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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Düse
mit konvergierend-divergierender Gestalt zur Erzeugung eines Sprühstromes
mit Überschallgeschwindigkeit,
einem darauf basierenden Trägheitsabscheider und
ein Verfahren für
die Überschallabscheidung
einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf das Abscheiden einer oder mehrerer
Komponenten aus dem Strom durch Kondensieren der gewählten Komponenten
und nachfolgendes Abscheiden derselben.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Abscheidung findet in verschiedenen
industriellen Gegebenheiten Anwendungen, wie in der Öl- und Gasindustrie,
in der chemischen Industrie, in der Farbenindustrie und in einer
weiten Vielzahl von anderen Industrien. Die Abscheidung kann in
verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden, wie beispielsweise
in der Entfernung von Kohlendioxid aus einem Abgas, in der Luftaufbereitung
(Wasserentfernung) und beim Trocknen von Erdgas, bevor dieses einem
Netz von Pipelines zugeführt
wird.
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Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen
existieren zum Abscheiden von Komponenten aus gasförmigen oder
anderen Fluiden. Beispiele von konventionellen Abscheidevorrichtungen
umfassen Destilliersäulen, Filter
und Membranen, Absetztanks, Zentrifugen, elektrostatische Abscheider,
Trockner, Kühler,
Zyklone, Wirbelrohrabscheider und Adsorbierer. Mit diesen konventionellen
Vorrichtungen sind jedoch Nachteile und/oder Probleme verbunden,
die sie für
bestimmte Anwendungen unerwünscht
machen. Zusätzlich
sind im Stand der Technik verschiedene Trägheitsabscheider beschrieben,
die mit einer Überschalldüse ausgestattet
sind.
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Die JP-A-02,017,921 bezieht sich
auf das Trennen eines gasförmigen
Gemisches durch die Verwendung einer Überschallströmung. Die
Vorrichtung umfaßt
einen Verwirbeler, der stromaufwärts
einer Überschalldüse angeordnet
ist. Der verwirbelte Fluidstrom durchsetzt dann eine axial-symmetrische
Expansionsdüse,
um feine Teilchen zu bilden. Der Wirbel wird über eine längere Axialstrecke aufrechterhalten,
wodurch ein großer
Druckabfall erzeugt wird. Um eine Komponente aus dem Dreikomponenten-Gasstrom
abzuscheiden, muß anfänglich ein
großer
stromaufwärtiger
Wirbel durch den Verwirbeler bereitgestellt werden, und eine signifikante
Menge an Energie muß dem
System deshalb zugeführt
werden.
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Die US-A-3,559,373 bezieht sich auf
einen Überschallstromabscheider
mit einem Hochdruckgaseinlaß,
einem rechteckig geformten Hals und einem U-förmigen Kanal mit Rechteck-Querschnitt.
Der Kanal hat eine äußere gekrümmte durchlässige Wand.
Ein Gasstrom wird dem Gaseinlaß mit
Unterschallgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt. Das Gas konvergiert
durch den Hals und expandiert in den Kanal, wodurch die Geschwindigkeit
auf Überschallgeschwindigkeit
erhöht
wird. Die Expansion des Stromes im Überschallbereich resultiert
in einem Tröpfchenwachstum,
und die größeren Tröpfchen durchsetzen
die äußere durchlässige Wand und
werden in der Kammer gesammelt. Die Trennkraft, d. h. die Kraft,
die zum Abtrennen verschiedener Phasen des Stromes erforderlich
ist, hängt
vom Radius der Kanalkrümmung
ab. Der Krümmungsradius
des Kanals ist jedoch notwendigerweise begrenzt, um normale Schockwellen
zu verhindern. Deshalb beschränkt
die Gestalt der Vorrichtung, die in der US-A-3,559,373 beschrieben
ist, die zum Abtrennen von Flüssigkeitströpfchen aus
dem fließenden
Strom verfügbare
Kraft. Außerdem
werden die Flüssigkeitströpfchen nicht über die
Kanalfläche
gesammelt.
