DE102018009458B3

DE102018009458B3 - Method and centrifugal gas separator with ultrasonic support

Info

Publication number: DE102018009458B3
Application number: DE102018009458.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: MILOSIU JOHANN MARIUS
Current assignee: MILOSIU JOHANN MARIUS
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2038-12-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung verwendet die Kombination der Verfahren basierend auf zentrifugale Trennung und Beschleunigung dieser Trennung durch Ultraschall, wobei das Gasgemisch in einem spulenförmigen langen Raum mit rechteckigem oder trapezförmigen Querschnitt rotiert. Dabei sind die Ultraschallerzeuger nicht im Gasweg verteilt, sondern plaziert am Ende des Spirallaufs in trichterförmigen Ausbuchtungen, wovon sie longitudinale Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit vorhanden in dem zentralen Kanal des Spirallaufs aussenden, die durch seitlichem Membran an das Gasgemisch beweglich in den Windungen des spiralförmigen Kanals übertragen werden.
Eine Erhöhung der Intensität und der Frequenz der Ultraschallwellen führt zu einer entsprechenden Steigerung der Separationsarbeit und des Separationseffekts. Dies ist mit großen Vorteilen verbunden, wodurch die Länge des Rundlaufs vermindert wird und solche Vorrichtungen preiswert machen kann.

The present invention uses the combination of methods based on centrifugal separation and acceleration of this separation by ultrasound, wherein the gas mixture rotates in a coil-shaped long space with a rectangular or trapezoidal cross-section. The ultrasonic generators are not distributed in the gas path, but placed at the end of the spiral run in funnel-shaped bulges, from which they transmit longitudinal ultrasonic waves present in a liquid in the central channel of the spiral run, which transmit by lateral membrane to the gas mixture movable in the turns of the spiral channel become.
An increase in the intensity and the frequency of the ultrasonic waves leads to a corresponding increase in the separation work and the separation effect. This is associated with great advantages, whereby the length of the concentricity is reduced and can make such devices inexpensive.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zentrifugale Separation von Gasen aus einem Gasgemisch mit Unterstützung von Ultraschall und dem dazugehöriger Gasseparator.The invention relates to a centrifugal separation of gases from a gas mixture with the assistance of ultrasound and the associated gas separator.

Zentrifugen zur Separation von Fluiden sind seit langem bekannt. So verwendet DE 10 2011 110 556 A1 eine Zentrifugation der Gaskomponenten in Stufen. Dabei wird in jeder Stufe die Separation des jeweiligen Gasgemisches bis zur Ausschöpfung des zentrifugalen Trennpotentials benutzt. Die Separation geht jedoch relativ langsam von statten, denn die innere Reibung der Moleküle setzt dem Verfahren eine zeitliche Begrenzung.Centrifuges for the separation of fluids have long been known. So used DE 10 2011 110 556 A1 a centrifugation of the gas components in stages. In each step, the separation of the respective gas mixture is used until the centrifugal separation potential is exhausted. However, the separation is relatively slow, because the internal friction of the molecules sets the process a time limit.

Die DE 10 2014 002 591 verwendet die Kombination der Verfahren basierend auf zentrifugale Trennung und Beschleunigung dieser durch Ultraschall, jedoch wird das Gas nicht in einem Rotor gehalten und rotiert, sondern das Gasgemisch rotiert durch die Beförderung in einem spiralförmigen langen Raum oder Tube mit rechteckigem Querschnitt. Dabei sind die Ultraschallerzeuger auf dem ganzen Gasweg verteilt und senden in Richtung der sich entwickelten Fliehkraft durch die Bewegung des Gases in der Spirale. Dies ist mit Vorteilen verbunden, aber verwendet eine ungleichförmige Verteilung der Ultraschallwellen und begrenzt die Intensität der Effektes der Ultraschallwellen. Zudem wirken manche reflektierte Ultraschallwellen kontraproduktiv und verlangsamen die Trennung der Gaskomponenten. Außerdem ist die Anbringung der Ultraschall-Erzeugen direkt innerhalb des Spirallaufs mit Verwirbelungen des Gasgemisches verbunden, das zu einer Verschlechterung der Separation führt. Die Verwendete Konstruktion für den Separater ist etwas umständlich und daher teuer in der Realisierung.The DE 10 2014 002 591 uses the combination of the methods based on centrifugal separation and acceleration of these by ultrasound, but the gas is not held in a rotor and rotated, but the gas mixture is rotated by the carriage in a spiral-shaped long space or tube with rectangular cross-section. The ultrasonic generators are distributed over the entire gas path and send in the direction of the centrifugal force developed by the movement of the gas in the spiral. This is advantageous, but uses a non-uniform distribution of the ultrasonic waves and limits the intensity of the effect of the ultrasonic waves. In addition, some reflected ultrasonic waves counterproductive and slow the separation of the gas components. In addition, the attachment of the ultrasonic generating directly within the spiral run associated with turbulence of the gas mixture, which leads to a deterioration of the separation. The construction used for the separate is somewhat cumbersome and therefore expensive to implement.

