DE2239831A1

DE2239831A1 - Verfahren zum heben von fluessigkeiten, anlage zur ausfuehrung des verfahrens und anwendung des verfahrens

Info

Publication number: DE2239831A1
Application number: DE19722239831
Authority: DE
Inventors: Dieter Hody
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-10-08
Filing date: 1972-08-12
Publication date: 1973-04-12
Also published as: AU4749772A; FR2155604A5; GB1396369A; JPS4845401A; CH544891A

Description

Dipl.-Ing. Dieter Hody, 8800 Thalwil (Schweiz)

Jan-Olaf WiHums, Ohain/Bruxelles (Belgien)

Verfahren zum Heben von Flüssigkeiten, Anlage zur Ausführung des Verfahrens und Anwendung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heben von Flüssigkeiten aus Tiefen, welche grosser sind als die
entsprechenden maximalen Saughöhen sowie eine Anlage zur
Ausführung des Verfahrens und die Anwendung des Verfahrens zur Feststoffteile-Förderung.

Bekanntlich ist die Saughöhe von Pumpen begrenzt und bestimmt durch den umgebenden Gasdruck sowie die Temperatur
der zu fördernden Flüssigkeit. Es ist daher nicht möglich, unter normalen Bedingungen auf Meereshöhe Wasser aus Tiefen von über 10 m anzusaugen. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Schwierigkeit dadurch, dass man eine mindestens teil-

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weise mit Gas angefüllte Flüssigkeitsentnahmevorrichtung mindestens teilweise in die Flüssigkeit eintaucht, und dass man den Flüssigkeitsspiegel in der Vorrichtung tiefer hält als in der umgebenden Flüssigkeit und den Gasdruck tiefer als den der Flüssigkeitsniveaudifferenz in der Vorrichtung und dem Spiegel der freien Flüssigkeit entsprechenden Differenzdruck.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen in rein schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Förderstation in Transportstellung auf dem Meer,

Fig. 2 die Förderstation gemäss Fig. 1 in Arbeitsstellung und

Fig. 3 einen Schnitt, durch eine Förderanlage zum Heben von Feststoffteilen vom Meeresgrund.

Auf dem Meer, dessen Oberfläche 1 in den Figuren dargestellt ist, befindet sich eine Förderstation 3, an deren zum Eintauchen vorgesehenen Teil Ballasttanks 5 angeordnet sind. Durch Einbringen von Ballast ist es möglich, die Förderstation aus ihrer Transportstellung gemäss Fig. 1 in ihre Arbeitsstellung gemäss Fig. 2 zu bringen, in welcher Stellung sie praktisch gegen jeglichen Wellengang unempfindlich ist.

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In Fig. 3 ist eine Anlage ersichtlich, welche, aufbauend auf dem.Prinzip der Förderstation gemäss den Fig. 1 und 2, die Förderung von Feststoffteilen 12 erlaubt, welche auf dem Meeresboden 10 liegen. Es ist ferner ein Steig- oder Förderrohr 14 ersichtlich, das in seinem obern Teil in ein Gefäss 16 ausmündet. Im Gefäss 16 befindet sich eine Pumpe 18, beispielsweise eine mehrstufige Zentrifugalpumpe, deren Saugstutzen 20 in den Bereich des Bodens 17 der Gefässe 16 reicht, während deren Druckstutzen 22, wie ersichtlich, die Aussenflüssigkeit fördert. Im Steigrohr 14 befinden sich geförderte Feststoffteile 24, die durch das aufsteigende Wasser mitgeschleppt werden.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Förderstation ist ein Körper der auch bei höchstem Seegang und grossten Windstärken seine stabile Lage beibehält. Dadurch wird eine kontinuierliche Förderung der Feststoffteile 24 gewährleistet-Durch Fluten bzw. Entleeren der Ballasttanks 5 kann die Station aus der Transportstellung gemäss Fig. 1 in die Arbeitsstellung, gemäss Fig. 2 und umgekehrt gebracht werden-