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Die EP-A-0,496,128 bezieht sich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden eines Gases aus
einem Gasgemisch. Die Vorrichtung umfaßt einen Zylinder, der zu einer
Düse konvergiert
und dann in eine Wirbelzone divergiert. Gas tritt an der Einlaßöffnung des
Zylinders mit Unterschallgeschwindigkeiten ein und strömt durch
einen konvergierenden Abschnitt der Düse. Der Strom expandiert mit Überschallgeschwindigkeit aus
dem konvergierenden Abschnitt in den divergierenden Abschnitt des
Zylinders. Ein Paar von deltaförmigen Platten
erteilen dem Überschallstrom
eine Verwirbelung. Die Kombination von Überschallgeschwindigkeiten und
Verwirbelung trägt
zum Kondensieren und Abscheiden einer kondensierten Komponente aus
den gasförmigen
Komponenten des Stromes bei. Ein Auslaßrohr ist innerhalb des Zylinders
zentral angeordnet, um die Abgabe der gasförmigen Komponenten des Fluidstromes
mit Überschallgeschwindigkeit
zu ermöglichen.
Die flüssigen
Komponenten setzen ihren Weg durch einen zweiten divergierenden
Abschnitt fort, in welchem die Geschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit
abfällt,
und dann durch einen Ventilator, worauf sie schließlich den
Zylinder durch einen zweiten Auslaß verlassen.
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Die internationale Anmeldung Nr.
WO 99/01194 beschreibt ein ähnliches
Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Entfernen einer
ausgewählten
gasförmigen
Komponente aus einem Fluidstrom, der eine Vielzahl von gasförmigen Komponenten
enthält.
Diese Vorrichtung ist mit einem Schockstromerzeuger stromabwärts der
Sammelzone ausgerüstet,
um die Axialgeschwindigkeit des Stromes auf Unterschallgeschwindigkeit
zu verringern. Die Anwendung einer Schockwelle resultiert auf diese
Weise in einer wirksameren Abtrennung der geformten Teilchen.
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Diese Druckschriften beschreiben
verschiedene Überschall-Trägheitsabscheider,
jedoch ohne detaillierte Beschreibung der verwendeten Düse.
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Die Ausbildung der Düsen, die
sich für
Trägheitsabscheider
eignen, sind gegenüber
jenen verschieden gestaltet, die in Düsentriebwerken und ähnlichen
Schuberzeugern verwendet werden. Beide wenden konvergierend-divergierende
Düsen (Delaval-Düse) an,
was bedeutet, daß der
Meridianabschnitt einen minimalen Durchmesser aufweist, der als „Düsenhals"
bezeichnet wird. Der divergierende Abschnitt der Düsen, die
als Schubvorrichtung verwendet wird, kann einen einfachen, konisch-divergierenden
Abschnitt haben (siehe Perry's Chemical Engineers' Handbook, 5–32). Die
Form des divergierenden Abschnittes zur Erzielung eines Überschallnebelstromes
(d. h. eines Zweiphasenstromes, der Flüssigkeits-/Feststoffteilchen
von kondensierten Komponenten des Stromes enthält, die als feine Teilchen
mit der Gasphase transportiert werden) muß eine spezielle Gestalt haben;
Entwurfsverfahren werden von Liepmann und Roshko (Elements of Gasdynamics, Wiley,
New York, 1957, Seite 284) gegeben, deren Offenbarungsgehalt durch
Bezugnahme in diese Beschreibung miteinbezogen wird.
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Das US-Patent Nr. 5,261,242 betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Feststoffteilchen
oder verflüssigter
Substanz von ihrem Trägerfluid,
unter Verwendung eines Trägheitsabscheiders
und stromaufwärts
desselben, falls erforderlich, eines Düsensystems, dessen Allgemeinfunktion
darin besteht, das die abzuscheidende Substanz tragende Fluid in
einen raschen Strom umzuwandeln, welcher das Abscheiden der Substanz
als Ergebnis des Trägheitseffektes
ermöglicht.
