DE3431083A1

DE3431083A1 - Verfahren zum entgasen einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE3431083A1
Application number: DE3431083A
Authority: DE
Inventors: Yves Domene Lecoffre; Jean Grenoble Marcoz
Original assignee: Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1984-08-23
Publication date: 1985-03-14
Also published as: US4534774A; GB8420910D0; IT8467848A0; IT1179074B; GB2145348A; FR2550954A1; GB2145348B; FR2550954B1; JPH041643B2; JPS6061012A; IT8467848A1

Description

Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entgasen
einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dieses Verfahren ist auf eine Flüssigkeit anwendbar, die ein
störendes Gas in Lösung enthält. Das Verfahren hat die Verringerung der Konzentration dieses Gases bis auf einen Konzentrations-Endwert unterhalb des Anfangswerts zum Ziel. Insbesondere besteht oftmals die Aufgabe, die Luftkonzentration von natürlich gelöster Luft in einer Wassermasse deutlich zu verringern, falls das Wasser lange mit der Atmosphäre in Berührung stand. Der Austausch zwischen der Atmosphärenluft und dem Wasser hat dann zu einem Gleichgewicht geführt und die Anfangskonzentration ist somit die Sättigungskonzentration unter Atmosphärendruck. Bekanntlich erfolgen bei einer Flüssigkeit, die ein Gas. lösen kann und mit einem entsprechenden gasförmigen Milieu in Berührung steht, die Gasaustauschvorgänge kontinuierlich über _v die Grenzfläche zwischen der flüssigen und der gasförmigen
Phase, so daß sich die Tendenz ergibt, daß die Gaskonzentration in der Flüssigkeit sich stetig einer Sättigungskonzentration
annähert. Die Sattigungskonzentration steigt mit dem Gasdruck in dem gasförmigen Milieu, und die Masse des Gases, die in der Zeiteinheit über die Grenzfläche ausgetauscht wird, ist proportional zur Größe der Oberfläche.

Die Gründe für die Entgasung können sehr unterschiedlich sein. Beispielsweise möchte man die chemischen Reaktionen, an denen das gelöste Gas teilnehmen könnte, begrenzen oder die allzu
leichte Bildung von Gastaschen in der Flüssigkeit verhindern, falls die Flüssigkeit später einem örtlichen Unterdruck, beispielsweise durch die Schaufeln einer Turbine, unterworfen
wird.

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Ein Verfahren zum Entgasen ist aus der Zeitschrift Soviet Invention Illustrated, Derwent Publications Ltd,, Woche D39 vom 4.11.1981 und der sowjetischen Patentanmeldung 793 600 (SHLEIFER A.A.) vom 7.1.1981 bekannt. Dort· erfolgt ein Masseaustausch bei Unterdruck, währenddessen die zu entgasende Flüssigkeit in einem Trennbehälter mit freier Oberfläche enthalten ist. Das gasförmige Milieu oberhalb dieser Flüssigkeit wird abgesaugt, um dort den Druck des störenden Gases auf einen Entgasungswert abzusenken, der unter dem dfer gewünschten Endkonzentration entsprechenden Sättigungsdruck liegt,· Dieser Unterdruck wird solange aufrechterhalten, bis die Endkonzentration durch Masseaustausch über die Grenzfläche zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase erreicht Wird.

In diesem bekannten Verfahren wird die Grenzfläche zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase durch Einspritzen von Blasen des störenden Gases in die zu entgasende Flüssigkeit vergrößert. Wendet man dieses bekannte Verfahren auf Wasser an, in dem Luft.enthalten ist, und erfolgt das Einspritzen der Blasen nach bekannten Methoden, dann besitzt dieses Verfahren den Nachteil, eine Zeitdauer zu beanspruchen, die außerordentlich lang wird, wenn man eine große Wassermasse entgasen will, ohne zugleich die waagerechten Abmessungen des.Entgasungsbehälters ausdehnen zu müssen. Dieses Verfahren ist somit für industrielle Anwendungen ungeeignet.

Die Erfindung hat zum Ziel, bei geringen Kosten eine erhöhte Entgasungsgeschwindigkeit in einem Entgasungsbehälter begrenzter horizontaler Abmessungen und einfachen Aufbaus zu bieten. Dieses Ziel wird durch das im Anspruch 1 definierte Verfahren erreicht. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Kreislauf, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.

