DE4331684A1 - Vorrichtung zur Phasentrennung einer Gas/Flüssigkeitsströmung, gegebenenfalls mit vorheriger Vermischung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Phasentrennung einer Gas/Flüssigkeits­ strömung mit einem Mantelgehäuse, einer Zuleitung für die Gas/Flüssigkeitsströmung, einer Leitung für die abgetrennte gasförmige Phase und einer Leitung für die abgetrennte Flüssigphase, sowie eine Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen und Vermischen eines Gasstromes mit einer Flüssigkeit und anschließender Phasentrennung der entstehenden Gas/Flüssigkeitsströmung mit einem Mantelgehäuse, einer Zuleitung und einem Abströmkanal für den Gasstrom.

In zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen werden Gas-Flüssigkeitsseparatoren benötigt. Die Abtrennung der Flüssigkeit vom Gasstrom soll dabei mit einem möglichst geringen Druckverlust und bei einem sehr hohen Abscheidegrad durchgeführt werden.

Diese Eigenschaften sind auch in Kontaktapparaten zum In-Kontakt-Bringen und Vermischen von Gasströmen mit einer Flüssigkeit und der anschließenden Phasentrennung von Flüssig- und Gasphase erwünscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die einen geringen Druckverlust bei einem sehr hohen Abscheidegrad der Flüssigkeit von der Gasströmung gewährleisten. Außerdem sollen die Vorrichtungen durch eine kompakte Bauweise charakterisiert sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung zur Phasentrennung dadurch gelöst, daß oberhalb der zentral und vertikal angeordneten Zuleitung ein Prallschirm unter einem Winkel von 70 bis 110°, vorzugsweise 90°, befestigt ist und daß der Prallschirm am äußeren Ende einen in etwa parallel unter einem Winkel von 140 bis 200°, vorzugsweise 180°, zur Zuleitung verlaufenden Abweiskragen aufweist, auf dessen zur Zuleitung gewandten Innenseite Flüssigkeitssträhnen erzeugende Einbauten angebracht sind, wobei der Abweiskragen und das Mantelgehäuse einen Abströmkanal für die Gasphase begrenzen.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasentrennung wird die Gas/Flüssigkeits­ strömung gegen den Prallschirm mit Abweiskragen geführt, wobei die Strömung um etwa 180° nach unten umgelenkt wird. Dabei entsteht am Prallschirm bzw. am Abweiskragen ein Flüssigkeitsfilm, der durch die Einbauten in Flüssigkeitssträhnen aufgespalten wird. In den Zwischenräumen zwischen den Flüssigkeitssträhnen kann das Gas ungehindert nach oben über einen Abströmkanal entweichen, ohne daß nennenswerte Mengen an Flüssigkeit mitgerissen werden. Die Umlenkung der Strömung erfolgt bei einem Winkel zwischen Tauchrohr und Abweiskragen von 140° mit einer Änderung der Strömungsrichtung kleiner 180°, bei einem Winkel zwischen Tauchrohr und Abweiskragen von 200° mit einer Änderung der Strömungsrichtung größer 180°. Die von den Einbauten ablaufenden Flüssigkeitssträhnen stauen sich im unteren Teil der Vorrichtung auf und können über eine Leitung abgezogen werden. Entscheidend für den hohen Abscheidegrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Umlenkung der Strömungsrichtung um etwa 180°, da Versuche gezeigt haben, daß die Abscheidegrade der Flüssigkeit bei Winkeln zwischen 120 und 140° bereits erheblich verschlechtert sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird für die Vorrichtung zum In-Kontakt- Bringen und Vermischen eines Gasstromes mit einer Flüssigkeit und anschließender Phasentrennung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung ein zentral und vertikal angeordnetes Tauchrohr, einen um das untere Tauchrohrende angeordneten inneren Ringraum, der nach außen durch eine über das untere Tauchrohrende ragendes Führungsrohr begrenzt ist, einen unter einem Winkel von 70 bis 110°, vorzugsweise senkrecht, zum Tauchrohr angeordneten Prallschirm mit einem an dessen äußeren Ende in etwa parallel unter einem Winkel von 140 bis 200°, vorzugsweise 180°, zum Tauchrohr ausgerichteten Abweiskragen, auf dem Flüssigkeitssträhnen erzeugende Einbauten angebracht sind und einen mit dem inneren Ringraum strömungstechnisch verbundenen Sammelraum aufweist, der nach außen durch das Mantelgehäuse begrenzt ist.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die oben beschriebene Funktionsweise der Vorrichtung zur Phasentrennung aus. Darüber hinaus wird in der Vorrichtung eine Gas- Flüssigkeitsströmung erzeugt, in dem der über das Tauchrohr in die Vorrichtung einströmende Gasstrom gegen die im inneren Ringraum aufgestaute Flüssigkeit geführt wird und dabei die Strömungsrichtung um etwa 180° umgelenkt wird, wobei ein Teil der Flüssigkeit durch die Gasströmung mitgerissen wird und Gas und Flüssigkeit verwirbelt werden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß trotz der verhältnismäßig einfachen Bauweise der Vorrichtung zunächst ein guter Kontakt zwischen Gasstrom und Flüssigkeit auftritt, der mit einer Vermischung von Gas und Flüssigkeit verbunden ist. Die Abscheidung der Flüssigkeit wird im wesentlichen durch das Umlenken der Strömung erreicht. Dabei entsteht ein Flüssigkeitsfilm, der in einzelne Flüssigkeitssträhnen aufgespalten wird, damit die Flüssigkeit nicht erneut durch das nach oben abströmende Gas zerstäubt wird. Eine nahezu vollständige Abscheidung der Flüssigkeit vom Gasstrom wird schließlich dadurch erreicht, daß die einzelnen Flüssigkeitssträhnen die noch in der Gasströmung mitgeführten Tropfen aufnehmen und ansammeln können, während gleichzeitig durch den Zwischenraum zwischen den Flüssigkeitssträhnen die Gasströmung ungehindert nach oben abströmen kann, ohne in nennenswertem Maße Flüssigkeit aus der Vorrichtung auszutragen.

