NO151881B

NO151881B - Apparat til overfoering av masse mellom to fluidumfaser

Info

Publication number: NO151881B
Application number: NO801534A
Authority: NO
Inventors: Colin Ramshaw; Roger Howard Mallinson
Original assignee: Ici Ltd
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-22
Publication date: 1985-03-18
Also published as: EP0020055A1; NO151881C; ATE24118T1; DK154001B; JPS5626502A; DK154001C; AU530583B2; AU5879880A; ZA803061B; EP0020055B1; DE3071856D1; RU1828406C; BR8003373A; CA1157632A; NO801534L; JPS6352921B2; DK235180A; ES492020A0; ES8102839A1

Description

Oppfinnelsen angår et apparat til overføring av masse mellom to fluidumfaser, der i det minste den første av disse er en væske og der apparatet omfatter et permeabelt element som gjør det mulig for fluidene å strømme gjennom porene i dette, idet veggflaténe i porene danner en buktet og hovedsakelig kontinuerlig bane som fluidene strømmer etter og er dreibart om en akse for å gi fluidene en midlere akselerasjon på minst 150 m sek når de strømmer gjennom porene, idet det første fluidum strømmer bort fra aksen, og der det er anordnet innretninger for avlevering av minst et av fluidene eller et derivat av dette fra det permeable element.

Med "masseoverføring" menes det en overføring til en før-

ste fluidumfase fra en andre fluidumfase eller vice versa, av minst en del av en substans som er det oppløste i den første fluidumfase, der den første fluidumfase a) er en væske,

b) er i hovedsaken ublandbar med den andre fluidumfase, og

c) har større tetthet enn tettheten i den andre fluidumfase.

Absorpsjon og destillasjon, som er prosesser utstrakt benyttet

i kjemisk og petrokjemisk industri, er typiske masseoverførings-prosesser. Der det i en masseoverføringsprosess inngår en overføring av det oppløste i en væske til en gass eller om-

vendt, kan prosessen være "gassfilmkontrollert" eller "væskefilmkontrollert". I "gassfilmkontrollerte" masseoverførings-- > prosesser, for eksempel absorpsjon av ammoniakken i vann fra en ammoniakk/luft-blanding, vil mengden av masse som overføres bli begrenset først og fremst av diffusjonen av det oppløste gjen-

nom gassfasen. I "væskefilmkontrollerte" masseoverføringspro-sesser, for eksempel absorpsjon av oksygen i vann fra luft, vil mengden av masse som overføres bli begrenset først og fremst av diffusjonen av det oppløste i væskefasen. Når det i en masse-overføringsprosess inngår overføring av det oppløste fra en første væske til en annen væske, er prosessen "væskefilmkons-trollert", og den mengde masse som kan overføres, blir først og fremst begrenset av diffusjonen av det oppløste gjennom den ene av væskene.

Den mengdemasse som overføres pr. tidsenhet blir vanligvis angitt som masseoverføringskoeffisienter. For gassfilmkontrollerte og væskefilmkontrollerte prosesser kan disse be-tegnes med KG respektive K^.

Fra britisk patent nr. 757 149 er det kjent at masseover-føringshastigheten mellom to fluidumfaser kan økes ved at fluidene gis en akselarasjon på opp til omtrent 2000 m sek -2, samtidig som de strømmer gjennom et konvensjonelt fyllmateriale i et roterende masseoverføringsapparat.

Fra US patent 2 259 762 er det tidligere kjent i et roterende apparat til overføring av masse å utforme det permeable element av trådduk som vanligvis inneholder mindre enn 75% hulrom.

Hensikten med denne oppfinnelse er å forbedre apparatet

av den innledningsvis nevnte art ved forbedring av apparatets permeable element, og dette har man ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at det permeable element har et porevolum på minst 90% og omfatter strenger, fibre, fibriller eller filamenter.

Ved en utførelse av oppfinnelsen kan det permeable ele-

2 3

ment ha et indre skilleflateareal på minst 350m /m .

Fortrinnsvis er det permeable elements porevolum minst 93%. Det er en fordel at strengene, fibrene eller filamentene har en ekvivalent diameter mindre enn 150 nm. Ved en særlig fordelaktig ut-førelse av apparatet er det permeable elements indre skilleflate-2 3

areal over 1500 m /m .

Trådene, fibrene, fibrillene eller filamentene i det per^-meable element kan være mekanisk forbundet med hverandre, limt til hverandre eller punktsveiset til hverandre. De kan eventuelt også være sammenvevet eller sammenstrikket. En del av de oven-for benyttede uttrykk skal presiseres nærmere i det følgende:

Med "porevolum" menes den prosent av det totale volum i

det permeable element som er tomrom.

Med "fluidum" menes en substans eller en blanding av sub-stanser som er en gass eller væske under de temperatur- og trykk-forhold som apparatet ifølge oppfinnelsen holdes på.

Hvis for eksempel det andre fluidum er en gass, som også kan være en blanding av gasser, kan det første fluidum og/eller det andre fluidum (hvis det er en væske) være en ren væske eller kan være en oppløsning av en eller flere bestanddeler i væsken, og disse bestanddeler kan være en gass, en væske eller et fast-stoff.

Med "skilleflateareale" menes det overflateareale i det permeable element som fluidene kan komme i kontakt med pr. volumenhet av det permeable element.

Den midlere akselerasjon am kan defineres ved ligningen:

der N er rotasjonshastigheten for det permeable element om rotasjonsaksen og pr. minutt, rQ er avstanden i meter fra rotasjonsaksen til den radialt sett innerste del av det permeable element, og r^ er avstanden i meter fra rotasjonsaksen til den radialt sett ytterste del av det permeable element.

