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Vorrichtung und Verfahren
zur Stofftrennung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Stofftrennung, beispielsweise für zwei Fluide, die eine unterschiedliche Dichte
aufweisen, mit oder ohne Stoffübergang
zwischen den Fluiden. Die Fluide sind vorzugsweise nicht mischbar
und sind beispielsweise unterschiedliche Phasen. Die Fluidphasen
können
jeweils unabhängig
voneinander bei der im Verfahren angewandten Temperatur flüssig oder
gasförmig
sein, z. B. kann ein erstes Fluid flüssig sein und ein zweites Fluid
gasförmig,
oder beide Fluide können
flüssig
oder gasförmig
sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchführbar
ist, eignet sich zur Extraktion, Destillation und Rektifikation
und zeichnet sich durch eine besondere Effektivität der Fluidtrennung
und ggf. des Stoffübergangs zwischen
den Fluiden aus.
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Stand der Technik
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
ist aus der
EP 0 002 568 bekannt,
die entsprechend des HIGEE – Systems
eine ringförmige
Packung in einem ringförmigen
drehbaren Packungsgehäuse
aufweist, das die Packung durch zwei radiale Platten und einen angrenzenden äußeren Ring
einschließt.
Fluide können
durch in der Drehachse angeordnete Rohre, die stationär sind und
gegen das drehbare Packungsgehäuse
gasdicht abgedichtet sind, auf die Packung aufgegeben werden, bzw.
in Richtung der Drehachse aus der Packung abgeführt werden. Am äußeren Rand
des Packungsgehäuses
können
Fluide zu- und abgeführt
werden, wobei die Zuführöffnungen
in einem geringeren radialen Abstand zur Drehachse der Packung angeordnet
sind, als die Begrenzung der Packung.
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Das
drehbar gelagerte Gehäuse,
in dem die ringförmige
Packung angeordnet ist, ist in einem äußeren Gehäuse angeordnet, das eine Austrittsöffnung für Flüssigkeit
aufweist. In radialer Richtung ist die Packung in einem Abstand
zur Oberfläche
des sie einschließenden
Gehäuses
angeordnet. Die Kontaktierung der vorzugsweise im Gegenstrom geführten Fluide
erfolgt in der in Drehung versetzten ringförmigen Packung; das Gehäuse dient
zum Sammeln des einen Fluids, das radial aus dem rotierenden Packungsgehäuse austritt.
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Die
US 6 827 916 B2 beschreibt
einen Rührkesselreaktor,
in dessen oberen Abschnitt eine rotierbare ringförmige Packung zwischen zwei
radialen Kreisscheiben angeordnet ist, die die Packung bis auf ihre
Mantelflächen,
die parallel zur Drehachse angeordnet sind, abschließen. Die
rotierbare Packung ist innerhalb eines geschlossenen Gehäuses rotierbar,
wobei der Abschnitt des Gehäuses, über den sich
die Halterung für
die Packung erstreckt, durch mechanische Dichtungen gegenüber der
rotierbaren Packung abgetrennt ist. Die mechanischen Dichtungen
sind jeweils beidseitig der rotieren Packung beabstandet entlang
der Länge
der Wellenachse angeordnet, um das aus der Packung zugängliche
Gehäusevolumen
auf einen ringförmigen
Abschnitt des Gehäuses
zu beschränken.
Weiterhin werden die
chinesischen
Patente 92100093.6 und
95107423.7 damit zitiert,
dass eine auf einer Hohlwelle angeordnete rotierbare Packung bekannt
sei, die ebenfalls nur durch Mantelflächen durchströmbar ist,
die parallel zur Wellenachse angeordnet sind.
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Die
DE 1 028 535 beschreibt
eine an einer Welle rotierbare Packung, deren äußerer Umfang von einer äußeren, kegelstumpfförmigen Seitenwand eingefasst
wird. Diese Seitenwand weist in ihrem Abschnitt größten Durchmessers
eine zur Welle offene Rinne auf. Die in dieser Rinne gesammelte
Flüssigkeit
soll durch ein dort angeordnetes Rohr in den Bereich der Packung
kleineren Durchmessers zurückgeleitet
werden. Die rotierbare Packung ist in einem mit der Welle verbundenen
Siebkorb angeordnet, so dass ein Gas parallel zur Welle durch die
Packung treten kann. Zur Vermeidung eines Gasstroms um die Packung
herum ist die Packung gegen die Welle und durch zwei mechanische
Dichtungen gegen die innere Wand des Gehäuses abgedichtet, in dem sie
angeordnet ist.
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Die
CH 236575 beschreibt die
Fortentwicklung einer Rektifikationskolonne, bei der in einem Gehäuse auf
einer drehbaren Welle angeordnete tellerförmige Böden jeweils zwischen ringförmigen Böden angeordnet
sind, die an der Gehäuse-Innenwand
befestigt sind. Zur Erhöhung
des Durchsatzes durch die Kolonne werden die Unterseiten der auf
der Welle angeordneten tellerförmigen
Böden mit
Leitschaufeln versehen, die als Zentrifugalgebläse wirken sollen. Bei einer
solchen Kolonne läuft
eine Flüssigkeit
von einem oberen Ende der Kolonne zum unteren Ende, und wird jeweils
von den rotierenden Tellern gegen die Gehäuse-Innenwand geschleudert und durch die dort
angebrachten ringscheibenförmigen
Elemente auf einen unterhalb angeordneten rotierenden Teller geleitet.
Ein Gas kann im Gegenstrom zum Flüssigkeitsstrom durch die Kolonne
strömen
und jeweils durch den zentrifugalen Rieselfilm aus Flüssigkeit treten.
Austrittsöffnungen
für Gas
und Flüssigkeit sind
wie in herkömmlichen
Boden- oder Rieselkolonnen in gegenüberliegenden Deckeln des Gehäuses angeordnet,
da das Gehäuse
aus Ringelementen mit geschlossener Oberfläche besteht. Die Lagerung der Welle
in den Deckeln des Gehäuses
muß druckdicht sein,
um den Druck, der im ganzen Gehäuse
anliegt, zu halten.
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Die
DE 1 93 260 beschreibt eine
Vorrichtung zur Mischung von Flüssigkeit
mit Gas, bei der konzentrisch ineinander angeordnete zylinderförmige Siebflächen zwischen
zwei radial angeordneten Scheiben als Böden für die Kontaktierung von Flüssigkeit
dienen, die auf den konzentrischen Siebboden kleinsten Durchmessers
aufgegeben wird, während
ein Gas gegen den unter Fliehkraft bewegten Flüssigkeitsstrom von außen nach
innen durch die Siebböden
strömt.
Flüssigkeit
kann aus einem äußeren Gehäuse abgezogen
werden, während
Gas aus dem Innenraum der konzentrischen, rotierbaren Siebböden abgezogen
wird.
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Die
DE 2 162 280 beschreibt
eine Vorrichtung zum Kontaktieren von Flüssigkeit mit Gas, bei der konzentrisch
angeordnete ringscheibenförmige Kontaktbleche
zwischen zwei radialen Scheiben angeordnet sind, welche auf einer
rotierbaren Welle befestigt sind. Zwischen einer radial zur Welle
angeordneten Scheibe, die die konzentrischen Kontaktbleche einseitig
begrenzt, und einem benachbarten Abschnitt einer Gehäusewand
ist eine Flüssigringdichtung angeordnet,
so dass Gas, das in das Gehäuse geleitet
wird, nicht außerhalb
der rotierbaren konzentrischen Bleche strömen kann, sondern zwischen
die beiden ringförmigen
radialen Scheiben gezwungen wird, zwischen denen die konzentrischen
Kontaktbleche angeordnet sind.
