischem oder unterkritischem Zustand in den gasförmigen Zustand, um es von den festen Teilchen zu tren­ nen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Pulverisieren fe­ ster Teilchen weist auf: eine Materialeinstelleinrichtung zum Einstellen eines Suspensionsfluids mit darin suspendierten festen Teilchen, d. h., eines Fluids in überkritischem oder unterkritischem Zustand, das bei Normaltemperatur in gasför­ migem Zustand ist, eine Druckbeaufschlagungseinrichtung zum Unter-Druck-Setzen des Suspensionsfluids, eine Pulverisier­ einrichtung zum Spritzen des unter Druck gesetzten Suspen­ sionsfluids durch eine Düse und zum Aufprallenlassen mit ho­ her Geschwindigkeit, und eine Trenneinrichtung zum Trennen fester Teilchen durch Verringern des Drucks auf das Suspen­ sionsfluid.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung der Erfin­ dung zum Herstellen feiner Teilchen;

Fig. 2 ein Zustandsdiagramm von Kohlendioxid;

Fig. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Druck an einer Gegenstromkollisionsdüse und der Strömungsgeschwin­ digkeit auf einer Seite;

Fig. 4 eine Zeichnung einer in der Erfindung verwendeten Hochdruckpumpe;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Abdichtung an der Hochdruckpumpe;

Fig. 6 eine Zeichnung eines Beispiels für eine Disper­ sionspulverisiereinrichtung;

Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für den Aufbau einer Dispersionspulverisiereinheit;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Beispiels für den Aufbau der Dispersionspulverisiereinheit; und

Fig. 9 eine Zeichnung eines Beispiels für eine Düse für Suspensionsfluid.

Erfindungsgemäß wird das zu pulverisierende Pulver in einem Fluid suspendiert, das im überkritischen Zustand oder unterkritischen Zustand ist, in dem die Temperatur oder der Druck nahe dem kritischen Punkt liegt und den kritischen Punkt durch Temperatur- und Druckeinstellung nicht über­ schreitet. Nach Durchführen der Verarbeitung zum Pulverisie­ ren durch Kollision des Suspensionsfluids in vorbestimmter Häufigkeit wird der Druck auf das Teilchensuspensionsfluid verringert, um das Fluid zu verdampfen und feine Teilchen au­ genblicklich abzutrennen.

Beim Naßpulverisieren unter Verwendung von Wasser als Suspensionsfluid betragen die Viskosität des Wassers 1 cP und der Diffusionskoeffizient 10^-5 cm²/s. Andererseits betragen beim Trockenverfahren an Luft die Viskosität der Luft etwa 0,02 cP und der Diffusionskoeffizient 0,1 bis 1 cm²/s. Bei einem einfachen Vergleich zwischen dem Pulverisieren nach dem Naßverfahren und Trockenverfahren ist bekanntlich das Troc­ kenpulverisieren 50mal vorteilhafter im Hinblick auf die Viskosität und 1000 bis 10000mal vorteilhafter im Hinblick auf den Diffusionskoeffizienten als das Naßpulverisieren.

Dies dürfte anhand der Tatsache verständlich werden, daß beim Naßdispersionspulverisieren ein relativ hoher Druck im Vergleich zu dem des mathematischen Ausdrucks erforderlich ist. Im Falle der Suspensionsflüssigkeit kommt es zur Kolli­ sion infolge der durch hohen Druck hervorgerufenen Strömung mit hoher Geschwindigkeit, wobei die Kollisionsenergie ver­ ringert werden kann, da die Flüssigphase als Puffer im Moment des Pulverisierens wirkt.

Wird andererseits bei dem in Diffusion und Viskosität vorteilhaften Trockenverfahren versucht, den Gasdruck auf einen hohen Druck zu erhöhen, gibt es aus Sicherheitsgründen verschiedene Einschränkungen seitens der Aufsichtsbehörden. Dies macht eine größere Vorrichtung erforderlich, und die beschleunigten festen Komponenten durchlaufen den Abschnitt der Beschleunigungsdüse, in dem die Geschwindigkeit der äußersten Strömung am langsamsten ist. Außerdem liegt ein Verschleißproblem an der Seitenfläche des Düsenrohrs vor, und Ineffektivität ist dadurch gegeben, daß nur die Gasphase den Bereich hoher Geschwindigkeit in der Mitte durchläuft.

