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Verfahren zum Abscheiden von in einem Gas suspendierten festen und
flüssigen kleinsten Teilchen Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Vergrößerung
der in einem Gas suspendierten festen und flüssigen Teilchen durch Elüssigkeitsanlagerung
an denselben zum Zwecke einer verbesserten Abscheidung dieser Teilchen in Filtern,
die so beschaffen sind, daß sie durch den hierbei entstandenen Flüssigkeitsnebel
nicht verstopft oder in ihrer Filterwirkung nicht beeinträchtigt werden.
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Die Möglichkeit, in einem Gas suspendierte Teilchen aus diesem abzuscheiden,
hängt bekanntlich in starkem Maße von der Größe der Teilchen ab. Dies gilt sowohl
für Zyklone, mechanische Filter als auch für Elektrofilter. Teilchen unter einer
bestimmten Mindestgröße werden vom Filter nicht zurückgehalten, sondern verbleiben
in dem Trägergas. Besonders schädlich ist diese Tatsache beispielsweise bei der
Reinigung von Gesteinsstaub enthaltender Luft, da gerade die kleinsten, im Filter
nicht zurückgehaltenen Teilchen diejenigen sind, die beim Einatmen bis zur Lunge
vordringen und die gefürchtete Silikose hervorrufen. Hier wäre ein typisches Anwendungsfeld
der Erfindung. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Reinigung der Atemluft
von giftigen, submikroskopisch kleinen, festen oder flüssigen Teilchen und das Abfangen
submikroskopisch kleiner Metalloxydteilchen aus den Abgasen von Elektroöfen, kurz
die Reinigung von Gasen, vornehmlich Luft, von störenden oder schädlichen Beimischungen
submikroskopisch kleiner Teilchen.
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Die Erfindung bezweckt, die zu filternden Teilchen in einem dem Filterbetrieb
angepaßten, kontinuierlichen Prozeß durch Flüssigkeitsanlagerung dermaßen zu vergrößern,
daß auch die ursprünglich submikroskopisch kleinen Teilchen mit Zyklonen oder sonstigen
für größere Partikeln geeigneten Filtern abgeschieden werden können. Hierbei wird
die aus der Natur bekannte Erscheinung ausgenutzt, daß solche kleinen Teilchen in
feuchtigkeitsübersättigter Atmosphäre als Kondensationskerne für den im Gas enthaltenen
Flüssigkeitsdampf wirksam sind.
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Um die Anlagerung von Flüssigkeit an die im Gas befindlichen Kondensationskerne
zu erreichen, muß nach dem bisherigen Stand der Verfahrenstechnik das Gas befeuchtet,
durch einen Kompressor in einen Windkessel auf einen Druck von etwa 5 atü komprimiert
und nach erfolgter Kompression in einem weiteren Arbeitsgang plötzlich über ein
Drosselventil in einen zweiten Behälter entspannt werden, wobei die Bildung von
Nebeltröpfchen im letzteren Behälter durch Zerstäuben von Flüssigkeit unterstützt
werden kann. Dies Verfahren hat sich wegen des verhältnismäßig sehr hohen Energieaufwandes
und der Diskontinuierlichen Betriebsweise in der Praxis nicht durchgesetzt.
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Mit der Erfindung werden nun diese Nachteile des Hochdruckverfahrens
vermieden. Durch eine sinnvolle Kombination an sich bekannter Verfahrensschritte
ist es gelungen, mit wirtschaftlichem Energieaufwand ein normales, Kondensationskerne
enthaltendes Gas, wie z. B. atmosphärische Luft, nach einem kontinuierlichen Niederdruckverfahren
in einen dichten Nebel von gleicher oder - je nach Bedarf - abweichender Temperatur
zu verwandeln, dessen Tröpfchen mitsamt ihren Kondensationskernen mittels normaler
Filter, z. B. Elektrofilter, abgeschieden werden können.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß das zu
reinigende Gas in kontinuierlichem Strom zuerst durch Verdichtung auf eine höhere
Temperatur gebracht, dann isobar gekühlt und darauf unter Leistung mechanischer
Arbeit in einer Entspannungsturbine wieder entspannt und, spätestens vor der isobaren
Kühlung, so viel Flüssigkeit in zerstäubter Form in das Glas injiziert wird, wie
nötig ist, um es nach der isobaren Kühlung nahezu mit Feuchtigkeit zu sättigen und
bei der Entspannung den Taupunkt zu überschreiten.
