Abtrennvorrichtung für Destillations-, Extraktions-, Absorptions- oder Austauschverfahren
Die Erfindung betrifft eine Abtrennvorrichtung, in welcher mindestens ein Stoff dadurch mindestens teilweise von einer Phase in eine andere Phase übergeführt wird, dass er sich nach Durchströmung der Vorrichtung in geänderter Konzentration auf diese zwei eingeführten Phasen verteilt.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise für Destillations-, Extraktions-, Absorptions- und Austauschverfahren (z. B. zur Anreicherung einer Phase an einem Isotop) benötigt. Bei allen diesen Verfahren ist es zur Erzielung eines raschen und guten Austausches erforderlich, die zu mischenden Phasen in einen innigen Kontakt miteinander zu bringen. Zur Förderung der Phasen, die bekanntlich entweder im Gegen- oder Gleichstrom geführt werden, sind, soweit z. B. bei der Destillation zur Förderung nicht eine Temperaturdifferenz für die dampfförmige Phase und die Schwerkraft für die flüssige Phase benutzt wird, ausserdem zusätzlich Pumpen erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in nur einem Konstruktionselement die folgenden drei erforderlichen Verfahrensschritte für eines der oben genannten Verfahren durchzuführen, nämlich intensive Durchmischung der Phasen für den
Austausch,
Erzeugung einer Druckdifferenz für die För derung der Phasen sowie eine Drallerzeugung für die Trennung der
Phasen nach erfolgter Durchmischung.
Nach der Erfindung ist die Abtrennvorrichtung derart ausgebildet, dass in der Vorrichtung mittels auf einer angetriebenen Welle angeordneter Strömungsflügel in einem Mischraum eine Durchmischung der in diesen Raum eingeführten Phasen und eine zur Förderung dienende Druckdifferenz erzeugt werden, wobei ausserdem dem Gemisch in der Weise ein Drall vermittelt wird, dass in einem anschliessenden Abscheideraum die Phasen erneut getrennt und aus der Vorrichtung weggeführt werden können.
Es bestehen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für die Abtrennvorrichtung. Zum Beispiel kann durch ein als Kranz von Strömungsflügeln ausgebildetes Laufrad sowohl die Durchmischung der eingeführten Phasen bewirkt, wie die zur Förderung dienende Druckdifferenz erzeugt werden, wobei ausserdem dem Gemisch zur anschliessenden erneuten Trennung der Phasen ein Drall vermittelt wird. Es kann auch zweckmässig sein, mehrere Laufräder auf der Welle anzuordnen, wobei ein Laufrad zur Durchmischung der Phasen und ein weiteres Laufrad zur Erzeugung einer Druckdifferenz dient, welch letzteres gleichzeitig dem Gemisch einen Drall vermittelt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind an dem Mischraum tangential Zuleitungen für die gegenläufig zur Drehung der Strömungsflügel erfolgende Zuführung der Phasen angeschlossen und weiterhin die Zuführungskanäle für die Phasen im Mischraum derart ausgebildet, dass die Zuführung radial von aussen nach innen - in Gegenrichtung zu der von den Strömungsflügeln auf das Gemisch ausgeübten Zentrifugalkraft - erfolgt. Auch kann es zweckmässig sein, zur Erzielung einer guten Durchmischung die spezifisch schwerere Phase in Achsnähe zuzuführen, während die leichtere Phase am Rande des Mischraumes eingeführt wird.
Um schon eine Durchmischung einer flüssigen und gas- bzw. dampfförmigen Phase vor ihrem Eintritt in den Mischraum einzuleiten, kann es zweckmässig sein, die Flüssigkeitsleitung in die Gaszuführungsleitung vor deren Anschluss an den Mischraum einzuführen. In der Vorrichtung ist zum Antrieb der Welle vorteilhaft ein gekapselter Elektromotor eingebaut, in dessen Gehäuse Schutzgas eingeleitet wird, dessen Druck mindestens so gross wie der Druck im Mischraum ist. Wird in den Mischraum ein nicht korrodierendes Gas eingeleitet, so ist es zweckmässig, das gleiche Gas als Schutzgas für den Motor zu verwenden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann vorteilhaft für Austauschreaktionen benutzt werden, z. B. bei den sogenannten Heiss-Kalt-Verfahren. Bei diesen Verfahren wird bekanntlich zur Anreicherung des schwereren Isotops (z. B. bei Wasserstoff des Deu- teriums) die Temperaturabhängigkeit des Austauschgleichgewichtes benutzt (z. B. Austauschgleichgewicht zwischen Wasserstoff und Ammoniak, Wasserstoff und Wasser oder Wasserstoff und Schwefetwasser- stoff).
