DE19717768C2 - 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 plattenarti­ gen Abscheideelementen vorgegebener geometrischer Struktur, die an mindestens einem Rahmen in gleichem Ab­ stand übereinander zu mindestens einem Abscheidepaket angebracht, jeweils zwischen sich Strömungskanäle für die Dispersion bilden und die im Bereich der Scheitel Öffnun­ gen zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen di­ spersen Phase aufweisen.

In vielen verfahrenstechnischen Bereichen treten Disper­ sionen auf. Unter einer Dispersion versteht man ein Ge­ misch aus zwei oder mehreren Stoffen, wobei ein Stoff mehr oder weniger fein in dem anderen verteilt ist. Der kontinu­ ierlich vorliegende Stoff wird Dispersionsmittel, der ver­ teilte Stoff disperse Phase genannt. In heterogenen Syste­ men 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 vor­ liegen, wie nicht oder nur teilweise gelöste Flüssigkeiten als Tropfen, Gase als Blasen oder Feststoffe als Partikel. Bevor­ zugt wendet sich jedoch die Erfindung an heterogene flüs­ sig-flüssig Dispersionen, die auch als Emulsionen bezeich­ net werden, mit mindestens einer dispersen Phase (Tröpf­ chen) die spezifisch leichter oder schwerer als das Dispersi­ onsmittel 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, weiter­ verarbeiten zu können, ist eine schnelle Trennung der Stoff­ gemische, 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 di­ spersen Phase (Tropfen) und dem Dispersionsmittel und ist für die Bewegung der Tropfen verantwortlich. Das Vereini­ gen der Tropfen untereinander bezeichnet man als Koales­ zenz.

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 be­ schleunigen. Man bezeichnet daher die Barrieren auch als Koaleszenzflächen. Die Sedimentationsgeschwindigkeit der Tropfen kann man zwar durch Ausnutzen der Fliehkraft, er­ höhen, was z. B. in Zentrifugen oder Hydrozyklonen er­ folgt, jedoch ist eine Anwendung dieser Methode bei Trenn­ einrichtung mit Koaleszenzflächen nicht möglich.

Die praktische Anordnung von Koaleszenzflächen erfolgt in sogenannten Plattenabscheidern, auch Koaleszenzab­ scheider genannt. In diesen Abscheidern werden in bekann­ ter Weise in Rahmen befestigte Lamellenplatten oder Spitz­ dachplatten oder spitzdachförmige Platten zu Paketen zu­ sammengefaßt, die eingebaut in Rohren von der aufzutren­ nenden Dispersion durchströmt werden.

Es sind Lamellenabscheider bekannt, welche aus mehre­ ren im wesentlichen sinusförmig ausgebildeten Lamellen­ platten bestehen, die zwischen sich im wesentlichen sinus­ förmige 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 Schei­ tel kann die abgetrennte Ölmenge aus dem Kanal austreten.

Es sind ferner Plattenabscheider bekannt, die aus Spitz­ dachplatten gebildet sind, die einen langen, im wesentlichen schräg ansteigenden Dachplattenabschnitt und einen sich zu einem Scheitel mit dem langen Dachplattenabschnitt verbin­ denden kurzen Dachplattenabschnitt aufweisen. Durch meh­ rere übereinander angeordnete derartige Spitzdachplatten werden Kanäle gebildet, die von dem heterogenen Stoffge­ misch durchströmt werden. Das Stoffgemisch bewegt sich dabei entlang der langen Dachplatten aufwärts, wobei bei diesem Aufwärtsströmen wiederum beispielsweise Öltröpf­ chen 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 Dach­ scheitels 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 vorkom­ men 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 ge­ richtete Beschleunigung erfährt und er somit eine zusätzli­ che Geschwindigkeitskomponente erhält, die bei vektoriel­ ler Addition zur ursprünglichen Strömungsgeschwindigkeit seine Verweildauer im Bereich des Stoffseparationskanalab­ schnitts verringert, hat der leichtere, abzutrennende Stoff im Stoffseparationskanalabschnitt weniger Zeit, sich mit ande­ ren Teilen dieses Stoffes zu verbinden, d. h. zu koaleszieren. Ferner bildet sich im Bereich des Scheitels jeweils ein Über­ schuß 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 Verunrei­ nigungen vom Bereich der Phasengrenze abtransportiert werden. Zusätzlich wird im Bereich der Scheitel die Strö­ mungsrichtung der Dispersion um nahezu 90° umgelenkt, so daß dort Verwirbelungen auftreten können, die den Abtrans­ port der leichteren dispersen Phase weiter erschweren kön­ nen. Im Hinblick auf vorgenannte Effekte ist daher die Ab­ scheideleistung der bekannten Plattenabscheider begrenzt.

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

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Abscheideelemente aus durchmesserglei­ chen Kreisbogensegmenten mit gleicher Bogenlänge beste­ hen, die, unter jeweiliger Bildung eines zum Scheitelbereich hin divergierenden Strömungskanales zwischen zwei be­ nachbarten Kreisbogensegmenten, schalenartig übereinan­ der angeordnet sind.

