DE2451110A1

DE2451110A1 - Verfahren zum pumpen von gas mit hilfe von fluessigkeit

Info

Publication number: DE2451110A1
Application number: DE19742451110
Authority: DE
Inventors: Risto Dipl Ing Saari
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-29
Filing date: 1974-10-28
Publication date: 1975-09-04
Also published as: AT334505B; NL177387B; ES431426A1; FI334773A; FR2323905B1; JPS5831480B2; FI50208B; FI50208C; US4002440A; SU940632A3; CA1033332A; GB1480428A; NL7413800A; FR2323905A1; NL177387C; SE7413595L; IT1025254B; SE407610B; JPS5074220A; DE2451110C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Gas mit Hilfe von Flüssigkeit. Neben dem Pumpen von Gas ganz allgemein sind das Auflösen eines Gases in einer Flüssigkeit und das Trennen der in einer Flüssigkeit gelösten Gase von dieser weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.

Ein bekanntes Verfahren zum Pumpen von Gas auf einen höheren Druck bedient sich eines Flüssigkeitsstrahl-Ejektors, der allgemein z.B. zum P.umpen von Gasen mittels Unterdruck in einen Raum mit normalem Luftdruck Verwendung findet. Der Unter-

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druck wird erzeugt, indem man die Druckenergie einer Flüssigkeit in kinetische Energie und diese abermals in Druckenergie umsetzt. In der Praxis muß man, wenn ein sehr hoher Vakuumgrad erwünscht ist, verhältnismäßig hohe Wasserzufuhrgeschwindigkeiten benutzen. Beispielsweise ist in Wasserstrahlejektoren, mittels deren Luft in einem Druck von 30 mbar auf

normalen Druck gepumpt wird, der Zufuhrdruck des Wassers

häufig höher als 300 kN/m und die Geschwindigkeit des Wasserstroms in der Düse übersteigt 25 m/s. Da auch dann die geförderte Gasmenge noch verhältnismäßig gering ausfällt, in der

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Größenordnung vom 10 -fachen der Wassermenge, ist der Gesamtwirkungsgrad der Ejektoren dieses Typs gering und liegt in der Größenordnung von 5 bis 8 %.

Man kann den Wirkungsgrad im Pumpvorgang verbessern, indem man den überwiegenden Teil der Pumparbeit mit Hilfe einer barometrischen Wassersäule ausführt. Wenn man.· einer Flüssigkeit, die in einem obenendig geschlossenen Strömungskanal
abwärts fließt, Gase beimischt, so wandern diese zusammen mit der Flüssigkeit in Blasenform abwärts in eine Zone höheren
Drucks und unterliegen einer isothermen Kompression, womit
der Pumpvorgang einen vorzüglichen Wirkungsgrad aufweist. Der in der Säule vorgesehene "Ejektor" besorgt lediglich das Beimischen der Gasblasen zur Flüssigkeit, womit sein Beitrag zur Pumparbeit im Vergleich mit demjenigen der Säule gering ist.

In einem Pumpvorgang dieser Art kann man Strömungsgeschwindigkeiten anwenden,. die wesentlich niedriger als dieje-

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nigen in herkömmlichen Ejektoren sind. Andererseits ist dann nur das Beimischen einer beschränkten Gasmenge zur Flüssigkeit möglich. Es ist in Versuchen gefunden worden, daß man zu Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 m/s Luft in einer Menge von etwa 20 % .des Was-, servolumens beimengen kann, was größenordnungsmäßig nur etwa 10 % des Saugvermögens eines herkömmlichen Ejektors entspricht. Andererseits wiederum beläuft sich die kinetische Energie des Wassers auf nur 0,2 % der Energie in einem herkömmlichen Ejektor.

Falls das Pumpen nur einmalig geschieht, muß man verhältnismäßig große Wassermengen handhaben. Wird ein und dieselbe Flüssigkeit mehrmals nacheinander zum Gaspumpen herangezogen, dann ist es möglich, mit einer bedeutend geringeren Flüssigkeitsmenge auszukommen. Dies kann man dadurch erzielen, daß man die Gasblasen sich abscheiden läßt, während die Flüssigkeit unter höherem Druck steht, wonach anschließend die Flüssigkeit abermals auf niederen Druck hochgehoben und mit Hilfe derselben eine weitere Gasmenge gepumpt wird.

