DE19625108A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen, insbesondere Sauerstoff aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen, insbesondere Sauerstoff aus Flüssigkeiten, insbesondere WasserInfo
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Description
Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Entgasen von Flüssigkeiten mit darin gelösten Ga
sen, insbesondere Sauerstoff aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 5.
Die Entgasung von Flüssigkeiten hat im modernen Herstellungsprozeß von alkoholfreien
Getränken neben der Mischung und Karbonisierung eine Schlüsselfunktion. Hier wird im
engeren Sinne unter der Entgasung eine weitgehende Entfernung des Sauerstoffes aus
dem Produktwasser, den Getränken und den Getränkekomponenten verstanden, wobei der
Grad der Sauerstoffentfernung entscheidend für die Produktstabilität ist.
Das zur Herstellung von Erfrischungsgetränken eingesetzte Trinkwasser wird bei seiner
Aufbereitung in den Wasserwerken in der Regel mit Luft imprägniert, um Geschmacks- und
Geruchsnuancen zu überdecken und Frische zu betonen. Beim Herstellungsprozeß von
alkoholfreien Getränken wird zu deren Karbonisierung ein sauerstoffarmer Zustand ange
strebt, da die Luftblasen sonst als Entbindungskeime des Kohlendioxids wirken. Eine höhe
re Entbindungsneigung des Kohlendioxids aus der Getränkeflüssigkeit führt bei Druckent
lastung zu dessen rascher Abgabe und das damit einhergehende Überschäumen ver
schlechtert beispielsweise das Abfüllverhalten derartiger Getränke.
Der Eintrag von Sauerstoff in Wasser, in Konzentratkomponenten und in Zuckerlösung ist
außerdem für die biologische Haltbarkeit nachteilig. Hohe Sauerstoffgehalte in Getränke
komponenten können die biologische, chemisch-physikalische und geschmackliche Stabili
tät von Getränken durch Oxidationsreaktionen beeinträchtigen und zu Getränkefehlern
führen.
Die Methoden zur Entfernung von Sauerstoff aus Flüssigkeiten sind bekannt. Man kann sie
in physikalische Methoden (thermische Entgasung, Vakuumentgasung, Druckentgasung
und Membranentgasung) und in chemische Methoden (katalytische Entgasung und Re
duktion des Sauerstoffes durch Zugabe von Additiven) unterteilen. Alle physikalischen Me
thoden beruhen darauf, daß nach den Gesetzen von Dalton und Henry einerseits der Ge
samtdruck in einer Gasphase der Summe der einzelnen Partialdrücke entspricht, anderer
seits die maximal in einer Flüssigkeit lösbare Gasmenge ihrem Partialdruck in der Gaspha
se proportional ist. Dabei ist der Absorptionskoeffizient temperaturabhängig, das heißt die
Gaslöslichkeit sinkt mit steigender Temperatur. Nach dem Diffusionsgesetz gewährleistet
erst eine möglichst große Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas einen maxima
len Stoffübergang. Um die Aufgabe der Entgasung möglichst optimal zu erfüllen, muß also
in geeigneter Weise das Lösungsgleichgewicht des Gases in der Flüssigkeit gestört wer
den. Dies geschieht durch Temperaturerhöhung oder den Einsatz von Vakuum bzw. Inertgas
("Strippgas") zur Reduzierung des Partialdruckes unter anderem jenes sich in der Gas
phase befindenden Gases, welches aus der Flüssigkeit zu entfernen ist und im jeweiligen
partialdruckabhängigen Gleichgewicht mit der entsprechenden Gaskonzentration in der
Flüssigkeit steht, und in Verbindung mit einer Vergrößerung der Phasengrenzfläche zwi
schen Flüssigkeit und Gas (Versprühen, Zerstäuben der Flüssigkeit).
Die Vakuumentgasung arbeitet nach dem Prinzip, daß durch die Absenkung des Gesamt
druckes die Partialdrücke in der Gasphase und damit die Löslichkeit der Gaskomponenten
in der Flüssigkeit gesenkt werden. Hierzu wird das zu entgasende Wasser in einem unter
Vakuum stehenden Behälter vernebelt. Das Gas tritt über die Phasengrenzfläche aus der
Flüssigkeit aus und wird von der Vakuumpumpe abgesaugt. Die Güte der Entgasungsan
lage hängt entscheidend vom Stoffaustauschgrad ab. Bei schlechtem Stoffaustausch ist es
sinnlos, durch hohes Vakuum, welches gleichzeitig ein hohes Fördervolumen bedingt, eine
Verbesserung der Entgasung erreichen zu wollen. Aber auch bei sehr gutem Stoffaus
tausch bringt eine überdimensionierte Pumpe nur geringe Erhöhungen im Desorptions
grad. Die erwünschte Druckabsenkung wird durch den temperaturabhängigen Dampfdruck
der zu entgasenden Flüssigkeit begrenzt. Wird dieser Dampfdruck erreicht, dann besteht
die Gasphase fast nur aus Dampf der zu entgasenden Flüssigkeit, so daß eine weitere wirt
schaftliche Reduzierung des Gasgehaltes nicht möglich ist.
Eine weitere Reduzierung des Gasgehaltes, also beispielsweise des Restsauerstoffgehaltes
in Wasser, ist durch Einsatz eines vorgenannten Strippgases möglich. Hierzu wird der zu
entgasenden Flüssigkeit zunächst ein anderes in der Flüssigkeit lösliches Gas zugeleitet.