Ved hjelp av apparatet ifølge oppfinnelsen kan der oppnås en middlere akselerasjon som er større enn 5000 m sek - 2. En slik akselerasjon er å foretrekke fordi den ofte resulterer i en overraskende stor økning av masse som overføres per tidsenhet.

Som nevnt kan strengene, fibrene eller filamentene ha

en ekvivalent diameter mindre enn 150 nm. Fortrinnsvis er denne diameteren enda mindre,f.eks. under 30nm. Den ekvivalente diameter d defineres ved ligningen:

("Chemical Engineering" av Coulson og Richardson, Vol 1,2. utgave, side 210) .

Tverrsnittsformen på trådene, fibrene, fibrillene eller filamentene, kan når disse benyttes, for eksempel være sirku-lær, trekantet, korsformet eller tresnutet, men den sirkulære tverrsnittsform foretrekkes.

Det permeable element har fortrinnsvis et symmetriplan gjennom rotasjonsaksen, det kan for eksempel foreligge i form av en stang som roteres om en akse som er perpendikulær på stangaksen og i avstand fra midtpunktet for denne. Det foretrekkes spesielt at det permeable element har en rekke symme-

triplan som skjærer hverandre ved en linje som faller sammen

med rotasjonsaksen, det kan for eksempel foreligge i form av en permeabel stang som roteres om en akse som er perpendikulær på stangaksen og faller sammen med midtpunktet for denne..Spesielt gunstig er det hvis det permeable element har en symme-triakse som faller sammen med rotasjonsaksen, for eksempel kan det permeable element ha ringform, og det kan da roteres om symmetriaksen. Hvis det permeable element har ringform, blir den ytre diameter på ringen vanligvis valgt innenfor området 25 cm til 5 meter, og den indre diameter blir vanligvis valgt innenfor området 5 cm til 100 cm.

Det permeable element kan være utformet i ett stykke eller sammensatt av flere enkeltkomponenter. Hvis det permeable element er utformet i ett stykke, kan det fremstilles med porer, for eksempel støpes som skum, eller at det senere kan tildannes porer, for eksempel støpes som en massiv blokk rundt saltpar-tikler som senere løses opp, eller at materialet arrangeres slik at det dannes porer, for eksempel som en trådkveil. Hvis det permeable element består av en rekke enkeltkomponenter, kan disse komponenter være permeable, og i dette tilfelle er en del av porene dannet i komponentene og en del av porene mellom komponentene. De enkelte komponenter kan alternativt være ikke-permeable. Når det permeable element blir laget av enkeltkomponenter, foretrekkes det ofte at komponentene er tråder, fibrer, fibriller eller filamenter, og i dette tilfelle dannes porene i det permeable element mellom komponentene i dette.

Det foretrekkes ofte at det permeable;element er utformet som et helt stykke og/eller er selvbærende, fordi dette ikke gir noen stor mulighet for at porevolumet i dette element skal min-ske under bruk. Det er ofte ønskelig at det permeable element settes sammen av passende formede deler, for eksempel segmenter eller bueformede deler av et mekanisk selvbærende materiale.

Det permeable element kan fremstilles av materiale

som har stor nok mekanisk styrke til å motstå de påkjenninger som materialet utsettes for under rotasjonen av det permeable element ved de rotasjonshastigheter som skal benyttes. Materialet må fortrinnsvis også være resistent mot angrep fra eller mot reaksjoner med de fluider som det kommer i fysisk kontakt med. Det materiale som det permeable element lages av er van-

ligvis glass, plast, for eksempel silikonharpiks eller polytet-rafluoretylen, eller et kjemisk resistent metall, for eksempel rustfritt stål, nikkel, titan eller tantal. Materialet kan alternativt være kompositter av to eller flere materialer med en passende sammensetning. Materialet kan for eksempel omfatte et korrosjonsbestandig belegg, for eksempel av glass eller plast,

på en korroderbar bærer, for eksempel korroderbare metall-tråder.

Selv om det permeable element helst er homogent, uteluk-

kes ikke muligheten for at det kan være en kompositt. Det kan for eksempel være sammensatt som en ring av trådnett, som kan omsluttes av en ring av et metallforsterket skum.

Typiske eksempler på materialer som er egnet i det permeable element i- apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter blant annet en rull av vevet bånd, en sintret masse, strikket eller vevet trådduk, rynket nettverk, skjelettskum, fortrinnsvis metaIlskjelettskum, en matte med vilkårlig orienterte fibrer eller en fibermasse.

Med "skjelettskum" menes et relativt stivt nettverksskum

som vanligvis er metallisk eller keramisk. Et slikt skummateri-r ale fremstilles ved at det på et agglomerat av fibrer, for eksempel et filtet materiale, påføres et metallbelegg eller at dette påføres et åpencellet skum, for eksempel polyuretanskum,

og at fibrene eller skummet derpå vaskes ut eller utlutes, slik at det blir gjenstående et metallskjelett bestående av en rekke tynne tråder eller fibrer som er sammenfiltret i et tredimen-sjonalt nettverk. Med "relativt .stivt"- menes at grunnmassen-er i stand til å motstå sentrifugalkraften og andre belastninger som den utsettes for under drift av apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, uten at den utsettes for noen deformasjon av vesentlig utstrekning, hvilket kunne bidra til å lukke porene i skummet og hindre fluidumstrømmen utilbørlig gjennom massen. Metallskjelettskum har også ofte i tillegg den fordel at det

lett kan maskineres til riktige dimensjoner, og det er så pass deformerbart at det kan formes, for eksempel ved at det bøyes til en bueformet del, som kan monteres i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Hvis det indre poreareale for et enkelt permeabelt element økes, vil også trykkfallet over det permeable element økes, og muligheten for tilstopping og oversvømmelse av det permeable element øker derved også. Et enkelt eksperiment vil lett klar-gjøre hvilket permeabelt element som passer for enhver ønsket rotasjonshastighet og fluidumkombinasjon.