Wenn sich das Gasvolumen mit zunehmendem Druck verringert, nimmt auch der Gasmengenstrom zu, den die Flüssigkeit mit sich zu führen vermag. Falls beispielsweise zuerst in der beschriebenen Weise Gas auf einen dem ursprünglichen Druck gegenüber etwas höheren Druck gepumpt wird, kann man es folglich mit der gleichen Flüssigkeitsmenge in einer Stufe

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von diesem Druck weiter bis auf den endgültigen Druck pumpen.

Ein wesentliches Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist das Pumpen eines Gases mit Hilfe einer Flüssigkeit derart, daß der Druck der Flüssigkeit mit Hilfe von hydrostatischem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit variiert wird und Gas in Blasenform der Flüssigkeit beigemischt wird, während der Druck der Flüssigkeit niedriger als der Gasdruck ist, und die Gasblasen von der Flüssigkeit getrennt werden, wenn diese einen dem ursprünglichen Gasdruck gegenüber höheren Druck hat, und daß dies ein- oder mehrmals wiederholt wird, wobei jeweils die Flüssigkeit eine neue Gasitienge von dem niedrigeren zum höheren Druck mitführt. Ein zweites Kennzeichen der Erfindung ist das Pumpen von Gas auf diese Weise auf einen Druck, der dem ursprünglichen gegenüber höher, aber dem endgültigen Druck gegenüber niedriger ist, wobei das unter diesem Druck sich anhäufende Gas weiter bis auf den endgültigen Druck gepumpt wird.

Es ist beJsannt, daß die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten das Henrysche Gesetz befolgt, gemäß dem die Löslichkeit eines Gases dem Gasdruck verhältnisgleich ist. Demgemäß wird beim Herabsetzen des Drucks die Löslichkeit der Gase geringer und die aufgelösten Gase haben die Neigung, sich von der Flüssigkeit zu trennen«,

Dies.e Erscheinung wird beispielsweise in der sog. Va-509836/0257

kuumentlüftung zum Trennen von in Wasser aufgelöster Luft verwendet, wobei das Wasser in einen Behälter unter Vakuum geleitet wird, wo sich die Luft abscheidet und mittels einer Vakuumpumpe irgendeiner Art ausgepumpt wird. Da in der Regel Vakuumpumpen einen recht niedrigen Wirkungsgrad haben und die Gase aus niedrigen Drücken gepumpt werden müssen, erwachsen hieraus erhebliche Kosten.

Die Auflösung von Gasen in Flüssigkeit und deren Trennung von dieser ist üblicherweise ein irreversibler Vorgang. Dies trifft z.B. auf die in Wasser aus der Luft gelösten Gase zu. Ihre Abscheidung bei erniedrigtem Druck erfolgt mit beträchtlich höherer Geschwindigkeit als ihre Wiederauflösung im Wasser. Diese Erscheinung wird in einer Ausführungsform der Erfindung nutzbar gemacht, worin die in einer Flüssigkeit gelöst vorhandenen Gase bei Unterdruck abgeschieden und aus diesem Unterdruck mit Hilfe von Flüssigkeit herausgepumpt werden.

Die langsame Auflösung von Gasen in Flüssigkeit bereitet andererseits Schwierigkeiten im entgegengesetzten Fall, z.B. beim Beschicken von Wasser mit Sauerstoff. Wenn man herkömmliche VJasser-Oxygenierverfahren in Anwendung bringt, muß man einen beträchtlichen Überschuß von Luftblasen in das Wasser einpumpen, die an die Wasseroberfläche emporsteigen. In einer der Ausführungsformen der Erfindung kann die Auflösung von Gasen gesteigert werden, indem man die Zeit verlängert, während welcher·die Gasblasen in der Flüssigkeit· verweilen.

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Die Erfindung und einige ihrer Anwendungen

werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, auf welche die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist.

