WO2023165927A1 - Vorrichtung und verfahren zur behandlung von flüssigkeit - Google Patents

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WO2023165927A1
WO2023165927A1 PCT/EP2023/054837 EP2023054837W WO2023165927A1 WO 2023165927 A1 WO2023165927 A1 WO 2023165927A1 EP 2023054837 W EP2023054837 W EP 2023054837W WO 2023165927 A1 WO2023165927 A1 WO 2023165927A1
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WO
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liquid
basin
gas
channel
line device
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Application number
PCT/EP2023/054837
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English (en)
French (fr)
Inventor
Antonio Delgado
Hans HOHAGEN
Anuhar OSORIO NESME
Man-gi CHO
Original Assignee
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/26—Fractionating columns in which vapour and liquid flow past each other, or in which the fluid is sprayed into the vapour, or in which a two-phase mixture is passed in one direction
    • B01D3/28—Fractionating columns with surface contact and vertical guides, e.g. film action
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/38—Treatment of water, waste water, or sewage by centrifugal separation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/02—Foam dispersion or prevention
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/30—Fractionating columns with movable parts or in which centrifugal movement is caused
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2322—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles using columns, e.g. multi-staged columns
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/40—Liquid flow rate

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for treating liquid.
  • the invention relates to an apparatus and a method for treating a two-phase system of a liquid and a gas.
  • the device is preferably a column.
  • structured column packings are often used to avoid undesirable formation of foam.
  • Structured column packings are known, for example, from US Pat. No. 10,150,054 B1.
  • Structured column packings are usually made of metal or plastic plates. They are arranged in a specific direction with respect to the horizontal axis to create opposing channels that are between 45° and 60°.
  • the structured packings are optimized to large To connect surfaces with the smallest possible pressure drop of the gaseous phase.
  • Such packings are generally limited to small amounts of liquid, which sprinkle the surface of the packings without specific control of the flow processes, forming random rivulets and drops. This leads to the formation of gas pockets at random locations and thus to the formation of primary foam.
  • the random mechanical action that occurs on the foam as it flows through the packing leads to a stable secondary foam, which impairs the function of the column up to and including its complete failure.
  • unstructured column beds made of random packings are also known.
  • the focus of use is on maximizing the surface area while at the same time minimizing the pressure drop.
  • Both foam prevention and inhibition as well as active foam control by means of dynamic, thermal or acoustic devices have so far been completely absent in practice.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, the aim is to improve the prevention or inhibition of foam.
  • the device is intended for the treatment of liquid.
  • the device is preferably a column.
  • the device comprises a first basin for holding liquid and a second basin for holding liquid.
  • the device can also comprise a plurality of first basins for holding liquid and/or a plurality of second basins for holding liquid.
  • the device preferably comprises the same number of first basins and second basins.
  • a first and second basin preferably correspond to one another or a first and second basin are functionally assigned to one another.
  • the plurality of first pools are preferably each at a consistent first elevation with respect to the direction of gravity.
  • the plurality of second basins are also preferably each at a corresponding second height with respect to the direction of gravity.
  • the second basin is situated deeper in the direction of gravity than the first basin.
  • the second basin is in the direction of gravity placed below the first basin.
  • the first basin is connected to the second basin via at least one line device.
  • the second basin is fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the second basin can only be partially fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the second basin is preferably completely fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the line device forms at least one channel through which a liquid connection can be formed between the first and the second basin.
  • An uninterrupted liquid connection can preferably be formed between the first and the second basin.
  • An “uninterrupted liquid connection” is understood to mean in particular that the first and second basins are connected by the liquid in such a way that (in the case of a conductive liquid) electric current could flow solely through the liquid from the first to the second basin.
  • the liquid can be conducted through the channel into the second basin, at least under the action of gravitational force and centrifugal force.
  • the gravitational force is expressed in particular in the form of the downhill slope force resulting from the gravitational force on the liquid.
  • the centrifugal force is preferably due to the rotational movement of the liquid.
  • the line device is preferably arranged statically.
  • the line device is therefore designed in particular to be non-rotatable. Possible components of the line device are also preferably designed to be non-rotatable.
  • the liquid flows in a laminar manner.
  • the centrifugal force acting on the liquid is preferably predetermined by a curvature of the channel.
  • the curvature of the channel is dimensioned such that the centrifugal force acting on the liquid overcomes the gravitational force acting on the liquid.
  • the magnitude of the centrifugal force is preferably in a range between twice and fifty times, particularly preferably between five times and ten times, the magnitude of the gravitational force.
  • the centripetal acceleration acting on the liquid is preferably in a range between 20 m/s 2 and 500 m/s 2 , particularly preferably between 50 m/s 2 and 100 m/s 2 .
  • the centrifugal force is the inertial force caused by the centripetal acceleration.
  • the configuration of the channel preferably limits the total acceleration along the movement paths of the liquid, which results from the vectorial sum of the centripetral and gravitational acceleration.
  • the total acceleration preferably assumes values in the range between the value of the gravitational acceleration and 51 times the gravitational acceleration, particularly preferably values in the range between five times and 20 times the gravitational acceleration.
  • the preferred limitation of the values corresponds to a limitation of the inertial forces. Preferably can This prevents the surface from tearing open and thus gas inclusion and/or the formation of new surfaces.
  • the invention is based exclusively on physical measures. There is therefore no contamination through the addition of technical substances. In particular, chemical contamination is avoided in the device according to the invention and in the method according to the invention.
  • the risk does not apply to products that come into direct or indirect contact with the consumer's body (e.g. detergents and cosmetics) or that the consumer consumes as part of their diet or health care (food and pharmaceutical products).
  • products that come into direct or indirect contact with the consumer's body e.g. detergents and cosmetics
  • the consumer consumes as part of their diet or health care food and pharmaceutical products.
  • the purely physical foam management according to the invention advantageously prevents chemical waste and thus protects the environment.
  • the addition of chemical substances also reduces or slows down the transport phenomena.
  • the method can advantageously be carried out with an efficient transport of material or thermal energy. This advantageously increases process stability, shortens process times, increases resource efficiency and avoids environmental pollution.
  • the device according to the invention and the method according to the invention have a particularly advantageous preventive effect on the formation of bubbles and thus the formation of unwanted foam.
  • bubble formation cannot be completely avoided, for example by changing the gas solubility or by thermal effects under certain necessary process conditions.
  • the configuration of the device and method according to the invention inhibits the formation of foam.
  • the possible disruptions caused by unwanted foam can advantageously be significantly reduced or even completely avoided.
  • the embodiment of the invention does not require any temperature increase or decrease in the temperature of the product.
  • this drastically reduces the use of primary energy, investments in thermal systems for combating foam and environmental pollution along with the associated CC pricing.
  • the configuration according to the invention advantageously does not require any rotational energy, which is generally provided by a motorized drive unit.
  • This is usually an electric or combustion engine.
  • this eliminates all the economic, technical and environmental disadvantages that such drives entail.
  • the configuration of the foam management according to the invention advantageously does not require any change in the process pressure to be carried out externally. This means a considerable advantage compared to a vacuum centrifuge, which builds up a negative pressure with high energy input, or nozzles, which are able to dissipate a significant proportion of the mechanical energy provided by a pump.
  • a vacuum centrifuge which builds up a negative pressure with high energy input, or nozzles, which are able to dissipate a significant proportion of the mechanical energy provided by a pump.
  • high savings in plant investment and energy are achieved.
  • the device according to the invention and the method according to the invention advantageously have a preventive effect on the formation of bubbles and thus the formation of unwanted foam.
  • the device according to the invention and the method according to the invention do not use any acoustic energy. No mechanisms are stimulated that could lead to noise pollution. This results not only in the advantage of avoiding noise pollution, but also in eliminating the sometimes high energy required to generate the sound waves.
  • a large contact surface of the liquid is advantageously provided for a reaction with a gas phase.
  • the method for treating liquid is provided in a device, preferably in a device according to the invention.
  • the device comprises a first basin for holding liquid and a second basin for holding liquid.
  • the device can also comprise a plurality of first basins for holding liquid and/or a plurality of second basins for holding liquid.
  • the second basin is deeper in the direction of gravity is arranged as the first basin.
  • the second basin is preferably arranged below the first basin in the direction of gravity.
  • the first basin is connected to the second basin via at least one line device.
  • the second basin is fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the second basin can only be partially fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the second basin is preferably completely fed with liquid from the first basin via the line device.
  • the line device forms at least one channel through which a liquid connection is formed between the first and the second basin.
  • An uninterrupted liquid connection can preferably be formed between the first and the second basin.