Dieses sogenannte Trägergas (im vorgenannten konkreten Fall ist dies vorzugsweise Koh
lendioxid) wirkt bezüglich des zu entfernenden Sauerstoffes partialdrucksenkend und er
höht gleichzeitig den Stoffübergang. Das sogenannte "Strippen" kann sowohl bei der
Druck- als auch bei der Vakuumentgasung eingesetzt werden. Bei beiden Verfahren wirkt
die Zufuhr des Trägergases partialdrucksenkend bzgl. des zu entfernenden Gases. Für die
Druckentgasung existiert im Gegensatz zur Vakuumentgasung kein oberer Grenzwert für
den Desorptionsgrad; allerdings sind die Betriebskosten bei der Druckentgasung relativ
hoch und der Einsatz großer Mengen Trägergases, beispielsweise Kohlendioxid, ist unter
anderem aus ökologischen Gesichtspunkten bedenklich.
Die chemischen Verfahren beruhen darauf, daß das zu entfernende Gas, beispielsweise
der Sauerstoff, durch Zugabe eines weiteren Stoffes chemisch umgesetzt und somit aus
dem System entfernt wird.
Es sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Durchführung bekannt ge
worden, die auf den vorgenannten Methoden basieren. Dabei wird im Herstellungsprozeß
von alkoholfreien Getränken eindeutig physikalischen Methoden Vorrang gegeben. Im Ein
zelfall hängt dann die Auswahlentscheidung, wenn die erzielbaren Gaskonzentrationen in
der zu entgasenden Flüssigkeit kein ausschließliches Auswahlkriterium bilden, von den
notwendigen Investitions- und laufenden Betriebskosten ab. Eine Analyse der bislang zum
Einsatz kommenden derartigen Vorrichtungen zeigt, daß zur Realisierung der notwendigen
Entgasung von Getränkewässer fast ausschließlich aufwendige Behälter verwendet werden,
die den apparativen Aufwand vergrößern, ohne daß der erzielte Entgasungseffekt sich we
sentlich steigern läßt. Der Einsatz von großvolumigen Behältern wird aber auch heute des
halb als problematisch angesehen, weil hierdurch Produktverluste bei Produktwechsel und
desweiteren lange Umschaltzeiten bei diesen Produktwechseln auftreten, da die Behälter
entleert und gespült werden müssen, und der zur Reinigung derartiger Behälter notwendige
Reinigungsmittelbedarf relativ hoch ist.
In der DE 32 39 066 C2 ist ein Verfahren beschrieben, welches zum Entlüften von Wasser
zur Herstellung CO₂-haltiger Getränke unter anderem von den vorgenannten Verfahrens
schritten durch Partialdruckabsenkung mittels ′Strippen′, der Stoffübergangsintensivierung
durch Feinverteilung der zu entgasenden Flüssigkeit und darüber hinaus von der Vakuu
mentgasung Gebrauch macht und somit in wesentlichen Teilen dem Verfahren der gat
tungsgemäßen Art entspricht. Das bekannte Verfahren ist unter anderem dadurch gekenn
zeichnet, daß als Strippgas ein 90% CO₂ enthaltendes Abblasegas aus einer Karbonisier-
oder Beruhigungsstufe durch Injektion in einen Haupt- oder Teilstrom des zu entgasenden
Wassers eingesetzt wird, wobei der nicht mehr zu entfernende Restgasanteil im Wasser
nur noch aus CO₂ bestehen soll. Die Vorrichtung zum Entlüften des Wassers unter Vaku
um besteht unter anderem aus einem Vakuumkessel, einem Karbonisierkessel oder einem
Beruhigungsgefäß und aus einem Fertiggetränkekessel. Eine aus drei relativ großvolumi
gen Behältern bestehende Vorrichtung ist aus den vorstehend bereits genannten Gründen
problematisch und heute nicht mehr zeitgemäß, da hierdurch die erwähnten Produktverluste
und lange Umschaltzeiten bei Produktwechsel, zwangsläufig relativ große Reinigungsmittelmengen
und, damit einhergehend, entsprechend hohe Reinigungsmittelverluste
verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art und
eine Vorrichtung zu seiner Durchführung derart auszugestalten, daß die in der zu entga
senden Flüssigkeit verbleibenden Gaskonzentrationen höchstens jenen bekannter Verfah
ren entsprechen und die Investitions- und Betriebskosten für die zur Durchführung des
Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung, der Einsatz von Reinigungsmittel zu ihrer Reini
gung sowie die Produktverluste bei Produktwechsel geringer und die Umschaltzeiten bei
Produktwechsel kürzer sind als für bekannte Vorrichtungen.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hin
sichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die Merkmale des An
spruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4, während die Unteransprüche
6 bis 13 vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Gegenstand
haben.
Das vorgeschlagene Verfahren ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es die mit den einzel
nen an sich bekannten Verfahrensschritten erreichbare Reduktion des Gasgehaltes im
Rahmen eines sogenannten kontinuierlich arbeitenden langgestreckten Reaktors, der in der
chemischen Verfahrenstechnik hinlänglich als "Strömungsrohr" bezeichnet wird, realisiert.
