DE3000883C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verteilen einer ersten Flüssigkeit in einer zweiten Flüssigkeit gemäß Gattungsbegriff der Patentansprüche 1 und 3 jeweils.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art finden beispielsweise bei Meerwasserentsalzungsanlagen Anwendung, die nach dem Di­ rektgefrierverfahren arbeiten und einen Kristallisator ver­ wenden, der das Behandlungsgefäß darstellt. Diese Anlagen haben sich jedoch hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Ar­ beitsleitung bislang als nicht zufriedenstellend erwiesen. Der Kristallisator enthält Meerwasser, d. h. eine Salzlösung, in die ein Kältemittel z. B. Butan in direkte Berührung ge­ bracht wird, um einen erhöhten Wärmeaustausch zu erhalten. Der Aufbau eines derartigen herkömmlichen Kristallisators ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Der Kristallisa­ tor 1 weist in seinem Inneren ein Rohr 2 auf, das an einer unteren Stelle des Kristallisators fest angeordnet ist und eine Vielzahl von kleinen Bohrungen 3 besitzt, die nach oben hin münden. Der Kristallisator 1 enthält die von einem Zu­ führrohr 5 eingegebene Salzlösung 4. Das Kältemittel wird über eine Leitung 6 in das Rohr 2 eingeführt und aus den Bohrungen 3 in die Salzlösung 4 abgegeben. Das abgegebene Kältemittel verdampft und entzieht dabei der Salzlösung 4 Wärme, die infolge diese Abkühlung Eiskristalle bildet. Das verdampfte Kältemittel steigt nach oben und wird durch ein Auslaßrohr 7 abgeführt. Die in dieser Weise erzeugten Eis­ kristalle werden dann durch ein Schlammablaßrohr 8 abge­ führt.

Zur Kühlung der Salzlösung und zur wirksamen Erzeugung der Eiskristalle muß das Kältemittel in möglichst klei­ nen Tropfen in der Salzlösung verteilt werden, um eine größere Berührungsfläche mit der Salzlösung und damit einen besseren Wärmeaustausch zu erhalten. Ferner soll­ ten die Temperatur und die Dichte der Salzlösung im Kristallisator möglichst gleichmäßig sein.

Bei dem bekannten in Fig. 1 dargestellten Kristallisator würde der Versuch, zum Zwecke der Bildung kleinerer Kälte­ mitteltropfen die Bohrungen zu verkleinern, zu einem größeren Druckverlust bei dem Durchgang des Kältemittels durch die Bohrungen 4 führen. Ferner müßte das Kältemittel unter hohen Druck gesetzt werden, um in das Rohr 2 hinein zu gelangen, und würden ferner die kleinen Bohrungen rasch verstopfen.

Das aus den festen Bohrungen 3 abgegebene Kältemittel wird in die Salzlösung 4 ausgestoßen und nach Verteilung der Tröpfchen in der Salzlösung zeigen diese die Neigung, sich wieder zu vereinigen, da die Tröpfchen, deren Geschwindig­ keit durch den Widerstand der Salzlösung 4 plötzlich ab­ nimmt, durch die Tröpfchen aufgefangen werden, die sich längs des gleichen geradlinigen Weges bewegen.