  • the “uninterrupted liquid connection” is understood here in particular as described above.
  • the liquid is passed through the channel into the second basin under the action of at least gravitational force and centrifugal force.
  • the gravitational force is expressed in particular in the form of the downhill slope force resulting from the gravitational force on the liquid.
  • the centrifugal force is preferably due to the rotational movement of the liquid.
  • the bottom of the first basin has at least one funnel-shaped transition curve with a constant curvature, preferably with a curvature that increases continuously in the direction of the funnel.
  • the funnel-shaped transition bend opens into the line device.
  • “Funnel-shaped” is preferably understood to mean the shape of a funnel without a funnel neck.
  • the line device could also be understood as the funnel neck, which forms a funnel together with the funnel-shaped transition bend.
  • the liquid can be introduced into the channel from the funnel-shaped transition bend at least under the influence of the gravitational force and the centrifugal force.
  • the funnel shape of the transition bend preferably causes the liquid to rotate.
  • the liquid can preferably be introduced continuously into the channel from the funnel-shaped transition bend, at least under the influence of the gravitational force and the centrifugal force.
  • the fluid is introduced (preferably continuously) from the funnel-shaped transition bend into the channel under at least the action of gravitational force and centrifugal force.
  • a smooth transition is provided between the transition curve and the channel.
  • the curvature of the channel and the curvature of the transition bend are preferably matched to one another.
  • Curvature continuity is preferably understood to mean the parity of the radius of curvature at the transition and the resulting smooth curvature transition.
  • the liquid preferably exits the first basin and enters the channel with the smallest possible change in momentum.
  • the centrifugal force acting on the liquid is preferably predetermined by the curvature of the transition bend and/or the channel.
  • the curvature of the transition bend and/or the channel is dimensioned such that the centrifugal force acting on the liquid exceeds the gravitational force acting on the liquid.
  • the magnitude of the centrifugal force is preferably in a range between twice and fifty times, particularly preferably between five times and ten times, the magnitude of the gravitational force.
  • the centripetal acceleration acting on the liquid is preferably in a range between 20 m/s 2 and 500 m/s 2 , particularly preferably between 50 m/s 2 and 100 m/s 2 .
  • the centrifugal force is the inertial force caused by the centripetal acceleration.
  • the design of the transition bend and/or the channel preferably limits the overall acceleration along the movement paths of the liquid, which results from the vectorial sum of the centripetral and gravitational acceleration.
  • the total acceleration preferably assumes values in the range between the value of the gravitational acceleration and 51 times the gravitational acceleration, particularly preferred Values ranging from 5x to 20x the gravitational acceleration.
  • the preferred limitation of the values corresponds to a limitation of the inertial forces. Preferably, this can prevent the surface from tearing open and thus gas inclusion and/or the formation of new surfaces.
  • the curvature of the funnel-shaped transition bend is dimensioned such that the downhill slope force resulting from the gravitational force on the liquid and the centrifugal force acting on the liquid when the liquid flows into the funnel-shaped transition bend are limited.
  • the liquid is preferably caused to rotate by the curvature of the funnel-shaped transition curve.
  • the speed of this rotary movement preferably increases continuously, preferably from a very small speed in the first basin to a purely gravitational rate of fall.
  • the liquid is guided in the channel under the additional action of the capillary force caused by the channel.
  • the geometry of the channel is preferably adapted in such a way that a capillary force acts on the liquid.
  • the capillary force stabilizes the free surface of the liquid, i.e. the gas-liquid surface.
  • this stabilization prevents tearing of the surface of the liquid and thus possible gas inclusions and the resulting formation of foam.
  • the transition curve is designed at least in sections in the form of a clothoid, a sinusoid, a cubic parabola, an S-shaped transition curve according to Schramm and/or a Bloss curve.
  • a clothoid is uniquely defined by the fact that the curvature at any point on the curve described by the clothoid is proportional to the length of its arc up to that point.
  • the curvature of the transition curve is preferably adapted to a clothoid in order to achieve a continuous curvature.
  • the transition curve is the curve mentioned above. Its length begins at the bottom of the first basin, which is still horizontal. There the curvature is zero, in agreement with the expected surface-parallel velocity vector of the liquid.
  • the transition bend ends where a continuous adaptation of the curvature to the geometry of the line element is achieved, for example to an inner wall of the line element.
  • the device comprises a large number of first basins, a large number of second basins and a large number of line devices.
  • the majority can correspond to the number or be larger.
  • a first basin is connected to a second basin in each case via a line device in each case.
  • the respective second basin is fed with liquid from the respective first basin via the respective line device.
  • the second pool can only partially be fed with liquid from the first basin via the line device in question.
  • the second basin is preferably completely fed with liquid from the first basin via the relevant line device.
  • the respective line device forms at least one channel through which a liquid connection can be formed between the respective first and the respective second basin.
  • a liquid connection can be formed between the respective first and the respective second basin.
  • an uninterrupted liquid connection can be formed between the respective first and the respective second basin.
  • the “uninterrupted liquid connection” is understood here in particular as described above.
  • a narrowing of the cross section is provided for passage of the liquid from the first basin into the line device and/or into the at least one channel.
  • the liquid passes through the narrowing of the cross section from the first basin into the line device and/or into the at least one channel.
  • the cross-sectional constriction is preferably in the form of a gap.
  • the width of the gap is preferably in a range from 0.1 mm to 2.5 mm, particularly preferably in a range from 0.3 mm to 1.5 mm.
  • the narrowing of the cross section preferably prevents gas from rising from the channel into the liquid contained in the first basin.
  • a dispersion of the gas from the channel in the liquid is advantageously prevented.
  • a generation of gas bubbles and/or the formation of foam can be prevented as a result.
  • the gas may be a vapour.
  • gas can be an aerosol.
  • gas is understood to mean a gaseous phase.
  • the at least one channel is designed to run spirally, helically and/or helically.
  • the channel is hereinafter referred to as the helical channel.
  • the term “helical channel” is understood to mean a channel that runs spirally, helically and/or helically.
  • the helical channel can vary its pitch and/or its curvature in areas.
  • the helical channel has a constant pitch and/or constant curvature.
  • the helical channel may preferably be provided in the manner of an external thread or in the manner of an internal thread.
  • the helical channel is preferably designed in such a way that both the liquid and the gas are guided through the helical channel.
  • the liquid thus preferably comes into contact with the gas in the helical channel.
  • the gas can flow in countercurrent to the liquid or in parallel to the liquid. It can be provided that the gas is conducted completely and/or exclusively through the helical channel.
  • a radially inner cavity can also be provided.
  • the radially inner cavity can be at least partially open to the helical channel.
  • the gas is preferably conducted through the radially inner cavity and through the helical channel.
  • the radially inner cavity is open to the helical channel.
  • the radially inner cavity can be separated from the helical channel.
  • the channel is preferably designed geometrically in such a way that the centrifugal force acts on the flowing liquid as a result of the movement of the flowing liquid guided in the channel. Furthermore, the channel is preferably designed geometrically in such a way that the liquid cannot leave the channel despite the centrifugal force acting.
  • the centrifugal force preferably ensures stabilization of the free liquid surface. In particular, this preferably avoids or significantly reduces a strong deformation of the free liquid surface. This advantageously avoids air inclusions and thus prevents the formation of foam.
  • the geometry of the channel is preferably adapted in such a way that a capillary force acts on the liquid.
  • the capillary force stabilizes the free surface of the liquid.
  • the gas-liquid surface is preferably stabilized as much as possible by the capillary force.
  • a strong deformation of the free liquid surface can also be avoided by the occurrence of the capillary force.
  • this also avoids air inclusions and thus prevents the formation of foam.
  • the line device comprises a hollow component with a helical inner geometry for forming at least one helical channel.
  • the helical channel is preferably provided in the manner of an internal thread on an inner surface of the hollow component.
  • the hollow component is preferably essentially cylindrical.
  • the hollow component essentially has the shape of a hollow cylinder.
  • the hollow component has in particular a radially inner cavity.
  • the hollow component can be thin-walled, for example sheet metal.
  • the helical channel can be made by deforming the thin-walled hollow member.
  • the hollow component can comprise a solid wall.
  • the helical channel can be produced by a type of thread cutting on the inner surface of the hollow component.
  • the helical channel is preferably open to the radially inner cavity.
  • the gas is preferably passed through the radially inner cavity and through the helical channel.
  • the liquid thus preferably comes into contact with the gas in the helical channel.
  • the gas can flow in countercurrent to the liquid or in parallel to the liquid.
  • the hollow component is preferably arranged statically.
