WO1997038780A1 - Vorrichtung zum abscheiden von flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen strömung und/oder zum stoff- und wärmeaustausch - Google Patents

Vorrichtung zum abscheiden von flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen strömung und/oder zum stoff- und wärmeaustausch Download PDF

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Max Zimmermann
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D45/04—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia
    • B01D45/08—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia by impingement against baffle separators
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F25/00—Component parts of trickle coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F25/00—Component parts of trickle coolers
    • F28F25/02—Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
    • F28F25/08—Splashing boards or grids, e.g. for converting liquid sprays into liquid films; Elements or beds for increasing the area of the contact surface

Definitions

  • the invention relates to a device for separating liquid drops from a gaseous flow and / or for mass and heat exchange, consisting of flow channels running parallel to one another and having at least one separating effect
  • the flow channels of these devices generally have a more or less weakly defined deflection in the inlet area, which is followed by at least one sharper, more effective deflection in the middle section. This is followed by a further deflection as an outlet section, which eliminates this the separating device escapes gas parallel to the flow
  • separators Numerous types of separators are based on this basic concept. These differ mainly in the weighting of the focal points.
  • the separator patented in DE 39 01 656 C2 has zigzag-shaped channel walls to improve the primary separation increased in the deflection
  • the profile shape of the separator presented in DE 42 14 094 Cl is designed so that the angle of impact of the droplets ejected onto the channel wall is as large as possible, which manifests itself in a low tendency of the separator to reflect.
  • Droplet separators with drainage grooves are also useful, which direct the wall film into special zones in order to achieve the highest possible drainage capacity and tear speed
  • the types of separators mentioned above, also called conventional separators in the following, have in common that the deflections of their flow channels are carried out only in one plane x, z. A change of direction of the flow in the y direction does not take place in the flow channels of these separators these separators have an angle of the most effective deflection of the flow channels in the order of 90 ° +/- 10 °.
  • this value represents a sensible compromise between the best possible primary separation, which is known to improve with increasing deflection angle, and the necessity of drainage of the flow channels
  • the drainage of the flow channels becomes more difficult, since the slope force that is the motor for the drainage, more and more loses
  • the invention has for its object to develop a device that is no longer subject to the above-mentioned restriction of the deflection angle.
  • This is achieved according to the invention in that the deflection of these flow channels (1, 2, 3 and 4) is three-dimensional, that if the wall thickness is neglected, the cut surfaces of each flow channel (1, 2, 3 and 4) are in planes parallel to the entrance plane of the device, match in shape and that the tangents lying in these cut surfaces are parallel to the edges of these cut surfaces at points corresponding to one another.
  • a preferred embodiment of this three-dimensional deflection is the helical design of the flow channels of the device according to the invention.
  • deflection angles that can be achieved here are from a physical point of view no longer subject to a limit A limitation is given only by a finite through-flow depth of the device. While retaining the usual droplet separator dimensions, deflection angles of up to approximately 720 ° are possible with this design
  • the flow channels designed according to the invention have cut surfaces as an essential characteristic which lie in planes parallel to the entry plane x, y of the device and which, when the wall thickness of the flow channels is neglected, have the same shape as a further essential characteristic of the invention these cut surfaces, also called horizontal cut surfaces in the following, are brought to cover one another by a rotation-free displacement.
  • the tangents lying in these sectional planes to the edges of these horizontal sectional areas of each flow channel are then parallel at points corresponding to one another along the z-direction.
  • a wall section separates two adjacent flow channels and is at the same time with its inside or outside on its side Shaping involved.
  • the flow channels according to the invention are arranged in parallel in two directions, which are not necessarily perpendicular to one another.
  • Fig. 1 is a reduced to the skeleton line flow channel of the device according to the invention in side views and in plan view
  • the exemplary embodiment according to FIG. 1 schematically shows a flow channel according to the invention, reduced to the skeleton line, in the side views and in the top view.
  • the deflection angle ( ⁇ ) of the helical one is in the top view Entered channel section, which is measured in the projection on its axis and is about 360 ° in this exemplary embodiment, and in the side views the pitch angle ( ⁇ ) of the helical deflection and its axis (a)
  • the pitch angle here is constant 45 °, which means that in the side views one
  • FIG. 3 shows four flow channels (1, 2, 3 and 4) of the same shape of a device designed according to the invention, which of course can also consist of several such flow channels.
  • These flow channels (1, 2, 3 and 4) have a square inlet cross section according to FIG. 2a.
  • the deflection angle of the helical section is approximately 360 °
  • the flow of the drop-laden flow takes place in the direction of the arrows (0).
  • EP inlet section
  • ⁇ E deflection
  • the two-phase mixture reaches the helical section, which forms the middle section (MP) of the flow channels of the device according to the invention winding channel walls also cause the ejected droplets to hit the channel wall at an obtuse angle and are therefore likely to be absorbed by the wall film on first contact with the wall.