Weiterhin kann die Vorrichtung nach der Erfindung auch zur Durchführung von Detillationen benutzt werden, wobei eine Vorrichtung einem theoretischen Trennboden in einer Destillationskolonne entsprechen kann. Anstelle einer mittels Füllkörper bzw. Glockenböden oder dergleichen bewirkten Durchmischung bei den bekannten Kolonnen, wird bei der Erfindung die Mischung der dampfförmigen und flüssigen Phase im Mischraum der Vorrichtung mittels rotierender Strömungsflügel bewirkt. Anstelle der in der bekannten Kolonne durch Temperaturdifferenz bzw. Schwerkraft bewirkten Förderung der Phasen erfolgt die Förderung bei der Erfindung durch ein Laufrad in der Vorrichtung, welches gleichzeitig zur erneuten Trennung des Gemisches in die einzelnen Phasen dient.
Zusätzlich müssen selbstverständlich bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung für Destillationen Kondenser zur Erzeugung des Rücklaufes und Verdampfer zur Erzeugung der dampfförmigen Phase angeordnet sein. Jedoch kann bei Verwendung der Trennvorrichtung ein grosser Durchsatz erzielt werden, da die Trennvorrichtung infolge der mechanischen Trennung der Phasen hoch belastbar ist.
Auch bei Extraktionsverfahren, bei welchen ein bestimmter Anteil aus flüssigen Substanzgemischen mit Hilfe geeigneter Lösungsmittel extrahiert wird, z. B. Uranexraktion aus einer wässrigen Lösung mittels Äther, kann die Abtrennvorrichtung vorteilhaft benutzt werden.
Ebenso kann sie zur Durchführung von Gasabsorptionen dienen, bei welchen bekanntlich Gase von Flüssigkeiten aufgenommen werden (z. B. Auswaschung von Kohlendioxyd aus Synthesegas). Auch für Waschvorgänge, z. B. die Abtrennung von Stauboder anderen festen Verunreinigungen eines Gases mittels einer Waschflüssigkeit kann die Abtrennvor-richtung nach der Erfindung verwendet werden. Die vorgenannten Anwendungsbeispiele stellen selbstverständlich nur eine Auswahl von Verwendungsmög.- lichkeiten für die Abtrennvorrichtung dar, die allgemein dann angewendet werden kann, wenn durch Mischung von mindestens zwei Phasen mindestens ein Stoff teilweise von einer in eine andere Phase übergeführt werden soll.
Bei Anwendung der Erfindung auf eine von zwei Phasen durchströmte Anlage werden erfindungsgemäss mehrere Abtrennvorrichtungen in Serie geschaltet. Eine Ausführungsform einer Abtrennvorrichtung nach der Erfindung ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung Serienschaltungen von je drei Abtrennvorrichtungen für Anlagen zur Durchführung von Gleichbzw. Gegenstromverfahren.
Der Aufbau und die Wirkungsweise einer Abtrennvorrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 1 erläutert.
Die Vorrichtung 1 enthält als wesentliche Bestandteile einen Mischraum 2, an welchem Zuführungsleitungen 3 und 4 zur Einführung von zwei Phasen (im Ausführungsbeispiel eine flüssige und eine gas- bzw. dampfförmige Phase) angeschlossen sind, ein Laufrad 5, welches am Ende des Mischraumes auf einer von einem gekapselten Elektromotor 6 angetriebenen Welle 7 angebracht ist, einem auf dieser Welle angeordnetem Laufrad 8 im Mischraum sowie einem Abscheideraum 9, an welchem eine Leitung 10 zur Abführung der flüssigen Phase angeschlossen ist.
Zur Ableitung der gasförmigen Phase ist in den Abscheideraum eine Leitung 11 geführt, welche an ihrem oberen Ende einen glockenförmigen Körper 12 trägt und die selbst mit Einlassöffnungen 13 versehen ist. Weiterhin ist an dem Gehäuse des Antriebsmotors 6 eine Zuführungsleitung 14 für Schutzgas angeschlossen. Im Motorgehäuse ist ausserdem eine Schmiermittelpumpe 15 angeordnet, welche für die Schmierung des oberen der beiden Lager 16 sorgt.