  • the hollow component is therefore designed in particular to be non-rotatable.
  • the line device comprises a tube with a helix accommodated therein.
  • the line device comprises at least one helical channel, which is formed between an inner wall of the tube and the helix.
  • the tube and helix are preferably statically arranged.
  • neither the tube nor the helix are rotatable.
  • the helix preferably forms the helical channel in the manner of an external thread.
  • the helix is preferably a rod helix and/or a worm screw.
  • the helix can have a radially inner cavity.
  • the helix preferably has no radially inner cavity.
  • the helix preferably includes a solid central rod.
  • the rod is preferably not a separate component. Rather, the rod is preferably formed by the central meeting of the thread runs.
  • the helix can be right-hand or left-hand.
  • the helix is preferably a single helix, a double helix, a triple helix or a quadruple helix. In further preferred configurations, the helix is a 5-fold to 16-fold helix.
  • the helix is preferably surrounded concentrically by the tube, which is preferably designed in the form of a hollow cylinder.
  • the at least one helical channel is thus delimited on the one hand by the inner wall of the tube and on the other hand by the helix.
  • the inner wall of the tube preferably ensures that the liquid flowing in the helical channel is not thrown out of the channel by the centrifugal force that occurs.
  • the helix, in particular an outer thread run of the helix is preferably firmly connected to the inner wall of the tube.
  • Helix and pipe are included preferably cohesively connected to each other.
  • the helix and the tube are connected to one another in such a way that the line of contact between the helix and the tube has no gaps and, in particular, is tight.
  • a dense helical channel is preferably formed.
  • the helix and the tube are particularly preferably produced in one piece. If the centrifugal force is sufficiently high, the inner wall of the tube preferably becomes part of the surface wetted by the liquid.
  • the tube and helix are preferably arranged such that their common axis is aligned in the direction of gravity.
  • the tube and the helix are thus preferably arranged vertically.
  • the outer thread run of the helix preferably forms an angle in the range of 10° to 70° with the inner wall of the tube.
  • the helical channel has a substantially V-shaped and/or substantially L-shaped cross section.
  • the leg formed by the inner wall of the tube preferably runs vertically.
  • the tube preferably has an internal diameter in a range from 5 mm to 50 mm, preferably from 5 mm to 30 mm.
  • the helical channel preferably has a length in a range from 50 mm to 500 mm, preferably from 100 mm to 300 mm.
  • the length of the helical channel is understood to be the distance covered by the liquid as it passes through the helical channel.
  • the liquid in the helical channel due to the centrifugal force acting on it at least partially guided on the inner wall of the tube.
  • the liquid can also be guided completely along the inner wall of the tube.
  • the liquid in the helical channel is preferably conducted as a laminar flow.
  • a radially inner region of the helical channel preferably remains free for the flowing gas.
  • the gas is therefore preferably also guided in the helical channel.
  • the gas can flow in countercurrent to the liquid or in parallel to the liquid.
  • the geometric design of the channel preferably ensures that the flowing liquid is at least partially guided along the inner wall of the tube. This guided movement creates the centrifugal force.
  • the inner wall of the tube preferably also ensures that the liquid cannot leave the channel despite the creation of the centrifugal force.
  • the gas may be a vapour.
  • the gas can be an aerosol.
  • the term “gas” is understood to mean a gaseous phase.
  • the liquid guided in the channel is brought into contact with gas.
  • the gas can flow in countercurrent to the liquid or in parallel to the liquid.
  • a large contact surface of the liquid with the gas phase is provided without dispersing the gas into the liquid.
  • this increases the efficiency of the treatment or production process, without the formation of gas pockets and/or the formation of foam.
  • the effect of the centrifugal force on the liquid guided in the channel exceeds, preferably significantly exceeds, the other forces exerted on the liquid.
  • the centrifugal force is also referred to as the dominant force.
  • the forces are preferably taken into account as vector variables with magnitude and direction.
  • the remaining forces can include gravitational force and/or capillary force.
  • the other forces include in particular the forces exerted by the gas on the liquid, in particular deformation forces (tangential and normal force), and/or the inertial force.
  • a clear surpassing is preferably understood to be at least twice the amount, particularly preferably 5 to 100 times the amount.
  • the effect of a combination of the centrifugal force and the gravitational force on the liquid guided in the channel can exceed, preferably significantly exceed, the other forces exerted on the liquid.
  • the centrifugal force and the gravitational force are referred to as the dominant forces.
  • the other forces can also include the capillary force in addition to the forces exerted by the gas on the liquid, in particular deformation forces (tangential and normal force), and/or in addition to the inertial force.
  • the action of a combination of centrifugal force, gravitational force and capillary force on the liquid guided in the channel can preferably exceed the other forces exerted on the liquid clearly surpass.
  • the centrifugal force, the gravitational force and the capillary force are accordingly referred to as the dominant forces.
  • other forces include the forces exerted by the gas on the liquid, in particular deformation forces (tangential and normal force), and/or the inertial force.
  • the provision of a dominant force preferably prevents disruption of the free surface of the liquid.
  • this can prevent the inclusion of gas, the formation of bubbles and the formation of foam.
  • the action of the centrifugal force on the liquid guided in the channel can cause gas bubbles that may be present as a result of the process to be removed from the liquid.
  • the centrifugal force preferably causes bubbles that have formed to migrate from the liquid phase to the gas phase. This advantageously leads to a phase separation with a vanishing risk of the formation of undesired foam.
  • the gas is guided through the first basin and/or through the second basin in such a way that it does not come into contact with the liquid contained therein.
  • the line device can have at least one first gas line that extends completely through the first basin and/or at least one second gas line that extends completely through the second basin.
  • the first and/or second gas line are preferably oriented vertically, ie along the direction of gravity.
  • the conduit means comprises the tube with the helix accommodated therein
  • the tube extends through the first and/or second basin and/or the tube has a first axial extension which extends through the first basin (preferably completely) and/or a second axial extension which extends through the second basin (preferably completely).
  • the first axial extension and/or the second axial extension are preferably designed in a tubular manner.
  • the diameter of the first axial extension and/or the second axial extension can differ from the diameter of the tube.
  • the first axial extension and/or the second axial extension can have a smaller diameter than the tube.
  • an axially internal cavity is preferably formed in the tube and/or in the first and/or second axial extension of the tube, through which the gas is conducted.
  • the gas is preferably passed through the helical channel.
  • the axially inner cavity preferably opens into the helical channel and/or the helical channel into the axially inner cavity.
  • the gas When the gas is admitted into the pipe and/or into the first and/or into the second axial extension and/or into the gas line, there is preferably no contact between the gas and the liquid.
  • the gas When the gas is discharged from the tube and/or from the first and/or into the second axial extension and/or from the gas line, there is preferably no contact between the gas and the liquid.
  • the gas is preferably admitted at a lower end of the tube and/or the second axial extension and/or the gas line.
  • the gas is preferably discharged at an upper end of the tube and/or the first axial extension and/or the gas line.
  • the gas is preferably introduced into the pipe and/or into the first and/or into the second axial extension and/or into the gas line with a length-related pressure difference in the range from 2 mbar/m to 30 mbar/m.
  • the gas is preferably introduced into the lower end of the tube and/or the second axial extension and/or the axially inner cavity and/or the gas line.
  • the gas preferably flows through the gas line and/or the tube and/or the helical channel formed by tube and helix and/or the first and/or second axial extension at a speed of 0.1 m/s up to 70 m/s , preferably from 1 m/s to 40 m/s, particularly preferably from 5 m/s to 20 m/s.
  • a rather low speed is preferably provided, ie preferably a speed of 0.1 m/s to 5 m/s.
  • a rather high speed is preferably provided, ie preferably a speed of 10 m/s to 70 m/s.
  • the line device comprises a multiplicity of tubes, each with a helix accommodated therein.
  • the respective tubes with the respective helices accommodated therein are preferably arranged in such a way that their common axis is aligned in the direction of gravity.
  • the respective tubes with the respective helices accommodated therein are preferably arranged vertically.
  • the second basin has at least one further transition bend.
  • the further transition curve can be funnel-shaped.
  • the further transition curve can be arranged as an inverted funnel against the direction of gravity. This is preferably understood to mean an upside-down funnel.
  • “Funnel-shaped” is preferably understood to mean the shape of a funnel without a funnel neck.
  • the line device could also be understood as the funnel neck which, together with the further transition bend, forms an inverted funnel counter to the direction of gravity.
  • a further line device can also be understood in this context as a funnel neck which, together with the further transition bend, forms a funnel for discharging the liquid from the second basin.