Der Erfindung liegen folgende Ueberlegungen zu Grunde:

Durch Absenken des Gefässes 16 unter die Meeresoberfläche, entsteht, entsprechend der Eintauchtiefe, eine treibende Kraft, welche das Wasser von unten durch das Steigrohr 14

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hinauf treibt, welches Phänomen so lange anhält, bis das Wasser im Gefäss 16 die kommunizierende Meeresoberfläche 1 erreicht. In diesem Moment hört die Wasserbewegung im Steigrohr 14 auf. Wenn nun dafür gesorgt wird, dass eine Niveaudifferenz zwischen Meeresoberfläche 1 und Flüssigkeitsspiegel 19 im Gefäss 16 beibehalten wird, so strömt kontinuierlich Wasser durch das Steigrohr 14. Das Beibehalten des Niveau 19 erfolgt mittels der Pumpe 18, die praktisch mit der Saughöhe Null durch den Saugstutzen 20 das einschiessende Wasser absaugt und ins Meer zurückfördert, wobei die Förderhöhe der Pumpe dem Wasserdruck am Druckstutzen-Austritt entspricht und etwa der Eintauchtiefe des Gefässes 16 entspricht. Durch die durch das Steigrohr 14 aufschiessenden Wassermassen erfolgt eine Förderwirkung nach oben, wodurch auf dem Meeresboden 10 liegende Feststoffteile 12 im Bereich der Mündung des Steigrohres 14 mitgeschleppt werden. Das Gefäss 16 wirkt als Trennvorrichtung oder Abscheider für Wasser und Feststoffteile. Die Feststoffteile müssen dann z.B. mittels eines Becherwerkes gehoben werden.

Der Durchfluss von Wasser und Feststoff 24 durch die vertikale Förderleitung 14 erzeugt einen Druckverlust, der im wesentlichen aus folgenden Anteilen zusammengesetzt ist:

a) Reibungsdruckverlust des strömenden Wassers in der Förderleitung 14 :

3 0 9 8 1 £> / 0 2 1 3

/γ,, - a

. 2

mit ' p,> ⁼ Reibungsdruckverlust (N/m ) Λ = Druckverlustbeiwert ( - ) ^je = Dichte des Wassers (kg/m ) Vie = Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in

der Förderleitung (m/s) I s= Länge der Förderleitung ( m ) i-V = Durchmesser der Förderleitung ( m )

b) Druckverlust, hervorgerufen durch den Hub der Feststoff teile vom Meeresboden zur Oberflächenstation:

ρ ■ (

mit /3pt = Druckverlust durch Hub der Feststoffteile (N/m ) rr> ^ — Masse des geförderten Feststoffes pro Zeiteinheit (kg/s)

ο ^ = Erdbeschleunigung (m/s ) t - Länge der Förderleitung = Hubhöhe (m) ¹^Ii. = Querschnitts fläche der Förderleitung (m ) ν u = strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der

Förderleitung (m/s)

^S = Stationäre Sinkgeschwindigkeit eines Feststoffteiles im Wasser (m/s)

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BAO ORIGINAL

Die Summe der Druckverluste A, und .1 stellt den Gesamtdruckverlust des Systems dar, da die entstehenden Druckverluste für die Beschleunigung des Wassers und der Feststoffteile von der Geschwindigkeit Null auf die Fördergeschwindigkeit vernachlässigbar klein gegenüber der Summe /ί|\+-^_(ιΙ werden. Ebenfalls vernachlässigbar klein ist bei entsprechender Wahl der Feststoffkonzentration der Druckverlust durch Reibung der Feststoffteile an der Wand der Rohrleitung 14 und untereinander.

Für die Förderung ist eine weitere Bedingung einzuhalten: Die Strömungsgeschwindigkeit ^l l·-- des Wassers in der Förderleitung 14 muss grosser sein als die stationäre Sinkgeschwindigkeit ^! '", der Feststoffteile 24.