Mittels der Stopfbüchse 17 sind Motorgehäuse und Mischraum gegeneinander abgedichtet.
Die Betriebsweise der Vorrichtung ist die folgende:
Die zu mischenden Phasen strömen durch die Leitungen 3 und 4 tangential in die Mischkammer 2 und gelangen von dort in das - vorteilhaft gegenläufig - rotierende Laufrad 8, durch welches eine gute Durchwirbelung der Phasen erfolgt. Das Laufrad ist hierbei derart ausgebildet, dass der entgegengesetzte Effekt, der bei den üblichen Strömungsmaschinen bewirkt werden soll, erreicht wird. Muss nämlich bei Strömungsmaschinen für eine praktisch stossfreie Einführung des strömenden Mediums gesorgt werden, so solid im Gegensatz hierzu durch das Laufrad im Mischraum eine gute Durchmischung der in den Mischraum eingeführten Phasen erzeugt werden, wobei Stösse vom Laufrad auf die eingeleiteten Phasen zu einer wirksamen Durchmischung beitragen.
Sollte es zur Erzielung einer guten Durchmischung zweckmässig sein, können auch mehrere Räder auf der Welle angeordnet werden. Im Mischraum finden zwischen den eingeführten Phasen die Austauschreaktionen statt, durch welche mindestens ein Stoff der einen Phase mindestens teilweise in eine andere Phase übergeführt wird.
Unmittelbar anschliessend an die erfolgte Reaktion in der Mischkammer wird das Gemisch vom Laufrad 5 erfasst und in den Abscheideraum 9 ge schleudert. Durch den vom Laufrad auf das Gemisch bewirkten Drall wird dieses wieder in die verschiedenen Phasen zerlegt. Gleichzeitig erzeugt das Laufrad die für die Förderung der Phasen erforderliche Druckdifferenz.
Die flüssige Phase fliesst als Film am Innenmantel des Abscheideraumes nach unten und kann durch die Leitung 10 z. B. einer weiteren Abtrennvorrichtung zugeführt werden, während die gasförmige Phase durch den Glockenkörper 12 in die Abströmleitung 11 geleitet wird.
Anstelle der beiden Laufräder 5 und 8 im Ausführungsbeispiel kann auch nur ein Laufrad auf der Welle angebracht sein, welches durch entsprechende Formgebung sowohl zur Durchmischung der Phasen, als auch zur Erzeugung einer Druckdifferenz für die Förderung dient.
In Fig. 2 ist eine Serienschaltung von drei Abtrennvorrichtungen la, lb, lc zur Durchführung eines Gleichstromverfahrens dargestellt. Derartige Serienschaltungen wird man dann anwenden, wenn zur Einstellung des Reaktionsgleichgewichtes eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch Hintereinanderschaltung von mehreren Vorrichtungen erwünscht ist. Im dargestellten Beispiel werden eine flüssige und eine gasförmige Phase zum Austausch gebracht, wobei die gasförmige Phase durch eine Leitung 20a in die Vorrichtung la strömt, von hier durch eine Leitung 20b in die Vorrichtung lb und von hier durch eine Leitung 20c in die Vorrichtung 1 c, aus welcher das Gas durch eine Leitung 20d weggeführt wird.
Im Gleichstrom dazu wird eine flüssige Phase durch entsprechende Leitungen 21 a, 21 b, 21c durch die Vorrichtungen la, lb, lc geleitet und schliesslich durch eine Abströmleitung 21d aus der letzten Vorrichtung weggeführt.
Fig. 3 zeigt ebenfalls ein Ausführungsbeispiel für eine Serienschaitung für drei Abtrennvorrichtungen la, lb, lc, welche jedoch zur Durchführung eines Gegenstromverfahrens-wie es z. B. in einer Rektifiziervorrichtung durchgeführt wird - dienen. Die gasförmige Phase wird dabei durch eine Leitung 23a in die dritte Vorrichtung lc geführt, von hier durch eine Leitung 23b in die nächste, zweite Vorrichtung lb und mittels einer Leitung 23c in die erste Vorrichtung la, aus welcher das Gas mittels einer Leitung 23d weggeführt wird.
