DE2103437A1

DE2103437A1 - Verfahren und Vorrichtung zur innigen Kontaktgabe eines Gases mit einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2103437A1
Application number: DE19712103437
Authority: DE
Inventors: Jacques Paris. M Sterlini
Original assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Current assignee: Compagnie Electro Mecanique SA
Priority date: 1970-01-27
Filing date: 1971-01-26
Publication date: 1971-10-28
Also published as: DE2103437B2; DE2103437C3; US3811663A; FR2098483A5; GB1351001A; JPS528793B1

Description

PATENTANWÄLTE

DR. W. SCHALK · DIPL.-I NG. P. Wl RTH · Dl PL.-I NG. G. DAN N EN BERG . DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI N HOLD · DR. D. GüDEL

6 FRANKFURT AM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STRASSE »9

25.1.1971" Gu/gm

Compagnie Eletro-Mecanique

Verfahren und Vorrichtung zur innigen Kontaktgabe eines Gases mit einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur innigen Kontaktgabe eines Gases mit einer Flüssigkeit, Ferner bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Allgemein gesprochen betrifft die vorliegende Erfin- (| dung das Gebiet der Übertragung von Masse und Energie, wie auch chemische Reaktion zwischen wenigstens einem Gas und einer Flüssigkeit durch innige Kontaktgabe der gasförmigen und''flüssigen Komponenten.

Immer wenn man einen physikalischen Prozeß und/oder eine chemische Reaktion durch innige Kontaktgabe einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase realisieren will, stellt sich das Problem, wirtschaftlich große Kontaktflächen zwischen den beiden Phasen zur Verfügung zu stellen. Dies Problem ergibt sich beispielsweise; wenn in einer Lösungsflüssigkeit ein Gas oder wenigstens ein Bestandteil einer Gasmischung gelöst werden soll. Auch tritt dieses Problem

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auf, -wenn ein Gas oder wenigstens eine Komponente einer Gasmischung mit einer Flüssigkeit oder mit einer Komponente einer Flüssigkeitsmischung bzw. umgekehrt chemisch reagieren soll.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei der Wärmeübertragung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit bzw. umgekehrt über eine Berührung oder Kontaktgabe, die einen derartigen Wärmeaustausch verwirklicht.

Bei einem bekannten Verfahren linnt die Flüssigkeit im inneren eines Turms auf Füllkörper, die gasdurchlässig sind und einen Stapel aus geeigneten Formstücken, beispielsweise Ringen oder kurzen ZyIInderstücken, bilden. Dabei zirkuliert das Gas im Turm im-Gegenstrom mit der Flüssigkeit-.

Hierbei ist es jedoch nachteilig, daß diese Systeme sehr viel Raum einnehmen und in der Herstellung teuer sind, besonders, wenn das Verfahren unter Druck stattfinden soll. Die Größenordnung der festen Oberfläche, die bei diesem bekannten Verfahren realisiert werden kann, liegt bei lediglieh 500 m / m . Außerdem kostet das Pumpen der Flüssigkeit bis in den oberen Bereich des Turms Energie, wozu die Energie für die Zirkulation des Gases gerechnet werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das einen innigen Kontakt zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit gestattet, wobei gleichzeitig die Investitionskosten,verglichen mit denen früherer Techniken, verringert werden sollen. Gleichzeitig sollen bei dem Verfahren nach der Erfindung sehr große Berührungsflächen zwischen Gas und Flüssigkeit erzielbar sein. Auch sollen die Medien mit großen Volumina reagieren können, weil große Gasmen-gen mit einer Flüssigkeit in Berührung geraten körnen. Schließlich sollen die Reaktionszeiten verringert werden können.

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• Allgemein gesprochen wird zur Lösung dieser Aufgaben bei dem Verfahren nach der Erfindung eine sehr feine Emulsion des Gases in der Flüssigkeit dadurch geschaffen, daß die Flüssigkeit einer hohen Geschwindigkeit unterworfen wird, wo-bei die anfänglich notwendige Ansammlung .der kinetischen Energie der Flüssigkeit einerseits und die Kompensation der dauernd entstehenden Reibungsverluste der Flüssigkeit andererseits mittels eines thermodynamischen Zyklus des Gases selbst erhalten werden.

Auf diese Weise kann man gleichzeitig sehr große Kontaktflächen guter Qualität erhalten, da diese durch die in der Flüssigkeit ausgebildeten Gasbläschen erhalten werden. Ferner ist ein großer spezifischer Durchsatz des Gases wegen der hohen Geschwindigkeit der Emulsion erhältlich.

