DE19717768A1 - Einrichtung zum Trennen von heterogenen Dispersionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Trennen von heterogenen Dispersionen mit einem flüssigen Dispersionsmittel und mindestens einer flüssigen spezifisch leichteren oder schwereren dispersen Phase, mit plattenartigen Abscheideelementen vorgegebener geometrischer Struktur, die an mindestens einem Rahmen in gleichem Abstand übereinander zu mindestens einem Abscheidepaket angebracht, jeweils zwischen sich Strömungskanäle für die Dispersion bilden und die im Bereich der Scheitel Öffnungen zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen dispersen Phase aufweisen.

In vielen verfahrenstechnischen Bereichen treten Dispersionen auf. Unter einer Dispersion versteht man ein Gemisch aus zwei oder mehreren Stoffen, wobei ein Stoff mehr oder weniger fein in dem anderen verteilt ist. Der kontinuierlich vorliegende Stoff wird Dispersionsmittel, der verteilte Stoff disperse Phase genannt. In heterogenen Systemen lassen sich einzelne, in sich homogene Bereiche visuell - unter Umständen nur mit dem Mikroskop - als disperse Phase erkennen.

In den Dispersionen, die durch die erfindungsgemäße Einrichtung getrennt werden, können in einer Flüssigkeit als Dispersionsmittel mehrere Phasen gleichzeitig dispers vorliegen, wie nicht oder nur teilweise gelöste Flüssigkeiten als Tropfen, Gase als Blasen oder Feststoffe als Partikel. Bevorzugt wendet sich jedoch die Erfindung an heterogene flüssig-flüssig Dispersionen, die auch als Emulsionen bezeichnet werden, mit mindestens einer dispersen Phase (Tröpfchen) die spezifisch leichter oder schwerer als das Dispersionsmittel ist, wie beispielsweise Öltröpfchen als disperse leichte Phase in dem Dispersionsmittel Wasser.

Um die in vorgenannter Emulsion beteiligten Stoffe, die disperse Phase bzw. das flüssige Dispersionsmittel, weiterverarbeiten zu können, ist eine schnelle Trennung der Stoffgemische, der Dispersionen notwendig. Die Trennung einer Emulsion beruht dabei auf den physikalischen Vorgängen der Sedimentation und der Koaleszenz. Die Sedimentation beruht auf dem Dichteunterschied zwischen der flüssigen dispersen Phase (Tropfen) und dem Dispersionsmittel und ist für die Bewegung der Tropfen verantwortlich. Das Vereinigen der Tropfen untereinander bezeichnet man als Koaleszenz.

Um heterogene Flüssigkeitsgemische zu trennen bringt man hauptsächlich Barrieren in die Dispersion ein, mit der Absicht, bessere Koaleszenzbedingungen zu schaffen. Ziel ist es, die Koaleszenz der Tropfen zu unterstützen und zu beschleunigen. Man bezeichnet daher die Barrieren auch als Koaleszenzflächen. Die Sedimentationsgeschwindigkeit der Tropfen kann man zwar durch Ausnutzen der Fliehkraft, erhöhen, was z. B. in Zentrifugen oder Hydrozyklonen erfolgt, jedoch ist eine Anwendung dieser Methode bei Trenneinrichtung mit Koaleszenzflächen nicht möglich.

Die praktische Anordnung von Koaleszenzflächen erfolgt in sogenannten Plattenabscheidern, auch Koaleszenzabscheider genannt. In diesen Abscheidern werden in bekannter Weise in Rahmen befestigte Lamellenplatten oder Spitzdachplatten oder spitzdachförmige Platten zu Paketen zusammengefaßt, die eingebaut in Rohren von der aufzutrennenden Dispersion durchströmt werden.

Es sind Lamellenabscheider bekannt, welche aus mehreren im wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Lamellenplatten bestehen, die zwischen sich im wesentlichen sinusförmige Strömungskanäle für das heterogene Stoffgemisch bilden. Jeweils im Bereich der Scheitel der sinusförmigen Lamellenplatten sind Austrittsöffnungen angeordnet. Beim Durchströmen der so gebildeten Kanäle, beispielsweise durch eine aus Wasser mit Ölanteilen bestehende Emulsion, sammeln sich im Bereich der Scheitel Öltröpfchen an, die sich beim Durchströmen des Kanals vom Wasser getrennt bzw. aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichts nach oben bewegt haben. Durch Öffnungen im Bereich der Scheitel kann die abgetrennte Ölmenge aus dem Kanal austreten.

