DE2802748A1 - Verfahren und vorrichtung zur reaktion oder zum material- und/oder energieaustausch zwischen fliessfaehigen medien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reaktion oder zum material- und/oder energieaustausch zwischen fliessfaehigen medien

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DE2802748A1 DE19782802748 DE2802748A DE2802748A1 DE 2802748 A1 DE2802748 A1 DE 2802748A1 DE 19782802748 DE19782802748 DE 19782802748 DE 2802748 A DE2802748 A DE 2802748A DE 2802748 A1 DE2802748 A1 DE 2802748A1
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Description

I)R. INO. I·-.
I)R. K. ν. PICOTI MANN I)Ii. IN«. I). I)BIIKKNS Din,, inc;, u. cjoktz
'Λ I,TU
8000 MÜNCHEN ί)Ο SOUWEIOEHSTIiASSE 2 ΤΚΙ.ΕΓΟΝ (080) 80 2 telex Π 24 070
ΤΠΙ.ΚΟΙΙΛΜΜΓ-i !
MUTIiCTPATMT
T80274Ö
1A-50 340
Patentanmel dune
Anmelder: RHÖNE-POULENC INDUSTRIES
22, avenue Montaigne, 75 Paris (8lme), Frankreich
Titel: Verfahren und Vorrichtung zur Reaktion oder zum Material - und/oder Energieaustausch zwischen fließfähigen Medien
809830/Π925
DK. INO. F. WUESTIIO FF I)H. K. ν. l'HC'II MANN
I)K. inc;. I), hkhhkns
I)ITI,. IN(J. H. (ίΟΚΤΖ PATENTANWÄLTE
8000 MÜNCHEN 00 SCIIWEHIEHfiTnANSi: 2 TBtEFOK C08DJ 00 20 01 TEtEX 5 24 070
ΤΕΓ.ΚΠΠΑΜΜΓ. Ι
l'ROTEOTP.VTENT :
1A-50 340
Anm.: RhÄne-Poulenc Ind.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Material- und Energieaustausch zwischen fließfähigen Medien oder zur Reaktion zwischen ihnen, indem mehrere Phasen Intensiv miteinander in Berührung gebracht werden, woraufhin die Phasen getrennt und die Produkte gewonnen werden.
Es gibt bereits zahlreiche pneumatische oder mechanische Mischer. Bekanntlich läßt sich eine Flüssigkeit nur in einer gasförmigen Behandlungsphase zerstäuben, wie dies beispielsweise bei Zerstäubungstrocknern der Fall ist. Ein idealer Trockner dieses Typs müßte aus einem vertikalen Zylinder bestehen, in welchem Gas und Flüssigkeit gleichmäßig verteilt wären, wobei die Flüssigkeit in Form von Tröpfchen gleicher Größe vorliegen würde. Im Idealfalle müßten alle Tröpfchen den gleichen Weg nehmen, so daß sie die gleiche Behandlung erfahren und zu dem gleichen Produkt führen. Anders gesagt, alle Volumenelemente der zu behandelnden Phase - im vorliegenden Fall der flüssigen Phase - müßten den gleichen Werdegang also die gleiche Geschichte haben, um die gleiche Menge an behandelnder Phase unter gleichen Bedingungen, insbesondere der Temperatur und der Konzentration, zu erhalten oder aufzunehmen. Dies setzt aber das Vorhandensein einer vollständig geregelten Strömung voraus.
In der FR-AS 2 257 326 wird gezeigt, daß man diesen Idealbedingungen mit Hilfe einer wirbelnden oder strudelartigen Strömung sehr nahe kommt, wenn wohldefinierte (vorausbestimmte) geometrische und kinetische Bedingungen eingehalten werden.
