- Ultraschall-Entgasung von geschmolzenen Metallen bis zu 2300 °C und geschmolzenem Glas
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Wir verdoppeln die Blasengröße und reduzieren die Temperatur (Stokes'sches Gesetz)
Ultraschallwirkung der Blasengröße auf die Raffinationsrate
Die ultraschallunterstützte Schmelzglasraffination ermöglicht die Entfernung von Gasblasen aus Schmelzglas bei deutlich niedrigeren Temperaturen als im Standardverfahren und – besonders wichtig – ohne Verlängerung der Prozesszeiten. Da die Schmelzglasraffination sehr energieintensiv ist, führt die Reduzierung der Raffinationstemperatur zu erheblichen Energieeinsparungen. Wir zeigen hier, dass die Ultraschall-Glasraffination das Potenzial besitzt, die Gesamtenergiekosten um bis zu 20 % zu senken.
Glasschmelzen und Glasraffinierung
Die Glasherstellung ist ein sehr energieintensiver Prozess, der sowohl das Schmelzen als auch das Raffinieren umfasst. Beim Schmelzen werden die chemischen Reaktionen gesteuert, die bei der Bildung des Glases aus den Rohstoffen ablaufen, während beim Raffinieren die Blasen aus dem entstandenen geschmolzenen Glas entfernt werden.
Das Schmelzen von Kalk-Natron-Glas erfolgt bei Temperaturen um 1300 °C, während für die Raffination deutlich höhere Temperaturen von etwa 1450 °C erforderlich sind. Bei dieser höheren Temperatur ist die Viskosität des geschmolzenen Glases ausreichend niedrig, damit Blasen im Glas an die Oberfläche steigen können.
Das Erhöhen der Temperatur von 1300 °C auf die Raffinationstemperatur von 1450 °C verbraucht rund 40 % der Gesamtenergie des gesamten Schmelz- und Raffinationsprozesses. Typischerweise dauern die kombinierten Schmelz- und Raffinationsprozesse etwa 24 Stunden und verbrauchen daher eine beträchtliche Menge Energie.
Es besteht ein starker Zusammenhang zwischen Blasengröße, Glasraffinationstemperatur und Zeit. Vereinfacht ausgedrückt: Größere Blasen steigen schneller auf als kleinere; höhere Raffinationstemperaturen reduzieren die Viskosität des geschmolzenen Glases; bei geringerer Viskosität steigen Blasen schneller auf. Um die Effizienz des Raffinationsprozesses zu verbessern, möchten wir daher den Blasendurchmesser vergrößern und/oder die Viskosität des geschmolzenen Glases reduzieren. Wie wir sehen werden, ermöglicht die Ultraschallraffination die Vergrößerung der Blasen und deren effiziente Entfernung, ohne dass die Temperatur des geschmolzenen Glases erhöht werden muss.
Der Einfluss der Blasengröße auf die ultraschallunterstützte Glasraffinationsrate
Formaler ausgedrückt: Würden die Gasblasen verschmelzen, könnte gemäß dem Stokes'schen Gesetz die gleiche Raffinationsrate auch bei höheren Viskositäten aufrechterhalten werden. Das Stokes'sche Gesetz beschreibt die Kraft F auf eine ruhende Kugel mit Radius R, die in einer Flüssigkeit mit der Viskosität η suspendiert ist und sich mit der Relativgeschwindigkeit v bewegt.
F = 6 π η R v
Mithilfe dieses Zusammenhangs lässt sich zeigen, dass eine Verdopplung des Blasendurchmessers, beispielsweise von 0,4 mm auf 0,8 mm, theoretisch dieselbe Verfeinerungsrate in einer Glasschmelze mit einer Viskosität von 400 Pa ermöglichen würde wie mit kleineren Blasen und einer Viskosität von 100 Pa. Es sei angemerkt, dass 0,4 mm typischerweise der kleinste Blasendurchmesser ist, der benötigt, um in etwa 16 Stunden durch eine Tiefe von einem Meter geschmolzenem Glas aufzusteigen – eine Geschwindigkeit von 20 Mikrometern pro Sekunde.
Der Zusammenhang wird im Diagramm deutlich, das die Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur für ein typisches Handelsglas zeigt. Bei 1450 °C beträgt die Viskosität 100 Pa, während sie bei 1280 °C auf 400 Pa gesunken ist. Nach dem Stokes'schen Gesetz ist die Aufstiegsgeschwindigkeit einer 0,4 mm großen Blase bei einer Viskosität von 100 Pa dieselbe wie die einer 0,8 mm großen Blase bei 400 Pa.
Anders ausgedrückt: Durch Verdopplung der Blasengröße könnten wir die gleiche Raffinationsrate bei einer reduzierten Temperatur von etwa 1250 °C erreichen. Typischerweise würden dadurch 20 % der gesamten Energiekosten des Prozesses eingespart.
Diese Analyse legt zwar nahe, dass wir durch die Vergrößerung des Blasendurchmessers in geschmolzenem Glas erhebliche Energieeinsparungen im Raffinationsprozess erzielen können, aber ist dies auch in der Praxis umsetzbar?
Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur
Erzwingen der Blasenverschmelzung mittels Ultraschallenergie
Die jüngsten Fortschritte in der Ultraschall-Raffination ermöglichen es uns nun, Ultraschallenergie zur Vergrößerung der Blasen während der Glasraffination einzusetzen. Obwohl mehrere Prozesse beteiligt sind, ist die Kavitation der dominierende.
Kavitation ist ein energiereicher Prozess, der den Druck im geschmolzenen Glas rasch verändert und so Hohlräume mit niedrigem Druck erzeugt. Diese Hohlräume dienen als Keimbildungszentren, in die gelöste Gase und Blasen diffundieren und sich ansammeln. Kleine Blasen verschmelzen zu größeren Blasen, die, wie wir gezeigt haben, schneller zur Oberfläche aufsteigen und sich dort auflösen.
Abschluss
Durch die Vergrößerung der Blasengröße beim Glasraffinieren mittels Ultraschallenergie können wir Standardraffinierungszeiten erreichen, ohne die Viskosität der Glasschmelze durch eine Temperaturerhöhung nach dem Schmelzprozess reduzieren zu müssen. Dadurch haben wir die Wahl, entweder die Verarbeitungszeiten zu verkürzen oder den Energieverbrauch im Prozess zu senken.
Das Energiesparpotenzial variiert branchenspezifisch und hängt von vielen Faktoren ab, darunter der Glasindustrie und den Qualitätsanforderungen. Bei der ultraschallunterstützten Glasveredelung sind jedoch Energieeinsparungen von bis zu 20 % möglich. Dies stellt ein erhebliches Potenzial für diese energieintensive Branche dar.