DE2211997A1

DE2211997A1 - Verfahren zum Trennen einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Dichten sowie eine Vorrichtung zur Durch fuhrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2211997A1
Application number: DE19722211997
Authority: DE
Inventors: James William Glastonbury Mensing Arthur Edward East Hartford Stoeffler Richard Clark Tolland Conn Clark (V St A )
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-03-17
Filing date: 1972-03-13
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2130579B1; IT950253B; GB1364943A; FR2130579A1

Description

United Aircraft Corporation

400 Main Street

East Hartford, conn. 06108

USA

Verfahren zum Trennen einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Dichten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Dichten sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere bezieht sie sich auf einen Wirbelscheider zum Trennen des Öls von Wasser bei Öllachen in Flüssen, Buchten und in der offenen See.

Seit langem ist man bemüht, die Verfahren und Vorrichtungen zum Reinigen der Wasserflächen von Öllachen zu verbessern. Die schnelle Anwendungsmöglichkeit eines Verfahrens ist, wenn die Lache einmal entdeckt worden ist, ein wesentlicher Faktor für den Erfolg eines solchen Verfahrens. Aus dieser Gegebenheit heraus sind Verfahren vorteilhaft, die durch Hubschrauber oder durch Schnellboote transportiert werden können.

Um hohe Geschwindigkeiten zu erhalten, ist ein Verfahren, das einen Wirbelscheider zum Trennen von öl aus einem Öl-Wassergemisch enthält, zweckmäßig. Ein derartiges Verfahren, das zum Entfernen von

209839/1112

-2-

Öllachen'gebraucht werden könnte, müßte folgende Schritte enthalten:

1. eine Abschopfeimereinrichtung zum Entfernen des Gemisches von Öl und Wasser von der Oberflächej

2. eine Pumpe mit hoher Pumpkapazität;

3. einen oder mehrere Wirbelscheiderj

4. einen Tank zum schnellen Speichern des abgedeckten Öls, wie zum Beispiel Tanks in Schiffen, ein flexibler Unterwassertank aus Gummi oder Plastik, uswj und

5. Entleerdüsen zum Zurückführen des weitgehendst von Öl gereinigten Wassers in das Wasser aus dem die Lache entfernt worden ist.

Demgegenüber besteht das Verfahren nach der Erfindung, das für den Gebrauch mit Schiffen oder Flugzeugen bei leichter Manövrierfähigkeit und sehr schneller Anwendung, wenn eine Öllache auftritt, geeignet ist, in der Anwendung folgender Schritte, daß das Einspritzen der Mischung mit erhöhtem Druck in eine zylindrische Kammer in tangentialer Richtung in eine Vielzahl von Röhren, die fest an einem Ende der Kammer angeordnet sind, erfolgt, daß die Mischung axial in die Kammer gewirbelt wird, um einen Wirbel zu erzeugen, der einen Flüssigkeitskern niedriger Dichte in Längsrichtung entlang der Achse der Kammer entstehen läßt, daß der Kern von der Flüssigkeit höherer Dichte umgeben wird, daß mindestens ein Teil des Flüssigkeitskerns niedrigerer Dichte aus der Kammer durch eine Austrittsöffnung, die zentral in einer der Rückwände der Kammer angeordnet ist, entfernt wird, und daß die Flüssigkeit höherer Dichte aus der Kammer durch eine Öffnung, die in der Rückwand der Kammer an dem Ende dieser Kammer gegenüber dem Ende, an dem die Mischung eingespritzt wird, liegt, entfernt wird.

209839/1 112

Es ist also ein großes Längen- zu Durchmesserverhältnis, ein axialer Fluß und ein radialer Zufluß zur Wirbelröhre vorgesehen, wobei das Öl-Wassergemisch, das von der Wasseroberfläche an der Seite der Öllache entfernt wurde, in die Wirbelröhre mit einer so großen Flußgeschwindigkeit eingepumpt wird, daß in der Röhre ein starker Wirbel entsteht. Vorzugsweise ist eine kleine runde Ankerplatte in einer Vorrichtung in der Mitte des dem Eintrittsende des Wirbelrohres entgegengesetzten Ende angeordnet. Wenn die Mischung nun axial gegen die gegenüberliegende Wand wirbelt, so ergibt die Differenz der Dichten zwischen dem Öl und Wasser eine Mischung zur Beschleunigung der Bildung einer Kernzone, die fast ganz aus Öl besteht. Der Ölfluß in dem Kern verläßt den Wirbelscheider durch eine Öffnung in der Mitte der Wand und zwar an dem Ende des Wirbelscheiders, an dem die Mischung eingeführt wurde. Der Wasserfluß, der den Kern umgibt, tritt durch den Kreisring im unteren Ende der Wand aus. Das Wasser wird zu der Wasserfläche, aus der die Mischung entnommen wurde, zurückgeführt, und das Öl wird gespeichert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein honischer Zapfer in der Ölaustrittsöffnung angeordnet, und die Lage des Ironischen Zapfers kann automatisch oder von Hand variiert werden und zwar in Abhängigkeit vomölgehalt des einlaufenden Öl-Wassergemisches, des Wassergehaltes, des Öls oder der Stärke des Ölkerns im Wirbelscheider, um die Größe der Ölaustrittsöffnung ,zu verändern und um den austretenden Ölfluß zu kontrollieren. Im übrigen kann eine variable Iris an Stelle des ionischen Zapfers benutzt werden.