Mit Vorteil bestehen die strähnenerzeugenden Einbauten aus symmetrisch angeordneten Abweisblechen. Besonders bevorzugt werden die Abweisbleche in in vertikaler Richtung versetzten Reihen auf dem Abweiskragen angeordnet. Dadurch wird bewirkt daß die Flüssigkeitssträhnen von den zunächst angeströmten Abweisblechen auf die Abweisbleche der darunter angeordneten Reihe von Abweisblechen treffen. Damit kann der Abscheidegrad zwischen Flüssigkeit und Gasphase weiter erhöht werden. Besonders bewährt haben sich dachförmige (d. h. in Form eines auf den Kopf gestellten "V") mit einem Winkel von 15 bis 90°, vorzugsweise 20 bis 40°, bewährt.

In vorteilhafter Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das untere Tauchrohrende ein Sägezahnprofil auf. Der Vorteil des Sägezahnprofils wird deutlich, wenn zunächst die Funktionsweise der Vorrichtung bei unterschiedlich starken Gasströmungen durch das Tauchrohr betrachtet wird. Ohne Gasströmung (in Ruhe und ohne Vordruck) stellt sich im inneren Ringraum und im Sammelraum ein gleicher Flüssigkeitsspiegel ein. Bei beginnender und leichter Gasströmung wird der Flüssigkeitsspiegel im inneren Ringraum abgesenkt, bis die ersten Gasblasen aus den Ecken der Sägezähne austreten können. Durch das Volumen der aufsteigenden Gasblasen steigt der Spiegel des Gas/Flüssigkeitsgemisches im inneren Ringraum über die Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Sammelraum an. Bei einer mittleren Gasbelastung, dem üblichen Betriebszustand, wird ein großer Teil der Flüssigkeit aus dem inneren Ringraum in den Sammelraum verdrängt, wobei durch den hydrostatischen Druck im Sammelraum die Flüssigkeit durch die Verbindung zwischen Sammelraum und innerem Ringraum zurückfließen kann. So stellt sich ein Umlauf (Zirkulation) der Flüssigkeit in der Vorrichtung ein, die einen pulsationsfreien Betrieb gewährleistet. Oberhalb einer maximalen Gasbelastung schließlich ist der Staudruck des Gases an der Verbindung von innerem Ringraum und Sammelraum so groß, daß die umlaufende Flüssigkeit an dieser Verbindung gestaut wird und nicht mehr zirkulieren kann. Das Gas kann nun, ohne Flüssigkeit aufzunehmen, und mit geringem Druckverlust durch die Vorrichtung strömen. Durch die Sägezähne am Tauchrohrende wird also erreicht, daß bei relativ kleinen Gasbelastungen bereits ein Betriebszustand einer mittleren Gasbelastung auftritt, bei der der Flüssigkeitsspiegel im Sammelraum über dem des inneren Ringraumes steht. Das Sägezahnprofil am Tauchrohrende erhöht also die Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich des Volumenstroms der Gasströmung, bei gleichbleibender Flüssigkeitsmenge in der Vorrichtung.