Dabei werden, wenigstens teilweise, auch die dem Strömungsrohr zuzurechnenden Eigen
schaften genutzt. So definiert sich das Strömungsrohr als ein Reaktor, bei dem die Pro
duktherstellung kontinuierlich und ohne Rückvermischung des Produktes erfolgt. Im vorlie
genden Falle bedeutet dies, daß das zu entgasende Wasser, welches zuerst in das Strö
mungsrohr eintritt, auch als erstes aus diesem austreten muß. Dabei nimmt die Konzentra
tion des Gases, welches aus der Flüssigkeit entfernt werden soll, vom Eintritt zum Austritt
hin ab. Die Konzentration im Strömungsrohr ist somit inhomogen. Nach einer kurzen An
laufperiode stellt sich an jedem Ort des Strömungsrohres eine bestimmte Konzentration
ein, die sich mit der Zeit nicht mehr verändert. Die Konzentration ist stationär. Insofern un
terscheidet sich das vorgeschlagene Verfahren von jenen, bei denen der Entgasungspro
zeß in einem Behälter stattfindet. Dort nämlich kann von einem kontinuierlich arbeitenden
homogenen Reaktionskessel gesprochen werden, bei dem die Konzentration des zu entfernenden
Gases zeitlich und örtlich im wesentlichen konstant ist.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens manifestieren sich jedoch insbesondere in
seiner apparativen Realisierung. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bedarf
keiner großvolumigen Behälter; statt dessen kommt ein glattes, langgestrecktes Rohr ohne
Toträume und Ecken zur Anwendung. Die Vorrichtung ist im wahrsten Sinne des Wortes
"In-line" anzuordnen; sie ist daher zwangsläufig auch in höchstem Maße Cip-reinigungsfä
hig (im Durchfluß an Ort und Stelle reinigbar). Durch die vorgeschlagene Feinverteilung
(Zerstäubung, Verdüsung) der Flüssigkeit in einem ersten Abschnitt des Strömungsrohres
werden die notwendigen Voraussetzungen für einen optimalen Stoffübergang geschaffen.
Die Flüssigkeit hat weiterhin in einem nachgeordneten Abschnitt des Strömungsrohres
Gelegenheit, nachdem die vorentgasten Flüssigkeitströpfchen sich gesammelt haben, über
eine freie Oberfläche Gasblasen abzuscheiden und damit ohne Rücklösung des abzu
scheidenden Gases weiter zu entgasen. Unter der freien Oberfläche befinden sich Ab
schnitte mit stark unterschiedlichen statischen Flüssigkeitssäulen. Aus geringen statischen
Flüssigkeitssäulen in der sogenannten Abscheidestrecke resultieren geringer Druck und
damit geringe Rücklösung des abzuscheidenden Gases in den Gasblasen. Unterhalb der
vorgenannten freien Oberfläche bildet die Flüssigkeit in einem weiteren Abschnitt des
Strömungsrohres eine hohe statische Flüssigkeitssäule, die die notwendige Zulaufhöhe
(NPSH-Wert) für eine dem Strömungsrohr nachgeordnete Fördereinrichtung für die Flüs
sigkeit sicherstellt. Die Ausbreitung und die zur Intensivierung des Stoffüberganges not
wendige Turbulenz im ersten Abschnitt des Strömungsrohres erfolgt weitgehend ohne
Druckverlust. Ebenso das Sammeln der Flüssigkeit und die Nachentgasung im nachgeord
neten Abschnitt des Strömungsrohres.
Wird in der Flüssigkeit vor ihrer Feinverteilung und Vakuumentgasung zunächst ein ande
res in der Flüssigkeit lösliches Gas gelöst, wie dies gemäß einer Abwandlung des vorge
schlagenen Verfahrens vorgesehen ist, dann kann beispielsweise durch CO₂-Zugabe die
Restsauerstoffkonzentration in Wasser unter 0,5 mg O₂/l abgesenkt werden. Ohne CO₂-Zugabe
ist in diesem Falle eine Restsauerstoffkonzentration von 0,5 mg O₂/l möglich. Dies
ist für die Softdrink-Industrie ausreichend.
