DE2446089A1

DE2446089A1 - Vorrichtung zur umsetzung von gasen oder daempfen mit fluessigkeiten oder in fluessigkeiten fein verteilten stoffen

Info

Publication number: DE2446089A1
Application number: DE19742446089
Authority: DE
Inventors: Hellmuth Dipl Ing Mentschel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-26
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1976-04-08

Description

Vorrichtung zur Umsetzung von Gasen oder Dämpfen mit Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten fein verteilten Stoffen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von Gasen oder Därnpfen mit Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten fein verteilten flüssigen oder festen Stoffen, mit einer zentrisch angeordneten Rotorachse an der Laufräder befestigt sind, die je eine Deckelfläche und je eine Bodenfläche aufweisen, wobei zwischen den Deckelflächen und den Bodenflächen der Laufräder konzentrische Ringe mit innenliegenden Prallteilen und außenliegendcn Schleuderteilen angeordnet sind und wobei durch starre Trennwände zwlachen den La-ufradern Reaktionsstufen gebildet sind.
Eine derartige Vorrichtung zur Umsetzung von Gasen und Dämpfen mit Flüssigkeiten, Lösungen oder Suspensionen ist aus der I)T-OS 2 029 994 bereits bekannt. Bei dieser Vorrichtung, die im folgenden als Reaktionæzentrifuge bezeichnet wird, wird die Flüssigkeit durch die Fliehkraft von einem Schleuderteil abgelöst und auf ein Prallteil geworfen. Auf dem Weg zwischen Schleuder- und Prallteil kommen die Blüssigkeitströpfchen mit dem Gas in Kontakt, wobei an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas die Umsetzung, beispielsweise eine Absorption oder eine chemische Reaktion erfolgt.
Unmittelbar darauf wird beim Auftreffen auf das Prallteil die Oberfläche der Flüssigkeitströpfchen, die durch die erfolgte Beladung mit Gas oder Reaktionsprodukten als Sperrschicht wirken würde, zerstört. Nach der Vermischung der Plüsslgkeitströpfchen wird durch die Neubildung von Flüssigkeitsoberfläche eine erneute Umsetzung des Gases mit der Flüssigkeit ermöglicht. Durch diese als Kontaktflächenerneuerung bezeichnete Bildung und Zerstörung der Flüssigkeitströpfchen kann die Umsetzung zwischen Gas und Flüssigkeit rasch und ohne den Einfluß langsam verlaufender Diffusionsvorgänge erfolgen.
Bei der bekannten Reakionszentrifuge ist die Kontaktflächenerneuerung jedoch vom Mengendurchsatz der Flüssigkeit abhängig. Sobald der Flüssigkeitsdurchsatz einen bestimmten Wert überschreitet, lösen sich von den Schleuderteilen keine Flüssigkeitstrbpfchen mehr ab, da das tropfenförmige Abreißen in die Ausbildung eines geschlossenen Flüssigkeitsstrahls übergeht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Reaktionszentrifuge zu schaffen, bei welcher die Kontaktflächenerneuerung der Flüssigkeit unabhängig vom Mengendurchsatz der Reaktionsmedien gesichert ist.
Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für die Rotorachse ein Antrieb mit konstanter Drehzahl vorgesehen ist, daß die konzentrischen Ringe zur Bildung von Durchtrittæöffnungen alternierend mit den Deckelflächen und den Bodenflächen der Laufräder verbunden sind und daß den Schleuderteilen Drosselorgane mit definiertem Querschnitt vorgeschaltet sind.
Bei dieser Vorrichtung wird die Rotorachse mit annähernd konstanter und vom Mengendurchsatz der Reaktionsmedlen unabhängiger Drehzahl angetrieben, so daß die Flüssigkeit von einem Schleuderteil mit konstanter Fliehkraft abgelöst wird.
Die Drosselorgane bewirken eine dosierte Zuführung der Flüssigkeitsmenge und somit ein tropfenförmiges Abreißen der Flüssigkeit. Bei geeigneter Auswahl der Drehzahl der Rotorachse und der Querschnitte der Drosselorgane erfolgt eine optimale Kontaktflächenerneuerung der Flüssigkeit und hierdurch eine wesentliche Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Innerhalb einer Reaktionsstufe erfolgt der Durchfluß des Gases und der Flüssigkeit im Gleich-Ereuz-Strom, der gegenüber dem Gleichstrom der bekannten Reaktionszentrifuge eine weitere Verbsserung der Grenzflächenreaktionen zwischen Gas und Flüssigkeit und eine Verringerung der Druckverluste des Gases bewirkt. Der Gleich-Kreuz-Strom wird dadurch erzielt, daß die konzentrischen Ringe alternierend mit den Deckelflächen und den Bodenflächen der Laufräder verbunden sind.
Vorzugsweise sind die konzentrischen Ringe jeweils an den Durchtrittsöffnungen zur Rotorachse hin abgewinkelt. Hierdurch können sich an den innenliegenden Prallteilen der konzentrischen Ringe.Elsaigkeitsringe ausbilden. Durch die auf die Flüssigkeitsringe geschleuderten Flüssigkeitströpfchen werden kleinere Tröpfchen herausgespritzt und durch die Fliehkraft wieder in die Flüssigkeitsringe zurückgeführt, so daß die Kontaktflächenerneuerung erheblich verbessert wird.