  • the device according to the invention is therefore characterized by an extremely low emission of so-called secondary drops, including reflected and while the drop-Füm-interaction drops formed
  • the middle section is followed by the outlet section (AP), which is formed by a deflection ( ⁇ j and an essentially straight section of the length (e A ).
  • the outlet section directs the flow, which is largely free of drops, in parallel and in alignment with the flow from the device
  • the partial streams emerging from the flow channels are subject to a greater or lesser degree of rotation, depending on the size of the deflection angle. Since the rotation of these partial streams is in the same direction and the partial streams are arranged next to one another, this rotation is canceled out after a short running time due to friction Flow before
  • the liquid film accumulating on the walls of the flow channels flows under gravity to the leading edge (5) of the channels and drips back into the flow field in the form of large drops.
  • This process only works if gravity exceeds the drag forces of the gas phase on the wall film.
  • both forces cancel each other out and the film builds up on the inclined channel walls.
  • the drag effect of the gas phase predominates Then the wall film is entrained by the gas flow and carried in the form of large pots or strands from the device.
  • the device according to the invention has more favorable dewatering conditions, since the wall film is closer to the fall line or at least partially along the protected line Corners of adjacent channel walls can flow off.
  • the drag effect of the gas phase loses influence on this path shown in broken lines in FIG. 3.
  • the cross-sectional area according to FIG 2b offers the wall film in the area of the contacting layers capillary gaps (8) as drainage channels, in which it can flow off in a protected manner If the liquid to be separated contains crust-forming substances, there is a risk that ingredients will gradually settle in these channels Fig 2c appropriate in the corners of this honeycomb-shaped cross If you have lost the character of a capillary gap with an opening angle of over 90 °, the wall film can still run protected
  • the procedure used for droplet separators to calculate the separation efficiency can also be applied to the device according to the invention.
  • the calculation is based on the most efficient separation Deflection, which is formed in the device according to the invention by the helical section of the flow channels.
  • the flow through this section can be understood as a circular movement with superimposed constant velocity, the separation being based solely on the circular movement.
  • the fractional separation degrees ⁇ of the device are calculated of the invention based on the Buikholz approach
  • the division (T) results from the root of the area of the inlet cross-section of the flow channels.
  • the inlet cross-section of the flow channels of the device according to the invention for use as a droplet separator is advantageously designed in such a way that it resembles a square of the same area or as illustrated in FIG
  • the radial distance from the wall of the flow channels or the "radial sink distance" of the drops is then approximately constant in the helical channel section.
  • the division (T) of the flow channels is then equal to the side length of such a square
  • Eq (2) can be used as a dimensioning rule for the deflection angle of the helical section ( ⁇ ) when specifying the parameters limit drop diameter, pitch and flow velocity
  • the maximum permissible flow velocity or the tear-through limit of the device according to the invention is related to the gradient angle of the helical channel section, starting from the conditions of the trickle flow on the vertical
  • Wall results in the following maximum flow velocity (v ⁇ max ), at which the accumulation limit begins at the wall sections of the helical section which are inclined at an angle of inclination ( ⁇ ) with respect to the direction of gravity
  • V A. max v suu * (cos ⁇ ) 3 /:
  • v Suu congestion limit for the relevant gas / flux mixture on the vertical wall
  • the pitch angle ( ⁇ ) of the helical section is preferably designed approximately over its entire running length with the maximum value according to Eq (3).
  • the pitch angle starting from a smaller value at the beginning to increase the maximum value according to Eq (3) in the area of the center of the helical section and then decrease again, the difference between the largest and smallest value being a maximum of 30 °
  • the deflection angles of the entry and exit sections ( ⁇ E ) and ( ⁇ A ) each match the pitch angle of the helical section at its entry and exit
  • the length (e-.) Or (e A ) of the upstream or downstream channel sections lies within the limits T / 2 ⁇ g , e A ⁇ 2 * T / 3 and the offset (U) between the opposite
  • Vertices (S ,, S 2 ) or between vertices (S,) and opposite
  • Another advantage of the device according to the invention is that it is also suitable for use as a packing for the mass and heat exchange.
  • the task of a filler body is to provide the fluids to be treated with as large a contact area as possible.
  • the device according to the invention increases the contact area by dissolving the fluids to be treated in partial flows and offering them an extended distance via the helical section
  • the operation of the device according to the invention as a packing is basically possible in cocurrent and countercurrent.
  • the most common is the operation of sprinkled packing, with the gas phase upwards and the trickle film flowing downward due to gravity

Abstract

Eine Vorrichtung zum Abscheiden von in einer Gasströmung enthaltenen Flüssigkeitstropfen und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch, die aus parallel angeordneten Strömungskanälen besteht, zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens eine der Umlenkungen zur Erhöhung des Umlenkwinkels bzw. der Austauschfläche dreidimensional ausgeführt ist und daß die Schnittflächen der Strömungskanäle in Ebenen parallel zur Eintrittsebene der Vorrichtung bei Vernachlässigung der Wandstärke dieselbe Form aufweisen und daß diese Schnittflächen durch eine drehungsfreie Verschiebung untereinander zur Deckung gebracht werden können.