Det skal påpekes at når det permeable element ikke er mekanisk selvbærende, for eksempel at det omfatter en hel masse, der det mellom de enkelte deler dannes porer, eller at det består av en rekke adskilte komponenter eller er en kompositt,

blir det ofte nødvendig å benytte midler som holder det permeable element i ønsket form for å opprettholde permeabiliteten i elementet. Disse midler foreligger fortrinnsvis i form av et element som er dreibart om den samme akse som det permeable element (i det følgende angitt som "roterbart element"), og som det permeable element er anordnet i. Selv om det permeable element er mekanisk selvbærende, blir det likevel ofte anordnet i et roterbart element.

Når det benyttes et slikt roterbart element, kan det permeable element være anordnet i hele eller bare en del av det roterbare element. Størrelsen på det permeable element og hvordan det anordnes i det roterbare element kan bestemmes avhengig av tettheten og det indre poreareale i det permeable element, samt av strømningsegenskapene for fluidene. Når det permeable element er anordnet bare i en del av det roterbare element, foretrekkes det ofte at det permeable element er anordnet i det radialt sett ytre lag av det roterbare element, fordi når avstanden fra aksen øker, vil størrelsen på sentrifugalkraften som virker på fluidene • i - dette lag også øke,, og derved vil tykkelsen på dette lag kunne reduseres. Når det permeable element anordnes i et roterbart element med en sym-metriakse som faller sammen med rotasjonsaksen, er det permeable element fortrinnsvis fordelt symmetrisk rundt aksen, slik at det roterbare element blir dynamisk utbalansert når det roteres.

Når det benyttes et roterbart element, kan det ofte være laget av ethvert materiale som har a) stor nok mekanisk styrke til å motstå påkjenninger som utvikles i materialet under rotasjonen av det roterbare element ved den anvendte rotasjonshastighet, og b) stor nok korrosjonsmotstand til å kunne tåle omgivelsene som det roterbare element kan komme i kontakt med under bruk. Typiske materialer som kan brukes ved fremstilling av det roterbare element omfatter blant annet rustfritt stål,

bløtt stål, messing, aluminium, nikkel og Monel. Valg av egnet materiale skulle ikke være noe problem for fagfolk på dette tekniske område.

Rotasjonshastigheten for det permeable element vil blant

annet være avhengig av porøsiteten i dette, av den fluidums-gjennomløpsmengde som fordres og av den radiale distanse som fluidene må strømme gjennom det permeable element. Den mini-

male rotasjonshastighet for det permeable element blir ofte be-

stemt av strømningsegenskapene for væsken. Den maksimale rotasjonshastighet for det permeable element må styres av den mekaniske styrke for det permeable element, og når det anvendes et roterbart element - av den mekaniske styrke for dette. Når det anvendes et roterbart element og når dette har form av en hul skive av rustfritt stål, som det permeable element er anordnet i, kan for en skive med en diameter på 0,5 meter, en typisk rotasjonshastighet ligge mellom 1000 og 3000 omdreininger pr.

minutt, for en skive med diameter på 1 meter, 500 til 2000 omdreininger pr. minutt og for en skive med diameter på 1,5 meter,

400 til 1000 omdreininger pr. minutt. Når rotasjonshastigheten økes, vil tykkelsen av væskelaget på veggené i porene i det permeable element avta for enhver bestemt avstand fra rotasjonsaksen.

Rotasjonshastigheten vil vanligvis være av størrelsesorden

50 - 10 000 omdreininger pr. minutt, fortrinnsvis av størrel-sesorden 100 til 5 000 omdreininger-pr. minutt, og det gunstig----ste antas å være 500 - 2 000 omdreininger pr. minutt.

For en bestemt midlere akselerasjon og en bestemt radial avstand som fluidene må strømme gjennom det permeable element,

kan man lett beregne rotasjonshastigheten for det permeable element.

Selv om rotasjonsaksen kan være horisontal eller vertikal

eller i enhver mellomliggende vinkel, er det ofte gunstig at denne akse er vertikal. Når det benyttes et permeabelt ele-

ment i form av en ring, blir rotasjonsbevegelsen vanligvis til-

ført elementet via en aksel som stikker ut fra aksen for ringen

(for eksempel fra toppen og/eller bunnen, hvis aksen er verti-

kal) . Det permeable element kan for eksempel roteres ved hjelp

av en hydraulisk variabel drivanordning, en remskive som drives av en rem fra en elektromotor eller en turbodrivanordning.

Lagerkonstruksjonen for det roterbare element kan være av velkjent type på dette tekniske område, for eksempel radial- og aksial-lagere av vanlig kjent konstruksjon.

Strømningsretningen for det andre fluidum vil i prosessen ifølge foreliggende oppfinnelse være avhengig av de relative tettheter for de to fluider og av strømmengden for disse. Det kan forekomme medstrøm såvel som motstrøm under drift.

Strømmen av væskene gjennom porene i det permeable element går hovedsakelig i plan perpendikulære på rotasjonsaksen, det vil-si i radialretningen, selv om muligheten for at det kan gå en liten strømkomponent parallell med rotasjonsaksen ikke utelukkes. Det skal påpekes at ved å anvende et permeabelt element som har en radial tykkelse vesentlig større enn dets aksiale lengde, for eksempel et skiveformet permeabelt element, og ved å tilføre det første fluidum i det vesentlige jevnt langs den aksiale lengde av skiven, vil muligheten for at strømmen av det første fluidum skal ha en aksial komponent, bli redusert. Når det permeable element har skiveform, kan det for eksempel ha en diameter på 80 cm og en aksial lengde på 20 cm.

