DE2420792A1

DE2420792A1 - Verfahren und vorrichtung zum behandeln von gas, insbesondere mittels einer eingespruehten fluessigkeit

Info

Publication number: DE2420792A1
Application number: DE19742420792
Authority: DE
Inventors: Bernard J Lerner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1974-04-29
Publication date: 1974-11-21
Also published as: FR2227894A1; JPS5015171A; AU6797974A; CA1043694A; FR2227894B1; GB1454846A

Description

PATENTANWÄLTE 9 Λ ? Π 7 Q ?

DlpWng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK D!pl.-Ing. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURT AM MAIN

TELEFON C0611J

287014 GB. ESCHENHEIMER STRASSE 39

26. April 1974 Da/Kt

Bernard J. Lerner
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Gas,, insbesondere mittels einer eingesprühten Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas, und zwar insbesondere zur Erzielung eines hohen Maßes an Kontakt zwischen dem Gas und einer eingesprühten Flüssigkeit.

Seit langem werden Vorrichtungen für den Kontakt zwischen einem Gas und eingesprühter Flüssigkeit, bei denen das Gas in einer kontinuierlich strömenden Phase mit einer dispergierten Flüssigkeitsphase oder einem von einer Düse geformten bzw. vorgeformten Sprühnebel in Berührung gebracht wird, für die Gaswäsche verwendet, um Staub zu beseitigen oder zu absorbieren in Fällen, wo nur geringer Druckabfall des Gases oder geringer Energieverlust auftreten darf. Eine gemeinsame Eigenschaft der mit vorgeformtem Sprühnebel und geringem Energieverlust arbeitenden Naßreiniger ist Jedoch ihre relativ geringe Kontaktwirksamkeit gegenüber anderen Gas mit Flüssigkeit in Kontakt bringenden Vorrichtungen, wie Füllkörpersäulen. Die Nachteile von Sprühvorrichtungen beruhen auf der kurzen Kontaktzeit der Flüssigkeitstropfen mit der Gasströmung.

A09847/0861

2A20792

Die Verweilzeit der Sprühflüssigkeit im strömenden Gas ist auf die kurze "Flugzeit" zwischen dem Verlassen der Sprühdüsen und dem Auftreffen auf die Oberflächen der Gefäßwände begrenzt. Eine Vergrößerung der Gefäße zum Kompensieren dieser kurzen Kontaktzeit ergibt unwirtschaftliche Kosten für das Gefäß ohne wesentliche Verbesserung der Wirkung. Zum Beispiel beschreibt P. Kalika in "Chemical Engineering" Band 76 Nr. 16, Seite 133-138, vom 28. Juli 1969 eine Verdampfungswirksamkeit von nur 60% für einen großen handelsüblichen Kontaktapparat zum Kühlen heißer Veraschungs-Abgase.

Verschiedene Verfahren zum Verbessern des Sprüh/Gas-Kontaktes sind schon vorgeschlagen und in kommerziellem Maßstab verwendet worden, jedoch entweder mit keinem merklichem Erfolg oderunter hohen Energieverlusten. Zentrifugal- oder Zyklonsprühvorrichtungen, bei denen das Gas tangential in ein zylindrisches Gefäß eingeführt wird und der Sprühstrahl axial, wie beim Pease-Anthony-Naßreiniger, dienen der Verlängerung der Kontaktzeit mittels einer gebogenen Bahn für den Weg der Flüssigkeitstropfen, wodurch die Verweilzeit der Flüssigkeit in dem Gas verlängert wird. Wegen der notwendigerweise hohen Zentrifugalwirkung des Gases in einem solchen Zyklongerät ergeben jedoch die den Flüssigkeitströpfchen aufgezwungenen Zentrifugalkräfte eine Verkürzung der Verweilzeit, die theoretisch erreichbar wäre, wenn die Tröpfchen sich mit der Geschwindigkeit des Gases mit diesem bewegten. Infolgedessen leiden diese Gas/Flüssigkeits-Kontaktvorrichtungen an geringer durchschnittlicher räumlicher Konzentration der Flüssigkeitstropfen, wobei die einzige Zone hoher Konzentration diejenige nahe der Sprühdüse ist, ein Charakteristikum, das allen üblichen Sprühsystemen gemeinsam ist. Die räumliche Konzentration der Tropfen in einem Sprühreiniger ist jedoch ein äußerst kritisches Merkmal bei Anwendungen zur Staubbeseitigung, weil eine v/irksame Beseitigung

" 409847/0861

feinerer Staubpartikeln unter 50-100 Mikron die Gelegenheit von Tröpfchen/Partikel-Kollisionen erfordert, die ihrerseits eine Funktion sowohl der räumlichen volumetrischen Verteilung der Gaspartikeln als auch der Flüssigkeitströpfchen entsprechender Größe ist. Offensichtlich ist auch eine hohe räumliche Konzentration kleinerer Tröpfchen für Anwendungen bei Wärme- und Massenübertragung wünschenswert wegen des vergrößerten aktiven Kontaktberei'chs zwischen den Phasen. Diese Art einer wünschenswert hohen Konzentration einer Dispersion kleiner Tröpfchen war bisher nur bei unter hohem Energieverlust arbeitenden Gaszerstäubervorrichtungen wie etwa dem Venturi-Naßreiniger erreichbar, wobei Gasturbulenz und Beaufschlagung verwendet wird, um einen Flüssigkeitsstrahl zu zerstäuben, indem das Gas mit sehr hohen Geschwindigkeiten durch eine sich verengende Düse bzw. Venturi-Düse geleitet und Flüssigkeit an der engsten Stelle zugeführt wird. Auch angesichts erheblichen in die Entwicklung gesteckten Aufwandes bleibt der Venturi-Typ von Naßreinigern ein Beispiel für die unkontrollierte und verschwenderische Verwendung turbulenter Energieströmung zum Erzielen eines wirksamen Gas/Flüssigkeits- oder Staub/Flüssigkeitskontakts mit Betriebsverlusten an Gasenergie zwischen 30 und 60 Zoll (75 und 150 cm) Wassersäule.