Fig. 1 veranschaulicht das Pumpen von Gas in mehreren Stufen aus dem Behälter 10 unter einem Druck P₁ in den Behälter 11.unter einem Druck P₃. Die Pumpe 12 fördert Flüssigkeit vom Behälter 11 zum Ejektor 13, der Gase aus dem Behälter 10 durch das Rohr 18 hindurch in die Flüssigkeit saugt. Das Gemisch von Flüssigkeit und Gas strömt im Rohr 14 hinab in den Behälter 11, womit die Gasblasen komprimiert werden, wenn der hydrostatische Druck auf P2 ansteigt. Die Gasblasen steigen an die Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter 11 und die Flüssigkeit steigt in dem Rohr 15 vom Boden des Behälters zum Ejektor 16, welcher weitere Gase durch das Rohr 19 aus dem Behälter 10 zieht und dieselben durch das Rohr 17 in den Behälter 11 einpumpt. Der Behälter 11 ist mittels der Trennwand 20 in zwei Kammern aufgeteilt, und die Flüssigkeitsspiegel in den beiden derart gebildeten Kammern stellen sich auf Höhen ein, die sich um soviel unterscheiden wie die Verluste durch den Strömungswiderstand ausmachen, den das Rohr 15, der Ejektor 16 und das Rohr 17 zusammen bilden. Der Einfachheit halber stellt die Figur das Pumpen von Gas in nur zwei Stufen dar, wobei die Zahl der Stufen natürlich auch größer sein kann.

In der Ausführungsform der Fig. 2 wird das Gas in der beschriebenen Weise von dem Druck P₁ auf den Druck P₂ gepumpt.

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Von diesem Zwischendruck werden die Gase weiter auf den Druck P₃ mittels eines Ejektors 23 gepumpt, dem die Pumpe 22 Flüssigkeit aus dem Behälter 21 zuführt und dem die Gase durch das Rohr 24 aus dem Behälter 11 zuströmen. Die in dem Ejektor in Blasenform der Flüssigkeit beigemischten .Gase strömen in der Flüssigkeitssäule 25 zum Behälter 21, wo die Blasen an die Oberfläche steigen. Das Pumpen vom Zwischendruck P₂ auf den endgültigen Druck P₃ kann auch nach irgendeinem anderen Verfahren erfolgen.

Das Pumpen vom Druck P₂ auf den Druck P-, kann gleichfalls mit Hilfe der gleichen Flüssigkeit stattfinden, mit welcher das Pumpen zum Druck P₂ bewerkstelligt wurde, wie Fig. 3 zeigt. Die Pumpe 31 pumpt Flüssigkeit vom Behälter 21 zum Ejektor 13, der in gleicher Weise wie der Ejektor 16 in der vorbeschriebenen Weise Gas auf den Druck P₂ in den Behälter 11 pumpt, von wo die Flüssigkeit weiter durch den Ejektor 27 hindurch zurück in den Behälter 21 strömt. Der Ejektor 27 ist durch Rohre 30, 29 und 28 mit dem Gasraum desjenigen Behälters verbunden, aus dem er die angefallenen Gase ansaugt und auf Druck P₃ führt. Mittels der Anbringung der Saugrohre 28 und 29 können die Flüssigkeitsspiegel im Behälter 11 eingestellt werden. Da das Gas unter dem Druck P₂ ein geringeres Volumen als unter dem Druck P- hat, vermag der Ejektor 27 eine größere Gasmenge als der Ejektor 13 zu pumpen, welch letzterer Gas mit dem Druck P₁ fördert. Falls P₂ : P.. = ist, ist der Ejektor 27 imstande, die von beiden vorhergehenden Ejektoren geförderte Gasemenge zu pumpen.

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Fig. 4 veranschaulicht das Abscheiden von Gasen, die in einer Flüssigkeit gelöst vorliegen, mit Hilfe von Unterdruck und Strömungsgeschwindigkeit. Die Flüssigkeit strömt vom Behälter A zum Behälter B durch einen Heber, der aus dem aufsteigenden Rohr 32 und dem her abwärts gehenden Rohr 34 besteht.. Bei dem Sinken des Drucks im oberen Teil des Hebers trennen sich in der Flüssigkeit gelöste Gase von dieser und strömen in Form von Gasblasen mit der Flüssigkeit in den Behälter B. Man kann die Abscheidung steigern, indem man die Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe eines Strömungswiderstands 33 erhöht.