Es ist bekannt, daß Substanzen verschiedener Viskositäten oder Dichten getrennt werden können mit Hilfe von Wirbelscheidern, Ölabschöpfvorrichtungen zum Entfernen von Ölfilmen von der Oberfläche großer Gewässer mit zuflutenden Behältern mit zugehörigen

-4-

209839/ 1112

Auslegern zum Aufnehmen des Wasser-Ölgemisches und Vorrichtungen zum Trennen des Öl-Wassergemisches sind in der amerikanischen Patentschrift 3.348.690 beschrieben.

Der in dieser Patentschrift dargestellte Wirbelscheider ist jedoch nicht im einzelnen soweit offenbart, daß ein einwandfreies Trennen des Öls aus dem Öl-Wassergemisch sichergestellt ist. Wird jedoch gemäß der Erfindung ein solcher Wirbelscheider mit Ölgehaltsmeßfühlern, die automatisch den Durchfluß durch den Wirbelscheider kontrollieren, gekoppelt, so ergibt sich ein breites Anwendungsgebiet.

Vorzugsweise sind erfindungsgemäß Ankerbleche im Wirbelscheider vorgesehen, um seine Anwendungsmöglichkeiten zu erhöhen und um eine komplette Abscheidung des Öls vom Wasser zu erhalten.

Der Wirbelscheider nach der Erfindung kann ganz allgemein immer dann verwendet werden, wenn Öl oder eine ähnliche Substanz von Wasser getrennt werden muß, wie z.B. beim Reinigen des Ballastwassers auf Tankschiffen, beim Entfernen von öl aus dem Waschwasser, wenn Öltanker gereinigt werden müssen, und beim Entfernen von Verunreinigungen, wie löslichen Salzen aus Benzin chufich einen Waschprozess, in welchem Wasser dem Benzin zugeführt wird, um das Salz auszulösen und dann das Benzin von dem Waschwasser zu trennen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des Verfahrens nach der Erfindung sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 als Blockschaltbild ein Verfahren zum Aufnehmen eines öl-

209839/1 1 12

Wassergemisches von einer Wasserfläche mit dem zugehörigen Trennen,

Fig.2 A einen Ausschnitt eines Wirbelscheiders nach der Erfindung,

Fig.2 B einen Ausschnitt des Wirbelscheiders gemäß dem Schnitt 2 B - 2 B der Fig. 2 A,

Fig. 3 einen Ausschnitt entlang der Längsachse des Wirbelscheiders mit einer anderen Art der Einspritzung des Öl-Wasser-Gemisches,

Fig. 4A eine schematische Darstellung eines Wirbelscheiders, mit einem Durchflußentleerungsrohr als geschlossenen Ring,

Fig. 4B eine schematische Dafcstellung der Durchflußentleerungsröhre in anderer Ausführung,

Fig. 5 schematisch einen Wirbeischeider mit einem automatischen, variablen Durchflußkontrollventil,

Fig. 6 einen Ölgehaltfühler nach Fig. 5, und Fig. 7 eine andere Ausführung Ölgehaltfühlers,

Von den vielen Techniken zum Reinigen des Meeres von Öllachen ist das Verfahren der physikalischen Entfernung des Öls von der Oberfläche das beste. Es werden Oberflächenschöpflöffel für ein sehr schnelles Aufnehmen relativ großer Mengen eines Öl-Wasser-Gemisches, das aus ungefähr 0,1 bis 10 % Öl besteht, verwendet. Das Öl wird ohne Unterbrechung von dem Wasser getrennt und das ölfreie Wasser in die See zurückgegeben, während das Öl gespeichert wird.

209839/1112

Die kritische Komponente dieses Systems ist die hohe Durchflußrate des Öl-Wasser-Scheiders.

Die Verwendung eines begrenzten Wirbelflusses ist zum Trennen des Öls von dem Wasser günstig. Der Wirbelfluss hat die gleichmäßige Eigenschaft, daß er mit zwei großen, relativen Radialbeschleunigungen zwischen zwei Komponenten verschiedenen spezifischen Gewichtes versehen ist. Somit wird das leichtere Öl radial nach innen beschleunigt und zwar in einem größeren Verhältnis als das Wasser. Das Öl konzentriert sich in der Mitte des Wirbels, wo es bequem entfernt werden kann. Der Wirbelscheider ist einfach in seiner Konstruktion, er fordert keine Rotation großer Massen wie in einer Zentrifuge und kann große Durchflußraten eines Öl-Wasser-Gemisches mit einem kleinen Inhalt verarbeiten, Jedoch ist ein Druckabfall über dem Wirbel notwendig und eine Pumpe muß vorgesehen sein, um den Druck des einströmenden Öl-Wasser-Gemisches zu erhöhen.

Das Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 zeigt die notwendigen Komponenten, die für einen Wirbelscheider als Öllachensäuberungssystem verwendet werden. Ein Oberflächenschöpflöffel 10 oder eine andere ähnliche Vorrichtung wird zum Aufnehmen des Öl-Wasser-Gemisches von der Oberfläche des Gewässers benutzt.Das Gemisch wird zu einer Pumpe 12 geführt, von der das Gemisch unter Druck zu einem Wirbelscheider 14 gepumpt wird, der nachfolgend im Detail beschrieben wird. Der Wirbelscheider !rennt das Gemisch in reines Öl, welches durch die Leitung 15 zu einem Ölspeicherbehälter 16 geführt wird, und ölfreies Wasser, welches über die Leitung 17 zu dem Gewässer zurückgeführt wird. Das in Fig. 1 gezeigte System kann in ein Schnellboot eingebaut werden, das sehr schnell zu einer Öllache gebracht werden kann, oder das System wird auf einer schwimmenden Plattform angeordnet, die sehr schnell mit Hilfe eines großen Hubschraubers zu der öllache transportiert werden kann.