Zu vorbekannten Vorrichtungen mit Versuchen, optimalen Sprüh/Gaskontakt bei niedrigen Energieniveaus zu erreichen, gehören die US-PS 3 527 026 und 3 594 980.

Hauptaufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein sehr hoher Grad an wirksamem Gas/Flüssigkeitskontakt bei geringem Gasdruckabfall erreichbar ist, indem hohe räumliche Konzentrationen der dispergierten Flüssigkeitströpfchen in mindestens einem

A098A7/0861

quer, zirkulierenden Gaswirbel aufgefangen werden.

Weiter bezweckt die Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um optimalen Kontakt mit gesteuertem und minimalem Aufwand an Gas- und Flüssigkeitsströmungsenergie zu erreichen, wobei der Verbrauch an GasStrömungsenergie Gasströmungsdruckverlusten von weniger als 10 Zoll (25 cm) Wassersäule entspricht.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Behandlung eines Gases geschaffen, bei dem unbehandeltes Gas in einen Behälter eingeleitet und darin mindestens ein Toroidwirbel bzw. Ringwirbel von dem Gas gebildet wird. Eine Flüssigkeit in vorgeformter Tröpfchengestalt wird in den Wirbel eingeführt, und das Gas wird innerhalb des Wirbels mit dieser Flüssigkeit behandelt. Danach wird das Gas von der Flüssigkeit getrennt und aus dem Behälter abgezogen.

Weiter schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Behandeln eines Gases, die einen Behälter mit offenem Oberteil und einer eine Gaseinlaßöffnung enthaltenden Bodenwand aufweist. Eine Prallplatte ist innerhalb des Gefäßes oberhalb des Einlasses in Abstand von diesem so angeordnet, daß sich ein Spalt zwischen beiden ergibt. Die Prallplatte ist von geringerer Dimension als die Innendimensionen des Behälters, und ein in Umfangrichtung verlaufender Zwischenraum wird zwischen der Prallplatte und der Behälterwand gebildet. Sprühdüsen sind oberhalb der Prallplatte vorgesehen und so angeordnet, daß sie Flüssigkeit in Tropfengestalt in einen Gaswirbel einführen, der über der Prallplatte gebildet wird.

409847/0861

Gemäß der Erfindung wird Flüssigkeit in Sprühform in einen oder auch mehrere Bereiche induzierter Gaszirkulation bzw. Gaswirbel, die durch Prallplatten im Wege eines beschleunigten begrenzten Gasstromes angeordnet sind, injiziert und darin gefangen. Wenn eine Prallplatte, die von einem Viertel bis etwa ein Halb des Bereichs der Gasströmung einnimmt, quer zur Gasströmung in den Behälter eingesetzt wird ,und der Gasstrom durch Drosselung in einem verengten Strömungsbereich, kleiner als der Bereich der Prallplatte, vor dem Auftreffen auf die Prallplatte beschleunigt wird, so wird ein primärer stabiler Wirbel stromabwärts hinter der Prallplatte gebildet, wo die Gasgeschwindigkeit eine minimale Geschwindigkeit überschreitet. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Prallplatte etwa die Hälfte des Durchmessers des Behälters, so daß der von der Prallplatte eingenommene Bereich etwa ein Viertel des gesamten GasStrömungsbereichs bzw. -querschnitts einnimmt. Der begrenzte Strömungsbereich der Gaseinlaßleitung ist jedoch kleiner als der Bereich der Prallplatte und vorzugsweise kleiner als 90% dieses Bereichs. Wenn ein Sprühstrahl der Flüssigkeit von hinreichend geringer mittlerer Tropfengröße, z.B. ein vorgeformter Sprühstrahl, mit einem kritischen Minimalwert in den Wirbel injiziert wird, ergibt sich eine Zone eingefangener Sprühflüssigkeit von äußerst hohem Flüssigkeitsgehalt und hohem Wirkungsgrad an Gas/Flüssigkeitskontakt. Der kritische Minimalwert der Sprühinjektionsrate ist derart, daß in den Wirbel eine Anzahl einfangbarer Tropfengrößen eingeführt wird, die derjenigen gleich ist, die kontinuierlich durch Agglomeration, Zentrifugalbewegung und Kollision mit der Prallplattenfläche entfernt wird. Unterhalb dieser kritischen Injektionsrate bleibt das Auffangen der Flüssigkeit nominal und der Kontaktwirkungsgrad gering, während oberhalb dieses Minimums das Auffangen der Flüssigkeit abrupt auf. 25-50$ des Flüssigkeitsvolumens ansteigt mit sehr intensivem Gas-Flüssigkeitskontakt.

