DE1532749A1

DE1532749A1 - Reaktionszentrifuge

Info

Publication number: DE1532749A1
Application number: DE19671532749
Authority: DE
Inventors: Mentschel Dipl-Ing Hellmuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-18
Filing date: 1967-03-18
Publication date: 1970-02-26
Also published as: NL6802618A; FR1558105A; GB1223610A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAPT/ Erlangen, den i S₁MRZ. 1967

Werner-von-Siemens-Str. 50

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Reäktionszentrifuge

Die Umsetzung von Gasen mit Flüssigkeiten wird meistens in der Weise durchgeführt, daß. man das Gas unter Druck in ein mit Flüssigkeit angefülltes-' Reaktionsgefäß unten einführt und in möglichst fein verteilten Blasen "durch die Flüssigkeit hindurch nach oben steigen läßt, wobei nicht umgesetztes Gas nach Verdichtung dem Reaktionsgefäß

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erneut zugeführt werden kann. Zur Verdichtung der nicht umgesetzten Grase werden in vielen Fällen Naßluftpumpen, insbesondere FlUssigkeits ringpumpen, verwendet.

Gemäß der deutschen Patentschrift 850 445 kann nun dieses Verfahren dadurch verbessert werden, daß man als Betriebsflüssigkeit für die Naßluftpumpen, insbesondere Flüssigkeitsringpumpen, die umzusetzende Flüssigkeit selbst bzw*, eine Flüssigkeit, die die umzusetzenden festen Stoffe in fein verteilter Form enthält, einsetzt, so daß die chemische Reaktion im Verdichtungsraum der Pumpe erfolgt.

Hierbei wird das nicht umgesetzte Gas zusammen mit dem Reaktionsprodukt durch den Druckschlitz in einen Abscheider gedrückt, der über einen Druckstutzen angeordnet ist und in welchem die. Trennung des nicht umgesetzten Gases vom flüssigen Reaktionsprodukt bzw. Umlaufflüssigkeit und Reaktionsprodukt erfolgt. Die Phasentrennung Gas/ Flüssigkeit bzw. Gas/Flüssigkeit-Feststoff findet- also außerhalb der Pumpe statt.

Ein Nachteil dieser Naßluftpumpen besteht darin, daß in ihnen eine Phasentrennung nicht vorgenommen werden kann, wodurch der Aufwand an Apparaturen und Einrichtungen in derartigen Anlagen beträchtlich erhöht wird.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Anlagen wesentlich verbessert werden können, wenn die Umsetzung von Gasen mit Flüssigkeiten oder in ihnen in fein verteilter Form enthaltenen Flüssigkeiten

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oder Festetoffen in einer Reaktionszentrifuge vorgenommen wird, in der das Gas wie in der Wasserringpumpe ebenfalls in innige Berührung mit der Flüssigkeit gebracht wird, bei der jedoch die vorhandenen Zentrifugalkräfte gleichzeitig zur Trennung des flüssigen heterogenen Systems ausgenutzt werden.

Unter flüssigen heterogenen Systemen werden hier.verstanden:

1. Suspensionen, die aus einem flüssigen, kontinuierlichen Medium und aus festen, in ihm suspendierten Teilchen bestehen;

2. Emulsionen, die aus einem flüssigen, kontinuierlichen Medium und aus flüssigen, in ihm suspendierten Teilchen einer oder mehrerer Flüssigkeiten bestehen;

3. Schäume, die aus einem flüssigen, kontinuierlichen Medium und aus in ihm suspendierten Gasteilchen bestehen.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Einrichtung eur Umsetzung von Gasen mit Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten fein verteilten flüssigen oder festen Stoffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie "aus einer Wasserringpumpe besteht, die mit Vorrichtungen zur Trennung eines flüssigen heterogenen Systems versehen ist, wobei der spezifisch schwerste Stoff an der äußeren Gehäusewand und der spezifisch leichteste Stoff im Zentrum abgeführt wird.