Erfährt die feinverteilte Flüssigkeit auf dem Weg zum Abschnitt des Strömungsrohres, in
dem sie gesammelt wird, wie dies eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des vorgeschla
genen Verfahrens gemäß der Erfindung vorsieht, wenigstens eine Umlenkung, dann wird
hierdurch in diesem Bereich eine Beruhigung der Flüssigkeit und damit eine Änderung des
Strömungszustandes bewirkt. Im Abschnitt der Feinverteilung der Flüssigkeit liegen Flüs
sigkeitströpfchen in einer Gasströmung vor, während im Abschnitt der Gasabscheidung
Gasblasen in einer Flüssigkeit, unter einer freien Oberfläche, vorliegen. Die Beruhigung der
Flüssigkeit und die Änderung der Phasenzusammensetzung geschieht in der Umlenkung
ohne oder mit sehr geringem Druckverlust, was eine Rücklösung des abzuscheidenden
Gases weitestgehend verhindert. Ohne die vorgeschlagene Umlenkung wäre im Prinzip
eine Beruhigung der Flüssigkeit, verbunden mit Sammlung der Flüssigkeitstropfen, Bildung
einer freien Oberfläche und Abscheidung der Gasblasen, auch durch Verlängerung des
Abschnittes, in dem die Vorentgasung stattfindet, auf eine hinreichend große lineare Er
streckung denkbar, wobei dieser Abschnitt dann zweckmäßig leicht geneigt ausgeführt
werden sollte.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, daß aus dem das Strömungsrohr verlassenden entgasten Flüssigkeits
strom ein Teilstrom abgetrennt und dieser Teilstrom rück- und vor Eintritt der Flüssigkeit
bzw. der ggf. imprägnierten Flüssigkeit in das Strömungsrohr mit dieser zusammengeführt
wird. Durch diese Maßnahme werden mehrere Vorteile erreicht. Zum einen läßt sich durch
die Rückführung bereits entgaster Flüssigkeit die Restkonzentration des zu entfernenden
Gases weiter absenken, zum anderen bietet die Rezirkulation die Möglichkeit, die Durch
satzleistung des vorgeschlagenen Verfahrens an sich verändernde Abnahmebedingung
von Anlagenteilen im Herstellungsprozeß vom alkoholfreien Getränken anzupassen, die der
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgeordnet sind. So
läßt sich die Durchsatzleistung der vorgeschlagenen Vorrichtung durch Regelung ihrer Re
zirkulationsmenge sehr gut z. B. an die Abnahmeleistung einer nachgeschalteten Abfüllan
lage angleichen. Je höher die Rezirkulationsmenge im Verhältnis zur Abnahmemenge
eingestellt wird, desto niedriger ist die am Austritt des Strömungsrohres vorliegende Rest
gaskonzentration. Andererseits ist es bei hoher Rezirkulationsmenge möglich, das Durch
satzangebot sehr schnell an eine erhöhte Abnahmeleistung anzupassen. Die Rezirkulation
bietet somit, wenigstens in begrenztem Umfang, eine Möglichkeit der Pufferung und Spei
cherung von entgaster Flüssigkeit, wie sie ansonsten bei Vorrichtungen nach dem Stand
der Technik nur über die Speicherfähigkeit von Behältnissen großen Volumens erreichbar
ist.
Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens arbeitet physikalisch am effektivsten,
wenn ein Vorentgasungsrohr und ein nachgeordnetes Gasabscheiderohr des langgestreck
ten Strömungsrohres im wesentlichen waagerecht angeordnet sind und wenn die Lage der
freien Oberfläche der sich im Gasabscheiderohr befindlichen Flüssigkeit derart durch eine
Einrichtung zur Füllstandsregelung geregelt wird, daß das Gasabscheiderohr weder
"trockenfällt" noch vollständig geflutet wird.
Es hat sich im Hinblick auf eine möglichst wirksame Entgasung als vorteilhaft herausge
stellt, wenn die Lage der freien Oberfläche, bestimmt durch einen Regelbereich der Einrich
tung zur Füllstandsregelung, etwa auf halber Höhe des Querschnitts des Strömungsrohres
eingestellt wird und dabei das Niveau des tiefsten Punktes im Vorentgasungsrohr nicht
übersteigt.
Von weiterem Vorteil hinsichtlich einer wirksamen Entgasung ist die vorgeschlagene Maß
nahme, das Vorentgasungsrohr und das Gasabscheiderohr über ein Umlenkrohr miteinan
der zu verbinden, welches in wenigstens einer Raumebene wenigstens eine Umlenkung
bewirkt. Die Wandung des Umlenkrohres bewirkt die vorstehend beschriebene Änderung
des Strömungszustandes ohne nennenswerten Druckverlust und verhindert damit eine
Rücklösung des abzuscheidenden Gases.
Eine besonders kompakte und hinsichtlich der erreichbaren Gaskonzentration in der Flüs
sigkeit optimierte Anordnung ist gegeben, wenn das Vorentgasungsrohr und das Gasab
scheiderohr waagerecht und parallel zueinander verlaufen, das Umlenkrohr bogenförmig
ausgebildet ist und einen Umschlingungswinkel α von 180 Grad umfaßt, und wenn die
Verbindungslinie zwischen den Achsmittelpunkten des Vorentgasungsrohres und Gasab
scheiderohres unter einem Neigungswinkel um β = 45 Grad verläuft.
Um das aus der Flüssigkeit abgeschiedene Gas auf möglichst kurzem Wege aus jenen
Bereichen des Strömungsrohres abzuscheiden, wo es anfällt, ist vorgesehen, daß, in Strö
mungsrichtung gesehen, jeweils in seinem Endbereich und an seiner Oberseite das Vor
entgasungsrohr über einen ersten Gasleitungsabschnitt und das Gasabscheiderohr über
einen zweiten Gasleitungsabschnitt mit einer Gasleitung verbunden sind.
Um den Füllstand im Gasabscheiderohr schneller und direkter regeln zu können, als dies
mit einem elektronischen Regler unter den gegebenen Bedingungen möglich ist, sieht eine
weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung vor, daß die Einrichtung zur Füll
standsregelung ein pneumatisches Ausgangssignal generiert, das unmittelbar als Eingangssignal
für ein in der Ablaufleitung angeordnetes Regelventil dient.
Zur Sicherstellung der verfahrenstechnisch vorgeschlagenen Maßnahme der Rückführung
eines Teils der das Strömungsrohr verlassenden entgasten Flüssigkeit sieht die vorge
schlagenen Vorrichtung weiterhin vor, daß die Zulauf- und die Ablaufleitung über eine
Rückführleitung miteinander verbunden sind, wobei die Rückführleitung über das Regel
ventil von der Ablaufleitung abzweigt.