Bei dem herkömmlichen Kristallisator wird ferner gewöhnlich ein mechanisches Rührwerk vorgesehen, um die Salzlösung 4 gleichmäßig zu rühren. Dieses Rührwerk erfordert eine große Antriebsleistung, um eine wirksame Rührung der Salzlösung 4 zu erhalten.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der eingangs genannten Art gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 3, die aus der US-PS 39 82 736 bekannt sind, wird die erste Flüssigkeit in die zweite Flüssigkeit durch direkt in der sich drehenden Trommel vorgesehene Öffnungen ausgestoßen. Das Ergebnis sind auch in diesem Fall relativ große Tropfen, die aus den Öffnungen austreten und keine wirksame Reaktionsfläche mit der zweiten Flüssigkeit bieten können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, das Verfahren und die Vorrichtung nach dem Gattungs­ begriff des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 3 je­ weils so auszubilden, daß sich eine größere Berührungsfläche zwischen den Flüssigkeiten und somit ein besserer Wärmeaus­ tausch ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildungen gelöst, die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 3 jeweils angegeben sind.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung die erste Flüssigkeit aus der sich drehen­ den hohlen Trommel über Düsen ausgestoßen wird, die über eine bestimmte Distanz radial vom äußeren Umfang der hohlen Trommel abstehen, wird erreicht, daß die Umfangsgeschwindig­ keit im Bereich der Austrittsöffnungen der Düsen von der Umfangsgeschwindigkeit an der Trommeloberfläche verschieden ist, wo die Adhäsionskräfte bewirken, daß die zweite im statio­ nären Gefäß enthaltene Flüssigkeit sich mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit wie die Trommel bewegt. Die Bewe­ gungsgeschwindigkeit der zweiten Flüssigkeit ist daher nahe der Trommeloberfläche am höchsten, während sie mit Abstand von der Trommeloberfläche rasch bis auf Null abfällt. Da die Düsen in einem Abstand von der Trommeloberfläche münden, be­ steht somit stets ein Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Düsenöffnungen und der umgebenden zweiten Flüssigkeit, was dann nicht der Fall wäre, wenn die Austrittsöffnungen am oder nahe am Umfang der Trommel angeordnet wären.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird bewirkt, daß die erste Flüssigkeit sofort durch die stehende bzw. sich langsamer bewegende zweite Flüssigkeit abgeschert wird, was zur Bildung sehr kleiner Tröpfchen und damit der gewünsch­ ten feinen Verteilung der ersten Flüssigkeit in der zweiten Flüssigkeit führt. Aufgrund dieser feinen Verteilung der ersten in der zweiten Flüssigkeit ergibt sich ein außerordent­ lich wirksamer Wärmeaustausch zwischen beiden Flüssigkeiten.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht von einer Kristallisations­ vorrichtung herkömmlicher Art,

Fig. 2 eine schematische Ansicht von einer erfindungsgemäß aufgebauten Kristallisationsvorrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte vertikal geschnittene Ansicht einer Drehtrommel, und

Fig. 4 eine mikroskopische Ansicht von einer mit Partikeln durchsetzten Flüssigkeit.

Die in Fig. 2 gezeigte Kristallisationsvorrichtung 10 eignet sich insbesondere für die Meerwasserentsalzung und umfaßt einen Kristallisator oder ein Gefäß 11 mit geschlossenen Endwänden 12, 13. Das Gefäß enthält eine geeignete Salz­ lösung 14, wie Meerwasser, die von einem nicht gezeigten Behälter über ein an der Gefäßendwand 13 befestigtes Rohr 15 in das Gefäß 11 eingeleitet werden kann. Eine langgestreckte Drehtrommel 16 ist an einer unteren Stelle im Gefäß 11 angeordnet und wird horizontal durch ein Paar axiale Wellen 17, 18 gehalten, die sich drehbar durch die betreffenden Endwände 12, 13 hindurcherstrecken. Die Trommel 16 ist hohl und weist an ihrer Umfangsfläche eine Vielzahl von Düsen 19 auf, die gemäß Fig. 3 radial von der Trommel 16 nach außen ragen. Jede Düse 19 steht in Verbindung mit dem Innenraum der hohlen Trommel 16 und weist an ihrem freien Ende eine Öffnung 20 auf, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Düse 19 ist.

