DE69102918T2 - Sonochemisches Gerät. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Apparatur, um eine Flüssigkeit einer hohen Ultraschallintensität auszusetzen, besonders, aber nicht ausschließlich, um eine chemische Reaktion in der Flüssigkeit auszulösen oder zu verstärken.
• Falls eine Flüssigkeit einer hohen Ultraschallintensität (das ist eine Intensität größer als ungefähr 1 W/cm²) ausgesetzt wird, dann gibt es infolge von Dämpfung und nichtlinearen Effekten eine beträchtliche Energiedeposition in der Flüssigkeit. Dies kann zu physikalischen Änderungen (z.B. Strömen, Mischen oder Emulgieren) oder zu chemischen Veränderungen führen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf das letztere, auf das als Sonochemie Bezug genommen werden kann. Die bedeutsamsten sonochemischen Effekte sind üblicherweise mit Kavitation in der Flüssigkeit, d.h. die Bildung von Gas- oder Dampfblasen aufgrund des Ultraschalls und ihr darauffolgendes Kollabieren, und insbesondere mit transienter dampfförmiger Kavitation, die nur oberhalb einer Schwellenintensität von typischerweise über 0,3 W/cm² auftritt, verbunden. Dies schließt die Bildung von Blasen, die kleiner als die resonante Größe (die von der Frequenz abhängt) sind und die mit Dampf gefüllt sind, mit ein. Diese wachsen, wenn der Druck fällt, während der Verdünnungshalbperiode der Ultraschallwelle und kollabieren dann schnell. Kurzzeitige Temperaturen von Tausenden von Grad und Schockwellen von Hunderten von Atmosphären werden über ein Volumen von wenigen zehn bis zu hunderten Micrometern Querschnitt erzeugt. Transiente Kavitation kann erhebliche mechanische Erosion bzw. Anfressung von Festkörperoberflächen erzeugen und chemische Veränderungen auslösen.
• Aus der US-A-4 074 152 ist ein Ultraschallwellengenerator bekannt, der eine Vibrationseinrichtung mit einem hohlen zylindrischen Körper aufweist, der mit einer Ultraschallwandlervorrichtung durch ein Verstärkerhorn verbunden ist, das direkt auf den hohlen zylindrischen Körper mit einer Schraube befestigt ist, die von der Innenseite des hohlen zylindrischen Körpers eingeschraubt ist.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Apparat vorgesehen, um eine Flüssigkeit einer hohen Ultraschallintensität auszusetzen, mit einer Vorrichtung, die eine Kammer für die Flüssigkeit bestimmt, mit wenigstens einer Muffe bzw. einem Kragen, die bzw. der an der Außenseite einer Wand der Kammer befestigt ist, wobei jede Muffe bzw. jeder Kragen einen Teil eines Ultraschallkopplungselements umgibt, das angepaßt ist bei einer Betriebsfrequenz in Resonanz zu sein und der einen Knotenflansch hat, über den er an das von der Wand entfernte Ende der Muffe bzw. des Kragens derart befestigt ist, daß es einen Zwischenraum zwischen den Seiten des Kopplungselements und der Muffe bzw. des Kragens, einen Zwischenraum zwischen dem Ende des Kopplungselements und der Wand gibt, und mit einer leicht abschwächenden Pufferflüssigkeit mit einer Kavitationsschwelle oberhalb der Flüssigkeit in der Kammer, die die Muffe bzw. Kragen füllt und so die Zwischenräume zwischen dem Kopplungselement und beidem, der Muffe bzw. dem Kragen und der Wand, ausfüllt und mit einer Wandleranordnung, die an das außerhalb der Muffe bzw. des Kragens befindliche Ende des Kopplungselements befestigt ist, die angepaßt ist, bei Energiezufuhr Ultraschallwellen der Betriebsfrequenz in dem Kopplungselement zu erzeugen.
• Die Vorteile, den Wandler und das Kopplungselement mittels eines Knotenflansches zu befestigen, sind, daß die resonanten Antworten der Einrichtungen, die die Kammer bestimmen, einen minimalen Einfluß auf das resonante Verhalten des Wandlers haben und daß die Ultraschallwellen in das Kopplungselement und dann durch die Pufferflüssigkeit und die Wand in die Flüssigkeit in der Kammer eher übertragen werden als in die Vorrichtung, die die Kammer bestimmt. Die Verwendung einer Pufferflüssigkeit ermöglicht es, Kavitation und damit Erosion bzw. Anfressung an dem Ende des Kopplungselements zu unterdrücken, während die Gegenwart einer Muffe bzw. eines Kragens, die bzw. der den Teil des Kopplungselements umgibt, der in Pufferflüssigkeit getaucht ist, laterale Vibrationsmoden in dem Kopplungselement unterdrückt.
