DE2631835A1

DE2631835A1 - Verfahren und vorrichtung zur innigen vermengung eines gases und einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE2631835A1
Application number: DE19762631835
Authority: DE
Inventors: Jacques Sterlini
Original assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Current assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-03-10
Also published as: US4124660A; CH602168A5; FR2321930A1; BE845448A; BR7604344A; JPS5226371A

Description

COMPAGNIE ELECTRO-MECANIQUE, 12 rue de Portalis, Paris 8 erne

Verfahren und Vorrichtung zur innigen Vermengung eines Gases

und einer Flüssigkeit

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur innigen Vermengung eines Gases und einer Flüssigkeit, insbesondere für den Fall, dass das Gas und die Flüssigkeit unter verhältnismässig hohem Druck in Berührung bleiben sollen.

Es wurde insbesondere im französischen Patent Nr. 7 002 81¹I ein Verfahren zur innigen Vermengung eines Gases und einer Flüssigkeit unter Bildung einer Emulsion vorgeschlagen, wobei dieses Verfahren mindestens eine Folge der nachstehenden Verfahrensschritte umfasst:

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(A) Verdichtung der Flüssigkeit auf den Druck p. und Erzeugung einer Strömungsgeschwindigkeit von mehr als lm/sec; Verdichtung des Gases auf den Druck.ρ , welcher knapp über dem besagten Druck p, liegt,

(B) Bildung einer Emulsion des Gases unter besagtem Druck p_Q in der auf besagten Druck p. gebrachten und mit besagter Geschwindigkeit strömenden Flüssigkeit, wodurch feine, in besagter im Kreislauf befindlichen Flüssigkeit gleichmassig verteilte Gasbläschen erzeugt werden,

(C) Entspannung der unter Verfahrensschritt (B) gebildeten Emulsion auf einen unter ρ liegenden Druck ρ , indem ein eine Düse enthaltender Entspannungsbereich durchlaufen wird, welcher gleichzeitig zur Beschleunigung der Emulsion dient und eine innige Berührung von Gas und Flüssigkeit gewährleistet,

(D) Trennung des Gases von der beschleunigten Emulsion herkommend vom-Bereich des Verfahrensschrittes (C).

Dieses Verfahren kann auch einen zusätzlichen Verfahrensschritt

(E) umfassen, in welchem die von der Trennungsstufe (D) stammende und eine erhöhte Geschwindigkeit aufweisende Flüssigkeit in einen Bereich der Wiederverdichtung geführt wird, welcher aus einem sich erweiternden hydrodynamischen Kanal (Diffusor) besteht, was das Sammeln einer unter geringerer Geschwindigkeit strömenden Flüssigkeit gestattet, die unter

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einem Druck ρ, steht, welcher mindestens gleich dem Druck P₁

ist. . ;. .■■ ■ .'.- ·-.■-■'■ . .

Die Gesamtheit dieser Betriebsvorgänge verwirklicht die Verfahrensschritte eines thermodynamischen Kreisprozesses in dessen Verlauf das Gas dank seiner Entspannung Energie auf die Flüssigkeit überträgt, wobei die innere Reibung ausgeglichen und eine höhe Geschwindigkeit des zu behandelnden Gas- und Flüssigkeitsstroms erreicht wird.

Eine Vorrichtung zur Verwirklichung des oben beschriebenen Verfahrens umfasst einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, wobei in Strömungsrichtung der Flüssigkeit betrachtet', aufeinanderfolgend die nachstehenden Betriebsmittel vorgesehen sind:

(1) Mittel zum Einblasen des Gases in die Flüssigkeit im-Bereich des hohen Druckes ρ·,,

(2) eine Entspannungsdüse für die in (1) gebildete Gas-Flüssigkeits-Emulsion,

(3) Mittel zur Trennung des Gases von der Emulsion nach erfolgter Entspannung in besagter Düse, sowie zusätzlich

(4) ein Diffusor, welcher die nach der Gasabtrennung erhaltene Flüssigkeit führt. --■■■.

Wie ersichtlich eignet sich die Vorrichtung besonders vorteilhaft für ununterbrochene Betriebsweise* Die Gas- und Flüssigkeit sströme befinden sich in dauender Berührung in einer ge-.

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schlossenen Kreislaufschleife, von welcher Gas- und Flüssigkeit steilströme nach jeweiliger inniger Vermengung abgezweigt werden. Auf diese Art umfasst die oben beschriebene Vorrichtung im allgemeinen zusätzlich Kittel zum Einleiten frischer Flüssigkeit und Kittel zum Ableiten eines Teilstromes der behandelten Flüssigkeit.