Um die sog. "In-line"- und CIP-Fähigkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung in prägnanter
Weise zu erreichen, ist nach einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung vorge
sehen, daß die Rückführleitung über eine erste Reinigungsleitung mit der Gasleitung ver
bunden ist, und daß der zweite Gasleitungsabschnitt über eine zweite Reinigungsleitung, in
Strömungsrichtung gesehen, am Eingang des Vorentgasungsrohres in dieses einmündet.
Hierdurch findet im Strömungsrohr eine Addition zweier Tellströme statt, wodurch zum ei
nen ein hinreichender Volumenstrom zu dessen effektiver Reinigung erzeugt und zum an
deren außerdem die Gasleitung in den CIP-Kreislauf eingebunden wird.
Zur Erreichung niedrigster Restgaskonzentrationen in der zu entgasenden Flüssigkeit ist
nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung vorgese
hen, der Zulaufleitung eine Anordnung zur Zuführung von Gas zuzuordnen (Bereitstellung
von "Strippgas").
Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Durchführung des Verfah
rens gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend hinsicht
lich Aufbau und Funktion beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 die Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, wobei das
Kernstück aus einem Strömungsrohr gebildet wird, welches in Richtung seiner
Durchströmung von einem Vorentgasungsrohr, einem Umlenkrohr mit einem
Umlenkwinkel von 180 Grad, einem Gasabscheiderohr und einem nachgeschal
teten vertikalen Rohrabschnitt gebildet wird;
Fig. 1a in schematischer Darstellung die strömungstechnischen Verhältnisse beim Be
trieb des Strömungsrohres;
Fig. 2 in der Vorderansicht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorgeschla
genen Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 2 in der Seitenansicht;
Fig. 4 die Vorrichtung gemäß Fig. 2 in der Draufsicht und
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der in den Fig. 2 bis 4
jeweils zweidimensional dargestellten Vorrichtung.
Das Kernstück der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
(Fig. 1) besteht aus einem als Stromungsrohr 1 ausgebildeten Entgasungsrohr, welches
aus einem Vorentgasungsrohr 1a, einem Umlenkrohr 1b, einem sich anschließenden
Gasabscheiderohr 1c und einem sich an letzteres unmittelbar anschließenden, einen Hö
henunterschied H (siehe Fig. 1a) überbrückenden weiteren Rohrabschnitt 1d zusammen
gesetzt ist. Das Vorentgasungsrohr 1a und das Gasabscheiderohr 1c verlaufen waagerecht
und parallel zueinander. Das Umlenkrohr 1b hat halbkreisförmige Gestalt und bildet somit
einen Umschlingungswinkel α = 180 Grad.
Dem Strömungsrohr 1 vorgeordnet ist eine Zulaufleitung 5 mit einem Eintritt E für die zu
entgasende Flüssigkeit. An der Eintrittsstelle der Zulaufleitung 5 in das Vorentgasungsrohr
1a ist eine Verteileinrichtung 2 zum Versprühen bzw. Zerstäuben der zu entgasenden
Flüssigkeit vorgesehen. Hierbei kann es sich z. B. um einen Blindflansch mit einer Vielzahl
von Düsenbohrungen handeln. Die Zulaufleitung 5 ist über ein Absperrventil V1 (Teller- oder
Klappenventil) absperrbar. Hinter dem Absperrventil V1 mündet eine Anordnung zur
Zuführung von Gas 11, beispielweise Kohlendioxid, weiches bei C aus einer entsprechen
den Quelle bereitgestellt wird, in die Zulaufleitung 5 ein. Neben einem Absperrventil V7 sind
weitere, im einzelnen nicht näher bezeichnete Absperr-, Regel- und Anzeigeeinrichtungen
vorgesehen, die der Zufuhr und Bereitstellung des Gases dienen.
Der nachgeschaltete Rohrabschnitt 1d setzt sich in einer Ablaufleitung 6 bis zum Austritt A
für die entgaste Flüssigkeit fort, wobei, in der Reihenfolge ihrer Aufzählung, eine erste Fördereinrichtung
3, ein Regelventil 8, ein Absperrventil V8 und ein Reduzierventil V8.1 näher
bezeichnet sind. Die Zulaufleitung 5 und die Ablaufleitung 6 sind über eine Rückführleitung
7 miteinander verbunden, wobei die Rückführleitung 7 über das Regelventil 8 von der Ab
laufleitung 6 abzweigt und in die Zulaufleitung 5 über ein Wechselventil 9, welches, in
Strömungsrichtung gesehen, hinter der Anschlußstelle der Anordnung zur Zuführung von
Gas 11 in der Zulaufleitung 5 vorgesehen ist, in letztere einmündet.
Im Gasabscheiderohr 1c ist eine Einrichtung zur Füllstandsregelung 12 vorgesehen, wel
che z. B. als Schwimmer-Schalter ausgeführt sein kann und über eine Signalleitung 12a mit
dem Regelventil 8 verbunden ist. Mit dem Reduzierventil V8.1 vor dem Ausgang A kann
der abfließende Volumenstrom aus der Vorrichtung auf einen Maximalwert begrenzt wer
den. Damit ist sichergestellt, daß der das Aggregat verlassende Volumenstrom kleiner oder
zumindest gleich dem in das Aggregat eintretenden Volumenstrom ist und die Vor
aussetzung zur Funktion der Füllstandsregelung in dem Gasabscheiderohr 1c erfüllt ist.