Description

Vorrichtung zum Abscheiden von Flussigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch
Die Erfindung betrifft eine Vomchtung zum Abscheiden von Flussigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch, bestehend aus parallel zueinander verlaufenden Stromungskanalen, die mindestens eine abscheidewirksame
Umlenkung aufweisen
Vorrichtungen dieser Art zur Tropfenabscheidung sind bekannt Die Stromungskanale dieser Vorrichtungen weisen in der Regel eine mehr oder weniger schwach ausgeprägte Umlenkung im Eintrittsbereich auf, der mindestens eine schärfere, abscheidewirksamere Umlenkung in der Mittelpartie folgt Daran schließt sich als Austrittspartie eine weitere Umlenkung an, die das aus der Abscheidevorrichtung ausstomende Gas parallel zur Anstromung ausrichtet
Auf diesem Grundkonzept beruhen zahlreiche Abscheidertypen. Diese unterscheiden sich hauptsachlich in der Gewichtung der Schwerpunkte So weist der in der DE 39 01 656 C2 patentierte Abscheider zur Verbesserung der Primarabscheidung zickzackfbrrnige Kanalwande auf Dasselbe Ziel verfolgt der Abscheider nach DE 34 06 425 AI, dessen Tropfenbeschleunigungsstrecke die Eintrittsgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches und damit die Zentrifugalkräfte in der Umlenkung erhöht Die Profilform des in der DE 42 14 094 Cl vorgestellten Abscheiders ist so gestaltet, daß der Auftreffwinkel der auf die Kanalwand ausgeschleuderten Tropfen möglichst groß ist, was sich in einer geringen Reflexionsneigung des Abscheiders äußert Auch sind Tropfenabscheider mit Drainagerillen gebrauchlich, die den Wandfilm in spezielle Zonen lenken, um so eine möglichst hohe Entwasserungskapazitat und Durchrißgeschwindigkeit zu erzielen Den oben genannten Abscheidertypen, - im folgenden auch konventionelle Abscheider genannt-, ist gemeinsam, daß die Umlenkungen ihrer Stromungskanale nur in einer Ebene x,z ausgeführt sind Eine Richtungsänderung der Strömung in y-Richtung findet in den Stromungskanalen dieser Abscheider nicht statt Als weitere Gemeinsamkeit weisen diese Abscheider einen Winkel der effektivsten Umlenkung der Stromungskanale in der Größenordnung von 90° +/- 10° auf Dieser Wert stellt bei dieser Tropfenabscheider¬ konzeption einen sinnvollen Kompromiß dar zwischen einer möglichst guten Primär- abscheidung, die sich bekanntlich mit zunehmendem Umlenkwinkel verbessert, und der Notwendigkeit der Entwässerung der Stromungskanale Mit zunehmendem Urnlenkwinkel und der damit einhergehenden stärkeren Anstellung der Kanalwande gegenüber der Schwerkraftrichtung wird die Entwässerung der Stromungskanale schwieriger, da die Hangabtriebskraft, die der Motor für die Entwässerung ist, immer mehr an Einfluß verliert
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die der oben erwähnten Beschrankung des Umlenkwinkels nicht mehr unterliegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Umlenkung dieser Stromungskanäle (1, 2, 3 und 4) dreidimensional ausgeführt ist, daß bei Vernachlässigung der Wandstärke die Schnittflächen eines jeden Stromungskanals (1, 2, 3 und 4), die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene der Vorrichtung liegen, in ihrer Form übereinstimmen und daß die in diesen Schnittflachen liegenden Tangenten an die Berandung dieser Schnittflächen in einander entsprechenden Punkten parallel sind Eine bevorzugte Ausfuhrungsform dieser dreidimensionalen Umlenkung ist die helixfbrmige Ausbildung der Stromungskanale der erfindungsgemässen Vorrichtung Die hierbei erzielbaren Umlenkwinkel sind in physikalscher Hinsicht keiner Grenze mehr unterworfen Eine Begrenzung ist lediglich über eine endliche Durchstromtiefe der Vorrichtung gegeben Unter Beibehaltung bisher üblicher Tropfenabscheider- abmessungen sind bei dieser Konzeption Umlenkwinkel bis annähernd 720° möglich
Damit sich die dreidimensional gekrümmten Stromungskanale in sinnvoller Weise nebeneinanderreihen lassen, weisen die erfmdungsgemaß ausgebildeten Stromungskanäle als wesentliches Kennzeichen Schnittflächen auf, die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene x,y der Vorrichtung liegen und die bei Vernachlässigung der Wandstarke der Stromungskanale dieselbe Form aufweisen Als weiteres wesentliches Kennzeichen der Erfindung können diese Schnittflächen, - im folgenden auch horizontale Schnittflächen genannt - , unter¬ einander durch eine drehungsfreie Verschiebung zur Deckung gebracht werden. Die in diesen Schnittebenen liegenden Tangenten an die Berandung dieser horizontalen Schnittflächen eines jeden Stromungskanals sind dann in einander entsprechenden Punkten entlang der z-Richtung parallel.
