NL2000827C2

NL2000827C2 - Inrichting en werkwijze voor het in opvolgende fasen door rotatie separeren van een stromend mediummengsel.

Info

Publication number: NL2000827C2
Application number: NL2000827A
Authority: NL
Inventors: Robert Schook
Original assignee: Schinfa Engineering
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2009-02-24

Description

Inrichting en werkwijze voor het in opvolgende fasen door rotatie separeren van een stromend mediummengsel

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het door rotatie in opvolgende 5 fasen separeren van een stromend mediummengsel in ten minste twee van elkaar gescheiden verschillende fracties met afwijkende gemiddelde massadichtheid omvattende: een door een stationaire mantel omgeven langgerekte in axiale richting cirkelsymmetrisch scheidingsruimte, waarbij de mantel is voorzien van een toevoer voor een te separeren mengsel en ten minste twee afvoeren voor het afvoeren van ten 10 minste twee fracties met afwijkende massadichtheid, en in de scheidingsruimte gelegen rotatiemiddelen voor het als vortex in de scheidingsruimte doen roteren van het mengsel. Een dergelijke inrichting wordt ook aangeduid als een stationaire cycloon. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het in opvolgende fasen separeren van een stromend mediummengsel in ten minste twee fracties met afwijkende 15 massadichtheid.

Het scheiden van een stromend mediummengsel kent zeer diverse toepassingen. Onder mediummengsel wordt in het kader van deze aanvrage verstaan een mengsel van ten minste één vloeistof dat aanwezig is in kleine delen (druppels) dat is vermengd met een 20 andere vloeistof of een gas. Het mengsel kan tevens zijn voorzien van additionele vaste stof delen. Het scheiden van dergelijke stromende mediummengsel is bijvoorbeeld bekend uit toepassingen zoals water/olie scheiding, vocht verwijdering uit gassen, en voedselverwerking zoals bijvoorbeeld ontvetting. Afscheiding van vloeistofdelen (druppels) met een wezenlijke omvang is relatief eenvoudig. Het uit een gas- of andere 25 vloeistofstroom separeren van kleine vloeistofdelen (kleinere druppels, nevel of micro-druppels) is een relatief complex en daardoor kostbaar. De bestaande centrifuge-techniek maakt gebruik van de verschillen in massadichtheid van de te scheiden fracties door een centripetaalkracht op het mengsel uit te oefenen, bijvoorbeeld in een cycloon.

30 Een relatief eenvoudige separatie-inrichting die bestaat uit een stationaire behuizing waarin een vortex, dat wil zeggen een roterend mengsel, kan worden opgewekt wordt bijvoorbeeld beschreven in WO 97/05956 en WO 97/28903. De daarin getoonde inrichtingen worden ook wel aangeduid als “hydro-cyclonen” en zijn in het bijzonder geschikt voor vloeistof/vloeistof-scheiding. Opgemerkt wordt dat de na het separeren 2 verkregen fracties ook na het separeren nog steeds een deel van de andere fractie kunnen bezitten (“vervuild zijn”) maar de fracties hebben beiden een samenstelling die nadrukkelijk afwijkt van de samenstelling van het uitgangsmengsel. Ten gevolge van de rotatie van het mengsel in een stationaire behuizing van de scheidingsruimte (dat wil 5 zeggen de cycloon) zal een lichtere fractie althans in hoofdzaak naar de binnenzijde van de vortex migreren en zal een zwaardere fractie naar de buitenzijde van de vortex migreren. De zwaardere fractie en de lichtere fractie worden op uiteengelegen posities uit de scheidingsruimte afgevoerd.

10 De onderhavige uitvinding heeft tot doel het met beperkte investeringen verhogen van de doelmatigheid en/of de doeltreffendheid van het separeren van fracties van een stromend mediummengsel waarvan een in druppels verdeelde vloeistof deel uitmaakt.