Die vorliegende Erfindung verbessert das Verfahren von DE 10 2014 002 591 dahingehend, dass im verwendeten Spirallauf eine gleichförmige Beaufschlagung mit Ultraschallwellen stattfindet. Diese Ultraschallwellen sind optimal gerichtet und wirken radial und senkrecht auf das bewegte Gasgemisch im Spirallauf indem diese Wellen durch ein elastisches / flexibles Membran von einer pulsierenden Flüssigkeit befindlich im zentralen Kanal des Spirallaufs übernommen werden. Die im zentralen Kanal des Spirallaufs von den am Ende des Spiralkanals angebrachten UltraschallErzeugern erzeugten longitudinalen Ultraschallwellen werden durch die Inkompressibilität der verwendeten Flüssigkeit in transversale Schallwellen umgewandelt werden, die durch das Membran auf das Gasgemisch wirken. Das verwendete System ermöglicht eine Potenzierung des Effektes der Separation durch die Erhöhung der Frequenz und der Intensität des Ultraschalls, was zu relativ kleinen Geräten / Separatoren für große Separations-Raten und Durchflüssen führt.The present invention improves the process of DE 10 2014 002 591 to the effect that in the spiral used a uniform application of ultrasonic waves takes place. These ultrasonic waves are optimally directed and act radially and perpendicular to the moving gas mixture in the spiral run by these waves are taken over by an elastic / flexible membrane of a pulsating liquid befindlich in the central channel of the spiral run. The longitudinal ultrasonic waves generated in the central channel of the spiral run from the ultrasonic generators mounted at the end of the spiral channel will be converted by the incompressibility of the liquid used into transverse sound waves acting through the membrane onto the gas mixture. The system used allows for the potentiation of the effect of separation by increasing the frequency and intensity of ultrasound, resulting in relatively small devices / separators for large separation rates and flow rates.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Zentrifuge ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.An embodiment of the method and the centrifuge according to the invention is shown in the drawings and will be explained in more detail below.

Es zeigt:

1 Längsschnitt durch die Vorrichtung
2 Querschnitt durch die Vorrichtung

It shows:

1 Longitudinal section through the device
2 Cross section through the device

Das erfindungsgemäße VerfahrenThe inventive method

Verfahren zur zentrifugalen Gasseparation mit Ultraschallunterstützung, wobei das Gasgemisch 3 unter Druck in einem Spirallauf 1 befördert wird, um durch Rotation der Gaspartikel eine zentrifugale Trennung der Gaskomponenten zu erwirken, so daß die schweren Gasanteile in Richtung der äußeren Wand tendieren läßt, während die leichten Gasanteile in Richtung der Rotationsachse tendieren,Method for centrifugal gas separation with ultrasound assistance, wherein the gas mixture 3 under pressure in a spiral run 1 is conveyed to obtain a centrifugal separation of the gas components by rotation of the gas particles, so that the heavy gas components tend toward the outer wall, while the slight gas components tend in the direction of the axis of rotation,