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Die
DE 34 15 236 C2 beschreibt
eine Vorrichtung zur Rektifikation, bei der permeable Böden in Form
konzentrischer und beabstandeter Ringe zwischen zwei radial angeordneten
ringscheibenförmigen
Elementen angeordnet sind, wobei die konzentrischen permeablen Ringe
jeweils einseitig abwechselnd an gegenüberliegenden radialen Ringen befestigt
sind, um gegenüberliegend
einen Durchtritt für
Gas bereitzustellen. Die Beheizung erfolgt elektrisch durch die
Oberfläche
eines umfassenden Ringelements, das sich nicht mit den ringförmigen Böden dreht,
sondern durch Isolierungsringe verschieblich im Bereich des größten Durchmessers
der radialen Ringscheiben angeordnet ist.
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Ein
Nachteil der vorbekannten Vorrichtungen zur Stofftrennung und insbesondere
zur Rektifikation besteht darin, dass die Trennungsleistung bzw.
der Stofftransport zwischen den Phasen auf eine Packung oder Anordnung
von Packungen bzw. Kontaktoberflächen
zwischen zwei radial auf einer Welle angeordneten und beabstandeten
Scheiben beschränkt ist,
wenn die Gasphase das Gehäuse
nicht unter Vermeidung der Packung durchströmen soll. Die im Stand der
Technik vorgeschlagenen mechanischen Dichtungen zwischen einer rotierbaren
Packung und einem Gehäuse,
die den Gasstrom zur Durchströmung
der rotierbaren Packung zwingen sollen, führen regelmäßig zu hohen mechanischen Verlusten mit
dem Problem des Verschleißes
und des Risikos von Undichtigkeiten.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen mit rotierender Packung
liegt darin, dass es erforderlich ist, Fluid aus dem Innenraum abzuführen, der
sich an die der Welle zugewandte Oberfläche der Packung anschließt. Für diese
Zu- oder Abführung
von Fluid sind Dichtungen von unbewegten Leitungen gegenüber rotierenden
Teilen erforderlich, beispielsweise gegenüber einer rotierenden Hohlwelle
oder gegenüber
einem rotierendem Gehäuse,
das die Packung enthält.
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Aufgabe der Erfindung
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Gegenüber den
bekannten Vorrichtungen und Verfahren stellt sich der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes
Verfahren bereitzustellen, mit dem die Probleme des Standes der
Technik vermieden werden.
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Allgemeine Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung löst
die vorgenannten Probleme mit einer Einrichtung, bei der das Volumen
eines Gehäuses,
in dem eine Welle rotierbar angeordnet ist, entlang der Wellenachse
in mindestens zwei voneinander im Wesentlichen gasdicht getrennte
Abschnitte unterteilt wird, ohne dass mechanische Dichtungen erforderlich
sind.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
weist auf der Welle ein Radialelement auf, das fluidundurchlässig und
rotationssymmetrisch ist. Für
diese Erfindung werden Radialelemente als rotationssymmetrisch bezeichnet,
wenn die Welle in ihrem Schwerpunkt angeordnet ist, wobei bevorzugt
die Welle im geometrischen Mittelpunkt angeordnet ist. Als Alternative
zur Rotationssymmetrie jedes einzelnen Radialelements der Welle
kann auch die Gesamtheit der Radialelemente einer Welle rotationssymmetrisch
sein, solange die Anordnung aus Welle und darauf angeordneten Radialelementen
rotationssymmetrisch ist. Entsprechend kann ein Massenausgleich
auch durch gegeneinander wirkende Abweichungen von der Rotationssymmetrie
von Welle und Radialelementen erfolgen.
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Der
als Gehäuse
um Welle und Radialelement angeordnete Stator ist so von dem Radialelement
beabstandet, dass sich dieses gegenüber dem Stator frei drehen
kann. Der Stator weist auf jeder Seite des Radialelements beabstandete
Abschnitte geringeren Querschnitts auf, die sich in zumindest einem
ringförmigen
Flächenabschnitt
mit dem Radialelement überdecken.
Bei einer Projektion parallel zur Welle überdecken sich Radialelement
und beabstandete Abschnitte des Stators zumindest in einem ringförmigen Flächenabschnitt
um die Welle. Die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt
als der maximale Radius des Radialelements umfassen daher ringförmige Flächenabschnitte,
die mit ringförmigen
Flächenabschnitten,
von denen einer auf jeder der gegenüberliegenden Oberflächen des
Radialelements umfaßt
ist, in einem Abstand deckungsgleich angeordnet sind. Je nach Ausführung von
Radialelement und Stator können
die ringförmigen
Flächenabschnitte,
in denen sich diese überdecken,
senkrecht zur Welle oder in einem geneigten Winkel zur Welle angeordnet
sein. Die Ausbildung eines Fluidrings führt bevorzugt zu einer annähernd zylindrischen
inneren Flüssigkeitsgrenze
gegenüber
einem Gasraum, so dass vorzugsweise der Stator beidseitig des Radialelements
und das Radialelement ringförmige Flächenabschnitte
mit sich überschneidenden
Radien um die Welle aufweisen. Der Stator weist auf jeder Seite
des Radialelements beabstandete Abschnitte geringeren Querschnitts
auf, die sich in zumindest einem ringförmigen Flächenabschnitt mit dem Radialelement überdecken
so dass die Unterteilung des Statorvolumens durch den Fluidring
erreicht wird, der sich durch die Zentrifugalbeschleunigung des
Fluids höherer
Dichte zwischen äußerer Statorwandung und
ringförmigem
Flächenabschnitt
ausbildet, in dem sich Stator und Radialelement überschneiden.
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Vorzugsweise
sind die dem Radialelement zugewandten Abschnitte des Stators senkrecht
zur Wellenachse angeordnet, beispielsweise radial zur Wellenachse
angeordnete Flächenelemente.
Vorzugsweise ist jedes Radialelement rotationssymmetrisch, insbesondere
um seinen Schwerpunkt symmetrisch, kann jedoch einen vom Kreis abweichenden Umfang
aufweisen, beispielsweise einen sechs- oder achteckigen Umfang.
Vorzugsweise ist der Umfang des Radialelements kreisförmig, so
dass der ringförmige
Flächenabschnitt,
mit dem jeweils beidseitig zum ersten und zweiten Volumenabschnitt
eine Überdeckung
mit den beabstandeten Rotorwandungen besteht, ein Ringflächenabschnitt
angrenzend an den Umfang ist. Radialelemente können auch um ihren Schwerpunkt
asymmetrisch gestaltet sein, beispielsweise nur einen Umfangsabschnitt
mit größerem Radius
und/oder größerer Erstreckung
parallel zur Welle aufweisen, um das Fluid höherer Dichte asymmetrisch zu
bewegen.
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Bei
Anwesenheit von Fluiden in dem Stator führt die Rotation des Radialelements
auf seiner Welle dazu, dass sich aus zumindest einem Teil des Fluids,
bei mehreren Fluiden vorzugsweise dem dichteren Fluid, entsprechend
der Zentrifugalbeschleunigung, die von dem rotierenden Radialelement
ausgeübt
wird, ein Fluidring an der äußeren Statorwand
bildet, der sich zumindest bis in eine Ebene erstreckt, in der sich
das Radialelement und die Abschnitte des Stators mit geringerem
Querschnitt in ringförmigen Flächenabschnitten überdecken.
Auf diese Weise ermöglicht
die erfindungsgemäße Einrichtung,
bzw. eine aus diesen zusammengestellte Vorrichtung, die Erzeugung
eines Fluidrings, der im Zusammenwirken mit dem fluiddichten Radialelement
das Volumen des Stators in zumindest zwei Volumenabschnitte entlang
der Wellenachse unterteilt. Bei der Trennung eines Fluids höherer Dichte
von einem Fluid geringerer Dichte kann daher das Fluid höherer Dichte
aus einer Austrittsöffnung
in einem Bereich des Stators abgeführt werden, in dem die Oberfläche des
Stators zumindest um den Radius des Radialelements von der Welle
entfernt ist, in dem der ringförmige
Flächenabschnitt
angeordnet ist, in dem sich Radialelement und die Abschnitte des
Stators geringeren Querschnitts überdecken.