Hoveddelen av det første fluidum eller et derivat av dette blir i det minste ført ut fra det permeable element ved eller henimot den radialt sett ytre omkrets på dette. Det er derfor i det minste sørget for en anordning i avstand fra den ytre omkrets på det permeable element, som reduserer leveringen av væskemateriale. Når for eksempel det permeable element har ringform, kan det i ett med dette være utformet et skall på de plane flater, eller skiver kan holdes i kontakt med hver av disse plane flater, eller når det benyttes et roterbart element, kan det være utformet for å hindre den før nevnte væske-levering i avstand fra den ytre omkrets på det permeable element. Det roterbare element kan for eksempel være en hul skive, hvori det permeable element er anordnet, der de plane flater på det permeable element avtetter mot de plane flater i den hule skive.

Når det benyttes motstrøm, skal det påpekes at det i avstand fra rotasjonsaksen og fortrinnsvis henimot den radialt sett ytre omkrets av det permeable element er nødvendig å til-føre det andre fluidum til det permeable element. Det permeable element kan for eksempel være anordnet slik i det roterbare element at det dannes et rom mellom den radialt sett ytre omkrets på det permeable element og den indre flate på det roterbare element. Det første fluidum strømmer inn i dette rom og danner en væsketetning, og det andre fluidum kan tilføres til det permeable element gjennom denne. Når det andre fluidum er en blanding av komponenter, kan det leveres til dette rom gjennom den samme eller adskilte tilførselsanordninger, som vanligvis er radialt rettede kanaler ved basis for det roterbare element.

Når det første fluidum strømmer radialt utad gjennom det roterbare permeable element vil trykket som det første fluidum utsettes for øke. Når det benyttes motstrøm, skal det således påpekes at ved tilførsel av det andre fluidum til det permeable element, må dette ha et større trykk enn trykket i det første fluidum på det sted i det permeable element, der dette tilfør-

es det andre fluidum.

Hvis det permeable element er anordnet i et roterbart element, vil tilførselsanordningen for det første fluidum til det permeable element vanligvis omfatte en åpning eller et hull i det roterbare element, som fluidet kan strømme gjennom. Hvis det roterbare element er en hul skive, blir tilførselsanord-ningen vanligvis plassert aksialt, selv om muligheten for å plassere den mellom rotasjonsaksen og tilførselsanordningen for det andre fluidum til det permeable element ikke utelukkes. Når det første fluidum er en blanding-av.komponenter, kan disse leveres til det permeable element gjennom den samme eller en separat tilførselsanordning, de kan for eksempel leveres gjennom konsentriske rør.

Hvis det permeable element som er anordnet i et roterbart element blir benyttet i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, omfatter avløpsanordningen for det første fluidum eller en komponent eller et derivat av dette fra det roterbare element, vanligvis en eller flere åpninger eller hull ved omkrets-

en av det roterbare element i avstand fra rotasjonsaksen, der fluidet kan komme inn gjennom disse åpninger som en forstøvet stråle. Hvis for eksempel det roterbare element er en hul skive hvori det permeable element er anordnet, kan åpningen på egnet måte foreligge i form av en rundt omkretsen utformet

slisse i veggen .på den hule skive, og slissen er fortrinnsvis kontinuerlig eller omkretsveggen kan være utstyrt med en rekke åpninger.

Hvis det permeable element som er anordnet i et roterbart element, blir benyttet i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, omfatter avløpsanordningen for det andre fluidum eller en komponent eller et derivat av dette fra det roterbare element vanligvis en eller flere åpninger i det roterbare element, som det andre fluidum eller en komponent eller et derivat av dette kan strømme gjennom. Hvis det roterbare element er en hul

skive, hvori det permeable element er anordnet, vil åpningen vanligvis være anordnet aksialt.

Det permeable element eller det roterbare element, når

dette benyttes, blir vanligvis montert i et stasjonært fluidumoppsamlende organ, for eksempel i et hus, som kan oppsamle fluidene eller komponenter eller derivater av disse som avleveres fra det permeable element i avstand fra dettes rotasjons-akse. Når dessuten det stasjonære fluidumoppsamlende organ foreligger i form av et avtettet hus, kan det andre fluidum tilføres dette og derved til det permeable element, for eksempel via passende anordnede åpninger i det roterbare element. Det skal påpekes at når det bevirkes en motstrøm i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det permeable element og det roterbare element, når dette benyttes, være montert i det fluidumoppsamlende organ, slik at fluidet som avleveres fra det permeable element i avstand fra rotasjonsaksen ikke kommer i kontakt med det fluidum som avleveres ved eller henimot rotasjonsaksen. Det permeable element eller det roterbare element når dette benyttes, er utstyrt med en langs omkretsen forløpende kanal som det første fluidum strømmer inn i. Et eller flere på egnet måte anordnede og stasjonære oppsamling-sorganer, for eksempel en vifteformet skovl, stikker inn i kanalen, og rotasjonshastigheten for det første fluidum tryk-

ker fluidet gjennom oppsamlingsorganet til et egnet sted.

Fluidenes oppholdstid innenfor det permeable element er

en funksjon av den radiale dimensjon for det permeable element,

av rotasjonshastigheten og av fluidumstrømmengden pr. tidsenhet. Disse parametere samvirker med hverandre og påvirker oppholdstiden. Når for eksempel radius (for et skiveformet

permeabelt element) økes og de andre parametere holdes kon-

stant, vil oppholdstiden øke. Hvis strømmengden pr. tidsenhet økes og de andre parametere holdes konstant vil oppholdstiden bli redusert. Hvis rotasjonshastigheten økes og de andre parametere holdes konstant vil oppholdstiden bli redusert.