Während der Gasbeförderung im Spirallauf 1 wirken Ultraschallwellen 21 quer auf die Bewegungsrichtung des Gases und bewirken eine Beschleunigung der Separation der Gaskomponenten nach deren Dichte und das parallel zu der zentrifugalen Separationswirkung durch die GasrotationDuring the gas transport in the spiral run 1 act on ultrasonic waves 21 transverse to the direction of movement of the gas and cause an acceleration of the separation of the gas components according to their density and parallel to the centrifugal separation action by the gas rotation

Es findet eine gleichförmige Verteilung der Ultraschallwellen 21 an der gesamten inneren Seite des spiralförmigen Kanals 8 durch das Membran 7 statt, weil durch die Ultraschall-Erzeuger 17, 18 eine Kompression der Flüssigkeit 19 im zentralen zylindrischen Kanal 9 stattfindet - weil die Ultraschall-Erzeuger 17, 18 gegeneinander gerichtet sind -, welche bedingt durch die Inkompressibilität der Flüssigkeit 19 zu einer Übertragung der Ultraschallwellen radial auf das Membran 7 - Transversalwellen - und dadurch indirekt auf das Gasgemisch 3 enthalten im spiralförmigen Kanal 8 führt.It finds a uniform distribution of the ultrasonic waves 21 on the entire inner side of the spiral channel 8th through the membrane 7 instead, because of the ultrasonic generator 17 . 18 a compression of the fluid 19 in the central cylindrical channel 9 takes place - because the ultrasound generator 17 . 18 directed against each other - which due to the incompressibility of the liquid 19 to a transmission of ultrasonic waves radially to the membrane 7 - Transverse waves - and thereby indirectly on the gas mixture 3 contained in the spiral channel 8th leads.

Die Separationswirkung der Ultraschallwellen 21 ist eine Funktion der Intensität und der Frequenz dieser, so dass höhere Leistung und höhere Frequenz zu einer stärkeren Separation führt.The separation effect of the ultrasonic waves 21 is a function of the intensity and frequency of this, so that higher power and higher frequency results in a stronger separation.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit einem Spirallauf 1, einem Gasgemisch-Einlaß 2, wodurch das Gasgemisch 3 in die erfindungsgemäße Vorrichtung hereinkommt, einem Restgas-Ausgang 4 und einem Separiertes-Gas-Ausgang 5 versehen.The device for carrying out the method is with a spiral 1 , a mixed gas inlet 2 , whereby the gas mixture 3 enters the device according to the invention, a residual gas output 4 and a separate gas outlet 5 Provided.

Der Spirallauf 1 ausgeführt in Art einer Mutter mit Trapezgewinde oder Rechteckgewinde, hat Hunderte von parallelen Windungen 6, wobei eine Abdeckung des Muttergewindes in Richtung Gewindeachse mittels einem flexiblen / elastischen und zylindrischen Membran 7, vorgesehen ist, so dass einerseits ein spiralförmiger Kanal 8 mit trapezförmigen oder rechteckigen Profil entsteht, während auf der anderen Seite des Membran 7 ein zentraler zylindrischer Kanal 9 entsteht; dabei ist das Membran 7 an der Innenseite des Muttergewindes bzw., des Spirallaufs 1 luftdicht geklebt.The spiral run 1 designed in the style of a nut with trapezoidal thread or rectangular thread, has hundreds of parallel turns 6 , wherein a cover of the nut thread in the direction of the threaded axis by means of a flexible / elastic and cylindrical membrane 7 , is provided, so that on the one hand a spiral channel 8th with trapezoidal or rectangular profile arises while on the other side of the membrane 7 a central cylindrical channel 9 arises; Here is the membrane 7 on the inside of the nut thread or, the spiral run 1 glued airtight.