Damit eine Förderung stattfinden kann, müssen also im wesentlichen folgende zwei Bedingungen erfüllt sein:

- Im System muss ein Druck erzeugt werden, der mindestens gleich gross ist wie der entstehende Druckverlust A₁,+ ^ι·Ή

- ^- /-. muss grosser ala M. sein.

Taucht man das oben offene Gefäss 16 in eine Flüssigkeit ein, so herrscht z.B. an seinem Boden 17 ein Druck, welcher der Eintauchtiefe T proportional ist. So nimmt beim Eintauchen in Wasser der Druck praktisch pro 10 m Tauchtiefe = 10 m Wassersäule um eine Atmosphäre zu. Am Boden des offenen Gefässes 16 befindet sich die Förderleitung 14, die bis auf den Meeres-

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BAD

boden 10 reicht. Das oben offene Gefäss 16 wird auf die Tiefe T eingetaucht, bis an seinem Boden 17 am oberen Ende der Förderleitung 14 ein Druck herrscht, der dem Druckverlust /\ . +..-., äquivalent ist. Ist dieser Punkt erreicht, werden Wasser und Feststoff in den offenen Teil des Gefässes 16 einströmen und zwar so lange, bis, wie erwähnt, im Gefäss etwa das Niveau der Umgebung (Meeresoberfläche) erreicht ist. Die Förderung der Medien käme dann zum Stillstand.

Um den Vorgang kontinuierlich zu gestalten, müssen Flüssigkeit und Feststoff permanent aus dem Behälter 16 entfernt werden. Nach der Trennung von Feststoff und Flüssigkeit in der Nähe des Behälterbodens 17 wird das Wasser gegen den ausserhalb des Behälters herrschenden Druck gepumpt.

Die Pumpe 18, es können auch mehrere sein, ebenso mehrere Steigrohre, ist stets frei zugänglich, da sie nicht untergetaucht ist. Es entstehen keinerlei Ansaugproblemeι Ferner fördert sie feststoffreies Wasser. Der Feststoff kann z.B. durch mechanische Förderelemente (nicht dargestellt) in das Transportschiff gebracht werden.

Die Pumpe 18 versieht also die Aufgabe, den Flüssigkeitsspiegel 19 im Behälter 16 konstant zu halten; damit der zur Förderung notwendige treibende Druck erhalten bleibt.

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Es ist zu beachten, dass die wirksame Eintauchtiefe sich infolge des Flüssigkeitsniveaus im Behälter auf Twirk verringert.

Am unteren Ende der Förderleitung 14 befindet sich ein System zur Aufnahme der Feststoffteile. Dieses bildet nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Das gesamte Fördersystem kann sich in horizontaler Richtung fortbewegen.

Rechenbeispiel:

(Bei den eingesetzten Zahlen handelt es sich teilweise um Mittelwerte).

Länge der Förderleitung *. = 50 00 m

(identisch mit der Meerestiefe)

Masse des geförderten Feststoffes

pro Zeiteinheit <ί ;^f = 100 t/h = 27,8 kg/s

Durchmesser der Förderleitung _; = 0,8 m

Strömungsgeschwindigkeit des

Wassers i.d. Leitung y,= 5,5 m/s

Druckverlust · =0,01

Dichte des Wassers ^. = 1000 kg/m³

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BAD ORIGINAL

Erdbeschleunigung k- = 9,81 m/s^

Querschnittsfläche der

_r E 2- ο

Förderleitung rß = u O = 0,503 m

Stationäre Sinkgeschwindigkeit eines Feststoffteiles
von 0,04 m Durchmesser
(kugelförmig) in Wasser ^vs =1,5 m/s

Einsetzen der Zahlenwerte:

,Λ,, - 0 ni 1000 ς ς2 5000 . 27,8 . 9,81 . 5000 'Hh - OfOl -_- 5,5 _TJ7B- +

Z)p_H = 9,45 . 10⁵ + 6,8 . 10⁵ ^p_rt =16,25 ·. 10⁵ N/m²

Umrechnung auf Meter Wassersäule ergibt: Twirk = 165,5 m Wassersäule

Um die oben gestellten Bedingungen zu erfüllen, müsste eine Förderstation ca. 165 m tief insWasser eingetaucht werden.