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Fig. 2 zeigt eine Einspritzdüse für Mikrobläschen im Schnitt entlang zweier Ebenen, die durch die zentrale Achse der Düse verlaufen und durch die Linie II-II in Fig. 3 angedeutet sind.

Fig. 3 zeigt die Düse aus Fig. 2 im Schnitt durch eine Ebene senkrecht zur mittleren Achse der Düse gemäß der Linie III-III aus Fig. 2.

Der als Beispiel gewählte hydraulische Kreis gehört zu einem hydrodynamischen Versorgungskanal, in dem das umlaufende Wasser mechanisch mit Versuchsmodellen hydraulischer Organe in Wechsel·wirkung treten soll. Da die Modelle kleinere Abmessungen als die tatsächlich zu bauenden hydraulischen Organe besitzen, können die Kavitationserscheinungen, die an dem Organ im wirkiichen Maßstab auftreten können, nur mit einem Wasser korrekt simuiiert werden, das einen verringerten Gehait an gelöster Luft aufweist.

Das Wasser des Versuchskreislaufes besitzt beispielsweise eine ursprüngliche Konzentration an gelöster Luft entsprechend der · Sättigung bei Atmosphärendruck. Die Luftkonzentration muß vor den Versuchen um 8 0% abgesenkt werden. Eine solche Entgasung erfordert beispielsweise mehr als 50 Stunden für ein Wasservolumen von 2 70 m³ unter Zuhilfenahme klassischer Techniken.

Der Versuchskreislauf besitzt einen Hauptteil· mit vier Zweigen T, 2, 3 und 4, von denen der Zweig 1 oben iiegt. Eine ieistungsstarke Pumpe 6 ist für die Versuche bestimmt. Sie iiegt im unteren Zweig 3 etwa 15 Meter unterhalb des Zweiges 1. Die umlauf richtung des Wassers ist durch Pfeile F angedeutet. Während des Entgasens läuft das Wasser in derselben Richtung mit geringerer Geschwindigkeit um, beispielsweise 0,5 m³/s. Dieses Wasser bildet die Flüssigkeit, die zu entgasen ist, während das störende Gas von der Luft gebildet wird.

Gemäß der Erfindung enthält das auf eine Flüssigkeit im geschlossenen Kreislauf anwendbare Entgasungsverfahren die ίυ_·;·!η-den Operationen :

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- Entnahme eines Teils des Flüssigkeitsdurchsatzes, Einspritzteil genannt. Dieser Teil umfaßt hier beispielsweise 20 l/s. Er verläuft durch eine Leitung 8.

- Unterdrucksetzung dieses Einspritzteils, und zwar auf einen

Druck, der größer als der doppelte Entgasungsdruck ist. Hier

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wird ein Druck von 3^; oder 4 Bar absolut mit einer Pumpe 10 erzeugt, die zwischen zwei Ventilen 12 und 13 liegt, während der Entgasungsdruck im Zweig 1 auf 0,1 Bar liegt.

- Entnahme eines Teils 14 aus dem Kreislauf, Gasanreicherungsteil genannt, der in einer mit einem Ventil 16 versehenen Leitung 14 strömt.

- Anreicherung dieses Teils mit Gas in einem Gasanreicherungsbehälter 18, dem das störende Gas zugeführt wird und der auf einen Gasanreicherungsdruck gebracht ist, welcher über dem Einspritzdruck liegt. Hierbei löst sich dieses eingespritzte Gas in der Flüssigkeit in einer Konzentration, die mindestens doppelt so groß wie die ursprüngliche Konzentration ist. Damit wird dieser Teil an Gas überangereichert. Der· Druck liegt hier bei 7 Bar und wird von einer Pumpe 20 erzeugt. Die erhaltene Konzentration ist siebenmal größer als die Konzentration, die sich ergäbe, wenn man die Flüssigkeit mit Gas bei Atmosphärendruck sättigen würde.

- Zunehmende und regelbare Entspannung dieses überangereicherten Teils und dessen Einmischen in regelbaren Anteilen in den Einspritzteil, derart, daß sich eine Einspritzmischung ergibt, die eine im wesentlichen konstante Einspritzkonzentration an dem störenden Gas aufweist. Diese Entspannung bis zum Einspritzdruck ergibt sich hier durch eine Folge von Ventilen 22. Sie muß zunehmend erfolgen, um die vorzeitige Bildung von Blasen in der übergasgesättigten Flüssigkeit zu verhindern.

