DE2248794A1 - Gas-fluessigkeitsseparator - Google Patents

Description

dr. MÜLLER-BOR£ dipu-phy.s.kr. MANITZ dipl.-chem. dr. DEUFEL

DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL.-ING. GRÄMKOW PATENTANWÄLTE

München, den 5.10.1972 A 2248

ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED Ottawa, Ontario, Canada

Gas-Flüssigkeitsseparator

Die Erfindung betrifft einen Gas-Flüssigk@itss@parator, insbesondere einen kompakten Separator für vertikal strömende Gemische.

Es sind zwei Separatortypen in Gebrauch. Der erste Grundtyp ist unter der Bezeichnung Hydrozyklone oder Hydraulischer Trichter bekannt. Das Gas-Flüssigkeitsgemisch wird tangential auf die Innenwandung θin«a Zylinders geleitet, durch welchen das Gemisch veranlaßt wird, in spiralförmigen Bahnen nach unten zu fließen. Das Gas wird von der Flüssigkeit getrennt und bildet eine zentrische, gasförmige Säule, die als Wirbel bekannt ist. Während das Gas in dem Wirbel nach oben steigt und den Separator gewöhnlich durch einenAuslaß am oberen End« des Trichtern verläßt, treten die Flüssigkeitsspiralen am Boden des Separators aus.

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Der zweite Separatortyp ist der Radialflügelseparator. Das Gas-Flüssigkeitsgemisch steigt senkrecht nach oben durch eine Pülleitung in das Zentrum des Separators. Das Gemisch verläßt den Innenraum durch ale senkrechte Schlitze in der Innenraumwand ausgebildete Ausströmöffnungen. Außerhalb des Füllraumes wird das Gemisch durch ein Strömungsleitblech auf eine Anzahl von umlaufenden Flügeln geleitet, welche das Gemisch tangential auf die Separatorwand leiten. Die Trennung erfolgt dadurch, daß das Gemisch spiralenförmig über die Flügel und auf die Wand läuft, wobei das Gas aufsteigt und im oberen Teil des Separators aus diesem austritt, während die Flüssigkeit in Spiralbahnen auf den Boden läuft.

Ein typischer Nachteil bei der Konstruktion des vorbeschriebenen Radialflügelseparators ist der hohe Turbulenzdruckverlust, welcher durch die außerordentliche Unstetigkeit in den Strömungslinien bedingt ist. Ferner läßt sieh die Gasphase durch die Ausströmöffnungen nicht ohne weiteres horizontal umleiten, so daß ein hoher Vaseeranteil mitgerissen wird.

Die vorliegende Erfindung ist eine modifizierte Aueführungsform des vorgenannten Radialflügelseparators und betrifft einen Separator, bei dem durch eine erfinderische Ausgestaltung das Strömungeblech, die Ausströmöffnung und die radialen Flügel in einer einzigen geometrischen Einheit zusammengefaßt sind, nämlich in der folgend mit Strömungsabweiser bezeichneten Vorrichtung. Der Strömungeabweiser ist vorteilhaft in der Lage, den hohen Turbulenzdruckverlust beträchtlich zu verringern und den Wirkungsgrad der Gas-FlUssigkeitsscheidung wesentlich zu erhöhen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Separator für die Schei-

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dung eines vertikal strömenden Gas-Flüssigkeitsgemisches mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen und dies mit einem Separator zu erreichen, der in der Horizontalebene einen relativ kleinen Raum beansprucht. .

Die Erfindung besteht in einem Separator, der gekennzeichnet ist durch ein längliches und im "wesentlichen senkrecht angeordnetes' Zylindergehäuse mit einem oberen Gasauslaß und einen unteren Flüssigkeitsablauf, einem Einlaßkanal, der ein Gas-Flüssigkeitsgemisch nach oben in das Zylindergehäuse leitet, mit wenigstens einem in diesem Zylindergehäuse angeordneten Strömungsabweiser, wobei jeder dieser Strömungsabweiser einen Zulauf besitzt, der mit dem Einlaßkanal in Verbindung steht, mit einem gekrümmten Übergangsteil zur stoßfreien Umlenkung des Strömungsverlaufes des Gemisches von einer im wesentlichen senkrechten Richtung in eine gegen die Innenwände des Zylindergehäuses weisende Richtung und um eine sich im wesentlichen senkrecht erstreckende Achse, wobei jeder der Strömungsabweiser in einen nach oben gerichteten Auslauf derart endet, daß das Gemisch in schichtförmigem Zustand heraustritt, und wobei jeder Strömungsabweiser durch eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Unterteilungsrippen in eine Vielzahl von Kanälen unterteilt ist, die im wesentlichen senkrecht zueinander am Auslaß angeordnet sind.