De uitvinding verschaft daartoe een inrichting van het in aanhef genoemde type, waarbij 15 de inrichting tevens is voorzien van ten minste één in axiale richting cirkelsymmetrisch coalescentiekamer met een op de proximale zijde van de coalescentiekamer aansluitende toevoeropening voor het stromend mediummengsel, en een op de distale zijde van de coalescentiekamer aansluitende afVoer voor het stromend mediummengsel welke afVoer van de coalescentiekamer aansluit op de toevoer van de scheidingsruimte. 20 De scheidingsruimte is gebruikelijk door een stationaire mantel omgeven en is wenselijk voorzien van een langgerekte in axiale richting cirkelsymmetrisch vorm. Dit wil zeggen dat in een dwarsdoorsnede loodrecht op de longitudinaal of lengteas van de cycloon de scheidingruimte een cirkelvormige binnenzijde bezit. De scheidingsruimte kan al dan niet taps toelopen en kan naar keuze zijn voorzien van een kern waaromheen 25 het mengsel als vortex in rotatie wordt gebracht. De onderhavige uitvinding verschaft het inzicht dat door het mengsel eerste door ten minste één coalescentiekamer te voeren en vervolgens pas aan de scheidingsruimte toe te voeren een doelmatigere separatie kan worden gerealiseerd. In de ten minste ene coalescentiekamer zullen vloeistofdelen (de kleine tot zeer kleine druppels) in contact komen met elkaar en voor een deel 30 samengaan tot grotere delen (grotere druppels) om zo de gezamenlijke oppervlaktespanning te verminderen (dit verschijnsel is ook bekend als coalescentie). Door de scheidingsruimte te voorzien van ten minste één stroomopwaarts gelegen coalescentiekamer zullen aldus de vloeistofdelen (druppels) gemiddeld groter zijn op het moment dat het mengsel de scheidingsruimte betreedt dan zonder de 3 voorgeschakelde coalescentiekamer. Aldus vindt de scheiding niet exclusief plaats in de scheidingsruimte maar komt het te separeren mengsel in een reeds voorgescheiden toestand in de scheidingsruimte. Grotere vloeistofdelen hebben als voordeel dat zij makkelijker (sneller, met minder vervuiling , met minder drukval en zo voorts) zijn te 5 separeren van een gas(mengsel) of een andere vloeistof respectievelijk een ander vloeistofmengsel. Dit maakt het mogelijk met een gelijkblijvende scheidingsruimte (vortex) een verhoogde graad van separatie te verkrijgen respectievelijk maakt het mogelijk om te volstaan met een korte verblijfstijd van, of een verminderde drukval over, de scheidingsruimte om een identieke separatiegraad te verkrijgen als met de 10 scheidingsruimte zonder voorgeschakelde coalescentiekamer. Naast de reeds voorgaand genoemde olie/water-scheiding blijkt de inrichting overeenkomstig de uitvinding ook zeer doelmatig te zijn voor het ontvetten van bijvoorbeeld melk.

De scheidingsruimte en de ten minste ene coalescentiekamer zijn bij voorkeur 15 samengebouwd in een gemeenschappelijke behuizing. Aldus is de ten minste ene coalescentiekamer star verbonden met de scheidingsruimte. Een en ander kan praktische worden gerealiseerd doordat de mantel van de scheidingsruimte vast verbonden is met of uit één geheel is vervaardigd met de wand van de coalescentiekamer. Een dergelijke constructie kan zeer compact, economisch en robuust worden uitgevoerd.

20

De inrichting kan naar keuze ook worden uitgevoerd met meerdere coalescentiekamers. Aldus kan de capaciteit van de afzonderlijke coalescentiekamers beperkt blijven hetgeen een voordelig effect heeft op de doelmatigheid van de werking ervan; de coalescentiekamers kunnen immers worden uitgevoerd met een kleinere diameter 25 hetgeen leidt tot een toename in het coalescentie-resultaat. Voor een eenvoudige samenbouw is het voordelig als de coalescentiekamers evenwijdig aan elkaar verlopen. Verder is het constructief voordelig indien de coalescentiekamers op een identieke afstand van de axiaal van de scheidingsruimte zijn gelegen. Dit wil zeggen dat de onderlinge afstand tussen de coalescentiekamers constant is. Deze meerdere 30 coalescentiekamers kunnen individueel, maar als alternatief ook middels een centrale doorvoer, aansluiten op de scheidingsruimte. Indien de coalescentiekamers op verschillende posities het voorbewerkte mengsel in de scheidingsruimte brengen kan zo ook de stroming in de scheidingsruimte verder worden gestabiliseerd. Een verdere stabilisatie van het stromingspatroon kan worden gerealiseerd indien tussen twee 4 aangrenzende geleidingselementen een stabilisatie-element is gepositioneerd. Zo een stabilisatie-element is bij voorkeur korter is dan eventuele naastgelegen geleidingselementen en kloopt verder bij voorkeur in hoofdzaak evenwijdig aan dergelijke geleidingselementen.