Vor diesem Hintergrund befaßten sich die Erfinder insbe­ sondere mit überkritischem Fluid, das als drittes Fluid be­ zeichnet werden kann. Das überkritische Fluid hat eine Visko­ sität und einen Diffusionskoeffizient, die denen von Gas na­ hekommen. In Suspensionsflüssigkeit oder Lösungsmittel dieses überkritischen Fluids ist der Diffusionskoeffizient höher als in der Flüssigkeit, wodurch die Wanderungsgeschwindigkeit des Stoffs höher ist. Verringert ist auch der Puffereffekt bei Kollision, da die Viskosität gering ist. Dadurch wird der Wirksamkeit beim Pulverisieren durch Kollision in der Pulve­ risiervorrichtung stark erhöht, wobei davon ausgegangen wer­ den kann, daß die Ausnutzung des überkritischen Fluids mit einer Dichte, die näher an der von Flüssigkeit nahe Normal­ temperatur liegt, ideal ist. Tabelle 1 zeigt physikalische Eigenschaften von Helium, das ein Gas mit hohem Diffusions­ koeffizienten ist, sowie von Kohlendioxid und Wasser im über­ kritischen Zustand.

Tabelle 1

Viskosität und Diffusionskoeffizient des überkritischen Fluids liegen zwischen denen von Gas und Flüssigkeit, während sie durch geringfügige Druck- und Temperatureinstellung in einem großen Bereich geändert werden können. In Tabelle 1 kann Kohlendioxid leicht auf die Strömung des überkritischen Zustands hoher Dichte oder des überkritischen Zustands gerin­ ger Dichte überführt werden. Durch Einstellung von Diffusi­ onskoeffizient und Viskosität kann die Zeit zum Pulverisieren verringert werden, und es lassen sich hochfeine Teilchen er­ halten.

Wird ferner der Druck in dem Moment leicht verringert, in dem der in feine Teilchen zu überführende Stoff die ge­ wünschte Teilchengröße erreicht, wird das überkritische Fluid verdampft, und die gewünschten feinen Teilchen lassen sich augenblicklich trennen und ohne erneute Agglomeration auffan­ gen, so daß keine Notwendigkeit besteht, ein Trockenverfahren zum Trocknen der feinen Teilchen vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Pulverisiervorrichtung weist eine Pulverisiereinrichtung auf, durch die das Fluid mit darin dispergierten Teilchen unter hohen Druck gesetzt und zum Auf­ prall gebracht wird, wenn es aus der Strahldüse als Strömung mit hoher Geschwindigkeit gespritzt wird. Allerdings gibt es keine definitive Einrichtung zum Aufrechterhalten der Luft­ dichtigkeit und Haltbarkeit der Dichtung am Gleitabschnitt der Pumpe, die das Fluid mit darin dispergierten festen Teil­ chen unter Druck setzt, so daß es schwierig ist, das Fluid mit darin dispergierten festen Teilchen unter Druck zu set­ zen. In der Erfindung sind Hochdruckdichtungen zur allgemei­ nen Verwendung mit den Dichtflächen zueinander weisend in ei­ nem vorgegebenen Abstand angeordnet, und ein um etwa 5 bis 10% höherer Druck als der zum Pulverisieren notwendige vor­ bestimmte Druck wird durch das gleiche überkritische Fluid zwischen den Dichtungen ausgeübt. Dadurch kann die Dichtung mit dem gleichen kritischen Fluid mit hohem Druck mit sehr geringem Differenzdruck zum unter Druck zu setzenden Suspen­ sionsfluid mit dem Dichtungsmaterial dazwischen angeordnet werden. Aus der Sicht vom Dichtungsmaterial ist die Druckdif­ ferenz davor und dahinter geringer, und die Seite der Suspen­ sionsflüssigkeit steht unter einem, wenn auch geringfügig, niedrigeren Druck. Dadurch kann das Eintreten der festen Phase in der Suspensionsflüssigkeit in die Dichtungen verhin­ dert und die Haltbarkeit der Vorrichtung stark verbessert werden, und auch durch Verschleiß verursachte Verunreinigun­ gen lassen sich verringern.