Gemäß diesem
Patent wird eine konvergierend-divergierende Düse mit einem Teilchenprofil
angewendet (das in 2 des US-Patentes
dargestellt ist). Diese Düse
soll auf dem Gebiet der Energierückgewinnung,
beim industriellen Trocknen, Trocknen von Fluiden, die verflüssigbare
Substanzen enthalten, und zum Absenken des Taupunktes von Gasen
in der Gasreinigungstechnologie und in der Aerosolabscheidung und
Gasabscheidung nützlich
sein. Dementsprechend beschreibt dieses Patent eine Düse von konvergierend-divergierendem
Typ, mit einem Kanal, der von einem Halsteil weg in Richtung der
Fluidströmung
aufwärts
und abwärts
einen konvergierenden und einen divergierenden Kanalabschnitt aufweist,
wobei der Düsenkanal
ein Profil in der Nähe
des Halsteiles aufwärts
und abwärts
hat, das so geformt ist, daß der
Druck und der Durchsatz in dieser Zone über die Düsenkanalachse im wesentlichen
konstant bleiben.
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Es bleibt jedoch unklar, welche Gestalt
und Dimensionen diese Düse
haben muß,
um die Abscheidewirksamkeit von zumindest 15% zu erreichen (die
Mindestabscheidewirksamkeit für
Luftkonditionierung), vorzugsweise zumindest 50% (die Mindestabscheidewirksamkeit
für Erdgasbehandlung),
und/oder zur Bildung von abscheidbaren Teilchen mit einem Durchmesser
von 0,1 bis 2,5 Mikrometer.
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Die SU-A-1768242 und die SU-A-1722540
offenbaren ebenfalls Überschall-Trägheitsabscheider, ohne
dem Effekt Beachtung zu schenken, den die Geometrie der Düse auf das
Teilchenwachstum und die Leistung des Abscheiders hat.
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Was erforderlich ist, sind ein Verfahren
und eine Vorrichtung, welche die Nachteile und Unzukömmlichkeiten
der bisherigen Abscheideverfahren vermeiden, um Teilchen einer rasch
abscheidbaren Größe mit einer
begrenzten Menge an äußerer Energie,
rotierenden Teilen und Druckabfall zu erzeugen und wachsen zu lassen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Düse
mit konvergierend-divergierender
Gestalt zur Erzeugung eines Sprühstromes
mit Überschallgeschwindigkeit,
umfassend:
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- – einen
Hals mit einem charakteristischen Durchmesser D*;
- – einen
Einlaß mit
einem charakteristischen Durchmesser D1, der in einem Abstand L1
stromaufwärts
des Düsenhalses
angeordnet ist; und
- – einen
Auslaß mit
einem charakteristischen Durchmesser D2, der in einem Abstand L2
stromabwärts
des Düsenhalses
angeordnet ist, wobei das Verhältnis
von L2/(D2 – D*)
größer als
50, aber kleiner als 220 ist.
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In der vorstehenden Definition und
im Verlaufe dieser Beschreibung ist der Hals jener Teil der Düse, der
die kleinste Durchflußfläche hat
(dD/dx = 0, worin „dD"
die inkrementale Änderung
des charakteristischen Durchmessers ist und dx sich auf die inkrementale Änderung
der Position entlang der Axialkoordinate bezieht); der Einlaß ist die
Unterschall-Einströmebene
der Düse,
wo diese zu konvergieren beginnt (dD/dx ≠ 0), und der Auslaß ist die Überschall-Ausströmebene der
Düse, wo
sie zu divergieren aufhört
(dD/dx 3 0). In ähnlicher Weise wird der Ausdruck „charakteristisch"
in der vorstehenden Definition und im Verlaufe dieser Beschreibung dazu
verwendet, den Durchmesser unabhängig
von der Gestalt (kreisförmig,
rechteckig etc.) des Querschnittes, d. h. des Schnittes normal zur
Düsenachse,
zu definieren. Der charakteristische Durchmesser beträgt das Vierfache
der Querschnittsfläche
dividiert durch den Umfang.
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Die Erfindung schafft auch einen
Trägheitsabscheider
für die Überschallabscheidung
einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes, mit einer Düse, wie
vorstehend beschrieben, und einem Abscheideabschnitt stromabwärts derselben,
der zumindest einen Auslaß für die abzuscheidende
Komponente hat, und zumindest einen Auslaß für den verbleibenden gasförmigen Strom.
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Unter dem Ausdruck „vorwiegend
gasförmiger
Strom" in der vorstehenden Definition und im Verlaufe dieser Beschreibung
wird ein Strom verstanden, der eine kleine Menge an Flüssigkeit
oder Feststoffgehalt haben kann, beispielsweise ein Gasstrom, der
0–10 Gew.-%
Flüssigkeit
und/oder Feststoffgehalt hat.