Das Verfahren nach der Erfindung ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a. Die Flüssigkeit wird auf einen Braick p«. komprimiert und^a^fne Geschwindigkeit gebracht, die größer ist als etwa 1m/Sek., während das Gas auf eine Geschwindigkeit Pq komprimiert wird, die etwas über dem Druck p>j liegt, daß

b. bei dem Druck p_Q eine Gasemulsion in der auf den Druck P₁ gebrachten Flüssigkeit, die mit der angegebenen Geschwindigkeit umläuft, ausgebildet wird, wobei feine Gasbläschen -erhalten werden,, die in-der-Flüssigkeit gleichförmig verteilt sind, daß -

c. die gemäß Verfahrensschritt b. erhaltene Emulsion auf einen Druck p₂ kleiner als p<j durch Übergang in eine Entspanhungszone mit einer Düse entspannt wird, wodurch gleichzeitig die flüssige Emulsion beschleunigt und ein sehr inniger Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit aufrechterhalten wird, worauf

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d. -aus der nach Verfahrensschritt c. erhaltenen beschleunigten Emulsion das Gas abgetrennt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung kann durch einen zusätz-

e.
liehen Verfahrensschritt/i ergänzt werden, bei dem die schnell •strömende Flüssigkeit in eine Zone der- Wiederverd—ichtung eingeleitet wird, wodurch eine Flüssigkeit geringerer Geschwindigkeit mit einem Druck p, erhalten wird, der dem Druck P^ wenigstens gleich ist.

Die Gesamtheit dieser Verfahrensschritte realisiert die Teilschritte eines thermodynamisehen Zyklus, in dessen Verlauf das Gas durch seine Entspannung Energie an die Flüssigkeit abgibt. Dadurch werden die inneren Reibungsverluste kompensiert und es wird eine große Umlaufgeschwindigkeit der zu behandelnden Gas- und Flüssigkeitsströme erhalten.

Beim Verfahrensschritt a. kann die Geschwindigkeit der Flüssigkeit auf einen Wert zwischen 2 und 30 m/Sek. ,vorzugsweise zwischen 5 und 25 m/Sek.,eingestellt werden.

Bei Versuchen zur Durchführung des Verfahrens nach der Er-* ■findung wurden Kontaktflächen Gas/Flüssigkeit in der Größen-Ordnung von mehreren zehntausend m /m mit Umlaufsgeschwin··· digkeiten der ausgebildeten Emulsion zwischen 10 und 60 m/Sek. erhalten.

Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfin-· -dung besitzt einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, in dem in Serie aufeinanderfolgend im Umlaufsinn der Flüssigkeit folgende Mittel vorgesehen sinds

1. "Eine Einrichtung zur Injektion des Gases in die

Flüssigkeit, die sich in der Zone des hohen Drucks pbefindet}

2. eine Entspannungsdüse für die bei Ziffer 1. ausgebildete Emulsion Gas/Flüssigkeit, und

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• 3. eine Trermeinrichtung zur Trennung des Gases von der Flüssigkeit nach Entspannung in der Düse» wie auch zusätzlich

4. ein Biffusor, der die nach der Trennung erhaltene Flüssigkeit aufnimmt.

Es wird deutlich, daß die Erfindung insbesondere für eine kontinuierliche Arbeitsweise geeignet ist. Die Ströme aus Gas und Flüssigkeit werden in einer geschlossenen Schleife in dauernden Kontakt gebracht, aus der die Teilströme des Gases und der Flüssigkeit nach der innigen Kontaktgabe abgezogen werden können. Ergänzend sind bei der Vorrichtung Einrichtungen zur Einführung neuer Flüssigkeit und Einrichtungen für den Abzug eines Teilstroms der behandelten Flüssigkeit vorgesehen. . ' , . "

Der Flüssigkeitsdurchsatz, der im folgenden externer Flüssigkeitsdurchsatz genannt wird, kann nicht nur dazu dienen, die Zusammensetzung oder den Gehalt der in der Schleife zirkulierenden Flüssigkeit in gewünschten Grenzen zu halten, sondern auch die Temperatur der Schleife ,soweit wie nötig , auf einem passenden Wert zu halten.

Bei einer Anwendung der Erfindung wird ein Wärmeaustausch zwischen einem in einem offenen Kreis umlaufenden Gas und einer Flüssigkeit realisiert, die in eiinem geschlossenen Kreis umläuft, und zwar durch direkten Kontakt zwischen der' Flüssigkeit und dem in feine Bläschen unterteilten Gas. Das Gas wird dabei in eine Zone des geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs injiziert (Zone für die Emulsionsbildung). Das Gas wi^d in einer anderen Zone des Flüssigkeitskreislauf β abgezogen, die sich weiter stromab befindet.