Nach diesem Verfahren wird die Verdichtung von Gas und Flüssigkeit getrennt vorgenommen, obwohl das Gas und die Flüssigkeit zum Zeitpunkt, wo sie sich in der Nähe des in jeder Stufe erreichten Höchstdruckes befinden,- nicht in gegenseitiger Berührung stehen. Dieser Umstand ist für den Fall nicht vorteilhaft, wo versucht wird,nicht bloss eine Emulsion zu erzeugen, sondern eine Auflösung des Gases in der Flüssigkeit zu bewerkstelligen.

Derartigen Aufgaben begegnet man in verschiedenen Gebieten der Technik, beispielsweise da, wo es darum geht, ein Gas mit einer Flüssigkeit in Reaktion zu bringen und insbesondere ein Gas,dessen Löslichkeit stark druckabhängig ist, oder im Falle, wo die Bildung von Bläschen der Grössenordnung eines μ in einer Flüssigkeit durch rasche Entspannung einer Lösung von Gas in der Flüssigkeit erwünscht ist. Solche Bläschen werden z.B. in der Erzflotation verwendet. Eine weitere Anwendung ist die isotherme Verdichtung von Gasen, welche die Fähigkeit besitzen, sich bei Temperaturerhöhung zu zersetzen und folglich

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nicht nach herkömmlicher Technik verdichtet werden können wie z.B. Ozon.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses Problem zu lösen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur innigen Vermengung eines Gases und einer Flüssigkeit und zur Aufrechterhaltung der gegenseitigen Berührung unter verhältnismässig hohem Druck anzugeben.

Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst die Verwirklichung mindestens eines Arbeitsganges genannt Verfahrensfolge (Stufe), in welcher sich das Gas und die Flüssigkeit entwickeln, wobei nacheinander folgende Verfahrensschritte ablaufen:

1) Herstellung einer Emulsion nach bekannten Verfahren des Gasstromes im Flüssigkeitsstrom,

2) Entspannung der Emulsion,

3) Wiederverdichtung der Emulsion in einem hydrodynamischen Diffusor mit grosser Geschwindigkeitsverminderung,

4) Trennung mindestens eines Teils des Gases und der Flüssigkeit in einem unter Druck gehaltenen Behälter, wobei der Rauminhalt dieses Behälters so ausgelegt ist, dass die Verweilzeit der mit dem Gas in Berührung befindlichen Flüssigkeit genügend gross ist, um den gewünschten Grad des Fortschreitend der Reaktion oder Auflösung zu gewährleisten. Vorzugsweise werden mehrere Verfahrensfolgen (Stufen) mit-

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einander verbunden, wobei die sich im Umlauf befindlichen Medien, Gas und Flüssigkeit, nach dem Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip geführt werden können.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird im einzelnen unter Zuhilfenahme der nicht auf Ausführungsbeispiele begrenzten, in Uebereinstimmung mit der Erfindung befindlichen Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 stellt schematisch einen Gesamtaufbau eines Gerätes mit drei im Gleichstrom angeordneten Stufen dar.

Fig. 2 stellt einen Gesamtaufbau eines Gerätes mit drei im Gegenstrom angeordneten Stufen dar.

In den betrachteten Figuren gelten gleiche Bezugszeichen für die gleichen Bauteile und es werden zunächst die Vorgänge beschrieben, die in einer Einheitsfolge (Stufe) ablaufen, ob diese nun in einem Gerät nach dem Gleich- oder Gegenstromprinzip vor sich geht.

Dem Emulgierapparat 1 werden Gas und Flüssigkeit, die zur Berührung gebracht werden sollen, über die Rohrleitung 2 bzw. 3 zugeführt.

Die Emulsion wird im Konfusor 4 entspannt, daraufhin im Diffusor 5 wieder verdichtet, wo sie Druckgradienten unterworfen wird, welche den Gasbläschen erlaubt, sich graduell zu verfeinern und zu vervielfachen, was einer Vergrösserung der Be-

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rührungsfläche zwischen Gas und Flüssigkeit gleichkommt.

Die Emulsion wird daraufhin einem Druckbehälter 6 zugeleitet, dessen Rauminhalt gross genug ist, um dem Reaktionsablauf die notwendige Zeit zu geben. Di,e Flüssigkeit verlässt den Behälter 6 durch die Austrittsöffnung 7 und das Gas durch die Austrittsöffnung 8. -

In der in Fig* 1 dargestellten Gleichstrom-Einrichtung vereinigen sich Gas und Flüssigkeit über die Rohrleitung 2a bzw. 3a im Emulgierapparat la der darauffolgenden Stufe, wo man dieselben Bauteile mit dem Index "a" versehen wiederfindet. In gleicher Weise gilt für die nächstfolgende Stufe für die entsprechenden Bauteile der Index "b".

