DE19625108C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entgasung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Entfernung von Sauerstoff aus Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Entgasung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Ent­ fernung von Sauerstoff aus Wasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vor­ richtung zum Durchführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

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 Reduk­ tion des Sauerstoffes durch Zugabe von Additiven) unterteilen. Alle physikalischen Metho­ den 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. Inert­ gas ('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 Getränkewasser fast ausschließlich aufwendige Behälter verwendet wer­ den, die den apparativen Aufwand vergrößern, ohne daß der erzielte Entgasungseffekt sich wesentlich steigern läßt. Der Einsatz von großvolumigen Behältern wird aber auch heute deshalb als problematisch angesehen, weil hierdurch Produktverluste bei Produkt­ wechsel und desweiteren lange Umschaltzeiten bei diesen Produktwechseln auftreten, da die Behälter entleert und gespült werden müssen, und der zur Reinigung derartiger Behäl­ ter notwendige Reinigungsmittelbedarf relativ hoch ist.

Aus der DE 31 43 459 A1 ist ein Verfahren zur Austreibung von gelösten Gasen aus Flüs­ sigkeiten bekannt, das die Methode der Vakuumentgasung mit der Methode der Par­ tialdruckabsenkung mittels 'Strippen' miteinander verbindet. Es zeichnet sich im einzelnen dadurch aus, daß die Flüssigkeit in einen geschlossenen Raum eingeleitet wird, in wel­ chem ein vorgegebener, unterhalb des Atmosphärendruckes liegender Gasdruck aufrecht­ erhalten und das aus der Flüssigkeit austretende Gas laufend abgepumpt wird, daß in der Flüssigkeit vor ihrer Einleitung in den geschlossenen Raum eine vorgegebene Menge ei­ nes anderen in der Flüssigkeit löslichen Gases gelöst und die derart imprägnierte Flüssig­ keit der Vakuumentgasung unterworfen wird. Dabei kann das Verfahren ein- oder zweistu­ fig ausgeführt werden. In jedem Falle sind zur Durchführung des bekannten Verfahrens mehr oder weniger großvolumige Behälter erforderlich, in die die imprägnierte Flüssigkeit eingeleitet und der Vakuumentgasung unterworfen wird.

In der DE 32 39 066 C2 ist ein weiteres Verfahren beschrieben, welches zum Entlüften von Wasser zur Herstellung CO₂-haltiger Getränke unter anderem von den vorgenannten Ver­ fahrensschritten durch Partialdruckabsenkung mittels 'Strippen', der Stoffübergangsinten­ sivierung durch Feinverteilung der zu entgasenden Flüssigkeit und darüber hinaus von der Vakuumentgasung Gebrauch macht. Das bekannte Verfahren ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, daß als Strippgas ein 90% CO₂ enthaltendes Abblasegas aus einer Kar­ bonisier- oder Beruhigungsstufe durch Injektion in einen Haupt- oder Teilstrom des zu ent­ gasenden 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 Vakuum besteht unter anderem aus einem Vakuumkessel, einem Karbonisierkessel oder einem Beruhigungsgefäß und aus einem Fettiggetränkekessel.

Aus relativ großvolumigen Behältern bestehende Entgasungsvorrichtungen, wie sie zur Durchführung der vorstehend erwähnten bekannten Verfahren (DE 31 43 459 A1; DE 32 39 066 C2) erforderlich sind, sind aus den bereits genannten Gründen problematisch und heute nicht mehr zeitgemäß, da hierdurch die erwähnten Produktverlu­ ste und lange Umschaltzeiten bei Produktwechsel entstehen, zwangsläufig relativ große Reinigungsmittelmengen erforderlich sind und, damit einhergehend, entsprechend hohe Reinigungsmittelverluste auftreten.

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 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 5, während die Unteransprüche 7 bis 13 vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung zum Gegenstand haben.

Das vorgeschlagene Verfahren ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es die mit den ein­ zelnen Verfahrensschritten erreichbare Reduktion des Gasgehaltes im Rahmen eines kon­ tinuierlich durchströmten, langgestreckten Rohres, das in der chemischen Verfahrenstech­ nik hinlänglich als sog. 'Strömungsrohr' bezeichnet wird, realisiert. Dabei werden, wenig­ stens teilweise, auch die dem Strömungsrohr zuzurechnenden Eigenschaften genutzt. So definiert sich das Strömungsrohr als ein Reaktor, bei dem die Produktherstellung kontinu­ ierlich und ohne Rückvermischung des Produktes erfolgt. Im vorliegenden Falle bedeutet dies, daß das zu entgasende Wasser, welches zuerst in das Strömungsrohr eintritt, auch als erstes aus diesem austreten muß. Dabei nimmt die Konzentration 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 Anlaufperiode stellt sich an je­ dem Ort des Strömungsrohres eine bestimmte Konzentration ein, die sich mit der Zeit nicht mehr verändert. Die Konzentration ist stationär. Insofern unterscheidet sich das vorge­ schlagene Verfahren von jenen, bei denen der Entgasungsprozeß in einem Behälter statt­ findet. Dort nämlich kann von einem kontinuierlich arbeitenden homogenen Reaktionskessel gesprochen werden, bei dem die Konzentration des zu ent­ fernenden Gases zeitlich und örtlich im wesentlichen konstant ist.