Die innenliegenden Prallteile der konzentrischen Ringe bestehen vorteilhaft aus feinmaschigen Geweben. Die auftreffenden Plüssigkeitströpfchen werden dadurch zerstört und in den Geweben gehalten, so daß die Neubildung der Flüssigkeitsoberfläche gefördert wird.
Die konzentrischen Ringe bestehen vorteilhaft aus einem Buckelblech, dessen buckelförmige Erhebungen mit Löchern versehen sind. Hierbei wirken die buckelförmigen Erhebungen als Schleuderteile,während die Löcher den Flüssigkeitsdurchtritt drosseln und regulieren.
Vorteilhaft können die Schleuderteile aus den abgewinkelten Kettendrähten eines Drahtge-webes bestehen, wobei die Maschen des Drahtgewebes die Drosselorgane bilden. Die abgewinkelten Kettendrähte können eine große Anzahl von Schleuderteilen auf den konzentrischen Ringen bilden, die durch ihre borstenartige Form die Tropfenbildung begünstigen. Die Zuführung der Plüssigkeit an die abgewinkelten Kettendrähte kann über die Gewebeart und die Maschenweite des Drahtgewebes fein dosiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reaktionszentrifuge weisen die konzentrischen Ringe ringartige Drosselschlitze und eine Außenverzahnung auf, wobei der Fußkreisdurchmesser der Außenverzahnung geringer ist als der Außendurchmesser der Drosselschlitze. Die Flüssigkeit wird hierbei von der als Prallteil dienenden Innenwand der konzentrischen Ringe in die ringartigen Drosselschlitze geleitet und der in die Drosselschlitze eingreifenden Außenverzahnung in genau dosierten Mengen zugeführt. Am Kopfkreisdurchmesser der einzelnen Zähne erfolgt dann eine einwandfreie Tropfenbildung.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Reaktionszentrifuge an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es-zeigen Figur 1 einen Querschnitt einer Reaktionszentrifuge in schematischer Darstellung, Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung eines Laufrades der in Figur 1 dargestellten Reaktionszentrifuge und Figur 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen der konzentrischen Ringe.
In der schematischen Figur 1 ist mit 1 das Gehäuse der zentrischen Reaktionszentrifuge bezeichnet und mit 2 die Rotorachse.
Der Antrieb der Rotorachse 2 erfolgt mit konstanter Drehzahl durch einen Motor 3, der beispielsweise ein Scheibenläufermotor sein kann. Der Weg des Gases in-tder Reaktionszentrifuge ist mit durchgezogenen Linien angedeutet. Es tritt durch eine Öffnung 4 in das Gehäuse 1 ein und wird dann in die erste von mehreren Reaktionsstufen 5 geleitet. Der Weg zur Gehäusewand wird dem Gas durch die zylindrische Trennwand 6 versperrt, die an der Bodenfläche 7 des Laufrades 8 der untersten Reaktionsstufe 5 befestigt ist und in die Flüssigkeit eintaucht, die sich in dem als Flüssigkeitsbehälter 9 ausgebildeten unteren Teil der Reaktionszentrifuge befindet. In den einzelnen Reaktionsstufen 5 passiert das Gas im Gleich-Kreuz-Strom mit der Flüssigkeit die konzentrischen Ringe 10, die alternierend mit den Bodenflächen 7 und den Deckelflächen 11 der Laufräder 8 verbunden sind. Von einer Reaktionsstufe 5 zur anderen wird dagegen das Gas durch die starren Trennwände 12 im Gegenstrom zur Flüssigkeit geführt. Nach Verlassen der letzten Reaktionsstufe 5 tritt das Gas durch die Öffnung 13 aus. Die Flüssigkeit wird der Reaktionszentrifuge durch die Öffnung 14 zugeführt und bewegt sich, in der durch die unterbrochenen Linien angedeuteten Weise, durch die einzelnen Reaktionsstufen 5, bis es im Flüssigkeitsbehälter 9 gesammelt wird und die Reaktionszentrifuge durch die Öffnung 15 verläßt.
Figur 2 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung eines Laufrades 8 der Figur 1 die Anordnung der konzentrischen Ringe 10 zwischen einer Deckelfläche 11 und einer Bodenfläche 7. Die zylin-: drischen Innenmantelflächen 16 der konzentrischen Ringe 10 wirken hierbei als Prallteile während borstenartige Fortsätze 17 an den Außenmantelflächen die Schleuderteile bilden. Die Zuführung der Flüssigkeit zu den Schleudexteilen wird durch Bohrungen 18 in den konzentrischen Ringen 10 gedrosselt und auf derartige Mengen begrenzt, die eine einwandfreie Tropfenbildung gewährleisten. Auf dem Weg der Flüssigkeitströpfchen zwischen den borstenartigen Fortsätzen 17 und der Innenmantelfläche 16 des darauffolgenden konzentrischen Ringes 10 erfolgt die Grenzflächenreaktion zwischen Flüssigkeit und Gas. An den Innenmantelflächen 16 werden dann die einzelnen Flüssigkeitströpchen zerstört und zu zusammenhängenden Flüssigkeitsmengen 19 wiedervereinigt. Die in der Zeichnung dargestellten Flüssigkeitsmengen 19 entsprechen einem mittleren Durchsatz der Flüssigkeit, während die Flüssigkeitsmengen bei einem maximalen Durchsatz der Flüssigkeit die strichpunktierte Linie 20 angedeutet ist.