Unabhängig von der Zusammensetzung des Gases am Eingang , enthält dieses am Ausgang einen Dampfgehalt der Flüssigkeit, der durch die Dampfspannung dieser Flüssigkeit bewirkt wurde. Der geschlossene Flüssigkeitskreislauf besitzt eine Zweig™

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leitung, durch die die vom Gas übatragenen YOrmemengen nach außen abgegeben werden können. Andererseits wird die Energie, die notwendig ist, um den Flüssigkeitskreislauf sicherzustellen, vom Gas durch die folgenden Operationen abgenommen:

- Gas und Flüssigkeit werden in dem Gebiet des Flüssigkeitskreislauf emulgiert, in dem ein höherer Druck herrscht.

- Entspannung des auf diese Weise ausgebildeten zusammengesetzten Mediums, in deren Verlauf die'Flüssigkeit die Energien aufnimmt, die durch das Gas eingebracht wurden.

- Trennung des Gases, welches seine Wärme mit der Flüssigkeit getauscht hat.

- Erneute Kompression der Flüssigkeit auf seinen eigenen Energiebetrag bis zum Druck für die Emulsionsbildung.

Eine geeignete Vorrichtung zur Ausübung eines derartigen Verfahrens besitzt einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, in der in Serie in Strömungsrichtung der Flüssigkeit hintereinander folgende Einrichtung vorgesehen sind:

- Eine Einrichtung für die Injektion des Gases in die Flüssigkeit (Emulsiereinrichtung)_f die sich in der Hochdruckzone des Flüssigkeitskreislaufs befindet;

- £iin Kanal, in dem sich das auf diese Weise erhaltene Medium entspannt, wobei das Gas seine Wärme mit der Flüssigkeit austauscht, wobei es gleichzeitig auf die Flüssigkeit die Arbeit ausübt, die während der Entspannung eingebracht ■ wird?

- ein Separator, in dem das Gas entspannt abgezogen wird, nachdem es seine V/ärme der Flüssigkeit mitgeteilt hatj

- ein Diffusor, den die Flüssigkeit, die die Entspannungsarbeit des Gases erhalten hat, bis zu dem hohen Druck des Flüssigkeitskreislaufs, der im Niveau der Emulsiereinricht * herrscht, wieder komprimiert wird;

- ein Ableitungskreis, in dem in einem geschlossenen Kreis ein externer Durchsatz der Flüssigkeit zirkuliert, mit einem Austauscher für die Außenwärme,der die Wärme des

- _Λ α a ι ι i Λ C L 1 ORIGINAL INSPECTED

Gases abnimmt.

Diese Einrichtung bietet den Vorteil, sehr große Volumina unter sehr schnellem Wärmeaustausch miteinander auszutauschen. Die vom Gas eingeführte Arbeit bzw. Energie ist.jedoc-h gering, weil diese nur zur Kompensation der Chargenverluste des Flüssigkeitskreislaufs dient.

Es ist wichtig, daß das Verfahren nach der Erfindung durch die vorstehend angegebenen Verfahrensschritte charakterisiert wird, die.aufeinanderfolgend ablaufen. Die Kombination der Verfahrensschritte a. bis d. wie auch der daran an- ^ schließend beschriebene, ergänzende Verfahrensschritt (vgl. Merkmal e. von Patentanspruch 2) wird im folgenden eine Sequenz genannt. Eine Sequenz ist für die Erfindung charakteristisch.

Die Erfindung umfaßt auch Ausführungsformen, die dadurch erhalten werden, daß die derart definierten, spezifischen .. Sequenzen multipliziert und miteinander kombiniert werden_f

Beispielsweise kann eine derart d-efinierte Sequenz mehrere Male wiederholt werden, wobei die verschiedenen aufeinanderfolgenden Sequenzen auf denselben Flüssigkeitsstrom "ausge- Ji übt werden, der im geschlossenen Kreislauf zirkuliert.

In diesem Fall umfaßt die vollständige Schleife η parallele Gaseingänge für den gesamten Gas-durchsatz, der von dieser Schleife behandelt wird. Diesen η Eingängen entsprechen η getrennte Emulsiereinrichtungen. Die Schleife kann η parallele Gasausgänge besitzen, ^äenenebenfalls n verschiedenen Separatoren entsprechen,oder auch η Separatoren können zu einem Separator vereinigt sein.

Die Vorrichtung kann auch dadurch vervollständigt werden, daB wenigstens ein Eingang für den externen Durchsatz an neuer Flüssigkeit an geeigneter Stelle, beispielsweise

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in einem oder.dem Separator, vorgesehen ist, sowie wenigstens ein Ausgang für die behandelte Flüssigkeit, beispielsweise am Ausgang eines Diffusors. Durch diese Anordnung· wird das Pumpen des externen Durchsatzes an Flüssigkeit sichergestellt, da die Flüssigkeit bei einem Druck abgegeben wird, der höher liegt als der Eingangsdruck.

Falls es als jvorteil-haft angesehen wird und insbesondere wenn die neu zugeführte Flüssigkeit bereits unter Druck zur Verfügung steht, können auch Eingang und Ausgang des äußeren Durchsatzes umgedreht werden oder ihre Plätze in der Schleife tauschen.