209839/1112

Das Herz des Systems ist der Wirbelscheider 14, welcher für die individuelle Entfernung beider Teile, Öl und Wasser, ausgerüstet sein muß. Es ist nicht nur zweckmäßig fast alles Öl, das in den Wirbelscheider eingespritzt wird, zu entfernen, sondern auch dieses Öl relativ wasserfrei zu bekommen, so daß die nötige Speicherkapazität während einer Öllachensäuberung verringert werden kann.

Die grundlegende Konstruktion eines Wirbelscheiders ist in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Der Wirbelscheider besteht aus einem Zylinder 18, der vorzugsweise aus Metall hergestellt ist, aber auch aus Fiberglas oder Plastik sein kann. Der Zylinder 18 ist mit den Endplatten 2Ou. 22, die normalerweise aus demselben Material wie der Zylinder 18 gearbeitet sind, verbunden. Eine Vielzahl von Einspritzdüsen 24, durch welche das Öl-Wasser-Gemisch in das Rohr tangential durch ein oder mehrere Einlassfohre 23 eingespritzt wird, sind an der Endplatte befestigt. Die Einspritzrohre 24 sind so dicht wie möglich an dem Umfang des Zylinders 18 des Wirbelrohres angebracht. Es sind sechs Einspritzrohre 24 gezeigt, aber diese Anzahl kann in Abhängigkeit von der Größe des Wirbelrohres, der Kapazität der Pumpe, usw., variiert werden. Das Gemisch gelangt mit einer sehr hohen Flußrate in das Wirbelrohr, so daß dem Fluß in dem Rohr ein starker Wirbel erteilt wird. Wenn das Gemisch in axialer Richtung wirbelt, bewirken die Unterschiede der Zentrifugalkräfte, die abhängig von den Dichteuntei— schieden sind, eine Beschleunigung des Öls, welches die geringere Dichte hat, nach innen, so daß eine Kernzone 25 entsteht, die fast ganz aus Öl besteht.

In der Mitte der Rückwand 22 ist ein Ölaustrittsrohr 26, durch das das Öl aus der Kernzone 25 aus dem Wirbelrohr hinausgeführt wird, angeordnet. Das Wasser wird aus der Wirbelkammer durch ein Rohr 28, welches an der Rückwand 20, die entgegengesetzt der Endplatte, die

209839/ 1112

die Einspritzrohre 24 trägt, angeordnet ist, hinausgeführt. Eine Kernplatte 30, die mit einer Stange 32 versehen ist, ist in der Wirbelmittellinie angebracht und ragt ein kleines Stück in das Wirbelrohr hinein. Der Sinn dieser Kernplatte besteht darin, einen Raum zum Speichern des abgetrennten !Öls in der Wirbelkammer" zu schaffen und zu verhindern, daß das Öl mit dem austretenden Wasser herausschwappt. Die Kernplatte 30 kann ein Eintrittsrohr für die Entfernung des Öls haben, aber es ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Öl durch das Austrittsrohr 26 entfernt wird, welches in der Mitte der Rückwand, die die Einspritzer enthält, angeordnet ,ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Wirbelrohr ist eine dünne Platte an die Zylinderwand 18 der Wirbelkammer befestigt, an welche das u-förmige Stück 36 angebracht ist. Die Platte 34 enthält einen Schlitz an der Umfangswand des Wirbelrohres über die gesamte Länge des Rohres und erlaubt ein langsames Eintreten des Öl-Wasser-Gemisches in tangentialer Richtung in das Wirbelrohr. Das Öl-Wasser-Gemisch wird durch das Eingangsrohr 37 in die Kammer 39, welche durch das u-förmige Stück 36 begrenzt ist, eingespritzt. Die Höhe des Einspritzschlitzes kann mit Hilfe der Schraubenjustierung 38 variiert werden, so daß die Einspritzgeschwindigkeit unabhängig von der eingespritzten Flußrate variiert werden kann. In dieser Ausführung sind die Endwände als plane Platten mit Öffnungen in der Mitte ausgeführt. Vorzugsweise ist auch eine Kernplatte in dieser Ausführung enthalten.

Eine andere Ausführung eines Wirbeischeiders zeigt Fig. 4 A. Hier ist ein Standardwirbelscheiderohr 40 mit dem Öl-Wasser-Eingangsrohr 42 dargestellt. Eine Kernplatte 44, wie vorher beschrieben, ist an einer Endwand des Wirbelscheiderohres durch das Austritts-

209839/ 1112

rohr 46 eingeführt. Ein Ölaustrittsrohr 48 ist an der gegenüberliegenden Endwand des Wirbelscheiderohres befestigt.

Ein zusätzlicher Kreisring 50 ist in das Rohr 46 eingebracht, und ein Teil des Wassers, welches von dem Öl-Wasser-Gemisch in dem Wirbelscheider entfernt wurde, wird durch den Kreisring 50 und durch die Leitung 52 über einen Einspritzer, der nicht gezeigt ist, in den Wirbelscheider zurückgeführt.

Es hat sich herausgestellt, daß, wenn das Wasser hinter der Kernplatte 44 durch das Rohr 46 eintritt, der Teil des Wassers, der an der Außenwand des Rohres 46 ist, einen viel niedrigeren Ölgehalt hat als der Teil des Wassers, der sich in der Mitte des Rohres 46 befindet. Deshalb kann man die Arbeitsweise des Systems verbessern, in dem der Teil des Wassers mit höherem Ölgehalt durch den Kreisring 50 und das Rohr 52 zurück in den Wirbelscheider geführt wird.