Im Gegenstrom zur gasförmigen Phase wird die flüssige Phase mittels der Leitungen 22a, 22b, 22c nacheinander durch die Vorrichtungen la, lb und lc geführt, in welchen sie mit der gasförmigen Phase in Stoffaustausch gebracht und schliesslich aus der Vorrichtung lc mittels einer Leitung 22d weggeführt wird. Ein besonderer Vorteil der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltung von mehreren Abtrennvorrichtungen liegt in der Möglichkeit einer Aufstellung der Vorrichtungen nebeneinander, so dass im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen z. B. Rektifiziersäulen, eine beträchtliche Einsparung an Raumhöhe erzielt werden kann.
Separation device for distillation, extraction, absorption or exchange processes
The invention relates to a separation device in which at least one substance is at least partially transferred from one phase to another phase in that, after flowing through the device, it is distributed in a changed concentration over these two introduced phases.
Such devices are required, for example, for distillation, extraction, absorption and exchange processes (e.g. for the enrichment of a phase on an isotope). In all of these processes, in order to achieve a quick and good exchange, it is necessary to bring the phases to be mixed into intimate contact with one another. To promote the phases, which are known to be performed either countercurrent or cocurrent, are, as far as z. B. not a temperature difference for the vapor phase and gravity for the liquid phase is used in the distillation to promote, also additional pumps are required.
The invention is based on the object of carrying out the following three necessary process steps for one of the above-mentioned processes in just one construction element, namely intensive mixing of the phases for the
Exchange,
Generation of a pressure difference for the promotion of the phases and a swirl generation for the separation of the
Phases after mixing.
According to the invention, the separation device is designed in such a way that in the device, by means of flow vanes arranged on a driven shaft, a mixing of the phases introduced into this space and a pressure difference serving for conveying are generated in a mixing space, whereby a swirl is also imparted to the mixture in this way is that in a subsequent separation room the phases can be separated again and removed from the device.
There are various possible designs for the separating device. For example, an impeller designed as a ring of flow vanes can both mix the introduced phases and generate the pressure difference used for conveying, with the mixture also being given a swirl for the subsequent renewed separation of the phases. It can also be expedient to arrange several impellers on the shaft, one impeller serving to mix the phases and another impeller to generate a pressure difference, the latter simultaneously imparting a twist to the mixture.
In an advantageous embodiment, feed lines for the supply of the phases in the opposite direction to the rotation of the flow vanes are connected to the mixing space, and the supply channels for the phases in the mixing space are designed in such a way that the supply is radially from the outside inwards - in the opposite direction to that of the flow vanes centrifugal force exerted on the mixture - takes place. It can also be expedient to add the specifically heavier phase near the axis to achieve good mixing, while the lighter phase is introduced at the edge of the mixing chamber.
In order to initiate thorough mixing of a liquid and gaseous or vapor phase before it enters the mixing space, it can be expedient to introduce the liquid line into the gas supply line before it is connected to the mixing space. To drive the shaft, an encapsulated electric motor is advantageously built into the device, into the housing of which protective gas is introduced, the pressure of which is at least as high as the pressure in the mixing chamber. If a non-corrosive gas is introduced into the mixing chamber, it is advisable to use the same gas as a protective gas for the motor.
The inventive device can advantageously be used for exchange reactions, for. B. in the so-called hot-cold process. In these processes, as is well known, the temperature dependence of the exchange equilibrium is used for the enrichment of the heavier isotope (e.g. in the case of hydrogen in the deuterium) (e.g. exchange equilibrium between hydrogen and ammonia, hydrogen and water or hydrogen and hydrogen hydrogen).
Furthermore, the device according to the invention can also be used to carry out detillations, in which case a device can correspond to a theoretical separation tray in a distillation column. Instead of mixing brought about by means of packing or bubble trays or the like in the known columns, in the invention the mixing of the vaporous and liquid phases in the mixing space of the device is effected by means of rotating flow vanes. Instead of the promotion of the phases caused in the known column by temperature difference or gravity, the promotion in the invention takes place through an impeller in the device, which at the same time serves to separate the mixture again into the individual phases.
In addition, of course, when the device according to the invention is used for distillations, condensers for generating the reflux and evaporators for generating the vaporous phase must be arranged. However, when using the separating device, a high throughput can be achieved, since the separating device can withstand high loads due to the mechanical separation of the phases.
Even in extraction processes in which a certain proportion is extracted from liquid substance mixtures with the help of suitable solvents, e.g. B. uranium extraction from an aqueous solution by means of ether, the separation device can be used advantageously.