A09847/0861

Wenn die auf den Gasstrom einwirkende Bros sei stelle an der Prallplatte derart ist, daß ein ringförmiger Abschnitt zwischen der Außenseite der Drossel und dem Behälter gebildet wird, entsteht ein sekundärer oder reflektierter Ringwirbel In diesem Abschnitt stromaufwärts von der Prallplatte, und wenn Flüssigkeit in diesen Bereich eingesprüht wird, kann ein zweiter B.ereich mit eingefangener Sprühflüssigkeit und ähnlichen Eigenschaften erhalten werden₀

Verfahren und Vorrichtung nach der"Erfindung sind geeignet zum Gaswaschen, für Staubentfernung_s Gasabsorption, Massenübertragungsmaßnahmen allgemein u.dgl_o Das gesteuerte Einfangen und Zurückhalten kleiner Flüssigkeitstropfen In einem oder mehreren induzierten, geschlossenen Gaszirkulationszonen' bzw. -wirbeln ergibt Bereiche extrem höhere dynamischer Flüssigkeitsaufnahme bzw, -Zurückhaltung -im Gas und infolgedessen einen ungewöhnlich wirksamen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas bei geringem Verlust an Gasenergie. Der hohe Grad an Aufnahme dynamischer Flüssigkeltsteilchen im Gas wird durch die Injektionsrate an Sprühflüssigkeit in die Zonen und durch die Größe der in die Wirbel Injizierten Flüssigkeitstropfen gesteuert.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Zielen ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gasreinigen; und

Fig. 2 schematisch, gleichfalls Im Schnitt, eine Reihenanordnung durch Abteile getrennter Vielfach-Prallplatten, die als einstufige oder mehrstufige Kontakteinheiten verwendet werden können,

" 409847/0861

In der Zeichnung ist die Vorrichtung zum Behandeln oder Reinigen von Gas allgemein mit 10 bezeichnet und weist einen zylindrischen Behälter 12 mit einer Bodenwand 14 und. darin einer zentralen Öffnung 16 auf. Ein zylindrischer Gaseinlaßstutzen 18 erstreckt sich durch die Öffnung 16 hindurch aufwärts in den Innenraum 20 des Behälters 12. Der Stutzen hat einen Strömungsquerschnitt bzw. -bereich, der weniger als die Hälfte des Strömungsquerschnitts des Behälters 12 ausmacht. Stattdessen könnte der Gaseinlaßstutzen auch nach oben sich verjüngende Form haben, ausgehend von dem Querschnitt des Hauptbehälters 12 zu einem Querschnitt, der weniger als etwa die Hälfte des Behälterquerschnitts beträgt. Der ringförmige Bereich zwischen der zylindrischen Wand des Behälters 12 und dem Einlaßstutzen 18 kann als Reservoir 22 für die Dränage von Flüssigkeit verwendet werden, bevor diese durch eine Auslaßleitung 24 abgezogen wird.

Eine Prallplatte 26, vorzugsweise von konischer Gestalt, ist oberhalb des Auslaßendes 28 des Stutzens 18 innerhalb des Behälters 12 angeordnet. Die Prallplatte 26 befindet sich in vorbestimmtem Abstand oberhalb des Stutzenendes 28 und bildet mit diesem einen Spalt 30 zum Ablenken des durch den Stutzen 18 aufwärts in den Innenraum 20 des Behälters strömenden Gases. Die Prallplatte 26 ist axial innerhalb des Behälters 12 angeordnet und hat eine Querdimension, die kleiner als der Durchmesser des Behälters 12, aber größer als der Endteil 28 des Stutzens ist, und bildet einen Ringspalt 32 zwischen der konischen Prallplatte 26 und der Wand des Behälters 12.

Eine Sprühdüse 34 ist leicht unterhalb des oberen Endes 28 des Stutzens 18 angeordnet und über eine Leitung 36 an eine Quelle für die einzusprühende Flüssigkeit, wie etwa Wasser od.dgl., angeschlossen. Die Sprühdüse 34 ist vorzugsweise

409847/0861

eine Düse, die einen vorgeformten Sprühstrahl in einer sich ungefähr über 180° erstreckenden Gestalt aufweist. Zusätzliche Sprühdüsen 38 sind innerhalb des Behälters 12 oberhalb der Prallplatte 26 in einer Gegend angebracht, wo sich mindestens ein Wirbel befindet, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr Wirbel, und die Düsen 38 sind über eine Leitung 40 vorzugsweise an die gleiche Flüssigkeitsquelle angeschlossen. Im oberen offenen Ende 42 des Behälters 12 befindet sich ein Dunstaufnahmekissen 44, um feuchtes Agglomerat aufzunehmen, bevor angefeuchtete Teilchen den Behälter 12 verlassen. Anstelle des Kissens 44 kann auch ein Dunstauffangbett verwendet werden, das eine Packung von der Art enthält, wie es in US-PS 3 410 057 beschrieben ist, und mit Sprühdüsen versehen sein kann, um das Auffangbett zu spülen und von angesammeltem Material freizuhalten. Stattdessen können auch andere Arten von Dunstbeseitigungseinrichtungen verwendet werden.

Das schmutzige oder unbehandelte Gas tritt in den Behälter 12 durch den Einlaßstutzen 18 ein, wie durch Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist, und wird durch den vorgeformten Sprühstrahl von der Düse 34 befeuchtet. Das schmutzige Gas beaufschlagt die Unterseite der Prallplatte 26 und strömt dann seitlich durch den Spalt 30 zwischen dem oberen Ende des Stutzens 18 und der Unterseite der Prallplatte 26. Ein Teil des schmutzigen, unbehandelten Gases fließt dann aufwärts durch den Ringspalt 32 zwischen der Außenkante der Prallplatte und der Wand des Behälters 12. Wenn die Gasgeschwindigkeiten durch das Auslaßende 28 des Einlaßstutzens 18, den Spalt 30 und den Ringspalt 32 im Bereich von etwa 75-600 m/min (250-2000 Fuß/min) liegen und vorzugsweise im Bereich von etwa 150-450 m/min (500-1500 Fuß/min), werden zwei Gruppen stabiler Gaswirbel gebildet. Ein primärer •Wirbel 46 entsteht stromabwärts hinter der Prallplatte 26

409847/0861

und ein sekundärer Wirbel 48 in einer Gegend unterhalb des Auslaßendes 28 des Stutzens 18. Der sekundäre Wirbel 48 umgibt die Außenwand des Stutzens 18. Beide, nämlich der primäre Wirbel 46 und der sekundäre Wirbel 48, haben Toroidgestalt und sind in dem angegebenen Bereich von Gasgeschwindigkeiten stabile oder stehende Wirbel, die in entgegengesetzten Richtungen rotieren, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Das Gas erreicht und verläßt kontinuierlich den primären Wirbel 46 und den sekundären Wirbel 48 und fließt aufwärts durch den Behälter 12 und das Dunstkissen 44, von wo es an die Atmosphäre abgegeben wird.