Wenn das Öl-Wasser-Gemisch in dem Wirbelscheider 40 einen sehr hohen Ölgehalt hat, kann es auch sinnvoll sein, das Öl an beiden Enden des Wirbelscheiders herauszuführen. Daher ist die Öffnung 54 in der Kernplatte 44 gezeigt und das Öl kann hierdurch und durch das Rohr 56 in den Ölspeicherbehälter geführt werden.

Wenn eine Kernplatte nicht benutzt wird, kann eine Trennordnung mit einem koaxialen, dreifachen Ausgangsfluß benutzt werden, wie es in Fig. 4 B gezeigt ist. Das mittlere Rohr 56', welches in der Wirbelmittellinie angeordnet ist, enthält den Ölausfluß. Dem äußeren Rohr 46 ist der Wasseraustrttt und dem mittleren Rohr 50'das Öl-Wasser-Gemisch zugeordnet. Dieses Öl-Wasser-Gemisch kann, wie in Fig, 4 A gezeigt, zurückgeführt werden.

-10-

209839/1112

Es entstehen große radiale Beschleunigungen zwischen dem Öl und dem Wasser in dem Wirbelfluß. Um eine Abscheidung zwischen Öl und Wasser zu erhalten, muß die Differenz der radialen Beschleunigung hinreichend groß sein, um das Trennen des Öls vom Wasser zu ermöglichen. Die Leistung eines Wirbelscheiders wird ungünstig von einer niedrigen Durchschnittsaufenthaltszeit der Flüssigkeiten in dem Wirbelscheider beeinflußt. Das Minimum der Durchschnittsaufenthaltszeit, welche die Scheiderleistung nocht nicht beeinflußt, bestimmt sich aus der spezifischen Schwere des Öls. Jedoch kann im allgemeinen angenommen werden, -die Annahme basiert auf Versuchen-, daß eine mittlere Aufenthaltszeit von 10 Sekunden oder mehr eine hinreichend große Zeit zum Trennen des Öls aus dem Wasser ist. Für Öle mit einem spezifischen Gewicht, das kleiner als ungefähr 0,9 ist, beträgt die mittlere Aufenthalts ze it für die vorliegende Wirbelscheideanordnung ungefähr 5 Sekunden.

Der Druckabfall über dem Wirbel ist unabhängig von dem Wirbeldurchmesser, aber abhängig von der tangentialen Geschwindigkeit des Öl-Wasser-Gemisches. Größere radiale Beschleunigungen der Ölpartikel können durch einen Druckabfall von weniger als 1,5 at über dem Wirbel erreicht werden.

Die Wahl einer mittleren Aufenthaltszeit erlaubt ein Beziehen des Inhaltes des Wirbelscheiders auf den Inhalt der Durchflußrate. Außerdem ist ein Wirbelscheider, dessen Verhältnis Länge zu Durchmesser ungefähr^-3 ist, zweckmäßig.

Ein anderer, wichtiger Parameter bei dem Entwurf eines spezifischen Wirbelgenerators ist das Verhältnis ττ-j=- , worin D der Durchmesser des Wirbelrohres, L die Länge des Wirbelrohres und A. die Einspritzzone für das Öl-Wassei—Gemisch ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhältnis ungefähr 50 nicht überschreiten soll. Dies ergibt dann ein

209839/1 1 12

Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit an dem Wirbelumfangzylinder zu der Etnspritzgeschwindigkeit zwischen ungefähr 0,7 und 0,9. Wenn dieses Verhältnis zu klein wird, wird die radiale Beschleunigung des Öls verringert und eine Ölabscheidung ist schwierig. Jedoch kann A-; nicht willkürlich groß gemacht werden, denn für eine gegebene Durchflußrate ist die Einspritzgeschwindigkeit umgekehrt proportional zu Aj .

Ein weiterer wichtiger Parameter eines Wirbelscheiders ist ein zweiter Flußparameter B^. Der sekundäre Fluß ist die zwangsläufige Schicht an den Rückwänden. Eine Größe von B^. kleiner als ungefähr 10 ist notwendig, um einen starken Wirbel sicherzustellen, daß das meiste des Flusses nicht auf die Rückwandaufschlagschichten trifft, bevor es aus dem Wirbelrohr austritt. Bt ist gegeben aus =

U, ο

^L L V

r - (Gleichung 1)

D V

In dieser Gleichung ist -— das Schlankheitsverhältnis und tf und

V .
r sind die tangentialen und radialen Geschwindigkeiten bezogen

auf den Umfang des Wirbels.

Die tangentiale Geschwindigkeit und radiale Beschleunigung des Durchflusses in einem Wirbel verringert sich bei Radien, die kleiner sind als der Wasseraustrittsradius. Es ist deshalb zweckmäßig, diesen Radius des Wasseraustritts so schmal wie möglich zu erhalten. Jedoch, wenn große Durchflussraten erwünscht sind, muß der Wasseraustritt von hinreichender Größe sein, um die axiale Geschwindigkeit in dem Austrittsrohr vor einem zu hohen Ansteigen zu schützen, wobei ein großer Durckabfall erzeugt würde. Ein Wasseraustrittsrohr, dessen Durchmesser 0,2 mal dem Wirbeldurchmesser ist, ist ein annehmbarer Vergleich, welcher hinreichend

209839/1112 ¹²'

große tangentiale Geschwindigkeiten ergibt, um ein Ölabscheiden zu erlauben, während genügend kleine axiale Geschwindigkeiten erhalten werden.

Diese obengenannten Entwurfskriterien basieren darauf, eine hinreichend feine Trennung zwischen dem Öl und dem Wasser zu erhalten, um das Auftreten einer Emulsion in der Wirbelkammer zu verhindern.