Durch eine Wandung des Stators wird das Fluid höherer Dichte aus mindestens einer
Austrittsöffnung
abgeführt,
die in einem Abstand zur Welle angeordnet ist, über den sich der ringförmige Flächenabschnitt
der Überdeckung
von Stator und Radialelement erstreckt und angrenzend daran bis
an die von der Welle um mehr als den Radius des ringförmigen Flächenabschnitts
beabstandete innere Wandung des Stators. Vorzugsweise sind mehrere,
z. B. 2 bis 20, bevorzugter 3 bis 15 Austrittsöffnungen für das Fluid höherer Dichte
in jeweils gleichem Abstand im Stator angeordnet. Die Austrittsöffnungen
für das
Fluid höherer
Dichte können
zwischen den Abschnitten des Stators angeordnet sein, die beabstandet
beidseitig des Radialelements angeordnet sind, da sich zwischen
diesen Abschnitten der Fluidring ausbilden kann. Vorzugsweise ist
die Austrittsöffnung
für das
Fluid höherer
Dichte in einem größeren Abstand
zur Wellenachse angeordnet, als der äußere Radius des Radialelements.
In diesem Bereich bildet sich der Ring aus dem Fluid höherer Dichte
zwischen Stator und Radialelement aus und umfaßt die sich überdeckenden
ringförmigen Flächenabschnitte
von Stator und Radialelement. Weiter bevorzugt ist die Austrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte
in einem Abschnitt des Stators angeordnet, der im wesentlichen parallel
zur Wellenachse angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist der Stator rotationssymmetrisch, besonders bevorzugt zylindrisch.
Die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt sind vorzugsweise
radial zur Welle angeordnete Flächenelemente,
besonders bevorzugt Ringscheiben. Das Radialelement ist vorzugsweise
eine Kreisscheibe.
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Die
Positionierung der Eintrittsöffnung
für zu trennende
oder zu kontaktierende Fluide bzw. ein Fluidgemisch ist in einem
ersten Abschnitt des Statorvolumens angeordnet, der durch das Radialelement
und den von dem Radialelement im Zusammenwirken mit dem Stator gebildeten
Fluidring aus dem dichteren Fluid vom zweiten Abschnitt des Statorvolumens
getrennt ist. Die Austrittsöffnung
für ein Fluid
geringerer Dichte ist in dem zweiten Abschnitt des Statorvolumens
angeordnet.
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Vorzugsweise
sind erfindungsgemäße Einrichtungen
zu einer Vorrichtung gekoppelt, so dass zwei oder mehrere an einer
Welle angeordnete Radialelemente in einer Anordnung von Statoren
enthalten sind, die jeweils Bereiche geringeren Querschnitts aufweisen,
die die Radialelemente in jeweils einem ringförmigen Flächenabschnitt überdecken.
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Alternativ
ist es auch möglich,
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
als Zusammenstellung von erfindungsgemäßen Einrichtungen zu realisieren,
in denen jeweils Radialelemente auf einer Welle in einem einzelnen
Statorgehäuse
angeordnet sind und das Statorgehäuse jeweils beidseitig zu jedem Radialelement
beabstandet Bereiche kleineren Querschnitts aufweist, um zu jedem
Radialelement beidseitig überdeckende
ringförmige
Flächenabschnitte
bereitzustellen. Ein Zusammenwirken dieser einzelnen Einrichtungen
ist dadurch zu erreichen, dass die Austrittsöffnungen für die Fluide mit niedrigerer
und höherer
Dichte jeweils mit Eintrittsöffnungen
der Fluide mit niedrigerer und höherer
Dichte einer nächsten
Einrichtung durch Leitungen verbunden werden. Auf diese Weise ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung
die modulare Anordnung einzelner Einrichtungen, um die Leistung
zur Stofftrennung zu steigern.
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Eine
Vorrichtung kann eine oder mehrere Einrichtungen gemäß der Erfindung
aufweisen, z. B. eine Einrichtung nach der ersten, zweiten oder
dritten bevorzugten Ausführungsform,
oder mehrere Einrichtungen derselben oder verschiedener Ausführungsformen.
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Die
Eintrittsöffnung
für das
Fluid höherer Dichte
ist vorzugsweise in einem Abstand zur Welle kleiner als der Radius
eines der ringförmigen
Flächenabschnitte
angeordnet, in dem sich Stator und Radialelement überdecken,
in dem ersten oder zweiten Volumenabschnitt des Stators.
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Die
erfindungsgemäße Unterteilung
des Innenvolumens des Statorgehäuses,
insbesondere in Verbindung mit der intensiven Durchmischung und Trennung
von Fluidphasen gemäß ihrer
Dichte, erfolgt bei dem mit der Einrichtung durchgeführten Verfahren
zumindest in einem ringförmigen
Volumenabschnitt, der sich angrenzend an den ringförmigen Flächenabschnitt
ausbildet, in dem sich das Radialelement mit Bereichen geringeren
Querschnitts des Stators überdeckt.
Dabei wird der unmittelbare Kontakt von rotierenden Teilen, beispielsweise
des Radialelements, mit stehenden Teilen, beispielsweise des Stators,
vermieden. Durch diese Fluiddichtung zwischen einem ersten Volumenabschnitt
des Stators von einem zweiten Volumenabschnitt wird ohne mechanische
Dichtungen eine effektive Trennung zweier nicht mischbarer Fluide
bzw. zweier Fluidphasen ermöglicht
und überdies
die funktionale Anordnung mehrerer Statoren mit jeweils einem rotierbaren
Radialelement.
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Insbesondere
bei der Verwendung zur Vakuumdestillation bietet die erfindungsgemäße Einrichtung
einen besonderen Vorteil darin, dass durch die Zentrifugalbeschleunigung,
die vom Radialelement auf die Flüssigkeit
als das dichtere Fluid ausgeübt wird,
ein Druck der Flüssigkeit
gegen die Innenwandung des Stators erzeugt wird, gemessen gegenüber dem
gasgefüllten
Innenvolumen des Stators. Als Folge dieses durch die Zentrifugalbeschleunigung
erzeugten Drucks des dichteren Fluids ist zu dessen Austrag eine
geringere Druckdifferenz als die Höhe des Vakuums im Statorvolumen
zu überwinden.
Die Druckdifferenz vom Innenvolumen des Stators zur Umgebung kann
durch den von der Zentrifugalbeschleunigung erzeugten Druck soweit
vermindert werden, dass zum Austrag des dichteren Fluids aus einer
Vakuumdestillation keine zusätzliche
Pumpe erforderlich ist. Der von der Zentrifugalbeschleunigung erzeugte
Druck der Flüssigkeit
gegen die Statorwandung kann durch Anpassung der Radien von Stator
und Radialelement und der anliegenden Drehzahl in Abhängigkeit
von der Dichte der Flüssigkeit eingestellt
werden.
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Auf
Grund der Anordnung mindestens einer Austrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte
aus dem Stator in einem Bereich, in dem sich der Ring aus dem Fluid
höherer
Dichte ausbildet, ist die Erstreckung dieses Fluidrings bzw. die
Menge des Fluids in diesem Bereich regel- und steuerbar, z. B. durch
an der Austrittsöffnung
oder in daran anschließenden Leitungen
angeordnete Ventile.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung
beruht auf der gesteuerten Entnahme des Fluids höherer Dichte aus dem sich ausbildenden
Fluidring, bzw. in der Möglichkeit
der Zufuhr eines Fluids oder Fluidgemischs in den Bereich des Stators,
der von dem Fluidring überdeckt
wird. Denn damit läßt sich der
Fluidring aus Fluid höherer
Dichte im wesentlichen unabhängig
von Massenströmen
der Fluide steuern, so dass die Einrichtung stabil über einen großen Bereich
der Massenströme
betrieben werden kann, d. h. ein stabiler Betriebszustand zur Stofftrennung
im Vergleich zu herkömmlichen
Kolonnen über einen
wesentlich größeren Bereich
des Massendurchsatzes erzielbar ist. So kann eine Rektifikation stabil
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung über einen
weiten Bereich der Massenströme
betrieben werden, da die Massenströme der Flüssigkeit und des Dampfs im
wesentlichen voneinander unabhängig
sind. So kann die Erstreckung des Flüssigkeitsrings allein durch
Entnahme der Flüssigkeit
gesteuert werden, so dass der Strömungsweg des Dampfs bei unterschiedlichem
Flüssigkeitsströmen im wesentlichen
unverändert
ist.