8O9830/O92S
U-50 340
- sr- -
Gemäß dieser Druckschrift werden in einem ersten Teil des Verfahrens die Phasen vor ihrem Zusammentreffen in eine zylindrische Zone eingeführt, wobei mindestens eine der Phasen der Form einer Gesamtheit von schraubenförmigen Bahnen eingebracht wird und diese Bahnen eine "Wiederholungsachse'' (axe de repetition) darstellen, bezogen auf mindestens •eine durch die Achse dieser Strömung gehende Ebene, und zu einer symmetrischen Strömung führen. Mindestens eine weitere Phase wird geradlinig entlang der Achse der schraubenförmigen Strömung eingeführt. Dann wird die schraubenförmige Strömung begrenzt in einer Zone mit verengtem Querschnitt, wobei die Bewegungsgröße der Volumenelemente dieser Phase in der schraubenförmigen Strömung im engsten Querschnitt mindestens das 100-fache der Bewegungsgröße der Volumenelemente der geradlinigen Strömung wird. Damit durchdringen sich die Bahnen der geradlinigen und der schraubenförmigen Strömung in einer dritten sogenannten Mischzone. Auf diese Weise bilden die Bahnen der schraubenförmigen Strömung nach Austritt aus der eingeschnürten Zone eine der beiden Scharen von Mantellinien eine s flächigen Hyperboloids oder genauer gesagt, einer blattartigen Aufeinanderschichtung von mehreren Hyperboloiden. Diese Mantellinien (Umhüllungen) gehen durch eine Schar von einen engen Ring bildenden Kreisen, stromabwärts der Einschnürung der schraubenförmigen Strömungen vor einem Auffächern. Dieser Ring umschließt eine Unterdruck-Zone, die einerseits stromaufwärts auf die geradlinige Strömung und andererseits stromabwärts auf die schraubenförmige Strömung einwirkt, indem ein Teil dieser fließenden Medien rückgeführt wird . Auf diese Weise sind alle Geschwindigkeitsbereiche der Volumenelemente in dem stromabwärts der Mischzone gelegenen Bereich in einer gleichen Ebene senkrecht zur
und haben
Achse gleichen Absolutwert und weichen voneinander ab und sind voneinander abgeleitet durch Rotation um die Achse. An zwei aufeinanderfolgenden Momenten folgen zwei unterschiedliche Volumenelemente einer gleichen Bahn der gleichen Evolution unter Sicherstellung, daß die beiden Phasen miteinander in Berührung bleiben. Wenn die geradlinige Strömung eine flüssige Phase und die schraubenförmige Strömung eine Gasphase ist, wird die flüssige Phase in eine Vielzahl von Tröpfchen aufgespalten und Jedes Tröpfchen von einem bestimmten Gasvolumen
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einer Bewegung unterworfen, die eine Zentrifugalwirkung erzeugt. Dies verbessert die Berührung mit dem Trägergas und sichert - bei einer Verbrennung - das Festhalten und die Stabilität der Flamme.
Ein solches Verfahren führt somit zu einem bemerkenswerten technischen Fortschritt durch schnelle Behandlung von zwei Phasen. Es stellt jedoch ein Problem der Abscheidung der anfallenden festen oder flüssigen Phase aus der Gasphase dar.
Nach der FR-AS 2 257 326 dient dazu ein Zyklon. Leider hat ein solcher einen sehr großen Platzbedarf für ausreichende Leistung, der mit hohen Kosten ohne Berücksichtigung der Energieverluste verbunden ist. Man hat bereits versucht, einen Zyklon beispielsweise mit Einbauten oder schraubenförmigen Führungselementen zu modifizieren ("Chemical Engineers1 Handbook", Perry und Chilton, 5.Auflage, 20-86). Jedoch setzen diese die Leistung herab, was insbesondere für die Gewinnung des Produktes gilt.
