DE69816077T2

DE69816077T2 - Verfahren und einrichtung zur durchführung sonochemischer reaktionen mittels hydrodynamischer kavitation

Info

Publication number: DE69816077T2
Application number: DE69816077T
Authority: DE
Inventors: Oleg Vyacheslavovich Kozyuk
Original assignee: Five Star Technologies Inc
Current assignee: Five Star Technologies Inc
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2018-05-07
Also published as: WO1998050146A1; US5937906A; CA2296692A1; AU7289398A; US6035897A; US6012492A; JP2001524026A; DE69816077D1; CA2296692C; EP0983116B1; EP0983116A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf die Technik von Verfahren und Einrichtungen zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen in wässrigen und nicht-wässrigen Flüssigkeitsmedien bzw. Liquidmedien, insbesondere für große Volumina und spezifischer auf Verfahren und Vorrichtungen bzw. Apparate zum Verwenden von hydrodynamischen Kavitationseffekten zum Durchführen der sonochemischen Reaktionen und Verfahren bzw. Prozesse.
Stand der Technik
Bis dato ist es gut bekannt, daß es zahlreiche, chemische Reaktionen gibt, die wesentlich die Geschwindigkeit und Ausbeute von Endprodukten unter dem Einfluß von Ultraschall-Oszillation bzw. Ultraschallwellen verändern.
Es gibt auch eine große Vielzahl von chemischen Reaktionen, die nur unter dem Einfluß von Ultraschall-Oszillation ablaufen. Ähnliche Reaktionen können sowohl in wässrigen als auch nicht-wässrigen Flüssigkeitsmedien bzw. Liquidmedien durchgeführt werden. Das Haupterfordernis für die Ausführung von ähnlichen Reaktionen ist die Anwendung von Ultraschallwellen auf das liquide bzw. flüssige Medium. Alle diese chemischen Reaktionen beziehen sich auf die Klasse von sonochemischen Reaktionen. Wie dies durch viele Jahre von Forschung und zahlreiche Forschungsstudien bestimmt wurde (Timothy J. Mason, "Advances in Sonochemistry", Vol. 3. 1993. S. 292, JAI Press Inc.) erscheinen die Quellen eines Starts bzw. eines Beginns von sonochemischen Reaktionen als Kavitationsblasen, welche in dem Liquidmedium während einer Diffusion durch die Ultraschall-Oszillationen auftreten.
Während dem Kollaps bzw. dem Zerplatzen der Kavitationsblasen werden sehr hohe, lokalisierte Drücke und Temperaturen erreicht. Entsprechend einigen Abschätzungen erreicht die Temperatur innerhalb der Blasen eine Größe in der Größenordnung von etwa 5000°C und einen Druck von etwa 500 kg/cm² (K. S. Suslick, Science, Vol. 247, 23. März 1990, Seiten 1439–1445). Diese hohen Temperaturen und Drücke stimulieren das Fortschreiten von verschiedenen, chemischen Reaktionen, wie beispielsweise in der Gasphase innerhalb der Blase als auch in der Gasphase auf der Oberfläche der Blase.
Gemeinsam für alle sonochemischen Reaktionen und Verfahren ist, daß für die Ausbildung von Kavitationsblasen in einem auf Flüssigkeit basierenden Medium das Prinzip einer Anwendung von Ultraschallwellen bzw. -oszillationen auf das Flüssigkeitsmedium verwendet wird. Die Grundausstattung, welche in der Sonochemie verwendet wird, erscheinen als bzw. bestehen aus Ultraschalleinrichtungen verschiedenster Ausbildungen.
Dieses Verfahren zum Ausführungen von sonochemischen Reaktionen ist ausreichend effektiv für die Verarbeitung von kleinen Flüssigkeitsvolumina und hat seine Hauptanwendung auf dem Niveau der Laboratoriumsforschung gefunden. Eine Übertragung auf großdimensionierte Volumina, welche in der Industrie verwendet werden, ist jedoch ziemlich schwierig und manchmal sogar unmöglich. Dies ist mit Problemen ver bunden, welche während dem Vergrößern einer Kavitation bzw. Hohlraumbildung, welche mit der Hilfe der Ultraschallwellen produziert wird, auftreten.
Es ist jedoch möglich, diese Nachteile zu vermeiden, indem die Qualität des Initiators von sonochemischen Reaktionen, Kavitationsblasen, während dem Verlauf von Hydrodynamiken gebildet wird. Als ein Beispiel einer Verwendung einer hydrodynamischen Kavitation zum Ausführen von sonochemischen Reaktionen ist in der Arbeit von: Pandit A. B.,-Moholkar V. S., "Harness Cavitation to Improve Processing," Chemical Engineering Progress, Juli 1996, Seiten 57–69, präsentiert.
Jedoch ist das zuvor erwähnte beispielhafte Verfahren zur Ausführung von sonochemischen Reaktionen mit der Hilfe von hydrodynamischer Kavitation nicht effektiv. Wie dies durch die Autoren selbst festgehalten wurde, ist eines der Probleme, das sie gefunden haben, die ineffiziente Verwendung der Energie in dem hydrodynamischen Fluß. Eine Verwendung von nicht optimalen Bereichen einer hydrodynamischen Kavitation führt zu einem Absenken in der Intensität von sonochemischen Reaktionen und erhöht den Grad bzw. das Ausmaß einer Erhitzung des Mediums.
EP 0 535 781 A1 offenbart ein Verfahren zum Behandeln eines kontinuierlichen Stroms von fluenten Materialien, welches eine Vorrichtung anwendet, umfassend ein allgemein zylindrisches Gehäuse mit einem Einlaß, einem Auslaß und einer Vielzahl von Behandlungsstufen für ein sukzessives Aufbringen von Energiepulsen auf die fluenten Materialien, um die Materialien auf einem molekularen Niveau zu dissoziieren.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Verfahren bzw. Prozessen zur Verfügung zu stellen.