Ganz allgemein kann man eine bestimmte Anzahl von Anordnungen, wie sie beispielsweise im vorstehenden beschrieben wurden, gleichzeitig mit ihren externen Durchsätzen in Serie anordnen. Diese Anordnungen können einfach oder auch in einer Sequenz schleifenartig angeordnet sein, oder auch komplex, d*iu also mit η Sequenzen vorgesehen sein* Im einzelnen kann die Reihenfolge, in der das Gas diese" verschiedenen Anordnungen nacheinander durchläuft gegenüber derjenigen Reihenfolge umgedreht sein, in der sie vom externen Durchsatz der Flüssigkeit durchlaufen werden, so daß eine planmäßige Zirkulation erfolgt, d.h. ein vollständigerer Verbrauch des einen oder anderen Durchsatzes in bezug auf den gewünschten EfKekt··

Im folgenden werden die Arten der Verwirklichung der ürfindung näher erläutert.

Bezüglich der materiellen Herstellung der Vorrichtung und . insbesondere des Emulsiergeräts wurde gefunden, daß eine ausgezeichnete Emulsion dadurch erhalten werden kann, in-dem das Gas einfach der Flüssigkeit zugeführt wird, insbesondere durch öffnungen, die in geeigneter Weise in einem divergierenden Abschnitt der Seitenwände der Leitung vorgesehen sind, in der die Flüssigkeit zirkuliert. Die Aufteilung in imme:

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feinere Bläschen geschieht auf diese Weise praktisch von selbst und sehr schnell, falls die Geschwindigkeit der Flüssigkeit ausreicht, beispielsweise größer ist als 2ra/Sek. und falls ein negativer Druckgradient im Ablauf (Beschleunigung) besteht.

Bezüglich der Entspannungsdüse muß dieser Abschnitt -überall einen Wert besitzen, der von der jeweils erreich- · ten Geschwindigkeit und dem örtlichen spezifischen ViJLumen abhängt: Die Erfahrung geigt, daß die Abgabe des Gases praktisch' isotherm ist. Dadurch ist es möglich, den Leitungsschnitt in drei Punkten zu berechnen. Es wurde gefunden, daß die erhaltene Form in vielen Fällen einem Schallhorn ( col sonique) ähnelt (ähnlich wie eine Laval-Düse bei Wasserdampf).

Der Separator schließlich kann auf einfache Weise dadurch ausgebildet werden, daß in der -Leitung ein Knick oder eine Krümmung vorgesehen ist, wodurch die Richtung geändert wird. Ein derartiger Knick bewirkt einen querverlaufenden Druckgradienten, und die Bläschen entweichen von selbst an der Innenkrümmung, wo der geringste Druck herrscht. Es bildet sich also eine freie Fläche für die Trennung des Gases von .der Flüssigkeit. ·

Der Diffusor ist ein bekanntes Bauteil mit steigendem Querschnitt, in dem die Geschwindigkeit fällt. Dadurch wird eine Druckerhöhung hervorgerufen.

Eine Schwierigkeit besteht bei der Regelung des Eingangsquerschnitts des Diffusors derart, daß fast der gesamte Durchsatz an Flüssigkeit dort zuströmen soll, ohne daß •das Gas in bedeutendem Maß eindringen kann. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß eine derartige Einstellung möglich ist. Eine Lösung besteht darin, am Eingang des Diffusors eine Aufnahmelippe vorzusehen, die den Flüssigkeitsstrom in zwei Teilströme unterteilt: Der Hauptstrom tritt in den Diffusor

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ein,und der andere Teil bildet einen flüssigkeitsring mit einer Drehbewegung in der Einfassung des Separators. Der innere Teil dieses Ringes bildet hierbei also die freie ' Fläche, in deren Höhe die Bläschen die Emulsion verlassen-.

Die Erfindung kann bei allen physikalischen Prozessen und /oder chemischen Reaktionen Verwendung finden, die zwischen einem Gas und eine?Flüssigkeit stattfinden. Unter einem physikalischen Prozeß wird hierbei jeder Übergang von Masse und/oder En-ergie verstanden. Das Gas und die Flüssigkeit können entweder einheitlich sein»oder auch aus einer Mischung bestehen. Die angegebene Einwirkung einer Phase auf die andere kann lediglich eine der Ursprungskomponenten einer Jeden Phase oder auch mehrere Ursprungskomponenten einer oder beider Phasen betreffen.

Die Erfindung kann auch dann angewendet werden, wenn die Flüssigkeit einen Feststoff suspendiert hält, oder auch eine andere, nicht-mischbare Flüssigkeit in Gestalt von Teilchen, die an der chemischen Reaktion teilnehmen oder dafür als Katalysator dienen.