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß - wenn man eine zylindrische Wand in den Strömungsbahnen innerhalb der Mischzone einer Vorrichtung gemäß FR-AS 2 257 326 vorsieht und eine plötzliche Geschwindigkeitsänderung mindestens einer der Phasen unter Beibehaltung der allgemeinen Strömungsrichtung hervorruft - man eine ausgezeichnete Phasentrennung erreicht, wobei hierzu nur eine Vorrichtung kleiner Dimension notwendig ist und die Nachteile von schneckenartigen Führungselementen in einen üblichen Zyklon vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient nun zur Gemischbildung von mindestens zwei Phasen, worauf die erhaltenen Produkte getrennt und gewonnen werden. Nach der Erfindung wird das Phasengemisch durch eine strudelartige Strömung gebildet. Dazu wird in eine erste zylindrische Zone mindestens eine Phase als Strömung mit schraubenförmigen Bahnen eingeführt, die im Bezug auf eine Ebene durch die Strömungsachse eine
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Wiederholungsachse (axe de repetition) und eine symmetrische Strömung darstellen; ferner wird mindestens eine weitere Phase als geradlinige Strömung eingeführt, deren Achse mit der der schraubenförmigen Strömung zusammenfällt; die schraubenförmige Strömung wird eingeschnürt in einer eingezogenen Zone, wobei die Bewegungsgröße der Volumenelemente der schraubenförmigen Strömung in der eingezogenen Zone mindestens das , 100-Fache der Bewegungsgröße der Volumenelemente der geradlini-. gen Strömung ist. Die Begegnung der beiden Strömungen erfolgt nun derart, daß die Bahnen der geradlinigen Strömung die Bahnen der schraubenförmigen Strömung durchdringen und zwar in einer dritten sogenannten Mischzone. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, daß man in der Mischzone die verschiedenen Phasen mit ihren gemeinsamen Bahnen über eine zylindrische Fläche führt, mit der sie unter der Einwirkung von durch die schraubenförmige Bewegung hervorgerufene Zentrifugalkraft in Berührung bleiben, man zur Phasentrennung eine plötzliche Änderung der Geschwindigkeitsbereiche mindestens einer Phase unter Aufrechterhaltung der allgemeinen Richtung der Strömungen der Phasen hervorruft und schließlich die getrennten Produkte gewinnt.
Die in Rede stehenden Phasen können Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe sein. Man kann erfindungsgemäß beispielsweise eine Konzentrierung mit einem Gas-flüssig-Gemisch, eine Trocknung mit einem Gas-fest-Gemisch, ein Trennen von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten oder eine absorptive Gaswäsche mit einer Flüssigkeit erreichen.
Im allgemeinen werden die in der FR-AS 2 257 326 beschriebenen Bedingurgen eingehalten, d.h. daß die Bewegungsgröße der Volumenelemente der schraubenförmig strömenden Phase mindestens 100 mal so groß ist wie die Bewegungsgröße der Volumenelemente der geradlinig strömenden Phase.
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Die plötzliche Änderung der Geschwindigkeiten mindestens einer der Phasen kann in der Praxis erreicht werden durch eine plötzliche Richtungsänderung der schraubenförmig strömenden Phase und besteht z.B. in einer beträchtlichen Änderung des Querschnittes der zylindrischen Strömungszone. Man kann mehrere Maßnahmen kombinieren durch das erfindungsgemäße Verfahren, beispielsweise Konzentrieren und gleichzeitig thermische oder chemische Behandlung, wobei letztere mit der einen Phase vorgenommen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden, indem man an einer Vorrichtung entsprechend der FR-AS 2 257 326 vertikal einen Zylinder anordnet, an dessen Ende ununterbrochen ein Anschlußrohr mit größerem Querschnitt sowie eine Austragsleitung für die leichteste Phase vorgesehen sindj das stromaufwärts liegende Ende der Austragsleitung liegt im wesentlichen auf der Höhe des Überganges vom Zylinder in das Anschlußrohr.
Der Winkel zwischen dem Zylinder und dem Anschlußrohr kann innerhalb ziemlich weiter Grenzen liegen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Anschlußrohr angewandt, das den gleichen Querschnitt wie der Zylinder aufweist. Dieses Anschlußrohr kann beispielsweise zylindrisch sein. In diesem Falle ist es mit dem Zylinder über einen Flansch verbunden; es kann abei/auch kegelförmig zulaufen und unmittelbar an den zylindrischen Körper anschließen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann selbstverständlich weitere Bauteile umfassen, beispielsweise Trichter und Leitungen für die Zu- und Abführung der Phasen. Der Einfachheit halber wird im folgenden eine Vorrichtung gemäß der FR-AS 2 257 als "Kopf" bezeichnet.