In vorteilhafter Weise kann jeder Strömungsabweiser senkrecht zur Strömungsrichtung im Kanal vom Einlaß bis zum Auslaß einen im wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen.

Die Ausläufe eines jeden Strömungsabweisers sind vorzugsweise rechteckig ausgebildet, wobei die Außenseiten mit den größeren Krümmungsradien sich über die oberen und unteren Kanten der Strömungsabweiser hinaus erstrecken. Vorzugsweise sind die die Strömung leitenden Unterteilungsrippen in ihrem hinteren Ende mit den Außenrändern schräg orientiert

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verlaufend angeordnet, wobei die den größeren Krümmungsradius aufweisenden Kanten höher als die inneren Kanten angeordnet sind.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung kann auch im Zylindepgehäuse oberhalb des Strömungsabweisers ein Flüesigkeits-Überlaufbegrenzer vorgesehen sein, der mehrere sich in Umfangerichtung überlappende Blätter aufweist, die derart geneigt sind, daß die Zirkularströmung eines Gases in dem Zylindergehäuse gegenüber der von den Strömungsabweisern erzeugten Strömung«- richtung -umgekehrt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Separator

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zwei Strömungsabweiser mit rechteckigen, aneinander angrenzenden Zuläufen versehen sein, die zusammen ein quadratisches Profil bilden. Ferner besitzt der GemiBcheinlaßkanal an seinem oberen Teil ein Verbindungsstück mit einem ebenfalls quadratischen Querschnitt für den Anschluß des Gemischeinlaßkanales an die zusammengefaßten rechteckigen Zuläufe der Strömungeabweiser.

Die Erfindung sieht also einen Separator vor für die Trennung eines vertikal strömenden Gas-Flüssigkeitsgemisches, wobei der Separator aus einem senkrecht angeordneten länglichen Zylindergehäuse besteht, in welches das Gas senkrecht eingeführt wird. An dem Einlaßkanal sind In dem Zylindergehäuee ein Paar Strömungsabweiser vorgesehen, die den Strömungeverlauf von einem vertikalen zylindrischen Zustand in horizontal gegen die Innenwände des Zylindergehäuaes und sich um die senkrechte Achse des Zylindergehäusee drehende Schichtströmungen umlenken. Die Strömungsabweiser Bind in ihrer Ausgestaltung dem Stömungsverlauf angepaßt, damit auftretende Wirbelverluste klein gehalten werden. Innerhalb jedes Strömungsabweisers sind mehrere Führungs-

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rippen vorgesehen, die die Gemischströmung gleichmäßig durch die Strömungsabweiser verteilen. Das abgeschiedene Gas tritt durch einen Gasauslaß am oberen Teil des Zylinderraumes aus, während die Flüssigkeit am Boden des Zylinderraumes abgeleitet wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Separators dargestellt ist. Es zeigen:

Fig.l einen senkrechten Teilschnitt durch den Separator gemäß der Erfindung;

Fig.2 einen Querschnitt durch den Separator gemäß der Schnittlinie 2-2 nach Fig.l;

Fig.3 eine Perspektive Ansicht eines teilweise aufgebrochenen Strömungsabweisers gemäß den Fig.l und 2; Fig.4 einen Querschnitt gemäß den Schnittlinien 4-4 in Fig.1

und Fig.5 einen Teilschnitt gemäß der Schnittlinie 5-5 in Fig.4.