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In der einfachsten Ausführungsform besteht die Reaktionszentrifuge aus einer Wasserringpumpe mit einem exzentrisch angeordneten Laufrad, bei dem der Zylinderring mit Bohrungen versehen ist, durch die das nicht umgesetzte Gas und/oder im Gasgemisch enthaltene Inertgas und/oder die spezifisch leichtere Flüssigkeit zum Zentrum hin abgeführt werden kann. Um eine wirkungsvolle irennung in der Reaktionszentrifuge zu gewährleisten, ist ee zweckmäßig, den durchbohrten Zylinderring auf einen feststehenden Zylinderring laufen zu lassen, der auf der Druckseite'eine oder mehrere Durchbohrungen hat, durch die das spezifisch leichtere Medium über die Bohrungen des umlaufenden Zylinderringes aus dem Reaktionsraua der Zentrifuge gedrückt wird. Die achsial verlaufenden Durchbohrungen ia feststehenden Zylinderring befinden sich dabei in gleicher Höhe wie 1» Zylinderring de$ Laufrades und führen in dem von den feststehenden Zylinderring gebildeten Innenraum. Dieser Innenraum kann gegebenenfalls zur Erhöhung der Verweilzeit herangezogen werden, wobei der in der Reaktions-• zentrifuge erzeugte Druck zur Reaktion auegenutzt wird. Die Weiterleitung des/ spezifisch leichteren Mediums erfolgt über die Stirnwand nach außen und/oder zu einer nachgeschalteten Stufe.

Die Form der Bohrungen hängt»von der konstruktiven Ausgestaltung der Reaktionszentrifuge ab, sie kann sowohl rund, oval als auch sichelförmig sein.

An Hand der nachstehenden figuren wird nun der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

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Inder Fig. 1 wird mit 1 das Gehäuse der Reaktionszentrifuge bezeichnet, mit 2 das Laufrad und mit 3 die am Zylinderring 4· befestigten Flügel des ^Tiaufrades. Der Zylinderring 4 ist mit den - Bohrungen 6 versehen, durch die die Abführung des spezifisch leichtesten Mediums, insbesondere Gases, erfolgt. Anzahl und Durchmesser der Bohrungen im Zylinderring des Laufrades wird dabei vom Mengendurchsatz bestimmt. 7 stellt den feststehenden Zylinderring dar und 8 die Durchbohrung auf der Druckseite zum Innenraum 9. Durch den Saugschlitz 10 in der Stirnseite wird das umzusetzende Gas und durch den Saugschlitz 11 die umzusetzende Flüssigkeit in die Reaktionszentrifuge eingesaugt. Selbstverständlich können die beiden Medien auch gemeinsam eingeführt und bereits außerhalb der Reaktionszentrifuge intensiv miteinander vermischt werden. Die Ableitung des spezifisch schwersten Mediums erfolgt auf der Druckseite über die Bohrung 12 (bzw. Bohrungen) in der Gehäusewand. Die Bohrungen 12 können mit Kugelventilen versehen sein, die die öffnungen erst nach Erreichen einer vorbestimmten Solldichte der abzuführenden Flüssigkeit freigeben. Anstelle der Kugelventile kann auch ein als Schwimmerventil ausgebildetes Aräometer verwendet werden.

Eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung kann im Reaktionaraum gemäß Figur 1 in Form einer Kühlschlange 13 angebracht werden. ,

Die vorstehende Reaktlonszentrifüge ist besonders für solche

Umsetzungen geeignet, bei denen das verbleibende Reatgas und/oder ein nicht vollständig umgesetztes Medium im Kreislauf geführt werden soll. Auf diese Weise kann beispielsweise das GO₂ aus einem ■H₂-G0₂-Gemisch mit Alkazidlauge entfernt werden.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der feststehende * - \ , Zylinderring aber auch auf der Druck- und Saugseite mit Je ■ '* einer oder mehreren Bohrungen versehen sein. In diesem Pail wird das spezifisch leichtere Medium über eine Quereehnitteverengung,. beispielsweise ein Drosselventil, innerhalb der Reaktionszentrifuge im Kreislauf geführt. Gleichzeitig kann der Reaktion«· zentrifuge neues Medium über die Saugseite zugeführt werden, wobei noch vor Eintritt in den eigentlichen Reaktionsraum in an sich bekannter Weise eine intensive Durchmischung der Medien vorgenommen werden kann. Ein derartiger innerer Kreislauf kann bei einer mehrstufigen Reaktionszentrifuge selbstverständlich auch über 2 oder mehrere Stufen geführt werden.