Falls die Abscheidung von Gasen nur bei einem Druck nahe dem Dampfdruck der Flüssigkeit effektiv stattfindet, wird zusammen mit den Gasen auch Dampf in reichlicher Menge abgeschieden, was das Vermögen der Flüssigkeitssäule, nichtkondensierbare Gase mitzuführen, beeinträchtigt. Man kann in diesem Fall das Saugvermögen der Säule durch eine Anordnung der in Fig. 5 gezeigten Art wesentlich verbessern. Die Gase enthaltende Flüssigkeit strömt im Rohr 38 aufwärts in den Behälter ^5, wo sich Gase und Dampf von der Flüssigkeit abscheiden. Die Flüssigkeit strömt weiter zum Ejektor 37 und abwärts in der Säule 39. Die Mischung von Gasen und Dampf wird durch den Kondensator 36 in den Ejektor 37 gesaugt, womit der überwiegende Teil des Dampfes kondensiert und der Anteil nichtkondensierbarer Gase in der Gasmischung,di<& der Flüssigkeit beigemischt wird, beträchtlich ansteigt.

Fig. 6 stellt die Anwendung der Erfindung beim Ent-509836/0257

lüften des Speisewassers einer Vakuumdestillieranlage dar. Die Pumpe 40 saugt zu destillierendes Wasser durch einen Wärmeaustauscher 41/ z.B. den Kondensator eines Kraftwerks, in den Luftabscheider 42, wo ein Teil der im Wasser gelösten Luft in Form von Blasen austritt und zusammen mit dem Wasser in den Behälter 43 strömt, wo die Blasen an die Wasseroberfläche steigen. Das Wasser geht weiter in den Luftabscheider 44, wo abermals ein Teil der Luft zusammen mit Wasserdampf vom Wasser abgeschieden wird. Der Dampf kondensiert im Kühler 45 und die Luft wird vom Ejektor 46 in den Behälter 56 gesaugt, wo sie an die Oberfläche steigt. Die Luftabscheidung kann auch mehrmals in der beschriebenen Weise wiederholt werden, falls dies notwendig sein sollte. Vom Behälter 56 geht das Wasser weiter durch das Rohr 47 zum ersten Verdampfer der Vakuumdestillieranlage 48, aus deren Kondensator 55 die dort abgeschiedene Luft in den Ejektor 52 gesaugt wird, wo das Kühlwasser des Kondensators fließt, welches die Luft mit sich durch das Rohr 53 in die See führt. Das durch die Verdampfer hindurchgelaufene Wasser entweicht aus der letzten Destillationsstufe durch den Ejektor 50 und das Rohr 51 hindurch in die See. Der Ejektor 50 steht durch das Rohr 49 mit dem Behälter 56 und 43 in Verbindung, so daß die darin angesammelte Luft in den Ejektor 50 entweicht. Die Behälter 43 und 56 können auch gänzlich voneinander getrennt sein", z.B. so, daß der Behälter in beträchtlich niedrigerer Höhe angebracht ist und die im Luftabscheider 42 abgeschiedene Luft darin in den Normaldruck freigegeben wird. Falls mehrere dem Luftabscheider 44 entsprechende Abscheidestufen vorhanden sind, kann die von allen an-

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fallende Luft im Behälter 43 mittels des Ejektors 50 ausgepumpt werden.

Im Vorstehenden ist wiederholt der Begriff "Ejektor" benutzt worden. Im vorliegenden Zusammenhang hat derselbe eine etv/as vom üblichen abweichende Bedeutung, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers nur in der Größenordnung von 0,5 bis 1 m/s liegt. Fig. 7 zeigt .eine Ejektorausführung, in welcher das in das Rohr 58 einströmende Wasser Gase in Blasenform durch das in seine Mündung führende Rohr 57 mitzieht.

Das Pumpen von Gasen mit Hilfe einer Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch zu einem völlig entgegengesetzten Zweck Verwendung finden, nämlich zum Auflösen von Gasen in Flüssigkeiten, z.B. zum Beschicken von. Wasser mit Sauerstoff. Ein Beispiel einer derartigen Ausführung zeigt die Fig. 8. Die Pumpe 67 speist Wasser in den Ejektor 59, der zusammen mit dem Wasser Luft ansaugt. Das Gemisch von Luft und Wasser strömt im Rohr 68 abwärts in den Behälter 60. Ein Teil des Sauerstoffs geht im Rohr 68 in Lösung, wogegen ein Teil davon vom Wasser im Behälter 60 abgeschieden wird. Das Wasser strömt weiter durch das Rohr 62 in den Ejektor 61 in größerer Höhe, womit infolge des Höhenunterschieds der Druck des Wassers sinkt. Die Luft ihrerseits strömt durch das Rohr 63 zum Ejektor 61. Da die Luft nach wie vor den gleichen Druck wie im Behälter 60 hat, wird sie sehr effektiv mit dem Wasser wiedervermischt und strömt zusammen mit diesem in das Rohr 69, wo abermals ein Teil