Die Erfindung sieht vor, daß man in einem ersten Abschnitt des kontinuierlich durchström­ ten, langgestreckten Rohres die Flüssigkeit fein verteilt und einer Vakuumentgasung un­ terwirft, in einem nachgeordneten Abschnitt die Flüssigkeit sammelt und die Gasblasen über die freie Oberfläche abscheidet und in einem unmittelbar anschließenden Abschnitt die Flüssigkeitssäule bildet und deren Höhe regelt.

Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens manifestieren sich jedoch insbesondere in seiner apparativen Realisierung. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bedarf keiner großvolumigen Behälter; stattdessen 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 Gas gelöst, wie dies gemäß einer Abwandlung des vorgeschlagenen Verfahrens vor­ gesehen 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.

Wird die feinverteilte Flüssigkeit auf dem Weg zum Abschnitt des Strömungsrohres, in dem sie gesammelt wird, wenigstens einmal umgelenkt, wie dies eine weitere vorteilhafte Aus­ gestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens vorsieht, 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 Flüssig­ keitsstrom ein Teilstrom abgetrennt, dieser Teilstrom mit der dem Strömungsrohr zuströ­ menden, zu entgasenden Flüssigkeit zusammengeführt und rezirkuliert 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 ab­ senken, zum anderen bietet die Rezirkulation die Möglichkeit, die Durchsatzleistung des vorgeschlagenen Verfahrens an sich verändernde Abnahmebedingung von Anlagenteilen für den Herstellungsprozeß alkoholfreier Getränke anzupassen, wenn diese Anlagenteile der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgeordnet sind. So läßt sich die Durchsatzleistung der vorgeschlagenen Vorrichtung durch Regelung ihrer Rezirkulationsmenge sehr gut z. B. an die Abnahmeleistung einer nachgeschalteten Ab­ füllanlage angleichen. Je höher die Rezirkulationsmenge im Verhältnis zur Abnahmemen­ ge eingestellt wird, desto niedriger ist die am Austritt des Strömungsrohres vorliegende Restgaskonzentration. Andererseits ist es bei hoher Rezirkulationsmenge möglich, das Durchsatzangebot sehr schnell an eine erhöhte Abnahmeleistung anzupassen. Die Rezir­ kulation bietet somit, wenigstens in begrenztem Umfang, eine Möglichkeit der Pufferung und Speicherung von entgaster Flüssigkeit, wie sie ansonsten bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nur über die Speicherfähigkeit von Behältnissen großen Volumens er­ reichbar ist.

Es hat sich im Hinblick auf eine möglichst wirksame Entgasung als vorteilhaft herausge­ stellt, wenn man die Lage der freien Oberfläche etwa auf halber Höhe des Querschnitts des Strömungsrohres einstellt und dabei das Niveau des tiefsten Punktes im Vorentga­ sungsrohr nicht übersteigt.

Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens arbeitet physikalisch am effektivsten, wenn ein als langgestrecktes Strömungsrohr ausgebildeter Entgasungsbehälter aus einem Vorentgasungsrohr und einem nachgeordneten Gasabscheiderohr, die beide im wesentli­ chen waagerecht angeordnet sind, einem sich an letzteres unmittelbar anschließenden, einen Höhenunterschied überbrückenden weiteren Rohrabschnitt und einer Einrichtung zur Füllstandsregelung besteht. Letztere regelt die Lage der freien Oberfläche der sich im Gasabscheiderohr befindlichen Flüssigkeit derart, daß das Gasabscheiderohr weder "trockenfällt" noch vollständig geflutet wird.

Von weiterem Vorteil hinsichtlich einer wirksamen Entgasung ist die vorgeschlagene Maß­ nahme, das Vorentgasungsrohr und das Gasabscheiderohr über ein Umlenkrohr miteinan­ der zu verbinden. Die Wandung des Umlenkrohres bewirkt die vorstehend beschriebene Änderung des Strömungszustandes ohne nennenswerten Druckverlust und verhindert damit eine Rücklösung des abzuscheidenden Gases. Dabei hat es sich als vorteilhaft her­ ausgestellt, wenn in wenigstens einer Raumebene wenigstens eine Umlenkung vorgese­ hen ist.

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 Strömungsrichtung gesehen, jeweils in seinem Endbereich und an seiner Oberseite das Vorentgasungsrohr 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 Ein­ gangssignal für ein in der Ablaufleitung angeordnetes Regelventil dient.