In der in Fig. 2 dargestellten Gegenstrom-Anordnung erreicht die aus der ersteh Stufe durch die Austrittsöffnung 7 austretende Flüssigkeit über die Rohrleitung 3a den Emulgierapparat la der darauffolgenden Stufe, wobei die für die Beschreibung gewählte Reihenfolge diejenige des Flüssigkeitskreislaufs ist. Im Unterschied zur oben beschriebenen Gleichstromanordnung wird hier das als verbraucht betrachtete und der Austrittsöffnung entströmende Gas abgezogen, wogegen die zuführende Rohrleitung 2 für das Gas mit der darauffolgenden Stufe verbunden ist, genauer gesagt mit der Austrittsöffnung 8a des Behälters 6a dieser Stufe. Die gleiche Anordnung wiederholt sich für die Stufe deren Bauelemente den Index "b" tragen. Da diese Stufe im dar-

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gestellten Beispiel die letzte überhaupt vorkommende ist, ist ihre Gasspeiseleitung 2b mit der ankommenden Gasleitung verbunden.

In beiden Figuren stellt R die Gaseinspeisung, z.B. einen Behälter und P eine Speisepumpe für die Flüssigkeit dar. Des weiteren ist mit 9, 9a, 9b wahlweise eine Drosselvorrichtung bezeichnet, die in der Rohrleitung 2, 2a, 2b für das Gas zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen angeordnet ist.

Die den Druckverlusten der Gesamtanordnung entsprechende Energie wird durch die Pumpe P und durch den Gasdruck im Behälter R geliefert. Aufgrund des oben Gesagten wird normalerweise vorgezogen, den Hauptanteil dieser Energie durch die Pumpe P bereitzustellen. In diesem Fall ist der Richtungssinn der abnehmenden Drücke gleichzeitig derjenige der Ströimingsrichtung der Flüssigkeit. Im Falle der Gleichstromanordnung (Fig. 1) kann man vorsehen, dass das Gas und die Flüssigkeit die Vorrichtung nach erfolgter Vermengung jeweils unter ungefährem Atmosphärendruck verlassen. Im Falle der Gegenstromanordnung kann man vorsehen, dass das unter geringem Ueberdruck in die Vorrichtung eingeführte Gas dieselbe unter bedeutend höherem Druck verlässt, wobei die dazu notwendige Energie von der Pumpe P über die Flüssigkeit geliefert wird. Auf diese Weise verfügt man eigentlich über einen isothermen Verdichter.

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Man kann jedenfalls die Beobachtung machen, dass in einem derartigen Verfahren die Bedingungen an den Ausgängen im allgemeinen vom Gesichtspunkt des Druckes aus bestimmt sind.

Im allgemeinen Fall hängt daher die Anzahl der Systemstufen von der Energie der eintretenden Gas- und Flüssigkeitsströme sowie von den Druckverlusten in jeder Stufe ab.

Zur Herstellung der Emulsion ist es notwendig, die Flüssigkeit auf eine Geschwindigkeit von der Grössenordnung einiger Meter pro Sekunde zu bringen, wodurch ihr Druck etwas verringert wird. Ferner muss unter diesem Druck ein Zusammenfliessen mit dem Gasstrom im Emulgierapparat bewerkstelligt werden. Der zur Beschleunigung auf die vorgesehene Geschwindigkeit notwendige Druckabfall der Flüssigkeit kann der hydrostatischen Druckhöhe des Behälters entnommen werden (Aus der Anordnung der Figuren soll nicht geschlossen werden, dass sich aufeinanderfolgende Behälter auf gleicher Höhe befinden).

Die Rolle der Drosselvorrichtungen 9, 9a, 9b besteht in der Möglichkeit der Einstellung der Gas- und Flüssigkeitsdrücke auf der Höhe des Emulgierapparates, um die Emulsion unter den besten Bedingungen zu erhalten.