• Vorzugsweise ist das Kopplungselement eine halbe Wellenlänge lang (bei Betriebsfrequenz), ist es aus einer Titanlegierung und ist es entlang eines Teils seiner Länge konisch zulaufend. Vorzugsweise gibt es keine Änderung im Durchmesser zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Knotenflansches. In einer vorzugsweisen Ausführung hat das der Wand benachbarte Ende einen Durchmesser von 50 mm, während das andere Ende einen Durchmesser von 33 mm hat. Die Wand selbst mag aus Glas oder Edelstahl sein und ist in diesem Fall vorzugsweise weniger als 5 mm dick, am meisten bevorzugt 2,5 mm dick, um die Übertragung von Ultraschall in die Flüssigkeit in der Kammer zu verbessern.
• Die Muffe bzw. der Kragen hat vorzugsweise eine solche Länge, daß der Zwischenraum zwischen dem Ende des Kopplungselements und dem nächsten Teil der Wand weniger als 10 mm und viel weniger als ein Viertel der Wellenlänge in der Pufferflüssigkeit, vorzugsweise ungefähr 6 mm, ist. Der Zwischenraum zwischen den Seiten des Kopplungselements und der Muffe bzw. des Kragens ist vorzugsweise kleiner als 10 mm, aber vorzugsweise nicht weniger als 2 mm. Die Muffe bzw. der Kragen selbst ist vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm dick, vorzugsweise ungefähr 3 mm dick, und aus Edelstahl.
• Die bevorzugte Pufferflüssigkeit ist Olivenöl. Vorzugsweise wird eine Vorrichtung vorgesehen, um die Pufferflüssigkeit umzuwälzen und sie zu kühlen, weil es eine beträchtliche Wärmeerzeugung in dem Kopplungselement und in der Pufferflüssigkeit während des Betriebs gibt.
• Vorzugsweise weist die die Kammer bestimmende Vorrichtung eine zylindrische Edelstahlröhre auf und gibt es drei solche Muffen, die darum um die Außenseite in gleichem Abstand angebracht sind und in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Röhre kann an jedem Ende geschlossen sein, um eine geschlossene Kammer zu bestimmen oder sie mag einen Teil einer längeren Leitung bilden, z.B. einer Reaktionsschleife, die an jedem Ende mit einem größeren Vorratsbehälter verbunden ist. Vorzugsweise ist die Wand, an die die Muffe bzw. der Kragen angebracht ist, fest mit der Vorrichtung verbunden, die die Kammer bestimmt, z.B. würde die Wand vorzugsweise ein fester Bestandteil der Röhre sein, die die Kammer bestimmt, so daß irgendwelches Abdichten zwischen der Pufferflüssigkeit in der Muffe bzw. in dem Kragen und der Flüssigkeit in der Kammer nicht nötig ist.
• Die Erfindung wird nun nur in Form eines Beispiels und mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben, in denen:
• Figur 1 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Anlage zeigt, die einen sonochemischen Apparat beinhaltet;
• Figur 2 eine Querschnittsansicht eines sonochemischen Apparates zur Benutzung in einer Anlage der Figur 1 zeigt; und
• Figur 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise in Explosionsdarstellung, der sonochemischen Apparats der Figur 2 zeigt.
• Nimmt man Bezug auf Figur 1, so ist dort eine chemische Behandlungsanlage 10 gezeigt, die einen Reaktionsbehälter 12 beinhaltet, der mit einem wärmenden und/oder kühlenden Mantel 13, inneren Schallwänden 14, einen Rührer 15, der durch einen Motor 16 angetrieben wird, Einlässe 17 und 18 für die Reagenzien und einen Auslaß 19 für ein Produkt versehen ist. Eine Schleife 20 steht in Verbindung mit zwei Öffnungen 21, 22 in dem Behälter 12 und beinhaltet eine Pumpe 24, so daß Flüssigkeiten von dem Behälter 12 durch die Schleife 20 umgewälzt werden können. Ein sonochemischer Apparat 25 (schematisch gezeigt) bildet einen Teil der Schleife 20 und kann durch Ventile 26 isoliert werden. Der Apparat 25 beinhaltet eine Muffe bzw. einen Kragen 28, die mit Olivenöl gefüllt ist; das Öl wird durch eine Pumpe 27 durch den Wärmetauscher 29 während des Betriebs umgewälzt, wobei der Kreislauf ein Ausdehnungsgefäß 30 beinhaltet, das durch eine flexible Membran 31 bedeckt wird, um zu gewährleisten, daß das Öl nicht durch z.B. Wasserdampf verunreinigt wird.
• Es ist selbstverständlich, daß die Flüssigkeit, die durch den sonochemischen Apparat 25 durchgeführt wird, eine einzige Phase, z.B. eine Mischung aus wasserlöslichen Reagenzien in Wasser, oder mehr als zwei Phasen haben kann, z.B. eine Mischung aus zwei oder mehr unvermischbaren Flüssigkeiten oder bestimmte Materie in Suspension. Vorzugsweise kann die Anlage 10 mehr als eine Schleife 20, die mit dem Behälter 12 verbunden ist, beinhalten, so daß der Fluß von Flüssigkeit in den Schleifen 20 parallel verläuft; ebenso mag innerhalb einer einzigen Schleife 20 mehr als ein sonochemischer Apparat 25, durch den die Flüssigkeit in Serie laufen würde, sein.