Der Kernplattendurchmesser muß kleiner sein als das Wasseraustrittsrohr, er muß aber auch größer sein als das Ölaustrittsrohr. Eine Kernplatte, deren Durchmesser 0,1 mal dem Wirbelrohrdurchmesser ist, ergibt eine gute Leistung. Die axiale Anordnung der Kernplatte sollte ungefähr auf gleicher Höhe mit der Endwand sein, sie kann jedoch auch um ungefähr 1 oder 2 % der axialen Länge in den Wirbel vorstehen, ohne einen nachteiligen Effekt auf die Trennleistung zu erzeugen.

Die Größe der Öleintrittsöffnung kann einen großen Einfluß auf die Leistung des Wirbelscheiders haben, da sie sich auf den Druckabfall über dem Öleintrittsloch, welches toleriert werden kann, die Durchflußrate des Öls und die Viskosität des Öls bezieht. Somit ist es zweckmäßig , eine Öleintrittsöffnung vorzusehen, deren Durchmesser variiert werden kann. Ob die Variation des Durchmessers gleichmäßig oder periodisch gemacht wird, ergibt sich aus der Kontinuität des Öl-Wasser-Gemischeintritts in den Wirbelscheider.

Ein Mittel zur Kontrolle der Durchflußrate der Öleintrittsöffnung durch Veränderung der Fläche der Öleintrittsöffnung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Fläche der Öleintrittsöffnung 58 in dem Wirbelscheider 60 ist variabel ausgeführt, indem ein beweglicher honischer Zapfen 62 , der mit dem Schaft 64 an eine Flächenkontrollvorrichtung 66 geführt ist, mit der der Vorrichtung 66 die verschiedene Eingänge bei der automatischen Regulation der Position des Zapfens 62 einstellt, wie im folgenden be-

209839/1112 -13-

schrieben. Ein variables Ventil oder eine Iris mag in einigen Anwendungsfällen an Stelle des Zapfens, vorgezogen werden.

Für eine gegebene Anordnung und einen festen Wirbelscheideraufbau gibt es eine maximale Ölaustritts-Durchflußrate. Wenn die Öldurchflußrate des eingespritzten'Öl-Wasser-Gemisches größer ist als dieses Maximum, vergrößert sich der Ölkern in seiner Größe zu einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Kernplatte 68, und Öl schwappt durch die Wasseraustrittsöffnung 70 aus. Obwohl jedoch die Mischung, die durch die Olaustrittsöffnung 58 und durch das Rohr 72 zum Speicheraustritt fast ausschließlich aus Öl besteht, wird der Bruchteil des eingespritzten Öls, der von dem Wirbelscheider aufgenommen wird, verringert. Wenn die Öldurchflußrate des eingespritzten Öl-Wassei—Gemisches kleiner ist als dieses Maximum, wird der Ölkern in seiner Größe zu einem Durchmesser, verringert, der kleiner ist als der Durchmesser der Olaustrittsöffnung _o In diesem Falle wird jedoch die Fraktion des eingespritzten Öls, die vom Scheider aufgefangen wird, hoch bleiben, und die Menge des Wassers in dem Gemisch, das durch die Ölaustrittsöffnung 58 austritt, vergrößert.

Die beste Leistung des Scheiders ergibt sich, wenn sowohl die Fraktion des eingespritzten Öls, das aufgefangen wird, als auch die Fraktion des Öls im austretenden Gemisch durch die Ölaustrittsöffnung, groß sind. Diese gute Leistung kann über eine Reihe von Öl-Wasser-Verhältnissen des eingespritzten Öl-Wasser-Gemisches durch Kontrolle der maximalen Durchflußrate durch die Ölaustrittsöffnung 58 und durch Angleichen dieser Durchflußrate an die eingespritzte Öldurchflußrate erreicht werden.

Wenn die Öldurchflußrate des eingespritzten Öl-Wasser-Gemisches größer ist als das Maximum der Zuflußrate durch die Öleintrittsöffnung, wird der honische Zapfen 62 so bewegt, daß die Fläche der öleintrittsöffnung 58 vergrößert wird. Wenn die Öldurchflußrate des eingespritz-

209839/1112 -u-

ten Gemisches kleiner ist als die maximale Durchflußrate durch die Öleintrittsöffnung, wird der Zapfen 62 so bewegt, daß die Fläche der Öleintrittsöffnung verringert wird. Wenn auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 die Bewegung des Zapfens 62 automatisch durch die Flächenkontrollvorrichtung 66 kontrolliert wird, so kann der Zapfen doch ausgeführt werden, daß er manuell arbeitet und zwar so, daß der Zapfen entweder von einem Gewindebolzen getragen wird und dieser Gewindebolzen in einem Gewindeloch gedreht werden kann oder mit einer festen Rutschfassung verbunden ist.

Die Fig. 5 zeigt auch ein Mittel zur automatischen Kontrolle der Bewegung des honischen Zapfens 62 durch die Flächenkontrollvorrichtung 66. Hierbei werden Änderungen in der Größe des Ölkerns in dem Wirbelscheider gemessen und für Signaländerungen in der Fläche der Öleintrittsöffnung benutzt.

Wie ebenfalls aus der Fig. 5 zu entnehmen ist, bestehen die Kernplatte 68 an dem Wassereintrittsende des Wirbelrohres und die Rückwand 74 an dem Einspritzende des Wirbelrohres aus einem elektrisch isolierenden Material. Die Kernplatte 68 und die Rückwand 74 tragen zwei Ringe, A und B, und A'und B^ die aus elektrisch leitendem Material gemacht sind. Die schmalen Elektrodenringe A und A' haben einen Durchmesser, der etwas größer ist als der Innendurchmesser der Ölaustrittsöffnung 58. Die großen Elektrodenringe B und B' haben einen Durchmesser, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Kernplatte 68. Elektrische Anschlüsse sind an alle vier Ringe gelegt. Die Elektrodenringe A und B in der Kernplatte sind geerdet, und die Ringe A'und B'in der Rückwand 74 sind auf einem positiven Potential mittels der Batterien 76 und 76'gehalten.