Bei Eintrittsquerschnitten der Strömungskanäle, die Hohlräume zwischen den parallel angeordneten Strömungskanälen vermeiden, - sei es durch eine entsprechend gewählte Querschnittsform oder durch Materialanhäufungen -, trennt dann wie bei konventionellen Tropfenabscheidern ein Wandabschnitt zwei benachbarte Strömungskanäle und ist gleichzeitig mit seiner Innen- bzw. Außenseite an ihrer Formgebung beteiligt. Im Gegensatz zu den konventionellen Abscheidern erfolgt die Parallelanordnung der Strömungskanäle nach der Erfindung in zwei Richtungen, die nicht notwendigerweise senkrecht zueinander stehen.
Die Erfindung sowie unterschiedliche Ausgestaltungen der Erfindung sind anhand von Zeichnungen mit Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen auf die Skelettlinie reduzierten Strömungskanal der Vorrichtung nach der Erfindung in den Seitenansichten und in der Draufsicht
Fig. 2a,b,c unterschiedliche Ausfuhrungsformen der Eintrittsquerschnitte der erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanäle
Fig. 3 mehrere nebeneinander angeordnete Strömungskanäle mit quadratischem
Eintrittsquerschnitt in den Seitenansichten und in der Draufsicht
Fig. 4a,b einen Mittelschnitt durch einen Strömungskanal mit wabenfόrmigem Eintrittsquerschnitt mit Filmfuhrungen bzw. Einprägungen.
Das Ausfuhrungsbeispiel nach Fig.1 zeigt schematisch einen auf die Skelettlinie reduzierten erfindungsgemäßen Strömungskanal in den Seitenansichten und in der Draufsicht. Außer den Koordinatenachsen sind in der Draufsicht der Umlenkwinkel (α) des helixfbrmigen Kanalabschnitts eingetragen, der in der Projektion auf seine Achse gemessen wird und in diesem Ausfuhrungsbeispiel etwa 360° betragt, und in den Seitenansichten der Steigungswinkel (φ) der helixfbrmigen Umlenkung sowie deren Achse (a) Der Steigungswinkel beträgt hier konstant 45° betragt, wodurch sich in den Seitenansichten eine
Sinuskurve ergibt. Die horizontalen Schnittflächen des Stromungskanals, die als wesentliches Kennzeichen der Erfindung dieselbe Form besitzen, liegen in diesem
Ausfuhrungsbeispiel in der x,y-Ebene. Die Achse (a) des helixformigen Kanalabschnitts steht senkrecht zu dieser Ebene
Anhand von Fig. 3 wird die Funktionsweise der Vorrichtung als Tropfenabscheider erläutert. Dargestellt sind in diesem Ausfuhrungsbeispiel vier formgleiche Strömungskanäle (1, 2, 3 und 4) einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung, die natürlich auch aus noch mehreren solchen Strömungskanälen bestehen kann. Diese Stromungskanale (1, 2, 3 und 4) weisen einen quadratischen Eintrittsquerschnitt nach Fig. 2a auf. Der Umlenkwinkel des helixfbrmigen Abschnitts betragt ca 360°
Die Anstromung der tropfenbeladenen Strömung erfolgt in Richtung der Pfeile (0) Diese tritt zunächst in die Eintrittspartie (EP) ein, die aus einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintrittsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt der Länge (e^ und einer Umlenkung (δE) besteht, deren Krümmung hauptsächlich in der x,z-Ebene erfolgt In dieser ersten Umlenkung findet eine Vorabscheidung großer Tropfen statt
Anschließend gelangt das Zweiphasengemisch in den helixfbrmigen Abschnitt, der die Mittelpartie (MP) der Stromungskanäle der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet Infolge des großen Umlenkwinkels und der höheren Kanalgeschwindigkeit aufgrund der gegenüber der Anstromrichtung angestellten und dadurch verengten Kanalquerschnitte erfolgt in diesem Bereich ein effektives Ausschleundern selbst kleinster Tropfchen Die gewundenen Kanalwande bewirken außerdem, daß die ausgeschleuderten Tropfen unter einem stumpfen Winkel auf die Kanalwand auftreffen und dadurch mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits beim ersten Wandkontakt vom Wandfilm