-
Verfahren und Vorrichtung zur stetigen Trennung von Flüssigkeits-oder
Gasgemischen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stetigen
Trennung von Flüssigkeits-oder Gasgern,ischen durch wiederholtes H i ndurchleiten
des Gemischstromes durch Entmi schungselernente.
-
Es ist bekannt, Gasgemische durch eine Reihe von Entmischungselementen,
die mit porösen Membranen ausgerüstet sind, zu führen und die Trennung vorzugsweise
durch Diffusion vorzunehmen. Die porösen Diffusionswände sind meist subtile Geb,ilde,
die sich insbesonldere bei der Trennung von F lüs s gkeitsgemischen leicht verstopfen
und verändern können. Für die Trennung thermisch instabiler Systeme ist die Thermodiffusion
nicht brauchbar.
-
Es wurde nun gefunden, daß eine isotherme Trennung von Gas- oder
Flüssigkeitsgemischen, auch von kolloiden Mischungen und Lösungen, Schmelzen od.
dgl. unter Vermeidung von Diffusionswänden möglich ist, wenn man die Trennung in
engen Leitungen ausschließlich durch die Herstellung eines Geschwindigkeitsgefälles
vornimmt.
-
Erfindungsgemäß wird der durch die Trennelemente in laminarer Strömung
geförderte Gemischstrom an deren Austrittsenden jeweils in einen Kern- und in einen
Randstrom aufgeteilt, und anschließend werden Kern- und Randstrom gesondert entnommen
und die Teilströme als Mischungskomponenten für die in großer Zahl angeordneten
Trennelemente verwendet, derart, daß jeder durch eine Entmischung jeweils mit der
einen Komponente angereicherten Teilstrom als Mischungskomponente in eine Mischkammer
des nächstfolgenden Elementes gefördert wird und daß der mit der anderen Komponente
angereicherte Telilstrom jeweils als Mischungskomponente in eine Mischkammer des
nächstvorhergehenden Elementes geleitet w;ird und dieser Zyklus gegebenenfalls bis
zur völligen Trennung und separaten Entnahme der beiden Komponenten fortgesetzt
wird.
-
Der Entmischungseffekt hängt von de!r Steilheit der 6Xnderung der
Viskosität mit der Konzentration, vom Diffusionskoeffizienten, der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
und dem Radius der Kapillare ab.
-
Merkbare Effekte sind insbesondere bei Größenunterschieden der Viskositätswerte
der reinen Komponenten zu erwarten.
-
Es wurde beispielsweise festgestellt, da.ß beim Durchströ,men eines
Gemisches von Stickstoff und Wasserstoff in einem Verhältnis 50:50 durch ein Kapillarrohr
von 150 cm Länge und 2 mm innerem Durchmesser mit einer mittleren Geschwindigkeit
von 25 cm/sec am Ausgang des Kapillarrohres in der Randzone des Kapillarrohres etwa
0,3 0/o mehr Wasserstoff enthalten ist als in der am Eintritt des Kapillarrohres
einströmenden Mischung. Zuckerlösungen und Glycerin-Wasser-Gemi.sche haben experimentell
Entmischungseffekte von gleicher Größenordnung ergeben. Die zu entmischenden Stoffe
können aus einem Vorratsgefäß direkt in die Kapillarrohre geleitet werden, sie können
aber auch mittels einer geeigneten Mischvorrichtung oder in einen Mischraum vor
ihrem Eintritt in die Kapillarrohre aus Komponenten gemischt werden.
-
Die Einführung der Teilströme (Kernstrom einerseits und Randstrom
andererseits) in die Mischraum mer vor den Kapillarrohren und die Entnahme der Teilströme
aus den Kapi.llarrohren erfolgt kontinuierlich.
-
Die Vorrichtung für Trennaggregate zur Ausübung des Verfahrens besteht
aus einer Anzahl Trennele deuten und ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes Trennelement
aus einem Mischraum, einer daran anschließenden engen Leitung, beispielsweise einem
Kapillarrohr, einer am Austrittsende des Kapillarrohres angeordneten Vorrichtung
zur Aufteilung des Kapillarstromes in einen Kern- und Randstrom und Entuahmeleitungen
der Teilströme bestehen, daß die an der jeweiligen Aufteilvorrichtung abgezweigten
Teilstrornleitungen unter Zwischenschaltung von Pumpen oder gegebenenfalls Rückschlagvent.ilen
jeweils in die Mischräume von zwei dem Ausgangskapillarrohr benachbarten Kapillarrohren
einmünden und jeweils die beiden vom Mischstrom der entsprechend angereicheften
Teilströme zuletzt durchfiossenen Kapillarrohre mit Zapfstellen für die Treunstoffe
ausgestattet sind.