Der abfließende Volumenstrom ist richtig eingestellt, wenn die Regelung von Füllstand/Re
zirkulationsstrom arbeitet, also ein geringer Rezirkulationsstrom an den Eingang des Strö
mungsrohres 1 zurückgeführt wird. Mit dem Absperrventil V8 wird die Vorrichtung aus
gangsseitig gegenüber ihrer Umgebung geschlossen.
Das Vorentgasungsrohr 1a weist in seinem Endbereich und an seiner Oberseite eine erste
Absaugstelle A1 auf, an die ein erster Gasleitungsabschnitt 10a angeschlossen ist. Eine
zweite Absaugstelle A2 befindet sich ebenfalls im Endbereich und an der Oberseite des
Gasabscheiderohres 1c; hier ist ein zweiter Gasleitungsabschnitt 10b angeschlossen. So
wohl der erste als auch der zweite Gasleitungsabschnitt 10a bzw. 10b sind jeweils absperr
bar (Absperrventile V4; V5), sie werden zusammengeführt und über eine Gasleitung 10 mit
einer Unterdruckquelle 4, eine Vakuumpumpe (vorzugsweise eine Flüssigkeitsring-Vaku
umpumpe), verbunden. Letztere ist mit einem Kühlwasserzulauf 48 (Kühlwassereintritt KE),
einem Kühlwasserablauf 4b (Kühlwasseraustritt KA) und einer Dampfleitung 4d (Austritt D
für Dampf/H2O) beschaltet, wobei die Phasentrennung zwischen austretendem Kühlwasser
KA und austretendem Dampf/H2O in einem Trennbehälter 4c über eine freie Oberfläche
zwischen Flüssigkeit und Dampf vorgenommen wird. Der Kühlwasserzulauf 4a ist über ein
Absperrventil V6 absperrbar. Im übrigen ist die Beschaltung und Verrohrung der als Vaku
umpumpe 4 fungierenden vorstehend erwähnten Flüssigkeitsring-Pumpe an sich bekannt
und bedarf an dieser Stelle keiner detaillierteren Erläuterung.
Zum Zwecke der Durchflußreinigung der Vorrichtung ist ein Reinigungsmitteleintritt RE in
die Zulaufleitung 5 hinter dem Absperrventil V1 und ein Reinigungsmittelaustritt RA aus der
Ablaufleitung 6 vor dem Absperrventil V8 vorgesehen. Reinigungsmitteleintritt und -austritt
RE bzw. RA sind über Absperrventile V2 bzw. V9 absperrbar. Um neben der Reinigung
des Strömungsrohres 1 auch eine Reinigung des ersten und des zweiten Gasleitungsabschnittes
10a bzw. 10b und eines Teils der Gasleitung 10 im Durchfluß sicherzustellen,
zweigt von der Gasleitung 10, vor einem in dieser angeordneten Absperrventil V10, eine
erste Reinigungsleitung 13 ab, die über das Wechselventil 9 mit der Zulaufleitung 5 ver
bunden werden kann. Bei der Reinigung wird am Regelventil 8 ein Teilstrom aus der Ablauf
leitung 6 abgezweigt und über das Wechselventil 9 der ersten Reinigungsleitung 13 zuge
führt. Diese versorgt die Gasleitung 10, deren Abschnitte 10a und 10b sowie eine von dem
zweiten Gasleitungsabschnitt 10b abzweigende zweite Reinigungsleitung 13a, über die
Reinigungsflüssigkeit von der Seite in den Eingang des Strömungsrohres 1 verbracht wer
den kann. Die Eintrittsstelle ist über ein Absperrventil V3 absperrbar. Durch die daraus re
suitierende Addition der Volumenströme am Eingang des Strömungsrohres 1 wird ein aus
reichend großer Volumenstrom erzeugt, um im Strömungsrohr 1 eine hinreichende CIP-Reinigung
mit einer Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 1 m/s zu ermöglichen.
Fig. 1a verdeutlicht schematisch die im Strömungsrohr 1 stattfindenden Verfahrensschritte.
Die über die Zulaufleitung 5 in das Vorentgasungsrohr 1a eintretende Flüssigkeit wird
über die Verteileinrichtung 2 versprüht (Sprühstrahl S). Die Flüssigkeitströpfchen T erfahren
auf ihrem Weg durch das Vorentgasungsrohr 1a und im Zuge ihrer Umlenkung im Um
lenkrohr 1b eine Vorentgasung. Das Gas wird über die erste Absaugstelle A1 abgesaugt. In
dem Gasabscheiderohr 1c wird eine freie Oberfläche O in der Höhe H eingeregelt. Die
Tröpfchen T sammeln sich im Gasabscheiderohr 1c und hier muß eine Abscheidung noch
nicht abgeschiedener Blasen über die freie Oberfläche O stattfinden. Das hierbei anfallende
Gas wird vorzugsweise über die zweite Absaugstelle A2 abgeführt. Die Flüssigkeitshöhe H
wird im wesentlichen über die Flüssigkeitssäule im nachgeschalteten Rohrabschnitt 1d
gebildet. Sie stellt die für die nicht dargestellte erste Fördereinrichtung 3 notwendige Zu
laufhöhe sicher. Beim Übergang vom Gasabscheiderohr 1c in den nachgeschalteten Rohr
abschnitt 1d muß die Flüssigkeit blasenfrei sein, da im nachgeschalteten (hier senkrechten)
Rohrabschnitt 1d in Fließrichtung ein Druckanstieg stattfindet, der eine Rücklösung von
ggf. vorhandenen Gasblasen bewirken wurde, in denen unerwünschtes, abzuscheidendes
Gas, beispielsweise Sauerstoff, enthalten ist.