Zu in der Erfindung verwendbaren überkritischen Fluiden gehören: Kohlendioxid (kritischer Punkt 31,3°C; 72,9 bar), Schwefelhexafluorid (kritischer Punkt 45,6°C; 37,1 bar), Ethan (kritischer Punkt 32,4°C; 48,3 bar), Propan (kriti­ scher Punkt 96,8°C; 42,0 bar), Dichlorfluormethan (kriti­ scher Punkt 111,7°C; 39,4 bar), Ammoniak (kritischer Punkt 132,3°C; 111,3 bar), Butan (kritischer Punkt 152,0°C; 37,5 bar), Ethylmethylether (kritischer Punkt 164,7°C; 43,4 bar), Dichlortetrafluorethan (kritscher Punkt 146,1°C; 35,5 bar), Dichlorfluormethan (kritischer Punkt 178,5°C; 51,0 bar) usw. Insbesondere ist die Verwendung von Kohlendioxid bevorzugt, das leicht zu handhaben ist.

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der Zeich­ nungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Pulverisiervorrich­ tung der Erfindung. Ein Materialeinstellbehälter 1 ist mit der Funktion vorgesehen, die Temperatur durch eine Tempera­ tureinstelleinrichtung 2 einzustellen, und in ihm ist ein Rührwerk 3 eingebaut. Das Rührwerk wird durch Druckluft 4 an­ getrieben. Das zu pulverisierende Pulver wird in den Mate­ rialeinstellbehälter 1 gegeben, ein Ventil 5a wird geöffnet, und die Luft wird durch eine Vakuumpumpe 6 evakuiert. Danach wird das Ventil 5a geschlossen, und ein Ventil 5b wird geöff­ net, um das verflüssigte Kohlendioxid aus einem Lagerbehälter 7 für verflüssigtes Kohlendioxid in den Materialeinstellbe­ hälter 1 einzuleiten. Nach Zugabe des verflüssigten Kohlendi­ oxids in vorbestimmter Menge wird das Rührwerk 3 zum Rühren gedreht, und die Temperatur wird durch die Temperaturein­ stelleinrichtung auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.

Ist ein nahezu gleichmäßiger Suspensionszustand er­ reicht, wird ein Ventil 5c geöffnet, der Betrieb einer Druck­ pumpe 8 wird gestartet, die dazu dient, Kohlendioxid unter Druck zu setzen, und die durch Druckluft angetrieben wird, und es werden Hochdruckerzeugungspumpen 9a und 9b betrieben.

Nachdem das Suspensionsfluid des Pulvers ein Filter 10 durchläuft, wird die Temperatur durch einen Wärmetauscher 11 auf eine vorbestimmte Temperatur reguliert, das Fluid durch­ läuft Rückschlagventile 12a und 12b, erreicht die Hochdruck­ pumpen 9a und 9b und wird mit einem Druck von 30 bis 250 MPa beaufschlagt. Nach Durchlaufen von Rückschlagventilen 12c und 12d erreicht das Fluid anschließend eine Dispersionspulveri­ siereinrichtung 13, durch die es pulverisiert wird.

Sind feine Teilchen noch nicht auf eine vorbestimmte Teilchengröße pulverisiert, wird ein Dreiwegeventil 14 umge­ schaltet, um das Suspensionsfluid wieder zum Materialein­ stellbehälter 1 zu führen, und das gleiche Verfahren wird wiederholt.

