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Einrichtung zur elektrischen Emulsionstrennung Einrichtungen zum liegenden
elektrischen Trennen von Emulsionen sind beispielsweise aus der USA.-Patentschrift
2 681 311 bekannt. Sie enthalten einen Vorbehandlungs-, Absetz- und Nachbehandlungsraum,
die in einem gemeinsamen Druckbehälter untergebracht sind. Es ist jedoch gleichgültig,
ob die genannten drei Behandlungsräume, von denen der erste und der letzte an Hochspannung
liegen, in einzelnen Behältern, die durch Rohre untereinander verbunden sind, aufgeteilt
bzw. untergebracht sind.
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Die elektrischen Abscheideelemente in dem Vor- und Nachbehandlungsraum
bestehen meistens aus horizontal oder vertikal angeordneten parallelen Platten,
die wechselweise an den beiden Polen einer Hochspannungsquelle liegen, geerdet sind
oder zwischen denen eine Wechselspannung liegt. Auf diese Weise entstehen kondensatorähnliche
Gebilde, durch die die zu trennende Emulsion hindurchgeleitet wird. Die in der Emulsion
enthaltenen Tröpfchen koagulieren unter dem Einfluß der Feldkräfite und sinken in
den unteren Teil des Behälters. Der Abstand zwischen den einzelnen Elektrodenblechen
eines Vorabscheiders kann zur Vermeidung von Kettenbildung der Wasser- oder Laugentröpfchen
untereinander und damit zur Vermeidung eines zu hohen Stromflusses größer gewählt
werden als beispielsweise im Nachbehandler. Die Aufrechterhaltung eines hohen elektrischen
Feldes setzt nämlich voraus, daß die geschlossene Phase der zu trennenden Emulsion
ein Medium mit hohem elektrischem Widerstand darstellt. In dem auf dem Vorabscheider
folgenden Absetzraum wird den koagulierten Tropfen Gelegenheit gegeben, sich ohne
Beeinflussung durch ein elektrisches Feld abzusetzen. Die Bahn eines aus der Emulsion
ausgeschiedenen Tropfens ist im wesentlichen abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit
der Emulsion und der Fallgeschwindigkeit des Tropfens. Diese beiden Gesohwindigkeiten
addieren sich vektoriell, und die daraus resultierende Bahn stellt eine Gerade dar.
Die Fallgeschwindigkeit errechnet sich nach der Stockesschen Formel und ist abhängig
vom Quadrat des Tropfendurchmessers und der Differenz der beiden spezifischen Gewichte
(z. B.
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Wasser in Kohlenwasserstoff) und umgekehrt proportional der Viskosität
der geschlossenen Phase (z. B. Kohlenwasserstoff).
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Da ein abzusoheidender Tropfen erst dann als abgeschieden angesehen
werden kann, wenn er in eine strömungsfreie Zone eintritt, wird bei gleicher Reinheit
des Endproduktes die notwendige Verweilzeit und damit der notwendige Behälterdurchmesser
um so kleiner, je geringer die Fallhöhe ist. Man kann
also in einem Behälter gegebenen
Durchmessers die Behälterlänge und damit das Behältervolumen (bei gegebenem Durchsatz
und gleicher Reinheit des Endproduktes) verkleinern, wenn man durch Einbauten die
Fallhöhe vermindert.
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In der Nähe der strömungsfreien Räume entsteht eine maximale Konzentration
der abzuscheidenden Tropfen. Diese wird wiederum um so geringer, je kleiner die
Fallhöhe ist.
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Die Verminderung der Fallhöhe durch Einbau horizontal liegender oder
schwach geneigter Bleche ist bekannt. Sie haben jedoch den Nachteil, daß die sich
bildenden Ablagerungen schlecht ablaufen, zu Querschnittsverengungen führen können
und damit wegen der dadurch bedingten Erhöhung der Durchströmungsgeschwindigkeit
der Emulsion und somit der Verminderung der Verweilzeit den Wirkungsgrad der Anordnung
zu verschlechtern. Eine große Neigung der Bleche in oder entgegengesetzt der Emulsionsströmungsrichtung,
die ein selbständiges Abfließen der Ablagerungen gewährleistet, vergrößert aber
die Fallhöhe, damit die Verweilzeit und daraus folgend das Behältervolumen. Auch
bei Anordnungen, bei denen die abzuscheidenden Tropfen vertikal entgegen der Strömungsrichtung
fallen, ist es ersichtlich, daß das Behältervolumen bei gleicher Leistung schon
größer sein muß als bei Anordnungen der eben genannten Art, da für die Abscheidung
im wesentlichen die Absatzfläche maßebend ist.
