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System zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere zur
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Karbonisierung und/oder Nitrierung von Fertiggetränken.
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Die Erfindung betrifft ein System zum Begasen von Flüssigkeiten nach
dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.
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Ein System dieser Art ist u.a. Geyenstand der DE-OS 31 22 186.
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Mittels eines solchen Systemes ist es möglich, eine wesentlich größere
Menge von Gas blasenfrei in die Flüssigkeit einzubringen, als mittels eines weiteren
bekannten Begasungssystems, welches mit Injektordüse arbeitet. Die transportierbare
Gasmenge hängt jedoch beim vorliegenden System u.a.
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von der Dicke der verwendeten Membrane und von deren Widerstandsfähigkeit
gegenüber Differenzdrücken ab. Gemäß der vorstehenden DE-OS wird daher eine relativ
dünne Silikonkautschuk-Membrane verwendet, welche mittels eines integrierten Stützgewebes
in die Lage versetzt ist, relativ hohen Differenzdrücken standzuhalten. Durch dieses
Stützgewebe wird jedoch die wirksame Membranfläche stark verkleinert, wodurch der
Vorteil der größeren Belastbarkeit zum Teil wieder aufgehoben wird.
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Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art in der Weise weiter zu entwickeln, daß die Karbonisierung und Nitrierung
von Fertiggetränken unter Einsatz der permeativen Eigenschaften von Membranen in
weniger aufwendigen Anlagen mit möglichst geringen Betriebskosten vor sich gehen
kann.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Durch den Einsatz von Porenmembranen mit hydrophoben Eigenschaften
wird verhindert, daß bei höherem Druck auf der Flüssigseite im Vergleich zur Gasseite
Flüssigkeit in den Gasraum dringt, wodurch die Regelung des gesamten Prozesses wesentlich
vereinfacht wird.
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Für handelsübliche, hydrophobe Polypropylen-Membranfolien werden z.B.
Wasser-Eindringdrücke von bis zu 3 bar angegeben.
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Durch den Einsatz von hydrophoben Porenfolien lassen sich außerdem
schon bei sehr niedrigen, treibenden transmembralen Druckdifferenzen relativ hohe
Gasflußraten erzielen.
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Dadurch kann die Durchsatzrate an Produktionsstrom bei gleicher Austauschfläche
im Vergleich zu bekannten Begasungsverfahren erheblich gesteigert und dadurch der
Gesamtprozeß wesentlich ökonomischer durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße System
läßt sich daher mit Vorteil zur rationellen Herstellung von Mineralwässern, Bier,
Sekt, Süßgetränken o.dgl. verwenden. Außer dem in der Flüssigkeit löslichen Cm2
Gas können der Flüssigkeit auf diese Weise zusätzlich oder stattdessen noch andere
Gase, wie z.B. das bei manchen Biersorten zur Verbesserung der Schaumbildung verwendete
Stickstoffgas, zugesetzt werden.
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Die Gasflußrate des erfindungsgemäßen Begasungssystems wird ferner
durch die besondere Strömungsführung an der Membrane beeinflußt, gemäß welcher die
flüssigkeitsführende Kammer mindestens eine Zuleitung und eine Ableitung und die
gas führende Kammer mindestens eine Zuleitung und allenfalls mittels eines Ventiles
verschließbare Ableitungen besitzt, und gemäß welcher im Falle der Verwendung eines
Kapillar-Membranaustauschers die Flüssigphase wenigstens auf einem Teil ihres Weges
eine quer zur Längsachse der tubulären Membrane verlaufende Strömungskomponente
aufweist.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung erörtert wird. Die einzige Figur zeigt die schematische Darstellung
eines erfindungsgemäßen Systems zur Begasung von Flüssigkeiten.
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Gemäß der Figur ist in einem druckfesten Behälter 11 ein Kapillar-Membranaustauscher
10 angeordnet, welcher von einem Bündel von tubulären Membranen 22 gebildet wird.
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Die offenen Enden der parallel zur Längsachse des Behälters 11 verlaufenden
tubulären Membrane 22 sind in einer Einbettmasse 13 eingebettet, welche bis an die
Innenwände des Behälters 11 reicht und diesen in je eine zu beiden Seiten des Membranaustauschers
10 liegende, gasführende Kammer 14 bzw. 15 und eine zwischen den tubulären Membranen
22 liegende, flüssigkeitsführende Kammer 20 aufteilt.
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Die tubulären Membranen22, welche einen Innendurchmesser von etwa
1,5 mm aufweisen, werden von hydrophoben Polypropylen-Porenmembranen gebildet, wie
si beispielsweise von der Fa.Enka AG, Wuppertal, vertrieben werden. Die Trennwanaw
en beiden Phasen kann durchgehendt teilweise oder oberflächig hydrophob sein.
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Der vorgenannte Membranaustauscher ist für den Karbonisierungsprozeß
besonders vorteilhaft, weil der Transport des Gases durch die Membrane per Diffusion,
teilweise mit überlagerter Konvektion, erfolgt, und weil das permeierende Gas in
der Flüssigkeit keine Blasen bildet, sondern direkt in Lösung geht. Außerdem steht
dabei der Flüssigkeit pro Volumeneinheit eine relativ große Gasübertragungsoberfläche
zur Verfügung, wodurch sich eine weitgehend homogene CO2-Verteilung in der Flüssigkeit
ergibt.