Im durch die Pulverisiereinrichtung pulverisierten Sus­ pensionsfluid wird der Druck geändert, und bei seiner Kolli­ sion wird Energie freigesetzt und Wärme erzeugt. Ist ein zu pulverisierender und dispergierender Festphasenstoff entartet oder soll keine Erwärmung über den notwendigen Punkt hinaus erfolgen, findet daher eine Abkühlung unter Verwendung eines Wärmetauschers 15 nach Verarbeitung durch die Pulverisierein­ richtung statt.

Nach Abschluß des vorbestimmten Pulverisierens des Sus­ pensionsfluids wird das Suspensionsfluid in einen Trennbehäl­ ter 16 über das Dreiwegeventil 14 eingeleitet, und der Druck wird verringert. Bei Entnahme aus der Pulverisiereinrichtung erhöht sich die Temperatur im Suspensionsfluid. Wird daher der Druck verringert, verdampft es sofort, und feine Teilchen lassen sich leicht trennen. Das im Trennbehälter abgetrennte Kohlendioxidgas 17 kann erneut als flüssiges Kohlendioxid durch Verflüssigung mit einer Verflüssigungsvorrichtung (DE- P44 22 819) verwendet werden. Feine Teilchen 18 des getrockne­ ten Produkts können ebenfalls aus dem Trennbehälter erhalten werden. Jede Art von Trennbehälter kann zum Einsatz kommen, sofern ein Mechanismus zur Druckreduzierung vorgesehen ist. Bei Verwendung eines Trennbehälters mit Zyklonfunktion können die abgetrennten feinen Teilchen sofort nach jeder Teilchen­ größe klassiert werden.

In dieser Vorrichtung muß der Druck auf mindestens 10 MPa oder darüber gehalten werden, damit der Arbeitsdruck der gesamten Vorrichtung bis zum Trennbehälter nicht unter den kritischen Druck von Kohlendioxid sinkt.

Vor diesem Hintergrund entspricht der zur Kollision durch die Pulverisiereinrichtung 13 nutzbare Druck dem Wert, der durch Subtrahieren von 10 MPa vom Wert gemäß der Anzeige auf einem Druckmesser 19 erhalten wird.

Bei Verwendung des überkritischen Fluids aus Kohlendi­ oxid (CO₂) der Ausführungsform als Suspensionsmedium wird es gemäß der Darstellung im Zustandsdiagramm für Kohlendioxid von Fig. 2 im überkritischen Zustand gehalten, indem Druck und Temperatur auf 72,9 bar bzw. 31,3°C gehalten werden, was für die Vorrichtungswartung und -einstellung einfacher ist. Da es unabhängig von der Temperatur augenblicklich verdampft, kann nicht nur die durch Druckverringerung pulverisierte Festphase ohne erneute Agglomeration aufgefangen werden, son­ dern es läßt sich auch ultrareines Pulver aus feinen Teilchen gewinnen, da die gesamte Vorrichtung ein vollkommen geschlos­ senes System und das Suspensionsfluid ein überkritisches Fluid mit sehr hoher Reinheit ist, und es kommt weder zur Einmischung von Fremdkörpern noch zur Oxidation von Material im Pulverisierverfahren des Materials in der Vorrichtung der Erfindung.

In der Vorrichtung der Erfindung wird hoher Druck durch Starten von hydraulischen Pumpen 21a und 21b unter Verwendung eines Motors 20 erzeugt. Durch hydraulische Druckerzeugung wird die Höchstgrenze für die Druckbeaufschlagung der Hoch­ druckerzeugungspumpen 9a und 9b durch Druckeinstellvorrich­ tungen 22a und 22b bestimmt, und die Hochdruckerzeugungspum­ pen 9a und 9b werden abwechselnd über Vierwege-Umschaltventi­ le 23a und 23b betrieben. Der Druck wird durch einen Druck­ regler 24 reguliert.

