DE112004002392B4

DE112004002392B4 - Verfahren zur Absorption eines Gases in einer Flüssigkeit sowie eine Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE112004002392B4
Application number: DE112004002392.0T
Authority: DE
Inventors: Robert Johansson; Yngve Lundgren; Sam Marklund
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Outotec Oyj
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: WO2005058466A1; CN100420510C; US20080006154A1; DE112004002392T5; EA010123B1; SE0303390L; SE526123C2; EA200600924A1; SE0303390D0; US7624970B2; CN1894023A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lösung aus einem Gases in einer Flüssigkeit, in der das Gas löslich ist, wobei die Lösung eine vorbestimmte Konzentration bis hin zur Sättigung hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und die Flüssigkeit unter einer gesteuerten Zufuhr in einem Verhältnis entsprechend der vorbestimmten Lösungs-Konzentration zusammengebracht werden, dass das Gas und die Flüssigkeit zur Bildung eines Stroms veranlasst werden, der durch eine gemeinsame Leitung in Form einer kontinuierlichen Rohr-Wendel, die mit einer Mehrzahl von aufwärtig und abwärtig gerichteten Rohrteilen gebildet ist, geführt wird, dass das Gas und die Flüssigkeit in dem Strom zu einer Durchmischung unter der Wirkung der Gravitation veranlasst werden, und dass die Durchmischung wiederholt wird, bevor das Gas und die Flüssigkeit separiert werden, so dass das Gas im Wesentlichen in der Flüssigkeit absorbiert ist, womit eine Gas-Flüssigkeits-Lösung der vorbestimmten Konzentration gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Lösung eines Gases in einer Flüssigkeit, in der das Gas löslich ist, wobei die Lösung eine bis zur Sättigung reichende vorbestimmte Konzentration hat, sowie eine Vorrichtung dafür.
Das Lösen eines Gases in einer Flüssigkeit wird im Allgemeinen als Absorption bezeichnet und kann auf verschiedene bekannte und übliche Weisen stattfinden. Die Absorption kann in einem Turm ausgeführt werden, einem so genannten Absorptions-Turm, in dem das Gas im Gegenstrom relativ zu einer zirkulierenden Flüssigkeit strömt. Sie kann ebenso mittels einer Flüssigkeitsstrahlpumpe erfolgen, wobei die Absorption in im Strahl der Flüssigkeit gebildeten sehr kleinen Tröpfchen abläuft. Verschiedene andere Techniken können ebenso eingesetzt werden, zumeist im Gegenstrom, so dass die größtmögliche Kontaktfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit für die Absorption bereitgestellt wird.
Den bekannten Verfahren zur Ausführung einer Absorption sowie den existierenden Absorptions-Vorrichtungen ist gemein, dass sie einer mehr oder weniger kontinuierlichen manuellen Überwachung bedürfen. Sie erfordern ebenso ein System aus Komponenten, die groß oder kompliziert sein können. Dies ist hinsichtlich dessen Effektivität, Raumanforderungen, Sicherheitsaspekten, Betriebsanforderungen und Wirtschaftlichkeit unerwünscht, wenn das Verfahren Teil eines komplexen Prozesses bildet. Es ist oft notwendig, die Absorption innerhalb eines breiten Intervalls von Strömungsraten auszuführen und die Konzentration der herzustellenden Lösung auszuwählen. Es kann ebenso notwendig sein, dass das Gas annähernd vollständig von der Flüssigkeit absorbiert sein muss, so dass keinerlei Bedarf besteht, sich um das manchmal giftige oder umweltschädliche Gas zu kümmern. Überdies wird aus Gründen einer Raumeinsparung oder hinsichtlich des verwendeten Materials nach geringen Abmessungen gefragt.
In dem Dokument US 1,853,045 ist eine Mischapparatur aus dem Jahre 1932 aufgezeigt, bei der eine Mischung aus Wasser und Ozon eine vertikale Wendel in einem Turm durchläuft, um so die Gravitationskraft zur Durchmischung zu nutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine geeignete Vorrichtung zum Ausführen einer gesteuerten Gas-Flüssigkeitsabsorption ohne extensive Überwachung des Verfahrens vorzusehen, und gleichzeitig im Wesentlichen die anfangs erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung beinhalten nun die Merkmale, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind.
Gemäß der Erfindung werden das Gas und die Flüssigkeit in einer gesteuerten Zufuhr in einem Verhältnis zusammengebracht, wie es der vorbestimmten Konzentration der Lösung entspricht. Das Gas und die Flüssigkeit werden dazu gebracht, einen Strom zu bilden, der durch einen gemeinsamen Kanal strömt. Das Gas und die Flüssigkeit werden mit Hilfe der Gravitationskraft miteinander gemischt, wobei der Mischvorgang wiederholt wird, bevor sich das Gas und die Flüssigkeit separieren können, so dass das Gas im Wesentlichen in der Flüssigkeit absorbiert wird, womit eine Gas-Flüssigkeits-Lösung der vorbestimmten Konzentration gebildet wird.