Die Wellen 17, 18 sind drehbar in einem Paar Lager 21, 22 gelagert, die an einem betreffenden Paar am Gefäß 11 be­ festigter Haltekonsolen 23, 24 angebracht sind. Die Wellen 17, 18 erstrecken sich durch ein Paar Dichtungen 25, 26, die an der betreffenden Gefäßendwand 12, 13 befestigt sind und verhindern, daß die Salzlösung 14 längs der Wellen 17, 18 aus dem Gefäß 11 austreten kann. Die Welle 17 ist hohl und steht in Fluidverbindung mit einer Leitung 27, über die ein verflüssigtes Kältemittel, wie Butan, durch eine Drehverbindung 28 eingeführt werden kann. Die Trommel 16 wird durch eine auf der Welle 18 befestigte Riemenscheibe 29 angetrieben, um die sich ein Riemen 30 erstreckt, der ebenfalls um eine an der Antriebswelle eines Elektromotors 32 befestigte Riemenscheibe 31 gelegt ist.

Beim Betrieb wird die Salzlösung 14 über das Rohr 15 in das Gefäß 11 eingegeben, bis die Trommel 16 vollständig in der Salzlösung eingetaucht ist. Dann wird der Motor 32 einge­ schaltet, um die Trommel 16 mit einer relativ hohen Ge­ schwindigkeit zu drehen, worauf das verflüssigte seitens der Leitung 27 eingeführte Kältemittel in Form von Tropfen durch die Öffnungen 20 in die Salzlösung 14 eingeleitet und darin verteilt wird. Das Kältemittel verdampft bei der Eingabe in die Salzlösung 14 und entzieht dabei der Salz­ lösung 14 Wärme. Das verdampfte Kältemittel steigt nach oben und in ein Auslaßrohr 33, das an einer oberen Stelle des Gefäßes 11 befestigt ist. Die Salzlösung 14 wird durch die Verdampfung des Kältemittels abgekühlt, und sobald ihre Temperatur einen bestimmten Wert unterschreitet, be­ ginnen sich kleine Eiskristalle im Gefäß 11 zu entwickeln. Die Eiskristalle werden über ein an der Gefäßendwand 13 befestigtes Auslaßrohr 34 für den gebildeten Schlamm ab­ geführt.

Da sich die Trommel 16 in der Salzlösung 14 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit dreht, ist bei der be­ schriebenen Anordnung der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den äußeren Enden der Düsen 19 und der damit in Berührung stehenden Salzlösung 14 sehr groß, so daß das aus den Öffnungen 20 austretende Kältemittel zwangsmäßig in Tröpfchen aufgebrochen wird, die sich in verschiedenen Richtungen verteilen, so daß eine erneute Vereinigung der Tröpfchen nicht stattfinden kann. Die Tropfen aus dem Kälte­ mittel sind daher klein, so daß die Fläche, an der die Salzlösung 14 den Tropfen ausgesetzt ist, sehr groß wird, was zu einem verbesserten Wärmeaustausch zwischen Kälte­ mittel und Salzlösung 14 führt. Die erfindungsgemäße Vor­ richtung 10 kann daher Eiskristalle mit größerer Ausstoß­ menge produzieren. Während sich die Trommel 16 in Drehbewegung befindet, entwickelt sich an den äußeren Enden der Düsen 19 ein Abfall des statischen Druckes, der bewirkt, daß das Kältemittel in der Trommel 16 durch die Öffnungen 20 abge­ saugt wird. Diese Saugwirkung infolge der Rotation der Trommel in Verbindung mit den auf das Kältemittel wirkenden Zentrifu­ galkräften ergibt eine Druckverringerung, die hinsichtlich der Zuführung des Kältemittels in die Trommel 16 über die Leitung 27 wirksam ist. Bei manchen Anordnungen kann auf eine derartige Druckzulieferung verzichtet werden. Die Pro­ duktionsmenge an Eiskristallen läßt sich durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit der Trommel 16 steuern.

Die Öffnungen 20 an den freien Enden der Düsen 19 schaffen eine Druckdifferenz zwischen dem Kältemittel in den Düsen 19 und der Salzlösung 14, so daß eine Verdampfung des Kältemittels in der Trommel 16 und den Düsen 19 verhindert wird. Die tatsächliche Größe der Öffnungen 20 wird unter Berücksichtigung der erforderlichen Druckdifferenz, die eine Verdampfung des Kältemittels in der Trommel 16 und den Düsen 19 verhindert, bestimmt.