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Dieser Kopf besteht aus einem zumindest teilweise zylindrischen Mantelrohr, das auf der einen Seite entweder in einem Kegelstumpf ausläuft, dessen kleine Grundfläche die stromabwärts gerichtete Öffnung und damit die eingezogene Zone für die schraubenförmige Strömung darstellt.oder das zum gleichen Zweck durch eine Stauscheibe abgeschlossen wird, " deren in der Mitte liegende kreisförmige Öffnung coaxial zum Mantelrohr ist. Auf der anderen Seite ist das Mantelrohr von einer Platte mit Öffnung(en) für zumindest ein Innenrohr abgeschlossen, das coaxial zum Mantelrohr in einem Abstand von der mittleren Ebene der kreisförmigen Öffnung zwischen Oybis zum Radius dieser öffnung endet. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Zuführung der Stoffe für die schraubenförmig strömende Phase in das Mantelrohr um das achsiale Rohr, so daß diese Strömung symmetrisch zu der gemeinsamen Achse des Mantelrohres und des axialen Innenrohres ist.
Das Innenrohr kann seinerseits weitere coaxiale Rohre umschließen, beispielsweise wenn mehrere Flüssigkeiten oder fließfähige Medien eingebracht werden sollen, die nicht miteinander in Berührung gebracht werden dürfen, bevor sich die schraubenförmige Strömung gebildet hat.
Wie jedoch bereits gesagt, ist es wichtig, daß die schraubenförmige Strömung symmetrisch ist. Im Falle einer kleinen Vorrichtung kann man zu einer befriedigenden jedoch etwas angenäherten Lösung kommen, indem man mehrere tangential eintretende Rohre vorsieht. Vorteilhafterweise ist das Innenrohr jedoch zylindrisch oder kegelartig und perforiert, das von einem Mantel umgeben ist, in den ein tangentiales Rohr mündet. Die öffnungen müssen stets "Öffnungen in dünner Wand" bleiben. Es ist wichtig, daß die Öffnungen regelmäßig verteilt sind und daß die freie Fläche derart ist, daß in den meisten Fällen kein Druckverlust von mehr als 50 g/cm in den strömenden Medien eintritt. Ein Durchsatz von beispielsweise 35 nr/h je Öffnung mit Durchmesser von 20 mm ist sehr gut möglich.
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- ?►- Λ0
Gemäß einer vorteilhaften AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Durchmesser der Austragsieitung mindestens 2/3 des Durchmessers des Zylinders.
Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung werden in den folgenden Beispielen näher erläutert. .
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit einem Kopf 1 gemäß FR-AS 2 257 326 und einem erfindungsgemäßen Zylinder 2; der Kopf umfaßt einen Kegelstumpf 3» in dessen Mitte die Zuführung 4 mündet und dessen Scheitelfläche die Einschnürung 5 ist. Eine perforierte Wand 6 ermöglicht die Bildung einer symmetrischen Strömung des tangential über die Zuführung 7 eingebrachten Mediums.
Der Zylinder 2 ist mit einem sich nach unten erweiternden Anschlußrohr 8 verbunden. Über die Austragsieitung 9 wird die leichteste Phase und über eine Öffnung 10 die schwerste Phase abgezogen.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Vorrichtung, jedoch ist die Grundfläche des Anschlußstückes zur vertikalen Achse des Zylinders eine schiefe Ebene 11.
Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung ist das Anschlußrohr nach oben (und nicht nach unten) erweitert.
Gemäß Fig. 4 schließt das Anschlußrohr rechtwinkelig an den Zylinder an.
Beispiele
In Fig. 5 wird eine Vorrichtung gezeigt, wie sie in den nachfolgenden Beispielaiverwendet wurde. Gemäß dieser Ausführungsform enthält der Kopf einen konischen durchbrochenen Einsatz
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Der Kopf 1 hat einen Durchmesser von 35 mm und die Einschnürung von 15 mm. Die Höhe des Kopfes beträgt 42 mm und der größte Durchmesser des Einsatzes 12 30 mm.
Die flüssige Phase wird über eine Leitung 13 eingeführt, deren Durchmesser stromabwärts 4 mm beträgt. Der Zylinder hat einen Durchmesser von 80 mm und eine Höhe von 100 mm, der Durchmesser des Anschlußrohres 8 120 mm und der Austragsleitung 9 60 mm.
