DE3336840A1 - Maschine fuer stoffaustausch sowie staub- und tropfenabscheidung - Google Patents

Description

Patentanmeldung

von Professor Dr.-Ing. Heinz Brauer Maschine für Stoffaustausch sowie Staub- und Tropfenabscheidung

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur beschleunigten Durchführung von Stoffaustauschprozessen zwischen Gasen (Dämpfen) und Flüssigkeiten, wofür als Beispiele Rektifikations- und ■ Sorptionsprozesse genannt seien, sowie zur intensiven Abscheidung von Stäuben und Feinsttröpfchen.

Die Maschine zeichnet sich dadurch aus, daß sie je Volumeinheit der Maschine eine sehr große Grenzfläche zwischen den am Stoffaustausch bzw. am Abscheideprozeß beteiligten Phasen erzeugt und diese Grenzfläche periodisch erneuert. Dies wird dadurch erzielt, daß die am Prozeß beteiligte Flüssigkeit in konstruktiv beeinflußbarer periodischer Folge in Tropfen aufgelöst und wieder zur Koaleszenz gebracht wird.

Die bisher praktisch genutzten Geräte zum Stoffaustausch weisen eine erheblich geringere Stoffaustauschleistung je Einheit des Volums der Geräte auf. Solche Geräte sind beispielsweise die Füllkörperkolonne, die Bodenkolonne, die Blasenkolonne, die Sprühkolonne und die Tropfenkolonne. Während die Tropfenkolonne allein für den Stoffaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten verwendet wird, werden die anderen Kolonnen vornehmlich für den Stoffaustausch zwischen einer Flüsgigkeit und einem Gas bzw. einem Dampf verwendet.

In der Füllkörperkolonne wird die Phasengrenzfläche nur einmal erzeugt. Zu diesem Zweck wird die Flüssigkeit als dünner Film über spezielle Füllkörper ausgebreitet. Eine gezielte periodische Erneuerung der Phasengrenzfläche wird nicht erreicht .

In der Bodenkolonne, die sich aus zahlreichen und sehr verschiedenartigen Böden zusammensetzen kann, wird die Phasengrenzfläche dadurch erzeugt, daß der Dampf bzw. das Gas durch eine verhältnismäßig dünne Schicht aufgestauter Flüssig-

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keit geleitet wird. Dabei entstehen in weitgehend unkontrollierbarer Form Gasstrahlen und Gasblasen unterschiedlicher Größe. Die erzeugte Phasengrenzfläche je Einheit des Volums der Flüssigkeitsschicht ist verhältnismäßig klein. Dieses Verhältnis wird aber sehr klein, wenn man es mit dem Kolonnenvolum bildet, das einem Boden zuzuordnen ist.

In der Blasenkolonne, einschließlich ihrer vielen Varianten, werden die Blasen nur einmal gebildet. Eine Erneuerung der Phasengrenzfläche findet nicht statt. Die auf das Volum der Kolonne bezogene Phasengrenzfläche ist verhältnismäßig gering,

In der Sprühkolonne wird die Phasengrenzfläche durch Zerstäuben der Flüssigkeit im Gas- bzw. Dampfstrom erzeugt. Als Zerstäuberelemente werden fest eingebaute Düsen, rotierende Scheiben oder Kombinationen von diesen Elementen verwendet. Bezogen auf das Bauvolum der Sprühkolonne ist die erzeugte Phasengrenzfläche gering. Darüber hinaus gibt es keine periodische Erneuerung der Phasengrenzfläche.

In der Tropfenkolonne, ähnlich wie in der Blasenkolonne, werden die Tropfen nur einmal gebildet. Eine periodische Erneuerung der Phasengrenzfläche findet nicht statt. Die auf das Volum der Tropfenkolonne bezogene Phasengrenzfläche ist verhältnismäßig gering.

Zusammenfassend kann man von diesen Kolonnen sagen, daß die auf das Kolonnenvolum bezogene Stoffaustauschleistung sehr gering ist, da die hierfür maßgebende Phasengrenzfläche sehr klein ist und auch nicht erneuert wird.

Neben den geschilderten Kolonnen sind aber auch Stoffaustauschmaschinen bekannt geworden. Dabei wird die Phasengrenzfläche im allgemeinen mittels rotierender Elemente als Oberfläche von dünnen Flüssigkeitsfilmen erzeugt. Auch hierbei ist allein schon aus konstruktiven Gründen die Phasengrenzfläche verhältnismäßig klein und eine Erneuerung der Phasengrenzfläche findet entweder gar nicht oder nur in geringem Maße und dabei in unkontrollierbarer Weise statt.