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Da die spezifische Aufnahmefähigkeit eines Gases für Flüssigkeitsdampf
in starkem Maße mit der Temperatur anwächst, sind mit der durch Kompression erzeugten
Temperaturerhöhung die Bedingungen für eine Verdampfung der zerstäubten Flüssigkeit
meistens schon so verbessert, daß die feinverstäubte Flüssigkeit genügend schnell
verdampft und demzufolge keine großen Räume für einen längeren Aufenthalt des Gases
im komprimierten Zustand vorgesehen werden müssen. Auf jeden Fall wird das Gas bei
dem
anschließenden isobaren Wärmeentzug eines im Gasstrom liegenden
Wärmeaustauschers nahezu mit Flüssigkeitsdampf gesättigt und bei der nachfolgenden
Entspannung unter Leistung mechanischer Arbeit unter die Taupunktstemperatur abgekühlt.
Da hierbei die relative Feuchtigkeit des Gases über 1.00/o steigt, muß der Flüssigkeitsdampf
kondensieren und sich unter anderem als Flüssigkeit an den im Gas suspendierten
Staubteilchen und Kondensationskernen anlagern, also Nebeltröpfchen bilden.
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Zwar wurde auch schon bei dem bekannten Hochdruckverfahren das Gas
befeuchtet, verdichtet und entspannt, doch hatte man bisher nicht erkannt, daß erst
mit einer isobaren Kühlung des komprimierten Gases die Voraussetzung einerseits
zur Umwandlung der Kondensationskerne in Dunsttröpfchen und andererseits zur Herstellung
eines tJbersättigungszustandes gegeben ist, bei welchem das Anwachsen der meisten
submikroskopischen Dunsttröpfchen zu mikroskopischen Nebeltröpfchen überhaupt erst
möglich ist. Die isobare Kühlung ist als Verfahrensschritt bisher nicht bei dem
Hochdruckverfahren in Betracht gezogen worden. Das Aufnahmevermögen für Flüssigkeitsdampf
nimmt ja mit der Abkühlung des Gases ab, und so wird auch die bei der anschließenden
Expansion erzielbare Übersättigung geringer. Erfindungsgemäß wird das Gas jedoch
durch diesen Verfahrensschritt bereits im verdichteten Zustand nahezu in den Sättigungszustand
versetzt, in welchem den Kondensationskernen Zeit und Gelegenheit gegeben ist, sich
durch Bildung submikroskopisch kleiner Dunsttröpfchen für eine schnelle Kondensation
von Flüssigkeit und das Anwachsen zu mikroskopisch kleinen Nebeltröpfchen während
der nur kurz dauernden Übersättigung im nachfolgenden Entspannungsvorgang zu präformieren.
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Infolge dieser Präformierung der Kondensationskerne gelingt die Beschwerung
mit größeren Nebeltröpfchen bereits in einem Niederdruckverfahren, sofern die Entspannung
wenigstens teilweise di ab atisch reversibel in einer Arbeit leistenden Entspannungsturbine
vorgenommen wird. Gemeint ist hiermit, daß die vom Gas geleistete Entspannungsarbeit
so weit als irgend möglich als mechanische Arbeit und nicht, wie bei dem bekannten
Verfahren, in ungeordneten, irreversiblen Wirbelbewegungen verbraucht wird. Wie
sich an Hand eines Temperatur-Entropie-Diagramms zeigen läßt, ist die Abkühlung
bei der Gasentspannung durch eine Turbine von beispielsweise 1,2 atü auf 1 atü etwa
60mal größer als bei einer Entspannung über ein Drosselventil von 5,0 atü auf 1
atü.