Det skal påpekes at for utviklingen av en væskeoverflate

med stort areale i det permeable element, vil det første flui-

dum og/eller det andre fluidum når dette er en væske "væte"

eller "fukte" i det vesentlige hele veggflaten for porene i det permeable element. Fuktingen av det permeable element vil i en viss grad være avhengig av dynamiske faktorer, men vil bli be-fordret hvis den begunstiges av fuktende likevektsforhold. Et fluidum som har liten skilleflatespenning mot det permeable element vil derfor ha en tendens til å skyves bort fra poreflåtene i det permeable element, mens et fluidum som har stor skil-lef latespenning mot det permeable element vil.trekkes til poreflåtene, og denne forskyvning befordres av en liten skilleflatespenning mellom de to fluider. For å befordre "fuktingen" av det permeable element er fortrinnsvis poreflåtene i det permeable element.belagt med et fuktemiddel eller et fuktemiddel er fortrinnsvis tilsatt til minst et av fluidene. Hvis for eksempel det første fluidum er vann og porene i det permeable element har en hydrofob overflate, for eksempel at det perme-

able element er en matte av polytetrafluoretylenfibere, kan det tilsettes passende overflateaktive midler til vannet, for eksempel dodecylsulfat eller et Monflur overflateaktivt middel. Hvis både det første og andre fluidum er væsker foretrekkes det - ofte at veggflaténe i porene "fuktes", fortrinnsvis av det før-ste fluidum.

En rekke permeable elementer som hvert er utstyrt med passende fluidumoppsamlende organer, som vanligvis kan bestå av et hus, selv om det ikke utelukkes at det benyttes den foran be-skrevne, langs omkretsen forløpende kanal med tilhørende av-løpsorganer, kan kobles i strømforbindelse i serie med hveran-

dre. Det skal påpekes at egnede pumper kan være anordnet på passende steder i de ledninger som forbinder permeable naboele-menter. Hvis det ønskes kan de permeable elementer være mon-

tert langs en felles akse. Selv om fluidene kan strømme med-strøms gjennom rekken av permeable elementer, foretrekkes det

ofte motstrøm under drift.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan omfatte en rekke permeable elementenheter som er anordnet i serie, slik at fluidene strømmer gjennom porene i de permeable elementer under en midlere akselerasjon på minst 150 m sek , der det første fluidum strømmer radialt utad og bort fra rotasjonsaksen og der veggflaténe i porene danner en buktet og i hovedsaken kontinuerlig flate som fluidene strømmer over. Elementet består av tråder, fibrer, fibriller eller filamenter. Porevolumet er minst 90% og den midlere akselerasjon er mer enn omtrent 5 000 m sek .

Hvert av de permeable elementer har fortrinnsvis form av en ring, og det foretrekkes at aksen for hver ring faller sammen med rotasjonsaksen.

Materialene og strukturen i det permeable element og i det roterbare element, når dette benyttes, kan velges med hen-syn til egenskapene ved den masseoverføring som skal foregå i dette. Hvis det for eksempel finner sted en endoterm reaksjon i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det permeable element og/eller det roterbare element, når dette benyttes, være utstyrt med oppvarmingsinnretninger, for eksempel elek-triske motstandstråder. Hvis det finner sted en eksoterm reaksjon i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det permeable element og/eller det roterbare element, når dette benyttes, være utstyrt med kjøleinnretninger, for eksempel en kjølespiral.

Apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse kan blant annet benyttes i absorpsjons-, desorpsjons-, motstrøms ekstraksjons-, destillasjons- og homogeniserings-prosesser.

Absorpsjonsprosesser som kan utføres i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse kan være fysiske, for eksempel absorpsjon av ammoniakk, nitrogenoksyder eller hydrogenklorid i vann, eller ammoniak i saltoppløsning, eller nitrogenoksyder i sal-petersyre, eller de kan omfatte en kjemisk reaksjon, for eksempel absorpsjon av svoveldioksyd i melk eller kalk for å danne kalsiumbisulfitt, absorpsjon av oksygen/luft-blandinger for ok-sydasjon av hydrokarboner, for eksempel cumene, cykloheksan eller xylen, absorpsjon av svoveltrioksyd for sulfonering av organiske forbindelser, spesielt for c^o~C20 ^~ ~ 0^- e^^ nex• ab~ sorpsjon av klor eller brom, for klorinering og bromering av paraffiner og olefiner, absorpsjon av klor i kaustikksodaopp-løsninger for behandling av hypokloritt.

Desorpsjonsprosesser som kan utføres i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter blant annet fjerning av re-aksjonsbiprodukter, for eksempel etylenglykol fra en polymer-iseringssmelte av polyetylen-tereftalat "monomer", luktfjerning fra naturoljer og fettstoffer, for eksempel bomullfrøolje, soyaolje, maisolje og smult, ved å behandle oljene eller fett-stoffene med vanndamp; flyktiggjøring av organiske materialer fra vanndige oppløsninger, for eksempel å fjerne aceton fra

vann ved hjelp av luft; samt å fjerne ammoniakk og karbondi-

oksyd fra saltoppløsninger. Slike desorpsjonsprosesser utføres ofte ved redusert trykk. Det reduserte trykk ligger vanligvis mellom 1 mm og 10 mm Hg.

Ekstraksjoner som kan utføres i apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter blant annet ekstrahering av benzen, toluen og xylen fra naftareformet, der det for eksempel som ekstraheringsmiddel benyttes dietylenglykol eller Sulfolan; dehydrering av vanndig hydrogenklorid med oleum; ekstrahering av maursyre og eddiksyre fra den såkalte svartlut i cellulose-industrien med metyletylketon.

Destillering som kan utføres i apparatet ifølge foreligg-

ende oppfinnelse omfatter blant annet separering av etylbenzen fra xy lener, separering av C 2 -hydrokarboner (etylen f ra'etan);'* separering av C^-hydrokarboner (propylen fra propan); separer-

ing av aromatiske forbindelser; separering av mono-, di- og tri-metylaminer; isopentan-separering fra nafta og separering av propylenoksyd/vann.