Dieser Gegenstand wird durch ein Verfahren zum Ausführen von sonochemischen Reaktionen und Verfahren, das die Merkmale, die in Anspruch 1 geoffenbart sind, aufweist, und eine Vorrichtung zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Verfahren erfüllt, die die in Anspruch 9 geoffenbarten Merkmale aufweist. Bevorzugte Ausbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
In der vorliegenden Erfindung erlaubt das vorgeschlagene Verfahren zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen insbesondere in Großvolumina eines Flüssigkeits- bzw. Liquidmediums die Verwendung von optimalen, hydrodynamischen Kavitationsbereichen und reduziert auch den Energieverbrauch für das Durchführen der Verfahren.
Die vorliegende Erfindung faßt ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen ins Auge, insbesondere in Großvolumina von auf Flüssigkeit basierenden Medien, indem optimale, hydrodynamische Kavitationsbereiche verwendet werden und der Energieverbrauch für das Durchführen der Verfahren reduziert wird, welche einfach im Design sind, effizient in der Verwendung, und die vorher beschriebenen Nachteile und andere vermeidet, während bessere und vorteilhaftere Gesamtergebnisse zur Verfügung gestellt werden.
Offenbarung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen zur Verfügung gestellt, welches in Großvolumina von auf Flüssigkeit basierenden Medien bzw. Liquidmedien verwendet werden kann, die Verwendung von optimalen, hydrodynamischen Kavitationsbereichen erlaubt und den Energieverbrauch für ein Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen reduziert.
Spezifischer umfaßt in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung das Verfahren zum Ausführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen in Großvolumina von flüssigen Medien bzw. Liquidmedien die Schritte eines Durchgehens bzw. Durchleitens eines hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms mit einer Geschwindigkeit durch einen Durchflußkanal, der im Inneren wenigstens ein Element enthält, wodurch eine lokale Einschnürung bzw. Kontraktion des hydrodynamischen Flusses ausgebildet wird. Das Verfahren umfaßt weiters auch die Schritte eines Aufrechterhaltens der Geschwindigkeit des hydrodynamischen Flusses, wenn die lokale Kontraktion des hydrodynamischen Flusses wenigstens 16 m/s (52,5 ft/s) beträgt, eines Ausbildens einer hydrodynamischen Kavitationskaverne stromabwärts von der lokalen Einschnürung bzw. Kontraktion des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms, wodurch Kavitationsblasen ausgebildet werden, wobei die Kavitationsblasen mit dem hydrodynamischen Liquidstrom zu einem Auslaß aus dem Durchflußkanal verschoben bzw. gezogen werden, wobei der hydrodynamische Liquidfluß einen statischen Druck aufweist. Das Verfahren umfaßt weiters die Schritte eines Erhöhens des statischen Drucks des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms an dem Auslaß des Durchflußkanals auf wenigstens 0,85 kg/cm² (12 psi) mit einer hydrodynamischen Einschnürung, die an dem Auslaß oder in einem bestimmten Abstand von dem Durchflußkanal in einer Rohrleitung des lokalen, hydraulischen Widerstands positioniert ist, wodurch eine Zone mit erhöhtem, statischem Druck ausgebildet wird, und eines Einleitens des Kollaps bzw. Zerplatzens der Kavitationsblasen in dem Bereich bzw. der Zone mit erhöhtem, statischem Druck.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Durchführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen bzw. Verfahren in Großvolumina eines Flüssigkeits- bzw. Liquidmediums einen Durchflußkanal zum Durchleiten des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms und zum Aufnehmen von wenigstens einem Element im Inneren, das eine lokale Einschnürung des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms zur Verfügung stellt, einen Durchflußkanal, welcher einen Auslaß aufweist, eine hydrodynamische Kavitationskaverne innerhalb des Durchflußkanals und stromabwärts von der lokalen Einschnürung des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms zum Ausbilden von Kavitationsblasen, eine Rohrleitung, die operativ mit dem Auslaß des Durchflußkanals verbunden ist, und einen steuer- bzw. regelbaren, hydraulischen Widerstand, der stromabwärts des Durchflußkanals angeordnet ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah- ren zum Ausführen von sonochemischen Reaktionen und Prozessen, die hydrodynamische Kavitation verwenden, insbesondere in großen Volumina bzw. Großvolumina von einem auf Flüssigkeit basierenden Medium bzw. von einem Liquidmedium zur Verfügung zu stellen, welches den Übergang in den indus triellen Maßstab einer Verwendung von Sonochemie ermöglicht bzw. erlaubt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren zur Durchführung von sonochemischen Reaktionen und Verfahren in großen Volumina von auf Flüssigkeit basierenden Medien, welches in Übereinstimmung mit der Erfindung aus dem Durchgang bzw. -tritt eines hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms durch einen Durchflußkanal besteht, nicht weniger als einen Abschnitt im Inneren enthält, der eine lokale Einschnürung des Flüssigkeitsstroms aufweist und eine Flüssigkeitsstrom-Geschwindigkeit in dieser