absorbiert werden Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich deshalb durch eine äußerst geringe Emission von sogenannten Sekundartropfen aus, worunter reflektierte und wahrend der Tropfen-Füm-Wechselwirkung entstandene Tropfen zusammengefaßt werden Der Mittelpartie schließt sich die Austrittspartie (AP) an, die von einer Umlenkung (δj und von einem im wesentlichen geradlinigen Abschnitt der Lange (eA) gebildet wird. Die Austrittspartie lenkt die weitestgehend von Tropfen befreite Strömung parallel und fluchtend zur Anstromung aus der Vorrichtung. Die aus den Stromungskanälen austretenden Teilstrome sind je nach Große des Umlenkwinkels mehr oder weniger stark drehbehaftet. Da die Drehung dieser Teilstrome gleichsinnig ist und die Teilstrome nebeneinander angeordnet sind, hebt sich diese Drehung reibungsbedingt nach kurzer Lauflange auf Es liegt dann wieder eine parallele, drehungsfreie Strömung vor
Wie bei herkömmlichen Tropfenabscheidern fließt bei der Vorrichtung nach der Erfindung der auf den Wanden der Stromungskanale anfallende Flussigkeitsfilm schwerkraftgetrieben an die Eintrittskante (5) der Kanäle und tropft von dort in Form großer Tropfen ins Stromungsfeld zurück. Dieser Prozeß funktioniert nur dann, wenn die Schwerkraft die Schleppkrafte der Gasphase auf den Wandfilm übertrifft Bei einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit heben sich beide Kräfte in ihrer Wirkung auf und es kommt zum Filmaufstau an den geneigten Kanalwanden Bei noch höheren Anströmge¬ schwindigkeiten überwiegt die Schlepp Wirkung der Gasphase Dann wird der Wandfilm von der Gasstromung mitgerissen und in Form großer Ti opfen oder Strähnen aus der Vorrichtung getragen Im Vergleich zu den konventionellen Tropfenabscheidern liegen bei der Vorrichtung nach der Erfindung gunstigere Entwasserungsbedingungen vor, da der Wandfilm näher entlang der Falllinie bzw zumindest bereichsweise entlang der geschutzen Ecken einander angrenzender Kanalwande abfließen kann Die Schleppwirkung der Gasphase verliert auf diesem in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Weg an Einflußkraft.
In der Wahl des Eintrittsquerschnitts der Stromungskanale besteht prinzipiell keine Einschränkung Aus Fertigungsgründen und auch zur Vermeidung von unerwünschten Hohlräumen zwischen den Stromungskanälen, die in ihrer Gesamtheit die Vorrichtung bilden, sind kreisrunde oder elliptische Querschnitte ungunstig. Die in Fig.2a,b,c darge- stellten Varianten vermeiden Hohlräume und bieten in fertigungstechnischer Hinsicht den Vorteil, daß sich die Vorrichtung nach der Erfindung aus formgleichen, profilierten Schichten (6a,b,c,d) zusammenfugen laßt Hierzu werden diese Schichten versetzt aneinandergeordnet und an den sich berührenden Seitenwanden (7), in Fig 2a,b,c dick eingezeichnet, miteinander verbunden, was durch Klebung, Punktschweißung, Zusammen¬ stecken oder durch Umbordeln überstehender Fortsatze, die sich an der Ein- und Austrittskante dieser Seitenwande (7) befinden, erfolgen kann Die Querschnittsflache nach Fig 2b bietet dem Wandfilm im Bereich der sich berührenden Schichten Kapillarspalte (8) als Entwasserungsrinnen an, in denen dieser geschützt abfließen kann Beinhaltet die abzuscheidende Flüssigkeit krustenbildende Stoffe, besteht die Gefahr, daß sich in diesen Rinnen allmählich Inhaltsstoffe festsetzen In diesem Fall ist die Losung nach Fig 2c angemessen In den Ecken dieses wabenformigen Querschnitts, die mit einem Offnungswinkel von über 90° den Charakter eines Kapillarspaltes verloren haben, kann der Wandfilm immer noch geschützt ablaufen