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In
Leitungen, die das Fluid höherer
Dichte aus dem Statorgehäuse
abführen,
sind vorzugsweise Ventile zur Steuerung dieses Fluidstroms angeordnet.
Weiterhin können
in diesen Leitungen Zulauf- oder Ablaufstutzen für Fluide angeordnet sein, beispielsweise
zur Zuleitung eines zu trennenden Fluidgemischs oder von Reaktionskomponenten
in den Fluidring. Daneben können
in diesen Leitungen Wärmetauscher
zur Erwärmung
oder Kühlung
des Fluids höherer
Dichte angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Temperatur und/oder
Zusammensetzung von Fluid in dem sich in der Einrichtung ausbildenden Fluidring
gezielt eingestellt werden.
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In
Ausführungsformen
mit zwei oder mehr gekoppelten erfindungsgemäßen Einrichtungen, in denen
das Fluid höherer
Dichte aus dem Statorgehäuse
einer ersten Einrichtung durch eine Leitung abgeführt wird
und dem Statorgehäuse
einer zweiten Einrichtung zugeführt
wird, kann der innere Radius des Fluidrings durch die in der Leitung
angeordneten Ventile und/oder Zulauf- und Ablaufstutzen gesteuert werden,
durch in der Leitung angeordnete Wärmetauscher kann die Temperatur
jedes Fluidrings separat gesteuert werden.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
wird die Radialströmung
der Fluide bei Rotation des Radialelements dadurch verstärkt, dass
dieses auf einer oder beiden Oberflächen, die sich von der Welle
erstrecken und vorzugsweise senkrecht zur Welle angeordnet sind,
Schaufeln oder andere Förderelemente
aufweist, die Fluide bis auf die Winkelgeschwindigkeit des Radialelements
bzw. der Welle beschleunigen. Die Förderelemente sind vorzugsweise
auf der der Eintrittsöffnung
für das
Fluid geringerer Dichte zugewandten ersten Seite des Radialelements
angeordnet und können
beispielsweise senkrecht zur Querschnittsfläche des Radialelements angeordnete
Leitelemente oder Leitflächen aufweisen.
Solche Leitelemente können
ebene oder gekrümmte
Flächen
parallel zur Wellenachse aufweisen, um die Förderwirkung der Rotation des
Radialelements auf Fluid radial nach außen, d. h. in Richtung dessen
zunehmenden Durchmessers zu verstärken.
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Weiter
bevorzugt weist ein Radialelement alternativ oder zusätzlich zu
den Förderelementen Ventilatorelemente
auf, die bei Rotation der Welle zur radialen Beschleunigung des
Fluids geringerer Dichte führen.
Ventilatorelemente können
zwischen dem ringförmigen
Flächenabschnitt,
in dem sich ein Fluidring ausbilden kann und der Welle angeordnet
sein, so dass sie im Betrieb nicht in den Ring des Fluids höherer Dichte
eintauchen. Alternativ können
Ventilatorelemente unmittelbar auf der Welle angeordnet sein, in
einem Abstand zum Radialelement im ersten und/oder zweiten Volumenabschnitt
des Stators. Die Anordnung eines Ventilatorelements, das ein Axial- und/oder
Radialverdichter sein kann, ist vorzugsweise im zweiten Volumenabschnitt
des Stators, wo das Ventilatorelement zusätzlich als Tropfenabscheider wirkt.
In Ausführungsformen
mit einem ersten Radialelement, das eine Durchbrechung für den Eintritt
von Fluid aufweist, und einem beabstandeten zweiten Radialelement,
das oberflächlich
geschlossen ist, kann das zweite Radialelement Ventilatorelemente auf
der Oberfläche
aufweisen, die dem ersten Radialelement zugewandt ist, z. B. in
dem von der Durchbrechung überdeckten
Abschnitt. Ventilatorelemente können
die Form von Förderelementen
aufweisen, oder eine erste Fläche,
die sich über
das Radialelement erhebt und in einem ersten kleineren Radius zur Wellenachse
größer ist,
als eine zweite Fläche,
die sich in einem zweiten Radius, kleiner als der erste Radius, über das
Radialelement erhebt. Vorzugsweise weisen Ventilatorelemente parallel
zur Wellenachse angeordnete gekrümmte
erste und zweite Flächen auf,
wobei die erste Fläche
in kleinerem Abstand zur Welle angeordnet und größer als die zweite Fläche ist.
Ventilatorelemente erzeugen bei Rotation des Radialelements eine
Pumpwirkung auf das Fluid geringerer Dichte radial gegen das Statorgehäuse.
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Vorzugsweise
sind zusätzlich
zu Ventilatorelementen, die mit der Welle rotierbar sind, Strömungsgleichrichter
am Stator angebracht, um eine Rotation des Fluids geringerer Dichte
zu reduzieren. Denn Ventilatorelemente erzeugen nur bei Relativbewegung
gegenüber
dem Fluid geringerer Dichte dessen Verdichtung, so dass die Rotation
dieses Fluids mit Radialelement bzw. Welle zu einer Reduzierung der
Verdichtungswirkung durch die Ventilatorelemente führt. Beispielhaft
können
Strömungsgleichrichter radial
zur Welle ausgerichtete Flächen
aufweisen, eine Packung oder ein Gitter sein. Strömungsgleichrichter
können
sich über
offene Querschnittsflächen innerhalb
des Stators zumindest abschnittsweise erstrecken, in denen sich
bei Rotation des Radialelements kein Ring des Fluids höherer Dichte
ausbildet, d. h. in einem geringeren Abstand zur Welle als der minimale
Radius eines ringförmigen
Flächenabschnitts,
in dem sich Radialelement und Stator überdecken. Strömungsgleichrichter
sind z. B. auf einer oder beiden Seiten von Ventilatorelementen
angeordnet, insbesondere zwischen Ventilatorelement und dem ringförmigen Flächenabschnitts,
in dem sich Radialelement und Stator überdecken und in dem sich der
Fluidring rotierend erstreckt, desselben oder eines gekoppelten
Stators. Vorzugsweise sind Strömungsgleichrichter
zwischen einem Radialelement und einem Ventilatorelement angeordnet,
wobei Radialelement und Ventilatorelement in einem Stator oder in
angrenzend angeordneten Statoren angeordnet sein können.
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Vorzugsweise
ist das erste Radialelement eine Ringscheibe, die eine Ausnehmung
zwischen ihrem inneren Radius und der Welle aufweist, oder Ausnehmungen
jeweils in einem Bereich mit kleinerem Radius als der, in dem die
Packung angeordnet ist. Das zweite Radialelement ist vorzugsweise
eine Kreisscheibe, die parallel zum ersten Radialelement angeordnet
ist und fluidundurchlässig
an der Welle fixiert ist. Zur Halterung des ersten Radialelements kann
dieses Verbindungsabschnitte mit der Welle aufweisen und/oder durch
Verbindungsstücke
an das zweite Radialelement fixiert sein. Solche Verbindungsstücke können in
der Packung angeordnet sein, oder bei deren ausreichender Strukturstabilität durch
die Packung gebildet sein.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
weist die Welle anstelle eines Radialelements ein erstes Radialelement
in Verbindung mit einem zweiten Radialelement und eine zwischen
diesen rotationssymmetrisch angeordnete Packung auf, die für Fluid
permeabel ist. Das erste Radialelement überdeckt sich in einem ringförmigen Flächenabschnitt
mit beidseitig beabstandet angeordneten Bereichen geringeren Querschnitts
des Stators, um die Fluiddichtung bilden zu können. Zusätzlich weist das erste Radialelement
in einem Bereich mit geringerem Radius als der des ringförmigen Flächenabschnitts, vorzugsweise
angrenzend an die Welle mindestens eine Ausnehmung auf, durch die
Fluid strömen
kann, sowie ein auf der Welle radial angeordnetes, vom ersten Radialelement
beabstandetes zweites fluidundurchlässiges Radialelement. Zwischen
erstem und zweitem Radialelement ist eine umfänglich geschlossene Packung
angeordnet, die rotationssymmetrisch die Distanz zwischen erstem
und zweitem Radialelement vollständig überdeckt.