• Es wird nun bezüglich der Figur 2 eine Querschnittsansicht eines sonochemischen Apparats 25 gezeigt, der für eine Verwendung in der Schleife 20 der Figur 1 geeignet ist. Der Apparat 25 beinhaltet einen Abschnitt einer Edelstahlröhre 35 mit einer Wanddicke von 2,5 mm, einem Innendurchmesser von 125 mm und mit einem Flansch 36 (gezeigt in Figur 3) an jedem Ende, so daß er in die Schleife 20 eingefügt werden kann. Drei abgestufte Edelstahlmuffen bzw. Krägen 38 mit einer Wanddicke von 3 mm sind an die Außenseite der Röhre 35 in einer gemeinsamen Ebene angeschweißt und gleichmäßig räumlich darum verteilt; an dem äußeren Ende einer jeden ist ein Anschlußflansch 40. Ebenso bezüglich der Figur 3 ist jede Muffe bzw. jeder Kragen 38 mit Einlaßöffnungen 42 und Auslaßöffnungen 44 ausgestattet, um das Olivenöl 43 durch die Muffe bzw. den Kragen 38 und den Wärmetauscher 29, wie oben in bezug auf die Figur 1 beschrieben, umzuwälzen. Jede Muffe bzw. jeder Kragen 38 beinhaltet ein Ende eines im allgemeinen zylindrischen Halbwellenlängen-Kupplungselementes 46 (in der Figur 2 ist nur eines gezeigt) aus einer Titanlegierung, das einen Knotenflansch 48 hat. Das Kupplungselement 46 wird koaxial mit der Muffe bzw. dem Kragen 38 gehalten, wobei seine Endfläche 6 mm von der Außenseite der Wand der Röhre 35 ist, indem der äußere Rand des Knotenflansches 48 zwischen zwei Silikatgummidichtungen 50 geklemmt wird, die zwischen dem Anschlußflansch 40 und einem Stahlklemmring 52 gehalten werden und durch Schrauben 54 (nur zwei sind gezeigt) gesichert werden.
• An dem anderen Ende des Kupplungselements 46 ist eine Wandlereinrichtung 56 mittels einer kurzen Gewindestange 58 fest angebracht, die in korrespondierende Gewindelöcher in dem Kupplungselement 46 und der Anordnung 56 eingreift. Die aneinandergrenzenden Flächen sind glatt und flach, um die Kopplung der Ultraschallwellen von der Anordnung 56 auf das Kupplungselement 46 zu maximieren. Die Resonanzfrequenz der Anordnung 56 ist 20 kHz und das Kupplungselement 46 ist bei dieser Frequenz eine halbe Wellenlänge lang, so daß der Flansch 48 in einer Stellung ist, die im Betrieb einen Auslenkungsknoten darstellt. Das Ende des Kupplungselements 46, das der Anordnung 56 benachbart ist, hat einen Durchmesser von 33 mm (derselbe Durchmesser wie das benachbarte Ende der Anordnung 56), aber das andere Ende hat einen Durchmesser von 50 mm, um den Ultraschall effektiver an das Olivenöl 43 anzukoppeln. An jedem Ende ist ein kurzer zylindrischer Abschnitt; zwischen dem weiteren Endabschnitt und dem Flansch 48 verjüngt sich das Kupplungselement 46 gleichmäßig; das Kupplungselement 46 hat denselben Durchmesser auf jeder Seite des Flansches 48 und auf jeder Seite des Flansches 48 ist eine Ausrundung; und zwischen dem Flansch 48 und dem schmäleren Endabschnitt ist ein zylindrischer Abschnitt und dann ein kurzer sich verjüngender Abschnitt.
• Die Wandleranordnung 56 weist einen allgemein zylindrischen Kopplungsblock 60 (der ebenfalls Knotenflansche 62 bestimmt) aus einer Titanlegierung und einen zylindrischen Unterstützungsblock 64 auf, zwischen denen zwei ringförmige Scheiben aus PZT (Blei Zirkonat Titanat) piezoelektrischem Material, das in unterschiedliche Richtungen polarisiert ist, schichtweise angeordnet sind. Die Anordnung 56 wird durch eine Schraube 68 mit 8 mm Durchmesser zusammengehalten, die fest genug ist, um zu gewährleisten, daß die Scheiben 66 im Betrieb unter Druck bleiben. Die Dimensionen und Maße sind solchermaßen, daß die Anordnung 56 um etwa 20 kHz in Resonanz ist. Solch eine Anordnung ist von Sonic Systems, Isle Brewers, Taunton, Somerset, beziehbar.
• Bei Betrieb des Apparats 25 ist jede Wandleranordnung 56 mit einem entsprechenden 20 kHz-Signalgenerator (nicht gezeigt) verbunden, wobei die elektrischen Signale an die benachbarten Flächen der Scheiben 66 angelegt werden und die äußeren Flächen geerdet werden. Typischerweise kann jeder Generator eine elektrische Leistung von etwa 250 Watt der Anordnung 56 zur Verfügung stellen. Das Olivenöl 43 wird durch die Muffen bzw. die Krägen 38 und den Wärmetauscher 29 umgewälzt, um einer Überhitzung vorzubeugen. Aufgrund von Energieverlusten, die im allgemeinen auf Reflexionen an dem Übergang zwischen dem Olivenöl 43 und der Röhre 35 herrühren, ist die Schalleistung von jeder Anordnung 56, der die Flüssigkeit innerhalb der Röhre 35 ausgesetzt wird, ungefähr 100 Watt. Für den Fall, daß die Flüssigkeit Wasser ist, wurde das Erscheinen von Kavitation über eine Länge der Röhre 35 von ungefähr 300 mm gefunden, so daß das behandelte Volumen in etwa 3,6 l ist.