Die Beispiele wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Beispiel Durchsatz Luftdruck Temperatur bei Temperatur bei m3/h Torr Eintritt Austritt
1 26 1,3 750
2 26 1,3 750
3 26 1,3 750
4 26 1,3 750
In allen Fällen wurde von einer Säure mit 25 % P?°5 ausSeSangen.
Bei der Konzentrierung der Säure wurde keinerlei Bildung von sichtbaren Tröpfchen beobachtet.
Man erhielt:
Beispiel Säure % ortho (in % P2 0*)
1 62
2 52
3 39
4 34
Diese Beispiele zeigen, daß erfindungsgemäß das Konzentrieren von Phosphorsäure sehr einfach und mit hoher Selektivität für die angestrebte Form der Säure möglich ist.
- 9 809830/0955
1A-50 340
Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Konzentrieren von Phosphorsäure in einem sehr hohen Grade, wobei in einer einzigen Stufe die Energieausbeuten sehr günstig sind. Besonders interessant ist dabei, daß die Säure in Form der Orthophosphorsäure anfällt, die bekanntlich für die Handhabung und den Transport bevorzugt wird.
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L e e r s e i t

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Reaktion oder zum Material- und/oder Wärmeaustausch zwischen fließfähigen Medien, indem zumindest 2 Phasen in Berührung gebracht, die Phasen getrennt und die Produkte gewonnen werden■wobei in eine erste zylindrische Zone mindestens eine Phase mit achssymmetrischer schraubenförmiger Strömung, deren Bahnen eine Wiederholungsachse zu mindestens einer Ebene aufweisen, die durch die Achse dieser Strömung geht,und mindestens eine Phase mit coaxialer geradliniger Strömung eingeführt werden, dann die schraubenförmige Strömung so stark eingeschnürt wird, daß die Bewegungsgröße ihrer Volumenelemente an der engsten Stelle mindestens 100 mal so groß ist wie die Bewegungsgröße der Volumenelemente der geradlinig strömenden Phase und bei der Durchdringung der beiden Strömungen die Mantellinien der geradlinigen Strömung mit den Mantellinien der schraubenförmigen Strömung in einerMischzone zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet , daß in der Mischzone die gemeinsamen Mantellinien der Strömungen entlang einer zylindrischen Fläche strömen und unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft an dieser verbleiben, die durch die schraubenförmige Bewegung hervorgerufen wird, worauf man zur Phasentrennung die Geschwindigkeiten mindestens einer Phase unter Beibehaltung der allgemeinen Strömungsrichtung plötzlich ändert und man schließlich aus den einzelnen Phasen die gewünschten Produkte gewinnt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die plötzliche Änderung der Geschwindigkeiten mindestens einer Phase durch eine beträchtliche Änderung des zylindrischen Strömungsquerschnittes bewirkt.
    609830 <
    1A-50 340
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, enthaltend ein zumindest teilweise zylindrisches Mantelrohr, das auf einer Seite verschlossen ist und nur den Durchtritt von mindestens einem achsialen perforierten Innenmantel ermöglicht und das auf der anderen Seite stromabwärts eingeschnürt ist.sowie Zuführung für eine Phase um das coaxiale Innenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr stromabwärts durch einen Zylinder verlängert ist, dessen Querschnitt größer als der Querschnitt der Einschnürung ist, daß an dem Zylinder ein Anschluß von größerem Querschnitt befestigt ist, welches mit einer Austragsleitung versehen ist, die die leichtere Phase aus dem Bereich des Übergangs von dem Zylinder zu dem Anschlußrohr abzuführen vermag.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zylinder, das Anschlußrohr und die Austragsleitung coaxial sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Austragsleitung mindestens 2/3 des Durchmessers des Zylinders ist.
  6. 6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2 und der Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5 zur Konzentrierung einer verdünnten Phosphorsäure mit Heißluft.
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DE19782802748 1977-01-25 1978-01-23 Verfahren und vorrichtung zur reaktion oder zum material- und/oder energieaustausch zwischen fliessfaehigen medien Pending DE2802748A1 (de)

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