Einschnürung von nicht weniger als 16 m/s (52, 5 ft/s) aufrecht erhält. Stromabwärts von dieser lokalen Einschnürung wird eine Kavitationskavität ausgebildet, welche Kavitationsblasen generiert bzw. erzeugt, die sich mit dem Flüssigkeitsstrom zu dem Durchflußkanalauslaß bewegen. Der statische Druck in dem Flüssigkeitsstrom erhöht sich auf 0,85 kg/cm² (12 psi) und mehr durch die Anordnung der lokalen, hydrodynamischen Einschnürung an dem Auslaß oder in einem gewissen Abstand von dem Auslaß des Durchflußkanals in der Rohrleitung. Der erhöhte, statische Druck in dem Fluß bzw. Strom initiiert das Zerplatzen bzw. den Kollaps der Kavitationsblasen. Das Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung umfaßt das Anordnen der lokalen Einschnürung des Flüssigkeitsstroms im Inneren des Durchflußkanals oder des Phantoms bzw. Körpers mit hohem Strömungswiderstand, welcher innerhalb der Wände des Durchflußkanals ausgebildet ist, oder eine Anordnung von Trennwänden in dem Durchflußkanal, der in seinem Körper eine oder mehrere Durchgangskanäle aufweist. Diese Kanäle bilden die lokale Einschnürung des Flüssigkeitsstroms. Darüber hinaus werden die lokalen Einschnürungen des Stroms in einer derartigen Weise ausge bildet, daß der Querschnittsbereich der lokalen Einschnürung des Flusses nicht mehr als 0,6 der Fläche des Querschnitts des Durchflußkanals beträgt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, sonochemische Reaktionen in wässrigen und nicht-wässrigen, auf Flüssigkeit basierenden Medien aufgrund der Energie, die während dem Zerplatzen der Kavitationsblasen freigesetzt wird, durchzuführen. Diese Blasen werden durch den hydrodynamischen Kurs ohne die Benutzung von Ultaschallwellen ausgebildet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß in dem vorliegenden Verfahren eines Ausbildens von zerplatzenden Kavitationsblasenfeldern alle Hauptarten von sonochemischen Reaktionen durchgeführt bzw. erzielt werden, jedoch in signifikant größeren Volumina von auf Flüssigkeit basierenden Medien.
Das Verfahren verläuft in der folgenden Weise. Ein Flüssigkeitsmediumstrom mit einer Geschwindigkeit von 1–10 m/s wird in den Durchflußkanal zugeführt. In der lokalen Einschnürung in der Strömungs- bzw. Flußzone erhöht sich die Geschwindigkeit auf 16 m/s und mehr. Dies führt zu dem Anstieg der hydrodynamischen Kavitationskavernen in dem Fluß stromabwärts von der lokalen Einschnürung, die mit Dampf aus der Verdampfungsflüssigkeit gefüllt ist und auch Gase in dieser Flüssigkeit enthält. Dies macht sie für Dampf/Gas mit niedrigem Druck in dem Kavernenraum nützlich bzw. förderlich, welcher üblicherweise eine Größe in der Größenordnung von 0,01 bis 0,2 kg/cm² beträgt. Die primäre Kavitationskaverne ist nicht stationär, sondern pulsiert konstant mit einer natürlichen Frequenz und stößt ein großes Volumen an Kavitationsblasen in den Flüssigkeitsstrom aus. Der Druck des Dampfs/Gases innerhalb der Blasen im Moment der Ausbildung ist im wesentlichen gleich dem Druck der primären Kavitationskaverne. Die gegebenen Blasen erscheinen als sekundäre Kavitationsformationen. Die Blasen werden in dem Flüssigkeitsstrom zu dem Auslaß des Durchflußkanals transportiert. In diesem Teil des Kanals wird eine Zone mit erhöhtem, statischem Druck (von 0,85 kg/cm² oder mehr) durch das Design bzw. die Konstruktion aufgrund der Anordnung von einem lokalen, hydraulischen Widerstand an dem Auslaß von dem Durchflußkanal oder unmittelbar nach dem Durchflußkanal in der Rohrleitung ausgebildet. Kavitationsblasen treten in die Zone mit erhöhtem, statischem Druck ein, was in einem momentanen adiabatischen Zerplatzen resultiert. Die Zerplatzdauer einer Blase ist etwa 10^–6 bis 10^–8 s und ist von der ursprünglichen Blasenabmessung und dem statischen Druck der sie umgebenden Flüssigkeit abhängig. Die Geschwindigkeiten, mit welchen die Kavitationsblasen zerplatzen, er- reichen eine Größe in der Größenordnung von 300–1000 m/s.
In dem Endzustand eines Zerplatzens ist eine erhöhte Temperatur im Inneren der Blase mit den Geschwindigkeiten von 10¹⁰ bis 10¹¹ K/s erreicht. Unter dieser Dampf/Gas-Mischung, die im Inneren der zerplatzten Blase angeordnet ist, wird die platzende Blase auf Temperaturen von etwa 3.000– 15.000°C unter Drücken von etwa 1.000–5.000 kg/cm² erhitzt. Bei diesen physikalischen Zuständen treten im Inneren der Kavitationsblasen zahlreiche chemische Reaktionen zwischen den Substanzen auf, die in dem Dampf/Gas-Zustand gefunden werden. In dem Endzustand des Blasenzerplatzens tritt auch ein Erhitzen benachbart den Blasen in der Flüssigkeitssphäre, die eine Schichtdicke von etwa 0,1–0,4 Makromoleküle aufweist auf. Die Temperatur, auf welche diese Flüssigkeitsschicht erhitzt wird, weist eine Größe in der Größenordnung von 30–40% der Temperatur der Dampf/Gas-Phase im Inneren der Blase auf. Der Druck an der Grenzfläche der Blase ist gleich dem Druck im Inneren der Blase. Die physikalischen Parameter, welche an der Grenzfläche der Kavitationsblase mit der Flüssigkeitsphase erreicht werden (Druck und Temperatur) sind vollständig für den Fortschritt von Pyrolyseverfahren in einer Flüssigphase ausreichend. Jede Kavitationsblase verhält sich wie ein "autonomes System".