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Schließlich schafft die Erfindung
auch ein Verfahren. für
die Überschallabscheidung
einer oder mehrere Komponenten eines vorwiegend gasförmigen Stromes
mit einem Trägergas,
unter Anwendung eines Trägheitsabscheiders,
wie vorstehend beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die Verwendung einer Düse, wie
vorstehend beschrieben, ergibt die Bildung von Teilchen einer trennbaren
Größe. Diese
Teilchen bilden sich durch Kondensation (und in einigen Fällen Verfestigung)
einer oder mehrere Komponenten aus dem vorwiegend gasförmigen Strom
durch Abnahme der Temperatur infolge der nahezu isotropen-Expansion
desselben. (Der Ausdruck „Isotrop"
bedeutet „von
gleicher oder konstanter Entropie bezüglich entweder Raum oder Zeit".)
Die Erfindung basiert somit auf einem Bereich von Überschalldüsen mit
vorgegebenen Länge-/Durchmesserverhältnissen,
wobei berücksichtigt
wird, daß die
Wirksamkeit eines Trägheitsabscheiders
vom Durchmesser der Teilchen und dem Durchmesser des Trägheitsabscheiders abhängt. Geeignete
Düsen haben
ein Längen-/Durchmesserverhältnis von
50 < L2/(D2 – D*) < 220, vorzugsweise
100 < L2/(D2 – D*) < 200. Wenn dieses
Verhältnis
zu klein ist, dann wird entweder die Teilchengröße zu klein, um Trägheitskräften unterworfen
zu werden, oder die Expansion ist von der isotropischen weit entfernt. Wenn
das Verhältnis
zu groß ist,
dann wird sich die Expansion nicht bis zu Überschallbedingungen fortsetzen. Düsen, die
sich als besonders zweckmäßig erwiesen
haben und isotrope Wirksamkeit erreichen, n > 15%, haben ein Längen-/Durchmesserverhältnis L2/D*,
das kleiner als 300 ist.
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Der Düsenquerschnitt kann irgendeine
Form haben, wie kreisförmig,
rechteckig oder komplexer. Vom Herstellungsstandpunkt aus werden
diese beiden Formen bevorzugt.
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Die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung
kann in Trägheitsabscheidern
angewendet werden, die einen gekrümmten Abscheideabschnitt haben
(wie beispielsweise in der GB-A-1,103,130; US-A-4,292,050; US-A-5,261,242
oder US-A-3,894,851 beschrieben, deren Inhalt in die vorliegende
Beschreibung durch Bezugnahme miteinbezogen wird) und in Trägheitsabscheidern,
die auf der Zentrifugalabscheidewirkung beruhen (JP-A-02,017,921;
EP-A-0,496,128 oder WO 99/011994, deren Inhalt durch Bezugnahme
in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen wird). Dementsprechend
weist ein Trägheitsabscheider
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Düse
auf, wie sie vorstehend definiert worden ist, und einen Abscheideabschnitt
stromabwärts
derselben, mit zumindest einem Auslaß für die oder jede abzuscheidende
Komponente, und zumindest einem Auslaß für den verbleibenden gasförmigen Strom.
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Bevorzugte Trägheitsabscheider sind solche,
die auf der Zentrifugalabscheidewirkung beruhen. In solchen Abscheidern
treiben flüssige
oder feste Teilchen durch eine wirbelnde Bewegung des Stromes (Wirbelstrom)
zu den äußeren radialen
Abschnitten des Stromes. Vorzugsweise haben diese Trägheitsabscheider stromaufwärts des
Abscheideabschnittes und stromabwärts der Düse einen Wirbelerzeuger, in
dem Teil des Abscheiders, der als Durchgang bezeichnet wird. Es
kann aber auch möglich
sein, einen Wirbelerzeuger vor der Düse (Unterschall) oder sogar
in der Düse
(entweder Unterschall oder Schallnahe) anzuordnen. Besonders bevorzugt
sind jene Trägheitsabscheider,
die in der EP-A-0,496,128 und WO 999/01194 beschrieben sind, bei
welchen der Wirbelerzeuger ein oder mehrere deltaförmige Elemente
enthält,
die von der Innenwand des Trägheitsabscheiders
radial nach innen ragen, wobei die Führungskante und Ebene derselben
einen Einfallwinkel von nicht mehr als 10° mit der Axialkoordinate des
Trägheitsabscheiders
einschließt.