Da bei gleichbeabstandeter Übereinanderanordnung von durchmesser- und bogenlängengleichen Kreisbogenseg­ menten aufgrund der Geometrie der Querschnitt des Strö­ mungskanals im Bereich der Längskanten kleiner als im Scheitelbereich der Kreisbogensegmente ist, entsteht daher bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein zum Scheitelbe­ reich hin divergierender Strömungskanal, der die Strö­ mungsgeschwindigkeit 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 vor­ zugsweise 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 zwi­ schen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten versetzt zu­ einander angeordnet.

Eine besonders günstige Anordnung des Abscheidepake­ tes in einem Rohr ist gemäß einer Weiterbildung der Erfin­ dung erzielbar, wenn ein ringförmiger Rahmen vorgesehen ist, an dem jeweils die eine Längskante der Kreisbogenele­ mente auf übereinanderliegenden Sekanten mit entspre­ chend angepaßter Länge angebracht ist.

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

Um zu ermöglichen, daß feste Partikel aus den Abschei­ depaketen nach unten absinken können und die Abschei­ dung durch eine mögliche Verblockung der Kanäle nicht zum Erliegen kommt, ist gemäß einer Weiterbildung zwi­ schen zwei benachbarten Abscheidepaketen ein Spalt vorge­ sehen.

Die Abscheidepakete sind üblicherweise aus einem ver­ stärkten Kunststoff, wie PP-TV oder aus Metall hergestellt. In der chemischen Industrie kommen jedoch häufig aggres­ sive 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 Abscheidepa­ kete bereitzustellen.

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

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 Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung wird diese näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung das erfin­ dungsgemäße Abscheideelement in Form eines Kreisbogen­ segmentes,

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

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

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

Fig. 5 eine mehrstufige Anordnung von Abscheidepake­ ten in einer schematischen Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Abscheideelement in Form eines Kreis­ bogensegmentes 1, das im Scheitelbereich zwei Öffnungen 2 zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen di­ spersen Phase aufweist. Die Zahl der Öffnungen 2 ist dabei innerhalb der Abscheideelemente verschieden, wie noch an­ hand der Fig. 3 erläutert werden wird. Die Bogenlänge des Kreisbogensegmentes entspricht, wie in Fig. 2 dargestellt, vorzugsweise einem Zentriwinkel von 120°. Mit einer Bo­ genlänge 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 entspre­ chend 120° lassen sich somit aus einem gegebenen Rohr­ stück drei Kreisbogensegmente 1 herstellen.

Die Fig. 3 mit der Stirnansicht nach Fig. 4 zeigt ein aus den Kreisbogensegmenten 1 nach Fig. 1 aufgebautes Ab­ scheidepaket 5. An einem ringförmigen Rahmen 4 sind mehrere durchmesser- und bogenlängengleiche Kreisbogen­ segmente 1 auf übereinanderliegenden Sekanten schalenar­ tig mit der Wölbung nach oben übereinander angeordnet, in­ dem 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 Ascheide­ paketes 5 sind Strömungskanäle 6 für die aufzutrennende heterogene flüssig-flüssig Dispersion, die entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Pfeilrichtung das Abscheidepaket 5 an­ strömt, 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 Strömungsgeschwindig­ keit im Querschnitt der Strecke A geringer und damit die Verweildauer der flüssigen dispersen Phase im Scheitelbe­ reich größer als im Querschnitt der Strecke B, wodurch die Abscheideleistung gesteigert werden kann.

Die Öffnungen 2 sind bei den einzelnen Kreisbogenseg­ menten in unterschiedlicher Zahl vorhanden und jeweils zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten 1 ver­ setzt zueinander angeordnet, um interne kurzschlußartige Querströme zu vermeiden. So kann beispielsweise das ober­ ste 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 Aus­ führung eines Abscheidepaketes erhält man, wenn der Rah­ men 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 ge­ brochen 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 Abschei­ dung durch eine sonst mögliche Verblockung nicht zum Er­ liegen kommt.

Alternativ zu der Ausführung nach Fig. 5 können die Ab­ scheidepakete 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 Disper­ sionen mit einem flüssigen Dispersionsmittel und min­ destens einer flüssigen spezifisch leichteren oder schwereren dispersen Phase, mit plattenartigen Ab­ scheideelementen vorgegebener geometrischer Struk­ tur, die an mindestens einem Rahmen (4) in gleichem Abstand übereinander zu mindestens einem Abschei­ depaket (5) angebracht, jeweils zwischen sich Strö­ mungskanäle (6) für die Dispersion bilden und die im Bereich der Scheitel Öffnungen (2) zum Durchtritt der abgetrennten leichteren flüssigen dispersen Phase auf­ weisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschei­ deelemente aus durchmessergleichen Kreisbogenseg­ menten (1) mit gleicher Bogenlänge bestehen, die, un­ ter jeweiliger Bildung eines zum Scheitelbereich hin divergierenden Strömungskanales (6) zwischen zwei benachbarten Kreisbogensegmenten, schalenartig übereinander angeordnet sind.

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

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnungen (2) im Scheitelbe­ reich jeweils zwischen zwei benachbarten Kreisbogen­ segmenten (1) versetzt zueinander angeordnet sind.

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

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Abscheiderpakete (5) als eine Folge von Trennstufen hintereinanderge­ schaltet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Abscheide­ paketen ein Spalt (7) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) mit den Ab­ scheideelementen (1) aus Borosilicatglas 3.3 herge­ stellt ist.