Wegen der großen Differenz in der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Seewasser, hochleitfähig, und öl, niedrigleitfähig, wird ein Strom-

2 0 9 8 3 9/1112

fluß in dem Kreis, der die Elektrodenringe B und B'enthält, auftreten, wenn der Ölkerndurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Ringe Bund B^ und ein Strom wird in dem Kreis mit den Elektrodenringen A und Abfließen, wenn der Ölkerndurchmesser Heiner ist als der Durchmesser der Ringe A und A'. An den Widerständen 78 und 78'wird ein Spannungsabfall erzeugt, wenn Strom durch den Kreis fließt. Die Ausgangslogikanordnung 80 mißt das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Spannungsabfalls über den Widerständen 78 und 78' und führt ein Signal zu der Flächenkontrollvorrichtung 66 durch die Leitung 82. Wenn der Ölkerndurchmesser größer ist als der der Elektrodenringe B, ist fast kein StromfLuß in beiden Kreisen. Das Nichtvorhandensein eines Spannungsabfalls über die Widerstände 78 und 78' wird gemessen durch die Ausgangslogikanordnung 80 und ergibt ein Signal an der Flächenkontrollvorrichtung 66, so daß die Olöffnungsfläche vergrößert wird. Wenn der Ölkerndurchmesser größer ist als der der Elektrodenringe A, aber Meiner als der der Elektrodenringe B ist, ist fast kein Stromfluß in dem Kreis A und ein meßbarer Strom durch den Kreis B. Das Vorhandensein eines Spannungsabfalls im Kreis B und nicht im Kreis A wird gemessen durch die Ausgangslogik 80> welche ein Signal an die FlachenkontroUvorrichtung 66 abgibt, um die Olöffnungsfläche auf einen konstanten Pegel zu halten. Wenn der Ölkerndurchmesser kleiner ist als der der Elektrodenringe A und B, ist ein meßbarer Strom in beiden Kreisen A und B. Dieses ergibt ein Signal aus der Ausgangslogik 80 zu der Flächenkontrollvorrichtung 66 zur Verringerung der Olöffnungsfläche. Somit kann durch Kontrolle der Olöffnungsfläche und dem Angleichen der Durchflußrate durch die Olöffnungsfläche an die eingespritzte Öldurchflußrate mit dem Wirbelscheider eine gute Leistung erhalten werden und zwar über eine große Streubreite der Öl zu Wassei—Verhältnisse des eingespritzten Öl-Wasser-Gemisches.

Die Information bezüglich der Ölkonzentration sowohl in dem Öl-Wasser-Eingang zu dem Wirbelscheider als auch in dem Ölausgang zu

2 0 9 8 3 9/1112

dem Ölspeichergerät wird auch zu der FlächenkontroUvorrichtung 66, wie in Fig,i,-5 gezeigt, geführt. Ein Ölmessfühler 84 ist in dem Öl-Wasser-Eingangsrohr 86 angeordnet und ein Signal, das den Ölgehalt angibt, wird durch die Leitung 88 von dem Ölmessfühler 84 zu der FlächenkontroUvorrichtung 66 geführt. Ein Ölmessfühler 90 ist in dem Austrittsrohr 72 angeordnet, durch welches das Öl von dem Wirbelscheider zu dem Ölspeicherbehälter geführt wird, und ein Signal, das die Öl konzentration anzeigt, wird über die Leitung 92 zu der FlächenkontroUvorrichtung 66 geführt. Die Bewegung des honischen Zapfens 62 kann somit ebenfalls in Abhängigkeit von der Ölkonzentration in dem Eingang und dem Ausgang zu dem Wirbelscheider kontrolliert und reguliert werden. Diese Kontrolle kann entweder anstelle oder zusätzlich zu den leitenden Ringen A und B, wie in Fig. 5 gezeigt, benutzt werden. Weiterhin können, da ein großer Wassergehalt unerwünscht ist, Kontrollgeräte fest an den Ölschöpflöffeln montiert wei— den, um die geometrischen Parameter zu ändern und den Eingangs-

wassergehalt zu reduzieren.

In den Fig. 6 und 7 sind Mittel zur Messung der Ölkonzentration gezeigt. Kapazitäten werden in Verbindung mit einem Standardkapazitätsgerät benutzt, um die Ölkonzentration unmittelbar ablesen zu können. In Fig. 6 wird das Öl-Wasser-Gemisch, das gemessen werden soll, unmittelbar durch die Eingangsleitung 102 in den Tank 100 geführt. Zwei parallele Kondensatorplatten 104 sind in dem Tank in das Öl-Wassei—Gemisch eingetaucht. Die Kondensatorplatten, welche aus Metall bestehen, müssen mit einer dünnen Isolierschicht überzogen sein, um einen elektrischen Stromfluß durch das Öl-Wasser-Gemisch zu verhindern. Eine der Metallplatten ist geerdet und die andere Platte ist elektrisch mit einem Standardkapazitätsmessgerät, wie zum Beispiel das Tecktronik-L-C- Messgerät.

In Fig. 7 sind die Kondensatorplatten 106 zylindrisch und um das Rohr 108 in welchem das Öl-Wasser-Gemisch fließt, gewickelt.