It can also be used to carry out gas absorptions, in which, as is known, gases are absorbed by liquids (e.g. washing out of carbon dioxide from synthesis gas). Also for washing processes, e.g. B. the separation of dust or other solid contaminants of a gas by means of a scrubbing liquid, the separation device can be used according to the invention. The aforementioned application examples are of course only a selection of possible uses for the separation device, which can generally be used when at least one substance is to be partially converted from one phase to another by mixing at least two phases.
When applying the invention to a system through which two phases flow, a plurality of separation devices are connected in series according to the invention. An embodiment of a separating device according to the invention is shown in FIG. 1 of the drawing.
2 and 3 show a schematic representation of series connections of three disconnection devices for systems for carrying out equal or. Countercurrent process.
The structure and mode of operation of a separation device is explained below with reference to FIG.
The device 1 contains as essential components a mixing space 2, to which supply lines 3 and 4 for the introduction of two phases (in the exemplary embodiment a liquid and a gas or vapor phase) are connected, an impeller 5, which at the end of the mixing space on a is attached by an encapsulated electric motor 6 driven shaft 7, an impeller 8 arranged on this shaft in the mixing space and a separation space 9 to which a line 10 is connected for discharging the liquid phase.
In order to discharge the gaseous phase, a line 11 is led into the separation space, which has a bell-shaped body 12 at its upper end and which itself is provided with inlet openings 13. Furthermore, a supply line 14 for protective gas is connected to the housing of the drive motor 6. In addition, a lubricant pump 15 is arranged in the motor housing, which ensures the lubrication of the upper of the two bearings 16.
The motor housing and mixing chamber are sealed from one another by means of the stuffing box 17.
The operation of the device is as follows:
The phases to be mixed flow tangentially through the lines 3 and 4 into the mixing chamber 2 and from there pass into the - advantageously counter-rotating - rotating impeller 8, through which the phases are thoroughly swirled. The impeller is designed in such a way that the opposite effect to that which is to be brought about in conventional turbomachines is achieved. In turbo machines, if the flowing medium has to be introduced practically without bumps, in contrast to this, the impeller in the mixing chamber produces good mixing of the phases introduced into the mixing chamber, with impacts from the impeller on the introduced phases contributing to effective mixing .
If it is useful to achieve good mixing, several wheels can also be arranged on the shaft. The exchange reactions take place in the mixing space between the introduced phases, by means of which at least one substance of one phase is at least partially converted into another phase.
Immediately after the reaction has taken place in the mixing chamber, the mixture is captured by the impeller 5 and thrown into the separation chamber 9. The swirl caused by the impeller on the mixture breaks it down again into the various phases. At the same time, the impeller generates the pressure difference required to convey the phases.
The liquid phase flows downward as a film on the inner jacket of the separation chamber and can pass through line 10, for. B. be fed to a further separation device, while the gaseous phase is passed through the bell body 12 into the discharge line 11.
Instead of the two impellers 5 and 8 in the exemplary embodiment, only one impeller can be attached to the shaft, which, through appropriate shaping, serves both to mix the phases and to generate a pressure difference for the conveyance.
In Fig. 2, a series circuit of three separation devices la, lb, lc is shown for performing a direct current method. Such series connections are used when an improvement in the efficiency by connecting several devices in series is desired in order to set the reaction equilibrium. In the example shown, a liquid and a gaseous phase are exchanged, the gaseous phase flowing through a line 20a into the device la, from here through a line 20b into the device lb and from here through a line 20c into the device 1c from which the gas is led away through a line 20d.
In parallel with this, a liquid phase is conducted through corresponding lines 21 a, 21 b, 21 c through the devices 1 a, 1 b, 1 c and finally carried away from the last device through an outflow line 21 d.
Fig. 3 also shows an embodiment for a series connection for three disconnection devices la, lb, lc, which, however, are used to carry out a countercurrent process - as is e.g. B. is carried out in a rectifying device - serve. The gaseous phase is conducted through a line 23a into the third device lc, from here through a line 23b into the next, second device lb and through a line 23c into the first device la, from which the gas is conducted away through a line 23d .
In countercurrent to the gaseous phase, the liquid phase is guided successively through the devices la, lb and lc by means of lines 22a, 22b, 22c, in which it is brought into mass transfer with the gaseous phase and finally carried away from the device lc by means of a line 22d . A particular advantage of the circuit of several disconnection devices shown in FIGS. 2 and 3 is the possibility of setting up the devices next to one another so that, in contrast to known devices, for. B. rectifying columns, a considerable saving in height can be achieved.