Für die Naßabscheidung von Stäuben und Feinsttröpfchen mittels zerstäubter Flüssigkeit steht ebenfalls eine sehr große Zahl von Geräten zur Verfügung. In diesen werden die im Gasstrom befindlichen Staubkörnchen und Tröpfchen von den gröberen Tropfen der zerstäubten Flüssigkeit eingefangen. Die bedeutsamsten Naßabscheider sind der Kolonnenwäscher, Strahlwäscher, Wirbelwäscher und Venturiwäscher. Bis auf den Venturiwäscher zeichnen sich alle Naßabscheider durch eine sehr geringe Abscheideleistung je Volumeinheit des Gerätes aus. Für den Venturiwäscher werden der sehr hohe Energiebedarf und die hohen akustischen Emissionen als schwerwiegende Nachteile empfunden. Neben diesen Naßabscheidegeräten gibt es auch einige Naßabscheidemaschinen, die sich im allgemeinen jedoch durch ein sehr großes Bauvolumen und somit durch eine geringe Abscheideleistung je Einheit des Maschinenvolums auszeichnen.

Eine entscheidende Verbesserung der Stoffaustausch- und Abscheideleistung je Volumeinheit eines Gerätes setzt eine starke Vergrößerung der Phasengrenzfläche und deren periodische Erneuerung voraus. Diese Anforderungen werden von der neuartigen Maschine erfüllt.

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

Figur 1 eine Schemazeichnung von der erfindungsgemäßen Maschine zur Durchführung 'verschiedener Stoffaustauschprozesse zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas bzw. Dampf sowie zur Abscheidung von Stäuben und Feinsttröpfchen,

Figur 2 den zur periodisch wiederholten Zerstäubung der Flüssigkeit verwendeten Rotor der erfindungsgemäßen Maschine, der mit spiralförmigen Kanälen ausgestattet ist,

Figur 3 Ausschnitte aus den perforierten Wänden der spiralförmigen Kanäle, die auf den Rotor der erfindungsgemäßen Maschine angeordnet sind,

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Figur 4 die Tropfenbildung am Rand der Löcher, die in den spiralförmigen Kanalwänden der erfindungsgemäßen Maschine angeordnet sind und «

Figur 5 einen spiralförmigen Kanal der erfindungsgemäßen Maschine zur Trennung der Flüssigkeit von dem Gas bzw. Dampf und ihrer Sammlung zur Weiterleitung.

Die erfindungsgemäße Maschine nach Figur 1 besteht im wesentlichen aus dem Rotor 1 und dem unbeweglichen Gehäuse 2. Der Rotor weist spiralförmige Kanäle mit perforierten Wänden auf. Durch diese Kanäle strömt das Gas bzw. der Dampf entweder radial auswärts oder einwärts. An den Rändern der Perforationen wird die Flüssigkeit zerstäubt, wobei sie sich von Kanal zu Kanal radial auswärts bewegt. Somit kann im Rotor ein Gegenstrom oder ein Gleichstrom der beiden am Stoffaustausch oder am Abscheideprozeß beteiligten Phasen eingestellt werden.

Im Zentrum des Rotors wird die Flüssigkeit mittels Zuführrohr 3 auf den Flüssigkeitsverteiler 4 geleitet. Der mit der Antriebswelle 5 fest verbundene und daher mitrotierende Verteiler 4 ist mit Flügeln 6 ausgestattet, die dazu beitragen, die Flüssigkeit über die Höhe gleichmäßig verteilt tropfenförmig in den Rotor einzutragen.

Nach Verlassen des Rotors treffen die Flüssigkeitstropfen auf die Wand des ruhenden Gehäuses 2, wo sie unter der Einwirkung der Schwerkraft nach unten in den Flüssigkeitssammelkanal 7 laufen. Dieser Sammelkanal verläuft spiralförmig um den Rotor.

Der zweite Spiralkanal 8 dient der Zuführung von Gas bzw. Dampf bei Gegenstrombetrieb oder der Abführung von Gas bzw. Dampf bei Gleichstrombetrieb. Für die Abführung von Gas bzw. Dampf bei Gegenstrombetrieb oder für die Zuführung von Gas bzw. Dampf bei Gleichstrombetrieb dient die zentrale Öffnung 9. Das Gehäuse besteht zusammenfassend aus den spiralförmigen Sammelkanälen 7 und 8 für Flüssigkeit und Gas bzw. Dampf und der zentralen Öffnung 9.

Der innige Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas bzw.· Dampf erfolgt im Rotor, dessen Aufbau und Funktionen anhand der Figuren 2, 3 und 4 beschrieben werden sollen. Der Rotor mit den spiralförmigen Kanälen, deren Wände perforiert sind, zeigt in schematischer Form Figur 2. Die eingezeichneten Pfeile deuten die Bewegungsrichtung des in den Rotor eintretenden Gases bzw. Dampfes bei Gegenstrombetrieb an. Die Zeichnung stellt einen rechtsläufigen Rotor mit vier parallel verlaufenden Spiralkanälen dar. Die Zahl der parallel verlaufenden Spiralkanäle kann durch Änderung der Steigerung der Spiralen in weiten Grenzen geändert werden.

Die Wände der Spiralkanäle sind zum Zwecke der Flüssigkeitszerstäubung perforiert. In Figur 3 sind zwei Beispiele für die Perforation angegeben. Die Form, die Zahl und die Anordnung der Löcher können zur Beeinflussung der Zerstäubung und somit des Stoffaustausches und der Abscheidung von Staub und Tröpfchen in weiten Grenzen geändert werden. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Langlöcher in der Anordnung gemäß Figur 3b.