Vorzugsweise wird das Verfahren derart ausgeführt, dass der Strom zur Intensivierung der Durchmischung des Gases und der Flüssigkeit in Turbulenz gebracht wird. In geeigneter Weise wird der Mischvorgang bei einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks ausgeführt.
Das Verfahren ist im Allgemeinen für jegliche Kombination aus Gas und Flüssigkeit anwendbar, insbesondere bei Kombinationen, bei denen das Ausführen der Absorption kompliziert ist, wenn beispielsweise die Löslichkeit gering ist. Das Verfahren ist insbesondere für die Absorption von Chlorgas in Wasser geeignet, wenn eine Chlorgaslösung angestrebt ist, deren Konzentration innerhalb eines breiten Bereichs gewählt ist, und die einen breiten Bereich an Strömungsraten hat, wobei darüber hinaus geringe Abmessungen der Vorrichtung mehr oder weniger ein Muss hinsichtlich von Problemen betreffend die Materialien und die Umwelt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Leitung mit einer kontinuierlichen Rohr-Wendel, die mit einer Mehrzahl aufwärtig und abwärtig gerichteter Abschnitte gebildet ist. Vorteilhafterweise sind die die Turbulenz bildenden Elemente innerhalb der Rohr-Wendel angeordnet und vorzugsweise ist ein Druckhalteventil vorgesehen, um einen vorbestimmten Überdruck in der Leitung aufrechtzuerhalten. Zumindest die Rohr-Wendel ist vorzugsweise in einer druckgeschützten Schutzummantelung installiert. Die Rohr-Wendel kann geeigneterweise mit Manschetten-Körpern (packing bodies) und/oder Brechkanten oder Schwallklappen zum Intensivieren der Vermischung des Gases und der Flüssigkeit versehen sein. Vorzugsweise ist die Rohr-Wendel als eine horizontale Helix mit einer Länge geformt, die gemäß dem auszuführenden Absorptionsprozess variieren kann.
Die Erfindung wird nun in größerem Detail mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die das Prinzip einer bevorzugten Vorrichtung zum Ausführen der Absorption veranschaulicht.
Die Absorption eines Gases in einer Flüssigkeit wird durch eine gesteuerte Zufuhr an Gas, wie beispielsweise Chlorgas, in eine Leitung A, und an Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, in eine Leitung B in einem Leitungssystem vollzogen. Während des Zyklus der Absorption kann ein konstantes Verhältnis zwischen der Gas-Strömungsrate und der Flüssigkeits-Strömungsrate in dem System mittels einer Begrenzervorrichtung 2 für das Gas und einer Begrenzervorrichtung 4 für die Flüssigkeit aufrechterhalten werden. Drücke können in dem System mittels einer Anzahl von Druckanzeigern (P1) gemessen und die Strömungsraten können mittels einer Anzahl von Strömungsanzeigern (F1) in den Leitungen gemessen werden. Die Ströme an Gas und Flüssigkeit treffen sich, woraufhin ein dispersives Durchmischen des Gases mit der Flüssigkeit stattfindet, und die Flüssigkeit in dem System unter einem bestimmten Überdruck zu einem verfahrenstechnischen Weitertransport durch eine kontinuierliche Rohr-Wendel 5 veranlasst wird, die mit einer Mehrzahl sich aufwärts und abwärts erstreckender Rohrteile gebildet ist, die eine horizontale Helix oder eine in ähnlicher Weise geformte Struktur bilden. Wenn das Gas und die Flüssigkeit durch die Windungen der Wendel 5 geschickt werden, werden sie wiederholt durchmischt, so dass ein bevorzugter Kontaktbereich zwischen dem Gas und der Flüssigkeit konstant aufrechterhalten wird. Um das Durchmischen zu intensivieren, ist die Rohr-Wendel 5 geeigneterweise mit Elementen versehen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, wie beispielsweise Schwallklappen, um in dem fließenden Strom eine Turbulenz hervorzurufen und dadurch die Absorption effizienter zu gestalten. Die Anzahl der Windungen der Rohr-Wendel kann ebenso variieren, um die Absorption zu optimieren. Überdies kann die Rohr-Wendel mit Manschetten-Körpern versehen sein (packing bodies) die der Absorption dienen, so dass eine kürzere Rohr-Wendel 5 verwendet werden kann. Mittels einem Druckhalteventil 6 wird ein Überdruck (P4) in der Apparatur aufrechterhalten, um das Verfahren zu beschleunigen. Die Gas-Flüssigkeitsmischung verlässt das Leitungssystem durch einen Anschluss C.