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Daß sich Gas bei der Entspannung durch eine Turbine stärker abkühlt
als bei der Entspannung über ein Drosselventil ist an sich seit langem bekannt,
und es werden daher Entspannungsturbinen mit Vorteil zur Kühlung von Gasen, insbesondere
auch zu einer Tiefkühlung bis in die Nähe der Gasverflüssigung verwendet. Das erfindungsgemäße
Verfahren zieht aus dieser bekannten Tatsache besonderen Nutzen insofern, als es
sie zur Herstellung ungleich höherer, kurzzeitig währender Übersättigungsgrade heranzieht,
bei denen auch jene zahlreichen Teilchen zur Kondensation von Flüssigkeit veranlaßt
werden, die bei kleinen Übersättigungsgraden noch nicht als Kondensationskerne wirksam
sind. Dies ist zugleich die Erklärung dafür, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
trotz Herabsetzung der Kompression von 400 auf 20 °/o, also trotz Verkleinerung
des Energie-
aufwandes auf den 20sten Teil eine so bedeutend größere Zahl von Kondensationskernen
mit Nebeltröpfchen beschwert werden, was sich in der Bildung eines außerordentlich
dichten Nebels äußert.
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Der Einschaltung einer isobaren Kühlung als besonderen Verfahrensschritt
kommt im erfindungsgemäßen Verfahren auch noch in anderer Hinsicht Bedeutung zu.
Da bei allen mechanischen Teilprozessen des Verfahrens in Wirklichkeit die Entropie
ständig vermehrt wird, also auch Verdichtung und Entspannung nicht rein adiabatisch
reversibel verlaufen, würde das Gas ohne isobare Kühlung nach der Entspannung auf
den Ausgangsdruck eine höhere Temperatur als vor der Verdichtung bzw. als die Umgebung
aufweisen. Das hätte aber zur Folge, daß sich aus dem mit Feuchtigkeit gesättigten
Gas Flüssigkeit an Apparateteilen der angeschlossenen Filterapparatur niederschlügen,
wodurch beispielsweise die Kriechströme an den Isolatoren des Elektrofllters unzulässig
groß werden oder das abscheidende Feld gar zusammenbrechen würde. Das Niederschlagen
von Flüssigkeit aus der Dampfphase kann nun aber erfindungsgemäß völlig verhütet
werden, indem dem Aerosol nach der Kompression Wärme in einem solchen Maße entzogen
wird, daß der nach der Entspannung entstandene Nebel etwas kühler ist als seine
Umgebung bzw. das von ihm durchströmte Filter.
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Um die zerstäubte Flüssigkeit schon möglichst vollkommen vor der
isobaren Entspannung des Gases verdampfen zu lassen, wird sie dem Gas vorzugsweise
schon vor seiner Verdichtung zugeführt. Es ist auch zweckmäßig, die Flüssigkeit
oder das mit der Flüssigkeit beladene Aerosol vor seiner Verdichtung zu erwärmen,
insbesondere durch Wärmeaustausch mit dem komprimierten Gas, es sei denn, daß sich
das zu reinigende Gas schon auf einer gegenüber der Umgebung erhöhten Temperatur
befindet und sich daher die in ihm enthaltene Wärme zur beschleunigten Verdampfung
der zerstäubten Flüssigkeit ausnutzen läßt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es gewöhnlich
von Vorteil, die bei der Entspannung gewonnene mechanische Leistung dem Verdichter
zuzuführen, beispielsweise durch kraftschlußmäßige Kupplung der Entspannungsturbine
mit dem rotierenden Gasverdichter und dessen Antriebsmotor. In diesem Falle kommt
man mit einem Antriebsmotor kleinerer Leistung aus, der lediglich die Verluste von
Verdichter und Entspannungsturbine zu decken hat.
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Um die Flüssigkeit recht gleichmäßig im Gas zu zerstäuben, kann z.
B. ein rotierender Zentrifugalzerstäuber in der Bahn des strömenden Gases angeordnet
sein, welcher mit dem Gasverdichter gekuppelt ist.
