DE4329077C1 - Matter exchange between mixture phase and low viscose fluid phase - Google Patents

Matter exchange between mixture phase and low viscose fluid phase

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Abstract

To give an exchange between a mixture phase (1) of loose fine-grain material or a suspension or emulsion, and a fluid phase (2), the mixture phase is moved axially through a ring gap defined by microporous walls and membranes (5). The low viscose fluid phase is moved simultaneously at right angles to the porous walls and the flowing mixture phase, and radially.The ring gap is formed by two cylinders as microfiltration or ultrafiltration membranes, where at least one rotates. The radial movement of the fluid phase is deflected one or more times, to pass through the ring gap a number of times.

Description

Die Erfindung behandelt ein Verfahren und eine Vorrichtung, die den Stoffaustausch in feinkörnigen Schüttungen, Suspensionen oder Emulsionen erlaubt.The invention deals with a method and a device for mass transfer allowed in fine-grained fillings, suspensions or emulsions.

Der Stoffaustausch einer oder mehrerer Komponenten aus einer niedrig-viskosen fluiden Phase an Partikel einer Schüttung, konzentrierten Suspension bzw. Emulsion oder umgekehrt ist in der Regel dadurch behindert, daß die von der fluiden Phase anzuströmenden Partikel oder Tröpfchen in der hohen Konzentration einen großen Strömungswiderstand darstellen (statt der Suspension kann man sich hier und im folgenden auch eine Emulsion vorstellen).The mass transfer of one or more components from a low-viscosity fluid phase on particles of a bed, concentrated suspension or emulsion or vice versa is usually hampered by the fact that the fluid phase incoming particles or droplets in the high concentration a large Show flow resistance (instead of the suspension you can here and in also present an emulsion below).

Will man diesen Prozeß kontinuierlich gestalten, so muß es das Ziel sein, daß beide Phasen, also die Suspension und die hierzu vergleichsweise niedrig-viskose fluide Phase, mit möglichst definierter Verweilzeit durch den Apparat, in dem der Stoffaustausch stattfindet, transportiert werden. Häufig ist es von Vorteil, daß die Phasen im Gegenstrom oder im Kreuzstrom durch den Stoffaustauschapparat - im folgenden Stoffaustauscher genannt - transportiert werden. Dabei besteht die Gefahr, daß sich in der konzentrierten Suspension Kanäle (Bereiche niedriger Partikelkonzentration) bilden, durch die die fluide Phase bevorzugt hindurchtreten kann, mit der Folge, daß sich der Stoffaustausch beträchtlich verschlechtert.If you want to continuously shape this process, the goal must be that both Phases, i.e. the suspension and the comparatively low-viscous fluids Phase, with the dwell time defined by the apparatus in which the Mass exchange takes place, are transported. It is often advantageous that the Phases in counterflow or crossflow through the mass transfer apparatus - in called following substance exchanger - are transported. There is the Danger of channels (areas lower in the concentrated suspension Form particle concentration) through which the fluid phase preferentially pass can, with the result that the mass exchange deteriorates considerably.

Stoffaustauscher im industriellen Maßstab haben außerdem den Nachteil, daß wegen der großen Suspensionsschichtdicken der Druckverlust für die Durchströmung sehr hoch ist.Mass exchangers on an industrial scale also have the disadvantage that because the large suspension layer thicknesses the pressure loss for the flow very is high.

Die sich daraus ableitenden Forderungen nach einem guten Stoffaustausch bei geringem Druckverlust in einem kontinuierlich arbeitenden Stoffaustauscher werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwirklicht.The resulting demands for a good exchange of materials low pressure loss in a continuously working mass exchanger realized in the device according to the invention.