Als Beispiel wurde folgende, nach dem Gleichstromprinzip arbeitende Vorrichtung ausgeführt:

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In einem Betriebsversuch wurde am Eintritt des ersten Emulgierapparates die Wasserzuführung auf einen Gesamtdruck von 4 bar abs. eingestellt, wobei der statische Druck 1,5 bar betrug. Der Druck der in den Emulgierapparat eintretenden Luft betrug 1,5 bar abs.. Der prozentuale Anteil des Vakuums war von der Grössenordnung 0,1. Nach der Trennung im ersten Behälter befand sich die Luft in diesem Behälter sowie am Eintritt in den darauffolgenden Emulgierapparat unter einem Druck von 2,9 bar. Der Druck der Luft im folgenden Behälter war um 0,5 bar niedriger als derjenige im vorhergehenden Behälter.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur innigen Vermengung eines Gases und einer Flüssigkeit, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:

■Ca) Bildung einer Emulsion des Gases in der auf den Druck ρ gebrachten und mit der Geschwindigkeit V strömenden Flüssigkeit, wodurch feine, in besagter im Kreislauf befindlichen Flüssigkeit gleichmässig verteilte Gasbläschen erzeugt werden,

(b) Entspannung der unter Verfahrensschritt Ca) gebildeten Emulsion auf einen unter P₁ liegenden Druck p₂, indem ein eine Düse enthaltender Entspannungsbereich durchlaufen wird, welcher gleichzeitig zur Beschleunigung der Emulsion dient und eine innige Berührung von Gas und Flüssigkeit gewährleistet,

(c) Trennung des Gases.,von der beschleunigten Emulsion herkommend,, vom Bereich des Verfahrensschrittes (b), dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion nach dem Verfahrensschritt (b) unter beträchtlicher Verminderung ihrer Geschwindigkeit in einem hydrodynamischen Diffusor wiederverdichtet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt (c) der Trennung des Gases und der Flüssigkeit in einem geschlossenen, unter Druck stehenden Behälter durchgeführt wird, dessen Rauminhalt derart bemessen ist, dass die Verweilzeit der einen Teil des Gases enthaltenden Flüssigkeit genügend lang ist, um die gewünschte innige Berührung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit zu gewährleisten.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Verbindung einer Vielfalt ähnlicher Folgen umfasst, wobei jede der Folgen die oben näher beschriebenen Verfahrensschritte einschliesst, welche auf dem Weg des Gases und der Flüssigkeit bei Gleichstrombetrieb nacheinander ablaufen, wobei das Gas und die Flüssigkeit von einer oberen zu einer unteren Stufe geführt werden und einerseits, da unter gleichem Druck stehend, die Möglichkeit erhalten, eine Emulsion zu bilden, andererseits gegenseitig in Reaktion zu treten, wobei der Rauminhalt eines jeden geschlossenen Behälters entsprechend ausgelegt ist.

Jj. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es die Verbindung einer Vielfalt ähnlicher Folgen umfasst, wobei jede der Folgen die oben näher beschriebenen Verfahrensschritte einschliesst, welche dem Weg des Gases und der Flüssigkeit derart zugeordnet sind, dass Gas und Flüssig-

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keit von einer Stufe zur anderen im Gegenstrom geführt werden, d.h. dass das eine Stufe verlassende'Gas bezüglich Strömungsrichtung der Flüssigkeit zu einer davor liegenden Stufe geleitet wird.

5. Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie" einen Emulgierapparat (1, la, Ib), gefolgt von einem Konfusor (4, 4a, 4b) und einem Diffusor (5, 5a, 5b), ferner einen Druckbehälter (6, 6a, 6b), der mit einer Austrittsöffnung (7, 7a, 7b) für die Flüssigkeit und einer Austrittsöffnung (8, 8a, 8b) für das Gas versehen ist, umfasst.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung für das Gas eine Drosselvorrichtung (9, 9a, 9b) einschliesst. _:

7. /Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bestimmt zur Verwirklichung des Verfahrens nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (7) für die Flüssigkeit mit der Rohrleitung (3a) der Flüssigkeit verbunden ist, die zum Emulgierapparat (la) der darauffolgenden Stufe führ't und dass die Austrittsöffnung (8) für das Gas mieder Rohrleitung (2a) des Gases für den gleichen Emulgierapparat (la) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bestimmt zur Verwirklichung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich-

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net, dass die Austrittsöffnung (7) für die Flüssigkeit mit der Rohrleitung (3a) der Flüssigkeit verbunden ist, die zum Emulgierapparat (la) der darauffolgenden Stufe führt und dass die Rohrleitung (2) des Gases mit der Austrittsöffnung (8a) für das Gas der gleichen darauffolgenden Stufe verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch .7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Weg des Gases zwischen zwei Stufen je eine Drosselvorrichtung (9, 9a, 9b) vorgesehen ist.

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