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Für die Zwecke
dieser Beschreibung bedeutet Packung eine Struktur, die für die zu
behandelnden Fluide, beispielsweise ein erstes Fluid höherer Dichte
und ein zweites Fluid niedriger Dichte, durchlässig ist, sodass beide Fluide
im inneren Volumen der Packung und/oder entlang ihrer inneren Oberfläche miteinander
in Kontakt treten können,
um beispielsweise einen Stofftransport zwischen den Fluiden zu ermöglichen.
Beispiele für Packungen
sind Keramik- oder Metallschäume
oder Schüttungen
aus Füllkörpern, die
bei mangelnder Strukturfestigkeit von einem durchlässigen Gehäuse umfaßt sind.
Das erste Fluid kann eine Flüssigkeit
sein und das zweite Fluid ein Gas, beispielsweise Dampf.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird das innere Volumen des Statorgehäuses entlang der Welle durch
die miteinander verbundenen Radialelemente mit der zwischenliegenden
Packung und die Flüssigkeitsdichtung,
die zwischen dem ersten Radialelement und dem Statorgehäuse entlang
eines ringförmigen
Flächenabschnitts,
in dem sich erstes Radialelement und sich verjüngende Abschnitte des Stators überdecken,
in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt. Die Austrittsöffnung für das Fluid geringerer
Dichte, beispielsweise ein Gas oder Dampf, ist in einem zweiten
Volumenabschnitt des Stators angeordnet, vorzugsweise in der Nähe der Welle,
während
die Eintrittsöffnung
für ein
Fluidgemisch im ersten Abschnitt des Statorvolumens angeordnet ist.
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Eine
freie Fluidströmung
durch das Statorgehäuse
ist auch in dieser Ausführungsform
nicht möglich,
jedoch können
Fluide nur durch Ausnehmungen des ersten Radialelements in den Zwischenraum zwischen
erstem Radialelement und zweitem Radialelement und durch die dort
angeordnete Packung treten, jedoch nicht parallel zur Welle durch
die Ebene, in der die miteinander verbundenen Radialelemente angeordnet
sind. Vielmehr wird ein Fluidstrom nur durch die zwischen erstem
und zweitem Radialelement angeordnete Packung ermöglicht.
Dabei sorgt die durch die Rotation der Welle und der damit verbundenen
ersten und zweiten Radialelemente dafür, dass Fluide durch die Zentrifugalbeschleunigung durch
die Packung beschleunigt werden. Der Strömungsweg von Fluiden durch
die Packung folgt vorzugsweise für
jedes Fluid der Zentrifugalbeschleunigung, d. h. in Richtung des
zunehmenden Radius der Packung. Alternativ ist es auch möglich, ein
Fluid geringerer Dichte entgegen der Zentrifugalbeschleunigung durch
die Packung von einem Bereich mit größerem Radius zu einem Bereich
mit kleinerem Radius hindurch treten zu lassen, während ein
Fluid größerer Dichte
im Wesentlichen entlang der Zentrifugalbeschleunigung von einem
Bereich der Packung mit kleinem Radius zu einem Bereich mit größerem Radius
strömen
gelassen wird.
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Die
Zentrifugalbeschleunigung, die auf die Fluide bei Rotation von erstem
und zweitem Radialelement mit dazwischen angeordneter, umfänglich geschlossener
Packung ausgeübt
wird, führt
dazu, dass sich beim erfindungsgemäßen Verfahren zumindest das
Fluid größerer Dichte
im Bereich von der Innenwand des Stators bis zumindest in den Bereich erstreckt,
in dem sich Abschnitte geringeren Querschnitts des Stators über einen
ringförmigen
Flächenabschnitt
mit dem ersten Radialelement überdecken.
In dieser Ausführungsform
ist die Packung nur in einem Bereich angeordnet, der in einem geringeren
Abstand zur Wellenachse ist, als der ringförmige Flächenabschnitt des ersten Radialelements,
in dem sich dieses mit Abschnitten geringeren Querschnitts des Stators überdeckt.
Auf diese Weise ist die Ausbildung eines Strömungswegs für ein Fluid geringerer Dichte
in dem Bereich möglich,
der sich zwischen einem Fluidring, der sich senkrecht zu dem ringförmigen Flächenabschnitt
des ersten Radialelements ausbildet, und der Packung erstreckt.
In diesem Strömungsweg
kann ein Fluid geringerer Dichte durch die Packung zwischen erstem
und zweitem Volumenabschnitt des Stators strömen, beispielsweise ein Gas. Dieser
Strömungsweg
weicht von der entlang der Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung
gerichteten radialen Strömung
des Fluids höherer
Dichte ab und führt
das Fluid geringerer Dichte beispielsweise vor einer sich an der
inneren Statorwandung ausbildenden Flüssigkeitsdichtung vorbei. Diese
unterschiedlichen Strömungswege
der Fluide unterstützen
deren Trennung, beispielsweise in Form einer Phasentrennung.
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Entsprechend
jeder Ausführungsform
ist für das
Fluid höherer
Dichte eine Austrittsöffnung
im Bereich des Stators vorgesehen, in dem dessen Abstand größer als
der Abstand des ringförmigen
Flächenabschnitts
der Überdeckung
von erstem Radialelement und Stator zur Wellenachse ist.
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Besonders
bevorzugt weist das Radialelement Ausnehmungen in einem Bereich
zwischen dem ringförmigen
Abschnitt auf, in dem es sich mit Bereichen kleineren Querschnitts
des Stators überdeckt,
und dem Abschnitt, in dem Förderelemente angeordnet
sind. Die Ausnehmungen können
beispielsweise Bohrungen oder Radialschlitze sein, die optional
zum äußeren Umfang
des Radialelements offen sind. Solche Ausnehmungen erhöhen die
Effektivität
dieser Ausführungsform
der Erfindung, indem sie den Durchtritt von Fluid geringerer Dichte
aus einem Gemisch durch das Radialelement direkt in einen sich bildenden
Flüssigkeitsring
ermöglicht.
Denn die Förderelemente
führen
zu einer einseitigen Erhöhung
der Zentrifugalbeschleunigung, sodass der Flüssigkeitsring, der sich auf
der Seite mit Förderelementen
ausbildet, einen größeren Radius
zur Welle aufweist, als der Fluidring aus Fluid höherer Dichte auf
der gegenüberliegenden
Seite des Radialelements, die keine Förderelemente aufweist. Vorzugsweise
sind daher die Förderelemente
auf der Seite des Radialelements angeordnet, das dem ersten Volumenabschnitt
des Stators zugewandt ist.
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Der
Eintritt von Fluidgemisch durch Durchbrechungen des Radialelements
unmittelbar in den Flüssigkeitsring,
der sich auf der dem zweiten Abschnitt des Statorvolumens zugewandten
Seite des Radialelements ausbildet, stört nicht die Trennung der Volumenabschnitte
des Stators. Denn der geringere Radius des Flüssigkeitsrings auf Seiten des zweiten
Volumenabschnitts zur Welle entspricht einer höheren Flüssigkeitsschicht und führt zu einer
intensiven Durchmischung, vorzugsweise zu einer Kondensation und
anschließenden
Verdampfung leichtersiedender Komponenten, sodass ein intensiver Stofftransport
zwischen den Phasen mit anschließender Phasentrennung erfolgt.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich eines oder beide von erstem und zweitem Radialelement
bis in einen Bereich einer Überdeckung
ringförmiger
Flächenabschnitte
der Radialelements mit ringförmigen
Flächenabschnitten beidseitig
des ersten und zweiten Radialelements angeordneten Statorwandungen.