Aus Sicherheitsgründen kann es wichtig sein, einen Rückstrom in der Gasleitung A und in der Flüssigkeitsleitung B zu verhindern. Hierzu sind gewöhnliche Rückschlagventile nicht geeignet, und es wird bevorzugt, die Drücke in diesen Leitungen zu überwachen. Die zu befriedigende Bedingung ist, dass die Drücke P1 > P2 > P3 sind, wobei die Ventile 1 und 3 zur Verhinderung einer Rückströmung automatisch geschlossen werden, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist. Es ist ebenso möglich, die Strömungsraten q₁ und q₂ zu überwachen und zu steuern, um einen Rückstrom zu verhindern.
Die Erfindung schafft eine Anzahl wichtiger Vorteile im Vergleich mit Verfahren im Stand der Technik. Diese Vorteile können wie folgt zusammengefasst werden.

– Die Absorption ist innerhalb eines breiten Bereichs von Strömungsraten effektiv, weil die Durchmischung an Gas und Flüssigkeit nur mit Hilfe der Gravitation erfolgt und sie für jede Windung der Wendel wiederholt wird, verglichen mit beispielsweise einem statischen Mixer oder einer ähnlichen Apparatur, bei der eine adäquate Turbulenz nur innerhalb eines schmalen Bereichs von Strömungsraten erhalten wird.
– Die Absorption kann mittels Bruchkanten, Schwallklappen oder Manschetten-Körpern in der Rohr-Wendel effizienter gemacht werden, womit eine erhöhte Turbulenz und ein verbesserter Kontakt zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vorgesehen sind.
– Die Absorption kann ferner beschleunigt werden, indem das System unter einen geeigneten vorbestimmten Überdruck gesetzt wird. Die teuren Materialien, die bei korrosiven Umgebungen oft erforderlich sind, wie beispielsweise bei Chlor, sprechen für eine kompakte materialeinsparende Einheit.
– Es besteht kein Bedarf an einer separaten Entsorgung von Gas, weil die Flüssigkeits-Strömungsrate für die Lösung des Gases einjustiert wird.
– Bei einer Verarbeitung von Chlor enthält das System weniger Chlor als dies demgenüber möglich wäre, womit weniger chloriniertes Wasser zu verarbeiten ist. Im Ergebnis ist die Gefahr einer Leckage geringer und demgemäß liegt eine verbesserte Umgebung und auch eine verbesserte Personalsicherheit vor.
– Es besteht kein Bedarf an einer zirkulierenden Menge von Flüssigkeit, was bedeutet, dass es nur einen "einzelnen" Strömungsweg gibt.
– Eine kompakte Konstruktion ist möglich, die es erlaubt, die Rohr-Wendel und möglicherweise das gesamte System in einem druckgeprüften Gehäuse unterzubringen, wenn insbesondere strenge Anforderungen an die Umwelt und Sicherheit zu beachten sind.
– Die Vorrichtung wird als weniger kostspielig als bestehende Systeme erachtet, weil deren Komponenten und/oder Bestandteile geringe Abmessungen haben können.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lösung aus einem Gases in einer Flüssigkeit, in der das Gas löslich ist, wobei die Lösung eine vorbestimmte Konzentration bis hin zur Sättigung hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und die Flüssigkeit unter einer gesteuerten Zufuhr in einem Verhältnis entsprechend der vorbestimmten Lösungs-Konzentration zusammengebracht werden, dass das Gas und die Flüssigkeit zur Bildung eines Stroms veranlasst werden, der durch eine gemeinsame Leitung in Form einer kontinuierlichen Rohr-Wendel, die mit einer Mehrzahl von aufwärtig und abwärtig gerichteten Rohrteilen gebildet ist, geführt wird, dass das Gas und die Flüssigkeit in dem Strom zu einer Durchmischung unter der Wirkung der Gravitation veranlasst werden, und dass die Durchmischung wiederholt wird, bevor das Gas und die Flüssigkeit separiert werden, so dass das Gas im Wesentlichen in der Flüssigkeit absorbiert ist, womit eine Gas-Flüssigkeits-Lösung der vorbestimmten Konzentration gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zur Intensivierung der Durchmischung des Gases und der Flüssigkeit in Turbulenz gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmischung bei einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks vollzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Chlor und die Flüssigkeit Wasser ist.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente in der Rohr-Wendel (5) vorgesehen sind, die eine Turbulenz verursachen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Druckhalteventil (6), das einen vorbestimmten Überdruck in der Leitung aufrechterhält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Rohr-Wendel (5) in einem geschützten drucksicheren Gehäuse installiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohr-Wendel (5) mit Manschetten-Körpern und/oder Brechkanten, Schwallblechen versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohr-Wendel (5) als eine Horizontal-Helix geformt ist.