  • the further transition curve preferably has a curvature that increases continuously in the direction of the funnel. This continuously increasing curvature is therefore preferably formed counter to the direction of flow of the liquid.
  • the further transition bend can be arranged on an upper and/or lower wall of the second basin.
  • the further transition bend can be connected to the line device and/or the duct.
  • a continuous transition can be provided between the channel and the further transition bend.
  • the curvature of the channel and further transition curve is preferably matched to one another. The above explanations regarding tuning the curvature apply.
  • the liquid preferably exits the channel and enters the second basin with as little change in momentum as possible.
  • negligible agitation forces prevail at most.
  • no bubbles and no foam are formed.
  • the line device forms a single channel that is completely filled with liquid, so that the line device does not allow any contact between liquid and gas.
  • the line device is preferably configured essentially in the shape of a funnel.
  • the line device can also include one or more pipe sections with a constant diameter.
  • the line device preferably forms a continuous transition with the funnel-shaped transition bend.
  • the line device forms a continuous extension of the funnel-shaped transition bend.
  • the line device is preferably produced in one piece with the funnel-shaped transition bend.
  • the funnel shape of the line device preferably brings about a rotary movement of the liquid. This therefore represents a continuation of the effect already described above for the funnel-shaped transition bend.
  • the flow cross section of the transition bend and/or the line device and/or the channel preferably decreases in the direction of gravitation. As a result, the liquid fills the entire cross-section.
  • no free surface is formed. Therefore can there advantageously no gas inclusions, no bubbles and no foam arise.
  • the liquid is guided into the second basin through the conduit device at least under the action of gravitational force and centrifugal force.
  • the line device can have a taper.
  • a capillary force can also act on the liquid in the area of this narrowing.
  • the line device is preferably arranged in such a way that it is immersed in the liquid received in the second basin.
  • the line device preferably opens into a further transition bend, which is preferably immersed in the liquid contained in the second basin.
  • the further transition curve is preferably configured in a funnel shape as described above.
  • the line device comprises 1 to 20 channels, preferably 1 to 16 channels, more preferably 1 to 8 channels, particularly preferably 1, 2, 3, 4, 5 or 6 channels.
  • the channels preferably run parallel to one another and/or are arranged rotationally symmetrically to one another. If there are several channels, one also speaks of a multi-threaded design.
  • the contact area between the phases is increased by a multiple-thread design of the channels, in particular the helical channels.
  • the pitch is preferably in a range from 20 mm to 400 mm, particularly preferably in a range from 70 mm to 200 mm.
  • the pitch is preferably understood as the vertical extent of a complete revolution of the one or more helical channels.
  • the liquid is a functional liquid.
  • the liquid is preferably selected from the group consisting of water, alcohol, solvents, petroleum, diesel, sulfuric acid, mercury, hydrogen peroxide, waste water, fire fighting agents, detergents, in particular mono- and diethanolamine, care products, cleaning agents, liquids from the chemical industry, liquids from pharmaceutical industry, liquids from the food industry, liquids from the beverage industry, liquids from the production of sustainable energy carriers, and mixtures thereof.
  • polar or non-polar liquids Depending on the intended use, these are polar or non-polar liquids.
  • the density of the liquid is preferably between 700 kg/m 3 and 13600 kg/m 3 , particularly preferably between 850 kg/m 3 and 1500 kg/m 3 .
  • the dynamic viscosity of the liquid is preferably between 0.5 and 500 mPas, particularly preferably between 1 and 50 mPas.
  • the surface tension of the liquid is preferably between 15 mN/m and 500 mN/m, particularly preferably between 30 and 100 mN/m.
  • the velocity of the liquid in the device according to the invention is preferably in a range from 0.001 m/s to 25 m/s, particularly preferably in a range from 0.1 m/s to 10 m/s.
  • the velocity of the liquid can differ significantly locally.
  • the liquid flowing out of the second basin is preferably partially returned to the first basin.
  • the gas may be a vapour.
  • the gas can be an aerosol.
  • the gas is a functional gas, a vapor and/or a functional vapor.
  • the gas is preferably selected from the group consisting of air, steam, alcohol vapor, exhaust gas, combustion exhaust gas, flue gas, natural gas, biogas, sewage gas, silanes and corrosive gases, in particular HCl and amines, acidic gas, in particular sulfur dioxide, hydrogen sulfide and carbon dioxide, and mixtures thereof.
  • Non-exhaustive examples for the treatment of a liquid with a gas in the device according to the invention and/or by the method according to the invention are:
  • Reactive amine scrubbing ie the removal of acidic gases, in particular hydrogen sulfide and carbon dioxide, from natural gas and biogas, mostly using mono- and diethanolamine as a scrubbing agent.
  • the device which is preferably designed as a column, comprises a first bell and a second bell.
  • the gas is introduced into the liquid by means of the first bell in the first basin and by means of the second bell in the second basin.
  • the device may also include multiple first bells and/or multiple second bells. This is preferably the case in an embodiment of the device with a plurality of first basins and/or a plurality of second basins.
  • a first bell preferably cooperates with a first basin and/or a second bell cooperates with a second basin.
  • several first bells can be provided for a first basin and several second bells for a second basin.
  • the gas is preferably introduced into the liquid in such a way that the gas is dissolved in the liquid and/or is present in the liquid in finely dispersed form.
  • Finely dispersed preferably means the dispersion of gas in the liquid in the form of bubbles with a size in the range from 0.1 mm to 10 mm, preferably from 0.3 mm to 5 mm, particularly preferably from 0.3 mm to 2 mm.
  • the volume concentration of the finely dispersed gas is preferably 0.52 - 0.95 at the surface of the liquid.
  • the volume concentration is the ratio of the volume of the gas to the total volume. The volume concentration decreases with distance from the surface of the liquid.
  • the volume concentration of the finely dispersed gas inside the liquid is preferably 0.01-0.20, particularly preferably 0.01-0.10.
  • the first bell and second bell just described are preferably dispensed with.
  • any dispersion process should be avoided within the scope of the present invention. This advantageously prevents the formation of foam.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second device according to the invention
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a channel according to the invention for defining the angle formed by the channel according to the invention
  • the diverse technical problems caused by undesired, flowable foams in treatment and manufacturing processes in industrial systems and in the products associated therewith are not solved exclusively by the fact that the formation of bubbles and thus foam is prevented or at least inhibited in a purely physical manner.
  • a method and a device are required according to the invention, which - while maintaining or even improving the original Process and product goals - control the agitation of the free liquid-gas surfaces in the flow processes that are specifically necessary for the fulfillment of the process goals to the extent that gas is not trapped in the liquid.
  • this is done by a) avoiding any agitation in a targeted manner or at least keeping it at the lowest possible level and b) at the same time at least one single force or a combination of synergetic forces acts against the agitation of the free surface of the flow process in such a way that all others forces acting on the free surface are dominated and therefore the agitation effect of the other forces is reduced or even completely eliminated.
  • the forces to be controlled to avoid gas entrainment include inertial, compressive, centrifugal, tangential-normal, inertial, inertial, capillary, and possibly acoustically induced forces.
  • Non-exclusive examples of momentum changes to be avoided include the sudden change in the magnitude and direction of the velocity of a flowing two-phase system caused by plant equipment, the gravitationally driven outflow from a Accumulation of liquid in the treatment or production plant or dripping of falling liquid onto a free liquid surface.
  • Figure 1 shows a typical prior art tower system.
  • such column systems are operated in a stationary manner, so that the mass flows of the gases and liquids required to fulfill the function assume constant values.
  • the task of the column is to guide liquid (4) and gas (1) while forming a free continuous surface or dispersed surface (finely dispersed bubbles) in such a way that a specific treatment (e.g. gas scrubbing or thermal treatment) or the production of a specific product (e.g. fine chemicals) can take place.
  • a specific treatment e.g. gas scrubbing or thermal treatment
  • a specific product e.g. fine chemicals
  • Fig. 1 illustrates, in a typical prior art column, the liquid (4) is collected on the column tray (5) (bottom of the first basin). Gas (1) and liquid (4) are in contact on the surface of the collected liquid (4a), so that transport phenomena between the phases occur there, on which the treatment or production process is based. However, the transport phenomena happen there only slowly due to the relatively small contact area.
  • the gas flow (2) is therefore diverted with the aid of a so-called bell (13) in such a way that it produces functional, finely dispersed bubbles (4b) which offer a large surface area in order to accelerate the transport processes between gas and liquid.
  • this requires a high level of mechanical energy (pressure energy and kinetic energy), which in operational practice is usually provided by a rotating turbomachine.