Es versteht sich, daß der
Wirbel durch verschiedene andere Methoden geformt werden kann, wie
beispielsweise durch Veränderung
der Geometrie des Durchganges, um alternativ Wände mit Krümmungen oder Einbuchtungen vorzusehen;
die Verwendung einer gewundenen Spule als Durchgang; die Verwendung
einer gewundenen Spule, die innerhalb des Durchganges angeordnet
ist; die Verwendung eines nicht axial-symmetrischen Durchganges;
die Verwendung eines gekrümmten
Durchganges mit einer porösen
Wand; die Verwendung einer spiralförmig gewundenen Gestalt zur
Erzeugung eines Wirbelstromes vor dem Eintritt in die Düse; oder
durch Verwendung eines tangentialen Wirbelrohres. Zusätzlich können verschiedene
Flügelgeometrien
angewendet werden, um einen Wirbel in dem Überschalldurchgang zu erzeugen,
wie ein verformter Flügel,
ein gekrümmter Flügel oder
ein kleiner Flügel.
Andere Beispiele zur Erzeugung eines Wirbels umfassen das Einführen eines Wirbels
oberhalb der Düse
(im Unterschallbereich) durch beispielsweise einen Flügel, ein
Statorrad oder einen Tangentialeinlaß. Der Wirbel kann auch in
dem Durchgang durch eine extern aufgebrachte Drehkraft, wie beispielsweise
ein drehendes Rohr oder ein drehender Stab (d. h. der Magnus-Effekt),
geformt werden. Zusätzlich kann
lokale Erhitzung und/oder Kühlung
des Überschalldurchganges
angewendet werden, derart, daß ein
Wirbel erzeugt wird (d. h. die Verteilung von Entropie und Enthalpie).
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Zum Abscheiden kondensierter Teilchen
in einem Wirbel müssen
die Tröpfchen
die Wand des Rohres erreichen, d. h. sie müssen radial bis zur Hälfte des
Innendurchmessers des Durchganges einer Wirbelabscheidevorrichtung
wandern. Wenn aber die Tröpf chen,
die in der Überschalldüse gebildet
werden, zu klein sind, werden sie nicht imstande sein, die Wand
zu erreichen, sondern zuerst einem Gleichgewichtspunkt zwischen
Zentrifugalkraft des Wirbels und einwärts gerichteten Zugkräften unterliegen,
die im Durchgang vorhanden sind.
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Es hat sich gezeigt, daß die Abkühlgeschwindigkeit
(dT/dt) von etwa –100.000°K/s bis etwa –1.000°K/s variieren
kann, vorzugsweise von etwa –50.000°K/s bis etwa –2.500°K/s, um abscheidbare
Teilchen mit einer Größe von etwa
0,1 Mikrometer bis etwa 2,5 Mikrometer zu erzielen, vorzugsweise
von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1 Mikrometer. Beispielsweise haben
sich die folgenden Abkühlgeschwindigkeit-
und Tröpfchengröße-Beziehungen
für ein
Gemisch Umgebungsluft/Wasser ergeben:
| Abkühlgeschwindigkeit: | Mittlerer
Tröpfchendurchmesser: |
| –50.000°K/s | 0,2
Mikrometer |
| –40.000°K/s | 0,5
Mikrometer |
| –20.000°K/s | 1,0
Mikrometer |
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Es hat sich auch gezeigt, daß es möglich ist, Überschalldüsen durch
ihre Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit
(dT/dt in °K/s)
gegenüber
D2 (in mm) zu definieren. Auf diese Weise wurden gute Resultate
mit Düsen
erzielt, bei denen das doppelte Log-Produkt, log(D2)*log(dT/dt)
im Bereich von 3 bis 50 liegt, vorzugsweise im Bereich von 3 bis
30, noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 15. Die „Abkühlgeschwindigkeit" kann
experimentell oder durch Änderung
der Düsengeometrie
bestimmt werden.