Am Anfang des spiralförmigen Kanals 8 steht der Gasgemisch-Einlaß 2, welcher eine Zuführung des Gasgemisches 3 von außen tangential an den spiralförmigen Kanal 8 schafft und an dessen Ende, bezogen auf die Fliessrichtung des Gasgemisches 3, ein keilförmiger Gasseparator 10 vorgesehen ist, welcher auf der nach außen gerichtete Seite den Separiertes-Gas-Ausgang 5 und auf der nach innen gerichtete Seite den Restgas-Ausgang 4 aufweist; dabei blockiert der Gasseparator 10 mit seiner Rückseite den spiralförmigen Kanal 8 und lenkt die separierten Gasströme tangential zum spiralförmigen Kanal 8 nach außen.At the beginning of the spiral channel 8th is the gas mixture inlet 2 , which is a supply of the gas mixture 3 from the outside tangent to the spiral channel 8th creates and at its end, based on the flow direction of the gas mixture 3 , a wedge-shaped gas separator 10 is provided, which on the outward side of the separated gas outlet 5 and on the inboard side the tail gas outlet 4 having; while blocking the gas separator 10 with its back the spiral channel 8th and directs the separated gas streams tangentially to the spiral channel 8th outward.

Der zentrale zylindrische Kanal 9 mündet an seinen beiden Enden in je einem trichterförmigen Raum 11, 12, der durch den Trichter 13 und Trichter 14 an dem Spirallauf 1 befestigt ist.The central cylindrical channel 9 opens at its two ends in a funnel-shaped room 11 . 12 passing through the funnel 13 and funnels 14 at the spiral run 1 is attached.

Zwei starre Abdeckungen 15, 16 bedecken die zwei Trichter 13, 14 nach außen, so dass ein geschlossener Raum bestehend aus den trichterförmigen Räumen 11,12 und dem zentralen zylindrischen Kanal 9 entsteht, welcher mit einer neutralen und elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit 19 gefüllt ist.Two rigid covers 15 . 16 cover the two funnels 13 . 14 to the outside, leaving a closed space consisting of the funnel-shaped spaces 11.12 and the central cylindrical channel 9 arises, which with a neutral and electrically non-conductive fluid 19 is filled.

Mindestens einen, aber in der Regel mehrere, Ultraschall-Erzeuger 17, 18 sind an den Innenseiten der Abdeckungen 15, 16 angebracht, die in Richtung des Spirallaufs 1 gerichtet sind.At least one, but usually several, ultrasonic generators 17 . 18 are on the insides of the covers 15 . 16 attached in the direction of the spiral run 1 are directed.

An den Seitenteile der Trichter 13, 14 sind Abfüllstutzen 24, 25 für die Flüssigkeit 19 sowie isolierte Durchführungen 22, 23 für die elektrischen Anschlüsse der Ultraschall-Erzeuger 17, 18 vorgesehen.At the side parts of the funnels 13 . 14 are filling nozzles 24 . 25 for the liquid 19 as well as isolated bushings 22 . 23 for the electrical connections of the ultrasonic generator 17 . 18 intended.

Die Ultraschall-Erzeuger 17, 18 sind elektrisch an einem Signalgenerator 20 mit einer Frequenz über 20 kH angeschlossen, so dass diese Signal-Erzeuger 17, 18 synchrone Ultraschallwellen 21 aussenden, die von beiden Seiten der Trichter 13, 14 zum Spirallauf 1 gerichtet sind, so dass longitudinale Ultraschallwellen 21 in der Flüssigkeit 19 vorhanden sind.The ultrasound generator 17 . 18 are electrically connected to a signal generator 20 connected to a frequency over 20 kH, so this signal generator 17 . 18 synchronous ultrasonic waves 21 send out from both sides of the funnel 13 . 14 to the spiral run 1 are directed so that longitudinal ultrasonic waves 21 in the liquid 19 available.

Der Abstand „a“ zwischen dem Gasseparator 10 (an seiner Spitze) zu Innenrand des spiralförmigen Kanals 8 ist proportional mit dem Anteil der abgeführten leichten Gaskomponente oder Restgas und der Abstand „b“ zwischen dem Gasseparator 10 und dem Außenrand des spiralförmigen Kanals 8 ist proportional mit dem Anteil der abgeführten schweren Gaskomponente oder Separierten-Gas. Die Auswahl dieser Werte ermöglicht eine Einstellung für die optimale Trennung der Gaskomponenten für eine ganz bestimmte Konzentration der Gaskomponenten.The distance "a" between the gas separator 10 (at its tip) to the inner edge of the spiral channel 8th is proportional to the proportion of discharged light gas component or residual gas and the distance " b "Between the gas separator 10 and the outer edge of the spiral channel 8th is proportional to the proportion of discharged heavy gas component or separated gas. The selection of these values allows a setting for the optimal separation of the gas components for a specific concentration of the gas components.