Durch eine Schrägverzahnung der Sägezähne des Tauchrohrendes kann eine Drallströmung erzeugt werden. Damit kann die anschließende Auftrennung der gasförmigen und flüssigen Phase unterstützt werden.

Mit Vorteil ist der innere Ringraum durch mindestens eine Rückfüllöffnung, vorzugsweise ein Rückfüllrohr mit dem Sammelraum strömungstechnisch verbunden. Die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) verhindert/verhindern Schwingungen der Flüssigkeit in der Vorrichtung, die sich ohne Dämpfung aufschaukeln und zu Pulsationen in der Vorrichtung führen können. Diese Schwingungen werden durch die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) gedämpft bzw. unterbunden. Bei Verwendung eines Rückfüllrohres sollte dieses den inneren Ringraum auf seiner Innenseite begrenzen. Bevorzugt wird ein Durchmesser der Rückfüllöffnung bzw. des Rückfüllrohres mit 20 bis 50%, vorzugsweise 30 bis 40% des Durchmessers des Tauchrohres gewählt.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist/sind die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) in eine Zwischenwand eingebaut, die zusammen mit dem Führungsrohr einen Speicherraum begrenzt, der Öffnungen zu einem äußeren Ringraum aufweist. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß das Führungsrohr bis zum Standboden der Vorrichtung verlängert wird. Der Sammelraum wird durch diese Maßnahmen in einen Speicherraum und einen äußeren Ringraum aufgeteilt. Die Dämpfungseigenschaften der Vorrichtung bezüglich Schwingungen der Flüssigkeit werden dadurch weiter verbessert. Bevorzugt sind dabei die Öffnungen in Form von im unteren Bereich des Speicherraumes befindlichen Schlitzen oder Lochreihen ausgebildet. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Gesamtfläche der Öffnungen das 1- bis 5-fache der Querschnittsfläche der Rückfüllöffnung(en) bzw. des/der Rückfüllrohre(s) beträgt. In diesem Fall wirkt/wirken hauptsächlich die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) als Schwingungsdämpfer.

Mit Vorteil kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen und Vermischen eines Gasstromes mit einer Flüssigkeit und anschließender Phasentrennung der entstehenden Gas/Flüssigkeitsströmung als Gaswäscher eingesetzt werden. Die über das Tauchrohr eingeströmten Gase werden dabei in einer Waschzone, die sich zwischen der im inneren Ringraum aufgestauten Flüssigkeit und dem Prallschirm befindet, in intensiven Kontakt mit einer Waschflüssigkeit gebracht und gewaschen. Nach der Umlenkung der Gas/Flüssigkeitsströmung um etwa 180° findet die Abtrennung der Waschflüssigkeit vom Gas statt. Der Rücklauf der Waschflüssigkeit durch die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) stellt sich selbsttätig ein. Die Vorteile gegenüber konventionellen Wäschern bestehen darin, daß keine Fremdenergie erforderlich wird, daß hohe Gasdurchsätze ermöglicht werden und daß der Gaswäscher ein geringes Bauvolumen aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch vorteilhafterweise auch als Quench- Behälter verwendet werden. Dabei wirkt der Bereich zwischen der im inneren Ringraum aufgestauten Flüssigkeit und dem Prallschirm als Kondensationszone, in dem das zu kondensierende Gas in intensiven Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht wird und durch Wärmeabgabe an die kalte Flüssigkeit zumindestens teilweise kondensiert. Nach der Umlenkung der Strömung um etwa 180° erfolgt die Abtrennung der nichtkondensierten bzw. nichtkondensierbaren Gase von der Flüssigkeit. Vorteile gegenüber konventionellen Quench-Behältern bestehen in möglichen hohen Gasdurchsätzen, der robusten Bauweise der Vorrichtung bei einem geringen Bauvolumen und in der Tatsache, daß keine Fremdenergie benötigt wird.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeichnen sich durch eine relativ einfache Bauweise aus, die es jedem Fachmann problemlos ermöglicht, diese für einen speziellen Anwendungsfall auszulegen. Insbesondere kann dabei besonders gut der Druckverlust der Vorrichtungen bei einer bestimmten Gasströmung und gegebenenfalls Flüssigkeitsbeladung berechnet bzw. abgeschätzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen näher erläutert.

