DE69403594T2

DE69403594T2 - Strippen von flüchtigen Stoffen aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69403594T2
Application number: DE69403594T
Authority: DE
Inventors: Alan T Y Cheng
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1993-08-16
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: DE69403594D1; KR950005348A; CN1102355A; BR9403246A; EP0645168B1; EP0645168A1; ES2102745T3; CN1039626C; CA2130151A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Strippen eines flüchtigen Stoffes aus einer Flüssigkeit mit einem Stripgas. Eine üblicherweise zu strippende Flüssigkeit stellt Wasser dar, welches beispielsweise zur Verdünnung von Fruchtsaftkonzentraten oder bei der Herstellung von Bier verwendet wird. Gelöster Sauerstoff ist ein flüchtiger Stoff der üblicherweise vom Wasser gestrippt wird, um Qualitätsverluste des sich ergebenden Produkts durch Fermentation oder Oxidation zu vermeiden. Die für den Geschmack und das Aroma verantwortlichen Produktbestandteile reagieren auf Oxidation besonders empfindlich. In Kontakt mit Luft gekommenes Wasser weist aus dieser Luft gelösten Sauerstoff auf Es ist allgemein wünschenswert, die Sauerstoftkonzentration des für obige Zwecke zu verwendenden Wassers auf unter 0,5 ppm abzusenken, was typischerweise zwei Strip-Schritte erfordert.
Der flüchtige Stoff wird allgemein gestrippt, indem das Stripgas durch die Flüssigkeit dispergiert wird und die Flüssigkeit und das Gas anschließend getrennt werden. Die Rate, mit der der flüchtige Stoff entfernt wird, und die Endkonzentration der flüchtigen Stoffe in der Flüssigkeit hängen vom Dispersionsgrad der Gase in der Flüssigkeit, der Kontaktzeit, und den während der Kontaktzeit bestehenden Turbulenzen ab sowie vom Abweichen der tatsächlichen Bedingungen von den Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts in dem Stripgas-System von Flüssigkeit und flüchtigen Stoffen. Beim Stand der Technik werden Vorrichtungen verwendet, deren Anfangskosten relativ hoch ausfallen und die unhandlich und ineffizient sind, so daß ein unerwünscht hoher Stripgas-Verbrauch erforderlich ist.
In DE-A-3 239 066 wird bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entlüftung von Wasser offenbart, welches für die Herstellung von CO&sub2;-haltigen nichtalkoholischen Getränken verwendet wird, wobei CO&sub2; zu frischem, luftgesättigten Wasser hinzugefügt wird. Das CO&sub2; wird als eine Funktion der jeweiligen Partialdrücke in dem Wasser teilweise gelöst. Nachfolgend wird dieses Wasser atomisiert und unter Unterdruck entlüftet, wobei sowohl die Luft wie das bereits gebundene CO&sub2; freigesetzt werden. Dieses Gasgemisch wird abgelassen und das entlüftete Wasser, das immer noch ausschließlich aus CO&sub2; bestehendes Restgas enthält, welches durch den Unterdruck nicht entfernt werden kann, wird gesammelt und weiterverarbeitet.
Die bekannte Vorrichtung ist mit einer ersten Einspritzdüse zur Injektion in das Frischwasser eines Gasgemisches, bestehend aus etwa 90% CO&sub2;, Rest Luft, versehen. Das mit CO&sub2;-angereicherte, erhaltene Wasser wird in ein Unterdruckgefäß gesprüht, aus dem das Gas mittels einer Unterdruckpumpe abgesaugt wird. Das entlüftete Wasser wird von dem Unterdruckgefäß zu einem Ausgleichsgefäß gepumpt, das mit einem Endgetränketank in Verbindung steht. Eine zweite Einspritzdüse zur CO&sub2;-Injektion in das entlüftete Wasser ist in einer von der Unterdruckpumpe zu dem Ausgleichsgefäß führenden Leitung angeordnet. Das Ausgleichsgefäß weist einen Gasauslaß auf, der mit einem Gaseinlaß der ersten Einspritzdüse in Verbindung steht.
Es besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die eine feine Dispersion von Gas in einer Flüssigkeit unter turbulenten Bedingungen erzeugt, sowie nach einem Verfahren, das eine geeignete Leistungsfähigkeit zum Übertragen des flüchtigen Stoffes von der Flüssigkeit zu dem Gas aufrechterhält, damit ein ökonomisch annehmbarer Stripgas-Verbrauch, niedrige Anfangskosten und eine Kompaktheit der Vorrichtung bewerkstelligt werden können. Sind zu konsumierende Produkte beteiligt, ist zusätzlich die einfache Reinigung und Sterilisierung der Vorrichtung erforderlich.

Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung entspricht den oben angeführten Anforderungen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein in Anspruch 1 definiertes Verfahren dar.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen die in Anspruch 5 bzw.6 definierten Vorrichtungen dar.
Vorzugsweise wird das Stripgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in die erste abgetrennte Flüssigkeit injiziert. Vorzugsweise wird die erste abgetrennte Flüssigkeit in einer Pumpe aufgedrückt, bevor sie zwecks Bildung eines zweiten Gemisches mit Stripgas gemischt wird.

Zeichnung

Diese und weitere Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die beiliegende Zeichnung, die ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, besser verständlich werden.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strippen eines flüchtigen Stoffes aus einer Einsatzfiüssigkeit mit einem Stripgas bereit, wie in der Figur bildlich dargestellt. Eine optionale Pumpe 10 drückt eine Einsatzflüssigkeit auf, wenn diese mit für den Prozeß ungenügendem Druck zugeführt wird. Der Auslaß der Einsatzpumpe 10 führt zu dem Einlaß einer ersten Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung 12. Die aufgedrückte Einsatzflüssigkeit wird dem ersten Mischanordnungseinlaß für Flüssigkeit und Stripgas wird dem ersten Mischanordnungseinlaß für Stripgas zugeführt, und ein erstes Gas/Flüssigkeitsgemisch tritt von dem ersten Mischanordnungsauslaß aus. Das Stripgas ist typischerweise ein inertes Gas, und aufgrund der geringen Kosten vorzugsweise Stickstoff Allerdings können andere Gase, die keine Zerlegung der Flüssigkeit verursachen, verwendet werden, wie z.B. Argon, Kohlendioxid oder Hehum. Das Stripgas kann ein in einem anderen Teil des Verfahrens erzeugter Gasstrom sein. Das Stripgas selbst sollte eine niedrigere Konzentration des aus der Flüssigkeit zu strippenden flüchtigen Stoffes aufiveisen als die Konzentration, die in einem Gleichgewicht mit der in der Flüssigkeit erwünschten Konzentration vorhanden wäre.
Die erste Mischanordnung 12 ist vorzugsweise ein Eduktor mit einem venturi-förmigen Kanal, durch welchen die Einsatzflüssigkeit in Längsrichtung fließt, und welchem Stripgas entweder in Längs- oder Querrichtung zugeführt wird. Allerdings kann die erste Mischanordnung auch einfach ein T-förmiges Rohrstück sein, das den Fluß von Einsatzflüssigkeit und einen Strom von Stripgas zusammenführt, und eine weitere Vermischung während des Durchfließens im stromabwärtigen Rohr des T-Stücks verursacht.
Der Auslaß der ersten Mischanordnung steht in Verbindung mit einem Einlaß zu einem ersten Behälter 14, zu dem er ein erstes Gas/Flüssigkeits-Gemisch abläßt, um ein erstes Gas/Flüssigkeits-Gemisch abzutrennen. Der erste Behälter weist einen Abzug 16 für das erste abgetrennte Gas auf, der direkt zur Atmosphäre führen kann, um das Betreiben des ersten Behälters bei nahe Atmosphärendruck zu ermöglichen.. Wahlweise kann der Abzug 16 ein Gegendruck-Regelventil 18 aufweisen, damit der erste Behälter 14 bei einem wählbaren Druck betrieben werden kann.
Der erste Behälter 14 weist einen Auslaß auf, der in Verbindung mit einem Einlaß zu einer zweiten Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung 20 steht, und zu dem die erste abgetrennte Flüssigkeit abgelassen wird. Vorzugsweise drückt jedoch eine Pumpe 21 die zu der zweiten Mischanordnung 20 zu leitende erste abgetrennte Flüssigkeit auf, wodurch der erste Behälter 14 vorzugsweise mit Atmosphärendruck betrieben werden kann. Die zweite Mischanordnung 20 verfügt über einen Einlaß für Stripgas, nimmt Stripgas auf, und läßt ein zweites Gas/Flüssigkeits-Gemisch aus einem Auslaß ab, der in Verbindung mit dem Einlaß zu einem zweiten Behälter 22 steht, um ein zweites Gas/Flüssigkeits-Gemisch abzutrennen. Vorzugsweise ist das zu der zweiten Mischanordnung 20 geleitete Stripgas frisches Stripgas, und vorzugsweise Stickstoff.
Vorzugsweise weist die zweite Mischanordnung 20 einen Kanal mit einer Strömungseinschnürung 24 auf-wobei eine ventun-lörmige Einschnürung die bevorzugteste Form ist-, durch welche die erste abgetrennte Flüssigkeit fließt, und in die durch eine Anordnung zur Einleitung von Stripgas, wie z.B. ein Rohr 26, Stripgas entweder in Längs- oder in Querrichtung zugeführt wird. Vorzugsweise ist das Gaseinleitungsende des Rohrs 26 räumlich nahe und stromaulwärts der Strömungseinschnürung 24 angeordnet. In einer derartigen Vorrichtung wird das Stripgas in die strömende erste abgetrennte Flüssigkeit eingespeist, um ein strömendes Gemisch auszubilden, welches in der Einschnürung 24 beschleunigt wird. Vorzugsweise wird die erste abgetrennte Flüssigkeit mit ausreichendem Druck zugeführt, um in der Einschnürung 24 mindestens Schallgeschwindigkeit zu entwickeln. Stromabwärts der Einschnürung 24 wird das strömende Gemisch auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst, um eine Schockwelle und in der Folge eine sehr feine Dispersion der Gasblasen in der Flüssigkeit zu erzeugen. Vorzugsweise wird das Stripgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in die erste abgetrennte Flüssigkeit injiziert, was die Stripeffizienz weiter erhöht. Wahlweise kann die zweite Mischanordnung 20 einfach ein T-förmiges Rohr sein, das den Fluß von erster abgetrennter Flüssigkeit und einen Strom von Stripgas zusammenführt, und eine weitere Vermischung während des Durchfließens im stromabwärtigen Rohr des T-Stücks verursacht. Diese Anordnung weist zwar eine geringere Effizienz auf, ist aber dann noch verwendbar, wenn das erwünschte Reduktionsverhältnis des flüchtigen Stoffes nicht groß ausfällt.
Der zweite Behälter 22 weist einen Auslaß 28 für die zweite abgetrennte Flüssigkeit auf, die das erwünschte Produkt darstellt. Der zweite Behälter 22 verfügt ebenfalls über einen Abzug 30 für das zweite abgetrennte Gas, welches hier zur Atmosphäre hin entlüfiet werden kann. Vorzugsweise wird das zweite abgetrennte Gas jedoch durch eine Leitung 32 zu der ersten Mischanordnung 12 zurückgeführt und darin als Stripgas verwendet, wodurch der Stripgasverbrauch gesenkt wird. Am meisten bevorzugt ist die erste Mischanordnung 12 ein Eduktor, der das zweite abgetrennte Gas aus dem zweiten Behälter abzieht, einen Unterdruck in dem zweiten Behälter erzeugt, und dazu das zweite abgetrennte Gas verdichtet und es mit der Einsatzflüssigkeit vermischt. Anstelle eines Eduktors können auch verschiedene andere Anordnungen verwendet werden. So kann eine Unterdruckanordnung, z.B. eine gewöhnliche Unterdruckpumpe zum Einsatz kommen, welche vorzugsweise keine Kontaminationen einleitet. Die Unterdruckpumpe kann den Druck über der zweiten abgetrennten Flüssigkeit auf einen Pegel reduzieren, der etwas höher als der Dampfdruck der zweiten abgetrennten Flüssigkeit bei ihrer bestehenden Temperatur ausfällt, wodurch ein Aufkochen der zweiten abgetrennten Flüssigkeit vermieden wird. Ebenfalls kann eine Kompressionsanordnung, beispielsweise ein gewöhnlicher Gaskompressor, bereitgestellt werden, um das zweite abgetrennte Gas von der Unterdruckanordnung zu verdichten und es zu der ersten Mischanordnung zu führen. Wie oben erläutert, wird jedoch am meisten bevorzugt, wenn die erste Mischanordnung, die Unterdruckanordnung, und die Kompressionsanordnung zweckmäßig und vorteilhaft in einer einzigen, kompakten und relativ billigen Anordnung, und namentlich in einen Eduktor, zusammengefaßt werden.
Das Betreiben des zweiten Behälters 22 bei vermindertem Druck, d.h. bei einem Druck unterhalb Atmosphärendruck, ist insofern besonders vorteilhaft, als daß die Gleichgewichtskonzentration der flüchtigen Komponente in der zweiten abgetrennten Flüssigkeit entsprechend Henry's Gesetz annähernd proportional zu dem gesamten Druck über der zweiten abgetrennten Flüssigkeit ist. Daher ermöglicht das Absenken des Gasdrucks in dem zweiten Behälter ein hohes Masseübertragungspotential und stellt ein ausreichendes Strip-Potential in dem zweiten Behälter bereit, so daß das zweite abgetrennte Gas für das Stripgas in der ersten Mischanordnung verwendet werden kann, ohne daß frisches Stripgas erforderlich wäre. Der Druck in dem zweiten Behälter 22 kann auf einen Wert etwas oberhalb des Dampfdruckes der zweiten abgetrennten Flüssigkeit bei vorhandener Temperatur abgesenkt werden, ohne die zweite abgetrennte Flüssigkeit zum Aufkochen zu bringen. Daher kann die zweite abgetrennte Flüssigkeit auf sehr geringe Konzentrationen der unerwünschten flüchtigen Komponenten gestrippt werden.
Die bevorzugte Form der zweiten Mischanordnung 20, namentlich der Inline-Gasinjektions- Venturistripper mit einer Gasinjektion bei mindestens Schallgeschwindigkeit erweist sich ebenfalls als vorteilhaft, als daß er eine sehr feine Stripgasdispersion in der zweiten abgetrennten Flüssigkeit und eine Schockwelle erzeugt, die die Übertragung des flüchtigen Stoffes von der Flüssigkeit zu dem Stripgas verbessert. Diese Anordnung verwendet den Vorteil des hohen Masseübertragungspotentials der flüchtigen Komponente, welcher durch die Unterdrucksbedingung in dem zweiten Behälter bewirkt wird, und stellt einen zusätzlichen Faktor dar, der ein genügendes Strippen in dem zweiten Behälter ermöglicht, so daß das zweite abgetrennte Gas als Stripgas in der ersten Mischanordnung verwendet werden kann. Darüber hinaus gestattet es der reduzierte Druck in dem zweiten Behälter, daß ein Schalldruckverhältnis für die Injektion und Expansion des Stripgases mit einem nur moderaten Injektionsdruck für das Stripgas erreicht werden kann. Daher verbindet diese Erfindung vorteilhaft und zusammenwirkend Vorrichtungs- und Betriebsparameter, um einen effizienten und ökonomischen Betrieb zu bewerkstelligen.