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Unter einem Gasverdichter werden dabei alle Einrichtungen verstanden,
die zur Druckerhöhung herangezogen werden können. Da es sich im allgemeinen aber
um eine geringfügige Druckerhöhung handelt, werden vorzugsweise Ventilatoren oder
offene, einstufige Gebläse hierzu verwendet. Auch die Entspannungsturbine wird normalerweise
nur einen einzigen Schaufelkranz besitzen. Als Flüssigkeit verwendet man vorzugsweise
Wasser. Wenn in der Beschreibung die Ausdrücke »Feuchtigkeit« und »relative Feuchtigkeit«
verwendet werden, so sollen diese jedoch nicht nur für das System Luft-Wasserdampf,
sondern auch für beliebige andere Dämpfe in beliebigen Gasen Geltung haben.
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Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung dienen zur beispielsweisen Erläuterung
des Verfahrens.
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Fig. 1 zeigt den Antriebsmotor 1, welcher über eine Kupplung 2 den
Verdichter 3 antreibt, mit dem durch gleiche Welle 4 die Entspannungsturbine 5 gekuppelt
ist. Der Auslaß 6 des Verdichters 3 ist mit dem Einlaß 7 der Entspannungsturbine
5 über die Primärseite eines Wärmeaustauschers 8 verbunden, dessen Sekundärseite
zwischen den Einlaß 9 des Verdichters und die Befeuchtungseinrichtung 10 geschaltet
ist. Diese Befeuchtungseinrichtung 10 ist in Fig. 1 als Zerstäuber mit der Zerstäuberdüse
11, der Flüssigkeitszuführung 12 und dem Gaseintritt 13 dargestellt. Sie kann jedoch
in jeder anderen zweckentsprechenden Weise, z. B. als Oberffächenverdunster oder,
wie in Fig. 2 gezeigt, als Zentrifugalzerstäuber ausgebildet sein.
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Weiter ist in Fig. 1 das Abscheidefilter 15 angedeutet, durch welches
das Gas nach Verlassen der Entspannungsturbine 5 hindurchgeleitet wird.
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Fig. 2 zeigt eine etwas andere Schaltung. Hierbei wird die Flüssigkeftszuführung
12 über die Sekundärseite des Wärmeaustauschers 8 zugeführt, bevor sie in den auf
der gemeinsamen Welle 4 mit der Turbine 5 und dem Verdichter 3 angeordneten Zentrifugalzerstäuber
14 eintritt.
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Die Wirkungsweise der beiden Einrichtungen ist folgende: Das mit
den abzuscheidenden Teilchen beladene Gas tritt bei 13 in die Apparatur ein. Es
wird mittels der Sprüheinrichtung 10 bzw. in dem Zentrifugalzerstäuber 14 mit einer
durch die Leitung 12 geförderten Flüssigkeit angereichert und danach in den Verdichter
3 eingeleitet. Die Flüssigkeit kann, wie in Fig. 2 dargestellt, vor der Zerstäubung
mittels eines Wärmeaustauschers 8 angewärmt werden, oder es kann das angefeuchtete
Gas wie in Fig. 1 zwecks Erwärmung durch diesen Wärmeaustauscher 8 hindurchgeführt
werden. Das komprimierte Gas-Teilchen-Flüssigkeitströpfchen-Aerosol durchläuft nach
Verlassen des Verdichterstutzens 6 die Primärseite des Wärmeaustauschers, in welchem
es Wärme abgibt, und tritt durch den Stutzen 7 in die Entspannungsturbine 5 ein,
wo es unter Abgabe von mecha-
nischer Arbeit an den Verdichter 3 annähernd adiabatisch
reversibel entspannt und dabei bis zur Unterschreitung der Taupunktstemperatur abgekühlt
wird. An die nunmehr als Kondensationskerne wirkenden submikroskopischen Teilchen
des Gases lagern sich bevorzugt die kondensierenden Wassertröpfchen an, so daß aus
den Teilchen Tröpfchen von größenordnungsmäßig 5 bis 20 um Durchmesser entstehen.
Diese können dann nachfolgend in einer Filter- oder Schleudervorrichtung 15 aus
dem Gas entfernt werden.