-17-

209839/1112

Wie in der Ausführungsform nach der Fig. 6 ist eine der metallenen Kondensatorplatten geerdet, während die andere mit einem Kapazitätsmessgerät, ähnlich dem der Ausführung nach Fig. 7, verbunden ist.

Die große Differenz der Elektrizitätskonstanten zwischen Öl und Wasser, - die Elektrizitatskonstante für Wasser ist ungefähr 80, während die für Öl ca. 3 ist-, verändert hauptsächlich die Kapazität zwischen den beiden Metallplatten. Die Kapazität zwischen den Platten wird sich exponentiell verändern, und zwar mit der Konzentration von Wasser in dem Öl-Wasser-Gemisch. Die Anordnung nach Fig. 6 hat sich als empfindlicher und genauer erwiesen als die nach Fig. 7, jedoch kann jede dieser beiden Anordnungen benutzt werden.

Für den Gebrauch im Ozean sollten Wirbelscheider, die aus hochgradig rostfreiem Stahl hergestellt sind, benutzt werden. Tanks mit nicht-rostenden Überzügen werden ebenso geeignet sein. Eine effektive Gewichtsreduktion des Wirbelscheiders könnte realisiert werden, wenn Heizspiralen in gewundenem Fiberglas in Plastiktanks benutzt werden.

-Patentansprüche-

2 6 9"8 3 97 1 112

Claims

Meine Akte:

56/72 Pt 9.3.1972

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Trennen einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Dichten, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzen der Mischung mit erhöhtem Druck in einen Zylinder (18) in tangentialer Richtung durch eine Vielzahl von Röhren (23), die fest an einem Ende des besagten Zylinders (18) angeordnet sind, erfolgt, daß die Mischung axial in den Zylinder (18) gewirbelt wird, um einen Wirbel zu erzeugen, der einen Flüssigkeitskern niedriger Dichte in Längsrichtung entlang der Achse des Zylinders (18) entstehen läßt, daß der Kern von der Flüssigkeit höherer Dichte umgeben wird, daß mindestens ein Teil des Flüssigkeitskerns niedrigerer Dichte aus . dem Zylinder durch eine Austrittsöffnung (26), die zentral in einer der Rückwände des Zylinders angeordnet ist, entfernt wird, und daß die Flüssigkeit höherer Dichte aus dem Zylinder durch eine Öffnung (28), die in der Rückwand des Zylinders an dem Ende dieses Zylinders gegenüber dem Ende, an dem die Mischung eingespritzt wird, liegt, entfernt wird.

2* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bj- auf einem Wert, der geringer ist als zehn, gehalten wird, wobei

at-f. ^°'⁸

L Vri

ist und D der Durchmesser der Kammer, L die Länge der Kammer, V^j die tangentiale Geschwindigkeit an dem Umfang des

209839/1 1 12

Wirbels und V_ri die radiale Geschwindigkeit an dem Umfang des Wirbels ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit der höheren Dichte, die aus dem Zylinder (18) entfernt wird, in eine Komponente mit einem größeren Restgehalt der Flüssigkeit mit der niederen Dichte und eine Komponente mit einem niederen Restgehalt der Flüssigkeit mit der niederen Dichte getrennt wird, und daß die Komponente mit der höheren Dichte, die einen größeren Restgehalt der Flüssigkeit mit niederer Dichte aufweist, wieder in den Zylinder (18) durch zumindest eine der vielen Einspriteröhren (23) zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate der Flüssigkeit niedrigerer Dichte, die durch die Austrittsöffnung (58) aus dem Zylinder (18) entfernt werden kann, so variiert werden kann, daß sie genau gleich der Durchflußrate der Flüssigkeit niedrigerer Dichte ist, die in den Zylinder (18) eingespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskern niedrigerer Dichte aus dem Zylinder (18) durch eine Öffnung (70), die in der Rückwand des Zylinders, die gegenüber der Rückwand liegt, an welcher die Mischung eingespritzt wird, angeordnet ist, entfernt wird.

6t Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Flüssigkeitskerns niedrigerer Dichte aus dem Zylinder durch eine Öffnung (58), die in der Mitte der Rückwand des Zylinders, an welcher die Mischung eingespritzt wird, angeordnet ist, entfernt wird.

209839/1112 . "²⁰"

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ein Öl-Wasser-Gemisch ist und die Vorrichtung einen Zylinder (18) mit einem paar gegenüberliegender Rückwände (20,22) enthält, daß das Öl-Wasser-Gemisch in tangentialer Richtung in den Zylinder (18)-mit erhöhtem Druck durch eine Vielzahl Röhren (23)/ die fest an einem Ende des Zylinders angeordnet sind, einspritzbar ist, daß die Mischung axial in dem Zylinder wirbelt und hierbei ein Wirbel entsteht, dessen Kern vorherrschend aus Öl besteht und in der Mitte des Zylinders liegt, daß der Ölkern von Wasser umgeben ist, welches einen niedrigen Ölgehalt hat, daß eine Öffnung (28) zum Auslaß des Wassers genau in der Mitte der Rückwand (20) des Zylinders, die der Einspritzseite gegenüberliegt, vorgesehen ist, und eine Austrittsöffnung (26,32) für Öl in einer der beiden Rückwände angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölaustrittsöffnung in der Mitte der Rückwand, die an dem Ende des Zylinders liegt, an welchem die Mischung eingespritzt wird, angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung zum Austritt des Wassers aus dem Zylinder eine Vielzahl von konzentrischen Öffnungen mit einer Vielzahl von Austrittsröhren einschließt, und daß diese rückgekoppelt mit den Einspritzöffnungen sind, um einen Teil des Wassers wieder zurückzuführen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Austrittsöffnung für das Öl in der Mitte der anderen Rückwand, die die Öffnung für den Wasseraustritt konzentrisch zu der zweiten Austrittsöffnung umgibt, vorgesehen ist.