Beispiel

Einsatzflüssigkeit Wasser mit 10 ppm Sauerstoff wird unter Verwendung von 0,65 Standard Kubikmeter Stickstoffgas bei normaler Umgebungstemperatur pro Kubikmeter Wasser gestrippt. Das Stickstoffgas enthält anfänglich 5 ppm Sauerstoff. Unter Verwendung des von dieser Erfindung bereitgestellten Verfahrens und der Vorrichtung einschließlich des Inline- Gasinjektions-Venturistrippers und des Eduktors gemäß der Beschreibung wurden die in der folgenden Tabelle dargestellten Ergebnisse erhalten.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist verständlich, daß sämtliche Modifikationen und Entsprechungen innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zum Strippen einer flüchtigen Komponente von einer Einsatzflüssigkeit mit einem Stripgas, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) die zu strippende Einsatzflüssigkeit mit Stripgas gemischt wird, um ein erstes Gemisch zu bilden;

(b) das erste Gemisch bei Atmosphärendruck oder Überatmosphärendruck in eine erste abgetrennte Flüssigkeit und ein erstes abgetrenntes Gas zerlegt wird;

(c) die erste abgetrennte Flüssigkeit mit Stripgas gemischt wird, um ein zweites Gemisch zu bilden;

(d) auf das zweite Gemisch ein Unterdruck angewendet wird;

(e) das zweite Gemisch bei Unterdruck in eine zweite abgetrennte Flüssigkeit und ein zweites abgetrenntes Gas zerlegt wird; und

(f) das zweite abgetrennte Gas verdichtet und als Stripgas für das Mischen mit der Einsatzflüssigkeit benutzt wird, um das erste Gemisch des Schrittes (a) zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zum Mischen der ersten abgetrennten Flüssigkeit mit Stripgas zwecks Bildung eines zweiten Gemisches im Schritt (c):

(1) die erste abgetrennte Flüssigkeit zum Strömen gebracht wird;

(2) das Stripgas in die strömende erste abgetrennte Flüssigkeit eingebracht wird, um ein strömendes Gemisch zu bilden;

(3) das strömende Gemisch auf mindestens Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird;

(4) das strömende Gemisch auf eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit abgebremst wird, um eine Schallschockwelle und eine sich daraus ergebende Dispersion von Gasblasen in der Flüssigkeit zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem im Schritt (c) das Stripgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in die erste abgetrennte Flüssigkeit injiziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner

(g) die erste abgetrennte Flüssigkeit gepumpt und aufgedrückt wird, bevor sie zwecks Bildung eines zweiten Gemisches mit Stripgas gemischt wird.

5. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens von Anspruch 1, versehen mit

(a) einer ersten Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung (12) mit einem Einlaß für zu strippende Einsatzflüssigkeit, einem Einlaß für Stripgas und einem Auslaß für ein erstes Gas/Flüssigkeits-Gemisch;

(b) einem ersten Behälter (14) zum Abtrennen eines ersten Gas/Flüssigkeits- Gemisches, wobei der erste Behälter einen Einlaß, der mit dem Auslaß der ersten Mischanordnung in Verbindung steht, einen Abzug (16) für erstes abgetrenntes Gas und einen Auslaß für erste abgetrennte Flüssigkeit aufweist;

(c) einer zweiten Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung (20) mit einem Einlaß für erste abgetrennte Flüssigkeit, der mit dem Auslaß des ersten Behälters für erste abgetrennte Flüssigkeit in Verbindung steht, einem Einlaß für Stripgas und einem Auslaß für ein zweites Gas/Flüssigkeits-Gemisch;

(d) einem zweiten Behälter (22) zum Abtrennen eines zweiten Gas/Flüssigkeits- Gemisches, wobei der zweite Behälter einen Einlaß, der mit dem Auslaß der zweiten Mischanordnung in Verbindung steht, einen Abzug (30) für zweites abgetrenntes Gas und einen Auslaß für zweite abgetrennte Flüssigkeit aufweist;

(e) einer Vakuumanordnung zum Abziehen von zweitem abgetrennten Gas von dem zweiten Behälter und zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem zweiten Behälter, wobei die Vakuumanordnung über einen Einlaß, der mit dem Abzug des zweiten Behälters in Verbindung steht, und einen Auslaß zum Abgeben von zweitem abgetrennten Gas verfügt;

(f) einer Leitung, die den Auslaß der Vakuumanordnung mit dem Stripgaseinlaß der ersten Mischanordnung verbindet; und

(g) einer in der Leitung sitzenden Kompressionsanordnung.

6. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens von Anspruch 1, versehen mit

(a) einem Eduktor (12) als erste Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung mit einem Einlaß für zu strippende Einsatzflüssigkeit, einem Einlaß für Stripgas und einem Auslaß für ein erstes in dem Eduktor gebildetes Gas/Flüssigkeits-Gemisch;

(b) einem ersten Behälter (14) zum Abtrennen eines ersten Gas/Flüssigkeits- Gemisches, wobei der erste Behälter einen Einlaß, der mit dem Eduktorauslaß in Verbindung steht, einen Abzug (16) für erstes abgetrenntes Gas und einen Auslaß für erste abgetrennte Flüssigkeit aufweist;

(e) einer Leitungsanordnung (32), die den Abzug (30) für zweites abgetrenntes Gas mit dem Stripgaseinlaß des Eduktors verbindet,

wobei der Eduktor

zweites abgetrenntes Gas durch die Leitungsanordnung von dem zweiten Behälter abzieht und

in dem zweiten Behälter einen Unterdruck erzeugt,

und das zweite abgetrennte Gas verdichtet und mit Einsatzflüssigkeit mischt.

7 Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zweite Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung (20) ferner eine Strömungseinschnürung (24) aufweist, um durch diese zweites Gas/Flüssigkeits-Gemisch zu leiten.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welcher die zweite Gas/Flüssigkeits- Mischanordnung (20) ferner Mittel zum Injizieren von Stripgas in die erste abgetrennte Flüssigkeit aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ferner versehen mit einer Pumpe (21) mit einem Einlaß, der mit dem Auslaß des ersten Behälters für erste abgetrennte Flüssigkeit in Verbindung steht, sowie mit einem Auslaß, der mit dem Einlaß für zweite zu strippende Flüssigkeit der zweiten Gas/Flüssigkeits-Mischanordnung in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner versehen mit einer Pumpe (10), die über einen Auslaß verfügt, der mit dem Einlaß der ersten Mischanordnung in Verbindung steht, wobei die Pumpe dem Aufdrücken von Einsatzflüssigkeit dient.