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Ideal ist der Trägheitsabscheider mit einem
Schockwellengenerator ausgestattet, beispielsweise einem Diffusor
(d. h. einer Düse
mit divergierend/konvergierender Gestalt), stromabwärts der
Düse. Der
Schockwellengenerator kann stromaufwärts oder stromabwärts des
Abscheideabschnittes angeordnet sein.
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Die Erfinder haben gefunden, daß die Abscheidewirksamkeit
signifikant verbessert wird, wenn das Sammeln der Teilchen in der
Sammelzone hinter einer Schockwelle erfolgt, d. h. bei Unterschallströmung statt bei Überschallströmung. Die
Schockwelle dissipiert eine wesentliche Menge an kinetischer Energie
des Stromes und reduziert dadurch stark die Axialkomponente der
Fluidgeschwindigkeit, während
die Tangentialkomponente (verursacht durch den Wirbelgenerator)
im wesentlichen unverändert
bleibt. Als Ergebnis ist die Dichte der Teilchen im radial äußeren Abschnitt
der Sammelzone signifikant höher
als anderswo in der Leitung, in welcher Überschallströmung herrscht.
Es wird angenommen, daß dieser
Effekt durch die stark reduzierte Axialfluidgeschwindigkeit verursacht
wird und die dadurch verringerte Tendenz der Teilchen, vom zentralen „Kern" des
Stromes mitgerissen zu werden, in welchem das Fluid mit höherer Axialgeschwindigkeit
als näher
an der Wand der Leitung strömt.
Somit wird im Unterschallströmungsbereich
den auf die kondensierten Teilchen einwirkenden Zentrifugalkräften nicht
in einem großen
Ausmaß durch
die Mitreißwirkung
des zentralen „Kernes" des
Stromes entgegengewirkt, so daß die
Teilchen in dem radial äußeren Abschnitt
der Sammelzone agglomerieren können,
aus welchem sie abgezogen werden.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung
wird die Schockwelle dadurch erreicht, daß der Fluidstrom durch einen
Diffusor strömt.
Während
jeder Diffusor angewendet werden kann, ist ein geeigneter Diffusor
ein Überschalldiffusor.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist die Sammelzone nahe dem Auslaßende des Diffusors angeordnet.
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Zusätzlich kann die Schockwelle
durch andere Mittel erzeugt werden, wie beispielsweise durch Anordnung
eines Schaftes, Konus, Flügels
od. dgl. im Inneren der Leitung zur Erzeugung eines Strömungshindernisses
und dadurch einer Schockwelle.
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Ein Schlußteil des Trägheitsabscheiders
stromabwärts
des Durchganges umfaßt
den Abscheideabschnitt. Während
es bevorzugt ist, einen Trägheitsabscheider
anzuwenden, der mit einem Wirbelgenerator ausgestattet ist und somit
auch mit einem Sammelrohr zum Sammeln kondensierten Materials aus
dem gasförmigen
Strom (siehe EP-A-0,496,128 und WO 99/01194), sei bemerkt, daß die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist. Beispielsweise kann die separierte Komponente durch Abziehen
der kondensierten Komponente von einer statischen Wand gesammelt
werden, durch einen Strom der kondensierten Komponente durch Schlitze
oder Perforationen, die in der Wand des Abscheiders ausgebildet
sind; durch Abziehen der Flüssigkeitsschicht
und Grenzschicht mittels einer porösen Wand (d. h. Reduzieren
der Stagnationstemperaturzunahme); durch Kapillarkräfte zum
Absorbieren der Flüssigkeiten
durch Anwendung von mikroporösen
Materialien; durch Grenzschichtabziehen mittels Lösungsmittelzirkulation;
durch Lösbarkeit/Absorption
durch Membranen; durch Abziehen von rotierenden wänden, wie
beispielsweise einer rotierenden Trommel mit Schlitzen/Perforationen/porösem Material,
oder durch Aufprallvorrichtungen (d. h. Wake-, Filter- oder Konusvorrichtungen).
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Der vorstehend beschriebene Trägheitsabscheider
kann für
die gleichen Zwecke wie die Trägheitsabscheider
verwendet werden, die in den in dieser Beschreibung erwähnten Druckschriften
beschrieben sind. Er eignet sich besonders für die Behandlung von Erdgas.