Um die neuartige, durch Wirbel aufgefangene und zurückgehaltene Verteilung dispergierter Flüssigkeit zu erhalten, wird die Sprühflüssigkeit in die Wirbel 46 und 48 über die Sprühdüsen 34 und 38 injiziert. Vorzugsweise wird die Sprühflüssigkeit in die Wirbel entweder quer oder mit der Richtung der Gasströmung an der Injektionsstelle gleichlaufend injiziert, damit die Stabilität der Wirbel nicht gestört wird. Die Flüssigkeitströpfchen, die klein genug sind und kein ausreichendes Moment (oder Fluchtgeschwindigkeiten) aufweisen, um den Wirbel zu verlassen, werden im Wirbel eingefangen und zirkulieren mit dem Gas in dem geschlossenen Ring des toroidalen Zirkulationsmusters. Weil jedoch die Gasströmung im Wirbel turbulent ist und weil ein gewisser Größenbereich von Tröpfchen vorhanden ist mit entsprechend unterschiedlichen Geschwindigkeiten, ist ständig ein Mechanismus von Tröpfchenkollisionen und Verschmelzungen wirksam, der ein Wachstum der Tröpfchen zu Größenordnungen bewirkt, denen ein ausreichendes Moment eigen ist, um dem Gaswirbel zu entfliehen.

409847/0861

Wegen dieser kontinuierlichen Tröpfchenabgabe aus dem Wirbel wird die optimale hohe Raumdichte an im Wirbel zurückgehaltener Flüssigkeit und Konzentration gemäß der Erfindung nur dann erreicht, wenn die Rate der Tröpfcheninjektion in den Wirbel der Austrittsrate gleich ist oder größer als diese. Der Punkt, an dem die Rate der Tröpfcheninjektion gleich der Abgaberate ist, wird als kritischer Minimalwert der Flüssigkeitsrate oder des Düsendrucks bezeichnet, und diese kritische FlUssigkeitsrate bzw. Sprührate ist eine Funktion der Gasgeschwindigkeit in dem Wirbel, der Gasdichte, des Wirbeldurchmessers und der Größenverteilung der durch den vorgeformten Sprühstrahl von den Düsen 34 und 38 injizierten Tröpfchen, die ihrerseits wieder eine Funktion des Flüssigkeitsdrucks an der verwendeten Düse ist. Höhere Sprühdüsendrücke sind im allgemeinen vorteilhaft, weil sie geringere Tröpfchengrößen ergeben, die sich besser zum Einfangen durch die Gaswirbel eignen und, für eine gegebene Sprühdüse, ergeben höhere Düsendrucke höhere Flüssigkeitssprühraten, so daß die kritische Minimumrate auch einem kritischen Düsendruck entspricht. Wegen der sehr unterschiedlichen Sprühdüsentypen und -größen und im Hinblick auf die Tatsache, daß vorteilhaft mehr als eine Sprühdüse für die Injektion verwendet wird, ist es nicht möglich, einen generellen Bereich kritischer Mindestsprühraten oder Düsendrücke anzugeben, vielmehr ist es erforderlich, die geeigneten Werte der Sprührate und Düsendrücke durch voraufgehende Laboratoriumsversuche oder Piloteinheiten zu bestimmen. Es ist zweckmäßig, solche Versuche in durchsichtigen Geräten oder solchen mit einem Sichtfenster für visuelle Beobachtung auszuführen, weil die optische Erscheinung des primären Wirbels eine abrupte Änderung erfährt, wenn der kritische Wert der minimalen Sprührate und/oder des Drucks erreicht ist, weil dann infolge der Anhäufung eingefangener Flüssigkeitströpfchen der Wirbel trübe und undurchsichtig wird. Eine Beobachtung des primären Wirbels im Betriebsbereich mit hohem Anteil an

409847/0861

aufgefangener Flüssigkeit zeigt, daß der Wirbel, von oben gesehen, langsam im Uhrzeigersinn präzediert und Ströme verschmolzener größerer Tropfen in dem Bereich abgibt, wo der stehende Wirbel sich leicht von der Prallplatte abhebt,