Indem der statische Druck am Auslaß von der Durchflußkammer erhöht wird, ist es möglich, die Temperatur darin im Endstadium des Zerplatzens zu erhöhen. Ein anderer, sehr bedeutender Faktor betreffend das präsentierte Verfahren ist es, daß es durch ein Zuführen einer gasförmigen Komponente in den Flüssigkeitsstrom oder in den hydrodynamischen Kavitationshohlraum möglich ist, das Gas quantitativ und qualitativ in der Kavitationsblase zu steuern bzw. zu regeln. Das heißt, ein beabsichtigtes Zuführen in jede Blase von einer gleichen Menge an Gas oder einer Gasmischung mit zuvor zugewiesenen physikalischen Eigenschaften. Dies erlaubt die Steuerung bzw. Regelung von chemischen Reaktionen ebenso wie die Produktion von vorhersagbaren Produktausbeuten, die aus der Reaktion resultieren. Es ist notwendig festzuhalten, daß ein Zuführen einer vorab bestimmten Menge von gasförmigen Komponenten in die Kavitationsblasen, die mit der Hilfe von Ultraschallwellen produziert werden, praktisch unmöglich ist. In dem Fall von Ultraschall- (akustischer) Kavitation wird das Einströmen von gasförmigen Komponenten in die Kavitationsblasen aufgrund einer nicht kontrollierten, gestrafften Diffusion erreicht, die durch die Pulsationen bzw. Schläge der Blase in dem akustischen Feld bewirkt wird. D. h., indem die Zufuhr von Gas in den Flüs sigkeitsstrom oder direkt in die Kavitationskaverne verwendet wird, ist es möglich, ein zusätzliches Instrument für die Steuerung bzw. Regelung von sonochemischen Reaktionen zu besitzen. Darüber hinaus ist es, wenn der lokale, hydraulische Widerstand steuer- bzw. kontrollierbar gemacht wird, indem beispielsweise ein Schieberventil oder ein Hahn verwendet wird, dann auch möglich, die sonochemischen Reaktionen durch ein Ändern des statischen Drucks in der Zerplatzzone der Kavitationsblasen in einem weiten Bereich zu verändern. In einigen Fällen ist es möglich, den Druck in dieser Zone auf 30 kg/cm² oder mehr anzuheben.
In zweckmäßiger Weise weist zum Ausbilden einer stabilen Kavitationskaverne stromabwärts von der lokalen Flußeinschnürung, welche unter erhöhten, statischen Drücken vorliegen kann, die lokale Flußkontraktion einen Querschnittsbereich von weniger als 0,6 mal dem Querschnittsbereich des Durchflußkanals auf. Darüber hinaus sinken mit einem erhöhten, statischen Druck an dem Auslaß von dem Durchflußkanal die Größen des lokalen Flußkontraktions-Querschnittsbereichs ab.
Der Durchflußkanal kein eine kreisförmige, rechteckige bzw. rechtwinkelige, quadratische, polygonale oder jede andere geeignete Form aufweisen.
Die Flüssigkeit, die durch die Zerplatzzone der Kavita- tionsblasen hindurchtritt, wird von dem Durchflußkanal durch die lokale, hydraulische Einschnürung und die Rohrleitung zugeführt. Günstigerweise wird der Flüssigkeitsstrom mehrfachen Kavitationseinflüssen unterworfen, indem der Flüssigkeitsstrom einem Rezirkulieren durch den Durchflußkanal unterworfen wird. Dies fördert das Laden von Reaktionen von Produkten in dem flüssigen Medium. Auch die Anwendungsgebiete von sonochemischen Reaktionen können durch Zuführen von mehreren gasförmigen Komponenten in der Form ihrer Mischungen ebenso wie jede gasförmige Komponente gesondert in den Flüssigkeitsstrom oder direkt in den Raum der Kavitationskaverne ausgedehnt werden. Ein derartiger Modus erlaubt auch die Steuerung bzw. Regelung von sonochemischen Reaktionen innerhalb der Blasen. Der hydrodynamische Flüssigkeitsstrom kann direkt aus einer Mischung von zwei oder mehreren flüssigen Komponenten, wie einer Flüssigkeit, die in einer der Komponenten löslich ist, ebenso wie gegeneinander unlöslichen Flüssigkeiten, beispielsweise in der Form von Emulsionen, bestehen. Weiters können in dem vorgeschlagenen Verfahren zum Be- bzw. Verarbeiten von flüssigen Medien auch harte Materialteilchen gefunden werden, welche entweder als einer der Reaktanten erscheinen oder die Funktion eines Katalysators ausüben. Es können auch Teilchen aus mehreren, harten Komponenten in dem Flüssigkeitsstrom vorhanden sein. Alle diese erlauben die Ausdehnung des Bereichs einer praktischen Anwendung der Sonochemie.