Die wesentlichen Elemente dieses Stoffaustauschers sind gemäß Fig. 1The essential elements of this mass exchanger are shown in FIG. 1

  • - zwei konzentrisch angeordnete mikroporöse Zylinder 3 und 4, deren poröse Membranen 5 Porendurchmesser haben, die etwas geringer sind als die Durchmesser der kleinsten Partikel der Suspension bzw. kleinsten Tröpfchen der Emulsion 1,two concentrically arranged microporous cylinders 3 and 4 , the porous membranes of which have 5 pore diameters which are slightly smaller than the diameter of the smallest particles of the suspension or smallest droplets of the emulsion 1 ,
  • - radiale Durchströmung der niedrigviskosen fluiden Phase durch die axial wandernde partikuläre bzw. emulgierte Phase 1 (Suspension bzw. Emulsion).- Radial flow through the low-viscosity fluid phase through the axially migrating particulate or emulsified phase 1 (suspension or emulsion).

Vorteilhaft ist zusätzlich, wenn mindestens ein Zylinder rotiert; es können auch beide Zylinder gegeneinander rotieren. It is also advantageous if at least one cylinder rotates; it can both Rotate cylinders against each other.  

Die Dicke des durch die konzentrische Anordnung der Zylinder sich bildenden Ringspaltes ist so gewählt, daß sie einerseits so dünn wie möglich ist, andererseits mindestens so dick, daß sie nicht zur Kanalbildung neigt, d. h. die hochkonzentrierte Suspension an jeder Stelle des Ringspaltes gleichmäßig durchströmt wird. Sie ist damit von der Partikelgröße der Suspension abhängig und bewegt sich zwischen wenigen mm bis zu einigen cm. Dies erlaubt hohe Durchströmungsgeschwindigkeiten der fluiden niedrigviskosen Phase durch die konzentrierte Suspension.The thickness of that formed by the concentric arrangement of the cylinders Annular gap is chosen so that it is as thin as possible on the one hand, on the other hand at least so thick that it does not tend to channel, d. H. the highly concentrated Suspension is evenly flowed through at every point of the annular gap. she is thus depends on the particle size of the suspension and moves between a few mm to a few cm. This allows high flow rates the fluid low-viscosity phase through the concentrated suspension.

Die einfachste Anordnung sieht wie folgt aus:The simplest arrangement looks like this:

Die konzentrierte Suspension 1 wird unter einem gewissen Vordruck und ggf. mittels einer rotierenden Schnecke (in Fig. 2 mit 6 bezeichnet) axial durch den Ringspalt transportiert. Gleichzeitig wird die fluide niedrigviskose Phase 2 radial z. B. gemäß Fig. 1 vom Außenzylinder 3 zum Innenzylinder 4 (oder umgekehrt vom Innen- zum Außenzylinder) mit einem ausreichend hohen Druck durch den Ringspalt und damit durch die konzentrierte Suspension gepumpt. Bei vorgegebener Geometrie des Ringspaltes und den vorgegebenen Eigenschaften von Suspension und fluider Phase ist die Verweilzeit der beiden und damit das Ergebnis des Stoffaustausches unmittelbar von den beiden Vordrucken, nämlich dem der Suspension und dem der fluiden Phase, abhängig und damit auch einstellbar.The concentrated suspension 1 is transported axially through the annular gap under a certain admission pressure and possibly by means of a rotating screw (designated 6 in FIG. 2). At the same time, the fluid low-viscosity phase 2 is radially z. (Or vice versa from the inner to the outer cylinder) is pumped as according to Fig. 1 from the outer cylinder 3 to the inner cylinder 4 with a sufficiently high pressure through the annular gap and thus through the concentrated suspension. Given the geometry of the annular gap and the properties of the suspension and the fluid phase, the dwell time of the two, and thus the result of the mass exchange, is directly dependent on the two forms, namely that of the suspension and that of the fluid phase, and can therefore also be set.

Eine im Einzelfall günstige Variante besteht darin, daß die niedrigviskose fluide Phase durch Umlenkbarrieren 7 mehrfach durch den Ringspalt geleitet wird und dadurch ein quasi Gegenstrombetrieb realisiert werden kann (s. Fig. 3). Außerdem kann auf diese Weise die fluide Phase von dem Zylinder abgeführt werden, dem sie zugeleitet wurde, was eine apparatetechnische Vereinfachung bedeutet.A variant which is favorable in individual cases consists in that the low-viscosity fluid phase is passed through the annular gap several times by deflecting barriers 7 , and quasi-countercurrent operation can thereby be implemented (see FIG. 3). In addition, the fluid phase can be removed in this way from the cylinder to which it was supplied, which means a technical simplification of the apparatus.