Es konnte festgestellt werden,'daß eine ringförmige verengte Zone bzw, Vena oontracta stromabwärts von der Prallplatte sich bildet, und für eine optimale Auffangung von Flüssigkeit sollte vorzugsweise die Sprühflüssigkeit nicht in diesen verengten Bereich injiziert werden. Ein gegen den allgemeinen Bereich des Unterdrucks dieser Vena contracta gerichteter Sprühstrahl wird in den Wandbereich hoher Geschwindigkeit und dann weiter unmittelbar aufwärts entlang der Wände oder gegen die Wände gerichtet. Wenn die Wand sich aufwärts über die Prallplatte wenigstens einen, vorzugsweise jedoch zwei Wirbeldurchmesser erstreckt, wird ein Teil dieser angesaugten Flüssigkeit in der Wirbelschleppe rückzirkuliert. Dieser Teil besteht jedoch primär aus relativ großen Tröpfchen, die durch Verschmelzung in der Vena contracta bei der anfänglichen Ansaugung des feinen Sprühnebels in diesem Bereich gebildet wurden. Wie bereits erwähnt, wird Flüssigkeit in Form sehr kleiner Tröpfchen zum Auffangen im Wirbelmuster bevorzugt und kann nicht stattfinden, wenn die Flüssigkeitsinjektion in den Bereich der Vena contracta erfolgt. Es wurde gefunden, daß beim Injizieren der Sprühflüssigkeit in einen Bereich außerhalb der Vena contracta, vorzugsweise ein oder zwei Wirbeldurchmesser oberhalb der Prallplatte, eine hohe Dichte aufgefangener Flüssigkeit in der Wirbelzone erreicht wird. Wenn ein Sprühstrahl an einer Stelle in genügender Entfernung von der Prallplatte, um ein Ansaugen eines Großteils des Strahls in die Vena contracta des stromaufwärts von der Prallplatte gebildeten ringförmigen Venturi-Halses zu vermeiden, in den Wirbel injiziert wird, kann angenommen, werden, daß der einzige Weg, über den die Flüssigkeit den zirkulie-

409847/0861

renden Kreis verlassen kann, der Weg abwärts über die Prallplatte ist. Über die Wand der Prallplatte abrinnende Flüssigkeit neigt dazu, im wandnahen Abschnitt der Vena contracta aufgenommen und wieder als Sprühflüssigkeit zurückgeführt zu werden. Der Anteil der solchermaßen aufgenommenen und erneut als Sprühmittel zirkulierenden Flüssigkeit wächst an, bis ein Gleichgewichtszustand zwischen der Sprüheingabe und der wandabwärts die Vena contracta verlassenden Flüssigkeit erreicht ist. Wenn die Sprühdüsen 38 zwei oder mehr Durchmesser des primären Wirbels oberhalb der Prallplatte 26 angeordnet sind, werden zwei oder mehr Wirbel übereinander gebildet und steigern den Wirkungsgrad der Gasreinigungsvorrichtung entsprechend.

Wenn die gewünschten Zonen mit hohem Gehalt an aufgefangener Flüssigkeit in den stehenden Gaswirbel geschaffen wurden, wird das durch den Stutzen 18 eintretende schmutzige Gas durch die Prallplatte 26 abgelenkt, und ein Teil von diesem Gas tritt in den reflektierten bzw. sekundären Wirbel 48 ein, während der größere Teil durch den Ringspalt 32 strömt und in den primären Wirbel 46 eintritt. Wenn das Gas Partikeln enthält, werden die kleineren Partikelgrößen, deren Moment unzureichend ist, um der Wirbelströmung im primären oder sekundären Wirbel 46 bzw. 48 zu entkommen, von der in geschlossenem Kreislauf zirkulierenden Wirbelströmung eingefangen. Auf diese Weise gibt das Gas vorzugsweise die Verunreinigungen von geringerer Größe an die Wirbel ab, während die größeren Partikeln ausgeworfen werden gegen die Wand des Behälters 12 oder die Oberfläche der Prallplatte 26, infolge des gewundenen Weges der Gasströmung um die Prallplatte herum sowie der Rotation der Wirbel. Die kleineren Partikeln dagegen, deren geringeres Moment ihnen nicht gestattet, der Gasströmung zu entkommen, und die im allgemeinen für übliche .Naßreiniger den am schwierigsten zu beseitigenden Teil der Verunreinigungen darstellen, werden für lange Verweilzeit in

4098A7/0861

einer Zone eingefangen, in der sie einer hohen räumlichen Dichte gleichfalls eingefangener Flüssigkeitströpfchen ausgesetzt werden und mit diesen kollidieren bzw. zusammenstoßen. Die angefeuchtetes Partikelmaterial enthaltenden Flüssigkeitströpfchen kollidieren mit weiteren Flüssigkeitströpfchen, mit denen sie verschmelzen und sich dadurch vergrößern, bis die vergrößerten Tröpfchen ein ausreichendes Moment erreichen, um den Zirkulationsweg im Wirbel zu verlassen, und gegen die Wände des Behälters geschleudert werden, wo die Flüssigkeit mit dem angefeuchteten Partikelmaterial in das Reservoir 22 abfließt und von dort über die Dränageleitung 24 aus dem Behälter 12 abgezogen werden kann.

In Fällen der Gasabsorption oder Wärmeübertragung, insbesondere wo lange Verweilzeiten erforderlich sind, um weitgehende Annäherung an den Gleichgewichtszustand entweder der Massenübertragung oder der Wärmeübertragung zu erreichen, ergibt die Zurückhaltung der eingefangenen Sprühflüssigkeit in den Wirbeln einen hohen Kontaktwirkungsgrad. Ein charakteristischer Faktor, der zu dem hohen Wirkungsgrad der Übertragung beiträgt, insbesondere in Fällen, wo der Hauptwiderstand gegen die Übertragung in der flüssigen Phase liegt, ist die dynamische Tröpfchenkollision und das Größenwachstum, das in den Wirbelzonen mit hohem Flüssigkeitsgehalt auftritt, wenn einmal die kritische Minimumrate an Flüssigkeit oder Druck überschritten ist. Weil sich auf kleinen Tröpfchen stagnierende äußere Flüssigkeitsfilme bilden und diese Filme dazu neigen, den Gleichgewichts- bzw. Sättigungszustand mit einer löslichen Komponente der Gasströmung oder der äußeren Temperatur zu erreichen, ist es bekannt, daß bei einem üblichen Naßreiniger die meiste Wärme- oder Massenübertragung im Bereich der Sprühdüse auftritt, wo laufend frische äußere Oberflächen geschaffen werden, wie dies von Pigford und PyIe in "Industrial and