Nach einer anderen Ausführungsform können auch mehrere Stufen einer Reaktionszentrifuge hintereinander geschaltet, sein. Das hat den Vorteil, daß dabei Verweilzeit, Heaktionsvolumen» Druckleistung und/pder Saugleistung vergrößert werden. Hierbei wird es zweckmäßig sein, ^j die umzusetzenden Medien im Gegenstrom zu führen, d. h. in einer ' dreistufigen Reaktionszentrifuge wird die Frischflüssigkeit in die erste Stufe eingeführt und das Gas in die dritte Stufe. Zwischen die FlUgel des Laufrades in der 2. Stufe baut man hierbei vorteilhafterweise eine oder mehrere feststehende Lochblenden ein, die für eine _: feine Zerstäubung und gute Durchmischung der entgegenströmenden Medien sorgen. Dadurch wird der Üaaetzungsgrad weaentlich verbeaaert. Eine nennenswerte Verdichtung des Gases findet in Stufe 2 nicht statt. Die üblicherweise aus Stabilitätsgründen zwischen den Flügeln dea Laufrades angebrachte Zwischenscheibe teilt den Reaktioneraum in zwei Kämmen, die bei dieser AusfiUirungsform durch Löcher in *der , Zwischenscheibe wie'der verbunden werden.

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Um jedoch einen ausreichenden Durchsatz der Medien der 2. Stufe aufrechtzuerhalten, wird man vorteilhafterweise die Profile des .Laufrad es nur zum Teil mit einer oder mehreren feststehenden Lochblenden

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,unterbrechen. . ' ·

In der letzten Stufe wird man zweckmäßigerweise das bereits erwähnte Schwimmerventil als Doppelventil ausbilden, das den Abfluß der Flüssigkeit nach außen erst dann freigibt, wenn die eingestellte Solldichte der Lauge erreicht ist. Bis zum Erreichen der Solldichte ist der Auslaß nach außen geschlossen und der Übergang in die 2. Stufe geöffnet, so daß ein innerer Kreislauf stattfinden kann.

An Hand der Figuren 2a und 2b wird nun Aufbau und Betriebsweise einer dreistufigen Keaktionszentrifuge näher erläutert. Als Beaktiojisflüssigkeit wurde bei diesem Versuch Alkazidlauge verwendet und als Reaktionsgas ein Gemisch aus 75 Vol.# Wasserstoff und 25 Vol# Kohlendioxid.

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In der Figur 2 wird das Laufrad der 1. Stufe mit 21, das der 2. Stufe mit 22 und das der 3. Stufe mit 23 bezeichnet,.24 stellt die Gehäusewand der Reaktionszentrifuge dar und 25 jeweils den Reaktionsraum. Die unbeladene Alkazidlauge wird in der 1. Stufe über die öffnung 26 (Fig. 2b) in'der 'Gehäusewand angesaugt und über die leitung 2? in der Trennwand in den Reaktionsraum der Zentrifuge eingeführt, wo 'sie mit dem in der 2. und 3. Stufe bereits weitgehend vorgereinigteri und aus dem Innenraum der 2. Stufe über den Kanal 28 eingesaugten Gas in BerühruÄg kommt. Die Lauge verläßt die 1. Stufe bei ^§ unti tritt bei 30 in den Reaktionsraum der 2. Stufe ein, in welcher die Hauptumsetzung stattfindet. Diebin der 2. Stufe zwischen

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den Flügeln des Laufrades angebrachten Lochblenden sind mit 31 und 32^y bezeichnet. Die Abführung der Lauge aus der 2. Stufe geschieht durch die Öffnung 33 und die Zuleitung in die 3. Stufe durch die Öffnung 34 auf der Saugseite. Die gesättigte Alkazidlauge wird schließlich über die Leitung 35 aus der Reaktionszentrifuge hinausgeführt und nach erfolgter Regenerierung erneut in die 1. Stufe bei26 eingebracht.