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Sehr oft muß daher das Behältervolumen sehr groß sein, wenn eine große
Leistung verlangt wird.
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Es wurde gefunden, daß eine Einrichtung zur elektrischen Emulsionstrennung,
bestehend aus mehreren in einem oder mehreren horizontal liegenden Druckbehältern
untergebrachten B ehandlungsräumen, eine hohe Leistung bei geringem Raumaufwand
aufweist, wenn erfindungsgemäß in den Behandlungsräumen
langgestreckte,
nach unten geöffnete Hohlkörper parallel der Behandlungsräume angeordnet sind, die
die Stirnwände durchstoßen, und daß mindestens in dem ersten Behandlungsraum an
Hochspannung liegende Mittelelektroden in Achsenrichtung der Hohlkörper vorgesehen
sind. Es ist vorteilhaft, daß die elektrisch leitenden Hohlkörper und die Mittelelektroden
mit Isolierstoff oder Korrosionsschutzmitteln überzogen, die Hohlkörper in der Stirnwand
durch Einbaukörper bis auf schmale Spalte verschlossen und von flansch artigen Masken
umgeben sind.
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An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
sei die Einrichtung des näheren erläutert.
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A b b. 1 zeigt schematisch im Schnitt die bekannte Unterbringung
von elektrischem Vor- und Nachabscheider mit dazwischenliegendem Absetzraum in einem
gemeinsamen Druckbehälter.
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Abb. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht die langgestreckte Ausbildung
der Abscheideelemente in einem als Absetzraum dienenden Behälterabschnitt und Abb.
2 a die gleichen Abscheideelemente mit in der Mittelebene angeordneten Elektroden
(nachstehend als Mittelelektroden bezeichnet), die an einem gemeinsamen Durchführungsisolator
an Hochspannung liegen und für sich allein oder hinter den Absetzraum nach A b b.
2 als Nachbehandlungsraum geschaltet sein können.
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In Ab b. 3 sind Querschnitte von sieben verschiedenen Abscheideelementen
beispielsweise dargestellt mit entsprechend dem Querschnitt angepaßten Mittelelektroden,
die im Absetzraum der Abb. 2 fehlen.
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Abb. 4 zeigt in perspektivischer Teilansicht einen vergrößerten Ausschnitt
der A b b. 2 a.
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Ah b. 5 gibt perspektivisch und A b b. 5 a im Schnitt nach der Schnittlinie
B-B der Abb. 5 eine Ausführungsform mit der Drosselung dienenden Einsätzen zur gleichmäßigen
Flüssigkeitsverteilung auf zwei Seiten eines sechskantigen Hohlkörpers wieder, der
vorzugsweise in einem Vorbehandler Verwendung finden soll, der also dem Absetzraum
nach Ab b. 2 oder dem Nachbehandler nach A b b. 2 a vorgeschaltet ist.
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Abb. 6 stellt ebenfalls perspektivisch und Abb. 6a im Schnitt nach
der Linie A-A der Abb. 6 ein elektrisches Abscheideelement mit eingeschobener Mittelelektrode
dar.
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Die Abb. 7, 11, 11a, 12 und 12a zeigen Glanz sche, die als Halte-
und Distanzelemente, die hier als »Masken« bezeichnet werden, in Form von Flacheisen
den Abscheideelementen angepaßt sind und gleichzeitig die Abdichtung der strömungsfreien
Räume zwischen den Hohlkörpern an den Stirn- und Endseiten der Hohlkörper vornehmen.
Durch diese Abschlußwände entstehen strömungsfreie Räume zwischen den Hohlkörpern.