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des Sauerstoffs aufgelöst wird. Das gleiche kann noch weiter im Ejektor 65 wiederholt werden und schließlich im Ejektor 66 weiteres sauerstoffreies Wasser dem Wasserstrom beigemischt und zusammen mit dem Wasser und der Luft in den umgebenden Raum freigegeben werden.

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Claims

- 12 Patentansprüche

1J Verfahren zum Pumpen von Gas unter Heranziehung einer Flüssigkeit, deren Druck mit Hilfe von hydrostatischer Druckhöhe und/oder von Strömungsgeschwindigkeit an aufeinanderfolgenden Punkten in einem geschlossenen Strömungskanal variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in Form von Blasen der Flüssigkeit beigemischt wird, wenn der Druck der Flüssigkeit geringer als der Gasdruck oder ihm gleich ist, und die Gasblasen von der Flüssigkeit abgeschieden werden, wenn diese unter einem den ursprünglichen Druck des Gases übertreffenden Druck steht, und dies einmal oder mehrere Male wiederholt wird, wobei jedesmal die Flüssigkeit eine neue Gasmenge von einem niedrigeren zu einem höheren Druck befördert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gas in einer oder mehreren Stufen auf einen Druck gepumpt wird, der höher als der ursprüngliche Druck des Gases, aber niedriger als der endgültige Druck ist, und das unter diesem Zwischendruck anfallende Gas weiter auf den endgültigen Druck gepumpt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpen des Gases von dem Zwischendruck auf den endgültigen Druck mit Hilfe der gleichen Flüssigkeit bewerkstelligt wird, mittels welcher das Gas zuerst vom ursprünglichen Druck des Gases auf den Zwischendruck gepumpt wurde.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 zum Auflösen von Gas in einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Gas der Flüssigkeit beigemischt und mit ihrer Hilfe auf einen höheren Druck gepumpt wird, wo sich der nicht in der Flüssigkeit gelöste Teil des Gases abscheidet und der Flüssigkeit wieder beigemischt wird, während diese unter einem geringeren Druck als das abgeschiedene Gas steht und dieses abermals mit Hilfe der Flüssigkeit einmal oder mehrmals auf höheren Druck gepumpt wird.
5. Verfahren zum Entfernen von in einer Flüssigkeit gelöstem Gas aus derselben,dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Flüssigkeit mit Hilfe von hydrostatischer Druckhöhe und/oder von Strömungsgeschwindigkeit in aufeinanderfolgenden Punkten in einem geschlossenen Strömungskanal variiert wird, so daß das Gas sich in Blasen in der Flüssigkeit abscheidet, wenn die letztere unter niedrigerem Druck als das Gas steht, und die erzeugten Blasen zusammen mit der Flüssigkeit auf einen den besagten Druck übertreffenden Druck v/andern, wo sie von der Flüssigkeit abgeschieden werden, und dies einmal oder mehrmals wiederholt wird, wobei jedesmals eine neue Gasmenge aus der Flüssigkeit austritt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Flüssigkeit durch Wirkung eines Unterdrucks abgeschiedene Gas gekühlt und anschließend in Form von Blasen der strömenden Flüssigkeit beigemischt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Gase von einer zu den Verdampfern einer Vakuumdestillieranlage einzuspeisenden Flüssigkeit abgeschieden und mit Hilfe dieser Flüssigkeit auf einen Druck gepumpt werden, der den Abscheidungsdruck der Gase übertrifft, jedoch niedriger als der Umgebungsdruck ist, und daß sie von diesem Druck heruntergebracht werden, indem sie der von den Verdampfern der Destillationsanlage abgehenden Flüssigkeit und/oder dem von den Kondensatoren abgehenden Kühlwasser beigemischt werden.

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