Soll andererseits gemäß Fig. 3, in der die Beziehung zwischen dem Druck an der Düse zur Gegenstromkollision und der Strömungsgeschwindigkeit auf einer Seite erläutert ist, Pulver mit feinen Teilchen durch die Vorrichtung der Erfin­ dung erhalten werden, gilt: Je höher die Kollisionsgeschwin­ digkeit ist, um so wirksamer kann Pulverisieren und Disper­ gieren realisiert werden. Um eine Strömung mit hoher Ge­ schwindigkeit zu erreichen, kann hoher Druck kontinuierlich mit hoher Wirksamkeit auf die Druckpumpe ausgeübt werden, weshalb eine lange Haltbarkeit der Pumpe erforderlich ist. Hierbei galt es als nahezu unmöglich, eine Hochdruckerzeu­ gungspumpe herzustellen, die diesen Anforderungen gerecht wird, da das unter Druck zu setzende Objekt das Suspensions­ fluid aus Feststoffen ist.

Für diese Zwecke läßt sich die Hochdruckpumpe verwenden, die von den Anmeldern in der JP-A-7-185404 vorgeschlagen wurde. In der Vorrichtung der Erfindung kann das Dichtungsma­ terial ohne Austausch lange Zeit verwendet werden, indem der Dichtungsabschnitt der Hochdruckpumpe so gestaltet wird, daß er den nachfolgend beschriebenen Aufbau hat.

Fig. 4 ist eine Zeichnung einer in der Erfindung verwen­ deten Hochdruckpumpe.

Die Hochdruckpumpe 9 weist einen Kolben 33, einen Zylin­ der 34, eine Innenhülse 35 und einen Flansch 37 auf, der mit einem Anschluß für einen Zufuhrstutzen 40 für Suspensions­ fluid und einen Austragstutzen 41 für Suspensionsfluid unter hohem Druck versehen ist. Der Flansch 37 und der Zylinder 34 sind in einem Stück mit Schrauben 42 über eine Dichtung 36 montiert, die ein Austreten des unter hohem Druck stehenden Suspensionsfluids verhindert. In Fig. 1 wird das zur Hoch­ druckpumpe über das Rückschlagventil 10a geführte Suspen­ sionsfluid im Zylinder gestaut, und die Druckbeaufschlagung beginnt, wenn sich der Kolben 33 nach unten bewegt. In diesem Fall wird das Suspensionsfluid durch die Wirkung der Rück­ schlagventile 10a und 10b unter Druck gesetzt, die mit dem Zufuhrstutzen und dem Austragstutzen verbunden sind, und über die Rückschlagventile 10c und 10d ausgetragen. Da die Pumpe eine kleine Lücke zwischen dem Kolben und dem Zylinder hat, ist eine Hochdruckdichtung 38 vorgesehen, um ein Austreten des Suspensionsfluids in Aufwärtsrichtung zu verhindern.

Fig. 5 dient zur Erläuterung der Hochdruckdichtungen, um Leckagen durch eine Lücke zwischen Kolben und Zylinder in der Hochdruckpumpe zu verhindern. Fig. 5(A) ist eine Querschnitt­ ansicht der Dichtung zur Erläuterung eines herkömmlichen Ver­ fahrens zur Hochdruckabdichtung.

Bei Druckbeaufschlagung verformt die Hochdruckdichtung eine Hauptdichtung 44, die Hauptdichtung 44 wird zum Kolben gedrückt und weist einen O-Ring 45 zum Erreichen einer voll­ kommenen Abdichtung sowie mehrere Stützringe 43, 46 und 47 auf, um druckbedingte Verformung zu verhindern und langfri­ stige Haltbarkeit zu gewährleisten. Das am Kolben angelagerte Mischphasenfluid durchläuft die Hauptdichtung 44 und wird ge­ zwungen, zu den Stützringen 43 und 47 auszuströmen, die auf der Seite des niedrigen Drucks angeordnet sind. Dadurch wer­ den die Festphasenkomponenten im Mischphasenfluid an der Hauptdichtung 44 angelagert oder gebunden. Aus diesem Grund kommt es trotz großer Bemühungen um ein geeignetes Material und eine geeignete Form zu einer Verringerung der Haltbarkeit der Dichtung oder zu Defekten oder Schäden des Kolbens infol­ ge von Reibung der angelagerten Festphasenkomponenten, wenn sich der Kolben wiederholt auf- und abwärts bewegt, wodurch diese Teile zwangsläufig frühzeitig ersetzt werden müssen.