5

In het bijzonder is het gunstig indien de toevoer in hoofdzaak tangentiaal aansluit op de coalescentiekamer. Als alternatief is het echter ook mogelijk dat de toevoer in hoofdzaak axiaal aansluit op de coalescentiekamer maar dat deze is voorzien van middelen voor het doen roteren van het roterend mediummengsel in de 10 coalescentiekamer (bijvoorbeeld in de vorm van swirl elementen en/of schoepen).

Tengevolge van deze maatregelen zal het lokale Reynoldsgetal op verschillende locaties in de toevoer nadrukkelijk afhemen waardoor de kans op zwaar turbulente stroming in de toevoer (met een Reynoldsgetal veel groter dan 2300 hetgeen vanuit het scheidingsoogpunt evident ongewenst is), ook bij een groter debiet, aanzienlijk kleiner 15 wordt.

Bij een zeer praktische te vervaardigen uitvoeringsvariant van de inrichting overeenkomstig de uitvinding wordt de op de proximale zijde van de coalescentiekamer in hoofdzaak tangentiaal aansluitende toevoer voor het stromend mediummengsel 20 gevormd door een in de wand van de coalescentiekamer uitgespaarde sleuf. Indien de inrichting is voorzien van meerdere coalescentiekamers dan is het voordelig dat een in de wand van de coalescentiekamer uitgespaarde langgerekte sleuf in hoofdzaak tangentiaal op ten minste twee coalescentiekamers aansluit. Indien de coalescentiekamers zijn gevormd (bijvoorbeeld door middel van een verspanende 25 bewerking zoals bijvoorbeeld boren) kan de aansluiting van de toevoer dan eenvoudig worden gerealiseerd door het frezen van één of meerdere sleuven. Dit is een eenvoudige en goedkope bewerking die bovendien nauwkeurig kan worden uitgevoerd.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het in opvolgende fasen 30 separeren van een stromend mediummengsel in ten minste twee fracties met afwijkende massadichtheid omvattende de bewerkingsstappen: A) het aan een coalescentiekamer toevoeren van een te separeren mengsel, B) het in de coalescentiekamer doen roteren van het stromend mediummengsel, C) het vanuit de coalescentiekamer in een scheidingsruimte voeren van het stromend mediummengsel, D) het in de 5 scheidingsruimte als vortex doen roteren van het stromend mediummengsel, en E) het uit de scheidingsruimte afvoeren van ten minste twee gesepareerde fracties. Een dergelijke scheidingsruimte wordt ook wel aangeduid als een stationaire cycloon. Voor de voordelen van het toepassen van deze werkwijze wordt verwezen naar de 5 bovengaand reeds genoemde voordelen naar aanleiding van de beschrijving van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding, in het bijzonder het voorbewerken van een stromend mediummengsel waarvan vloeistofdelen onderdeel uitmaken welke tijdens een voorbewerkingsstap gemiddeld groter worden ten gevolge van coalescentie. Aldus zal de separatie in de scheidingsruimte sneller en/of doeltreffende kunnen worden 10 uitgevoerd.

Om de capaciteit van de coalescentiekamers en de scheidingsruimte op elkaar af te stemmen en om een doelmatige coalescentie mogelijk te maken is het in de praktijk voordelig indien het aan de scheidingsruimte toegevoerde stromende mediummengsel 15 afkomstig is uit meerdere op de scheidingsruimte aansluitende coalescentiekamers.

In een andere uitvoeringsvariant expandeert het mediummengsel bij voorkeur tijdens de toevoer aan de ten minste ene coalescentiekamer. Dit principe werkt indien het mediummengsel supergesatureerd is bij intrede in de coalescentiekamer. Aldus wordt de 20 vorming van vloeistofdelen gestimuleerd en zal de coalescentie verder worden ondersteunt. Voor een verdere stabilisering van de vloeistofstroming in de cycloon is het tevens voordelig indien het mediummengsel aan meerdere zijden aan de inrichting wordt toegevoerd.

25 De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de in navolgende figuren weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: figuur 1 een perspectivisch en gedeeltelijk opengewerkt aanzicht op een separatie-inrichting volgens de uitvinding; figuur 2A een perspectivisch aanzicht op een doorsnede A-A door de inrichting getoond 30 in figuur 1, en figuur 2B een perspectivisch aanzicht op een doorsnede A-A door een alternatieve uitvoeringsvariant van de inrichting getoond in figuur 1 6