  • FIG. 2 shows a first device according to the invention.
  • the functional, finely dispersed gas distribution at the bell (13) is expediently unchanged compared to the prior art.
  • the method according to the invention first provides that the inflow (6a) to the line device (6) is not adjacent to the gas-liquid surface, but flush with the height of the Column tray (5) begins. This significantly reduces the risk of gas locks.
  • a transition bend (7a) of the first device according to the invention gently (without jerks or . without significant change in momentum) and thus without the development of great agitation by forces.
  • this is done by shaping the transition arch (7a) in such a way that its curvature changes at every point of the arch trajectory and thus the change in the (in good approximation) acceleration-free, horizontal liquid movement in the vicinity of the bell up to that with gravitational acceleration moving liquid at the inflow (6a) of the line device (6) with little agitation.
  • the invention envisages using a clothoid as the preferred shape of the transition curve.
  • the sinusoids, the cubic parabola, the s-shaped transition curve according to Schramm or the Bloss curve can be used as alternative forms of the transition curve (7a).
  • the liquid in the forwarding component (16) is accelerated by gravity with a corresponding change in momentum.
  • the resulting forces ensure that the liquid (17b) is not able to fill the entire cross section and “meanders” on the wall.
  • the gas therefore fills the remaining cross-section with the corresponding formation of bubbles.
  • the invention also solves this problem as follows: In the first device according to the invention shown in FIG. 2, the transition bend (7a) ensures that the flow cross section narrows in the direction of gravitation. In this case, the liquid fills the entire cross section, which means that no free surface can be formed and therefore no gas inclusion can occur.
  • the invention also solves this problem in that there is no formation of drops on the line device (6). Rather, according to the invention, the liquid emerges below the free surfaces (4a), as a result of which the risk of gas being trapped is greatly reduced.
  • the further transition bend (7b) arranged at the outlet and belonging to the first device according to the invention further reduces this risk in that it allows the liquid flowing essentially vertically in the line device (6) without jerky changes and thus with little trajectory forces in the horizontal direction.
  • the further transition bend (7b) separates the outflow process from the line device (6) from the free surface (4a) in the second basin to such an extent that only negligible agitation is stimulated.
  • the second inventive device shown in FIG. 3 solves this problem in that it
  • FIG. 3 also shows an enlarged section of a transition area from the transition bend (7a) to the line device (6).
  • the arrows schematically indicate in perspective the main direction of movement of the liquid guided in the helical channels (6c).
  • FIG. 4 shows a third device according to the invention, which also has helical channels (6c).
  • This figure illustrates the accumulation of liquid (4) on the lower collecting tray (5b) (bottom of the second basin) and the upper collecting tray (5a) (bottom of the first basin).
  • the latter also forms the shape of the transition bend (7a) according to the invention.
  • the gas or vapor does not come into contact with the liquid (4) either at the inflow point (1) or at the outflow point (3) of the line device (6), whereby the prevention of foam formation according to the invention is particularly taken into account.
  • the transition curve (7a) and the further transition curve (7b) act in a comparable preventive manner.
  • the cross-sectional constriction (6b) ensures that liquid enters the line device (6) without gas inclusions and therefore without undesired foam formation.
  • the conduit means (6) is a tube with a helix housed therein.
  • the line device (6) thus forms helical channels (6c) stabilized by capillary mechanics in the sense of an external thread.
  • the liquid (4) follows the helical channels (6c) in a gravity-induced, controlled downward movement. On the one hand, this avoids abrupt changes in the momentum flow, agitating forces on the liquid surface and thus the formation of gas inclusions.
  • the helical channels (6c) according to the invention induce a rotation (rotary movement) of the liquid and thus a strong centrifugal force, which alone or in combination with other forces acting synergistically against gas inclusion, dominates all other forces on the free surface.
  • the arrows pointing downwards schematically indicate in perspective the main direction of movement of the liquid guided in the helical channels (6c).
  • the arrows pointing upwards schematically indicate in perspective the direction of the gas flow (2) in the helical channels (6c).
  • the gas is therefore fed in countercurrent to the liquid.
  • the line device (6) shown in FIG. 4 as an example of the embodiment of the invention has a spiral (helix) with only one turn. Based on external threads, multi-threaded spirals (helices) can also be provided as an alternative. 6 shows capillary-mechanically stabilized helical channels with a small number of turns (left figure) and with a high number of turns (right figure). The provision of several helical channels represents a possibility of greatly increasing the phase contact area between the liquid carried in the helical channels and the gas. Both lead advantageously to the efficiency of the treatment or To increase the production process without causing an emergence of
  • the gas phase adjacent to the surface adheres to the liquid and is therefore set in rotation.
  • the mass and energy transport are increased by the rotation caused by the helical channels.
  • These rotation effects are advantageously used to prevent and/or inhibit the formation of foam.
  • the rotation brought about by the helical channels is used according to the invention as the basis for foam management.
  • the helix is bordered by the inner wall (8) of the tube.
  • the inner wall (8) together with the helix, forms the helical channel (6c) and supports the rotating liquid (4) during transport in the helical channel (6c). Since the liquid (4) is pushed outwards by the centrifugal force, the inner channel area remains free for the flowing gas phase (2). This ensures the correct functioning of the helical channel (6c) both in the case of counter-current and co-current processes.
  • the contact area between the phases can advantageously be increased by a multiple-thread design of the spiral channels.
  • the fourth device according to the invention dispenses with the use of an internal helix.
  • the helical channels run in a wall in the sense of an internal thread (design (a)) or a thin-walled workpiece pressed in a helical shape or produced by additive manufacturing and the like (design (b)), as already shown in Fig. 3 as Capillary mechanically stabilized channels (6c) are shown.
  • line devices (6) offer, with a fixed treatment or production goal, by selecting the shape parameters of the transition bends, the geometry of the continuation component (6), the guidance of the flow of both phases in the continuation component (6 ) and the diameter, pitch and number of turns of the helical channels offer a wide range of options for adapting to the course of the process without the risk of foam formation.
  • FIG. 7 illustrates a modification of the third device according to the invention with a parallel arrangement, which is characterized by a high packing density.
  • the variant with its parallel arrangement is excellently suited to carrying out the treatment or production process with a device consisting of interchangeable modules which can also be manufactured and maintained at low cost. Due to the parallel arrangement in a modular design,
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the helical channel formed in the third device according to the invention.
  • Fig. 8 is used to define the helix and the inner wall (8) of the tube formed angle. This angle is preferably in a range from 10° to 70°. In the examples shown, this angle is 50°.
  • Modules according to the invention made up of parallel line devices (6) (see FIGS. 3, 4, 5 and 6) have further advantages in comparison to structured column packings according to the prior art, not only with regard to foam management.
  • FIGS. 9 and 10 use measurement data as an example to illustrate that the invention enables the process window to be greatly expanded.
  • FIGS. 9 and 10 show measurements for the embodiment of the method and apparatus according to the invention.
  • Table 1 summarizes preferred, non-exclusive, geometric parameters of the helical channels. Parameter execution
  • the various embodiments of the invention offer the possibility of designing treatment and production processes in a wide range of pressure drop and F-factor.
  • the invention avoids as special advantages not only all technical, energetic, environmental technological and financial risks from the state of the art, but also represents a significant gain in terms of the fields of application as well as process stability and process security.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeit (4). Die Vorrichtung umfasst ein erstes Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit (4) und ein zweites Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit (4). Das zweite Becken ist in Richtung der Gravitation tiefer angeordnet als das erste Becken. Das erste Becken ist über zumindest eine Leitungseinrichtung (6) mit dem zweiten Becken verbunden. Dabei wird das zweite Becken über die Leitungseinrichtung (6) mit Flüssigkeit (4) aus dem ersten Becken gespeist. Die Leitungseinrichtung (6) bildet zumindest einen Kanal aus, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausgebildet wird. Die Flüssigkeit (4) wird zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft durch den Kanal in das zweite Becken geleitet.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung eines Zweiphasensystems aus einer Flüssigkeit und einem Gas. Die Vorrichtung ist dabei vorzugsweise eine Kolonne.
Bei der Behandlung von Flüssigkeiten in Kolonnen kommt es in der Praxis häufig zu einer unerwünschten Bildung von Schaum.