Die bei Tropfenabscheidern gebräuchliche Vorgehensweise zur Berechnung der Abscheideleistung (z B A Burkholz Die Abscheidung von Nebeltropfen in Lamellenbun- deln, Chem -Ing -Techn , MS 755/79) kann auch auf die Vorrichtung nach der Erfindung angewendet werden Die Berechnung orientiert sich an der abscheidewirksamsten Umlenkung, die bei der Vorrichlung nach der Erfindung vom helixformigen Abschnitt der Stromungskanale gebildet wird Die Strömung durch diesen Abschnitt kann als Kreisbewegung mit überlagerter konstanter Geschwindigkeit aufgefaßt werden, wobei die Abscheidung allein auf der Kreisbewegung beruht Unter dieser Modellvorstellung berechnen sich die Fraktionsabscheidegrade η der Vorrichtung nach der Erfindung auf der Basis der Vorgehensweise von Buikholz zu
Figure imgf000008_0001
und der Grenztropfen dGr zu
18*μ£*7> dβr = p7>*V/j *tan φ*α Gl (2) it pTr = Dichte der Flüssigkeit dTr = Tropfendurchmesser vA = Anströmgeschwindigkeit α = Umlenkwinkel des helixformigen Kanalabschnitts μGa5 = dynamische Zähigkeit des Gases
T = Teilung der Stromungskanale φ = Steigungswinkel des helixformigen Kanalabschnitts d^ = Grenztropfendurchmesser η = Fraktionsabscheidegrad
Die Teilung (T) ergibt sich aus der Wurzel der Flache des Eintrittsquerschnitts der Stromungskanale Der Eintrittsquerschnitt der Stromungskanale der Vorrichtung nach der Erfindung für den Einsatz als Tropfenabscheider ist vorteilhaft so gestaltet, daß er einem flächengleichen Quadrat ähnelt bzw wie in Fig 2b verdeutlicht durch ein solches flachengleiches Quadrat angenähert werden kann Der radiale Wandabstand der Stromungskanale bzw die "radiale Sinkstrecke" der Tropfen ist dann im helixformigen Kanalabschnitt annähernd konstant Die Teilung (T) dei Stromungskanale ist dann gleich der Seitenlange eines solchen flachengleichen Quadrats
Gl (2) kann als Dimensionierungsvorschrift für den Umlenkwinkel des helixfbrmigen Abschnitts (α) bei Vorgabe der Parameter Grenztropfendurchmesser, Teilung und Anströmgeschwindigkeit herangezogen werden
Die maximal zulassige Anströmgeschwindigkeit bzw die Durchrißgrenze der Vorrichtung nach der Erfindung hangt mit dem Steigungswinkel des helixfbrmigen Kanalabschnitts zusammen Ausgehend von den Verhaltnissen der Rieselfümstromung an der senkrechten
Wand ergibt sich folgende maximale Anströmgeschwindigkeit (v^max), bei der die Staugrenze an den unter dem Steigungswinkel (φ) gegenüber der Schwerkraftrichtung geneigten Wandabschnitten des helixformigen Abschnitts einsetzt
V A.max = vsuu * (cos φ) 3/:
Daraus leitet sich folgende Dimensionierungsvorschrift für den maximalen Wert des Steigungswinkels (φmax ) des helixformigen Kanalabschnitts her
Ψm» = arccos Cv^ / k^J" Gl (3) πύ* Vmax = maximale Anströmgeschwindigkeit
vSuu = Staugrenze für das betreffende Gas-/Flussιgkeιtsgemisch an der senkrechten Wand k = 0,7 - 0,95 = Sicherheitfaktor, vorzugsweise 0,8 - 0,9
Der Steigungswinkel (φ) helixformigen Abschnitts wird vorzugsweise annähernd über seine gesamte Lauflange mit dem maximalen Wert nach Gl (3) ausgelegt Hiervon sind jedoch auch Abweichungen möglich Beispielsweise kann zur Erzielung eines geringen Druckverlustes der Vorrichtung der Steigungswinkel ausgehend von einem kleineren Wert am Anfang bis zum maximalen Wert nach Gl (3) im Bereich der Mitte des helixformigen Abschnitts zunehmen, um danach wieder abzunehmen, wobei die Differenz zwischen größtem und kleinstem Wert maximal 30° betragt
Die Umlenkwinkel der Ein- und Austrittspartie (δE) und (δA) stimmen jeweils mit dem Steigungswinkel des helixfbrmigen Abschnitts an dessen Ein- und Austπtt uberein Die
Lange (e-. ) bzw (eA ) der diesen vor- bzw nachgeschalteten Kanalabschnitte liegt innerhalb der Grenzen T/2 < βg, eA < 2*T/3 und der Versatz (U) zwischen gegenüberliegender
Scheitelpunkte (S,, S2) bzw zwischen Scheitelpunkten (S,) und gegenüberliegender
Eintrittskanten (5) innerhalb der Grenzen T/8 < U < T, vorzugsweise T/4 - T/2.