Claims

Method for centrifugal gas separation with ultrasound assistance, a. Wherein the gas mixture (3) under pressure in a spiral run (1) is conveyed to obtain by rotation of the gas particles, a centrifugal separation of the gas components, so that the heavy gas components tend towards the outer wall, while the slight gas fractions in the direction of Rotational axis tend, characterized in that b. During the gas conveyance in the spiral run (1), ultrasonic waves (21) act transversely to the direction of movement of the gas and cause acceleration of the separation of the gas components according to their density and parallel to the centrifugal separation action by the gas rotation c. Wherein a uniform distribution of the ultrasonic waves (21) on the entire inner side of the spiral channel (8) through the membrane (7) takes place, because by the ultrasonic generators (17, 18) compression of the liquid (19) in the central cylindrical channel (9) takes place - because the ultrasonic generators (17, 18) are directed against each other - which due to the incompressibility of the liquid (19) to a transmission of ultrasonic waves radially to the membrane (7) - transverse waves - and thereby indirectly to the Gas mixture (3) contained in the spiral channel (8) leads, d. Wherein the separation action of the ultrasonic waves (21) is a function of the intensity and the frequency thereof, so that higher power and higher frequency leads to a stronger separation, e. Wherein the distance "a" between the gas separator (10) (at its tip) to the inner edge of the spiral channel (8) is proportional to the proportion of discharged light gas component or residual gas and the distance "b" between the gas separator (10) and Outer edge of the spiral channel (8) is proportional to the proportion of discharged heavy gas component or separated gas.

Apparatus for carrying out the method according to Claim 1 provided with a spiral (1), a gas mixture inlet (2), whereby the gas mixture (3) enters the device according to the invention, a residual gas outlet (4) and a separate gas outlet (5) characterized in that a , the spiral run (1) has the design of a nut with a trapezoidal or rectangular thread, hundreds of parallel turns (6), with a covering of the nut thread in the direction Thread axis by means of a flexible / elastic and cylindrical membrane (7), is provided so that on the one hand, a spiral channel (8) with trapezoidal or rectangular profile is formed, while on the other side of the membrane (7), a central cylindrical channel (9) ; In this case, the membrane (7) on the inside of the nut thread or, the spiral run (1) is glued airtight, b. wherein at the beginning of the spiral channel (8) of the gas mixture inlet (2), which provides a supply of the gas mixture (3) from the outside tangentially to the spiral channel (8) and at its end, based on the flow direction of the gas mixture (3 ), a wedge-shaped gas separator (10) is provided, which on the outward side of the separated gas outlet (5) and on the inboard side of the residual gas outlet (4); In this case, the gas separator (10) blocks with its rear side the spiral-shaped channel (8) and deflects the separated gas streams tangentially to the spiral-shaped channel (8) to the outside, c. the central cylindrical channel (9) opening at each of its two ends into a funnel-shaped space (11, 12) fixed to the spiral run (1) through the funnel (13) and funnel (14), d. wherein two rigid covers (15, 16) cover the two funnels (13, 14) outwards so as to form a closed space consisting of the funnel-shaped spaces (11, 12) and the central cylindrical channel (9), which is neutral and electrically non-conductive liquid (19) is filled, e. wherein at least one, but usually a plurality of ultrasonic generators (17, 18) on the inner sides of the covers (15, 16) are mounted, which are directed in the direction of the spiral run (1).

Device after Claim 2 , characterized in that on the side parts of the funnels (13, 14) filling nozzles (24, 25) for the liquid (19) are provided and insulated bushings (22,23) for the electrical connections of the ultrasonic generator (17, 18) are placed

Device after Claim 2 and 3 Characterized in that the ultrasonic generator (17, 18) electrically connected to a signal generator (20) at a frequency above 20 kHz, so that sending this signal generator (17, 18) synchronous ultrasonic waves (21), of Both sides of the funnels (13, 14) are directed to the spiral run (1), so that longitudinal ultrasonic waves (21) are present in the liquid (19).