Die Erfindung betrifft auch den Fall, in dem das Gas einen Feststoff oder eine Flüssigkeit- in Suspension oder in Dispersion enthält, und zwar bezüglich des Übergangs von einer Phase zur anderen dieser Suspension oder Dispersion.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß in sehr kurzer Zeit die Ergebnisse der Berührung des Gases mit der Flüssigkeit erhalten werden. Auf diese Weise kann man Temperaturstürze eines Bestandteils des Systems ausgehend von hohen Temperaturen, beispielsweise 100° C bis zur Umgebungstemperatur, während sehr kurzer Zeit verwirklichen, Diese Zeit kann in der Größenordnung von 1/100 Sekunde liegen.

Als Anwendungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht

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beschränkend aufgefaßt werden dürfen, kann man die Waschung oder Extraktion eines Gases durch ein flüssiges Milieu anführen, von dem wenigstens ein Bestandteil mit den aus dem Gas zu entfernenden Unreinheiten reagieren kann. Hier kann man folgende Fälle zitieren:

- Reinigung von Argon durch ein Tauchbad in flüssigem Natrium;

- Extraktion des Sauerstoffs von Kohlenmonoxid aus einer Gasmischung durch eine wässrige Lösung,, die kupferhaltige Ionen enthält}

- Extraktion von Kohlendioxid aus e^nem Gasgemisch _ durch eine wässrige Lösung, die Arsenionen enthält. ^ H

Für den Fall der Extraktion eines Bestandteils einer Gasmischung durch Auflösung in einer Flüssigkeit,kann man als Beispiel die Extraktion von Kohlendioxid aus einer Gasmischung durch Auflösung in Methanol anführen. Die Erfindung kann bei allen Fällen angewendet werden, bei denen eine selektive Extraktion durch ein flüssiges Lösungsmittel bezüglich gewisser Besiaidtelle einer Gasmischung gewünscht wird.

Mit der Erfindung können auch Gase behandelt werden, die mit Feststoffteilchen, beispielsweise mit Staub beladen Jj sind. Dies geschieht durch Einleitung in eine Reinigungsflüssigkeit, die den Staub zurückhält. ·

Mit der Erfindung kann somit die Luftverschmutzung herabgesetzt werdend

Es wird deutlich, daß die Erfindung einen sehr weiten Anwendungsbereich erfaßt, da sie sämtliche physikalischen und /oder chemischen Behandlungen umfaßt, in denen ein gasartiges Medium und ein flüssiges Medium in innige Berührung gebracht werden müssen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs-

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beispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale der Erfindung ergeben. Es zeigt:

Fig. T schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung, die als Wärmeaustauscher zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit dienen kannj

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung, mit der eine Sequenz im Sinne der Erfindung durchgeführt werden kann, und

Fig. 3 schematisch eine weitere Anordnung zur Durchführung mehrere Sequenzen.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung in Gestalt einer Schleife mit einer Injektionszone 1 (Emulsionsanordnung) in die die Flüssigkeit^AJeintritt und die das Gas durch Öffnungen T^ , Tp,... T aufnimmt. Das zusammengesetzte Medium verläßt bei .B das Emulsionsgerät und gelangt anschließend in eine Düse 2, in der es sich entspannt. In dieser Düse erfolgt der Aus- ,_: tausch zwischen dem Gas und der- Flüssigkeit. Die Emulsion verläßt die Düse bei C mit einer höheren Geschwindigkeit und gelangt in einen Separator 3. Dieser Separator besteht aus einer halbkreisförmigen Biegung, an der das fluide Medium sich mit einer freien Oberfläche anlegt, über die die Bläschen entweichen. Das abgezogene Gas verläßt dann die Anordnung bei D, während die gasfreie Flüssigkeit den Separator bei E verläßt und in einen Diffusor 4 eintritt, in dem· sie wieder auf den bei A herrschenden Druck komprimiert wird. Bei F wird ein kleiner externer Durchsatz der Flüssigkeit abgezogen und anschließend in den Flüssigkeitskreislauf bei G wieder injiziert, wo der Druck kleiner ist. · Dieser Nebenstrom hat vorher einem Yfärmeaustauscher 5 eine V/ärmemenge abgegeben, die derjenigen entspricht, die von der Flüssigkeit im System absorbiert wurde.

In Fig,, 2 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, mit der ebenfalls eine innige Kontaktgabe zwischen Gas und Flüssigkeit herbeigeführt werden kann.

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— ι J?—

Bei dieser Anordnung wird eine Sequenz durchlaufen, wie sie im vorstehenden beschrieben wurde. Diese Sequenz entspricht einem thermodynamisehen Zyklus. Bei diesem Beispiel handelt es sich um eine einfache Schleife, die nur eine Sequenz umfaßt. Die verschiedenen Elemente der Sequenz entsprechen den Zonen auf der Mittellinie (strichpunktierte Linie).