Figuur 1 toont een gedeeltelijke opgewerkt perspectivisch aanzicht op een separatie-inrichting 10 volgens de onderhavige uitvinding. De inrichting 1 omvat een kern 11 die in omgeven door een mantel 12. In de in hoofdzaak cilindervormige mantel 12 zijn toevoeropeningen 13 voor het te separeren mengsel aangebracht; de vorm van deze 5 openingen is irrelevant. In de kem 11 zijn coalescentiekamers 14 uitgespaard waarop steeds een toevoeropening 13 aansluit zodanig dat het mengsel overeenkomstig de pijl Pi in hoofdzaak tangentiaal aan de coalescentiekamers 14 wordt toegevoerd ten gevolge waarvan overeenkomst de pijl P2 het mengsel een roterende beweging (vortex) in de coalescentiekamers 14 doorloopt. In de hier weergegeven uitvoeringsvariant van de 10 separatie-inrichting 10 sluit er op iedere coalescentiekamer 14 steeds één toevoeropening 13 aan edoch het is uiteraard ook mogelijk dat er meerdere toevoeropeningen op een enkele coalescentiekamer 14 aansluiten. De proximale zijde (dat wil zeggen de zijden waaraan het mengsel wordt toegevoerd) van een coalescentiekamer 14 bezit een cilindervormige binnenwand 16 die aan de proximale 15 zijde van de coalescentiekamer 14 overgaat in een conisch vernauwde binnenwand 17. Op de conisch vernauwde binnenwand 17 sluit vervolgens nog een binnenwand met opnieuw een cilindervormige binnenwand 18 aan die echter een aanzienlijk geringere diameter heeft dan de cilindervormige binnenwand 16 aan proximale zijde.

20 Afvoeren 15 van de coalescentiekamers 14 voeren het voorbewerkte mengsel overeenkomstig de pijlen P3 in scheidingsruimte 19 waarin aan de proximale zijde geleidingselementen 20 zijn opgesteld om de totale stoom van het in de coalescentiekamers 14 voorbewerkte mengsel in rotatie te brengen. Aan de distale zijde van de scheidingsruimte 19 zal het voorbewerkte mengsel overeenkomstig de pijl P4 een 25 axiale cycloon vormen. Aan de proximale zijde van de scheidingsruimte 19 is een kem 21 geplaatst met een centrale opening 22 waardoor de lichte fase van de middels de axiale cycloon verkregen separatie zal worden afgevoerd overeenkomstig de pijl P5. De zwaardere fractie van de middels de axiale cycloon P4 verkregen separatie zal aan de distale zijde van de scheidingsruimte 19 door een afvoeropening 23 worden afgevoerd 30 overeenkomstig de pijl Pe. De door de centrale opening 22 in de kem 21 afgevoerde lichtere fractie zal door een centraal afvoerkanaal 24 aan de overliggende zijde van de afvoeropening 24 uit de separatie-inrichting 10 treden overeenkomstig de pijl P7.

7

Figuur 2A toont een aanzicht op de doorsnede A-A zoals deze is weergegeven in figuur 1. Hierin zijn zes delen van coalescentiekamers 14 zichtbaar die zijn uitgespaard in de kern 11 die allen zijn gekoppeld met een afzonderlijke toevoeropening 13 waardoor overeenkomstig de pijl Pi in hoofdzaak tangentiaal een te separeren mengsel wordt 5 toegevoerd. Centraal in de kern 11 is ook het afvoerkanaal 24 zichtbaar waardoor een lichtere fractie van het gesepareerde mengsel wordt afgevoerd overeenkomstig de pijl P7. In deze uitvoeringsvariant van de separatie-inrichting 10 zijn de coalescentiekamers 14 evenwijdig geplaatst aan en cirkelvormig geplaatst rond de hartlijn van de scheidingsruimte 19. Dit is echter niet noodzakelijk zo; één of meerdere 10 coalescentiekamers 14 kunnen ook onder een hoek geplaatst zijn ten opzichte van de hartlijn van de scheidingsruimte 19 en ook de verdeling van de coalescentiekamers 14 over de kern 11 kan naar believen anders worden gekozen. De in deze figuur 2A getoonde proximale zijden van de coalescentiekamers 14 is vlak uitgevoerd, het is echter ook mogelijk deze van een andere geometrie te voorzien, bijvoorbeeld een 15 geometrie die ontstaat ten gevolge van het uitboren van de coalescentiekamers 14.