- Einspritzen von Mikroblasen. Dies erfolgt mithilfe von fünf Düsen 24, die weiter unten erläutert werden und die Mischung durch Einspritzlöcher in einen Einspritzbehälter 26 eintreten lassen, der in Reihe im Zweig 1 an dessen strömungsmäßig oben liegenden Ende liegt. Ein nicht dargestelltes Beobachtungsfenster ermöglicht die Beobachtung der Wolken 27, die von den eingespritzten Mikroblasen gebildet werden. Die Ventile 22 werden

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abhängig von dem Umfang dieser Wolken eingestellt. - Masseaustausch bei Unterdruck. Diese Operation geht am Ausgang des Zweiges 1 in einem Trennbehälter 28 zuende, der eine Oberfläche von einigen Quadratmetern besitzt. Das gasförmige Milieu oberhalb dieser Oberfläche besteht aus einer Mischung von Luft und Wasserdampf. Es wird von einer Pumpe 3 0 angesaugt, die den Entgasungsdruck aufrechterhält.

Die Durchlaufzeit des Wassers zwischen dem Einspritzbehälter und dem Entgasungsbehälter liegt beispielsweise bei 20 Sekunden Dabei soll sich kein nennenswerter Druckverlust einstellen.

Gemäß den Figuren 2 und 3 besitzt jede Einspritzdüse eine große Zahn von Einspritzlöchern TI, beispielsweise 36 Löcher, derart, daß eine große Zahl von Mikroblasen pro Zeiteinheit eingeblasen wird.

Die Düse besitzt ein Eingangsrohr TE, das die unter Druck stehende Mischung der einzuspritzenden Flüssigkeit empfängt und die Form eines zu einer zentralen Achse AC drehsymmetrischen Zylinders aufweist, wobei die zylindrische Seitenwand dieses Rohrs eine Einspritzwand bildet und von einer Vielzahl von über die Oberfläche verteilten Einspritzlöchern PI durchbohrt ist. Die Düse enthält weiter ein Ablenkrohr TD, das das Eingangsrohr TE koaxial umgibt und dabei einen ringförmigen Durchgangszwisch raum IP freiläßt.

Dieses Ablenkrohr stellt eine Ablenkwand vor jedem der Einsprit löcher TI dar. Es weist mehrere Ausgangslöcher TS verteilt über • seine Oberfläche auf, um das Abfließen der in diesen Durchgangs! Zwischenraum eingespritzten Flüssigkeit zu ermöglichen. Diese Ausgangslöcher liegen in einem gewissen Abstand von den Einspritzlöchern. Ihre Gesamtheit bietet der Flüssigkeit einen Gesamtausgangsquerschnitt, der ein Vielfaches (mindestens das Doppelte) des Durchlaßquerschnittes bildet, den der Durchgangszwischenraum um die Gesamtheit der Einspritzlöcher herum bietet Der betreffende Ausgangsquerschnitt ist natürlich für jedes Ausgangsloch der kleinere von zwei Durchlaßquerschnitten, von denen der eine der Querschnitt im Durchgangszwischenraum auf

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dem Rand des Lochs und der andere der Querschnitt des Lochs selbst ist. Diese Anordnung hat zum Ziel, daß der .den Durchsatz der eingespritzten Flüssigkeit begrenzende Durchgangsquerschnitt um die Injektionslöcher herum und nicht in der Nähe der Ausgangslöcher begrenzt ist.

Vorzugsweise ist die _ί Breite des Durchgangszwischenraums geringer als ein Zehntel des Durchmessers der Einspritzlöcher TI, und die Gesamtheit der Ausgangslöcher TS weist einen totalen Durchgangsquerschnitt auf, der größer ist als der der Gesamtheit der Einspritzlöcher.

Weiter haben die Einspritzlöcher TI vorzugsweise einen individuellen Durchmesser zwischen 2 und 10 mm, beispielsweise 3 mm, und sie sind regelmäßig mindestens über einen Bereich der Mantelfläche des Eingangsrohrs TE verteilt, z.B. über diese ganze Fläche. Der Durchgangszwischenraum zwischen dem Eingangsrohr TE und dem Ablenkrohr TD hat eine im wesentlichen konstante Weite zwischen 0,1 und 0,5 mm, beispielsweise 0,15 mm.