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Der Ausdruck „Erdgas", wie er in der vorliegenden
Beschreibung verwendet wird, bezieht sich allgemein auf Gas, das
aus Untergrundansammlungen produziert worden ist und eine breitgestreute
Zusammensetzung hat. Neben Kohlenwasserstoffen enthält Erdgas
im allgemeinen Wasser, Stickstoff, Kohlendioxid und gelegentlich
eine kleine Menge an Schwefelwasserstoff. Der Hauptkohlenwasserstoff
im Erdgas ist Methan, das leichteste und niedrigstsiedende Element
der Paraffinreihe der Kohlenwasserstoffe. Andere Konstituenten sind
Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan etc. Die leichteren
Konstituenten, z. B. C2-C4-Kohlenwasserstoffe,
sind bei Atmosphärentemperaturen
und -drücken
in gasförmiger
Phase. Die schwereren Konstituenten sind in flüssiger Phase bei Atmosphärendruck
und -temperatur und in gasförmiger
Phase bei erhöhten Temperaturen
während
der Förderung
aus dem Untergrund. Erdgas, das solche schwerere Konstituenten enthält, ist
als „Naßgas" bekannt.
Erdgas, das keine oder nur einen kleinen Anteil an schwereren flüssigen Kohlenwasserstoffen
enthält,
ist als „Trockengas"
bekannt.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert. Es versteht sich, daß die gleiche
Beziehung, die für
ein Luft-Wasser-Gemisch illustriert wird, auch für andere gasförmige Gemische
zutreffen würde.
Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen besonderen
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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BEISPIEL 1
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Es wird eine beispielhafte Leitung
zum Abscheiden von Wasserdampf aus Luft der Umgebungsbedingungen
beschrieben. Die Vorrichtung kann verwendet werden, um Wasserdampf
aus Luft in einer zentralen Airconditioning-Anlage oder aus Abluft
von Trockenkammern zu entfernen. Typischerweise müssen 15
% bis 30 % des Wasserdampfes abgeschieden werden, um die erwünschte Feuchtigkeit
zu erzielen. Die Luftdurchsätze
bei diesen Anwendungen liegen typisch in der Größenordnung von 10.000 bis zu
100.000 m3/h.
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In der Vorrichtung wurde Luft durch
ein Gebläse
auf einen Druck von 1,4 bar gebracht und dann auf zwischen 25–30°C abgekühlt, wo
sich die Luft näher
an der Wassersättigung
befindet (RV = 90%). Die Luft wurde dann der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeführt,
wo die Wasserflüssigkeiten
mit einer kleinen Menge an Slipluft, die mit dem flüssigen Wasserstrom
daherkommt, abgeschieden wurden.
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Die Vorrichtung nach dem vorliegenden
Beispiel hatte einen rohrförmigen
Strömungskanal,
obzwar ähnliche
Ergebnisse mit rechteckigen oder asymmetrischen Kanalquerschnitten
erreicht werden können.
Die Einlaßbedingungen
der Vorrichtung werden nachfolgend zusammengefaßt:
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Die Vorrichtung erreichte die Kondensierung
des Wasserdampfes, was zu einem Strom führte, der eine große Anzahl
von Wassertröpfchen
enthielt, typischerweise 1013/m3.
Die Endtemperatur und der Druck wurden mit –28°C und 68 kPa (680 mbar(a)) ermittelt,
wodurch sich eine Wasserdampfffraktion ergab, die vernachlässigbar
klein war.
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Der Halsdurchmesser der Düse lag in
der Größenordnung
von 70 mm. Der Einlaßdurchmesser
betrug 300 mm. Der Düsenauslaßdurchmesser
betrug 80 mm, um Überschallstrombedingungen
zu erzielen, wobei die Machzahl typischerweise M = 1,15 betrug.
Die resultierenden Längen
(L1 und L2) der Düse
waren:
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Die Wandrauhigkeit wurde so gewählt, daß sie klein
war, d. h. 1 Mikrometer, um die Reibungsverluste zu verringern.
Je nach der Anwendung kann jedes starre Material für die Düsenvorrich tung
verwendet werden, solange die vorerwähnten Konstruktionsparameter
berücksichtigt
werden.
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Der Trägheitsabscheider umfaßte auch
einen Abscheideabschnitt, der ein leicht konisches Wirbelrohr enthielt,
und stromabwärts
desselben einen Diffusor.