Fig. 5(B) ist eine Querschnittansicht von Dichtungskom­ ponenten in der Hochdruckpumpe der Erfindung. Hauptdichtungen 44a und 44b weisen Stützringe 43a, 43b, 46a, 46b, 47a und 47b, O-Ringe 45a und 45b und einen Führungsring 48 auf. Das als Druckbeaufschlagungsmedium verwendete überkritische Fluid wird über einen Zufuhrstutzen 30 des Druckbeaufschlagungsme­ diums der Hochdruckpumpe der Erfindung gemäß Fig. 4 eingelei­ tet, indem der Druck 5 bis 10% höher als der Druck einge­ stellt wird, der in der Hochdruckpumpe zur Druckbeaufschla­ gung erforderlich ist. Das so eingeleitete überkritische Fluid füllt eine Nut 49, die um den Führungsring 48 vorgese­ hen ist. Gleichzeitig werden die Hauptdichtungen 44a und 44b durch Druckbeaufschlagung verformt, so daß die Hauptdichtun­ gen 44a und 44b konstant und fest zur Kolbenseite gedrückt werden.

Auch wenn der Kolben 33 beginnt, sich nach unten zu be­ wegen, ist der Druck 5 bis 10% höher als der voreingestellte Druck im Zylinder. Durch den voreingestellten Druck auf die Dichtungseinheit tritt das Suspensionsfluid nicht aus der Hauptdichtung 44b nach oben aus. Nachdem der Kolben den unte­ ren Totpunkt erreicht hat und beginnt, sich nach oben zu be­ wegen, kann sich das am Kolben angelagerte Suspensionsfluid nicht aus der Hauptdichtung 44b nach oben bewegen, da hoher Druck konstant zwischen den Hauptdichtungen 44a und 44b aus­ geübt wird.

Daher kommt es nicht zum Eindringen oder Binden von Festphasenkomponenten in die bzw. an der Hauptdichtung, und die Haltbarkeit der Hauptdichtung und des Kolbens kann ver­ bessert werden.

Im Suspensionsfluid im überkritischen Zustand, das durch die Hochdruckpumpe der Erfindung unter Druck gesetzt wird, erfolgt eine Gegenstromkollision des Suspensionsfluids im überkritischen Zustand mit hoher Geschwindigkeit durch die Pulverisiereinrichtung, so daß es in feine Teilchen überführt wird.

Fig. 6 ist eine Querschnittansicht eines Beispiels für die Pulverisiereinrichtung.

In einem Raum in einer Druckbehälter-Haupteinheit 51, die aus rostfreiem Stahl hergestellt und gegenüber Fluid un­ ter hohem Druck beständig ist, ist zwischen Metalldichtungs­ stücken 52 und 53 ein Hauptkörper 55 der Pulverisiereinrich­ tung aus Wolframcarbid vorgesehen, in dem eine Pulverisier­ einheit 54 aus Diamant eingebaut ist. Ein oberer Deckel 57 mit einem Strömungsdurchgang 56 und ein unterer Deckel 59 mit einem Strömungsdurchgang 58 sind mit der Druckbehälter-Haupt­ einheit 51 verbunden, und ein Strömungsdurchgang 60 auf der Seite der Druckbehälter-Haupteinheit steht mit Strömungs­ durchgängen 61 und 62 auf der Seite des Hauptkörpers der Pul­ verisiereinrichtung in Verbindung. Die Zuflußseite und die Ausflußseite sind jeweils durch Hochdruck-Metalldichtungs­ kopplung verbunden.