Bei solchen Werten ist der Gasanteil, d.h. das-Verhältnis des totalen Volumens der Blasen zu dem der Flüssigkeit umso größer, je enger der Zwischenraum IP ist, und je kleiner der Durchmesser der Einspritzlöcher TI ist; wählt man aber den Zwischenraum zu eng oder die Löcher zu fein, dann besteht die Gefahr einer Verstopfung.

Die Ausgangslöcher TS sind regelmäßig über den ganzen Bereich des Ablenkrohrs TD verteilt, der den Einspritzlöchern gegenüberliegt, und sind z.B. zwischen diesen Einspritzlöchern über die- ganze seitliche Oberfläche der Rohre TE und TD verteilt. Die Einspritzlöcher sind z.B. in Etagen verteilt, die einander regelmäßig gemäß der Länge der zentralen Achse AC folgen, und sind in jeder Etage igemäß einer regelmäßigen winkelmäßigen Folge rund um diese 'Achse verteilt. Die Ausgangslöcher sind ebenfalls in Etagen ^angeordnet und in jeder Etage winkelmäßig mit demselben Abstand wie die Einspritzlöcher, jedoch mit einer

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winkelmäßigen Verschiebung um einen halben Schritt verteilb. Die Abstände der beiden Folgen von Etagen in Achsrichtung sind die gleichen, wobei die Etagen der Ausgangslöcher wie dargestellt mit denen der Einspritzlöcher entweder zusammenfallen oder um einen halben Achsschritt verschoben sind. Die Ausgangslöcher haben einen Durchmesser von etwa 10 mm.

Vorzugsweise ist ein Ausgangsführungsglied GS auf dem Ablenkrohr* TD gegenüber jedem Ausgangsloch TS befestigt, um den Flüssigkeitsstrom, der aus diesem Loch kommt und Mikroblasen enthält, in eine Richtung zu lenken, die der der zentralen Achse AC nahekommt.

Insbesondere wird ein Ausgangsführungsglied GS auf jeder Etage von Ausgangslöchern von einer kegelstumpfformigen Wand gebildet, die zur Achge drehsymmetrisch ist und deren kleine kreisförmige Basis auf dem Ausgangsrohr in Abstand von den Ausgangslöchern dieser Etage befestigt ist, wobei die kegelstumpfformigen Ausgangsführungsglieder der aufeinanderfolgenden Etagen ,. alle im wesentlichen den gleichen Halbwinkel an der Spitze von weniger als 45° aufweisen. Dieser Halbwinkel an der Spitze,, liegt beispielsweise bei 20°.

Fig. 3 zeigt außerdem Strahlseparatoren SJ, die radial jedes Ausgangsführungsglied GS mit dem Ablenkrohr TD verbinden und winkelmäßig zwischen je zwei Ausgangslöchern TS liegen.

Die Einspritzdüse weist noch einen Empfangskonus CR auf, der zur zentralen Achse AC drehsymmetrisch ist und der die Gesamtheit der Ausgangsführungsglieder GS umgibt und einen Winkel an der Spitze aufweist, der die gleiche Richtung wie der Winkel dieser Führungsglieder besitzt und nicht größer ist als dieser, um die Gesamtheit der aus den Ausgangslöchern kommenden Strömungen entlang einer zur zentralen Achse AC parallelen mittleren Richtung zum Behälter EC zu führen.

Die Einspritzdüse weist schließlich ein allgemeines kegelstumpfförmiges Ablenkblech DG auf, das ebenfalls zur zentralen Achse

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AC drehsymmetrisch ist und dessen kleine Basis sich an die Seitenwand des Ablenkrohrs TD hinter den Ausgangsführungsgliedern TS mit einem Halbwinkel an der Spitze anschließt, der dieselbe Richtung hat und größer ist als der Winkel dieser Führungsglieder, um in dem Behälter EC die aus dem Empfangskonus CR kommende Strömung zu verteilen.

Das Ablenkrohr TD ist so angeordnet, daß es um die zentrale Achse AC in bezug auf das Eingangsrohr TE gedreht werden kann, um die Reinigung der Einspritzlöcher TI und des Durchgangszwischenraums zwischen diesem Rohr.TD und dem Eingangsrohr TE zu ermöglichen. Diese Drehung erfolgt ohne Dichtheitsverlust aufgrund zweier Torusdichtungen JE und JF, die stromaufwärts vor den Einspritz- und Ausgangslöchern einerseits zwischen dem Ablenkrohr TD und einem festen Tragegerüst BS und andererseits zwischen diesem Ablenkrohr und dem Eingangsrohr TE angeordnet sind.