Nach Stand der Technik werden häufig strukturierte Kolonnenpackungen zur Vermeidung einer unerwünschten Bildung von Schaum verwendet. Strukturierte Kolonnenpackungen sind beispielsweise aus dem US-amerikanischen Patent US 10,150,054 B1 bekannt. Strukturierte Kolonnenpackungen werden üblicherweise aus Metall- oder Kunststoffplatten hergestellt. Sie sind in einer bestimmten Richtung in Bezug auf die horizontale Achse angeordnet, um gegenüberliegende Kanäle zu erzeugen, die zwischen 45° und 60° liegen. Nach Stand der Technik sind die strukturierten Packungen darauf optimiert, große Oberflächen mit möglichst kleinem Druckabfall der gasförmigen Phase zu verbinden. Solche Packungen beschränken sich in der Regel auf kleine Flüssigkeitsmengen, welche die Oberfläche der Packungen ohne spezifische Führung der Fließprozesse unter Bildung von zufällig verlaufenden Rinnsalen und Tropfen berieseln. Hierdurch kommt es zur Entstehung von Gaseinschlüssen an zufälligen Orten und somit zu einer Bildung von Primärschaum. Die beim Fließen durch die Packung auf den Schaum zufällig entstehende mechanische Wirkung führt zu einem stabilen Sekundärschaum, der die Funktion der Kolonne bis hin zu deren völligen Ausfall beeinträchtigt.
Bei den nach dem Stand der Technik bekannten strukturierten Kolonnenpackungen gibt es dennoch keinerlei Maßnahmen zur Prävention oder Inhibierung von Schaum. Die zugleich engen Räume zwischen den strukturierten Elementen machen eine Schaumzerstörung durch die ansonsten nach dem Stand der Technik beispielsweise bekannten dynamischen (etwa durch motorisch angetriebene Systeme), thermischen (etwa durch Wärmeüberträger oder Mikrowellen) oder akustischen Verfahren (etwa durch akustische Aktoren) kaum möglich.
Nach Stand der Technik sind außerdem nichtstrukturierte Kolonnenschüttungen aus Füllkörpern bekannt. Auch hier steht die Maximierung der Oberfläche bei gleichzeitiger Minimierung des Druckabfalls im Fokus des Einsatzes. Sowohl Schaumprävention und -inhibierung als auch aktive Schaumbekämpfung durch dynamische, thermische oder akustische Vorrichtungen fehlen in der Praxis bisher völlig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll die Prävention oder Inhibierung von Schaum verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dazu jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nach Maßgabe der Erfindung ist die Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeit vorgesehen. Die Vorrichtung ist dabei vorzugsweise eine Kolonne. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit und ein zweites Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit. Die Vorrichtung kann auch mehrere erste Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit und/oder mehrere zweite Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit umfassen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung die gleiche Anzahl an ersten Becken und an zweiten Becken. Vorzugsweise korrespondieren dabei jeweils ein erstes und zweites Becken zueinander bzw. sind jeweils ein erstes und zweites Becken einander funktional zugeordnet. Die mehreren ersten Becken liegen vorzugsweise jeweils auf einer übereinstimmenden ersten Höhe bezüglich der Richtung der Gravitation. Auch die mehreren zweiten Becken liegen vorzugsweise jeweils auf einer übereinstimmenden zweiten Höhe bezüglich der Richtung der Gravitation. Die nachfolgend für eine Vorrichtung mit einem ersten Becken und einem zweiten Becken beschriebenen Merkmale gelten entsprechend jeweils auch für mehrere erste Becken und/oder mehrere zweite Becken.
Das zweite Becken ist in Richtung der Gravitation tiefer angeordnet als das erste Becken. Vorzugsweise ist das zweite Becken in Richtung der Gravitation unterhalb des ersten Beckens angeordnet. Das erste Becken ist über zumindest eine Leitungseinrichtung mit dem zweiten Becken verbunden. Das zweite Becken wird dabei über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist. Das zweite Becken kann nur teilweise über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist werden. Vorzugsweise wird zweite Becken vollständig über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist.
Die Leitungseinrichtung bildet zumindest einen Kanal aus, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausbildbar ist. Vorzugsweise ist dabei eine ununterbrochene Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausbildbar. Unter einer „ununterbrochenen Flüssigkeitsverbindung“ wird dabei insbesondere verstanden, dass das erste und zweite Becken derart mittels der Flüssigkeit verbunden sind, dass (im Falle einer leitfähigen Flüssigkeit) elektrischer Strom allein durch die Flüssigkeit vom ersten zum zweiten Becken fließen könnte.
Die Flüssigkeit ist zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft durch den Kanal in das zweite Becken leitbar. Die Gravitationskraft äußert sich dabei insbesondere in Form der aus der Gravitationskraft auf die Flüssigkeit resultierenden Hangabtriebskraft. Die Zentrifugalkraft entsteht vorzugsweise aufgrund der Drehbewegung der Flüssigkeit.
Die Leitungseinrichtung ist vorzugsweise statisch angeordnet. Die Leitungseinrichtung ist also insbesondere nicht drehbar ausgestaltet. Vorzugsweise sind auch mögliche Bestandteile der Leitungseinrichtung nicht drehbar ausgestaltet.
Vorzugsweise kommt es bei der Überleitung der Flüssigkeit vom ersten Becken in das zweite Becken zu keiner Agitation oder nur zu einer vernachlässigbaren Agitation der Flüssigkeit. Vorzugsweise strömt die Flüssigkeit laminar.
Vorzugsweise wird die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft durch eine Krümmung des Kanals vorgegeben. Vorzugsweise ist die Krümmung des Kanals so bemessen, dass die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft die auf die Flüssigkeit wirkende Gravitationskraft übertrifft. Vorzugsweise liegt der Betrag der Zentrifugalkraft dabei in einem Bereich zwischen dem Zweifachen und dem Fünfzigfachen, besonders bevorzugt zwischen dem Fünffachen und dem Zehnfachen, des Betrags der Gravitationskraft. Die auf die Flüssigkeit wirkende Zentripetralbeschleunigung liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 m/s2 und 500 m/s2, besonders bevorzugt zwischen 50 m/s2 und 100 m/s2. Die Zentrifugalkraft ist dabei die durch die Zentripetralbeschleunigung verursachte Trägheitskraft.
Durch die Ausgestaltung des Kanals wird vorzugsweise die Gesamtbeschleunigung entlang der Bewegungsbahnen der Flüssigkeit begrenzt, die sich aus der vektoriellen Summe der Zentripetral- und Gravitationsbeschleunigung ergibt. Die Gesamtbeschleunigung nimmt vorzugsweise Werte im Bereich zwischen dem Wert der Gravitationsbeschleunigung und dem 51 -fachen der Gravitationsbeschleunigung an, besonders bevorzugt Werte im Bereich zwischen dem Fünffachen und dem 20-fachen der Gravitationsbeschleunigung. Die vorzugsweise Begrenzung der Werte korrespondiert zu einer Begrenzung der Trägheitskräfte. Vorzugsweise kann dadurch verhindert werden, dass es zu einem Aufreißen der Oberfläche und somit zu einem Gaseinschluss und/oder zu einer Entstehung neuer Oberflächen kommt.
Vorteilhafterweise bilden sich bei der Überleitung der Flüssigkeit vom ersten Becken in das zweite Becken keine Blasen und es entsteht kein Schaum.
Vorteilhafterweise beruht die Erfindung ausschließlich auf physikalischen Maßnahmen. Eine Kontamination durch Beigabe von technischen Substanzen entfällt daher. Insbesondere werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beim erfindungsgemäßen Verfahren chemische Kontaminationen vermieden.
Durch die Vermeidung von chemischen Kontaminationen entfällt weiterhin eine potentielle Gefährdung der Produktnutzer und/oder Produktkonsumenten.
Insbesondere entfällt die Gefahr bei solchen Produkten, die direkt oder indirekt mit dem Körper des Konsumenten in Berührung (etwa Waschmittel und Kosmetika) kommen, oder die der Konsument im Rahmen seiner Ernährung oder Gesundheitspflege (Lebensmittel und pharmazeutische Produkte) zu sich nimmt.
Durch die Vermeidung von chemischen Kontaminationen entfällt auch der technische, personelle und/oder finanzielle Aufwand zur Nachbereitung bzw. Aufbereitung von chemisch kontaminierten Produkten. Der Einsatz zusätzlicher monetärer, personeller, energetischer und stofflicher Ressourcen kann vorteilhafterweise eingespart werden.