4 0 9847/0861

Engineering Chemistry¹¹ Band 43, Seite 1649-1662 (1951), gezeigt wurde. Um die Massen- bzw. Wärmeübertragung zu verbessern, ist es erforderlich, die gesättigten äußeren Fltissigkeitsfilme auf den Flüssigkeitströpfchen mit dem

ungesättigten Kern der Tröpfchen zu vermlsche_n. Gemäß der

Erfindung wird dies durch die hohe intensität des Kollisionsvorganges in den Wirbelzonen der Strömung erreicht, wo auf diese Weise kontinuierlich frische, gemischte, ungesättigte bzw. nicht im Gleichgewicht befindliche Tröpfchenoberflächen geschaffen werden und solchermaßen eine ungewöhnlich hohe Rate an Wärme- bzw. Massenübertragung erreicht wird.

Aufgrund der Kollisionsvorgänge hält die Zone eingefangener Sprühflüssigkeit in den Wirbeln sich selbst im Gleichgewicht. Bei einer zu hohen Rate an Tröpfcheninjektion gegenüber der dem bestehenden Gleichgewicht entsprechenden Abgabe von Tröpfchen steigt die Tröpfchenkonzentration je Volumeneinheit des Wirbels an und damit auch die Kollisionsrate, die von der volumetrischen Konzentration der Tröpfchen abhängt, wodurch eine größere Zahl von Tröpfchen mit ausreichendem Moment, um dem Wirbel zu entkommen, entsteht und sich eine neue Gleichgewichtslage für die Tröpfchenkonzentration einstellt. Solche höhere dynamische Gleichgewichtslagen von Tröpfchenzugabe und -abgabe können für bestimmte Anwendungen bei der Wärme- und Massenübertragung von Vorteil sein, angesichts des Ausmaßes, in dem solche Anwendungen bei konventionellen Sprühreinigern der Ratensteuerung durch den Übertragungswiderstand des stagnierenden äußeren Films auf den Flüssigkeitströpfchen unterlagen. Die Erfindung gestattet ein Arbeiten unter Bedingungen, bei denen der Widerstand des äußeren Tröpfchen-' films lediglich durch Änderung der Injektionsrate von Sprühflüssigkeit auf ein Minimum gebracht werden kann in Verbindung mit den Maßnahmen zum Erzielen stabiler Gaswirbel.

409847/0861

2A2Ü792

Die Vielseitigkeit bzw. Anpassungsfähigkeit der vor- stehend beschriebenen Vorrichtung zua Behandeln von Gas ergibt sich aus Fig. 2, wo eine Mehrzahl von Gasreinigungsvorrichtungen der oben beschriebenen Art zu einem Aggregat vereinigt ist, dessen einzelne Einheiten so gestaltet sind, daß sie das gesamte Aggregat einschließen. Nach Wunsch können die Einheiten und/oder Aggregate so übereinander angeordnet werden, daß sich ein mehrstufiges Verfahren ergibt. Die oben beschriebene Vorrichtung zum Gasreinigen ist von zylindrischer Gestalt. Es ist aber natürlich auch möglich, Jede andere geeignete Gestalt zu wählen, wie z.B. eine rechteckige.

In Fig. 2 hat das allgemein mit 50 bezeichnete Aggregat eine Mehrzahl von Gasreinigungseinheiten 52, 54, 56, 58, und 62« Das Aggregat 50 hat eine Außenwand 64, die zugleich eine der Wände für die Einheiten 52 und 62 bildet. Eine gemeinsame Wand 66 trennt die Einheiten 52 und 54. Falls weiterhin eine Reihe von Einheiten hinter der Einheit 52 vorgesehen ist, kann eine gemeinsame Rückwand für benachbarte Einheiten dienen. Das zu reinigende Gas wird über Leitungen 68 allen Einheiten 52 bis 62 zugeführt und dem oben beschriebenen Reinigungsvorgang unterworfen. Wirbel werden in den Einheiten 52 bis 62 gebildet, und Sprühdüsen 72 führen den Wirbeln 70 Flüssigkeit in feiner Tröpfchenform zu, wie dies oben beschrieben wurde. Eine Hauptleitung 74 dient der Versorgung der einzelnen Sprühdüsen 72. Oberhalb der Einheiten 52 bis 62 befindet sich eine Einrichtung 76 zur Dunstbeseitigung, ähnlich dem vorher beschriebenen Dunstkissen 44. Sprühdüsen 78 und 80 sind vorgesehen, um die Einrichtung 76 für den Dunst kontinuierlich zu waschen und zu reinigen. Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die oben beschriebene Vorrichtung zum Gasreinigen in einer Anzahl von Gasreinigungsvorgängen verwendet werden kann.

409847/0861

-16- 242Ü792

Zahlreiche Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung dem Fachmann möglich. Zum Beispiel kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, längere. Gaskontaktzeiten vorzusehen oder durch mehrstufige Kontakteinheiten eine gesteigerte Wirkung zu erzielen, wobei es sich ohne weiteres anbietet, die Kontakteinheit nach der Erfindung für mehrstufige Gasbehandlung in Reihe zu verwenden, entweder vertikal innerhalb eines Behälters oder innerhalb mehrerer getrennter Behälter. Auch können rechteckige Behälter unter Verwendung nur einer Prallplatte benutzt werden oder eine Reihe in getrennten Abteilen untergebrachter Prallplatten, um eine Reihe bzw. einen Bereich von Gasströmungen zu behandeln. Auch andere Variationen und Abwandlungen sind möglich. Die weiter oben erwähnten Bereiche von Gasgeschwindigkeiten entsprechen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Anwendung auf Gase, wie Luft oder Dampf, aber die Erfindung kann in hierfür geeigneten Fällen auch außerhalb dieser Bereiche durchgeführt werden.