Diese Anordnung macht sich die Tatsache zunutze, daß die in der Flüssigkeit enthaltene Energie nach der Trennung derart ist, daß die Möglichkeit besteht, am Ausgang des Diffusors einen Druck p., zu erhalten, der dem Druck p> zu- ■

mindest gleich ist, falls er nicht größer ist. Λ

Es muß ein äußerer Durchsatz frischer Flüssigkeit wie auch ein Ablaß oder eine Lüftung für die behandelte Flüssigkeit vorgesehen sein, um die Zusammensetzu-ng der im geschlossenen Kreis umlaufenden Flüssigkeit auf geeigneten Werten zu halten. Die Anordnung ⁿⁿden äußeren Durchsatz selbst pumpen, da die Flüssigkeit bei einem Druck p^ eintritt und bei einem Druck ρ·* austritt, der dem Druck p^ zumindest gleich ist.

Die wesentlichen Einrichtungen der Anordnungen nach Fig. sind von derselben Art wie die Einrichtungen der Fig. 1.

Das Emulsionsgerät nimmt eine Zone 22 ein. Der Gaseingang ^ wird durch einen Rohransatz 26 gebildet und das Gas wird in die Flüssigkeit durch Öffnungen 27 injiziert, die in der Wand der Anordnung vorgesehen sind. Die Emulsionsanordnung ist derart ausgebildet, dass mit wachsender Ausbildung der Emulsion diese einen wachsenden Querschnitt vorfindet, so daß in dieser Zone soweit wie möglich ein gleichförmiger Druck herrscht.

Die Entspannungsdüse ist in der gesamten Zone 23 ausgebildet. Dort liegen Querschnitte vor, die derart berechnet sind, daß die Geschwindigkeit längs dor gesamten Zone stetig zunimm

t.

r. E. Q A /. / i κ Λ 1

- - -14-

Bei dem gezeigten Ausführumgsbeispiel umfaßt diese Düse einen Kragen oder Sattel (col). Die Sciiallgesphwindigkeit in Emulsionen ist sehr niedrig. Für eine Mischung Wasser/Luft mit einem Volumen von 50 Prozent liegt diese Geschwindigkeit bei atmosphärischem Druck bei lediglich 20m/Sek. Es liegt also häufig der Fall vor, daß die Düse einen derartigen Sattel haben muß, insbesondere wenn der mittlere Druck im System gering ist.

Der Separator nimmt die.Zone 24 ein. Dieses Gebiet steht in freier Beziehung längs eines Teils des Durchlaufs mit einem Wirbel (Vortex), der im inneren der Krümmung mittels einer Wand 29 ausgebildet ist, die eine Eingangslippe 30 aufweist. Dort bildet sich ein drehender Flüssigkeitsring aus. Eine zylindrisch<~· freie Oberfläche 28 der flüssigen Phase wird also in diesem Wirbel erhalten (Vortexring).

Diese freie Oberfläche 28, die in unterbrochenen Linien dargestellt ist, wird fortwährend von Gasbläschen durchquert, die noch dem archimedischen Schub unterliegen. Das auf diese Weise abgetrennte Gas wird durch eine Leitung 31 abgezogen, die sich zur Zeichenebene der Fig. 2 senkrecht erstreckt. Die Flüssigkeit wird verlangsamt und im Diffusor 25 vor Eintritt in die Zone 22 wieder komprimiert.

Diese Anordnung wird wie beschrieben durch einen Eingang 33 für einen äußeren Durchsatz f-rischer Flüssigkeit vervollständigt sowie durch einen Ausgang 34 für einen äußeren Durchsatz an Flüssigkeit, die die gewünschte Änderung durchlaufen hat. Die Positionen des Eingangs und des Ausgangs können auch umgekehrt sein. In diesem Fall wird zusätzlich Energie durch Zwangseinführung bei 34 oder durch Zwangsabsaugung bei 33 für den äußeren Durchsatz zugeführt«

Die Anordnung nach Fig. 2 erlaubt es, sehr groi3e Mengen an Flüssigkeit und Gas in innige Berührung miteinander eu bringen,. Die Bsrührungszeit kann dabei durch den eingestellten

-15-. äußeren Durchsatz bestimmt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 können mehrere Sequenzen längs einer Schleife durchgeführt werden. Es sind dort drei Sequenzen vorgesehen, es können jedoch auch mehr oder weniger Sequenzen sein.

Dort werden im wesentlichen dieselben Bauelemente wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendet. Diese tragen dieselben Bezugszeichen, jedoch mit Indizes a,b,c, die die drei Sequenzen angeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel stehen die drei Separatoren 24a,24b,24c, in Verbindung mit einem einzigen Hauptvortexring, der aus einem Flüssigkeitsring mit einer freien zylinderischen Oberfläche 28 gebildet wird, die in unterbrochenen Linien angedeutet ist. Die Ringachse verläuft dabei wiederum senkrecht zur Papierebene der Fig. 3 und fällt mit den Achsen der drei Sequenzen zusammen.