Når destilleringen utføres i et apparat ifølge foreliggen-

de oppfinnelse, skal det påpekes at væskeomdannende innretninger, for eksempel en kondensator, er nødvendig for å flytendegjøre den damp som avleveres fra det permeable element, og at fordam-pningsinnretninger, for eksempel en kjele, er nødvendig for å fordampe en væske, og denne damp leveres til det permeable element. En rekke permeable elementer som hvert har et tilhørende fluidumoppsamlende organ og som fortrinnsvis også er anordnet i

et roterbart element, er fortrinnsvis koblet sammen i serie, og denne serie er utstyrt med hjelpeutstyr, slik som flytendegjør-ende innretninger og fordamningsinnretninger, som sammen danner et destilleringsapparat.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan være et destillasjonsapparat med en rekke permeable elementenheter som hver har et tilhørende fluidumoppsamlende organ og som er koblet i serie og er roterbare om en felles akse, fordampningsorganer for å fordampe en væske, der dampen skal leveres til serien av permeable elementer samt kondenseringsorganer for flytendegjøring av damp som avleveres fra de permeable elementer. Porevolumet i det permeable element er som nevnt minst 90%. Elementet består av tråder, fibrer, fibriller eller filamenter, og den midlere akselerasjon er på mer enn 5000 m sek<_2>

Når det skal foretas en kontinuerlig destillering i det foran angitte destillasjonsapparat, blir væsketilførselspunktet til destillasjonsapparatet bestemt av sammensetningen av den tilmatede væske. Dette punkt kan bestemmes enkelt av en fag-mann på området. De lavere og høyere kokende fraksjoner av den tilmatede væske strømmer fra dette punkt via det permeable element til motstående ender av rekken av permeable elementer, der de avleveres som damp respektive væske. Dampen blir gjort flytende i en kondensator, og en del av væsken blir returnert til de permeable elementer. En del av væsken som leveres fra rekken av permeable elementer, blir;oppsamlet og en del for-dampes i fordampningsinnretningén, og den utviklede damp blir returnert til rekken av permeable elementer.

Apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse kan

også tilpasses for såkalt "damprekompresjon", og med dette menes at dampen komprimeres og at det trekkes varme fra denne i en varmeveksler. Den damp som avleveres fra rekken av permeable elementer blir komprimert i en kompressor og den varme damp og/eller væske fra kompressoren mates via en ekspansjons-innretning til en varmeveksler. I varmeveksleren vil den varme damp og/eller væske avgi varme som opptas av en andel av den væske som avleveres fra rekken av permeable elementer, og denne væskeandel vil kreve mindre varmetilførsel i kjelen for å for-

dampe. Det totale energibehov for destillasjonsapparatet kan på denne måte reduseres. Kompressoren drives fortrinnsvis fra en drivaksel som driver et eller flere av de permeable ele-

menter.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ytterligere med henvisning

til de medfølgende tegninger som i form av kun et eksempel viser et apparat for overføring av masse mellom to fluidumfaser ifølge foreliggende oppfinnelse og der:

Figur 1 er et lengdesnitt gjennom en gassabsorbator.

Figur 2 er et tverrsnitt i en annen målestokk og lagt

langs linjen A-A på figur 1.

Figur 3 er en skjematisk fremstilling av et kontinuerlig destillasjonsapparat ifølge oppfinnelsen og

figur 4 er en skjematisk fremstilling av det på figur 3

viste apparat som er tilpasset for damprekompresjon.

På figur 1 og 2 har en hul skive en bunn 1 og en vegg 2 av rustfritt stål og et lokk 3 av "Perspex" (gjennomsiktig, hardt plastmateriale) som er skruet til veggen 2, og skiven er ut-

styrt med en hul aksel 4. Den hule aksel 4 står i forbindelse med fire radiale kanaler 5 i bunnen 1, og kanalene fører frem til porter 6 som et fluidum kan strømme gjennom. Veggen 2 er utstyrt med en tunge 7 som griper inn i ét ringspor 8 i lokket 3. En ring 9 av metallskjelettskum, som kan være "Retimet 80",

er anordnet i den hule skive mellom bunnen og lokket og er inn-

ad avgrenset av en trådnettduk 11 og utad av en trådnettduk 12

og danner et ringformet permeabelt element. To konsentriske rør 13 og 14 stikker ut gjennom lokket-3 via en gasstett pak-» ning 15. Det ytre rør 13 står i forbindelse med fire vifte-

formede dyser 16 som et fluidum kan føres gjennom til ringen 9.

Den hule aksel 4 er roterbart montert i rullelagere i et lager-

hus 17 som er festet til en stasjonær fluidumoppsamlende inn-retning i form av et hus 18 av rustfritt stål med en port 19.

En elektromotor (ikke vist) driver den hule aksel 4 via en kik-remdrift.

Under drift roteres den hule skive, og en væske mates inn

via røret 13 til metall-skummet 9 og strømmer radialt utad gjennom skummet 9, for å fylle rommet mellom trådnettduken 12

og veggen 2, og den trykkes ut gjennom passasjen mellom tungen 7 og sporet 8. En gass mates inn i apparatet gjennom den hule aksel 4 og portene 6 og kommer inn i ringrommet mellom veggen 2 og trådnettduken 12. Væsken i rommet mellom veggen 2 og det ytre trådnett 12 hindrer at gassen unnslipper ved veggen 2, og gassen trykkes gjennom porene i det permeable element i mot-strøm til væsken og slipper ut gjennom røret 14. Væsken samles opp i huset 18 og kan renne av etter ønske gjennom porten 19.