Ein Beispiel einer industriellen Anwendung der Erfindung ist nachstehend beschrieben.

BEISPIEL

Eine gewerbliche Nährmittelverarbeitungsanlage gab intermittierend Essigdämpfe und Gewürzgerüche von vier Kesseln mit 750 Gallonen (etwa 34 hl) Inhalt ab₅ in denen Würz-EUtaten zubereitet wurden. Die für diese Emission und das Luftverschmutzungsproblem verantwortliche Verfahrensstufe war ein rasches Kochen der Kesselinhalte für eine Zeitspanne von 5-15 Minuten, und während dieser Zeitspanne wurden ^e Minute ©twa 300 englische Pfund (135 kg) Dampf von 220⁰F (104⁰C) ummittelbar in die Atmosphäre ausgestoBen. Dieser Dampf enthielt beträchtliche Anteile an Essig und 'Gewürzölen, und der Bereich um das Kesselgebäude und die gesamte Anlage

409847/0861

-17- 242Ü792

hatte nicht nur einen widerwärtig beißenden Geruch, sondern unter gewissen windstillen klimatischen Bedinyngen war die Konzentration des Essigs so hoch, daß die Luft nicht mehr zu atmen war. Eine Testeinheit gemäß der Erfindung mit einem Hauptbehälter von 42 Zoll (106 cm) Durchmesser wurde anfänglich auf einem der Kesselschornsteine installiert, .wobei der Behälter einen sich an seinem Auslaß auf 20 Zoll (etwa 50 cm) Durchmesser verjüngenden Gaseinlaßstutzen enthielt, ,weiter eine konische Prallplatte von 26 Zoll (etwa 66 cm) Durchmesser und einem Kegelwinkel von 15° in einem Abstand von 10 Zoll (25 cm) oberhalb des Gaseinlaßstutzens und Injektionsdüsen für Sprühmittel in einer Anordnung, daß vier dieser Sprühdüsen unmittelbar auf der Prallplatte nach oben gerichtet angebracht waren. Als Sprühdüsen wurden Teflon-Düsen der Bete Fog Nozzle Company, Type TF14FCN verwendet, wie sie in US-Patent 2 612 407 beschrieben sind, mit einem 90°-Vollkonus-SprÜhwinkel und einem öffnungs- bzw. Auslaßdurchmesser von 7/32 Zoll (5,5 mm). Tests mit dieser Einheit zeigten, daß mit dieser Düsengröße Sprühinjektionsraten. von 8,1 Gallon . (37 1) Wasser von 60⁰F (15°C) je Minute und je Düse bei einem Düsendruck von 40 psig (2,8 kg/cm Überdruck) den hohen Flüssigkeitsgehalt der Wirbelzone aufgrund visueller Inspektion ergaben mit gleichzeitiger Wirkung einer 100%-igen Beseitigung der beißenden Essig- und Gewürzgerüche. Unterhalb dieser Kombination von Betriebsbedingungen bei 30 psig (2,1 kg/cm Überdruck) an den Sprühdüsen entsprechend einer Injektionsrate von 7,1 Gallon (32 1) Wassr je Minute und Düse trat der Säuregeruch wieder auf, und die Wirbelzone mit hohem Flüssigkeitsgehalt ließ visuell eine Entleerung ihres Flüssigkeitsgehalts auf einen niedrigen Wert erkennen. Zusätzlich war bei Verwendung des höheren Düsendrucks von 40 psig bei dem vorgenannten DUsentyp festzustellen, daß die an der Dränageleitung abgezogene Flüssigkeit sich auf ihrem Siedepunkt von 212⁰F (100⁰C) befand, was einen extrem hohen

409847/0861

ie- " 242079;

Wirkungsgrad thermischen Kontakts anzeigt. Weiter zeigt die Tatsache^ daß die Dampf reinigungsanlage in der Lage war_s Essigsäure aus eines Dampf vop. 22O⁰F quantitativ zu entfernen bei einer Temperatur der Dränageflüssigkeit von 212⁰F, daß die Vorrichtung nach der Erfindung eine .höchst ungewöhnliche und einmalige Fälligkeit der Massenübertragung besitzt.

Ein Austausch der TF14FCH-Düsen gegen TF2QFCN-Büsen mit. einer Öffnung von 5/16 Zoll (etwa 3 mm) brachte unterschiedliche Charekteristiken des erfindungsgemäßen- Naßreinigers. Mit diesen größeren Sprühdüsen , die einen höheren Sprühdruck erfordern, um den gleichen Grad der Zerstäubung zu erhalten wie mit den kleineren Düsen, konnte mit Düsendrücken bis zu 50 psig (3» 5 kg/cm Überdruck) der hohe Flüssigkeitsanteil nicht erzeugt werden, der in den Wirbelzonen mit den kleineren Düsen beobachtet wurde, und der Geruch und Säuregehalt konnte aus dem aus der Naßreinigungsvorrichtung ausströmenden Dampf nicht beseitigt werden. Als daraufhin wieder die kleineren Düsen TF14FC& eingesetzt wurden, konnte wiederum hoher Flüssigkeitsgehalt der Wirbelzonen visuell beobachtet werden, und Analysen der Dränageflüssigkeit zeigten, daß die Vorrichtung wieder zu ihrer 100%-igen Wirksamkeit zurückgekehrt war, was im übrigen auch durch die von Säuregeruch freie Dampfabgabe deutlich wurde.