Mit L1 und L2 sind die wirksamen Längen des Vorentgasungsrohres 1a bzw. des Gasab
scheiderohres 1c bezeichnet. Untersuchungen haben, gezeigt daß beispielsweise bei ei
nem Strömungsrohr einer Nennweite DN 162 die wirksamen Längen L1 bzw. L2 etwa 6 m
und die Höhe H etwas 2 m auszuführen sind. Dabei wird der durch das Umlenkrohr 1b zwi
schen dem Vorentgasungsrohr 1a und dem Gasabscheiderohr 1c zu überbrückende Ab
stand mit etwa 0,5 m ausgelegt (vgl. hierzu auch die Fig. 3 und 5).
Der relativ einfache Aufbau der gesamten Vorrichtung und ihre behälterlose Ausgestaltung
sowie ihre im wahrsten Sinne des Wortes "In-line"-Fähigkeit werden aus den Darstellungen
der Vorrichtung gemäß den Fig. 2 bis 5 in besonderer Weise deutlich. Für gleiche
Bauteile wurden die in der Schemaskizze gemäß Fig. 1 für diese Bauteile verwendeten
Bezeichnungen übernommen. Eine Erläuterung der Vorrichtung anhand der Fig. 2
bis 5 erübrigt sich, da die Beschreibung zu Fig. 1 uneingeschränkt auch auf die in diesen
Figuren in ihrer konkreten Raumform dargestellte Vorrichtung lesbar ist.
Lediglich auf die physikalisch besonders vorteilhafte Raumform des Strömungsrohres 1,
wie sie bei Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß den Fig. 2 bis 5
realisiert ist, soll anhand der Fig. 2 und insbesondere der Fig. 5 noch einmal hingewie
sen werden. Die Fig. 2 und 5 zeigen sehr deutlich, daß gemäß dieser vorteilhaften
Ausgestaltung das Vorentgasungsrohr 1a und Gasabscheiderohr 1c waagerecht und paral
lel zueinander verlaufen, daß das Umlenkrohr 1b bogenförmig ausgebildet ist und einen
Umschlingungswinkel α = 180 Grad umfaßt, und daß die Verbindungslinie zwischen den
Achsmittelpunkten des Vorentgasungsrohres 1a und des Gasabscheiderohres 1c unter
einem Neigungswinkel β um 45 Grad verläuft. Das Strömungsrohr 1 kann aber auch bzgl.
des Vorentgasungsrohres 1a und des Gasabscheiderohres 1c in Verbindung mit dem
Umlenkrohr 1b horizontal, senkrecht oder in einer von der vorgenannten 45-Grad-Stellung
abweichenden Zwischenstellung angeordnet werden. Der nachgeschaltete Rohrabschnitt
1d muß einen Höhenunterschied H überbrücken; er wird vorzugsweise eine vertikale oder
annähernd vertikale Ausrichtung erhalten.
Die Ausbildung des Strömungsrohres 1 in der geometrischen Gestalt eines langgestreck
ten Rohres bietet gegenüber bekannten Vorrichtungen erhebliche Vorteile. Hierdurch wer
den Produktverluste bei Produktwechsel und der Einsatz von Reinigungsmitteln minimiert
sowie die Umschaltzeiten bei Produktwechsel kurz gehalten. Die Vorrichtung ist "In-Line"
anzuordnen; sie ist "behälterlos", was zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen noch Vortei
le in Richtung Festigkeit und Sicherheit bietet und Investitionskosten minimiert.
Die Erfindung ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der vorgeschlagenen
Vorrichtung beschrieben worden, doch versteht es sich, daß in der Praxis von Sachkundi
gen Ausführungsvarianten, sowohl hinsichtlich des Verfahrens als auch der Vorrichtung zu
seiner Durchführung, realisiert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung und der
ihr zustehenden gewerblichen Schutzrechte zu verlassen.