Hierbei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Phasentrennung einer Gas/Flüssigkeitsströmung und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen und Vermischen eines Gasstromes mit einer Flüssigkeit und anschließender Phasentrennung.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind Äquivalente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird eine Gas/Flüssigkeitsströmung über eine Zuleitung 1 in die Vorrichtung eingeleitet. Die Strömung wird am Prallschirm 5 und den an diesem senkrecht angeordneten Abweiskragen 6 um etwa 180° umgelenkt. Der dabei entstehende Flüssigkeitsfilm wird durch eine erste Reihe von Abweisblechen 7 in Flüssigkeitssträhnen aufgeteilt, die auf eine zweite, versetzt angeordnete Reihe von Abweisblechen 8 treffen. In den Zwischenräumen zwischen den von den Abweisblechen 8 ablaufenden Flüssigkeitssträhnen kann das Gas nahezu ungehindert nach oben in den durch den Abweiskragen 6 und das Mantelgehäuse 4 gebildeten Abströmkanal 9 entweichen und über Leitung 2 aus der Vorrichtung abgezogen werden. Die Flüssigkeitssträhnen strömen aufgrund der Gravitationswirkung nach unten ab und sammeln sich in der aufgestauten Flüssigkeit, die über Leitung 3 abgezogen wird.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird eine Gasströmung über ein zentral und vertikal angeordnetes Tauchrohr 10 eingeleitet. Durch den Druck der Gasströmung wird die Flüssigkeit im inneren Ringraum 12 bei der gezeigten mittleren Gasbelastung auf einem Flüssigkeitsstand gehalten, der unterhalb des Flüssigkeitsstandes des äußeren Ringraumes 14 liegt. Die Gasströmung tritt zwischen den Sägezähnen des Tauchrohrendes 11 aus dem Tauchrohr 10 aus und wird um etwa 180° umgelenkt, wobei Flüssigkeit aus dem inneren Ringraum 12 mitgerissen und ausgeworfen wird. Die Flüssigkeit strömt unter Einwirkung der leicht rotierenden Gasströmung teilweise als Wandfilm am Führungsrohr 13 entlang nach oben. Flüssigkeitstropfen werden von der Gasströmung aufgenommen, wobei sich eine Gas/Flüssigkeitsströmung bildet. Diese trifft mit hoher Geschwindigkeit auf den senkrecht zum Tauchrohr 10 angeordneten Prallschirm 5, der mit einem am äußeren Ende des Prallschirms befestigten, parallel zum Tauchrohr 10 angeordneten Abweiskragen 6 ausgestattet ist. Auf der Innenseite des Abweiskragens 6 sind in zwei Reihen Abweisbleche 7 und 8 in versetzter Anordnung montiert. Die Strömung wird durch den Prallschirm 5 und den Abweiskragen 6 um etwa 180° umgelenkt. Der Flüssigkeitsfilm wird durch die als Strömungsteiler wirkenden Abweisbleche 7 und 8 in einzelne Flüssigkeitssträhnen zerteilt. Das Gas wird bei einer Änderung der Strömungsrichtung um 180° nach oben durch die Zwischenräume zwischen den Flüssigkeitssträhnen abgezogen. Die Flüssigkeitssträhnen strömen in die im äußeren Ringraum 14 aufgestaute Flüssigkeit 8, wobei die Flüssigkeitssträhnen im wesentlichen über den Gehäusemantel 4 abfließen. Die Flüssigkeit gelangt vom äußeren Ringraum 14 über die am unteren Ende des Führungsrohres 13 angebrachten Schlitze 18 in den Speicherraum 17. Dieser wird nach oben durch die Zwischenwand 16 begrenzt, wobei die Flüssigkeit vom Speicherraum 17 über das Rückfüllrohr 15 in den inneren Ringraum 12 fließt. Der äußere Ringraum 14 und der Speicherraum 17 sind unten durch die Bodenwand des Gehäusemantels 4 abgeschlossen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Phasentrennung einer Gas/Flüssigkeitsströmung mit einem Mantelgehäuse (4), einer Zuleitung (1) für die Gas/Flüssigkeitsströmung, einer Leitung (2) für die abgetrennte gasförmige Phase und einer Leitung (3) für die abgetrennte Flüssigphase, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der zentral und vertikal angeordneten Zuleitung (1) ein Prallschirm (5) unter einem Winkel von 70 bis 110°, vorzugsweise 90°, befestigt ist und daß der Prallschirm (5) am äußeren Ende einen in etwa parallel unter einem Winkel von 140 bis 200°, vorzugsweise 180°, zur Zuleitung (1) verlaufenden Abweiskragen (6) aufweist, auf dessen zur Zuleitung (1) gewandten Innenseite Flüssigkeitssträhnen erzeugende Einbauten (7, 8) angebracht sind, wobei der Abweiskragen (6) und das Mantelgehäuse (4) einen Abströmkanal (9) für die Gasphase begrenzen.

2. Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen und Vermischen eines Gasstromes mit einer Flüssigkeit und anschließender Phasentrennung der entstehenden Gas/Flüssigkeitsströmung mit einem Mantelgehäuse (4), einer Zuleitung (10) und einem Abströmkanal (9) für den Gasstrom, gekennzeichnet durch ein zentral und vertikal angeordnetes Tauchrohr (10), einen um das untere Tauchrohrende (11) angeordneten inneren Ringraum (12), der nach außen durch ein über das untere Tauchrohrende (11) ragendes Führungsrohr (13) begrenzt ist, einen unter einem Winkel von 70 bis 110°, vorzugsweise senkrecht, zum Tauchrohr (10) angeordneten Prallschirm (5) mit einem an dessen äußeren Ende in etwa parallel unter einem Winkel von 140 bis 200°, vorzugsweise 180°, zum Tauchrohr (10) ausgerichteten Abweiskragen (6), auf dem Flüssigkeitssträhnen erzeugende Einbauten (7, 8) angebracht sind, und einen mit dem inneren Ringraum (12) strömungstechnisch verbundenen Sammelraum (14 + 17), der nach außen durch das Mantelgehäuse (4) begrenzt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (7, 8) aus symmetrisch angeordneten Abweisblechen (7, 8) bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweisbleche (7, 8) in in vertikaler Richtung versetzten Reihen auf dem Abweiskragen (6) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweisbleche (7, 8) dachförmig mit einem Winkel von 15 bis 90°, vorzugsweise 20 bis 40°, ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Tauchrohrende (11) ein Sägezahnprofil aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezähne des unteren Tauchrohrendes (11) schräg angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ringraum (12) durch zumindest eine Rückfüllöffnung, vorzugsweise ein Rückfüllrohr (15), mit dem Sammelraum (14 + 17) strömungstechnisch verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Rückfüllöffnung bzw. des Rückfüllrohres (15) 20 bis 50%, vorzugsweise 30 bis 40%, des Durchmessers des Tauchrohres (10) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückfüllöffnung(en) bzw. das/die Rückfüllrohr(e) (15) in eine Zwischenwand (16) eingebaut ist/sind, die zusammen mit dem Führungsrohr (13) einen Speicherraum (17) begrenzt, der Öffnungen (18) zu einem äußeren Ringraum (14) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) in Form von im unteren Bereich des Speicherraumes (6) befindlichen Schlitzen (18) oder Lochreihen ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der Öffnungen (18) das 1- bis 5-fache der Querschnittsfläche der Rückfüllöffnung(en) bzw. des/der Rückfüllrohre(s) (15) beträgt.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12 als Gaswäscher.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12 als Quench- Behälter.