Über das allgemeine Ablenkblech DG kann man das Ablenkrohr TD leicht drehen.

Die soeben beschriebene Einspritzdüse ermöglicht einen Blasenanteil von 1% bei Blasen eines Durchmessers von etwa 0,1 nun. Der Wasserdurchsatz liegt bei 3 l/s.

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Man erhält somit in;etwa einer Stunde in einem Wassergesamt-

volumen von 270 m³ eine Endkonzentration an gelöster Luft, die gleich 2 0% der ursprünglichen Konzentration ist, unter Verwendung von fünf derartigen Düsen.

Allgemein gilt, daß der-gesamte Durchsatz Qi der Düsen in m³/s vom Gesamtvolumen V des zu entgasenden Wassers in m³ abhängt. Der Durchsatz wird näherungsweise durch das Gesetz Qi = 4,3.10 .V bestimmt. Für einen absoluten Einspritzdruck von 4 Bar liegt die Anzahl von Einspritzöffnungen in der Größenordnung von

2,25 . 10⁴Qi.

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Claims

Fo 13482 D

ALSTHOM-ATLANTIQUE 38, avenue Kleber F - 7579 4 PARIS CEDEX 16

VERFAHREN ZUM ENTGASEN EINER FLÜSSIGKEIT

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren -zum Entgasen einer Flüssigkeit, die ein.störendes Gas in Lösung enthält, wobei im Rahmen des Verfahrens ein Masseäüstaiis^Jch bei Unterdruck erfolgt, bei dem die zu entgasende Flüssigkeit in einen Trennbehälter gebracht wird, oberhalb dessen Flüssigkeitsspiegel ein Unterdruck herrscht, um den Gasdruck dort auf einen unterhalb des Sättigungsdrucks ^f entsprechend der gewünschten Endkonzentration des Gases liegenden Druck abzusenken, wobei dieser Gasdruck hinreichend lange aufrechterhalten wird, um die gewünschte Endkonzentration durch Masseaustausch über die Grenzfläche zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase zu erreichen, und bei dem in die noch nicht entgaste Flüssigkeit Blasen des störenden Gases gespritzt werden, durch die der Bereich der Grenzfläche zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase während der Behandlung im Trennbehälter vergrößert und somit der Masseaustausch beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Blasen einen Durchmesser zwischen 50 und 100 μπι besitzen, so daß die Blasen eine geringe ursprüngliche Auftriebsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit besitzen und einen großen Grenzflächenbereich bei niedrigem Durchsatz des eingespritzten Gases erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 in. Anwendung auf eine Flüssigkeit, die in geschlossenem Kreislauf umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem folgende Schritte aufweist :

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- Entnahme (8) eines Teils der umlaufenden Flüssigkeit, der für das Einspritzen Verwendung findet,

- Erhöhung des Drucks (10) in diesem Teil für das Einspritzen bei einem Einspritzdruck, der größer als der doppelte Wert des Entgasungsdrucks ist.

- Entnahme eines Teils (14) der umlaufenden Flüssigkeit für die Gasanreicherung,

- Anreicherung dieses Teils mit Gas in einem Gasanreicherungsbehälter (18), dem das störende Gas zugeführt wird und der auf einen Gasanreicherungsdruck gebracht ist, der über dem Einspritzdruck liegt, um das Gas in der Flüssigkeit in einer Konzentration zu lösen, die über dem doppelten Wert der ursprünglichen Konzentration liegt,; und um diesen Teil der Flüssigkeit in einen Zustand mit erhöhtem Gasanteil umzuwandeln,

- und zunehmende und regelbare Entspannung (22) dieses Teils mit erhöhtem Gasanteil, um ihn in regelbarem Verhältnis zu dem für das Einspritzen vorgesehenen Teil zuzumischen und um so eine Einspritzmischung zu liefern, die eine im wesentlichen konstante Konzentration an dem störenden Gas aufweist, wobei das Einspritzen der Blasen in die Flüssigkeit durch Einspritzlöcher erfolgt, die mit der Einspritzmischung versorgt werden und in die Flüssigkeit im wesentlichen bei dem Entgasungsdruck einmünden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzen in'einem Einspritzbehälter (26) erfolgt, der sich in Strömungsrichtung vor dem Trennbehälter (28) befindet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet', daß das . störende Gas Luft und die Flüssigkeit 'Wasser ist.