Eine partielle axiale Bewegung der fluiden Phase durch den Ringspalt kann erwünscht sein, kann aber auch durch die Verwendung mehrerer Schnecken behindert werden. Schließlich kann die Suspensionskonzentration beim axialen Durchgang durch den Austauschapparat dadurch erhöht werden (also z. B. entwässert werden), daß die Steigung der Schnecke nach oben hin abnimmt.A partial axial movement of the fluid phase through the annular gap may be desirable may be hampered by the use of several snails. Finally, the suspension concentration in the axial passage through the Exchange apparatus can be increased (e.g. dewatered) that the Slope of the snail decreases towards the top.

Im folgenden sollen zwei Beispiele für die Anwendung der Erfindung erläutert werden, und zwar ein Adsorptionsverfahren und ein Extraktionsverfahren.Two examples of the application of the invention are explained below an adsorption process and an extraction process.

Zur Entfernung von organischen Verunreinigungen (z. B. chlorierten Kohlenwasserstoffen; CKW) aus dem Wasser ist aus Kostengründen ein kontinuierliches Verfahren mit hohen Flußraten zu wählen. Als Adsorbermaterial eignen sich besonders Harze hoher Selektivität mit Partikeldurchmessern zwischen 10 µm und 100 µm.To remove organic contaminants (e.g. chlorinated Hydrocarbons; CHC) from the water is on for cost reasons to choose continuous process with high flow rates. As adsorber material Resins of high selectivity with particle diameters between are particularly suitable 10 µm and 100 µm.

Um unter diesen Bedingungen für die Durchströmung des Adsorber-Bettes nicht unwirtschaftlich hohe Drücke aufwenden zu müssen, darf die Betthöhe - im folgenden Schichtdicke genannt - wenige cm (im Idealfall < 1 cm) nicht überschreiten. Wegen der geringen Schichtdicke ist allerdings die Beladungskapazität des Adsorbens sehr schnell erschöpft. Es muß daher kontinuierlich erneuert werden. Die beiden Forderungen der geringen Schichtdicke und der kontinuierlichen Erneuerung des Adsorbens werden erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß es axial durch einen - von zwei porösen Zylindern 3 und 4 gebildeten - Ringspalt transportiert wird und dabei radial vom zu reinigenden Wasser 1 durchströmt wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.In order not to have to apply uneconomically high pressures for the flow through the adsorber bed under these conditions, the bed height - referred to below as the layer thickness - must not exceed a few cm (ideally <1 cm). Because of the small layer thickness, the loading capacity of the adsorbent is exhausted very quickly. It must therefore be renewed continuously. The two requirements of the small layer thickness and the continuous renewal of the adsorbent are realized according to the invention in that it is transported axially through an annular gap - formed by two porous cylinders 3 and 4 - and the water 1 to be cleaned flows through it radially, as shown in Fig is illustrated. 1,.

Der axiale Transport des Adsorbens wird erleichtert, wenn einer der beiden Zylinder rotiert. Die homogene Füllung des Ringspaltes - eine unabdingbare Voraussetzung für einen effektiven Adsorptionsvorgang - kann dadurch verbessert werden, daß gemäß Fig. 2 auf dem rotierenden Zylinder eine Schnecke 6 befestigt ist, die den axialen Transport des Adsorbens unterstützt.The axial transport of the adsorbent is facilitated if one of the two cylinders rotates. The homogeneous filling of the annular gap - an essential prerequisite for an effective adsorption process - can be improved in that, according to FIG. 2, a screw 6 is attached to the rotating cylinder, which supports the axial transport of the adsorbent.

Bei der Extraktion von Aromastoffen aus granuliertem Rohmaterial, z. B. Kakao, Vanillin, Hopfen etc., kommt neben den o. g. Bedingungen erschwerend hinzu, daß die Partikel kompressibel sind. Die Kompression kann erwünscht sein, wenn gleichzeitig gewisse Stoffe (z. B. Öle) aus den Partikeln ausgepreßt werden sollen.In the extraction of flavorings from granulated raw material, e.g. B. cocoa, Vanillin, hops etc. comes in addition to the above. Conditions aggravate that the particles are compressible. Compression may be desirable if at the same time certain substances (e.g. oils) are to be pressed out of the particles.