-
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zu.r
Ausübung des Verfahrens schematisch dargestellt.
-
Abb. 1 zeigt ein einzelnes Trennelement, bestehend aus Mischkammer,
Kapillarrohr und Entnahmesonde, Abb. 2 eine Entnahmesonde als Aufteilungsvorrichtung
für die Teilströme,
Abb. 2 a und 2 b zeigen abgeänderte Ausführungsformen
einer derartigen Aufteilungsvorrichtung; Abb. 3 stellt eine Mischkammer dar; Abb.
4 zeigt eine Zusammenschaltung mehrerer Trennelemente, die parallel zueinander angeordnet
sind.
-
Das einzelne Trennelement besteht aus dem Kapillarrohr 1, der Mischkammer
2 und der Entnahmesonde 3. Letztere gestattet es, den durch das Kapillarrohr 1 in
Pfeilrichtung fließenden laminaren Strom in einen Kernstrom und einen Randstrom
aufzuteilen.
-
Der Kern strom wird durch die Leitung 4 und der Randstrom durch die
Leitung 5 abgeführt. In die beiden abgehenden Leitungen 4 und 5 sind Förderpumpen
6 eingeschaltet, vorzugsweise Zahnradpumpen, die eine genaue Regelung des entnommenen
Mengenverhältnisses zulassen (Dosierpumpen). Es genügt jedoch auch, nur in eine
der beiden Leitungen, vorzugsweise in die Leitung für die Randzone, eine Pumpe einzuschalten,
falls für einen Einlauf am Beginn des Kapillarrohres gesorgt ist. Am Eingang des
Kapillarrohres wird der zu entmischende Stoff in die Kammehr 2 eingeführt. Der Stoff
liegt entweder von vornherein als Gemisch vor, z. B. als Lösung oder Schmelze, oder
es werden einzelne Stoffkomponenten in die Kammer 2 eingeführt, wie z. B. in Abb.
1 durch die Pfeile 7 und 8 angedeutet ist. Das Gemisch kann auch durch ein geeignetes
Mischventil aus den Komponenten, z. B. Gasen, an dieser Eingangsstelle zum Kapillarrohr
erst hergestellt werden. Naturgemäß muß anfangs immer die Mischung vorliegen. Die
Vo,rschaltung einer besonderen Mischkammer wird erst dann notwendig, wenn man mehrere
Kapillaren zusammenfügt und demgemäß die Ströme aus den beiden benachbarten Kammern,
gegebenenfalls mit dem zufließenden Gemisch, einführen muß.
-
Der Begriff Kapillare oder Kapillarrohr bedeutet keinesfalls eine
Festlegung auf außerordentlich kleine Durchmesser. Bei Gasen und hohen Strömungen
kann die Kapillare länger sein und einen größeren Durchmesser haben, bei Flüssigkeiten
ist sie zweckmäßig lang und eng zu wählen. Die Länge der Kapillare richtet sich
danach, wie groß die Diffusionskonstante ist, damit während der Durclifließzeit
die Gleichgewichtseinstellung erreicht werden kann.
-
Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform der Entnahmesonde3, die beispieelsweilse
als ein in das Innere des Kapillarrohres 1 hineinragendes, sehr dünnes Rohr 9 von
besonders geringer Wandstärke ausgebildet ist.
-
Durch das Rohr 9 wird der Kernstrom abgeleitet, durch das Rohr 10
der Randstrom des Kapillarrohrstromes. Zweckmäßig erhält das Kapillarrohr 1 an seinem
Ende eine Aufweitung 11, wie in Abb. 2a dargestellt ist. Eine andere Ausführungsform
der Entnahmiesonde ist in Abb. 2b gezeigt. Hier sind Kapillarmhr 1 und Sondenrohr
9 durch einen Ringspalt 13 voneinander getrennt. Die Entnahme des Randstromes erfolgt
durch den Ringspalt 13. Wichtig ist, daß gemäß den Kenntnissen über die Turbulenzentstehung
dafür gesorgt wird, daß kein Umschlag der laminaren. in die turbulente Strömung
erfolgt, ehe die beiden Stromzweige getrennt sind.
-
Abb 3 gibt eine mögliche Ausführungsform einer vor das Kapillarrohr
geschalteten Mischkammer an, we sie sich bei Gasgemischen gewährt hat. Die beiden
Gaskomponenten strömen aus zwei einander gegenüberstehenden Düsen 14 und 15 und
verwirbeln im Vorratsgefäß 16 zu homogener Mischung, die dann in das Kapillarrohr
1 hineinfließt.