Das Rohgas wird über einen Kanal 36 im feststehenden Zylinderring die Leitung 37 in der Gehäusewand bei 38 in die 3. Stufe eingesaugt und auf der Druckseite über die Öffnung 39 im Zylinderring des Laufrades umd die Öffnungen 40 im feststehenden Zylinderring und Kanal 41 in die 2. Stufe gefördert. Der Übergang von der 2» zur- 1. Stufe erfolgt in gleicher Weise über den Innenraum der. Zentrifuge. Der Austritt des gereinigten Wasserstoffs erfolgt bei 42 über die zur Gehäusewand nach außen führende Bohrung 43 im Deckel des Laufrades und über die Öffnung 44 auf der Druckseite ties festat^henden Zylinderringes und Bohrung 45 im Laufrad,

Der Gasaustritt und Auslauf der Lauge befinden eich in den einzelnen Stufen jeweils so hoch, daß bei Stillstand der Reaktionszentrifuge noch soviel Flüssigkeit stehen bleibt, wie zur Bildung dee Flüssigkeitsringes während des Betriebs benötigt wird* Dadurch wird verhindert, daß beim Stillstand der Zentrifuge die oberen Stufen leerlaufen und die unterste Stufe "ersäuft". Die Reaktionazentrifuge „ bleibt auf diese Weise ständig betriebsbereit und läuft in keiner Stufe trocken an.

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Die Abscheidung der ev. vom Gas mitgeführten flüssigkeit (Entschäumung) kann in der letzten Stufe 2. B. in der Weise erfolgen, da0 das laufrad im Innenraum einen Führungsring erhält, der das nach innen \ geführte Gas abwärts leitet und durch die in laminarer Strömung befindliche Flüssigkeit führte

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es weiterhin von Vorteil, am Ausgang der 3. Stufe ein Schwimmerventil einzusetzen, das die Auslaßöffnung erst dann freigibt, wenn die Flüssigkeit die eingestellte Höhe erreicht hat.

In Fig. 2a ist der Führungsring mit 46 und das Schwimmerventil mit 47 bezeichnet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht weiterhin darin, daß das Laufrad auch auf der anderen Seite mit einer Abdeckung versehen wird. Dadurch bilden sich jeweils zwischen zwei Flügeln des Laufrades und denbeidseitigen Abdeckungen geschlossene Zylinder aus', die während eines Umlaufes geschlossen bleiben. Eine Folge davon ist, daß nunmehr zwischen Gehäusewand und Flügelprofil auch dann keine Leckagen auftreten, wenn das Laufrad nur teilweise in die umzusetzende Flüssigkeit eintaucht, wodurch Druck und Saugleistung der Reaktionszentrifuge erheblich gesteigert werden.

Bei heidseitiger Abdeckung des Laufrades erfolgt die Zuführung der Reaktionsmedien in die Zentrifuge vom Innenraum her. Die Ableitung des

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spezifisch schwersten Mediums geschieht wie bisher von der Drück-

seite durch eine oder mehrere Bohrungen an der äufieren Oehäusewand und die Ableitung des spezifisch leichteren Mediuaa in den Innenraum über die Bohrungen im Zylinderring des laufradee und löcher in *

feststehenden Zylinderring.

Der in der Reaktionszentrifuge erzielte chemische Umeeteungegrad kann auch noch in der Weise erhöht werden, daß man die Reaktlonszentrifuge nach dem bekannten Prinzip der doppelwirkenden Flüssigkeitsringpumpe während einer Umdrehung des Laufrades sweimal ansaugt und verdichtet, wobei ein völliger Ausgleich der Querkräfte erzielt wird und die Druckwirkung beträchtlich gesteigert werden kann«

Die Reaktionszentrifuge arbeitet dann optimal, wenn sie auf das maximal erreichbare Gasvolumen.ausgelegt ist.

In der nachstehenden Figur 2 wird das Gasvolumen durch die schraffiert gezeichnete Fläche dargestellt. Aus

ergibt sich:

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Bei einer optiaal arbeitenden Zentrifuge auö demnach folgende Besiehung vorliegen:

a ; T₁ : r_Q j R₁ % R_Q = 1 : 2 ! 3 : 4 :

Reicht jedoch auch bei Berücksichtigung dieser Beziehung die

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Yerweilzeit für einen vollständigen chemischen Umsatz nicht aus, so

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kann diese noch dadurch verlängert werden, daß man zwischen die Stufen 2 und 3 bzw. Druck- und Saugseite eine zusätzliche Verbindungsleitung anbringt und wie bereits beschrieben, die FlUeeigkeit im inneren Kreislauf führt, tfierbei ist es vorteilhaft, daß der Kreislauf auf der Druckseite an der Phasengrenze Flüssigkeit/Gas beginnt und in die Saugseite geführt wird.