Das erfindungsgemäß rein physikalische Schaummanagement verhindert vorteilhafterweise chemischen Abfall und schützt somit die Umwelt. In der Regel bewirkt die Beigabe von chemischen Substanzen außerdem eine Verringerung bzw. Verlangsamung der Transportphänomene. - Durch den Einsatz von ausschließlich physikalischen Maßnahmen kann das Verfahren vorteilhafterweise mit einem effizienten Transport von Stoff oder thermischer Energie durchgeführt werden. Dadurch wird vorteilhafterweise die Prozessstabilität erhöht, die Prozesszeiten verkürzt, die Ressourceneffizienz gesteigert und Umweltbelastungen vermieden.
Durch die Vermeidung einer Agitation an freien Flüssigkeitsoberflächen durch äußere Kräfte wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhafterweise präventiv auf die Entstehung von Blasen und somit die Bildung von unerwünschtem Schaum.
Eine Blasenbildung kann in der Praxis beispielsweise etwa durch Änderung der Gaslöslichkeit oder aber durch thermische Effekte unter bestimmten, notwendigen Prozessbedingungen nicht vollständig vermieden werden. - Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Vorrichtung und Verfahren inhibiert jedoch die Schaumbildung. Dadurch lassen sich die möglichen Störungen durch unerwünschten Schaum vorteilhafterweise erheblich reduzieren oder gar vollständig vermeiden.
In der betrieblichen Praxis stellt außerdem stabiler Sekundärschaum eine befürchtete Quelle für Prozessstörungen durch unerwünschten Schaum bis hin zum vollständigen Prozessabbruch dar. Dabei kann Sekundärschaum sogar ein vollständiges Fluten einer Anlage mit drastischen technischen und ökonomischen Nachteilen verursachen. - Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Vorrichtung und Verfahren vermeidet die Bildung von Schaum und folglich auch von Sekundärschaum. Dort wo dies nicht vollständig möglich ist, sorgt die erfindungsgemäße Inhibierung der Entstehung von Schaum direkt für eine Reduzierung der Sekundärschaummenge. Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung keine spezifischen Mechanismen der Sekundärschaumbildung angeregt. Somit entfällt vorteilhafterweise die Gefahr der Bildung von stabilem Sekundärschaum.
Bei der Überflutung einer Produktionsanlage durch das Auftreten von unerwünschtem Schaum werden hohe Reinigungskosten und eine hohe Umweltbelastung verursacht. Dabei wiegt die Verunreinigung besonders schwer bei biotechnologischen Prozessen, wie bei der Herstellung von Lebensmitteln, Getränken und Pharmaka, die häufig eine aseptische Produktion erfordern, um die mikrobiologische Produktsicherheit zu gewährleisten. - Gemäß der Erfindung entfällt vorteilhafterweise die Gefahr von hohen Reinigungskosten und hoher Umweltbelastung nach Überflutung.
Im Unterschied zu den thermischen Schaummanagementverfahren erfordert die Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafterweise keinerlei Temperaturerhöhung oder Verringerung der Temperatur des Produktes. Dies reduziert vorteilhafterweise drastisch den Einsatz von Primärenergie, von Investitionen für die thermischen Anlagen zur Schaumbekämpfung und von Umweltbelastungen nebst der damit verbundenen CC -Bepreisung.
Da vorteilhafterweise keine thermische Energie eingesetzt wird, besteht keine Gefahr einer thermischen Produktzersetzung. Dies stellt einen erheblichen Vorteil für thermisch empfindliche, schaumgefährdete Produkte dar, deren Qualität sich ansonsten bis hin zu einem Zustand der völligen Unbrauchbarkeit verschlechtern kann. Weiterhin wird vorteilhafterweise ein Fouling durch thermische bedingte Produktanhaftungen an den Anlagenwandungen vermieden. Dadurch können die folgenden beispielshaften negativen Konsequenzen von Produktanhaftungen vermieden werden: (i) die Verringerung der Wärmeübertragung, (ii) die selbstverstärkende Inhibierung der Wärmeübertragung durch Zunahme der Dicke der Foulingschicht, (iii) höhere thermische Dissipation, (iv) längere Prozesszeiten, (v) die Gefahr von stofflichen Kontaminationen aus der Foulingschicht, (vi) Gefahr der Verstopfung von Strömungselementen durch partikuläre Foulingpartikel und (vii) erhebliche gesteigerter Reinigungsaufwand.
Im Vergleich zu der Schaumzerstörung mit rotierenden Systemen bedarf die erfindungsgemäße Ausgestaltung vorteilhafterweise keiner rotatorischer Energie, die in der Regel von einer motorischen Antriebseinheit bereitgestellt wird. Dabei handelt es sich zumeist um einen Elektro- oder Verbrennungsmotor. Dadurch entfallen zugleich alle ökonomischen, technischen und umwelttechnischen Nachteile, die solche Antriebe mit sich bringen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schaummanagements erfordert vorteilhafterweise keine von außen vorzunehmende Änderung des Prozessdrucks. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil etwa gegenüber einer Vakuumzentrifuge, die mit hohem Energieeinsatz einen Unterdrück aufbaut, oder Düsen, welche die von einer Pumpe bereitgestellte mechanische Energie zu einem erheblichen Anteil zu dissipieren vermögen. Vorteilhafterweise werden daher hohe Einsparungen an Anlageninvestitionen und Energie erzielt.
Im Gegensatz zu bekannten Schaumzerstörungssystemen beispielsweise mit statischen und rotierenden sowie mit akustischen Wellen und Tropfen, die ihre erst beim Vorliegen von Schaum ihre Wirkung entfalten, wirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise präventiv auf die Entstehung von Blasen und somit die Bildung von unerwünschtem Schaum.
Vorteilhafterweise verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren keine akustische Energie. Es werden keine Mechanismen angeregt, die zu einer Lärmbelastung führen könnten. Hieraus ergibt sich nicht nur der Vorteil der Vermeidung von Lärmbelastung, sondern auch des Wegfalls der erforderlichen, zuweilen hohen Energie zur Erzeugung der Schallwellen.
Durch bereits die Verhinderung der Schaumentstehung besteht außerdem vorteilhafterweise keine Wirkungsabhängigkeit von der Schaumtopologie (wie etwa bei der Beregnung mit arteigener Flüssigkeit) oder von der Schaummenge (wie etwa bei akustischen Schaummethoden).
Weiterhin wird vorteilhafterweise trotz einer kompakten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine große Kontaktfläche der Flüssigkeit für eine Reaktion mit einer Gasphase bereitgestellt.
Nach Maßgabe der Erfindung ist das Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeit in einer Vorrichtung, vorzugsweise in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit und ein zweites Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit. Die Vorrichtung kann auch wie oben beschrieben mehrere erste Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit und/oder mehrere zweite Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit umfassen. Das zweite Becken ist in Richtung der Gravitation tiefer angeordnet ist als das erste Becken. Vorzugsweise ist das zweite Becken in Richtung der Gravitation unterhalb des ersten Beckens angeordnet. Das erste Becken ist über zumindest eine Leitungseinrichtung mit dem zweiten Becken verbunden. Das zweite Becken wird dabei über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist. Das zweite Becken kann nur teilweise über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist werden. Vorzugsweise wird zweite Becken vollständig über die Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist.
Die Leitungseinrichtung bildet zumindest einen Kanal aus, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausgebildet wird. Vorzugsweise ist dabei eine ununterbrochene Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausbildbar. Die „ununterbrochene Flüssigkeitsverbindung“ wird dabei insbesondere wie oben beschrieben verstanden.
Die Flüssigkeit wird zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft durch den Kanal in das zweite Becken geleitet. Die Gravitationskraft äußert sich dabei insbesondere in Form der aus der Gravitationskraft auf die Flüssigkeit resultierenden Hangabtriebskraft. Die Zentrifugalkraft entsteht vorzugsweise aufgrund der Drehbewegung der Flüssigkeit.
Die weiteren oben zur erfindungsgemäßen Vorrichtung genannten bevorzugten Merkmale und Vorteile ergeben sich ebenso für das erfindungsgemäßes Verfahren. Die nachfolgenden vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können sowohl mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden. Insbesondere können dabei Vorrichtungsmerkmale auch auf das erfindungsgemäße Verfahren bezogen werden und Verfahrensmerkmale auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung bezogen werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Becken an seinem Boden zumindest einen trichterförmigen Übergangsbogen mit stetiger Krümmung, vorzugsweise mit in Trichterrichtung kontinuierlich steigender Krümmung, auf. Der trichterförmige Übergangsbogen mündet in die Leitungseinrichtung. Unter „trichterförmig“ wird dabei vorzugsweise die Form eines Trichters ohne Trichterhals verstanden. Die Leitungseinrichtung könnte in diesem Zusammenhang auch als der Trichterhals verstanden werden, der zusammen mit dem trichterförmigen Übergangsbogen einen Trichter bildet.
