WO2013107568A1 - Zyklon zur trennung der flüssigkeitsphase von einem übersättigten gasstrom - Google Patents

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WO2013107568A1
WO2013107568A1 PCT/EP2012/075099 EP2012075099W WO2013107568A1 WO 2013107568 A1 WO2013107568 A1 WO 2013107568A1 EP 2012075099 W EP2012075099 W EP 2012075099W WO 2013107568 A1 WO2013107568 A1 WO 2013107568A1
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Inventor
Klaus Hoyer
Original Assignee
Paul Scherrer Institut
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions

Definitions

  • the present invention relates to a cyclone for separating the liquid phase from a supersaturated gas stream.
  • the present invention is therefore based on the Maugae to provide a device that makes it possible to safely eliminate the liquid content in a saturated gas mixture can.
  • a solution according to the invention for this purpose is achieved if a cyclone for separating the liquid phase from a supersaturated gas stream is provided, wherein a porous 3-dimensional region is provided as a liquid sink and is designed as a preformed insert; and wherein:
  • the insert comprises a material with wetting properties towards the liquid to be separated, and / or
  • the porosity and / or lamination and / or shaping is adapted to the dynamics of the supersaturated gas stream and the liquid to be separated ⁇ keitsmenge; and or
  • the insert is designed so that a mechanical stability is ensured at a relatively low pressure or at a relative overpressure and / or a thermal stability is ensured when the temperature is subcooled or overheated compared to the room temperature, and / or the stability with a combination of mechanical and thermal stress is guaranteed; ii) a change of the preformed insert is made possible by opening a connection; iii) is a level sensor in the region below the insert pre see ⁇ ; iv) in connection with the signal of the level sensor, an actuator opens or closes a drain valve; v) a heat insulation is provided around the cyclone and / or the lines to ensure a desired degree of separation; and vi) heating and / or cooling of the cyclone and / or the lines to ensure a desired degree of separation is provided.
  • the main advantage of the invention described lies in the possible increase in the permissible gas velocity without risk of mixing liquid from the wall back into the gas stream.
  • This new degree of freedom allows not only the size of the system continues to mi ⁇ nimize, but by promises a wide scalability. Since a supersaturated or "wet" influx is assumed, permissible values for temperature and pressure of the inflow are subject to design only, ie the method or the cyclone are applicable both at atmospheric pressure and at elevated pressure or temperature.
  • One possible method for providing the supersaturated inflow is the direct injection of the liquid to be evaporated in the upper stream. The a-priori knowledge of the volatilizable mass flow as a function of pressure, temperature and throughput allows this ei ⁇ ne precise control of supersaturation.
  • the single figure describes a preferred embodiment for a cyclone which separates a liquid-free, saturated gas phase 2 from a supersaturated liquid-gas mixture 1 by the re-entrainment of the centrifuged liquid film flow 5a along the Cyclone wall is prevented by means of an insert 4 made of porous material.
  • This material is selected according to the liquid, so that an always negative capillary pressure in the partially saturated region 4a, near a riser inlet 2a, prevents re-entrainment of the liquid phase due to the high shear forces of the gas flow.
  • a set within the porous ⁇ a liquid saturated Be ⁇ rich 4b will form over time.
  • the interface between the two regions 4a and 4b adjusts according to the flow laws for porous media as a function of gravity, geometry, porosity and volume flow.
  • the liquid 5b flows out of the saturated region 4b, 4c and collects in a volume below the insert 4.
  • the porous pin 4c communicates with the collected liquid and it allows ⁇ to overcome the interfacial tension.
  • a measurement of the accumulated amount of liquid 5b allows a process-controlled opening of a drain cock 6 and thus a discharge of the liquid 3. This ensures that always a partially saturated region 4a of the porous insert 4 exists and thus the re-mixing of liquid is prevented.
  • the invention is characterized in that a porous and liquid-loving, preformed, 3-dimensional volume insert can be used as the liquid absorber for the first time in order to remove the already separated and excess liquid from the process.
  • a porous and liquid-loving, preformed, 3-dimensional volume insert can be used as the liquid absorber for the first time in order to remove the already separated and excess liquid from the process.
  • there are already two-dimensional membranes which, in addition to low mechanical load capacity, also have little storage capacity. Tat and flow cross-section and therefore run the risk of building a liquid film on the surface, which in turn can be detached from the turbulent shear forces of the gas flow.

Landscapes

  • Cyclones (AREA)

Abstract

Zyklon zur Trennung der Flüssigkeitsphase von einem übersättigten Gasstrom, wobei ein poröser 3-dimensionaler Bereich als Flüssigkeitssenke vorgesehen ist und als vorgeformter Einsatz (4) ausgeführt ist; und wobei: • a) der Einsatz (4) ein Material mit benetzenden Eigenschaften gegenüber der abzutrennenden Flüssigkeit umfasst, und/oder • b) die Porosität und/oder Schichtung und/oder Formgebung an die Dynamik des übersättigten Gasstroms und die abzutrennende Flüssigkeitsmenge angepasst ist; und/oder • c) ein stetigen Abfluss der kumulierenden Flüssigkeit im gesättigten Porenraum vorgesehen ist; und/oder • d) im Bereich eines Steigrohr-Einlasses (2a) einen ungesättigten Porenraum sichergestellt ist; und/oder • e) der Einsatz (4) im stationären Betrieb teilweise in der abzutrennenden Flüssigkeit eingetaucht ist.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Zyklon zur Trennung der Flüssigkeitsphase von einem übersättigten Gasstrom,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein poröser 3-dimensionaler Bereich als Flüssigkeitssenke vorgesehen ist und als vorgeformter Einsatz ausgeführt ist; wobei:
a) der Einsatz ein Material mit benetzenden Eigenschaften gegenüber der abzutrennenden Flüssigkeit umfasst, und/oder
b) die Porosität und/oder Schichtung und/oder Formgebung an die Dynamik des übersättigten Gasstroms und die abzutrennende Flüssig¬ keitsmenge angepasst ist; und/oder
c) ein stetigen Abfluss der kumulierenden Flüssigkeit im gesättig¬ ten Porenraum vorgesehen ist; und/oder
d) im Bereich eines Steigrohr-Einlasses einen ungesättigten Porenraum sichergestellt ist; und/oder
e) der Einsatz im stationären Betrieb teilweise in der abzutrennenden Flüssigkeit eingetaucht ist.
2. Zyklon nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz so ausgestaltet ist, dass eine mechanische Stabilität bei relativem Unterdruck oder bei relativem Überdruck gewährleistet ist und/oder eine thermische Stabilität bei gegenüber Raumtem¬ peratur unterkühltem oder überhitzten Zustand gewährleistet ist, und/oder die Stabilität bei einer Kombination aus mechanischer und thermischer Belastung gewährleistet ist.
3. Zyklon nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wechsel des vorgeformten Einsatzes durch Öffnen einer Verbindung ermöglicht ist.
4. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Füllstandssensor im Bereich unterhalb des Einsatzes vorgesehen ist .
5. Zyklon nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Verbindung mit dem Signal des Füllstandssensors ein Aktuator ein Ablass-Ventil öffnet bzw. schliesst.
6. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeisolation um den Zyklon und/oder die Leitungen zur Gewährleistung eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist.
7. Zyklon nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Heizung und/oder Kühlung des Zyklons und/oder der Leitungen zur Gewährleistung eines gewünschten Abscheidungsgrades vorgesehen ist .
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