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Zwischen
erstem und zweitem Radialelement ist eine erste Packung angeordnet,
die zur Kondensation im Wesentlichen aller Komponenten einströmender Fluide
führt und
deshalb als Kondensationspackung bezeichnet wird. Diese Kondensationspackung
erstreckt sich bis in den Bereich, in dem sich die Fluiddichtung
um erstes und/oder zweites Radialelement ausbilden, d. h. bis in
den ringförmigen
Flächenabschnitt,
in dem sich erstes und/oder zweites Radialelement mit Abschnitten
geringeren Querschnitts des Rotors überdecken. Zum Eintritt von
Fluiden weist das erste Radialelement in dem Abstand zwischen Packung
und Welle zumindest eine Ausnehmung auf, vorzugsweise eine durchgängige rotationssymmetrische
Ausnehmung um die Welle, während
das zweite Radialelement fluidundurchlässig ist.
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Auf
der der Kondensationspackung gegenüberliegenden Oberfläche des
zweiten Radialelements ist eine zweite Packung angeordnet, in der
die Verdampfung zumindest einer Komponente eines der Fluide erfolgt
und die deshalb als Verdampfungspackung bezeichnet wird. Die Verdampfungspackung
erstreckt sich ebenso wie die Kondensationspackung vorzugsweise
bis in den Bereich, in dem sich das erste und/oder zweite Radialelement
in einem ringförmigen
Flächenabschnitt
mit Bereichen geringeren Querschnitts des Rotors überdeckt,
wo sich der Fluidring ausbildet. Auf diese Weise kann Fluid, das
durch die Kondensationspackung in den Zwischenraum zwischen zweitem
Radialelement und Innenwandung des Stators geströmt ist, in die Verdampfungspackung
eintreten. Die Verdampfung von leichtersiedenden Komponenten erfolgt
im Vergleich zu Abschnitten des Stator, die nicht von Radialelementen
oder Packungen überdeckt
ist, bevorzugt in der Verdampfungspackung. Denn die bei der Kondensation
von Fluidbestandteilen in der Kondensationspackung freiwerdende
Wärme wird
vorzugsweise vielmehr durch das zweite Radialelement zur Verdampfungspackung
geleitet, als an ein Fluid abgegeben zu werden.
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Entsprechend
ist der Abschnitt des zweiten Radialelements, an dem auf gegenüberliegenden Seiten
zumindest einer von Kondensationspackung und Verdampfungspackung
angeordnet sind, vorzugsweise beide, mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit
versehen.
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In
der zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform ist eine Eintrittsöffnung für Fluid
höherer
Dichte vorzugsweise in einem Abstand zwischen erstem und zweitem
Radialelement angeordnet, weiter bevorzugt auch in einem Abstand
zwischen Welle und Packung. Auf diese Weise kann das Fluid höherer Dichte
mit der Zentrifugalbeschleunigung durch die Packung bzw. Kondensationspackung
treten, besonders bevorzugt innerhalb der Packung bzw. Kondenationspackung
im Gleichstrom mit dem Fluid niedrigerer Dichte.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
sind insbesondere zur Verwendung bei der destillativen Trennung
von Kohlenwasserstofffraktionen aus einem Gemisch oder von Alkohol-Wasser-Mischungen
geeignet.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
-
Die
Erfindung wird nun genauer mit Bezug auf die Figuren beschrieben,
in denen
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1 schematisch
eine Ausführung
der Erfindung zeigt,
-
2 schematisch
eine erste erfindungsgemäß bevorzugte
Einrichtung zeigt, in der das Radialelement einseitig angeordnete
Förderelemente
aufweist,
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3 schematisch
eine Ausführungsform der
Erfindung zeigt,
-
4 schematisch
eine Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
-
5 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt,
-
6 schematisch
dargestellte Schnittansicht einer bevorzugten dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt und
-
7 eine
schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Für die nachfolgende
detaillierte Beschreibung wird mit dem Ausdruck Flüssigkeit
Bezug auf ein Fluid höherer
Dichte genommen, während
Gas oder Dampf stellvertretend für
ein Fluid geringerer Dichte stehen. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen
jeweils funktionsgleiche Bauteile.
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Das
Schema von 1 zeigt, dass erfindungsgemäße Einrichtungen
eine drehbar in einem Stator 10 angeordnete Welle 1 ein
rotationssymmetrisches Radialelement 20 aufweisen, hier
als geschlossene Kreisscheibe dargestellt. Das Radialelement 20 unterteilt
das Innenvolumen des Stators 10 in einen ersten Volumenabschnitt 4 und
einen zweiten Volumenabschnitt 5, da der Stator 10 beidseitig des
in ihm frei drehbaren Radialelements 20 einen ersten Wandungsbereich 11 bzw.
einen zweiten Wandungsbereich 12 aufweist, die sich zumindest über jeweils
einen ringförmigen
Flächenabschnitt 13B im
ersten Volumenabschnitt 4 und einem zweiten ringförmigen Flächenabschnitt 13A im
zweiten Volumenabschnitt 5 mit dem Radialelement 20 in
einem ersten ringförmigen
Flächenabschnitt 13B zum ersten
Volumenabschnitt 4 bzw. einem zweiten ringförmigen Flächenabschnitt 13A zum
zweiten Volumenabschnitt 5 überdecken, bzw. einen ringelementförmigen Volumenabschnitt
zwischen sich aufspannen, der auf der ersten und zweiten Seite des
Radialelements einen Querschnitt eines ringförmigen Flächenabschnitts 13B bzw. 13A aufweist
und dessen Höhe
jeweils der Abstand des Radialelements 20 vom ersten Wandungsbereich 11 bzw.
zweiten Wandungsbereich 12 ist. Denn die fluiddichte Ausführung des
Radialelements 20 und seine Anordnung zu erstem Wandungsbereich 11 und
zweitem Wandungsbereich 12 mit dem senkrecht zur Welle
beabstandeten Abschnitt der Statorwandung 17 führt bei
Anwesenheit eines Fluids, vorzugsweise einer Flüssigkeit, zur Ausbildung eines
Fluidrings im Bereich des ersten Wandungsbereichs 11, des
zweiten Wandungsbereichs 12 und des Abschnitts der Statorwandung 17,
gegen welchen die Zentrifugalbeschleunigung wirkt, die von der Rotation
des Radialelements 20 erzeugt wird. Entsprechend einer
bevorzugten Ausführungsform
ist das Radialelement 20 eine Kreisscheibe und der erste
Wandungsbereich 11 und der zweite Wandungsbereich 12 sind
ebenso wie das Radialelement 20 senkrecht zur Welle 1 angeordnet.
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Der
erste ringförmige
Flächenabschnitt 13B des
Radialelements 20, der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandt
ist, kann abhängig
von Druckdifferenzen zum zweiten Volumenabschnitt 5 ein
anderes Ausmaß haben,
als der zweite ringförmige
Flächenabschnitt 13A des
Radialelements 20, der dem zweiten Volumenabschnitt 5 zugewandt
ist. Ein Überdruck
auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 kann z. B. durch
Förderelemente
oder Ventilatorelemente auf der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten
Seite des Radialelements 20 bei dessen Rotation erzeugt
werden. Alternativ kann die Druckdifferenz zwischen erstem und zweiten
Volumenabschnitt 4, 5 durch einen Verdichter erzeugt
werden, der z. B. in den ersten Volumenabschnitt 4 eintretendes
Gas mit Druck beaufschlagt. Der Stator 10 weist auf Seiten
des ersten Volumenabschnitts 4 eine Eintrittsöffnung für ein Fluidgemisch
auf, im gegenüberliegenden
zweiten Volumenabschnitt 5 eine Austrittsöffnung für Gas 31.
Die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 ist
im Bereich des Abschnitts 17 der Statorwandung angeordnet,
in dem sich der Flüssigkeitsring
aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung ausbilden kann.
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2 zeigt
schematisch die erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in
Form zweier miteinander gekoppelter Einheiten, deren Statoren 10, 10' aneinander
angrenzen, wobei die Radialelemente 20 auf einer gemeinsamen
Welle 1 angeordnet sind.