På figur 3 er en stabel av stasjonære hus 20, 21, 22, 23, en kondensator 24 og en kjele 25 montert om en drivaksel 26. Drivakselen 26 dreier permeable elementer som er montert i roterbare elementer (ikke vist) som igjen er montert inne i hus-ene 20, 21, 22 og 23. Væskeledninger 27, 28, 29 og dampled-ninger 30, 31, 32, hvori det er innkoblet egnede pumper (ikke vist), forbinder ved siden av hverandre liggende hus. En dampledning 33 og en væskeledning 34, utstyrt med en fordeler 35, forbinder kondensatoren 24 med stabelen av hus. En dampledning 36 og en væskeledning 37, utstyrt med en fordeler 38, forbinder kjelen 25 til stabelen av hus. En mateledning 39 er koblet til en væskeledning 28.

Drivakselen 26 roteres under drift av en motor (ikke vist). Den tilmatede væske som kommer inn i destillasjonsapparatet gjennom mateledningen 39, blander seg med væsken i ledningen 28 og trykkes radialt utad gjennom det permeable element i huset 22, mens den kommer i kontakt med dampen som strømmer radialt innad gjennom det permeable element i huset 22. En del av den lavtkokende fraksjon i den tilmatede væske blir avtappet og ført med dampen gjennom ledningen 31 til det permeable element i huset 21, mens den høytkokende fraksjon føres med væsken gjennom ledningen 29 til det permeable element i huset 23. Den høytkokende fraksjon som avleveres fra huset 23, strømmer gjennom en ledning 37, og en andel avtappes i fordeleren 38 og før-es til en lagertank, mens resten mates til kjelen 25. Den damp som kommer fra kjelen 25 passerer gjennom ledningen 36 til det permeable element i huset 23. Dampen strømmer gjennom det permeable element inntil den lavtkokende fraksjon avleveres til ledningen 33 og strømmer derpå til kondensatoren 24. Den væske som kommer fra kondensatoren 24 passerer gjennom ledningen 34, der en andel av denne avtappes via fordeleren 35 til en lagertank, og resten returneres til husstabelen.

På figur 4 er en kompressor 40 montert på drivakselen 26.

En dampledning 33 og en væskeledning 41 forbinder kompressoren 40 til husstabelen, respektive til en varmeveksler 42. En væskeledning 43, som er utstyrt med en fordeler 44, forbinder varmeveksleren 42 til husstabelen.

Under drift avleveres den lavtkokende fraksjon fra husstabelen og passerer gjennom ledningen 33 til kompressoren 40, der den komprimeres og blir brakt til væskeform. Væsken passerer gjennom ledningen 41 til varmeveksleren 42, der den av-gir varme som absorberes av den høytkokende fraksjon. Den av-kjølte væske fra varmeveksleren føres gjennom ledningen 43, der en del tappes av via fordeleren 44 og føres til en lagertank, mens resten returneres til husstabelen.

Eksempel 1

Et ringformet permeabelt element med en indre radius på 4,7 cm og en ytre radius på 9 cm er fremstilt av "Knitmesh 9031" (med et indre skilleflateareale på 1650 m 2 /m 3 og et porevolum på 94%) og ble montert i en hul skive, slik som vist på figur 1 og 2. Skiven ble rotert med 2.850 omdreininger pr. minutt, samtidig som deoksygenert vann i en mengde av 10 m^ sek-"'". Vannet strømmet radialt utad gjennom porene i elementet og luft strømmet radialt innad. Konsentrasjonen av oksygen i vannet som kom ut av skiven, ble målt ved bruk av en oppløs-nings oksygenprøvesonde. Prøven ble gjentatt med en rotasjonshastighet på 3.350 omdreininger pr. minutt. I et annet eksperiment ble den hule skive pakket med glasskuler (1,5 mm diameter, indre skilleflateareale på 2.400 m 2 /m 3, porevolum 50%) og prøven ble foretatt med samme betingelser for vannmengde og rotasjonshastigheter. De såkalte masseoverføringskoeffisienter KLa ble beregnet ved bruk av ligningen:

der K = masseoverføringskoeffisienten for væskefilmkontrollert overføring (m/sek)

Q = den volumetriske vannstrømmengde (m^/sek)

V = det volum som det permeable element opptar (m 3)

C, = konsentrasjonen av oksygen i det tilførte vann,

C2 = konsentrasjonen av oksygen i det avleverte vann, Ce^ = likevektskonsentrasjonen av oksygen i vann ved om-givelsestemperaturen, a = det indre skilleflateareale for det permeable element (m 2 /m 3) .

Resultatene er angitt i Tabell 1, og av denne kan det sees at ved økende porevolum i det permeable element og enhver bestemt midlere akselerasjon, øker også den volumetriske masse-overf øringskoef f isient K^a, og at ved økning av den midlere akselerasjon, vil også den volumetriske masseoverføringskoef-fisient øke.

Eksempel 2

Et annet ringformet permeabelt element med en indre radius på 4,75 cm, en ytre radius på 9 cm og en dybde på 2,54 cm ble

fremstilt av "Retimet 45" (indre skilleflateareale på 2400 m 2/ m 3 og et porevolum på » 96%) og ble montert i en hul skive, slik som vist på figur 1 og 2. Skiven ble rotert med 1 450 omdreininger pr. min., mens deoksygenert vann i en mengde på 16,7 x 10 m sek ble tilført til den hule skive og strømmet radialt utad gjennom porene i "Retimet 45". Luft i en mengde på

-4 3 -1 16,7 x 10 m sek ble tilført til den hule skive og strømmet radialt innad. Konsentrasjonen av oksygen i vannet som ble tilført og avlevert fra den hule skive ble målt ved bruk av en oppløsnings oksygenprøvesonde. Den volumetriske masseoverfør-ingskoef f isient K^a ble beregnet ved bruk av ligningen ifølge Eksempel 1. Ytterligere prøver ble utført med økende rotasjonshastigheter, og resultatene er angitt i Tabell 2.

