EP2804698B1 - Zyklon zur trennung der flüssigkeitsphase von einem übersättigten gasstrom - Google Patents

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EP2804698B1
EP2804698B1 EP12810153.2A EP12810153A EP2804698B1 EP 2804698 B1 EP2804698 B1 EP 2804698B1 EP 12810153 A EP12810153 A EP 12810153A EP 2804698 B1 EP2804698 B1 EP 2804698B1
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separated
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Klaus Hoyer
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions

Definitions

  • the present invention relates to a cyclone for separating the liquid phase from a supersaturated gas stream such as from the GB 1 252 228 A known.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a device which makes it possible to securely separate out the liquid portion in a saturated gas mixture.
  • the main advantage of the described invention lies in the possible increase in the permissible gas velocity without running the risk of mixing liquid from the wall back into the gas flow. This new degree of freedom not only allows the size of the system to be further minimized, but also promises wide scalability. Since a supersaturated or "wet" inflow is assumed, permissible values for temperature and pressure of the inflow are only subject to the design, ie the method or the cyclone are relevant to both atmospheric and increased pressure. Temperature applicable.
  • One possible method for providing the supersaturated inflow is to inject the liquid to be evaporated directly into the overflow.
  • the a-priori knowledge of the evaporable mass flow as a function of pressure, temperature and throughput allows precise control of the supersaturation.
  • a preferred exemplary embodiment for a cyclone which separates a liquid-free, saturated gas phase 2 from a supersaturated liquid-gas mixture 1 by re-entrainment of the centrifuged liquid film flow 5a along the cyclone wall by means of an insert 4 made of porous material is prevented.
  • This material is selected according to the liquid, so that an always negative capillary pressure in the partially saturated area 4a, near a riser pipe inlet 2a, prevents re-entrainment of the liquid phase due to the high shear forces of the gas flow. Over time, an area 4b saturated with liquid will form within the porous insert.
  • the interface between the two areas 4a and 4b is established according to the laws of flow for porous media as a function of gravity, geometry, porosity and volume flow.
  • the liquid 5b flows out of the saturated area 4b, 4c and collects in a volume below the insert 4.
  • the porous pin 4c communicates with the collected liquid and allows the interfacial tension to be overcome.
  • a measurement of the accumulated amount of liquid 5b allows a process-controlled opening of a drain cock 6 and thus draining of the liquid 3. This ensures that there is always a partially saturated area 4a of the porous insert 4 and thus the re-mixing of liquid is prevented.
  • the invention is characterized in that, for the first time, a porous and liquid-loving, pre-formed, 3-dimensional volume insert can be used as the liquid absorber in order to remove the already separated and excess liquid from the process.
  • a porous and liquid-loving, pre-formed, 3-dimensional volume insert can be used as the liquid absorber in order to remove the already separated and excess liquid from the process.
  • 2-dimensional membranes for example, which, in addition to low mechanical load-bearing capacity, also have little storage capacity and have a flow cross-section and therefore run the risk of building up a liquid film on the surface, which in turn can be detached by the turbulent shear forces of the gas flow.