Für die Abscheidevorrichtung nach der Erfindung ergibt sich bei einer
Anströmgeschwindigkeit von beispielsweise vA = 4 m/s, einer Teilung von T = 20 mm, einem Steigungswinkel des helixfbrmigen Abschnitts von cp = 50° und einem Umlenkwinkel von 540° für das System Luft/Wasser ein Grenztropfendurchmesser von
d0r = 12 μm
und für einen konventionellen Tropfenabscheider mit einem Umlenkwinkel von 90° bei sonst gleichen Bedingungen
dGr = 22 μm Dieses Zahlenbeispiel verdeutlicht, daß mit dem Tropfenabscheider nach der Erfindung unter vergleichbaren Bedingungen kleinere Tropfen abgeschieden werden können Diese verbesserte Abscheideleistung wird im Vergleich zu konventionellen Tropfenabscheidern bei einem geringen Druckverlust erzielt Als weitere Vorteile können die hohe Entwässerungskapazität des Abscheiders sowie die enorme Steifigkeit seiner Struktur selbst bei geringen Wandstärken genannt werden. Sein Aufbau ermöglicht ein Zuschneiden der Seitenwande in beliebigen Richtungen und damit eine einfache und kostensparende Anpassung der Vorrichtung an beliebige Einbauquerschnitte
Die Vorrichtung nach der Erfindung vereinigt durch den großen Umlenkwinkel und durch seinen einfachen Aufbau die positiven Merkmaie eines Zyklons und eines konventionellen Tropfenabscheiders
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist der, daß sie auch für den Einsatz als Füllkörperpackung für den Stoff- und Wärmeaustausch geeignet ist. Aufgabe eines Fύllkörpers besteht darin, den zu behandelnden Fluiden eine möglichst große Kontaktflache zu bieten Die Vorrichtung nach der Erfindung vergrößert die Kontaktfläche dadurch, daß sie die zu behandelnden Fluide in Teilstόme auflost und diesen über den helixformigen Abschnitt eine verlängerte Wegstrecke anbietet
Der Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung als Füllkörperpackung ist grundsatzlich im Gleich- und Gegenstrom möglich. Am gebräuchlichsten ist der Betrieb berieselter Füllkörperpackungen, wobei die Gasphase aufwärts und der Rieselfilm schwerkraftgetrieben nach unten strömt
Vorteilhaft für einen intensiven Austausch ist außer einer großen Kontaktfläche auch eine gute Durchmischung im Innern der Fluide. Eine gute Durchmischung ist dann gegeben, wenn der Füllkorper bei Gegenstrombetrieb im Flutbereich betrieben wird. Die obere Grenze des Flutbetriebs fällt mit der Staugrenze zusammen, die gleichzeitig die Belastungsgrenze des Füllkörpers darstellt. Die Schleppwirkung der Gasphase übertrifft dann die Schwerkraftwirkung mit dem Ergebnis, daß der Film nicht mehr nach unten ablaufen kann. Diese Grenze hangt bei der Vorrichtung nach der Erfindung außer von den Stoffgroßen der Fluide wiederum vom Steigungswinkel (φ) des helixformigen Abschnitts ab Die Dimensionierungsvorschrift des Steigungswinkels (φ) nach Gl (3) gilt somit auch für die Auslegung der Vorrichtung als Fullkorperpackung und gewährleistet, daß die Vorrichtung in der Funktion als Füllkorper im gunstigen Flutbereich arbeitet
Die Bestimmung des Umlenkwinkels (α) der Vorrichtung für den Einsatz als Füllkorper und damit die Festlegung der Durchstromtiefe, die bei Fullkorpern in der Regel um ein
Vielfaches größer ist als bei Tropfenabscheidern, wird über die Kontaktflache vorgenommen, die für einen gewünschten Stoff- und/oder Wärmeaustausch benotigt wird
Wird die Umlenkung des helixformigen Abschnitts der Stromungskanale nicht stetig, sondern in der Projektion auf die x,y-Ebene beispielsweise in 90°-Schritten vollzogen, ergibt sich über die unstetigen Umlenkungen hinweg auch eine unstetige Änderung der Seitenlangenverhaltnisse des effektiven Kanalquerschnitts Durch diesen abrupten Wechsel der Seitenvergroßerung in der einen Richtung bei gleichzeitiger Seitenverkleinerung in der dazu senkrechten Richtung und umgekehrt, - dabei bleibt der effektive Kanalquerschnitt im wesentlichen konstant -, erhöht sich die Turbulenz der Strömung und damit der Stoff- und Wärmeübergang Dieser Effekt wii d verstärkt, wenn der Eintrittsquerschnitt der Stromungskanale im Gegensatz zu Fig 2b durch ein nichtquadratisches Rechteck angenähert wird, dessen Seitenverhältnis vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,8-0,95 liegt Unabhängig davon, ob die Vorrichtung nach der Erfindung für die Tropfenabscheidung oder für den Stoff- und Wärmeaustausch vorgesehen ist, ist zu vermeiden, daß die Stromungskanäle wegen zu geringer Wandabstande im helixfbrmigen Abschnitt zur Bruckenbildung der Flüssigkeit neigen