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A b b. 8 zeigt in perspektivischer Ansicht und Ab b. 8 a nach der
Schnittlinie C-C der A b b. 8 eine andere Ausbildung für ein Abscheideelement, welches
ohne Unterbrechung von dem Raum für die Vorbehandlung in den Absetzraum übergeht
und sich bis zu dessen Ende fortsetzt. Hierbei ist die der elektrischen Vorbehandlung
dienende Mittelelektrode nur sehr kurz ausgebildet zugunsten des entsprechend längeren
Absetzraumes. Die Pfeile geben die Strömungsrichtung der Emulsion an.
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Die Abt. 9 und 10 zeigen die Befestigung der Hohlkörper an den Front-
und Endwänden.
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Abb. 13 zeigt die geradlinige Bahnkurve eines absinkenden ausgeschiedenen
Teilchens (Wasser, Salzlösung usw.) als Funktion von Länge L bzw. L1 und Höhe H
bzw. H1 des Absetzraumes bei vorgegebener Strömungs- und Sinkgeschwindigkeit.
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Mit dem Bezugszeichen 1 sind in allen Abbildungen die Abscheideelemente
bezeichnet, mit 3 ihre Mantelfläche und mit 2 ein in ihrer Mitte angeordneter elektrisch
leitender Streifen, ein leitendes Gitter bzw. nach A b b. 3 eine leitende Stange
(Mittelelektrode 2a bis 2g), je nach der Ausführungsform des sie umgebenden Hohlkörpers
la bis 1 g. An ihrer Unterseite sind die prismenförmigen Hohlkörper geöffnet; die
Öffnungen 4, die das Auftreten von Ablagerungen unterbinden und die für das Abfließen
der abgeschiedenen dispersen Phasen angebracht sind, werden beispielsweise durch
Aufschneiden der Hohlkörper entlang ihrer unteren Längskante gebildet oder durch
Anordnung einer Reihe von Löchern im unteren Mantel. Die Hohlkörper 1 unterteilen
in senkrechter oder versetzter Anordnung übereinander den Querschnitt des sie umgebenden
Druckbehälters 8. Im Inneren dieser Druckbehälter sind sogenannte Masken 6 (teilweise
der Einfachheit halber nicht gezeichnet) angebracht, die für eine genaue Halterung,
Distanzierung und Lagerung der Hohlkörper und für deren Befestigung innerhalb des
Behälters 8 sorgen. Die Masken, die als Front-, Zwischen- oder Endwände, je nach
der Beschaffenheit des Behälters rund oder eckig ausgebildet sind, dienen dazu,
strömungsfreie Räume zwischen den einzelnen Hohlkörpern gegenüber der strömenden
Emulsion in den Hohlkörpern zu schaffen. Die Hohlkörper können, wie aus den A b
b. 2 und 2 a hervorgeht, mit diesen Masken verschweißt sein. Sie können aber auch,
wie die Abb. 9 und 10 zeigen, derart mit den Masken verbunden werden, daß ihre aus
den Masken herausragenden Stücke 9 an den Ecken 10 aufgeschnitten sind. Über eine
abdichtende Bleischnur 11, die die aus den Masken herausragenden Enden der Hohlkörper
umgibt, werden die Blechteile 9, wie die Pfeile in A b b. 9 andeuten, umgebogen
und festgeschlagen, so daß ein Gebilde ähnlich dem der Abb. 10 entsteht. Es ist
auch möglich, die Hohlkörper 1, wie es A b b. 7 zeigt, mit einer Einzelmaske 7 in
Form eines Flacheisens oder, wie aus Ab b. 12 zu entnehmen ist, in Form einer rechteckigen
kastenförmigen Einzelmaske 15 zu umgeben und die so ausgerüsteten Hohlkörper gestapelt
in die Behälter einzusetzen. Dabei müssen jedoch noch zusätzliche Maßnahmen zur
Abdichtung und zur Abschließung der Masken mit der Behälterwand getroffen werden,
wie aus dem SchnittD-D der Abb. 12 entnommen werden kann.
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Die Hohlkörper können zur Unterteilung des Vorbehandlungsbehälters
zur besseren Verteilung der Emulsion über den gesamten Behälterquerschnitt so ausgerüstet
werden, daß die Verweilzeiten der Emulsion kurz sind. Hierfür wird, wie in Abb.