Der in den Fig.1,2 und 3 dargestellte Separator besitzt ein Zylindergehäuse 1 mit einem oberen Gasauslaß 2 und einem unteren Flüssigkeitsablauf 3* Ein Gas-Flüssigkeitsgemisch wird durch einen Einlaßkanal 4 nach oben in ein Paar Stromungsabweiser 6,7 geleitet, die innerhalb de· Zylindergehäuses 1 angeordnet sind. Jeder Strömungsabweiser 6,7 besitzt einen Zulauf 8 bzw. 9, der jeweils an den Einlaßkanal 4 Mittels eines zwischengeschalteten Verbindungsstückes 24 angeschlossen ist. Die Zuläufe der Stromungsabweiser haben rechteckige Querschnitte, welche zusammen einen quadratischen Querschnitt bilden, während der Einlaßkanal 4 einen Kreisquerschnitt mit nahezu gleichen Abmessungen besitzt. Das Verbindungsstück 24 ist dazu bestimmt, einen gleichmäßigen Übergang von dem Kreis-

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querschnitt zum Rechteckquerschnitt zu schaffen.

Die Austritte lo,ll der Strömungsabweiser sind im wesentlichen tangential gegen die Innenwände des Zylindergehäuses 1 gerichtet. Sie erstrecken sich ziemlich weit nach oben und sind in der Breite verhältnismäßig schmal. Die Übergangs-bzw. Verbindungsteile l6,17 der Strömungsabweiser 6,7 sind zwischen den Zuläufen 8,9 und den Austritten lo,ll zunehmend abgeflacht und sind fortlaufend ausgestaltot, wobei sie vorzugsweise in den Abmessungen dee Strömungsquerschnittes nur geringfügige Abweichungen aufweisen.

Die Verbindungsteile 16,17 rufen eine Änderung der Strömung in zwei Richtungen hervor, d.h.von einer vertikalen in eine horizontale und von einer radialen in eine Umfangerichtung. Bei den Ausläufen 12,13 ist das Gemisch gegen die Innenwandung um die Achse des Zylindergehäuses 1 herum gerichtet.

Die Trennung von Gas und Flüssigkeit beginnt in dem Jeweiligen Strömungsabweiaer und wird im Zylindergehäuse fortgesetzt, wobei die spezifisch schwerere Flüssigkeit infolge der Zentrifugalkraft nach außen gedrückt wird, während das spezifisch leichtere Gas in der Mitte bleibt. Bedingt durch die Ausgestaltung bzw.Abmessungen des Auslasses befindet sich die teilweise abgeschiedene Flüssigkeit auf der Wandung des Strömungsabweisers in Form eines dünnen Filmes. Dies veringert den Abstand auf ein Minimum, den die mitgerissenen Gasbläschen durch die Flüssigkeit zur Erzielung der Trennung zurücklegen müssen. Das Abmeseungsverhältnis von der Länge zur Breite dee Austritte· sollte so groll wie praktisch möglich gewählt werden, damit sieh die kleinstmöglichste Schichtdicke der Strömung ergibt.

In Fig. J ist BU erkennen, daß innerhalb Jedes Strömungs-

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Abweisers drei einen Abstand aufweisende Führungerippen l8 vorgesehen sind zur Unterteilung eines jeden Strömungsabweisers in vier Kanäle, um die Gemischströmung gleichmäßiger durch die Strömungsabweiser zu leiten. Ohne diese Rippen l8 würde die von dem zuströmenden Gemisch hervorgerufene Axialkraft den größten Teil der Strömung nach oben treiben. Auch der Coandaeffekt bewirkt, daß sich die Gemischströmung an die innere Wand anlegt, wobei ein Flüssigkeitskanal gebildet wird, wobei sich das Gas im Zentrum befindet. In geringerem Maße tritt dieses auch auf, wenn Führungsrippen benutzt werden, jedoch kann diese Tendenz vermindert werden, wenn die Rippen über den ganzen Strömungsabweiser/ schwach geneigt sind, wobei die Innenseite (kleinerer Radius) einer jeden Rippe tiefer angeordnet ist als die Außenseite*

Jeder Strömungsabweiser endet in einen horizontal gerichteten Auslauf 12 oder 13, so daß die Gemischströmung horizontal austritt. Die radial außen liegende Seite des jeweiligen Strömungsabweisers besitzt am Auslauf Verlängerungsstücke lA,15, die sich in Umfangsrichtung über die Rippen und in vertikaler Richtung über die oberen und unteren Kanten hinaus erstrecken, wodurch eine Streuung der Strömung in vertikaler Richtung erreicht wird.