In diesem Fall kann es von Vorteil sein, wenn die Schnecke 6 in Transportrichtung leicht abnehmende Steigung bzw. Ganghöhe besitzt.In this case it can be advantageous if the screw 6 has a slightly decreasing incline or pitch in the transport direction.

In den Fällen, in denen eine einmalige Passage des Extraktionsmittels nicht ausreicht, bietet sich als besonders günstige Ausführung eine mehrfache Umlenkung des Extraktionsmittels gemäß Fig. 3 an. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Extraktionsmittel quasi im Gegenstrom zum Granulat bzw. der hochkonzentrierten Partikelsuspension geführt wird. Ein gewisser Anteil an axialer statt rein radialer Strömung ist dabei durchaus erwünscht.In those cases in which a single passage of the extracting agent is not sufficient, multiple redirection of the extracting agent according to FIG. 3 is particularly advantageous. This has the additional advantage that the extractant is guided in countercurrent to the granulate or the highly concentrated particle suspension. A certain proportion of axial instead of purely radial flow is quite desirable.

Bezüglich der Porendurchmesser der Zylinder ist festzustellen, daß sie selbstverständlich deutlich kleiner als die Partikeldurchmesser sind, die bei der oben beschriebenen Extraktion zwischen 100 µm und wenigen mm betragen.Regarding the pore diameter of the cylinders it should be noted that they of course, are significantly smaller than the particle diameter, which in the above extraction described between 100 microns and a few mm.

Die Zylinder müssen aus verschleißfestem Material sein und können bei entsprechender Ausführung auch gekühlt bzw. beheizt werden.The cylinders must be made of wear-resistant material and can corresponding design can also be cooled or heated.

Claims (5)

1. Verfahren zum Stoffaustausch zwischen einer heterogenen Phase 1 (feinkörnige Schüttung, Suspension oder Emulsion) und einer hierzu vergleichsweise niedrigviskosen fluiden Phase 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heterogene Phase axial durch einen von mikroporösen Wänden bzw. Membranen 5 begrenzten Ringspalt bewegt wird und die niedrigviskose fluide Phase gleichzeitig senkrecht dazu, also radial, die porösen Wände und die heterogene Phase durchströmt.1. A process for mass transfer between a heterogeneous phase 1 (fine-grained bed, suspension or emulsion) and a fluid phase 2 , which is comparatively low-viscosity, characterized in that the heterogeneous phase is moved axially through an annular gap 5 delimited by microporous walls or membranes and the low-viscosity fluid phase simultaneously perpendicular to it, i.e. radially, flows through the porous walls and the heterogeneous phase. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt von zwei aus Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen bestehenden Zylindern gebildet wird, von denen mindestens einer sich dreht.2. The method according to claim 1, characterized in that the annular gap of two cylinders made of micro or ultrafiltration membranes is formed, at least one of which rotates. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Phase in ihrer Radialbewegung ein- oder mehrmals umgelenkt wird, so daß sie den Ringspalt mehrfach passiert.3. The method according to claim 1, characterized in that the liquid phase in its radial movement is deflected one or more times, so that it Annular gap happened several times. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ringspalt von zwei porösen Zylindern gebildet wird, von denen sich mindestens einer dreht und die Zylinder axial versetzt Umlenkbarrieren (5) aufweisen.4. Device for performing the method according to claim 3, characterized in that the annular gap is formed by two porous cylinders, of which at least one rotates and the cylinders have axially offset deflection barriers ( 5 ). 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der beiden Zylinder ein oder mehrere Schnecken dergestalt befestigt sind, daß sie den Axialtransport der Suspension unterstützen und den der niedrigviskosen fluiden Phase behindern.5. Device for performing the method according to claims 2 and 3, characterized in that one or. On one of the two cylinders several screws are attached so that they are the axial transport of the Support suspension and hinder that of the low-viscosity fluid phase.
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