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Es ist indessen auch möglich, anstelle eines offenen Gefässes ein geschlossenes Gefäss zu verwenden und dafür zu sorgen, dass der Gasdruck in der Flüssigkeitsentnahmevorrichtung, zu welcher ein dem Gefäss 16 entsprechend geschlossenes Gefäss gehört, sowie das in dieses einmündende Steigrohr 14, tiefer gehalten wird, als der der Flüssigkeitsniveaudifferenz in der Vorrichtung und dem Spiegel der freien Flüssigkeit entsprechende Differenzdruck der Flüssigkeit.

Ferner ist es möglich, nach dem, beschijrebenen Verfahren Flüssigkeiten aus Tiefen einer Flüssigkeitsmasse zu heben, welche Tiefen grosser sind als die entsprechenden maximalen Saughöhen, beispielsweise von Pumpen, was in der chemischen Industrie, bzw. Verfahrenstechnik neue Möglichkeiten eröffnet. Es ist grundsätzlich auch möglich, den Flüssigkeitsdifferenzdruck nicht durch Abpumpen sondern durch Verdampfen aufrecht zu erhalten und damit die treibende Kraft für das Aufsteigen der Flüssigkeit im Steigrohr zu gewährleisten.

Auf diesem Prinzip beruhend ist z.B. eine äusserst wirtschaftliche Hebung von Mineralien vom Meeresgrund möglich, was völlig neue Aspekte für die Rohstoffbeschaffung eröffnet.

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Claims

P a t e η t a ns ρ r ü c h e

1.) Verfahren zum Heben von Flüssigkeiten aus Tiefen, welche grosser sind als die entsprechenden maximalen Saughöhen, dadurch gekennzeichnet, dass man eine mindestens teilweise mit Gas angefüllte Flüssigkeitsentnahmevorrichtung mindestens teilweise in die Flüssigkeit eintaucht, und dass man den Flüssigkeitsspiegel in der Vorrichtung tiefer hält als in der umgebenden Flüssigkeit und den Gasdruck tiefer als den der Flüssigkeitsniveaudifferenz in der Vorrichtung und dem Spiegel der freien Flüssigkeit entsprechenden Differenzdruck.

2.) Anlage zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Gas mindestens teilweise angefüllte Schwimmplattform mit mindestens einem in diese ausmündenden Förderrohr, wobei Gasbehältnis und Förderrohr durchgehend miteinander verbunden sind, und mit Fördermitteln, welche unter dem freien, äusseren Flüssigkeitsspiegel angeordnet sind dazu dienen, die durch das Förderrohr aufsteigende Flüssigkeit wegzuschaffen und die Niveaudifferenz zwischen dem freien Flüssigkeitsspiegel und demjenigen im Behältnis konstant zu halten.

3.) Anwendung des Verfahrens zur Feststoffteile-Förderung.

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4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die durch die Entnahmevorrichtung aufströmende Flüssigkeit wegpumpt, wobei man die Pumpe im Höhenbereich des zu haltenden Flüssigkeitsspiegels in der Vorrichtung, vorzugsweise über diesem Spiegel, anordnet.

5.) Anlage nach Anspruch 2, zum Heben von Feststoffteilen in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abscheider für die Trennung von Flüssigkeit und Feststoff vorgesehen ist.

6.) Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Hebevorrichtung für die Feststoffteile, z.B. ein Becherwerk.

7.) Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördermittel eine, z.B. mehrstufige Pumpe oder Pumpengruppe dient.

8.) Anwendung nach Anspruch 3, zur Mineralienförderung vom Meeresboden.

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