Dieser einzige Vortexring kann natürlich auch durch drei getrennte Vortexringe ersetzt werden, die dann um diese Achse verteilt angeordnet wären, und zwar jeweils den Trennzonen 24a,24b,24c benachbart.

In Fig. 3 ist ein Eingang 33 für den äußeren Durchsatz an neuer Flüssigkeit vorgesehen, sowie ein Ausgang 34 (Reinigungsausgang) für diejenige Flüssigkeit, die mit dem Gas in Berührung stand. Die Anzahl dieser Eingänge und Ausgänge kann aber auch derjenigen der Sequenzen entsprechen. Auch ist ihr Platz längs der Schleife nicht vorgeschrieben. Man muß nur darauf achten, daß ein Ausgang sich nicht in unmittelbarer Nachbarschaft eines Eingangs befindet, so daß neue Flüssigkeit die Möglichkeit besitzt, sich in geeigneter V/eise mit dem Hauptdurchsatz der Schleife zu vermischen.

Auch hier können der oder die externen Durchsätze dazu

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dienen, die Temperatur der Schleife zu regeln.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 ergibt sich der Vorteil, daß' ein größerer Durchsatz an Gas "bei im wesentlichen unverändertem Volumen möglich ist. Auch können die einzelnen Bedin-, gungen oder Parameter einer jeden Zone jeder Sequenz leichter den jeweils günstigen Bedingungen angepaßt werden.

-. Patentansprüche

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Claims

25.1.1971 Compagnie Electro-Mecanique Gu/gm _ S.A. Patentansprüche

1. Verfahren zur innigen Kontaktgabe eines Gases mit einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß a.' die Flüssigkeit auf einen Druck p^ komprimiert und eine Geschwindigkeit gebracht wird, die größer als etwa 1 m/Sek. ist, während das Gas auf eine Geschwindigkeit Pq komprimiert wirdi die etwas über dem Druck p^ liegt, daß

b. bei dem Druck p_Q eine Gasemulsion in der auf den Druck p^ gebrachten Flüssigkeit, die mit der angegebenen Geschwindigkeit umläuft, ausgebildet wird, wobei feine Gasbläschen erhalten werden, die in der Flüssigkeit gleichförmig verteilt sind, daß ■ Ov die gemäß Verfahrensschritt b. erhaltene Emulsion auf einen Druck Pp kleiner als p^ durch Übergang in eine Entspannungszone mit einer Düse entspannt wird, wodurch gleichzeitig die flüssige Emulsion beschleunigt und ein sehr inniger Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit aufrechterhalten wird, worauf d. aus der nach Verfahrensschritt c. erhaltenen beschleunigten Emulsion das Gas abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfahrensschritt d. ein zusätzlicher Verfahrensschritt e. vorgesehen ist, in dem die schnell strömende Flüssigkeit in eine Zone der Wiederverdichtung eingeleitet wird, wodurch eine Flüssigkeit geringerer Geschwindigkeit mit einem Druck p, erhalten wird, der dem Druck p.. wenigstens gleich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Verfahrensschritt a. zwischen etwa 2 bis 30 m/Sek. liegt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Verfahrensschritt a. zwischen etwa 5 bis 25 m/Sek.liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Umlaufgeschwindigkeit der nach Verfahrensschritt b. gebildeten Emulsion zwischen etwa 10 bis 60 m/Sek. liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einem offenen und die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und das Gas in eine Zone des geschlossenen Kreislaufs eingeführt wird,und eine Emulsion aus feinen Gasbläschen in der Flüssigkeit bildet und aus einer stromab im Sinne des Kreislaufs der Flüssigkeit anschließende Trennzone abgezogen wird, wobei die zur Einleitung des Kreislaufs der Flüssigkeit notwendige Energie dem Gas entnommen und ein thermodynamischer Zyklus mit den Verfahrensschritten a. bis e. errichtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkeitskreis eine Zusatzmenge (externer Durchsatz) an neuer Flüssigkeit zugegeben wird und daß an einer anderen Stelle des Kreislaufs eine Flüssigkeitsmenge abgezogen wird, die in Kontakt mit ' dem Gas gestanden hat.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d-aß die in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit einer Folge einheitlicher Sequenzen unterworfen wird, wobei der Kreislauf eine Vielzahl von Einführungszonen für Gas besitzt, die bezüglich des gesamten, behandelten Gasstroms parallel sind und daß eine Vielzahl" von Trennzonen für Gas ebenfalls parallel vorgesehen sind-.-

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9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Flüssigkeitskreislauf einer Folge von einheitlichen Sequenzen unterworfen wird, wobei der Kreislauf eine Vielzahl von Eingangszonen für Gas besitzt, die bezüglich des gesamten behandelten Gasstroms parallel angeordnet sind und eine Vielzahl von Trennzonen für Gas, die in Gestalt einer -einzigen Trennzone- vereinigt sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkeitskreislauf eine Zusatzmenge (externer Durchsatz) an neuer Flüssigkeit zugegeben wird, und . % daß an einem anderen Punkt des Kreislaufs eine Flüssigkeitsmenge angezogen wird, die in Kontakt mit dem Gas stand.