Noch andere günstige Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann der Technik, an welchen sie sich richtet, beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung kann die physikalische Form in bestimmten Teilen und einer Anordnung von Teilen annehmen, wobei eine bevorzugte Ausbildung derselben im Detail in dieser Beschreibung beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen, welche einen Teil davon bilden, illustriert wird und hierin:
ist 1 ein Längsschnitt der Vorrichtung bzw. des Apparats für die Durchführung eines beanspruchten Verfahrens, umfassend einen Körper mit hohem Strömungswiderstand und einen nicht kontrollierbaren, lokalen, hydraulischen Widerstand;
ist 2 ein Längsschnitt der Vorrichtung für die Durchführung eines beanspruchten Verfahren, umfassend eine Drossel mit einem Durchgangskanal in der Form eines Venturi-Rohrs und einen steuerbaren, lokalen, hydraulischen Widerstand;
sind 3A–3F Teilansichten des Längsschnitts der lokalen Flußeinschnürung in der Vorrichtung gemäß 1, welche als Körper mit hohem Strömungswiderstand verschiedenster Formen ausgebildet sind; und
sind 4A–4F Teilansichten des Längsschnitts der lokalen Flußeinschnürung in der Vorrichtung gemäß 2, welche als Drosseln bzw. Ablenkbleche, die einen oder mehrere Kanäle verschiedener Formen aufweisen, ausgebildet sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausbildung
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, worin die Darstellungen für die Zwecke einer Illustration einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung und nicht für Zwecke einer Beschränkung derselben dienen, zeigt 1 einen Längsschnitt der Vorrichtung bzw. des Apparats 16, enthaltend einen Durchflußkanal 1, mit einem Einlaß 2, Auslaß 3 und lokaler Einschnürung bzw. Kontraktion 4 des Liquidflusses bzw. Flüssigkeitsstroms. An dem Auslaß 3 von dem Durchflußkanal 1 ist der lokale, hydraulische Widerstand 5 positioniert. Der Auslaß 3 ist mit einer Rohrleitung 6 verbun den. Die lokale Einschnürung 4 des Flusses ist im Inneren des Durchflußkanals 1 entlang oder nahe der Mittellinie CL des Körpers 7 mit hohem Strömungswiderstand geformt und positioniert, welcher vorzugsweise die Form eines Konus aufweist. Der Körper 7 mit hohem Strömungswiderstand ist auf einem Stiel 8 positioniert, welcher mit einer Scheibe 11 mit Öffnungen 9 verbunden ist. Die Scheibe 11 mit Öffnungen 9 ist in dem Einlaß 2 festgelegt und hält den Körper 7 mit hohem Strömungswiderstand im Inneren des Durchflußkanals 1. Anstelle der Scheibe 11 mit Öffnungen 9 ist es möglich, einen Kreuzkopf, Anschlag, Propeller oder jede andere Festlegung zu verwenden, welche einen geringeren Druckverlust produziert. Der lokale, hydraulische Widerstand 5 ist als nicht kontrollierbar in der Form eines zweiten Elements der lokalen Flußeinschnürung ausgebildet. Er hat die Form einer Scheibe 12 mit Öffnungen 10. Die Anzahl der Öffnungen 10 in der Scheibe 12 kann variiert werden. Die Größen der Öffnungen) 10 in dem hydraulischen Widerstand 5 ist einer derartigen Weise ausgewählt, daß der statische Druck in dem Flüssigkeitsstrom vor dem lokalen, hydraulischen Widerstand 5 einen statischen Druck erreichen würde, welcher typischerweise wenigstens 0,85 kg/cm² (12 psi) beträgt. Während die Größen der lokalen Einschnürung 4 des Flüssigkeitsstroms in einer derartigen Weise festgelegt sind, daß die Querschnittsfläche der lokalen Einschnürung 4 höchstens 0,6 mal dem Querschnitt des Durchflußkanals 1 beträgt. Der hydrodynamische Flüssigkeitsstrom, der sich entlang der Richtung, die durch den Pfeil A durch den Einlaß 2 bezeichnet ist, bewegt, fließt um den Körper 7 mit hohem Strömungswiderstand. Unter diesem tritt die Flüssigkeit durch die lokale Einschnürung 4 des Flusses, wo die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms zu einer Minimalgeschwindigkeit ansteigt, die durch die physikalischen Eigenschaften der hy drodynamischen Flüssigkeit bestimmt ist. Im Mittel und für die meisten hydrodynamischen Flüssigkeiten ist die Minimumgeschwindigkeit 16 m/s (52,5 ft/s) oder größer. Hinter dem Körper 7 mit hohem Strömungswiderstand wird eine hydrodynamische Kavitationskaverne 20 ausgebildet, welche Kavitationsblasen ausbildet. Die Blasen werden durch den Flüssigkeitsstrom zu dem Auslaß 3 von dem Durchflußkanal 1 transportiert. In dieser Position wird in dem Durchflußkanal 1 eine Zone 30 erhöhten statischen Drucks von 0,85 kg/cm² (12 psi) und größer aufgrund der Anordnung des lokalen; hydraulischen Widerstands 5 an dem Auslaß 3 von dem Durchflußkanal 1 ausgebildet. Indem sie auf die Zone 30 mit erhöhtem statischen Druck aufschlagen, zerplatzen die Blasen, was hohe lokale Drücke (bis zu 5.000 kg/cm²) und Temperaturen (bis zu 15.000°C) bewirkt. Unter diesen physikalischen Bedingungen in der Flüssigkeit finden an der Grenzfläche der Blase und innerhalb der Blase selbst in der Gasphase chemische Reaktionen, wie Oxidationen, Disintegrationen, Synthesen usw. statt. Nachdem es durch die Zone der zerplatzenden Blasen hindurchgetreten ist, wird das flüssige Medium aus dem Durchflußkanal 1 durch den Auslaßkanal 3 und die Rohrleitung 6 transportiert. Nach einem momentanen Kavitationseffekt ist das flüssige Medium fähig, diesem Einfluß unterworfen zu werden.
2 stellt eine alternative Ausbildung der Vorrichtung 116 dar, die für die Durchführung des Verfahrens gedacht ist.