Fig. 7 zeigt Einzelheiten des Aufbaus eines Beispiels für die Pulverisiereinheit, die mit zwei Teilen gebildet ist. Fig. 7(A) ist eine Draufsicht auf den Hauptkörper der Pulve­ risiereinheit, und Fig. 7(B) ist eine Querschnittansicht an der Linie A-A von Fig. 7(A). Fig. 7(C) zeigt eine Pulverisie­ reinheit, die erhalten wird, indem zwei Hauptkörper der Pul­ verisiereinheit mit gleichem Aufbau kombiniert werden. Der Hauptkörper 71 der Pulverisiereinheit ist mit einem Durch­ gangsloch 72 versehen, und eine als Strömungsausfluß dienende Nut 73 ist ausgebildet. Auf der Seite des Durchgangslochs des Hauptkörpers der Pulverisiereinheit gegenüber dem Strömungs­ ausfluß ist ein Ansatz 74 mit größerem Durchmesser gebildet, um gleichmäßiges Pulverisieren und Emulgieren zu gewährlei­ sten. Gleichzeitig wird angestrebt, Beschädigungen der Pulve­ risiereinheit aufgrund von Kollision des zu pulverisierenden Fluids mit der Wandoberfläche zu minimieren.

Fig. 8 zeigt Einzelheiten des Aufbaus eines Beispiels für eine Pulverisiereinheit, in der drei Teile laminiert sind. Fig. 8(A) ist eine Draufsicht auf jedes der einzelnen Teile, und Fig. 8(B) ist eine Querschnittansicht an der Linie B-B jedes Teils von Fig. 8(A). Fig. 8(C) zeigt eine Emulgier­ einheit, in der ein Zwischenteil zwischen den Endteilen lami­ niert ist.

An einer Endplatte 81 der Dispersionspulverisiereinheit ist ein Durchgangsloch 82 gebildet, und ein Ansatz sowie ein Strömungsauslaß 84 sind an einer Zwischenplatte 83 vorgese­ hen, um Beschädigungen der Pulverisiereinheit aufgrund von Kollision des zu emulgierenden und dispergierenden Fluids mit der Wandoberfläche zu minimieren.

Ferner ist vom Strömungseinlaß der Pulverisiereinheit bis zu einem Kollisionsabschnitt eine Öffnung gebildet, deren Querschnittfläche sich auf einer Ebene senkrecht zur Mittel­ achse des Strömungsdurchgangs allmählich vom Einlaß des Strö­ mungsdurchgangs zum Auslaß verringert. Indem eine Fläche vor­ gesehen ist, in der kein Teilchen vom Abschnitt der Öffnung mit minimalem Durchmesser zum Auslaß vorhanden ist, kann ein Verschleiß der Wandoberfläche durch die Teilchen verhindert werden. Eine Querschnittansicht eines Beispiels für eine sol­ che Düse ist in Fig. 9 gezeigt. Eine Öffnung 94 ist zwischen einer Zuflußseite 92 und einer Ausflußseite 93 gebildet, und die Querschnittfläche des Kanals verringert sich allmählich zur Öffnung 94. In diesem Beispiel ist ein Kanal mit 2,2 mm Größe auf der Zuflußseite gebildet, und die Querschnittfläche des Kanals verringert sich allmählich zur Öffnung mit 0,23 mm Durchmesser über eine Länge von 1,15 mm. Als Ergebnis gibt es auf der Seite in Durchlaßrichtung der Öffnung einen Bereich, in dem kein festes Teilchen vorhanden ist, wodurch Beschädi­ gungen der Wandoberfläche verhindert werden.