Av tabell 2 er det lett a se at nar den midlere akselerasjon

_2

økes fra omtrent 5000 m sek blir det en markert økning i den volumetriske masseoverføringskoeffisient.

Eksempel 3

Et ringformet permeabelt element med en indre radius på

4,8 cm, en ytre radius på 9,2 cm og en dybde på 2,54 cm ble fremstilt av et strikket bånd av glassfibrer ("Knitmesh 9048"

med et indre skilleflateareale på o 1000 m 2 /m 3og porevolum på

95%) og ble montert i en hul skive, slik som vist på figur 1

og 2. Skiven ble rotert med 1000 omdreininger pr. min., mens deoksygenert vann ble tilført til den hule skive og strømmet radialt utad gjennom porene i glassfiberbåndet. Luft i en men-

gde på 8,3 x 10 -4 m 3 sek —1 ble samtidig tilført til den hule skive og strømmet radialt innad. Konsentrasjonen av oksygen i vannet som ble tilført og avlevert fra den hule-skive ble målt ved bruk av en oppløsnings oksygenprøvesonde. Den volumetriske masseoverføringskoeffisient K^a ble beregnet ved bruk av lig-

ningen ifølge Eksempel 1. En, ytterligere prøve ble utført ved en rotasjonshastighet på 1500 omdreininger pr. min.

For å kunne foreta en sammenligning ble de foran nevnte

prøver gjentatt, der det ble benyttet et ringformet element fremstilt av glasskuler med 4 mm diameter (indre skilleflate-2 3

areale 900 m /m og porevolum 38%).

Resultatene er angitt i Tabell 3, hvorfra det er lett å se

at for permeable elementer som er fremstilt av det samme mater-

iale og har omtrent det samme indre skilleflateareale, har et permeabelt element som har et stort porevolum og omfatter trå-

der, fibrer, fibriller eller filamenter, en høyere masseover-

føringskoeffisient.

Eksempel 4

Et ringformet permeabelt element (med indre radius 4,5 cm, ytre radius 9,2 cm, dybde 2,54 cm, indre skilleflateareale om-2 3

trent 350 m /m og porevolum 98%), som ble fremstilt av et bånd strikket av monofilamenter av rustfritt stål med en diameter på 120 mikron, ble montert i en hul skive, slik som vist på figur 1 og 2. Skiven ble rotert med 2000 omdreininger pr. min., mens deoksygenert vann i en mengde på 8,33x10 -5 m 3 sek -1 og luft i en mengde på 8,33 x 10 -4 m 3 sek ble tilført det permeable element, slik som i eksempel 1. Konsentrasjonen av oksygen i vannet som ble tilført og avlevert ble målt som i eksempel 1, og den volumetriske masseoverføringskoeffisient ble beregnet ved bruk av formelen ifølge eksempel 1.

I sammenlignende eksempler ble det benyttet permeable elementer som har de før nevnte radier, dybde- og skilleflateareale, fremstilt av bånd strikket, av monofilamenter av rustfritt stål med diametre på 150 og 250 um. Resultatene er angitt i tabell 4, og av denne er det lett å se at det roterbare mas-seoverf øring sapparat, der det permeable element omfatter filamenter med en diameter på mindre enn 150 mikron, gir en høyere masseoverføringskoeffisient enn for roterbare masseoverførings-apparater, der det permeable element omfatter filamenter med en diameter som er lik eller større enn 150 nm.

Eksempel 5

Eksempel 4 ble gjentatt ved bruk av et ringformet permeabelt element (med indre radius på 4,5 cm, ytre radius på 9,2 cm, dybde på 1,27 cm) som var fremstilt av "Retimet 80", med indre skilleflateareale på 5600 m 2 /m 3 og med ekvivalent diameter på trådene på 80 nm. Den volumetriske masseoverføringskoef-fisient ble funnet å være 1, 503 sek-'''.

Eksempel 6

Eksempel 5 ble gjentatt ved bruk av et ringformet permeabelt element som ble fremstilt av "Retimet 45", med indre skilleflateareale på 2400 m 2 /m 3 og ekvivalent diameter på trådene på 160 um- Den volumetriske masseoverføringskoef-fisient ble funnet å være 0,795 sek ^.

Claims

Apparat til overføring av masse mellom to fluidumfaser,

der i det minste den første av disse er en væske og der apparatet omfatter et permeabelt element som (a) gjør det mulig for fluidene å strømme gjennom porene i dette, idet veggflaténe i porene danner en buktet og hovedsakelig kontinuerlig bane som fluidene strømmer etter og (b) er dreibart om en akse for å gi fluidene en midlere akselerasjon på minst 150 m sek —2 når de strømmer gjennom porene, idet det første fluidum strømmer bort fra aksen, og der det er anordnet innretninger for tilførsel av fluidene til det permeable element samt innretninger for avlevering av minst et av fluidene eller et derivat av dette fra det permeable element, karakterisert ved at det permeable element har et porevolum på minst 90% og omfatter strenger, fibre, fibriller eller filamenter.
2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved åt det permeable element har et indre skilleflateareal på minst 2 3 350 m /m .
3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at porevolumet er minst 93%.
4. Apparat ifølge krav 1,2 eller 3,karakterisert ved at strengene, fibrene eller filamentene har en ekvivalent diameter mindre enn 150 nm.
5. Apparat ifølge krav 2,3 eller 4, karakterisert ved at det permeable element har et indre skilleflateareal på 2 3

minst 1500 m /m .
6. Apparat ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at trådene, fibrene, fibrillene eller filamentene er mekanisk forbundet med hverandre, limt til hverandre eller punktsveiset til hverandre.
7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at trådene, fibrene, fibrillene eller filamentene er vevet eller strikket sammen.
8. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at trådene, fibrene, fibrillene eller filamentene er punktforbun-det med hverandre og i form av et metallskjelettskum.