In der Vorrichtung 116 ist ein Ablenkblech 107 im Inneren des Durchflußkanals 101 nach einem Auslaß 102, welcher einen Durchgangskanal 104 in seinem eigenen Körper ausgebildet aufweist, positioniert. Dieser ist in Form eines Venturi-Rohrs ausgebildet. Dieser Durchgangskanal 104 bildet eine lokale Kontraktion bzw. Einschnürung in dem Flüssigkeitsstrom. Die Vorrichtung 116 weist einen lokalen, hydraulischen Widerstand 105 auf, der steuer- bzw. regelbar ist. Für die Leistungsfähigkeit des kontrollierbaren, lokalen, hydraulischen Widerstands 105 wird ein Ventil 150 verwendet, welches in einem gewissen Abstand von dem Auslaßkanal 103 angeordnet ist und mit der Rohrleitung 106 verbunden ist.
Der hydrodynamische Flüssigkeitsstrom, der sich entlang der Richtung, wie sie durch den Pfeil B angezeichnet ist, bewegt, tritt durch den Durchgangskanal 104 mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 16 m/s (52.5 ft/s) hindurch. Nach der Drossel 107 wird eine Kavitationskaverne 120 ausgebildet, die einander untermischende Kavitationsblasen generiert. Ein Erhöhen des statischen Drucks in dem Fluß am Auslaß 103 von dem Durchflußkanal 101 wird mit Hilfe des Ventils 150 erreicht. Eine Verwendung des steuer- bzw. regelbaren, lokalen, hydraulischen Widerstands 105 erlaubt die Änderung der Größe des statischen Drucks in der Zone 130 der zerplatzenden Kavitationsblasen und zur selben Zeit die Steuerung der Bedingungen des Fortgangs der chemischen Reaktionen.
Um die erforderliche Struktur des Kavitationsblasenfelds zu steuern bzw. zu regeln und zu spezifizieren, kann der Körper 7 mit hohem Strömungswiderstand verschiedene Formen aufweisen, wie dies in den entsprechenden 3A–3F gezeigt ist. Der Durchgangskanal 104 kann verschiedene Formen aufweisen, welche die lokale Kontraktion des Stroms in dem Ablenkblech 107 ausbilden, wie dies in 4A–4E gezeigt ist. Darüber hinaus ist ein Verwenden einer derar tigen, lokalen Einschnürung der Strömungs- bzw. Flußdesigns (2, 4A–4E) während einer Verarbeitung von kleineren Flüssigkeitsvolumina bevorzugt und auch für ein Verarbeiten von flüssigen Medien, enthaltend ausreichend große, harte Materialteilchen bzw. Hartmaterialpartikel.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 übt die Form des Durchflußkanals 101 keinen wesentlichen Einfluß auf die Effizienz des Prozesses aus. Jedoch aus dem Gesichtspunkt ihrer Herstellbarkeit bei der Herstellung der Vorrichtung für die Ausführung des entsprechenden Verfahrens ist es bevorzugt, einen Durchflußkanal 101 zu verwenden, der eine kreisförmige, rechteckige oder polygonale Form aufweist. Der Durchflußkanal 101 kann auch einen Querschnitt aufweisen, der einen linearen Querschnitt und einen kreisförmigen oder unregelmäßig geformten Querschnitt, wie einen Halbkreis, aufweist.
Die Flüssigkeit wird in die Vorrichtung 116 mit Hilfe einer Pumpe (nicht dargestellt) zugeführt. Die Art der gewählten Pumpe ist auf der Basis der physikalisch-chemischen Eigenschaften des pumpbaren Mediums und der für die Durchführung des Prozesses notwendigen, hydrodynamischen Parameter gewählt.
Verschiedene praktische Beispiele der Durchführung des Verfahrens mit Hilfe der Vorrichtung sind in den Beispielen 1 und 2, die unten beschrieben sind, gezeigt.
Beispiel 1
Fünf (5) l n-Heptan mit einer Temperatur von 76°F (24°C) werden in dem Zeitraum von 3 Minuten durch die Vorrichtung 116, wie sie in 1 gezeigt ist, zugeführt. Die Geschwindigkeit des Flusses bzw. der Strömung in der lokalen Einschnürung 4 beträgt 93,8 m/s. Der Bereich der lokalen Einschnürung des Flußquerschnitts 4 beträgt 0,12 der Fläche des Querschnitts des Durchflußkanals 1. Der Druck am Auslaß des Durchflußkanals war 1,27 kg/cm².
Die Ergebnisse der Massenspektrometrie-Analyse der n-Heptan-Proben vor der Verarbeitung und nach einer Verarbeitung von 3 Minuten sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Beispiel 2
Zweihundert (200) l Wasser, enthaltend 12 ppm Phenol und mit einer Temperatur von 68°F (20°C) wurden durch die Vorrichtung 116 innerhalb eines Zeitraums von 10 Minuten, wie dies in 2 gezeigt, zugeführt. Die Flußgeschwindig keit indem Durchgangskanal 104 beträgt 16,8 m/s. Die Fläche des Querschnitts des Durchgangskanals 104 beträgt 0,62 von der Fläche des Querschnitts des Durchflußkanals 101. Der Druck am Auslaß 103 von dem Durchflußkanal 101 war 0,88 kg/cm² (12,5 psi). Nach Verarbeitung des Wassers unter diesen Bedingungen nach 10 Minuten zeigte die Gaschromatographie-Analyse, daß als ein Ergebnis die Konzentration von Phenol auf 5 ppm abgesenkt war.
Unter Bezugnahme auf 1 besteht zusammenfassend das Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung in dem Durchgang von auf Flüssigkeit basierenden Medien in dem hydrodynamischen Fluß durch einen Durchflußkanal 1, welcher im Inneren wenigstens ein Element, wie einen Körper 7 mit erhöhtem Strömungswiderstand, aufweist, der eine lokale Einschnürung 4 des Flüssigkeitsstroms aufweist und eine Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit in dieser Einschnürung von wenigstens 16 m/s (52,5 ft/s) aufweist.