Claims (14)
1. Verfahren zum Entgasen von Flüssigkeiten mit darin gelösten Gasen, insbesondere
Sauerstoff aus Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, durchgeführt in folgenden
Verfahrensschritten:
- 1. die Flüssigkeit wird feinverteilt einer Vakuumentgasung unterworfen und
- 2. dabei unter Bildung einer freien Oberfläche gesammelt
- 3. Gasblasen werden über die freie Oberfläche abgeschieden,
- 4. die Flüssigkeit wird am Fuß einer Flüssigkeitssäule, die oben von der freien Ober flache begrenzt ist, abgeführt und
- 5. das aus der Flüssigkeit austretende Gasgemisch wird unter Aufrechterhaltung der zur Vakuumentgasung erforderlichen Druckabsenkung laufend abgesaugt
dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte 1 bis 5 in einem Entgasungs
behälter durchgeführt werden, der als kontinuierlich durchströmtes, langgestrecktes
Strömungsrohr ausgebildet ist, wobei die
- - Feinverteilung der Flüssigkeit in einem ersten,
- - das Sammeln der Flüssigkeit und das Abscheiden der Gasblasen über die freie Oberfläche in einem nachgeordneten und
- - die Bildung der Flüssigkeitssäule in einem sich an diesen unmittelbar anschließenden Abschnitt des Strömungsrohres stattfinden, und daß die Höhe der Flüssigkeitssäule geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit vor
ihrer Feinverteilung und Vakuumentgasung zunächst ein anderes in der Flüssigkeit
lösliches Gas gelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinverteilte
Flüssigkeit auf dem Weg zum Abschnitt des Strömungsrohres, in dem sie gesammelt
wird, wenigstens eine Umlenkung erfährt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus
dem das Strömungsrohr verlassenden entgasten Flüssigkeitsstrom ein Teilstrom abge
trennt und dieser Teilstrom rück- und vor Eintritt der Flüssigkeit bzw. der ggf. imprä
gnierten Flüssigkeit in das Strömungsrohr mit dieser zusammengeführt wird.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit
einer Einrichtung zur Vakuumentgasung, die einen Entgasungsbehalter aufweist, der
in seinem Kopfbereich zum einen über eine Gasleitung mit einer Unterdruckquelle ver
bunden ist und in den dort zum anderen eine Zulaufleitung, die an ihrem Ende eine
Verteileinrichtung für die zu entgasende Flüssigkeit aufweist, einmündet und aus dem
in seinem Fußbereich eine Ablaufleitung für die Flüssigkeit ausmündet, dadurch
gekennzeichnet, daß der als langgestrecktes Strömungsrohr (1) ausgebildete Entga
sungsbehälter
- - aus einem Vorentgasungsrohr (1a) und
- - einem nachgeordneten Gasabscheiderohr (1c), die beide im wesentlichen waage recht angeordnet sind, und
- - aus einem sich an letzteres unmittelbar anschließenden, einen Höhenunterschied überbrückenden weiteren Rohrabschnitt (1d) zusammengesetzt ist, und
- - daß im Gasabscheiderohr (1c) eine Einrichtung zur Füllstandsregelung (12) vor gesehen ist, mit der die Lage der freien Oberfläche der im Gasabscheiderohr (1c) und im anschließenden Rohrabschnitt (1d) befindlichen Flüssigkeit erfaßt und ge regelt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der freien
Oberfläche, bestimmt durch einen Regelbereich der Einrichtung zur Füllstandsrege
lung (12), etwa auf halber Höhe des Querschnittes des Strömungsrohres (1) einge
stellt wird und dabei das Niveau des tiefsten Punktes im Vorentgasungsrohr (1a) nicht
übersteigt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorent
gasungsrohr (1a) und das Gasabscheiderohr (1c) über ein Umlenkrohr (1b) miteinan
der verbunden sind, welches in wenigstens einer Raumebene wenigstens eine Umlen
kung bewirkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorentga
sungsrohr (1a) und das Gasabscheiderohr (1c) waagerecht und parallel zueinander
verlaufen, daß das Umlenkrohr (1b) bogenförmig ausgebildet ist und einen Umschlin
gungswinkel α von 180 Grad umfaßt, und daß die Verbindungslinie zwischen den
Achsmittelpunkten des Vorentgasungsrohres (1a) und des Gasabscheiderohres (1c)
unter einem Neigungswinkel β zwischen null und 90 Grad (0 < β < 90), vorzugsweise
um β = 45 Grad, verläuft.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß, in
Strömungsrichtung gesehen, jeweils in seinem Endbereich und an seiner Oberseite
das Vorentgasungsrohr (1a) über einen ersten Gasleitungsabschnitt (10a) und das
Gasabscheiderohr (1c) über einen zweiten Gasleitungsabschnitt (10b) mit der Gasleitung
(10) verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zur Füllstandsregelung (12) ein pneumatisches Ausgangssignal generiert,
das unmittelbar als Eingangssignal für ein in der Ablaufleitung (6) angeordnetes Regel
ventil (8) dient.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (5)
und die Ablaufleitung (6) über eine Rückführleitung (7) miteinander verbunden sind,
wobei die Rückführleitung (7) über das Regelventil (8) von der Ablaufleitung (6)
abzweigt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung
(7) über eine erste Reinigungsleitung (13) mit der Gasleitung (10) verbunden ist
und daß der zweite Gasleitungsabschnitt (10b) über eine zweite Reinigungsleitung
(13a) am Eingang des Vorentgasungsrohres (1a) in dieses einmündet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zulaufleitung (5) eine Anordnung zur Zuführung von Gas (11) zugeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19625108A DE19625108C2 (de) | 1995-11-30 | 1996-06-24 | Verfahren und Vorrichtung zur Entgasung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Entfernung von Sauerstoff aus Wasser |
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DE19625108C2 DE19625108C2 (de) | 1998-08-06 |
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ID=7778840
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19625108C2 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998047395A2 (de) * | 1997-04-21 | 1998-10-29 | Tuchenhagen Gmbh | Verfahren zum anfahren einer flüssigkeits-dosieranlage mit in-line-eigenschaften, insbesondere bei der herstellung von softdrinks |
FR2798771A1 (fr) * | 1999-09-17 | 2001-03-23 | Jean Pronost | Dispositif visant a reduire les gaz radioactifs ou nocifs dans l'eau |
AT18212U1 (de) * | 2022-12-28 | 2024-03-15 | Shenyang Sf Speeding Tech Co Ltd | Vakuumentgaser |
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DE3239066C2 (de) * | 1981-12-03 | 1990-08-02 | Veb Kombinat Nagema, Ddr 8045 Dresden, Dd |
-
1996
- 1996-06-24 DE DE19625108A patent/DE19625108C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19625108C2 (de) | 1998-08-06 |
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