Vorzugweise ist das Abmessungsverhältnis von Austritt zu Einlauf im Querschnitt gleich oder größer als 1, um die Druckverluste auf ein Minimum zu verringern.

Über den Strömungsabweisern ist ein Überlaufbegrenzer 2o vorgesehen, damit von dem abgeschiedenen Gasstrom mitgerissene und weitertransportierte !fassertröpfchen zurückgehalten werden. In den Fig.4 und 5 i*t su erkennen, daß der Überlaufbegrenzer 2o aus einer Vielzahl von sich in Umfangsrichtung überlappenden Blättern 21 gebildet wird,

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die derart geneigt sind, daß die Richtung der Gasströmung umgekehrt wird. Die Blätter 21 sind an einer zentralen Nabe 22 und einem Außenring 23 befestigt. Die Blätter 21 fallen radial vom Nabenzentrum nach außen ab, wodurch das sich ansammelnde Wasser zu den Wandungen des Zylindergehäuses 1 abgeleitet wird.

Damit das Gas nicht nach unten abströmt, ist eine Gassperre 32, die in Pig.l dargestellt ist vorgesehen.

In den folgenden Ausführungen soll eine genaue Beschreibung des Separators angegeben werden, der gemäß der Erfindung entwickelt wurde, um Trockendampf für Korrosionsversuche an Brennstoff-Überzügen (fuel claddings) in einer Siedewasserleitung eines Kernreaktors zu liefern.

Der Separator sollte unmittelbar auf dem Kernreaktor installiert werden, so daß Rohrleitungen eingespart und Druck- und Qualitätsverluste verringert würden. Zwei Brennstoffkanäle waren für die Anordnung unterhalb, des Separators und ein Siedewasserkanal für die Versorgung des Separators vorgesehen.

Die Konstruktion des Separators warf vier Hauptprobleme auf: (l)die räumlichen Beschränkungen wegen des vorhandenen Sammlerraum- (header room) und Brennstoffkanal-Verschlußdurchmessers und der angrenzenden Brennstoffkanäle; (2)die Zugänglichkeit für die Nachbeschickung mit Brennstoff; (3) die Erforderlichkeit einer sauberen Drainage wegen der durch das Personal durchgeführten Wartungsarbeiten; und (k) eine hohe Qualität der Trennung mit einem Minimum an Druckverlusten.

Die Arbeitstemperatur betrug 35oC, der Druck 800-I000 psia (56,2-70,3 kp/cm*"), die Strömungsgeschwindigkeit des Ge-

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misches 0,8 - 1,8 kg/sec und die Gemischzusammensetzung Io - 15% Dampf pro Gewichtseinheit.

Der Durchmesser des Zylindergehäuses 1 betrug 4,5 inch (llA,3 "im) und die Länge betrug 30 inch (762 mm). Der Durchmesser des Einlaßkanals 4 betrug 2 inch (5o,8 mm). Das Verbindungsstück 24 wurde zur Erzielung der Querschnittsveränderung von einem Kreisquerschnitt zu einem Quadratquerschnitt mit 1,8 inch (45»7 nun) Seitenlänge benutzt. Es wurden zwei Strömungsabweiser 6 und 7 verwendet, wobei jeder einen Einlaßquerschnitt von 1,8 χ ο,9 inch (45,7 x 22,86 mm) und einen Auslaß von 5,5 χ ο,25 inch (139,7 χ 6,35 mm) aufwies. Vorzugsweise könnte der Strömungsquerschnitt am Auslaß der gleiche sein wie am Einlaß, so daß die Geschwindigkeit des Gemisches konstant bleibt. Die Ausführungsform des Verbindungsstückes 24 oder des Hauptteiles der Strömungsabweiser ist in den Fig.1,2 und 3 zu erkennen und ist so ausgestaltet, daß ein gleichmäßiger Übergang zwischen dem senkrechten Einlaß und dsm horizontalen Auslaß erzielt wird. Die Verlängerungsstücke 14 und 15 erstrecken sich 1,9 inch (48,3 mm) über die Rippen und die oberen und unteren Kanten hinaus, um eine senkrechte Ausbreitung der Gemischströmung zu erzielen.