-21-

209839/1112

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente vorgesehen sind, um die Durchflußrate des Öls durch die Austrittsöffnung zu variieren, daß sie genau gleich der Durchflußrate des in den Zylinder eingespritzten Öls ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet, daß die Flußstärke variierbar ist, und daß die Fläche der Austrittsöffnung variierbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsrohre an dem Zylinder angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis —— erreicht wird, wobei D der Durchmesser und L die Länge des Zylinders sind, und Aj die Fläche der Einspritzmittel ist, und daß der Wert gleich 50 oder niedriger ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit des Wassergemisches in dem Zylinder zu der Einspritzgeschwindigkeit des Öl-Wasser-Gemisches zwischen den Werten 0,7 bis 0,9 liegt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

ν* °·⁸

_{B =} D_ ^I

L V_r1

erreicht wird, wobei D der Durchmesser, L die Länge des Zylinders,

2 0 9 8 3 9/1112"

V^h und V_r. die tangentiale und radiale Geschwindigkeiten am Umfang des Wirbels sind, und daß der Wert gleich oder kleiner als 10 ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung zum Austritt des Wassers aus dem Zylinder rund ist und ungefähr das 0,2-fache
des Durchmessers des Wirbels in der Kammer beträgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Variieren der Austrittsöffnung ein konischer Zapfer (62) an der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei ein Teil des Zapfens in die Öffnung hineinragt, und daß Mittel
vorhanden sind, um den Konischen Zapfen in der Austrittsöffnung zu bewegen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flächenkontrollvorrichtung (66) zum Bewegen des honischen Zapfens verwendbar ist, und daß entsprechend dem Öl gehalt des Gemisches die Flächenkontrollvorrichtung bewegbar ist, und die Fläche der Austrittsöffnung justierbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Flächenkontrollvorrichtung in Abhängigkeit von der Größe des Ölkerns in dem Zylinder durchführbar ist.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkontrollvorrichtung in Abhängigkeit von der Ölkonzentration des in dem Zylinder eingespritzten öl-Wasser-Gemisches arbeitet.

-23-

2 0 9 8 3 9/1112

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 19,20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkontrollvorrichtung in Abhängigkeit der Ölkonzentration des Öls, das durch die Austrittsöffnung austritt, in Tätigkeit setzbar ist..

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Größe des Ölkerns in dem Zylinder eine kreisförmige Kernplatte (30) aus Isoliermaterial in der Öffnung der Kammer, durch welche das Wasser austritt, angeordnet ist, daß die Kernplatte, die kleiner ist als die Öffnung, mit ihrer Mitte entlang der Achse des Wirbels, der in dem Zylinder entsteht, angeordnet ist, und ungefähr abschließt mit der Rückwand dieses Zylinders, daß ein erster und ein zweiter konzentrischer Elektrodenring (A, B) auf der Kernplatte montiert sind, und daß der erste konzentrische Ring einen etwas größeren Durchmesser als der Innendurchmesser der besagten Austrittsöffnung hat, und daß der zweite konzentrische Ring einen etwas kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser der Kernplatte hat, daß ein dritter und vierter Elektrodenring (A, B) elektrisch isoliert an den Rückwänden mit den Austrittsöffnungen angeordnet sind, daß der dritte und vierte Elektrodenring Durchmesser aufweisen, die gleich den Durchmessern der ersten und zweiten Elektrodenringe sind, daß ein Potentialunterschied zwischen dem ersten und dem dritten Elektrodenring und zwischen dem zweiten und vierten Elektrodenring erzeugt werden kann, daß Strommeßgeräte zwischen dem ersten und dritten Elektrodenring angeschlossen sind, und daß in Abhängigkeit von dem zu messenden Strom die Flächenkontrollvorr ichtung (66) sehr genau in Gang setzbar ist.

209839/ 1112

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Öl konzentration ein paar mit Isoliermaterial beschichtete Metallplatten (104) aneinandergrenzend in das Öl-Wasser-Gemisch, eingetaucht sind, und daß die Kapazität zwischen diesen Platten meßbar ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Öl konzentration dadurch meßbar ist, daß das Gemisch durch eine nichtmetallische Leitungsröhre fließt, daß ein paar metallener Platten um diese Röhre aneinandergrenzend angeordnet sind und diese elektrisch von dem Gemisch isoliert sind, und daß die Kapazität zwischen den besagten Platten gemessen wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache, kreisrunde Kernplatte mit einer koaxialen Öffnung für den Austritt des Wassers angeordnet ist, und daß der Durchmesser der Kernplatte größer ist als die Ölaustrittsöffnung, daß diese genau abschließend mit oder dicht an der Rückwand , die der Rückwand des Zylinders, in welchen das Gemisch eingespritzt wird, gegenüberliegt, angeordnet ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernplatte eine Öffnung in der Mitte hat, und daß eine Röhre an diese Öffnung für die Entfernung des Öls aus dem Zylinder angeschlossen ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernplatte mit einer Stange, die durch die Wasseraustrittsöffnung führt, versehen ist, und daß diese Stange als Rohr

ausgebildet ist.

209839/ 1112

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kernplatte ungefähr das 0,1-fache des Durchmessers des Zylinders beträgt.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kernplatte ungefähr das 0,2-fache des Durchmessers des Zylinders beträgt.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kernplatte kleiner ist als die Öffnung für den Wasser austritt.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernplatte etwas innerhalb der Kammer angeordnet ist.

2 0 9 8 3 9/1112