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  • Cyclones (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zyklon zur Trennung der Flüssigkeitsphase von einem übersättigten Gasstrom wie zum Beispiel aus der GB 1 252 228 A bekannt.
  • Viele industrielle Anwendungen und technische Prozesse verlangen eine präzise und dynamische Bereitstellung eines gesättigten Gasgemisches ohne flüssiges Kondensat. Ohne Einschränkung der Gültigkeit auf andere Flüssig/Gas-Gemische, wird der Kontrolle der Wasserdampf-Sättigung in vielen industriellen Anwendungen eine herausragende Rolle zuteil. Anwendungen sind z.B. für das "Gas Conditioning" bei Brennstoffzellen oder für eine sauberere Diesel-Verbrennung erfolgversprechend. Weitere z.B. energiesparende Anwendungen finden sich z.B. in der Kontrolle der Luftfeuchtigkeit für Gebäude und Wohnräume.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgae zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, den Flüssigkeitsanteil in einem gesättigten Gasgemisch sicher ausscheiden zu können.
  • Eine erfindungsgemässe Lösung hierzu wird durch einen Zyklon gemäß Anspruch 1 erreicht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können sich durch eine oder mehrere der nachfolgend genannten Massnahmen ergeben, wenn:
    1. i) der Einsatz im stationären Betrieb teilweise in der abzutrennenden Flüssigkeit eingetaucht ist;
    2. ii) der Einsatz so ausgestaltet ist, dass eine mechanische Stabilität bei relativem Unterdruck oder bei relativem Überdruck gewährleistet ist und/oder eine thermische Stabilität bei gegenüber Raumtemperatur unterkühltem oder überhitzten Zustand gewährleistet ist, und/oder die Stabilität bei einer Kombination aus mechanischer und thermischer Belastung gewährleistet ist;
    3. iii) ein Wechsel des vorgeformten Einsatzes durch Offnen einer Verbindung ermöglicht ist;
    4. iv) ein Füllstandssensor im Bereich unterhalb des Einsatzes vorgesehen ist;
    5. v) in Verbindung mit dem Signal des Füllstandssensors ein Aktuator ein Ablass-Ventil öffnet bzw. schliesst;
    6. vi) eine Wärmeisolation um den Zyklon und/oder die Leitungen zur Gewährleistung eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist; und
    7. vii) eine Heizung und/oder Kühlung des Zyklons und/oder der Leitungen zur Gewährleistung eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist.
  • Der Hauptvorteil der beschriebenen Erfindung liegt in der möglichen Erhöhung der zulässigen Gasgeschwindigkeit ohne Gefahr zu laufen, Flüssigkeit von der Wand wieder in den Gasstrom einzumischen. Dieser neue Freiheitsgrad erlaubt nicht nur die Anlagengrösse weiter zu minimieren, sondern verspricht dadurch auch eine weite Skalierbarkeit. Da von einem übersättigten oder "nassen" Zustrom ausgegangen wird, unterliegen zulässige Werte für Temperatur und Druck der Zuströmung nur der Auslegung, d.h. die Methode bzw. der Zyklon sind sowohl bei atmospherischen als auch erhöhtem Druck bez. Temperatur anwendbar.
  • Eine mögliche Methode zur Bereitstellung der übersättigten Zuströmung liegt in der Direkteindüsung der zu verdampfenden Flüssigkeit im Oberstrom. Das a-priori Wissen des verdampfbaren Massenstroms in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Durchsatz erlaubt hierbei eine präzise Steuerung der Übersättigung.
  • In der einzigen Figur wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Zyklon beschrieben, der von einem übersättigtem Flüssigkeits-Gas-Gemisch 1 eine flüssigkeitsfreie, gesättigte Gasphase 2 trennt, indem die Wiedereinmischung (engl. Re-entrainment) der zentrifugierten flüssigen Filmströmung 5a entlang der Zyklonwand mittels eines Einsatzes 4 aus porösen Material unterbunden wird. Dieses Material wird der Flüssigkeit gemäss ausgewählt, so dass ein stets negativer Kapillardruck im teilgesättigten Bereich 4a, nahe eines Steigrohr-Einlasses 2a, das Re-entrainment der flüssigen Phase durch die hohen Scherkräfte der Gasströmung verhindert. Innerhalb des porösen Einsatzes wird sich mit der Zeit ein mit Flüssigkeit gesättigter Bereich 4b bilden. Die Trennfläche zwischen den zwei Bereichen 4a und 4b stellt sich gemäss den Fliessgesetzen für pöröse Medien als Funktion der Schwerkraft, Geometrie, Porösität und Volumenstroms ein. Die Flüssigkeit 5b fliesst aus dem gesättigten Bereich 4b, 4c ab und sammelt sich in einem Volumen unterhalb des Einsatzes 4. Der poröse Zapfen 4c kommuniziert dabei mit der gesammelten Flüssigkeit und erlaubt die Grenzflächenspannung zu überwinden. Eine Messung der akkumulierten Flüssigkeitsmenge 5b erlaubt ein prozessgesteuertes Öffnen eines Ablasshahnes 6 und damit ein Ablassen der Flüssigkeit 3. Damit wird sichergestellt, dass immer ein teilgesättigter Bereich 4a des porösen Einsatzes 4 existiert und somit die Wiedereinmischung von Flüssigkeit unterbunden wird.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als Flüssigkeitsabsorber erstmals ein poröser und flüssigkeitsliebender, vorgeformter, 3-dimensionaler Volumeneinsatz benutzterden kann, um die bereits abgetrennte und überschüssige Flüssigkeit vom Prozess zu entfernen. Im Gegensatz dazu existieren bereits z.B. 2-dimensionale Membranen, die neben geringer mechanischer Belastbarkeit auch wenig Speicherkapazität und Fliessquerschnitt aufweisen und daher Gefahr laufen einen Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche aufzubauen, der wiederum von den turbulenten Scherkräften der Gasströmung abgelöst werden kann.

Claims (9)

  1. Zyklon zur Trennung der Flüssigkeitsphase von einem übersättigten Gasstrom mit einem Einlass (1) und einem Steigrohr mit einem Steigrohreinlass (2a) und einem als Flüssigkeitssenke vorgesehenen Einsatz (4),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einsatz (4) als poröser 3-dimensionaler Bereich als Flüssigkeitssenke vorgesehen ist und vorgeformt ausgeführt ist, wobei:
    a) der Einsatz (4) ein Material mit benetzenden Eigenschaften gegenüber der abzutrennenden Flüssigkeit umfasst, und
    b) die Porosität und/oder Schichtung und/oder Formgebung an die Dynamik des übersättigten Gasstroms und die abzutrennende Flüssigkeitsmenge in einer Weise angepasst ist, dass sich mit Bezug auf die abzutrennende Flüssigkeit ein stets negativer Kapillardruck in einem teilgesättigten Bereich (4a) nahe des Steigrohr-Einlasses (2a) einstellt um im Bereich des Steigrohr-Einlasses (2a) einen ungesättigten Porenraum sicherzustellen; und
    c) ein stetiger Abfluss der kumulierenden Flüssigkeit im gesättigten Porenraum vorgesehen ist.
  2. Zyklon nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einsatz im stationären Betrieb teilweise in der abzutrennenden Flüssigkeit eingetaucht ist.
  3. Zyklon nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einsatz so ausgestaltet ist, dass eine mechanische Stabilität bei relativem Unterdruck oder bei relativem Überdruck gewährleistet ist.
  4. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einsatz so ausgestaltet ist, dass eine thermische Stabilität bei gegenüber Raumtemperatur unterkühltem oder überhitztem Zustand gewährleistet ist.
  5. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Wechsel des vorgeformten Einsatzes durch Öffnen einer Verbindung ermöglicht ist.
  6. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Füllstandssensor im Bereich unterhalb des Einsatzes vorgesehen ist.
  7. Zyklon nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Verbindung mit dem Signal des Füllstandssensors ein Aktuator ein Ablass-Ventil öffnet bzw. schliesst.
  8. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeisolation um den Zyklon und/oder die Leitungen zur Gewä g eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist.
  9. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Heizung und/oder Kühlung des Zyklons und/oder der Leitungen zur Gewährleistung eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist.
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