Eine Kavitationskaverne 20 wird stromabwärts von der lokalen Flußeinschnürung 4 gebildet, welche Kavitationsblasen ausbildet, die den Flüssigkeitsstrom zu dem Auslaß 3 von dem Durchflußkanal 1 queren. Der statische Druck in dem Flüssigkeitsstrom erhöht sich auf 0,85 kg/cm² (12 psi) und mehr durch die Anordnung des lokalen, hydraulischen Widerstands 5 an dem Auslaß 3 oder in einem gewissen Abstand von dem Auslaß 3 von dem Durchflußkanal 1 in der Rohrleitung 6. Der erhöhte, statische Druck in dem Fluß initiiert ein Zerplatzen der Kavitationsblasen. Die lokale Einschnürung des Flusses wird ausgebildet, ist im Inneren des Durchflußkanals 1 entlang oder nahe seiner Mittellinie CL des Körpers 7 mit hohem Strömungswiderstand positioniert. Auch unter Bezugnahme auf 2 weist die lokale Einschnürung des ge bildeten Flusses, die mit einer Ablenkplattte 107 im Inneren des Durchflußkanals 101 positioniert ist, im Inneren ihres Körpers einen oder mehrere Durchgangskanäle 104 auf. Die Durchgangskanäle 104 in der Ablenkplattte 107 bilden eine lokale Einschnürung des Flüssigkeitsstroms aus.
Unter Bezugnahme auf 1 ist die lokale Einschnürung des Flusses 4 in dieser Weise ausgebildet, daß die Querschnittsfläche der lokalen Einschnürung 4 des Flusses höchstens 0,6 mal der Querschnittsfläche des Durchflußkanals 1 ist.
Die Flüssigkeit, die durch die Zerplatzzone der Kavitationsblasen hindurchtritt, wird von dem Durchflußkanal 1 durch die lokale, hydraulische Einschnürung 5 und die Rohrleitung 6 zugeführt. Günstigerweise wird der Flüssigkeitsstrom mehrfachen Kavitationseinflüssen unterworfen, in dem der Flüssigkeitsstrom einer Rezirkulation durch den Durchflußkanal 1 unterworfen wird. Dies fördert das Laden von Reaktionen von Produkten in dem flüssigen Medium. Auch die Bereiche von Anwendungen von sonochemischen Reaktionen können ausgedehnt werden, indem in den Flüssigkeitsstrom oder direkt in den Raum der Kavitationskavernen 20 verschiedene, gasförmige Komponenten in der Form von ihren Mischungen ebenso wie gasförmige Komponenten gesondert zugeführt werden. Eine derartige Art ermöglicht auch die Steuerung bzw. Regelung von sonochemischen Reaktionen innerhalb der Blasen. Der hydrodynamische Flüssigkeitsstrom kann direkt aus einer Mischung von zwei oder mehreren Flüssigkeitskomponenten, wie einer Flüssigkeit, die in einer der Komponenten löslich ist, ebenso wie aus ineinander unlöslichen Flüssigkeiten, beispielsweise in der Form von Emulsionen, bestehen. Weiters können im vorgeschlagenen Verfahren einer Ver arbeitung von flüssigen Medien auch Hartmaterialteilchen, wie Teilchen, die die Charakteristika bzw. Merkmale eines Feststoffs oder einer hochviskosen Flüssigkeit zeigen, welche entweder als einer der Reaktanten erscheinen oder die Funktion eines Katalysators ausüben, vorliegen. Es können auch Teilchen von verschiedenen, harten Komponenten in dem Flüssigkeitsstrom vorliegen. All dies erlaubt die Expansion des Bereichs der praktischen Anwendung der Sonochemie.
Der lokale, hydraulische Widerstand 5 kann nichtkontrollierbar sein, wie in dem Fall mit gerichteter Diffusion, die durch die Pulsationen einer Blase in einem akustischen Feld bewirkt bzw. induziert ist. Jedoch kann der lokale, hydraulische Widerstand 5 auch kontrollierbar gemacht werden, indem beispielsweise ein Ventil 150, wie dies in 2 ersichtlich ist, verwendet wird, um die sonochemischen Reaktionen durch ein Ändern des statischen Drucks in den Kavitationsblasen zu steuern bzw. zu regeln. Die zweite lokale Einschnürung des hydrodynamischen Flüssigkeitsstroms, die durch das Ventil 150 gebildet wird, hat vorzugsweise vorbestimmte, geometrische Abmessungen, um den Spezifikationen und Erfordernissen, die für ein Ausführen von sonochemischen Reaktionen erforderlich sind, zu genügen.
Die bevorzugten Ausbildungen wurden oben beschrieben. Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, daß die obigen Verfahren Änderungen und Modifikationen aufnehmen bzw. erhalten können, ohne von dem allgemeinen Rahmen dieser Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen und Änderungen insofern mit zu umfassen, als sie unter den Rahmen der anhängigen Ansprüche und der Äquivalente derselben fallen.