Einen Eindruck von der Zerstäubung der Flüssigkeit im Rotor vermittelt in qualitativer Form Figur 4. Die Zerstäubung tritt jeweils am Rand der Löcher auf, deren Scharfkantigkeit die Tropfenbildung unterstützt. Die entstehenden Tropfen bewegen sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkräfte näherungsweise radial auswärts. Dabei treffen sie auf die nächste Kanalwand, bilden durch Koaleszenz einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der am nächsten Loch erneut zerstäubt wird. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit in periodischer Folge und vorgeschriebener Häufigkeit zerstäubt werden. Die Periodizität der Zerstäubung hängt von der lichten Kanalweite und von dem Abstand der Perforationen in der Kanalwand ab. Die Häufigkeit der Zerstäubung derselben Flüssigkeitsmasse wird durch die Zahl der parallel angeordneten Spiralkanäle und ihrer Länge, also Durchmesser des Rotors bestimmt. Spiralkanäle bieten daher eine hervorragende Möglichkeit zur Er-

beugung einer großen Phasengrenzfläche und deren gezielten periodischen Erneuerung.

Die Bewegung des Gases bzw. Dampfes erfolgt primär entlang der Spiralkanäle und vermag dadurch die Flugbahn der Tropfen zu beeinflussen. In gewissem Maße dringt das Gas bzw. der Dampf auch durch die Perforationen in den benachbarten Kanal ein. Dieser Anteil läßt sich durch die Zahl der parallel verlaufenden Kanäle und durch die Steigung der Spirale beeinflussen, sowohl verstärken als auch verringern.

Die Zuführung des Gases bzw. Dampfes bei Gegenstrom sowie die Abführung bei Gleichstrom erfolgt gemäß Figur 1 durch den spiralförmigen Kanal 8. Für den Ablauf der Flüssigkeit dient der Spiralkanal 7. Dieser ist in Figur 5 als Beispiel dargestellt. Er ist so bemessen, daß die Flüssigkeit den Austrittsquerschnitt vollkommen versperrt, so daß der Gasbzw. Dampfstrom zwangsläufig durch den Rotor muß.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Maschine zur beschleunigten Durchführung von Stoffaustauschprozessen . zwischen Gasen (Dämpfen) und Flüssigkeiten, beispielsweise Rektifizier- und Sorptionsprozesse, sowie zur Abscheidung von Stäuben und Feinsttröpfchen, dadurch gekennzeichnet, daß zu diesem Zweck eine ungewöhnlich große Phasengrenzfläche je Einheit des Volums der Maschine erzeugt und periodisch erneuert wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasengrenzfläche in einem rotierenden Kanalrad durch Zerstäubung der am Prozeß beteiligten Flüssigkeit unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften sowie Druck- und Scherkräften erzeugt und in vorgeschriebener periodischer Weise erneuert wird.

3. Kanalrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mittels eines mit Flügeln ausgestatteten Verteilers den spiralförmigen Kanälen zugeteilt wird.

4. Kanalrad nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es spiralförmige Kanäle aufweist, die in größerer Zahl parallel angeordnet werden können und deren Länge durch Ändern des Durchmessers des Kanalrades beeinflußt werden kann.

5. Spiralförmige Kanäle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwände Perforationen aufweisen, durch die die Flüssigkeit in geeigneter Menge zum Zwecke der Zerstäubung hindurchtreten kann.

6. Perforationen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforationen eine für die Zerstäubung geeignete Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig oder länglich sind.

7. Perforationen nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Öffnungen einer Kanalwand nur so groß ist, daß die zwischen diesen Öffnungen auftreffenden Tropfen zum Zwecke der vollkommenen Vermischung der Tropfenflüssigkeit vor einer erneuten Zerstäubung koaleszieren und einen Film bilden können.

8. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für jeden Prozeß des Stoffaustausches und der Abscheidung von Staub und Feinsttröpfchen günstigsten Zerstäubungsbedingungen zusätzlich durch Ändern der Drehzahl eingestellt werden können.

9. Kanalrad nach Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bzw. der Dampf in überwiegendem Maße die Kanäle in Längsrichtung durchströmt und dabei in Kontakt mit einer für den Stoffaustausch bzw. für die Abscheidung von Staub und Feinsttropfen geeigneten Zahl von erzeugten Tropfenschwärmen gelangt.

10. Maschine nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bzw. der Dampf bei Gegenstrombetrieb zugeführt und bei Gleichstrombetrieb abgeführt wird durch einen im Gehäuse angeordneten spiralförmigen Sammelkanal.

11. Maschine nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die das rotierende Kanalrad verlassenden Flüssigkeitstropfen gegen eine geneigte Gehäusewand treffen, dort koaleszieren und einen Flüssigkeitsfilm bilden.

12. Maschine nach Ansprüchen 1 bis 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der an der geneigten Gehäusewand auftretende Flüssigkeitsfilm in einen spiralförmigen Sammelkanal abfließen kann, der ebenfalls Teil des Gehäuses ist;

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