Der Spalt 25 zwischen den Strömungsabweisern und der Innenwandung des Zylindergehäuses 1 sollte groß genug sein, damit ein genügender Zwischenraum zwischen dem sich auf der Wandung befindlichen Gemischfilm und den Strömungsabweisern vorhanden ist. Dieser Raum schafft für das Gemisch eine weitere Entgasungszone, vorausgesetzt, daß der SeheidungsVorgang von den Strömungsabweisern nicht ungünstig beeinflußt wird.

Während des Betriebes des Separefors muß der Wasserstand 31 über dem Flüssigkeit ablauf 3 und unter den Austritten 16,11 der Strömungsabweiser mittels eines geeigneten Wasserstand-

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meßfühlers und einem Kontrollventil (in der Zeichnung nicht dargestellt) aufrecht erhalten werden.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispi'el zwei Strömungsabweiser dargestellt sind, versteht es sich von selbst, daß auch nur ein einziger Strömungsabweiser oder eine Vielzahl von Strömungabweisern vorgesehen sein können, in Abhängigkeit von dem Massenstrom, den räumlichen Gegebenheiten usw. Auch kann die Anzahl der Führungsrippen unterschiedlich sein.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die gezeigte Art des Überlaufbegrenzers oder der dargestellten Gassperre beschränkt. Ferner könnte ein zusätzlicher Vorseparator vorgesehen sein.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Gas-Flüssigkeitsseparator, gekennzeichnet durch ein längliches und im wesentlichen senkrecht angeordnetes Zylindergehäuse mit einem oberen Gasauslaß und einem unteren Flüssigkeitsablauf, einem Einlaßkanal, der ein Gas-Flüssigkeitsgemisch nach oben in das Zylindergehäuse leitet, mit wenigstens einem in diesem Zylindergehäuse angeordneten Strömungsabweiser, wobei jeder dieser Strömungsabweiser einen Zulauf besitzt, der mit dem Einlaßkanal in Verbindung steht, mit einem gekrümmten Übergangsteil zur stoßfreien Umlenkung des Strömungsverlaufes des Gemisches von einer im wesentlichen senkrechten Richtung in eine gegen die Innenwände des Zylindergehäuses weisende Richtung und um eine sich im wesentlichen senkrecht erstreckende Achse, wobei jeder der Strömungsabweiser

derart

in einen nach oben gerichteten Auslauf endet/ daß das Gemisch in schichtförmigem Zustand heraustritt, und wobei jeder Strömungsabweiser durch eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Unterteilungsrippen in eine Vielzahl von Kanälen unterteilt ist, die im wesentlichen senkrecht zueinander am Auslaß angeordnet sind.

2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungsabweiser senkrecht zur Strömungsrichtung einen im wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.

3. Separator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungabweiser einen rechteckigen Auslaß besitzt, dessen Außenseiten über die oberen und unteren Kanten des Strömungsabweisers hinausragen.

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k. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennsseic hn e t, daß die die Strömung leitenden Unterteilungsrippen schräg verlaufent wobei die radial außen liegenden Ränder höher als die radial nach innen weisenden Ränder angeordnet sind.

5« Separator ι insbesondere nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß in dem Zylindergehäuse oberhalb des Strömungsabweisers ein Flüssigkeitsüberlaufbegrenzer vorgesehen ist, der mehrere sich in Umfangsrichtung überlappende Blätter aufweist, die derart geneigt sind, daß die Zirkularströmung eines Gases in dem Zylindergehäuse gegenüber der von den Strömungsableitern induzierten umgekehrt wird.

6. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strönmnjpabweiser mit rechteckigen, aneinander angrenzenden Zuläufen vorgesehen sind, die zusammen ein quadratisches Profil bilden, in welches der Gemischeinlaßkanal mittels eines in seinem oberen Bereich ebenfalls quadratischen Verbindungsstückes einmündet .

7. Separator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator zur Trennung eines Gas- Flüssigkeit sgemisches verwendet wird.

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