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In dem Wirbelrohr war ein flügelartiger
Verwirbelungseinbau vorhanden. An der Kante dieses Flügels wurde
ein Wirbel auf der oberen (Unterdruck-) Seite erzeugt und von der
Ebene abgegeben, vorzugsweise an der Hinterkante. Die Sehne des
Flügels
wurde an der Innenwand des Wirbelrohres befestigt. Der Einlaßdurchmesser
des Wirbelrohres betrug 80 mm, der linear auf 84 mm über eine
Länge von
etwa der Sehnenlänge
des Flügels
zunahm, wonach er konstant blieb. Die Länge vom Flügelscheitel bis zur Flügelhinterkante
sowie die Länge
von der Flügelhinterkante
zum Diffusor lag in der Größenordnung
von 300 mm.
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Die Flügelspannweite an der Hinterkante
betrug etwa 60 mm, und der Einfallwinkel der Flügelsehne zur Achse des Rohres
betrug 8°.
Der Pfeilwinkel der Vorderkante betrug 87° und der Pfeilwinkel der Hinterkante
etwa 40°.
Die Flügelkanten
waren scharf mit einem Scheitelwinkel von weniger als 3°. Die Flügelebene
war flach, ihr Profil infolge der kleinen Dicke extrem schlank,
typischerweise etwa 4 mm an der Wurzel. Als Ergebnis betrug die
Zirkulation oder integrale Wirbelbildung etwa 16 m2/s.
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Im Drainageabschnitt wurde die Flüssigkeit
aus dem Wirbelrohr abgezogen. Der Drainageabschnitt ist keine scharf
unterschiedene Vorrichtung, sondern ein integraler Teil des Wirbelrohres
mittels Schlitzen, porösen
Materialien, Löchern
in den Wirbelrohrwänden;
oder er ist ein integraler Teil des Diffusors mit Hilfe eines Wirbelrohres
(Koaxialleitung). Bei diesem Beispiel wurde ein Wirbelrohr verwendet
und zentral in der Leitung hin ter der Schockwelle angeordnet, die
direkt hinter dem Wirbelrohr in dem ersten Diffusorteil vorhanden
war.
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Der Diffusor-Auslaßdurchmesser
betrug 90 mm, der Wirbelrohr-Einlaßdurchmesser
85 mm. Der halbe Divergenzwinkel des Diffusors betrug 4°. Der Wirbelrohr-Auslaßdurchmeser
betrug in diesem Fall 300 mm, und die Länge 1.500 mm.
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Die Leistung der Vorrichtung wurde
mittels zweier Feuchtigkeitssensoren gemessen, die beide am Lufteinlaß bzw. am
Trockenluftauslaß vorgesehen
waren, wobei sie durch Temperaturund Druckmessungen korrigiert wurden.
Die typischen Werte der Einlaßwasserfraktionen
betrugen 18–20
Gramm Wasserdampf pro kg Trockenluft. Die typischen Werte der Auslaßwasserfraktionen
betrugen 13–15
Gramm Wasserdampf pro kg Trockenluft. Dies führte zu einer Abscheidewirksamkeit
von etwa 25 %.
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BEISPIELE 2–4
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Tests wurden mit Düsen verschiedener
Dimensionen ausgeführt,
um schwere Kohlenwasserstoffe aus einem Erdgasstrom zu entfernen.
Die Ergebnisse sind gemeinsam mit jenen des Beispieles 1 in Tabelle
1 dargestellt.
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Es versteht sich, daß verschiedene
Alternativen zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung bei der praktischen Anwendung der Erfindung angewendet
werden können.
Beispielsweise wird, obzwar der Betrieb der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die Abscheidung einer kondensierten flüssigen Komponente
aus einem gasförmigen
Strom beschrieben worden ist, die vorliegende Erfindung mit gleichem
Erfolg auf das Abscheiden von flüssigen
Komponenten aus einem Flüssigkeitsstrom,
das Abscheiden von flüssigen
Komponenten aus einem gasförmigen
Strom und das Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem flüssigen oder
gasförmigen
Strom angewendet. Auf ähnliche
Weise sind die vorstehend beschriebenen Verfahren Beispiele für viele
Verfahren, die angewendet werden können.