Durch die in AbhängLgkeit vom Flüssigkeitsdurchsatz verschiedene Ausbildung der Flüssigkeitsmengen 19 ergibt sich eine selbsttätige Regelung der Zufuhr zu den Schleuderteilen. Durch die auf die Flüssigkeitsmengen 19 geschleuderten Flüssigkeitströpfchen werden kleinere Tröpfchen herausgespritzt und durch die Fliehkraft wieder in die Flüssigkeitsmengen 19 zurückgeführt. Diese sekundäre Tröpfchenbildung bewirkt eine erhebliche Verbesserung der Kontaktflächenerneuerung.
In Figur 3 sind zwei konzentrische Ringe einer anderen AusSüh-; rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Als Prallteile dienen senkrecht stehende, feinmaschige Drahtgewebe 21,während die buckelförmigen Erhebungen 22 von Buckelblechen 23 als Schleuderteile dienen. Die am Außendurchmesser der konzentrischen Ringe liegenden buckelförmigen Erhebungen 22 sind mit Bohrungen 24 versehen, welche die Aufgabe haben, den Durchtritt der Flüssigkeit zu drosseln und derart zu regulieren, daß eine einwandfreie Tropfenbildung eintritt. Die Anordnung der konzentrischen Ringe innerhalb eier Reaktionsstufe erfolgt dadurch, daß die Drahtgewebe 21 zusammen mit den Buckelblechen 23 alternierend an der Deckelfläche 25 und der Bodenfläche 26 eines Laufrades befestigt sind.
In Figur 4 sind zwei konzentrische Ringe einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Als Prallteile sind feinmaschige Drahtgewebe 27 vorgesehen, während die Schleuderteile durch die abgewinkelten Kettendrähte 28 eines zweiten Drahtgewebes 29 gebildet werden. Das Drahtgewebe 29 ist zwischen stufenförmigen Ringsegmenten 30 gehalten, die derart ausgebildet sind, daß sie zu der Innenmantelfläche hin Öffnungen 31 bilden. Die Flüssigkeit sammelt sich an dem Drahtgewebe 27 und wird durch die Öffnungen 31 auf das Drahtgewebe 29 geleitet. Die Begrenzung und Drosselung der Durchflußmenge erfolgt in den Maschen des Drahtgewebes 29, so daß den abgewinkelten Kettendrähten 28 dosierte Flüssigkeitsmengen zugeführt werden. Die Anordnung der konzentrischen Ringe innerhalb einer Reaktionsstufe erfolgt durch die wechselweise Befestigung an dem Deckelblech 32 und dem Bodenblech 33 eines Laufrades.
Figur 5 und Figur 6 zeigen konzentrische Ringe mit einer Außenverzahnung im Schnitt bzw. in der Draufsicht. Die konzentrischen Ringe sind hierbei aus mehreren Ringsegmenten 34 zusammengesetzt, deren Anzahl sich nach dem maximalen Durchsatz der Reaktionsmedien richtet. Die zylindrischen Innenmantelflächen 35 der Ringsegmente 34 wirken als Prallteile, während die Zähne 36 der Außenverzahnung die Schleuderteile bilden. Die obenliegenden Stirnflächen der Ringsegmente 34 sind mit Abstufungen 37 und 38 versehen, wobei die Abstufung 37 für das Ineinandergreifen der einzelnen Ringsegmente 34 vorgesehen ist. Durch die Abstufungen 38 werden zwischen den einzelnen Ringsegmenten 34 ringartige Drosselschlitze 39 gebildet, deren Außendurchmesser größer ist als der Fußkreisdurchmesser der Außenverzahnung. Auf diesnoWeise kann die an den Innenmantelflächen 35 sich ansammelnde Flüssigkeit über die Drosselschlitze 39 dosiert in die zwischen den Zähnen 36 liegenden Einschnitte 40 der Außenverzahnung geleitet werden. .Von den Einschnitten 40 aus bewegt sich dann die Flüssigkeit entlang der Zahnflanken auf die abgerundelten Spitzen der Zähne 36 zu, so daß sie tropfenförmig abgeschleudert werden kann. Der Zusammenhalt der einzelnen Ringsegmente 34 untereinander kann über die Bohrungen 41 vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße Reaktionszentrifuge kann bei allen Umsetzungen von Gasen oder Dämpfen mit Flüssigkeiten Verwendung finden, bei denen Diffusionsvorgänge die Absorption oder eine chemische Reaktion behindern. Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit ist die Reinigung von Gasen, die zum Betrieb von Brennstoffelementen verwendet werden. Dient bei derartigen Brennstoffelementen Wasserstoff als Brenngas, so wird der dazu benötigte Wasserstoff häufig in einem Reformer durch Umsetzung von Methanol und Wasserdampf mit Sauerstoff erzeugt.
Hierbei entsteht ein Gemisch, das etwa 75 Vol.- Wasserstoff und 25 Vol.-% Kohlendioxid enthält. Die Entfernung des unerwünschten Kohlendioxids erfolgt in der erfindungsgemäßen Reaktionszentrifuge durch die Absorption in Alkazidlauge. Versuche haben ergeben, daß mit der erfindungsgemäßen Reaktionszentrifuge die Absorptionsgeschwindigkeit des Kohlendioxids auf etwa den 50-fachen Wert der Absorptionsgeschwindigkeit bekannter Strahlapparate gesteigert werden konnte. Diese hohen Absorptionsgeschwindigkeiten werden auf die rasche Folge der Kontaktflächenerneuerungen und auf die kurze Lebensdauer der Tropfen zurückgeführt.
5 Patentansprüche 6 Figuren