Figuur 2B toont een aanzicht op een alternatieve uitvoeringsvariant van de doorsnede A-A zoals deze is weergegeven in figuur 2A. Wederom zijn zes coalescentiekamers 14 uitgespaard in de kern 11, allen voorzien van een afzonderlijke toevoeropening 13 20 waardoor overeenkomstig de pijl Pi het te separeren mengsel wordt toegevoerd. Ook het centraal in de kern 11 aangebrachte afvoerkanaal 24 is weer zichtbaar waardoor overeenkomstig de pijl P7 de lichtere fractie die afkomstig is uit de scheidingsruimte 19 wordt afgevoerd. Anders dan in figuur 2A zijn echter nu de coalescentiekamers 14 aan de proximale zijde ieder voorzien van een centrale afVoeropening 25. Indien de 25 verhouding lichte fractie/zware fractie in de coalescentiekamers 14 reeds zodanig is dat een voorscheiding mogelijk is kan (een gedeelte van) de lichtere fractie van het mengsel in de coalescentiekamers 14 reeds worden afgevoerd zodanig dat deze lichtere fractie de scheidingsruimte 19 niet eens betreedt. De centrale afvoeropeningen 25 in de coalescentiekamers 14 kan tot een aanmerkelijke verhoging van de scheidingefficiency 30 leiden.

Claims

1. Inrichting voor het in opvolgende fasen separeren van een stromend mediummengsel in ten minste twee verschillende fracties met afwijkende gemiddelde 5 massadichtheid omvattende: - een door een stationaire mantel omgeven in axiale richting cirkelsymmetrisch scheidingsruimte, waarbij de mantel is voorzien van een toevoer voor een te separeren mengsel en ten minste twee afvoeren voor het afvoeren van ten minste twee door rotatie van elkaar gescheiden fracties met afwijkende massadichtheid, en 10 in de scheidingsruimte gelegen rotatiemiddelen voor het als vortex in de scheidingsruimte doen roteren van het mengsel, met het kenmerk dat de inrichting tevens is voorzien van ten minste één langgerekte in axiale richting cirkelsymmetrisch coalescentiekamer met een op de proximale zijde van de coalescentiekamer aansluitende toevoeropening voor het stromend mediummengsel, 15 en een op de distale zijde van de coalescentiekamer aansluitende afvoer voor het stromend mediummengsel welke afvoer van de coalescentiekamer aansluit op de toevoer van de scheidingsruimte.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de scheidingsruimte en de 20 ten minste ene coalescentiekamer zijn samengebouwd in een gemeenschappelijke behuizing.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de inrichting meerdere coalescentiekamers omvat. 25

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de coalescentiekamers evenwijdig aan elkaar verlopen.

5. Inrichting volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk dat de coalescentiekamers 30 op een identieke afstand van de axiaal van de scheidingsruimte zijn gelegen.

6. Inrichting volgens een der conclusies 3-5, met het kenmerk dat de coalescentiekamers individueel aansluiten op de scheidingsruimte.

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de toevoer in hoofdzaak tangentiaal aansluit op de coalescentiekamer.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat in de 5 scheidingsruimte geleidingselementen zijn aangebracht voor het voor het doen roteren van het roterend mediummengsel in de scheidingsruimte.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk dat tussen twee aangrenzende geleidingselementen een stabilisatie-element is gepositioneerd. 10

10. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de op de proximale zijde van de coalescentiekamer in hoofdzaak tangentiaal aansluitende toevoer voor het stromend mediummengsel wordt gevormd door een in de wand van de coalescentiekamer uitgespaarde sleuf. 15

11. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de inrichting is voorzien van meerdere coalescentiekamers waarbij een in de wand van de coalescentiekamer uitgespaarde langgerekte sleuf in hoofdzaak tangentiaal op ten minste twee coalescentiekamers aansluit. 20

12. Werkwijze voor het in opvolgende fasen separeren van een stromend mediummengsel in ten minste twee fracties met afwijkende massadichtheid omvattende de bewerkingsstappen: A) het aan een coalescentiekamer toevoeren van een te separeren mengsel,

25 B) het in de coalescentiekamer doen roteren van het stromend mediummengsel, C) het vanuit de coalescentiekamer in een scheidingsruimte voeren van het stromend mediummengsel, D) het in de scheidingsruimte als vortex doen roteren van het stromend mediummengsel, en

30 E) het uit de scheidingsruimte afvoeren van ten minste twee gesepareerde fracties.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk dat het aan de scheidingsruimte toegevoerde stromende mediummengsel afkomstig is uit meerdere op de scheidingsruimte aansluitende coalescentiekamers.

14. Werkwijze volgens conclusies 12 of 13, met het kenmerk dat het mediummengsel bij de toevoer aan de ten minste ene coalescentiekamer expandeert.