Es sind ferner Plattenabscheider bekannt, die aus Spitzdachplatten gebildet sind, die einen langen, im wesentlichen schräg ansteigenden Dachplattenabschnitt und einen sich zu einem Scheitel mit dem langen Dachplattenabschnitt verbindenden kurzen Dachplattenabschnitt aufweisen. Durch mehrere übereinander angeordnete derartige Spitzdachplatten werden Kanäle gebildet, die von dem heterogenen Stoffgemisch durchströmt werden. Das Stoffgemisch bewegt sich dabei entlang der langen Dachplatten aufwärts, wobei bei diesem Aufwärtsströmen wiederum beispielsweise Öltröpfchen vertikal bezüglich des strömenden Wassers aufsteigen und sich an einer unteren Oberfläche der lagen Dachplatten ansammeln, bzw. dort koaleszieren. Es bildet sich dann auf der unteren Oberfläche der langen Dachplatte ein Ölfilm, der aufgrund seines geringeren spezifischen Gewichtes zum Scheitel des Dachs nach oben steigt. Im Bereich des Dachscheitels ist wiederum eine Austrittsöffnung gebildet, aus der dann der sich in diesem Bereich ansammelnde leichtere Stoff, z. B. Öl, der sich vom schwereren Stoff, z. B. Wasser, gelöst hat, austreten kann.

Ein Nachteil der Lamellenabscheider besteht zunächst in der Ablagerung von Feststoffen in den Tälern, wodurch zum einen die örtliche Fließgeschwindigkeit erheblich erhöht wird und zum anderen ein Verblocken der Pakete vorkommen kann.

Bei beiden bekannten Abscheidern besteht darüber hinaus das Problem, daß beim Strömen jeweils auf den Scheitel zu das heterogene Stoffgemisch aufwärts strömt und dabei die Separation zwischen den Stoffen auftreten soll. Da jedoch der leichtere Stoff bezüglich des schwereren Stoffes eine entgegen der Schwerkraftwirkung vertikal nach oben gerichtete Beschleunigung erfährt und er somit eine zusätzliche Geschwindigkeitskomponente erhält, die bei vektorieller Addition zur ursprünglichen Strömungsgeschwindigkeit seine Verweildauer im Bereich des Stoffseparationskanalabschnitts verringert, hat der leichtere, abzutrennende Stoff im Stoffseparationskanalabschnitt weniger Zeit, sich mit anderen Teilen dieses Stoffes zu verbinden, d. h. zu koaleszieren. Ferner bildet sich im Bereich des Scheitels jeweils ein Überschuß des leichteren Stoffes, von dem dann eine gewisse Menge pro Zeiteinheit durch die Öffnung austreten kann. D. h., im Bereich des Austritts des leichteren Stoffes findet kein Aufreißen der Phasengrenze zwischen dem schwereren und dem leichteren Stoff statt. Es können daher keine Verunreinigungen vom Bereich der Phasengrenze abtransportiert werden. Zusätzlich wird im Bereich der Scheitel die Strömungsrichtung der Dispersion um nahezu 90° umgelenkt, so daß dort Verwirbelungen auftreten können, die den Abtransport der leichteren dispersen Phase weiter erschweren können. Im Hinblick auf vorgenannte Effekte ist daher die Abscheideleistung der bekannten Plattenabscheider begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Einrichtung so auszubilden, daß die Koaleszenzbedingungen verbessert werden, d. h. einen Plattenabscheider mit gesteigerter Abscheideleistung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Abscheideelemente aus durchmessergleichen Kreisbogensegmenten mit gleicher Bogenlänge bestehen, die, unter jeweiliger Bildung eines zum Scheitelbereich hin divergierenden Strömungskanales zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten, schalenartig übereinander angeordnet sind.