Eine Veränderung der Abmessung der Öffnungen, z. B. eine Vergrößerung, hat eine nur geringe direkte Auswirkung auf die Größe der tatsächlich erhaltenen Partikel an Kälte­ mittel. Vorzugsweise sollten die Kältemitteltropfen kurz nach ihrer Verteilung in der Salzlösung 14 einen Durchmesser von etwa 0,3 m/m oder weniger haben, da Blasen aus ver­ dampftem Kältemittel mit einem Durchmesser von etwa 3 m/m für eine wirksame Berührung zwischen Kältemittel und Salz­ lösung 14 geeignet sind. Diese zahlenmäßige Begrenzung basiert auf dem Umstand, daß das Verhältnis des Volumens des Kältemittels nach der Verdampfung zu dem Volumen des Kältemittels nach der Verflüssigung etwa 1000 beträgt und daher der Durchmesser einer Blase aus verdampften Kälte­ mittel etwa 10mal größer als der Durchmesser eines Tropfens aus verflüssigtem Kältemittel ist. Bislang mußten derartige kleine Tropfen aus verflüssigtem Kältemittel unter Vorsehen von Öffnungen in den feststehenden Düsen mit extrem geringem Durchmesser erzeugt werden, was zur Folge hatte, daß eine sehr hohe Druckbeaufschlagung not­ wendig war, um das Kältemittel in die Düsen zu drücken. Bei der Erfindung hingegen wird die Trommel 16 mit hohen Geschwindigkeiten gedreht, um die kleinen Tropfen aus Kälte­ mittel zu bilden und ist, wie erwähnt, keine hohe Druckbe­ aufschlagung des Kältemittels erforderlich.

Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem Schweröl als Lösung und Wasser als Kältemittel verwendet wurde. Die in dem Schweröl verteilten Wassertropfen hatten eine Abmessung von etwa 10 bis 20 µm, vgl. Fig. 4. Aber unter anderen Umständen wird angenommen, daß bei der Verteilung das Kältemittel in Tröpfchen mit einer Größe von 300 µm oder 0,3 m/m, d. h. auf das 10- oder mehrfache der Größe der vorbeschriebenen Wassertröpfchen aufgebrochen wird.

Die Salzlösung 14 wird durch die von der Trommel 16 ab­ stehenden Düsen 19 während der Rotation in der Lösung umge­ rührt und ausreichend homogenisiert. Der Außendurchmesser und die Länge der Düsen 19 hängen von dem erforderlichen Grad der Umrührung und Homogenisierung der Salzlösung 14 ab.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verteilen einer ersten Flüssigkeit in einer zweiten Flüssigkeit, bei dem eine hohle Trommel in einem Behäl­ ter gedreht wird, der die zweite Flüssigkeit enthält, wobei die Trommel in der zweiten Flüssigkeit eingetaucht ist, und bei dem die erste Flüssigkeit dem Inneren der Trommel zugeführt und durch Öffnungen in den Mantel der Trommel ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoß der ersten Flüssigkeit aus der Trommel in einem bestimmten Abstand radial außerhalb der äußeren Trommelwand be­ wirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit kontinuierlich in die hohle Trommel eingeführt wird.

3. Vorrichtung zum Verteilen einer ersten Flüssigkeit in einer zweiten Flüssigkeit gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 mit einem Behälter zur Aufnahme der zweiten Flüssigkeit, mit einer drehbar gelagerten und antreibbaren hohlen Trommel in dem Behäl­ ter, mit einer Zuleitung in das Innere der Trommel für die erste Flüssigkeit und mit einer Vielzahl von Öffnungen im Mantel der Trommel, aus denen die erste Flüssigkeit in die zweite Flüssigkeit eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Öffnungen im Mantel der Trommel sich radial er­ streckende Düsen anschließen, die in einem bestimmten Abstand von der Trommelwand enden, so daß der Ausfluß der ersten Flüs­ sigkeit in einem Abstand vom Trommelumfang erfolgt.