Außerdem ist für einen intensiven Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Gasphase und Flüssigkeit wesentlich, daß die Flüssigkeit möglichst gleichmaßig auf den Kanalwanden verteilt nach unten abfliesst Kapillarspalte (8) wie in Fig 2b oder ausgeprägte Entwässerungsrinnen sind daher in der Vorrichtung als Fullkorperpackung zu vermeiden Schwach ausgeprägte Filmführungen (9) in Form von Erhöhungen auf der Kanalwand, die im wesentlichen parallel zu den Ecken der Stromungskanäle verlaufen, wie in Fig. 4a verdeutlicht, können jedoch verhindern, daß es in den Ecken zu Bachbildung kommt und somit dem Austausch forderlich sein Einpragungen (10) in Form von Erhöhungen oder Vertiefungen, die in den Ecken der Stromungskanale beginnen und schräg nach unten weisen, sind geeignet, Flüssigkeitsstrahnen aus diesen Ecken herauszuleiten und die Flüssigkeit wieder dem intensiven Kontakt mit der vorbeistromenden Gasphase zuzuführen. Fig. 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit solchen Einpragungen (10)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 Vorrichtung zum Abscheiden von Flussigkeitstropfen aus einer gasformigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch, bestehend aus parallel zueinander verlaufenden Stromungskanalen, die mindestens eine abscheidewirksame Umlenkung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung dieser Strόmungskanale (1, 2, 3 und 4) dreidimensional ausgeführt ist, daß bei Vernachlässigung der Wandstarke die Schnittflachen eines jeden Stromungskanals (1, 2, 3 und 4), die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene der Vorrichtung liegen, in ihrer Form übereinstimmen und daß die in diesen Schnittflachen liegenden Tangenten an die Berandung dieser Schnittflächen in einander entsprechenden Punkten parallel sind
2 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung der Stromungskanale im wesentlichen helixformig ausgeführt ist
3 Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel (φ) des helixfbrmigen Abschnitts der Stromungskanäle der Dimensionierungsvorschrift
φ = arccos (yAjaa / k*vMau)2/3
genügt mit vKmιx = maximal zulassige Anströmgeschwindigkeit
vSuu = Staugrenze für das betreffende Gas-/ Flussigkeitsgemisch an der senkrechten Wand k = 0,7 - 0,95 = Sicherheitfaktor, vorzugsweise 0,8 - 0,85
4 Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum des Steigungswinkels (φ) des helixformigen Abschnitts die Dimensionierungsvorschrift nach Anspruch 3 erfüllt und daß die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Wert des Steigungswinkels (φ) maximal 30° betragt.
5 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der helixformigen Umlenkung der Stiomungskanale eine Eintπttspartie vorgeschaltet ist, die aus einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintrittsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt und einer Umlenkung besteht
6 Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der helixformigen Umlenkung der Stromungskanale eine Austrittspartie nachgeschaltet ist, die aus einer Umlenkung und einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintπttsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt besteht
7 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Stromungsrichtung gesehen Ein- und Austrittsquerschnitt der Stromungskanale zueinander fluchten
8 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Stromungskanale waben- oder rechteckformig ausgeführt sind
9 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Berandung der Eintrittsquerschnitte der Stromungskanale zumindest an zwei gegenüberliegenden Seiten (7) parallel und im wesentlichen geradlinig ausgeführt ist
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus formgleichen profilierten Schichten (6a,b,c,d) zusammengesetzt ist, die an den sich berührenden parallelen Seiten (7) durch Klebung, Punktschweißung, Zusammenstecken oder durch Umbordeln an der Ein- und Austrittskante überstehender Fortsätze miteinander verbunden sind
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Stromungskanäle durch ein Quadrat angenähert werden können
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Stromungskanale im Bereich der Verbindungsstellen der formgleichen profilierten Schichten (6a,b,c,d) Kapillarspalte (8) aufweisen
13 Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkwinkel des helixfbrmigen Abschnitts (α) der Stromungskanale der Dimensionierunσsvorschrift
/ 18* μjr, *r dGr = P'i, »w-Λ +tanφ+α
genügt mit pTr = Dichte dei Flüssigkeit dTf = Tropfendurchmesser vA = Anströmgeschwindigkeit α = Umlenkwinkel des helixfbrmigen Kanalabschnitts μGas = dynamische Zähigkeit des Gases
T = Teilung der Stromungskanale φ = Steigung des helixformigen Kanalabschnitts dCt = Grenztropfendurchmesser
14 Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eintrittskanten (5) und den gegenüberliegenden Scheitelpunkten (S,) oder zwischen gegenüberliegenden Scheitelpunkten (S,, S2) der Stromungskanale ein Versatz (U) besteht, der innerhalb der Grenzen T/8 < U < T, vorzugsweise T/4 - T/2, liegt
15 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt der Stromungskanale durch ein nichtquadratisches Rechteck mit einem Seitenverhältnis von 0,8 - 0,95 angenähert werden kann
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung des helixformigen Abschnitts der Stromungskanale nicht stetig, sondern in diskreten Schritten ausgeführt ist
17 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Stromungskanale zur Vermeidung von Flussigkeitsansammlungen in den Ecken mit Filmfuhrungen (9) in Form von Erhöhungen versehen sind, die im wesentlichen parallel zu den Ecken der Stromungskanale verlaufen 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Stromungskanale mit Einpragungen (10) versehen sind, die Flüssigkeitsansammlungen zur Vergleichmäßigung der Flussigkeitsverteilung aus den Ecken der Stromungskanale herausfuhren.
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