5 gezeigt, die Eintrittsöffnung der Hohlkörper durch eine Platte oder einen Einsatzkörper
12 derart verschlossen, daß nur noch schmale Durchtrittsöffnungen zur Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit durch Drosselung verbleiben. Die Platte 12 wird zweckmäßig
so geformt, daß Kanten 13 nach innen umgebogen sind, so daß zwischen der Wandung
3 des Hohlkörpers und den
umgebogenen Kanten 13 schmale Kanäle 14
entstehen. Unterteilt man den Vorabscheidungsraum und den Absetzraum durch ein und
dieselben Hohlkörper, so kann es zweckmäßig sein, wenn, wie in Abb. 8 und 8 a gezeigt,
die Mittelelektrode 2 nur um ein kurzes Stück in den Hohlkörper eingeschoben ist,
und zwar in Richtung der Emulsionsströmung, so daß hier die Emulsion nur für kurze
Zeit in dem sich ausbildenden elektrischen Feld zwischen der Platte 2 und der Mantelfläche
3 des Hohlkörpers verbleibt.
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Für die Absetzräume werden die Unterteilungen mit Hohlkörpern vorgenommen,
die keine Mittelelektroden aufweisen, wie es in den Abb. 1 und 7 zu sehen ist. Für
die Nachbehandlung der Emulsion werden vorteilhaft Anordnungen benutzt, wie sie
in Abb. 2a gezeigt sind und aus den Abb. 4, 6 und 6 a entnommen werden können. Bei
diesen Vorrichtungen verlaufen die Mittelelektroden über die ganze Längenerstreckung
der Hohlkörper.
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In den Abb. 11 und 11 a ist eine besonders dichte geschichtete Anordnung
der Masken 7 mit den Manteilflächen 3 der Hohlkörper 1 dargestellt, wodurch der
strömungsfreie Raum besonders klein ausfällt, was bei der Feinreinigung von Emulsionen
mit entsprechend geringer disperser Phase in Frage kommt.
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Durch die Anordnung der Hohlkörper ist es möglich, bei horizontalem
Strömungsverlauf mehrere zur Vorbehandlung dienende Elemente übereinander anzuordnen,
wobei die bei der Vorbehandlung ausfallenden Tropfen nach Verlassen der auf der
Unterseite der Hohlkörper angeordneten Öffnungen in strömungsfreie Räume fallen
und dabei die darunterliegenden Hohlkörper nicht beeinflussen. Durch die geringe
Fallhöhe der Tröpfchen ist innerhalb der einzelnen Hohlkörper (im industriellen
Maßstab etwa 15 bis 50 cm und mehr) die maximal auftretende Konzentration der Tropfen
geringer als bei den bisher üblichen Anordnungen. Hierdurch ist es möglich, mit
einer höheren Verweilzeit ohne Störung des elektrischen Feldes zu arbeiten. Aus
demselben Grund können auch geringere Spannungsabstände, z. B. 5 bis 50 mm, eingehalten
werden, so daß bei gleichen Feldstärken kleinere Spannungen (ausgehend von z. B.
etwa 2,0 Kv/cm in Einzelfällen) und damit billigere Hochsp annungsaggregate benötigt
werden.
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Die von Anfang an oder nach einer Vorabscheidung (Vorbehandlung und
Absetzfeld) austretenden Tröpfchen kleineren Durchmessers und damit kleinerer Fallgeschwindigkeit
können in einer so geringen Konzentration (kleiner als 0,2 Volumprozent)
vorliegen,
daß für eine Feinstreinigung bis zu einer vollständigen Ausscheidung der dispersen
Phase entsprechend längere Verweilzeit im elektrischen Feld und damit größere Feldlängen
erforderlich werden.
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Da auch hier das gleiche für die Fallhöhe gilt wie im vorher Gesagten,
werden lange Hohlkörper mit auf volle Länge durchgehenden Mittelelektroden für die
Nachbehandlung verwendet.
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Die Masken können aus Gründen der Stabilität sowie aus strömungstechnischen
Gründen außer der Anordnung am Anfang und am Ende der Hohlkörper auch über die gesamte
Länge so verteilt sein, daß sie noch weitere, über den gesamten Querschnitt geschlossene
Trennwände bilden.