Claims (12)

1. Ein Apparat, um eine Flüssigkeit einer hohen Ultraschallintensität auszusetzen, mit einer Vorrichtung (35), die eine Kammer für die Flüssigkeit bestimmt, und mit einer Wandleranordnung (56), die geeignet ist, wenn sie mit Energie versorgt wird, Ultraschallwellen bei einer Betriebsfrequenz zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Muffe bzw. ein Kragen (38), die bzw. der an der Außenseite einer Wand (35) der Kammer angebracht ist, wobei jede Muffe bzw. jeder Kragen (38) einen Teil eines Ultraschallkopplungselements (46) umgibt, das angepaßt ist bei der Betriebsfrequenz in Resonanz zu sein, und einen Knotenflansch (48), durch den es an das von der Wand (35) entfernte Ende der Muffe bzw. des Kragens (38) so befestigt ist, daß es einen Zwischenraum zwischen den Seiten des Kopplungselements (46) und der Muffe bzw. des Kragens (38), einen Zwischenraum zwischen dem Ende des Kopplungselements (46) und der Wand (35) gibt, und daß eine leicht dämpfende bzw. abschwächende Pufferflüssigkeit mit einer Kavitationsschwelle oberhalb derjenigen der Flüssigkeit in der Kammer vorgesehen ist, die die Muffe bzw. den Kragen (38) füllt und so die Zwischenräume zwischen dem Kopplungselement (46) und beidem, der Muffe bzw. dem Kragen (38) und der Wand (35), einnimmt, wobei die Wandleranordnung (56) an das außerhalb der Muffe bzw. des Kragens (38) befindliche Ende des Kopplungselements (46) angebracht ist und geeignet ist, wenn sie mit Energie versorgt wird, um Ultraschallwellen mit der Betriebsfrequenz in dem Kupplungselement (46) zu erzeugen.