Eine Messung des Druckabfalls an der Naßreinigungsvorrichtung zeigte, daß der Druckverlust weniger als 2,0 Zoll (5 cm) Wassersäule betrug unter Bedingungen voller Strömung, während nach Beseitigung des Dampfauffangkissens eine zweite Messung sogar Druckverluste von weniger als 1 Zoll (2,5 cm) Wassersäule für den Prallplatte und Sprüheinrichtungen enthaltenden Abschnitt allein ergab.

409847/0861

Claims

Da/Kt ' Bernard J_n Lerner_n ~

26.4.1974 ja 2570792

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Behandlung eines Gases, wobei ein Strom des unbehandelten Gases in einer bestimmten Richtung in einen Behälter eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Behälters mindestens ein torusförmiger Wirbel (46) aus dem unbehandelten Gas gebildet wird, der im wesentlichen senkrecht zur Richtung des einströmenden Gases liegt, daß Flüssigkeit in Tröpfchenform in diesen Wirbel eingeführt und dadurch das Gas im Wirbel mit der Flüssigkeit behandelt wird, daß dann das behandelte Gas von der Flüssigkeit getrennt und aus dem Behälter abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das behandelte Gas aus dem Behälter in eine Richtung abgezogen wird, die im wesentlichen parallel zur Einströmrichtung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem einströmenden Gasstrom eine im wesentlichen senkrecht zu dieser Strömungsrichtung liegende Aufprallfläche (26) beaufschlagt wird.

ferfahren nach Anspruch 3»

dadurch gekennzeichnet, mindestens ein primärer torusförmiger Wirbel (46)

409847/0861

-^- 242U792

aus dem unbehandelten Gas oberhalb der Aufprallfläche innerhalb des Behälters gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit als vorgeformter Sprühstrahl in den oberen Teil des primären Wirbels (46) eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein sekundärer Wirbel (48) aus unbehandeltem Gas unterhalb der Aufprallfläche im Behälter gebildet wird,

Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Flüssigkeit mit dem unbehandelten Gas in dem primären Wirbel (46) zur Zirkulation gebracht und dieses unbehandelte Gas in dem Wirbel mit der Flüssigkeit behandelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprührate der in den primären Wirbel (46) eingeführten Flüssigkeit gesteuert wird, um eine vorbestimmte Konzentration von Flüssigkeit in Tropfenform in dem Wirbel aufrechtzuerhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von unbehandeltem Gas aufwärts in den

4098477086t

-*- 242U792

Behälter eingeführt, gegen eine Aufprallfläche gerichtet und innerhalb des Behälters seitlich abgelenkt wird, daß ein primärer Wirbel (46) aus mindestens einem Teil des unbehandelten Gases an einer Stelle oberhalb der Aufprallfläche gebildet und Flüssigkeit als vorgeformter Sprühstrahl in diesen^Wirbel (46) ohne Unterbrechung seiner Stabilität eingeführt wird und daß ein Teil dieser Flüssigkeit mit dem unbehandelten Gas in dem Wirbel zirkulieren gelassen und das unbehandelte Gas mit der Flüssigkeit in dem Wirbel behandelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, . daß ein sekundärer Wirbel (48) aus einem weiteren Teil des unbehandelten Gases an einer Stelle unterhalb der Aufprallfläche gebildet, Flüssigkeit in Form eines vorgeformten Sprühstrahls in diesen sekundären Wirbel ohne Störung seiner Stabilität eingeführt wird und daß. ein Teil dieser Flüssigkeit mit dem unbehandelten Gas in dem sekundären Wirbel (48) zirkulieren gelassen und das unbehandelte Gas in dem Wirbel mit der Flüssigkeit behandelt wird.

11. Vorrichtung zum Behandeln eines Gases mit einem Behälter, der eine Seitenwand, einen offenen oberen Wandteil und eine Bodenwand mit einer Einlaßöffnung für Gas aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Prallplatte (26) mit Abstand von und oberhalb der Einlaßöffnung (16) angeordnet ist und mit dieser einen Spalt (30) begrenzt, daß die Dimension der Prallplatte (26) kleiner als die innere Dimension des

409847/0861

-*- 242U792

Behälters (12) ist und zwischen der Prallplatte (26) und der Seitenwand (14) des Behälters (12) ein Ringspalt (32) gebildet ist und daß Sprühdüsen (38) oberhalb der Prallplatte (26) zum Einführen eines vorgeformten Strahls von Flüssigkeit in Tröpfchenform in einen oberhalb der Prallplatte (26) erzeugbaren Wirbel (46) aus Gas angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Einlaßstutzen (18) sich aufwärts durch die Bodenwand (14) erstreckt, der innerhalb des Behälters (12) mit Abstand von der Bodenwand (14) eine Auslaßöffnung (28) aufweist, wobei zwischen dem Stutzen (18) und der Seitenwand des Behälters (12) ein Raum gebildet wird, daß weitere Sprühdüsen zwischen dem Stutzen und der Seitenwand des Behälters angeordnet sind, über die ein vorgeformter Strahl von Flüssigkeit in Tröpfchenform in einen zweiten in dem gebildeten ringförmigen Raum erzeugbaren Wirbel (48) einführbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (12) zylindrische Gestalt hat und daß die Prallplatte (26) einen Durchmesser zwischen etwa einem Viertel und ein Halb des Innendurchmessers des Behälters (12) hat.

- Anspruch 14 -

409847/0861

- ir-

242U792

14. Vorrichtung nach Anspruch 13» ' dadurch ge k e nnzeichn et , daß der von dem Einlaßstutzen (18) eingenommene Querschnittsbereich kleiner als der von der Prallplatte (26) ist.

Patentanwalt :

409847/0861

Leerseite