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Aufgrund der vorgenannten Eigenschaften des Membranaustauschers ist
eine direkte Lösung des Gases in der Flüssigkeit gewährleistet, wobei keine Blasenbildung
auftritt und kein Überschußgas zugeführt werden muß. Der Membranaustauscher muß
dabei so dimensioniert sein, daß er die entsprechend den vorgegebenen Flüssigkeitsdaten
vorgesehene, in der Flüssigkeit zu lösende Gasmenge liefert. Ferner ist dafür Sorge
zu tragen, daß durch eine geeignete Stömungsführung der Flüssigkeit eine möglichst
intensive Durchmischung der mit der Membranoberfläche in Berührung stehenden Flüssigkeit
stattfindet. Besonders günstig wirkt sich in dieser Richtung eine überströmte Membrane
aus.
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Grundsätzlich lassen sich alle bekannten Bauarten von Membranaustauschern,
wie z.B. Rohr-, Hohlfaser-, Platten-oder Wickelmodule für die erfindungsgemäße Einrichtung
verwenden, soweit sie mit einer entsprechend geformten Membrane aus einem geeigneten
Membranwerkstoff, d.h. einer hydrophoben Porenfolie oder einem entsprechenden Porenkörper
aus Kunststoff, Keramik, Metall, Glas oder Naturstoff ausgestattet sind.
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Zum Zu- und Abführen der Prozeßflüssigkeit F und des Prozeßgases G
sind an dem Behälter 11 Anschlußstutzen 16-19 angebracht. Der Anschlußstutzen 16
ist mit einer Zuführleitung 31 für Prozeßgas G verbunden, in welche ein Kompressor
36 für das zuzuführende Prozeßgas, vorzugsweise CO21 N21 oder ein CO2/N2-Gasgemisch,
eingeschaltet ist. Der Kompressor 36 bringt das zugeführte Prozeßgas, soweit erforderlich,
auf ein höheres, den Gastransport in die Flüssigkeit begünstigendes Druckniveau.
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Das mittels der Zuführleitung 31 zugeführte Prozeßgas G fließt zunächst
in die flüssigkeitsführende Kammer 14 und wird von dort auf die Innenräume 12 der
tubulären Membrane 22 verteilt. Die Membrane 22 stehen außerdem mit der in Strömungsrichtung
hinter den Membranen 22 angeordneten gasführenden Kammer 15 in Verbindung, welche
mittels des Anschlußstutzens 19 an eine Rückführleitung 34 für das Prozeßgas G angeschlossen
ist. Die Rückführleitung 34 ist mittels eines Ab.sperrventiles 38 verschließbar.
Bei geschlossenem Absperrventil 38 steigt der Gasdruck im Inneren der tubulären
Membrane 22 auf die durch den Kompressor 36 vorgegebene Höhe, wobei ein Abfluß von
Prozeßgas nur durch die Membranwände möglich ist. D.h., das gesamte zugeführte Prozeßgas
G wird zur Begasung der Prozeßflüssigkeit verwendet. Nach dem Öffnen des Absperrventiles
38 kann das innerhalb des Membranaustauschers 11 befindliche Prozeßgas, z.B. zur
Reinigung oder zum Ubergang auf ein anderes Prozeßgas, ausgetauscht werden.
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Am Anschlußstutzen 17 liegt eine Zuführleitung 32 für die Prozeßflüssigkeit
F, in welche eine Umwälzpumpe 37 eingeschaltet ist. Die Umwälzpumpe 37 befördert
die Prozeßflüssigkeit F zu der die tubulären Membrane 22 umgebenden, flüssigkeitsführenden
Kammer 20. Die Prozeßflüssigkeit durchströmt die Kammer 20 auf einem im wesentlichen
U-förmigen Weg, welcher zu einem großen Teil quer zu den Längsachsen der tubulären
Membranen 22 verläuft. Sie verläßt den Behälter 11 durch den Anschlußstutzen 18,
welcher mit einer Rückflußleitung 33 für die fertig begaste Prozeßflüssigkeit F
verbunden ist. Durch die vorstehende Strömungsführung kommt die Prozeßflüssigkeit
in intensive Berührung mit der gesamten Oberfläche der tubulären Membrane 22, wodurch
ein schneller Gasaustausch zwischen der flüssigkeitsführenden Kammer 20 und dem
gasführenden Innenraum 12 der tubulären Membrane 22 entsteht.
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Auf dem Weg zur Rückführleitung 33 nimmt die Prozeßflüssigkeit F soviel
von dem durch die Membranwände diffundierenden Gas auf, daß ie gesättigt ist und
als karbonisiertes und/oder nitriertes Fertiggetränk die Apparatur verläßt. Als
treibende Kraft für den Stoffaustauschprozeß wird die transmembrale Paratialdruckdifferenz
des Gases ausgenutzt.
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Vorteilhaft wird dabei das Gas mit einem etwas höheren Absolutdruck
im Vergleich zum Flüssigkeitsdruck gefahren.
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Zur Steigerung des Gas- und/oder Flüssigkeitsdurchsatzes können mehrere
Membranaustauscher 10 parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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- Leerseie -