2. Apparat nach Anspruch 1, bei dem das Kopplungselement (46) bei der Betriebsfrequenz eine halbe Wellenlänge lang ist und zumindest über einen Teil seiner Länge verjüngend zuläuft.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es keine Änderung im Durchmesser des Kopplungselements (46) zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Knotenflansches (48) gibt.

4. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die dem Ende des Kopplungselements (46) benachbarte Wand (35) Stahl beinhaltet und eine Dicke kleiner als 5 mm hat.

5. Apparat nach Anspruch 4, bei dem die besagte Wand 2,5 mm dick ist.

6. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Muffe bzw. der Kragen (38) von einer solchen Länge ist, daß der Zwischenraum zwischen dem Ende des Kopplungselements (46) und dem nächsten Teil der Wand (35) kleiner als 10 mm ist und viel kleiner ist als ein Viertel der Wellenlänge in der Pufferflüssigkeit bei der Betriebsfrequenz.

7. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Muffe bzw. der Kragen (38) von einem solchen Durchmesser ist, daß der Zwischenraum zwischen den Seiten des Kopplungselements (46) und der Muffe bzw. des Kragens (38) zwischen 2 und 10 mm ist.

8. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Muffe bzw. der Kragen (38) selbst von einer Dicke zwischen 2 und 5 mm ist.

9. Apparat nach einem der vorhergehende Ansprüche, der ebenso eine Vorrichtung (27), um die Pufferflüssigkeit umzuwälzen, und eine Vorrichtung (29), um sie zu kühlen, beinhaltet.

10. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorrichtung, die eine Kammer für die Flüssigkeit bestimmt, eine zylindrische Röhre (35) aufweist, wobei der Apparat ebenso eine Vorrichtung (24) aufweist, um die Flüssigkeit zu veranlassen, durch die Röhre (35) zu fließen.

11. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wand (35) der Kammer, an die die Muffe bzw. der Kragen (38) angebracht ist, einstückig mit der Vorrichtung (35), die die Kammer bestimmt, ist.

12. Apparat nach Anspruch 10, bei dem es drei Muffen bzw. Krägen (38), jede mit einem entsprechenden Kopplungselement (46) und einer Übertragungsanordnung (56), gibt, die an die Außenseite der Röhre (35) festgemacht sind und gleichmäßig um diese räumlich angeordnet sind, wobei sie in einer gemeinsamen Ebene liegen.