Auf diese Weise kann z. B. die Alkazidlauge vollständig mit COg abgesättigt werden. Eine Alkazidlauge mit dem spezifischen Gewicht 1,18 kann so das 75-fache Ihres eigenen Volumens an COg aufnehmen.

3 Figuren.

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Claims

Pia 67/i4l32749 Patentansprüche

1. Einrichtung zur Umsetzung von «Gasen mit Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten fein verteilten flüssigen oder festen Stoffen, dadurch gekennzeichnet , daß sie aus einer Wasserringpumpe besteht, die mit Vorrichtungen zur Trennung eines flüssigen heterogenen Systems versehen ist, wobei der spezifisch schwerste Stoff an der äußeren Gehäusewand und der spezifisch leichteste Stoff im Zentrum abgeführt wird. ■■■■·..

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der innere Zylinderring (4) des Laufrades jeweils zwischen zwei Flügeln mit einer oder mehreren Bohrungen (6) versehen ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durchbohrte Zylinderring (4) auf einen feststehenden Zylinderring (7) läuft, der druckseitig und/oder saugseitig mit einer oder mehreren Bohrungen (8) versehen ist.

4. einrichtung nach Anspruch 3,. dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (8) im feststehenden Zylinder (7) in gleicher Höhe liegen wie die Bohrungen (6) in dem Zylinderring (4) des Laufrades.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem von dem feststehenden Zylinderring (7) gebildeten Innenraum. (9) eine Leitung du.rch die Stirnseite nach außen und/ oder in eine nachgeschaltete Stufe führt,

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6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet'» daß der Innenraum (9) einen Führungsring enthält, der das nach innen geführte Gas abwärts leitet und durch die in laainarer Strömung befindliche Flüssigkeit im Innenraum (9) nach außen führt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraura (9) ein Schwimmerventil angeordnet ist,- das die zur Abführung der im Innenraum angesammelten Flüssigkeit vorgesehene

) Öffnung erst dann freigibt, wenn die Flüssigkeit die eingestellte Höhe erreicht hat.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß sie aus mehreren hintereinandergeschalteten Stufen besteht.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß Führungsring und -Schwimmerventil.-in der letzten Stufe angeordnet sind.

1C. Einrichtung nach den Ansprüchen 1. bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung (12, 29, 33, 35) für die Abführung des flüssigen Mediums in der Gehäusewand und die Bohrungen im Laufrad und feststehenden Zylinder (6, 8, 44, 45, 39, 40) so hoch angeordnet sind, daß bei Stillstand der Zentrifuge der Reactionsraum bzw. die einzelnen Stufen nicht leerlaufen.

1.1. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis TO, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile des Laufrades durch eine oder mehrere feststehende zylinderische Lochblenden ganz oder --teilweise durchbrochen ■-■ink. 0098O9/OO68 _BmomMM. . ■

-i/t., — -- By/Sr _v

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12· Einrichtung nach den---Ansprüchen 1 biö 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad auch auf der Gegenseite mit einer Abdeckung versehen ist.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die faeserringpumpe in an sich bekannter Weise ale doppelwirkende fasserringpumpe ausgebildet ist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsraum ein oder mehrere Ventile, insbesondere Schwimäerventile, angeordnet sind, die den Abfluß der spezifisch schwersten Flüssigkeit in Abhängigkeit vom spezifischen Gewicht regeln.

15· Einrichtung nach den Ansprüchen 8.bis 14, dadurch gekennzeichnet, > daß in der letzten Stufe ein als Doppelventil ausgebildetes Schwimmerventil angeordnet ist, da» in Abhängigkeit vom spezifischen Gewicht der Flüssigkeit entweder den Auslauf aue der Reaktionszentrifuge.oder die Rückführung in die vorhergehende Stufe freigibt.

16> Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß im Heaktionsraum eine Kühlvorriclitung (13) angebracht ist.

17*'"'_ Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, f daß sich die Größen a, r_T, r_Qt R^, R₀ zueinander verhalten wit

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