Zur Sicherstellung der verfahrenstechnisch vorgeschlagenen Maßnahme der Rückführung eines Teils der das Strömungsrohr verfassenden 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 Teilströme 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 vorge­ sehen, 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 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 nachgeschalteten vertikalen Rohr­ abschnitt gebildet wird;

Fig. 1a in schematischer Darstellung die strömungstechnischen Verhältnisse beim Betrieb des Strömungsrohres;

Fig. 2 in der Vorderansicht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;

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 vorgeschlagenen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem als langgestrecktes Strömungsrohr 1 ausgebildeten Entgasungsbehälter (Fig. 1), welcher aus einem Vorentgasungsrohr 1a und einem nachgeordneten Gasab­ scheiderohr 1c, die beide im wesentlichen waagerecht angeordnet sind, einem sich an letzteres unmittelbar anschließenden, einen Höhenunterschied H (siehe Fig. 1a) über­ brückenden weiteren Rohrabschnitt 1d und einer Einrichtung zur Füllstandsregelung 12 besteht. Das Vorentgasungsrohr 1a und das Gasabscheiderohr 1c verlaufen waagerecht und parallel zueinander. Ein das Vorentgasungsrohr 1a und das Gasabscheiderohr 1c verbindendes Umlenkrohr 1b hat halbkreisförmige Gestalt und bildet somit einen Umschlin­ gungswinkel 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, welches 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 Anzeigeeinrich­ tungen 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 För­ dereinrichtung 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 die Einrichtung zur Füllstandsregelung 12 vorgesehen, welche 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 werden. 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 4a (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 Gasleitungsab­ schnittes 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 sultierende 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 Verfahrensschrit­ te. 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 werde, in denen unerwünschtes, abzuscheidendes Gas, beispielsweise Sauerstoff, enthalten ist.

Mit L1 und L2 sind die wirksamen Langen des Vorentgasungsrohres 1a bzw. des Gasab­ scheiderohres 1c bezeichnet. Untersuchungen haben, gezeigt, daß beispielsweise bei ei­ nem Strömungsrohr einer Nennweite DN 162 die wirksamen Langen 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"-Fahigkeit 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 Um­ lenkrohr 1b horizontal, senkrecht oder in einer von der vorgenannten 45-Grad-Stellung ab­ weichenden Zwischenstellung angeordnet werden. Der nachgeschaltete Rohrabschnitt 1d muß einen Höhenunterschied H überbrücken; er wird vorzugsweise eine vertikale oder an­ nähernd vertikale Ausrichtung erhalten.

Die Ausbildung des Entgasungsbehälters in der geometrischen Gestalt eines langgestreck­ ten Strömungsrohres 1 bietet gegenüber bekannten Vorrichtungen erhebliche Vorteile. Hierdurch werden Produktverluste bei Produktwechsel und der Einsatz von Reinigungsmit­ teln minimiert sowie die Umschaltzeiten bei Produktwechsel kurz gehalten. Die Vorrichtung ist 'in-line' anzuordnen; sie ist 'behälterlos', was zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen noch Vorteile in Richtung Festigkeit und Sicherheit bietet und Investitionskosten minimiert.

Claims (13)

1. Verfahren zur Entgasung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Entfernung von Sauerstoff aus Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem kontinuierlich durchströmten, langgestreckten Rohr

• a) in einem ersten Abschnitt die Flüssigkeit fein verteilt und einer Vakuumentgasung unterwirft,
• b) in einem nachgeordneten Abschnitt die Flüssigkeit sammelt und die Gasblasen über die freie Oberfläche abscheidet,
• c) in einem unmittelbar anschließenden Abschnitt die Flüssigkeitssäule bildet und de­ ren Höhe regelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Flüssigkeit vor ihrer Feinverteilung und Vakuumentgasung zunächst ein anderes Gas löst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die feinverteilte Flüssigkeit auf dem Weg zum Abschnitt des Strömungsrohres, in dem sie gesammelt wird, wenigstens einmal umlenkt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das man aus dem das Strömungsrohr verlassenden entgasten Flüssigkeitsstrom einen Teilstrom ab­ trennt, diesen Teilstrom mit der dem Strömungsrohr zuströmenden, zu entgasenden Flüssigkeit zusammenführt und rezirkuliert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage der freien Oberfläche etwa auf halber Höhe des Querschnittes des Strömungsrohres (1) einstellt wird und dabei das Niveau des tiefsten Punktes im Vorentgasungsrohr (1a) nicht übersteigt.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen als langgestrecktes Strömungsrohr (1) ausgebildeten Entgasungsbehälter, bestehend aus

• a) einem Vorentgasungsrohr (1a) und einem nachgeordneten Gasabscheiderohr (1c), die beide im wesentlichen waage­ recht angeordnet sind,
• b) einem sich an letzteres unmittelbar anschließenden, einen Höhenunterschied über­ brückenden weiteren Rohrabschnitt (1d) und
• c) einer Einrichtung zur Füllstandsregelung (12).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorent­ gasungsrohr (1a) und das Gasabscheiderohr (1c) überein Umlenkrohr (1b) miteinan­ der verbunden sind.

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 6 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 Gaslei­ tung (10) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Füllstandsregelung (12) ein pneumatisches Ausgangssignal generiert, das unmittelbar als Eingangssignal für ein in der Ablaufleitung (6) angeordetes 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 Rückführlei­ tung (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 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufleitung (5) eine Anordnung zur Zuführung von Gas (11) zugeordnet ist.