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Das
als Kreisscheibe ausgeführte
Radialelement 20 weist auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 des
Stators 10, 10' Förderelemente 26 auf. Die
Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch
ist im Stator 10 im Bereich des ersten Wellenendes 2 der
Welle 1 in einem Abstand zum Abschnitt 17 der
Statorwandung angeordnet, um einen Austritt von Fluid durch die
Eintrittsöffnung 16 zu
vermeiden. Die in 2 oberhalb des unteren Stators 10' im oberen Stator 10 angeordnete
Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch dient
zum Eintritt von Gas 31, das das untere Statorgehäuse 10' durchlaufen
hat. Die Austrittsöffnung 14 für die Flüssigkeit 30 ist
jeweils angrenzend an den Abschnitt 17 der Statorwandung
angeordnet, die von der Welle 1 einen Abstand größer als
der Radius des Radialelements 20 aufweist.
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Die
Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 des einen
Stators 10 ist mit dem funktional verbundenen Stator 10' durch eine
Leitung gekoppelt, die die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit
mit der Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 des
gekoppelten Stators 10' verbindet.
Die Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 ist
im gekoppelten Stator 10' in
einem radialen Abstand zwischen dem zweiten Wandungsbereich 12 und
der Austrittsöffnung 15 für Gas 31 angeordnet.
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Das
Radialelement 20 taucht in den schematisch dargestellten
Flüssigring
ein, der sich auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 zwischen
dem ersten Wandungsbereich 11 und dem Radialelement 20 über einen
schmaleren ringförmigen
Flächenabschnitt 13B erstreckt,
als zwischen dem zweiten Wandungsbereich 12 und dem Radialelement 20,
in dem er sich über
einen breiteren ringförmigen
Flächenabschnitt 13A erstreckt.
Diese unterschiedliche Ausdehnung des Flüssigkeitsrings, der durch die Zentrifugalbeschleunigung
gegen den Abschnitt der Statorwandung 17 gedrückt wird,
beruht auf der einseitigen Beschleunigungswirkung der Förderelemente 26.
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In 2 ist
die Führung
von Flüssigkeit
und Gas im Gegenstrom durch die Einrichtung gezeigt, wobei die Austrittsöffnung 15 für Gas 31 jeweils
im zweiten Volumenabschnitt 5 des Stators 10, 10' angeordnet
ist und die Eintrittsöffnung
für Gas 19 jeweils
im ersten Volumenabschnitt 4 des Stators 10. Für einen
Stator 10',
in den das Fluidgemisch geleitet wird, dient die Eintrittsöffnung 19 für Gas 31 auch
als Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch.
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3 zeigt
schematisch die Fluidströmung in
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
von 1 und 2, wobei das Förderelement 26 der
ersten bevorzugten Ausführungsform
gemäß 2 nicht dargestellt
ist.
-
Der
Flüssigkeitsring
zur Trennung des Volumens des Stators 10 in einen ersten
Volumenabschnitt 4 und einen zweiten Volumenabschnitt 5 ist hier
so dargestellt, dass er sich im Bereich des ersten Volumenabschnitts 4 über einen
schmaleren ringförmigen
Flächenabschnitt 13B erstreckt,
als ihn der ringförmige
Flächenabschnitt 13A auf
der Seite des zweiten Volumenabschnitts 5 einnimmt. Die
unterschiedlichen ringförmigen
Flächenabschnitte 13B, 13A, über den
sich der Flüssigkeitsring
beidseitig des Radialelements 20 erstreckt, wird gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform
durch die Anwesenheit von optionalen Förderelementen 26 (nicht
dargestellt) auf der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten
Seite des Radialelements 20 bewirkt, oder durch eine Druckdifferenz
zwischen dem ersten Volumenabschnitt 4 und zweiten Volumenabschnitt 5,
die beispielsweise durch die Regelung der Zufuhr von Fluidgemisch
durch Eintrittsöffnung 16 bzw.
den Austritt von Gas 31 durch die Austrittsöffnung 15 einstellbar
ist, oder durch Ventilatorelemente (nicht dargestellt) auf der dem
ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten Seite des Radialelements 20.
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Gemäß einer
erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform
weist das Radialelement 20 in einem Bereich, der zumindest
einseitig von einem ringförmigen
Flächenabschnitt 13A überdeckt
wird, in dem sich ein Flüssigkeitsring
ausbildet, Durchbrechungen 27, z. B. Bohrungen auf. Diese
Durchbrechungen 27 führen
zu einem bevorzugten Eintritt von Gas 31 aus dem ersten
Volumenabschnitt 4 in den vom Flüssigkeitsring überdeckten
ringförmigen
Flächenabschnitt 13A des
zweiten Volumenabschnitts 5.
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Entsprechend
der Ausbildung einer Roll- oder Spiralzelle in dem Fluidring, wie
schematisch in 3 gezeigt, kann innerhalb des
Fluidrings eine Kondensation des eingetragenen Gases 31 auftreten,
was eine intensive Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 ermöglicht.
Bei Transport des kondensierten Gases zu einem Bereich mit geringerem
Abstand zur Welle verringert sich der durch die Zentrifugalbeschleunigung
erzeugte Druck innerhalb des Flüssigkeitsrings,
sodass kondensiertes Gas 31 leichter verdampfen kann, um
aus der Austrittsöffnung 15 für Gas 31 auszutreten.
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Die
schematische Schnittansicht von 4 zeigt
die zweite bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der innerhalb des Stators 10 ein erstes Radialelement 20 angeordnet
ist, dem ein zweites Radialelement 22 an der Welle 1 zugeordnet
ist. Das zweite Radialelement 22 ist auf der dem zweiten
Volumenabschnitt 5 zugewandten Seite des ersten Radialelements 20 angeordnet.
Das erste Radialelement 20 ist mit Ausnehmungen 21 in
dem Bereich zwischen der Welle 1 und dem ringförmigen Flächenabschnitt 13 versehen, über den
sich das erste Radialelement 20 mit einem ersten Wandungsbereich 11 und
einem zweiten Wandungsbereich 12 des Stators 10 überdeckt.
Zwischen erstem Radialelement 20 und zweitem Radialelement 22 ist
die Packung 23 angrenzend an die einander zugewandten Flächen des
ersten Radialelements 20 und des zweiten Radialelements 22 angeordnet.
Eine Vorrichtung mit zwei Einrichtungen gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform
nach 4 ist in 5 gezeigt,
in der deutlich wird, dass der über
den ringförmigen
Flächenabschnitt 13 erzeugte
Flüssigkeitsring
so ausgebildet ist, dass das erste Radialelement 20 mit
einem äußeren Ringabschnitt,
d. h. im Bereich seines größten Radius
eintaucht, um den ersten Volumenabschnitt 4 vom zweiten
Volumenabschnitt 5 zu trennen. Das zweite Radialelement 22 ist
so angeordnet, dass es nicht in den Flüssigkeitsring eintaucht, d.
h. es erstreckt sich nicht bis in das Volumen, das vom ringförmigen Flächenabschnitt 13B, 13A aufgespannt
wird.
-
Die
Packung 23 erstreckt sich über einen rotationssymmetrischen
Bereich um die Welle 1, der vor dem Volumen endet, das über einem
der ringförmigen
Flächenabschnitte 13B, 13A aufgespannt wird,
sodass die Packung 23 im Wesentlichen nicht in den Flüssigkeitsring
eintaucht.
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Zwischen
der Packung 23, bzw. dem zweiten Radialelement 22 und
dem Flüssigkeitsring
bleibt hinreichend Raum zum Durchtritt von Gas. Hier wird deutlich,
dass nach Durchtritt von Gas 31 und Flüssigkeit 30 im Gleichstrom
durch die Packung 23 die Flüssigkeit 30 radial
gegen den Abschnitt der Statorwandung 17 beschleunigt wird,
während
Gas 31 zwischen der Packung 23 und dem Flüssigkeitsring ohne
weitere Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 zur
Austrittsöffnung 15 für Gas 31 strömen kann.