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e zur zur zur Umsetzung von Gasen oder Dämpfen mit Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten fein verteilten flüssigen oder festen Stoffen, mit einer zentrisch angeordneten Rotorachse an der Laufräder befestigt sind, die je eine Deckelfläche und je eine Bodenfläche aufweisen, wobei zwischen den Deckelflächen und den Bodnenflächen der Laufräder konzentrische Ringe mit innenliegenden Prallteilen und außenliegenden Schleuderteilen angeordnet sind und wobei durch starre Trennwände zwischen den Laufrädern Reaktionsstufen gebildet sind, dadurch g e k e n n z e i c h ne t , daß für die Rotorachse (2) ein Antrieb (3) mit konstanter Drehzahl vorgesehen ist, daß die konzentrischen Ringe (10) zur Bildung von Durchtri-ttsöffnungen alternierend mit den Deckelflächen (11) und den Bodenflächen (7) der Laufräder (8) verbunden sind und daß den ScEleuderteilen (17) Drosselorgane (18) mit definiertem Querschnitt vorgeschaltet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die konzentrischen Ringe (10) jeweils an den Durchtrittsöffnungen zur Rotorachse (2) hin abgewinlelt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die innenliegenden Prallteile der konzentrischen-Ringe aus feinmaschigen Geweben (21, 27) bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die konzentrischen Ringe aus einem Buckelblech (23) bestehen, dessen buckelförmige Erhebungen (22) mit Löchern (24) versehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schleuderteile aus den abgewinkelten Kettendrähten (28) eines Drahtgewebes (29) bestehen, wobei die Maschen des Drahtgewebes (29) die Drosselorgane bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die konzentrischen Ringe (34) ringartige Drosselschlitze (39) und eine Außenverzahnung (36) aufweisen, wobei der Fußkreisdurchmesser der Außenverzahnung (36) geringer ist als der Außendurchmesser der Drosselschlitze (39).

L e e r s e i t e