Da bei gleichbeabstandeter Übereinanderanordnung von durchmesser- und bogenlängengleichen Kreisbogensegmenten aufgrund der Geometrie der Querschnitt des Strömungskanals im Bereich der Längskanten kleiner als im Scheitelbereich der Kreisbogensegmente ist, entsteht daher bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein zum Scheitelbereich hin divergierender Strömungskanal, der die Strömungsgeschwindigkeit herabsetzt, d. h. die Verweildauer der dispersen Phase erhöht und damit die Tropfen-Tropfen- Koaleszenz verbessert. Dies bewirkt eine Steigerung der Abscheideleistung.

Es hat sich gezeigt, daß ein günstiges Trennverhalten des Abscheiders erzielbar ist, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Bogenlänge der Kreisbogenelemente vorzugsweise einem Zentriwinkel von 120° entspricht.

Um interne, die Abscheidung störende Querströmungen zu vermeiden, sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Öffnungen im Scheitelbereich jeweils zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten versetzt zueinander angeordnet.

Eine besonders günstige Anordnung des Abscheidepaketes in einem Rohr ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erzielbar, wenn ein ringförmiger Rahmen vorgesehen ist, an dem jeweils die eine Längskante der Kreisbogenelemente auf übereinanderliegenden Sekanten mit entsprechend angepaßter Länge angebracht ist.

Das Trennvermögen der erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich erhöhen, wenn gemäß einer Ausgestaltung mehrere Abscheidepakete als eine Folge von Trennstufen hintereinandergeschaltet sind.

Um zu ermöglichen, daß feste Partikel aus den Abscheidepaketen nach unten absinken können und die Abscheidung durch eine mögliche Verblockung der Kanäle nicht zum Erliegen kommt, ist gemäß einer Weiterbildung zwischen zwei benachbarten Abscheidepaketen ein Spalt vorgesehen.

Die Abscheidepakete sind üblicherweise aus einem verstärkten Kunststoff, wie PP-TV oder aus Metall hergestellt. In der chemischen Industrie kommen jedoch häufig aggressive Medien, z. B. Salzsäuren, Toluol, Oleum, DMF vor. Für diese Stoffe sind die herkömmlichen Materialien aufgrund ihrer mangelnder chemischen Beständigkeit nicht geeignet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, gegen aggressive Medien beständige und effiziente Abscheidepakete bereitzustellen.

Die erfinderische Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung des Materials Borosilicatglas 3.3 als Werkstoff.

Die Wahl des Werkstoffes Borosilicatglas 3.3 bietet nicht nur den Vorteil einer nahezu universellen Beständigkeit, sondern auch einer sehr glatten Oberfläche, auf der Partikel abgleiten können.

Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Abscheideelement in Form eines Kreisbogensegmentes,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung die Herstellung des Kreisbogenelementes aus einem Glasrohr,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines aus den erfindungsgemäßen Abscheideelementen aufgebauten Abscheidepaketes,

Fig. 4 eine hälftige Stirnansicht des Abscheidepaketes nach Fig. 3, gesehen in Strömungsrichtung der zu trennenden Dispersion, und

Fig. 5 eine mehrstufige Anordnung von Abscheidepaketen in einer schematischen Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Abscheideelement in Form eines Kreisbogensegmentes 1, das im Scheitelbereich zwei Öffnungen 2 zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen dispersen Phase aufweist. Die Zahl der Öffnungen 2 ist dabei innerhalb der Abscheideelemente verschieden, wie noch anhand der Fig. 3 erläutert werden wird. Die Bogenlänge des Kreisbogensegmentes entspricht, wie in Fig. 2 dargestellt, vorzugsweise einem Zentriwinkel von 120°. Mit einer Bogenlänge dieser Größe läßt sich ein strömungstechnisch wie von der Abscheideleistung her günstiges Abscheidepaket 5 nach Fig. 3 herstellen.

Das Kreisbogensegment 1 wird, wie in Fig. 2 dargestellt, vorzugsweise auf einfache Weise aus einem entsprechend langen Rohr 3 herausgesägt. Bei einem Bogenmaß entsprechend 120° lassen sich somit aus einem gegebenen Rohrstück drei Kreisbogensegmente 1 herstellen.