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Die
Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 ist jeweils
in einem Abschnitt 17 der Statorwandung angeordnet und
kann mit einer Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 eines
funktional gekoppelten Stators 10' mittels einer Leitung verbunden
sein. Die Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 ist
in dieser Ausführungsform
vorzugsweise zwischen erstem Radialelement 20 und zweitem
Radialelement 22 und zwischen Welle 1 und Packung 23 angeordnet.
Zur Durchführung
einer Leitung, die Flüssigkeit 30 zur Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 fördert, ist
die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20 vorzugsweise
rotationssymmetrisch um die Welle 1, beispielsweise in
Form einer ringförmigen
Ausnehmung 21. Der Eintritt von Gas 31 zwischen
erstes Radialelement 20 und zweites Radialelement 22 erfolgt ebenfalls
durch die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20.
Eine besondere Leitung ist dafür
nicht erforderlich, da ein Strömungsweg
um die Anordnung aus erstem und zweitem Radialelement 20, 22 und
Packung 23 von dem Flüssigkeitsring,
der sich über
den ringförmigen
Flächenabschnitt 13B, 13A erstreckt,
und in den das erste Radialelement 20 eintaucht, abgedichtet
wird.
-
Die
dritte bevorzugte Ausführungsform
ist schematisch im Schnitt in 6 gezeigt,
in der sich sowohl erstes Radialelement 20 als auch zweites
Radialelement 22 mit einer zwischen diesen angeordneten
Kondensationspackung 24 sowie eine Verdampfungspackung 25,
die auf der dem zweiten Volumenabschnitt 5 zugewandten
Fläche
des zweiten Radialelements 22 angeordnet ist, sich bis
in das Volumen erstrecken, das von ringförmigen Flächenabschnitten 13B, 13A aufgespannt
wird.
-
Bei
Durchtritt von Gas 31 durch die Kondensationspackung 24 kann
Wärme aus
den Fluiden an die Kondensationspackung 24 abgegeben werden. Wenn
dabei der Kondensationspunkt des Gases 31 unterschritten
wird, kondensiert das Gas 31. Mit oder ohne Kondensation
werden beide Fluide im Flüssigkeitsring
gemischt, da sich das zweite Radialelement 22 bis in den
Volumenabschnitt mit ringförmiger Querschnittsfläche erstreckt,
der über
dem ringförmigen
Flächenabschnitt 13B, 13A aufgespannt
ist, in dem sich erstes Radialelement 20 und die Wandungsbereiche 11, 12 überdecken.
Bevorzugt weisen erstes und zweites Radialelement 20, 22 eine
kreisförmigen
Umfang auf, besonders bevorzugt ist das erste Radialelement 20 eine
Ringscheibe und das zweite Radialelement 22 eine Kreisscheibe,
die sich radial zur Welle 1 erstrecken.
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Eine
oder mehrere Eintrittsöffnungen 18 für Flüssigkeit 30 sind
bei dieser Ausführungsform
zwischen Stator und erstem Radialelement 20 angeordnet,
oder zwischen Stator und Verdampfungspackung 25 oder einem
die Verdampfungspackung 25 einseitig abdeckenden dritten
Radialelement 32. Die Verdampfungspackung 25 kann
auf der Seite, die gegenüber
dem zweiten Radialelement angeordnet ist, von einem dritten Radialelement
begrenzt werden, das zumindest über
den Bereich dieser Seite der Verdampfungspackung fluidundurchlässig ist.
Vorzugsweise ist das dritte Radialelement 32 eine Ringscheibe,
die sich rotationssymmetrisch um die Welle 1 über die
Verdampfungspackung 25 erstreckt.
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Das
in 7 gezeigte Funktionsschema der dritten bevorzugten
Ausführungsform
zeigt beispielhaft die Führung
von Flüssigkeit 30 und
Gas 31 im Gegenstrom durch die Vorrichtung. Der Eintritt
von Flüssigkeit
erfolgt durch eine Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30,
die zwischen Welle 1 und Verdampfungspackung 25 endet.
Die Eintrittsöffnung 18 kann, wie
dargestellt, zum Eintritt von Flüssigkeit 30 dienen,
die aus einer Austrittsöffnung
für Flüssigkeit 30 aus
einem gekoppelten Stator 10' abgeführt wird. Nach
Durchtritt durch die Verdampfungspackung 25 wird die Flüssigkeit 30 durch
die Zentrifugalbeschleunigung in den Flüssigkeitsring beschleunigt
und kann aus diesem durch die Austrittsöffnung abgeleitet werden. Das
im Gegenstrom geführte
Gas wird durch die Eintrittsöffnung 15 für Gas 31 und
durch die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20 gegen
die Kondensationspackung geführt;
das in den Flüssigkeitsring
eintauchende erste Radialelement 20 verhindert eine Umströmung der
Radialelemente 20, 22. Die Erstreckung des zweiten
Radialelements 22 bis in den Flüssigkeitsring erzwingt eine
Umströmung
des zweiten Radialelements 22 durch das Gas 31.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise vorgesehen, das Temperaturen und Drucke so gewählt werden,
dass das Gas in der Kondensationspackung 24 kondensiert,
um eine intensive Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 in dem
Fluidring zu erwirken. Kondensiertem Gas 31, das in die Verdampfungspackung 25 transportiert
ist, wird dort mittels Wärmeleitung
von Kondensationswärme
aus der Kondensationspackung 24 durch das zweite Radialelement 22 Wärme zugeführt, so
dass eine Verdampfung erfolgt. Gas 31 kann anschließend durch die
Austrittsöffnung 15 für Gas 31 abgezogen
werden und z. B. in die Eintrittsöffnung 19 für Gas 31 eines gekoppelten
Stators 10' geleitet
werden.
-
Wie
in 7 schematisch am Beispiel der Kondensationspackung 24 gezeigt
ist, kann jede Packung 24, 25 in einem Packungsgehäuse angeordnet sein,
das an seinen Wänden
parallel zur Welle 1 fluiddurchlässig ist, beispielsweise Bohrungen
aufweist. Die Wände
eines Packungsgehäuses,
die senkrecht zur Welle 1 angeordnet sind, sind vorzugsweise
fluidundurchlässig
und werden z. B. jeweils einseitig von den angrenzenden Abschnitten
der Radialelemente 20, 22 begrenzt.
-
Die
Packungen 23, 24 und 25 der bevorzugten
zweiten und dritten Ausführungsform
können
rotationssymmetrisch um die Welle 1 angeordnet sein und
Ringform aufweisen, z. B. mit zwei gegenüberliegenden, senkrecht zur
Welle 1 angeordneten ringförmigen Umfangsflächen und
zwei konzentrisch zur Welle angeordneten zylinderförmigen Umfangsflächen, wie
dies in den 4 bis 7 dargestellt
ist.
-
- 1
- Welle
- 2
- erstes
Wellenende
- 3
- zweites
Wellenende
- 4
- erster
Volumenabschnitt
- 5
- zweiter
Volumenabschnitt
- 10,
10'
- Stator
- 11
- erster
Wandungsbereich
- 12
- zweiter
Wandungsbereich
- 13
- ringförmiger Flächenabschnitt
- 13A
- erster
ringförmiger
Flächenabschnitt
- 13B
- zweiter
ringförmiger
Flächenabschnitt
- 14
- Austrittsöffnung für Flüssigkeit
- 15
- Austrittsöffnung für Gas
- 16
- Eintrittsöffnung für Fluidgemisch
- 17
- Abschnitt
Statorwandung
- 18
- Eintrittsöffnung für Flüssigkeit
- 19
- Eintrittsöffnung für Gas
- 20
- erstes
Radialelement
- 21
- Durchbrechungen
in erstem Radialelement
- 22
- zweites
Radialelement
- 23
- Packung
- 24
- Kondensationspackung
- 25
- Verdampfungspackung
- 26
- Förderelement
- 27
- Durchbrechungen
- 30
- Flüssigkeit
- 31
- Gas/Dampf
- 32
- drittes
Radialelement