Beispiel 1

Als Fluid im überkritischen Zustand wurde Siliziumcarbid (SiC) zu 30 Gewichtsprozent in Kohlendioxid unter einem Druck von 100 kp/cm² bei 40°C suspendiert, und der Druck wurde durch eine Hochdruckpumpe auf 2000 kp/cm² erhöht. Eine Auf­ teilung erfolgte in zwei Strömungsdurchgänge in einem druck­ dichten Gehäuse. Anschließend wurde es durch Gegenstromkolli­ sion beim Spritzen durch eine Beschleunigungsdüse aus Diamant mit 0,23 mm Durchmesser pulverisiert, und das Fluid wurde durch den Mittelabschnitt ausgetragen. Die Austragmenge be­ trug 2,3 Liter/min. Die Geschwindigkeit bei der Gegenstrom­ kollision betrug 462 m/s und die Relativgeschwindigkeit 924 m/s. Das aus der Pulverisiereinheit entnommene Suspensi­ onsfluid wurde unter Verwendung eines Wärmetauschers auf 40°C abgekühlt und anschließend zu einem Materialeinstellbe­ hälter geführt. Dieses Pulverisierverfahren wurde insgesamt dreimal durchgeführt. Nach Entnahme aus der Pulverisierein­ heit nach dem dritten Mal wurde der Druck auf das Suspen­ sionsfluid in einem Trennbehälter verringert, das überkriti­ sche Fluid verdampfte, und feine Teilchen wurden abgetrennt.

Bei der Untersuchung der so erhaltenen feinen Teilchen unter einem Rasterelektronenmikroskop wurde festgestellt, daß Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 10 µm in einen Teilchendurchmesser von 1 µm überführt wurden und Primärteil­ chen nicht in Agglomeration vorlagen.

Vergleichsbeispiel 1

Siliziumcarbid mit 10 µm Teilchengröße wurde zu 15 Ge­ wichtsprozent in Wasser suspendiert, und der Druck wurde auf 2500 kp/cm² erhöht. Anschließend erfolgte das Pulverisieren durch die gleiche Pulverisiereinheit wie im Beispiel 1. Die­ ses Verfahren wurde fünfzehnmal wiederholt, und feste Teil­ chen wurden durch Trocknen abgetrennt. Die Primärteilchen hatten eine Teilchengröße von 2 bis 3 µm, allerdings betrug die Agglomerationsgröße etwa 10 µm.

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann gemaß dem Pulve­ risieren durch die Vorrichtung wirksam pulverisiert werden, da ein überkritisches Fluid mit höherem Diffusionskoeffizien­ ten und geringerer Viskosität als Suspensionsmedium verwendet wird. Da das Suspensionsfluid leicht vom überkritischen Fluid als Gas durch Verringerung des Drucks auf das Suspensions­ fluid getrennt werden kann, besteht keine Notwendigkeit für ein Trockenverfahren, und es kommt zu keiner Agglomeration feiner Teilchen im Trockenverfahren. Somit lassen sich feine Teilchen mit einer gewünschten Teilchengröße erhalten.

Claims (2)

1. Verfahren zum Pulverisieren fester Teilchen mit den fol­ genden Schritten: Suspendieren der festen Teilchen in einem Fluid in überkritischem oder unterkritischem Zu­ stand, das bei Normaltemperatur in gasförmigem Zustand ist, Unter-Druck-Setzen des Suspensionsfluids, Disper­ gieren und Pulverisieren des so erhaltenen Hochdruck- Suspensionsfluids durch Spritzen durch eine Düse und Kollidierenlassen mit hoher Geschwindigkeit, Verringern des Drucks auf das Suspensionsfluid, und Abtrennen des Fluids in überkritischem oder unterkritischem Zustand als Gas von den festen Teilchen.

2. Vorrichtung zum Pulverisieren fester Teilchen mit einer Materialeinstelleinrichtung zum Einstellen eines Suspen­ sionsfluids, wobei feste Teilchen in einem Fluid in überkritischem oder unterkritischem Zustand suspendiert werden, das bei Normaltemperatur in gasförmigem Zustand ist, einer Druckbeaufschlagungseinrichtung zum Unter- Druck-Setzen des Suspensionsfluids, einer Dispergier- und Pulverisiereinrichtung zum Spritzen des unter Druck gesetzten Suspensionsfluids durch eine Düse und zum Kol­ lidierenlassen mit hoher Geschwindigkeit, und einer Trenneinrichtung zum Trennen fester Teilchen durch Ver­ ringern des Drucks auf das Suspensionsfluid.