-
In Abb. 4 ist ein Trennaggregat dargestellt, das aus fünf in Abb.
1 beschriebenen Finzelelementen auf-
gebaut ist. Die Kapillarrohre sind mit 1a, 1b,
1C, la und le bezeichnet. Die Einzelelemente sind parallel zueinander angeordnet,
wobei jeweils der Mischkammer 2 des einen Kapillarrohres die Entnahmesonde 3 des
benachbarten Kapillarrohres gegenüberliegt. Die Kernstromleitungen 4 und d.ie Randstromleitungen
5 sind prinzipiell derart geschaltet, daß die Kernstromleitungen 4 jeweils in den
Mischraum 2 des dem Ausgangskapillarrohr nächstfolgenden Kapillarrohres und die
Randstromleitungen 5 jeweils in den Mischraum 2 des dem Ausgangskapillarrohr nächst
vorhergehenden Ka.pillarrohres einmünden.
-
Auf diese Weise strömen in jeden Mischraum 2 jeweils der Kernstrom
4, der dem vorhergehenden Kapillarrohr entnommen wird, und der Randstrom 5, der
aus dem nächstfolgenden Kapillarrohr zurückgeführt wird, zusammen. Eine Ausnahme
bilden die beiden äußersten Kapillarrohre la und 1e. Beim untersten Kapillarrohr
1e wird der Randstrom durch die Leitung 23 wieder in den Mischraum desselben Kapillarrohres
und beim obersten Kapillarrohr 1a wird der Kernstrom durch die Leitung 24 wieder
in den Mischraum 2 des Ausgangsrohres 1a zurückgeführt.
-
In den Mischraum des mittleren Kapillarrohres 1C wird der zu entinischende
Stoff bei 18 eingeführt. Da man es in der Hand hat, beliebig viele Einzelelemente
gemäß Abb. 1 zu einem Trennaggregat der beschide benen Art zusammenzufassen, kann
der Umlaufzyklus von Kern- und Randstrom beliebig oft wiederholt werden.
-
Ein solches geschlossenes System, bei dem gege benenfalls ein Teil
der Förderpumpen 6 gemäß Abb. 4 durch Rückschlagventile 17 ersetzt werden kann,
damit die erforderliche Strömungsrichtung der Zyklen garantiert ist, ist in der
Lage, im Laufe der Zeit die beiden verschiedenen Komponenten des bei 18 eingeführten
Gas- oder Flüssigkeitsgemisches oder der Lösung oder Schmelze um untersten und obersten
Kapillarrohr gemäß einem Multiplikationsverfahrens bis zu einem Gleichgewicht anzureichern.
Bei Verwendung einer ausreichend großen Zahl von Einzelelementen in der beschriebenen
Weise kann die Anreicherung der entsprechenden Komponententeilströme bis zur reinen
Trennung des bei 18 eingeführten Geionisches in seine Komponenten ergeben. Die gestreckt
gezeichneten Kapillaren können aus Raumgründen auch als Spiralen aufgewickelt sein.
-
Man wird zur Erzielung einer kontinuierlichen Trennung an demjenigen
Kapillarrohr in der Nähe der Mitte der Kapillarrohrreihe, an der sich dieselbe Konzentrationleinstellt,
wie sie dile Ausgangsmischung besitzt, diese Ausgangsmilschung zusätzlich zu den
beiden Zuläufen aus den Nachbarkapillaren zuführen.
-
An den beiden Endkapillaren wird ebenfalls kontinuierlich aus der
Keruzone bzw. der Randzone die gleiche Masse an getrennten Komponenten entnommen.
Aus der Leitung 19 wird mittels der Pumpe 21 di.e im Kernstrom angereicherte Komponente
und aus der Leitung 20 mittels der Pumpe 22 die im Randstrom angereicherte Komponente
weggefördert.
-
Bei 18 zugeführte und bei 19 bzw. 20 abgenommene Ströme dürfen nur
einen Bruchteil derjenigen Mengen betragen, die in den einzelnen Zyklen dauernd
im Kreis strömen, damit die Trennwirkung hoch bleibt.
-
Daher wird die Entnahme der Komponenten zweckmäßig durch Pumpen 21
bzw. 22 geregelt, die einen Bruchteil der umströmenden Menge abnehmen, während das
Einbringen bei 18 mit Überdruck geschiebt Im übrigen lassen sich auch an den Stellen
der Rückschlagventile 17 Förderpumpen einbauen,
wenn dafür gesorgt
wird, daß die Förderleistungen derart aufeinander abgestimmt sind, daß Zufluß und
Abfluß an allen Stellen des Systems gleichbleibt und keine Kompression irgendwo
im System auftritt.