Die Fig. 3 mit der Stirnansicht nach Fig. 4 zeigt ein aus den Kreisbogensegmenten 1 nach Fig. 1 aufgebautes Abscheidepaket 5. An einem ringförmigen Rahmen 4 sind mehrere durchmesser- und bogenlängengleiche Kreisbogensegmente 1 auf übereinanderliegenden Sekanten schalenartig mit der Wölbung nach oben übereinander angeordnet, indem eine der beiden Längskanten 1a jeweils abstandsgleich fest mit dem Rahmen 4 verbunden ist. Die axiale Länge des Kreisbogensegmentes 1 bestimmt sich dabei nach der Länge der Sekante, auf der es angebracht ist (Fig. 4). Zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten 1 des Ascheidepaketes 5 sind Strömungskanäle 6 für die aufzutrennende heterogene flüssig-flüssig Dispersion, die entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Pfeilrichtung das Abscheidepaket 5 anströmt, vorgesehen. Wie die Fig. 3 dabei zeigt, ist die Strecke A im Scheitelbereich größer als die Strecke B im Eintrittsbereich, d. h. der Strömungskanal 6 divergiert zum Scheitelbereich hin. Somit ist die Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt der Strecke A geringer und damit die Verweildauer der flüssigen dispersen Phase im Scheitelbereich größer als im Querschnitt der Strecke B, wodurch die Abscheideleistung gesteigert werden kann.

Die Öffnungen 2 sind bei den einzelnen Kreisbogensegmenten in unterschiedlicher Zahl vorhanden und jeweils zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten 1 versetzt zueinander angeordnet, um interne kurzschlußartige Querströme zu vermeiden. So kann beispielsweise das oberste Segment des Abscheidepaketes 5 zwei Öffnungen, das nächste nur eine Öffnung in der Mitte zwischen den beiden oberen, das nächste wiederum zwei Öffnungen auf Höhe der Öffnungen des ersten Segmentes, das nächste Element drei Öffnungen, um den halben Lochabstand gegenüber dem vorausgehenden Segment versetzt besitzen, usw.

Eine gegenüber chemischen Flüssigkeiten resistente Ausführung eines Abscheidepaketes erhält man, wenn der Rahmen 4 mit den Kreisbogensegmenten 1 aus Borosilicatglas 3.3 hergestellt wird. Die Kreisbogensegmente sind dann an dem Rahmen 4 angeschmolzen, wobei alle Kanten, auch die Ränder der Durchtrittsöffnungen 2, durch Anschmelzen gebrochen sind.

Wie die Fig. 5 zeigt, sind mehrere Abscheidepakete 5 als eine Folge von Trennstufen hintereinandergeschaltet und in einem Rohr 8 untergebracht. Zwischen zwei benachbarten Abscheidepaketen befindet sich jeweils ein Spalt 7, damit feste Partikel nach unten absinken können und die Abscheidung durch eine sonst mögliche Verblockung nicht zum Erliegen kommt.

Alternativ zu der Ausführung nach Fig. 5 können die Abscheidepakete 5 auch um 180° verdreht eingebaut sein, d. h., daß die Wölbung der Kreisbogensegmente nach unten zeigt.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Trennen von heterogenen Dispersionen mit einem flüssigen Dispersionsmittel und mindestens einer flüssigen spezifisch leichteren oder schwereren dispersen Phase, mit plattenartigen Abscheideelementen vorgegebener geometrischer Struktur, die an mindestens einem Rahmen (4) in gleichem Abstand übereinander zu mindestens einem Abscheidepaket (5) angebracht, jeweils zwischen sich Strömungskanäle (6) für die Dispersion bilden und die im Bereich der Scheitel Öffnungen (2) zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen dispersen Phase aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideelemente aus durchmessergleichen Kreisbogensegmenten (1) mit gleicher Bogenlänge bestehen, die, unter jeweiliger Bildung eines zum Scheitelbereich hin divergierenden Strömungskanales (6) zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten, schalenartig übereinander angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenlänge der Kreisbogenelemente (1) einem einheitlichen Zentriwinkel von vorzugsweise 120° entspricht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (2) im Scheitelbereich jeweils zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten (1) versetzt zueinander angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Rahmen (4) vorgesehen ist, an dem jeweils die eine Längskante (1a) der Kreisbogenelemente (1) auf übereinanderliegenden Sekanten mit entsprechend angepaßter Länge angebracht sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Abscheiderpakete (5) als eine Folge von Trennstufen hintereinandergeschaltet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Abscheidepaketen ein Spalt (7) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) mit den Abscheideelementen (1) aus Borosilicatglas 3.3 hergestellt ist.