11*. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkeitskreislauf eine Zusatzmenge (externer Durchsatz) an neuer Flüssigkeit zugegeben wird, und daß an einem anderen Punkt des Kreislaufs · eine Flüssigkeitsmenge abgezogen wird, die in Kontakt mit dem Gas stand.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Wärme zwischen A einer Flüssigkeit und einem Gas ausgetauscht wird, wobei der Yfärmeaustausch zwischen einem in einem offenen Kreis zirkulierenden Gas und einer in einem geschlossenen Kreis zirkulierenden Flüssigkeit durch direkten Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem .Gas erfolgt, das in feine Bläschen aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in eine Zone des geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs injiziert wird (Emulsionszone), und in einer anderen Zone des Flüssigkeitskreislaufs abgezogen wird, die stromab liegt, wobei die für die Zirkulation des Flüssigkeitskreislaufs notwendige Energie dem Gas durch folgende Verfalirensschritte entnommen wird: '.

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1. Emulsionierung des Gases und der Flüssigkeit

■ in dem Bereich des Flüssigkeitskreislaufs, in dem der Druck höher liegt,

2. Entspannung des so gebildeten Mediums in deren Verlauf die Flüssigkeit die vom Gas eingeführte Energie aufnimmt,-

3· Trennung des Gases, das seine Wärme mit der

Flüssigkeit ausgetauscht hat, 4. erneute Kompression der Flüssigkeit mit

dessen eigener Energie bis zum Druck für

die Emulsionsbildung.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil derjenigen Flüssigkeit, von der das Gas bereits abgetrennt ist, parallel dem Kreislauf abgenommen wird, um dessen 7/ärmemenge zu ändern.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, in dem in Strömungsrichtung hintereinander fol.-gende Einrichtungen vorgsehen sind:

1. Eine Einrichtung zur Injektion des Gases

in die Flüssigkeit, welche Einrichtung in der Hochdruckzone p., vorgesehen ist,

2. eine Entspannungsdüse für die Emulsion Gas/ Flüssigkeit nach Ziffer 1.,

3. eine Trenneinrichtung, die das Gas von der Emulsion nach der Entspannung in der Düse trennt, wie auch ergänzend

4. ein Diffusor, der die Flüssigkeit nach der . Abtrennung des Gases aufnimmt.

15. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch mit einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, in dem hintereinander in 'Strömungsrichtung die folgenden Einrichtungen vorgesehen sind:

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'1 . Eine Injektionseinrichtung für Gas (Emul-. ' sionsanordnung),die Gas in die Flüssigkeit injiziert und die sich in der Hochdruckzone des Flüssigkeitskreislaufs befindet,

2. ein Kanal, in dem das derart erhaltene Medium sich entspannt, wobei das Gas seine Wärme mit der Flüssigkeit in derselben Zeit austauscht, in der es ihm die Entspannungsarbeit mitteilt,

3. ein Separator, in dem das entspannte Gas Λ nach Abgabe seiner Wärme an die Flüssigkeit abgezogen wird,

4. ein Diffusor, in dem die Flüssigkeit, die die Entspannungsarbeit des Gases aufgenommen hat, wieder bis auf den hohen Druck des Flüssigkeitskreislaufs komprimiert wird,

der im Bereich der Emulsionsanordnung . herrscht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet^ daß zusätzlich ein geschlossener Kreislauf für die Ableitung von Flüssigkeit mit Mitteln vorgesehen ist, ^ um neue Flüssigkeit in den Hauptkreislauf einzuführen ' sowie mit Mitteln, um diesem Hauptkreislauf einen Teilstrom der behandelten Flüssigkeit zu entnehmen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet,· daß zusätzlich ein Ableitungskreislauf vorgesehen ist, in dem ein geschlossener Kreislauf eines externen Durchsatzes an Flüssigkeit zirkuliert, der einen äußeren Wärmeaustauscher auf v/eist, welcher die vom Gas erhaltene Wärme abzieht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Injektion des Gases aus Öffnunge" bestehen, die in einem sich Öffnenden Abschnitt der

1098U/154 1

210343 -Ά

Seitenwände des Flüssigkeitskreislaufs vorgesehen sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse als Schallhorn ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator als Zyklon (Vortex) ausgebildet ist.

Der Patentanwalt:

109844/ 1 541