Indem die Erfindung nunmehr beschrieben wurde, wird beansprucht:

Claims

Verfahren zum Durchführen sonochemischer Reaktionen und Prozesse in Großvolumina eines Flüssigkeits- bzw. Liquidmediums beinhaltend den Schritt des Durchgehens eines hydrodynamischen Liquidflusses in einer Geschwindigkeit durch einen Durchflußkanal (1 ), wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist: Positionieren mindestens eines Elements in dem Durchflußkanal (1) um eine lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses zu produzieren; Halten der Geschwindigkeit des hydrodynamischen Liquidflusses in der lokalen Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses bei einer Minimalgeschwindigkeit; Schaffen einer hydrodynamischen Kavitationskaverne bzw. -höhle (20) stromabwärts der lokalen Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses, um dadurch Kavitationsblasen zu generieren, wobei die Kavitationsblasen sich mit dem hydrodynamischen Liquidfluß zu einem Auslaß aus dem Durchflußkanal (19) verschieben, wobei der hydrodynamische Liquidfluß einen statischen Druck aufweist; Erhöhen des statischen Drucks des hydrodynamischen Liquidflusses an dem Auslaß (3), von dem Durchflußkanal (1) zu einem Minimaldruck mit einer hydrodynamischen Restriktion bzw. Sperre (5), welche an dem Auslaß oder einige Entfernung von dem Durchflußkanal (1) in einer Pipeline bzw. einem Rohr (6) eines lokalen hydraulischen Widerstands (5) positioniert ist, um dadurch eine statische Hochdruckzone (30) zu schaffen; und, Initiierens des Einsturzes bzw. Kollaps der Kavitationsblasen in der statischen Hochdruckzone (30).
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Minimalgeschwindigkeit des hydrodynamischen Liquidflusses mindestens 16 m/sec (52,5 feet pro Sekunde) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der statische Minimaldruck des hydrodynamischen Liquidflusses am Auslaß (3) von dem Durchflußkanal (1) mindestens 0,85 kg/cm² (12 psi) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Positionierens mindestens eines Elements in dem Durchflußkanal (1) umfaßt: Positionieren eines Phantoms bzw. Körpers mit hohem Strömungswiderstand (7) entlang oder nahe einer Mittellinie des Durchflußkanals (1 ), um die lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses mit einer Wand des Durchflußkanals (1) zu produzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt des Positionierens mindestens eines Elements in dem Durchflußkanal (1) umfaßt: Positionieren eines Ablenkblechs in dem Durchflußkanal (1 ), welches mindestens einen Durchgangskanal (104) aufweist, welcher eine lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses produziert.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt: Umwälzen bzw. Rückführen des Liquidvolumens, welches durch den Durchflußkanal (1) und die lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses gegangen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt: Zuführen von harten Materialpartikeln in den hydrodynamischen Liquidfluß.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt: Produzieren einer zweiten lokalen Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses, welche vorbestimmte bzw. vordesignte geometrische Dimensionen mit dem lokalen hydraulischen Widerstand (5) aufweist oder variable geometrische Dimensionen mit dem lokalen hydraulischen Widerstand (5).
Apparat (116) zum Durchführen sonochemischer Reaktionen und Prozesse in Volumina eines liquiden Mediums, beinhaltend einen Durchflußkanal (101) zum Durchgehen eines hydrodynamischen Liquidflusses, wobei der Durchflußkanal (101) einen Querschnittsbereich und einen Auslaß (103) aufweist, wobei der Apparat (116) gekennzeichnet ist durch: mindestens ein Element, welches in dem Durchflußkanal (101) zum Vorsehen einer lokalen Kontraktion (4; 104) des hydrodynamischen Liquidflusses positioniert ist; eine hydrodynamische Kavitationskaverne bzw. -höhle (20; 120) in dem Durchflußkanal (101) und stromabwärts der lokalen Kontraktion (4; 104) des hydrodynamischen Liquidflusses zum Generieren von Kavitationsblasen; eine Pipeline bzw. ein Rohr (106), welches operativ mit dem Auslaß (103) des Durchflußkanals (101) verbunden ist; und ein steuerbarer bzw. regelbarer lokaler Hydraulikwiderstand (105), welcher sich stromabwärts von dem Durchflußkanal (101) befindet.
Apparat (16) nach Anspruch 9, worin die lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses einen Querschnittsbereich (4) aufweist, welcher geringer als 0,6 des Querschnittsbereichs (4) des Durchflusskanals (1) ist.
Apparat (16) nach Anspruch 9, worin das mindestens eine Element aufweist: Ein Phantom bzw. Körper mit hohem Strömungswiderstand (7), welcher entlang oder nahe einer Mittellinie des Durchflußkanals (1) positioniert ist, um eine lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Flüssigkeits- bzw. Liquidflusses mit einer Wand des Durchflußkanals (1) zu produzieren, oder eine Ablenkplatte, welche in dem Durchflußkanal (1) positioniert ist, welche mindestens einen Durchgangskanal (104) aufweist, um die lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses zu produzieren.
Apparat (16) nach Anspruch 9, worin der Durchflußkanal (1) einen Quer schnitt (4) aufweist, wobei der Querschnitt (4) im wesentlichen kreisförmig ist oder der Querschnitt (4) mindestens einen linearen Abschnitt aufweist, oder der Querschnitt (4) im wesentlichen in polygonaler Form ist oder der Querschnitt (4) im wesentlichen rechteckig ist.
Apparat (16; 116) nach Anspruch 9, wobei der lokale hydraulische Widerstand (5; 105) eine zweite lokale Kontraktion (4) des hydrodynamischen Liquidflusses mit variablen Dimensionen produziert.
Apparat (116) nach Anspruch 9, worin der lokale hydraulische Widerstand (105) ein Ventil (150) umfaßt.
Apparat (16) nach Anspruch 9 oder Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Zuführmittel zum Zuführen mindestens einer gasförmigen Komponente in den hydrodynamischen Liquidfluß.
Apparat (16) nach Anspruch 9 oder Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Zuführmittel zum Zuführen mindestens einer gasförmigen Komponente in die hydrodynamische Kavitationskaverne (20).