Nach der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Flüssigkeit vom trichterförmigen Übergangsbogen zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft in den Kanal einleitbar. Vorzugsweise bewirkt dabei die Trichterform des Übergangsbogens eine Drehbewegung der Flüssigkeit. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit fortwährend vom trichterförmigen Übergangsbogen zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft in den Kanal einleitbar. Verfahrensmäßig formuliert wird die Flüssigkeit (vorzugsweise fortwährend) vom trichterförmigen Übergangsbogen zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft in den Kanal eingeleitet. Zwischen dem Übergangsbogen und dem Kanal ist ein stetiger Übergang vorgesehen. Vorzugsweise sind dabei die Krümmung des Kanals und die Krümmung des Übergangsbogens aufeinander abgestimmt. Vorzugsweise besteht zwischen dem Übergangsbogen und dem Kanal Krümmungskontinuität. Unter Krümmungskontinuität versteht man vorzugsweise die Parität des Krümmungsradius am Übergang und den daraus resultierenden glatten Krümmungsübergang. Die Flüssigkeit tritt vorzugsweise mit möglichst geringer Impulsänderung aus dem ersten Becken aus und in den Kanal ein. Von Vorteil ist, dass dabei keine oder nur vernachlässigbare Agitationskräfte auftreten. Vorteilhafterweise bilden sich daher keine Blasen und es entsteht kein Schaum.
Vorzugsweise wird die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft durch Krümmung des Übergangsbogens und/oder des Kanals vorgegeben. Vorzugsweise ist die Krümmung des Übergangsbogens und/oder des Kanals so bemessen, dass die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft die auf die Flüssigkeit wirkende Gravitationskraft übertrifft. Vorzugsweise liegt der Betrag der Zentrifugalkraft dabei in einem Bereich zwischen dem Zweifachen und dem Fünfzigfachen, besonders bevorzugt zwischen dem Fünffachen und dem Zehnfachen, des Betrags der Gravitationskraft. Die auf die Flüssigkeit wirkende Zentripetralbeschleunigung liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 20 m/s2 und 500 m/s2, besonders bevorzugt zwischen 50 m/s2 und 100 m/s2. Die Zentrifugalkraft ist dabei die durch die Zentripetralbeschleunigung verursachte Trägheitskraft.
Durch die Ausgestaltung des Übergangsbogens und/oder des Kanals wird vorzugsweise die Gesamtbeschleunigung entlang der Bewegungsbahnen der Flüssigkeit begrenzt, die sich aus der vektoriellen Summe der Zentripetral- und Gravitationsbeschleunigung ergibt. Die Gesamtbeschleunigung nimmt vorzugsweise Werte im Bereich zwischen den Wert der Gravitationsbeschleunigung und dem 51 -fachen der Gravitationsbeschleunigung an, besonders bevorzugt Werte im Bereich zwischen dem Fünffachen und dem 20-fachen der Gravitationsbeschleunigung. Die vorzugsweise Begrenzung der Werte korrespondiert zu einer Begrenzung der Trägheitskräfte. Vorzugsweise kann dadurch verhindert werden, dass es zu einem Aufreißen der Oberfläche und somit zu einem Gaseinschluss und/oder zu einer Entstehung neuer Oberflächen kommt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Krümmung des trichterförmigen Übergangsbogens so bemessen, dass die aus der Gravitationskraft auf die Flüssigkeit resultierende Hangabtriebskraft und die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft beim Einfließen der Flüssigkeit in den trichterförmigen Übergangsbogen begrenzt sind.
Die Flüssigkeit wird durch die Krümmung des trichterförmigen Übergangsbogens vorzugsweise in eine Drehbewegung versetzt. Die Geschwindigkeit dieser Drehbewegung nimmt vorzugsweise kontinuierlich zu, vorzugsweise von einer sehr kleinen Geschwindigkeit im ersten Becken bis hin zu einer rein gravitationsbedingten Fallgeschwindigkeit.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit unter zusätzlicher Einwirkung der durch den Kanal bewirkten Kapillarkraft im Kanal geführt. Vorzugsweise ist dazu die Geometrie des Kanals so angepasst, dass eine Kapillarkraft auf Flüssigkeit wirkt. Vorzugsweise stabilisiert die Kapillarkraft die freie Oberfläche der Flüssigkeit, das heißt die Gas-Flüssigkeits-Oberfläche. Vorteilhafterweise verhindert diese Stabilisierung ein Aufreißen der Oberfläche der Flüssigkeit und somit mögliche Gaseinschlüsse und die daraus entstehende Bildung von Schaum.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Übergangsbogen zumindest abschnittweise in Form einer Klothoide, einer Sinusoide, einer kubischen Parabel, eines s-förmigen Übergangsbogens nach Schramm und/oder eines Blossbogens ausgebildet.
Eine Klothoide ist dadurch eindeutig bestimmt, dass die Krümmung an jeder Stelle der durch die Klothoide beschriebenen Kurve proportional zur Länge ihres Bogens bis zu dieser Stelle ist. Vorzugsweise wird die Krümmung des Übergangsbogens an eine Klothoide angepasst, um eine stetige Krümmung zu erreichen. Der Übergangsbogen ist dabei also der oben genannte Bogen. Dessen Länge beginnt also am noch horizontal verlaufenden Boden des ersten Beckens. Dort ist die Krümmung Null in Übereinstimmung mit dem zu erwartenden bodenparallelen Geschwindigkeitsvektor der Flüssigkeit. Der Übergangsbogen endet dort, wo eine stetige Anpassung der Krümmung an der Geometrie Leitungselements erreicht ist, beispielsweise an eine Innenwand des Leitungselements.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl an ersten Becken, eine Vielzahl an zweiten Becken und eine Mehrzahl an Leitungseinrichtungen. Die Mehrzahl kann dabei der Vielzahl entsprechen oder größer sein. Dabei ist jeweils ein erstes Becken über jeweils eine Leitungseinrichtung mit jeweils einem zweiten Becken verbunden. Das jeweilige zweite Becken wird über die jeweilige Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem jeweiligen ersten Becken gespeist. Das zweite Becken kann dabei nur teilweise über die betreffende Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist werden. Vorzugsweise wird zweite Becken vollständig über die betreffende Leitungseinrichtung mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist.
Die jeweilige Leitungseinrichtung bildet jeweils zumindest einen Kanal aus, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten Becken ausbildbar ist. Vorzugsweise ist dabei eine ununterbrochene Flüssigkeitsverbindung zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten Becken ausbildbar. Die „ununterbrochene Flüssigkeitsverbindung“ wird dabei insbesondere wie oben beschrieben verstanden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Querschnittsverengung für einen Durchtritt der Flüssigkeit vom ersten Becken in die Leitungseinrichtung und/oder in den zumindest einen Kanal vorgesehen. Die Flüssigkeit gelangt durch die Querschnittsverengung vom ersten Becken in die Leitungseinrichtung und/oder in den zumindest einen Kanal. Die Querschnittsverengung weist vorzugsweise die Form eines Spalts auf. Die Breite des Spalts liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 2,5 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,3 mm bis 1 ,5 mm. Die Querschnittsverengung verhindert vorzugsweise einen Aufstieg von Gas aus dem Kanal in die im ersten Becken aufgenommene Flüssigkeit. Somit wird vorteilhafterweise eine Dispersion des Gases aus dem Kanal in der Flüssigkeit verhindert. Vorteilhafterweise kann dadurch also eine Generierung von Gasblasen und/oder eine Bildung von Schaum verhindert werden. Im Sinne der Erfindung kann das Gas genauer gesagt ein Dampf sein.
Weiterhin kann das Gas ein Aerosol sein. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff Gas also eine gasförmige Phase verstanden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zumindest eine Kanal spiralförmig, schraubenförmig und/oder helikal verlaufend ausgebildet. Der Kanal wird im Folgenden als helikaler Kanal bezeichnet. Unter dem Begriff „helikaler Kanal“ wird dabei ein Kanal verstanden, der spiralförmig, schraubenförmig und/oder helikal verläuft.
Der helikale Kanal kann sein Gefälle und/oder seine Krümmung bereichsweise variieren. Vorzugsweise weist der helikale Kanal ein konstantes Gefälle und/oder konstante Krümmung auf.
Der helikale Kanal kann vorzugsweise in der Art eines Außengewindes oder in der Art eines Innengewindes vorgesehen sein.
Der helikale Kanal ist vorzugweise so ausgestaltet, dass sowohl die Flüssigkeit als auch das Gas durch den helikalen Kanal geleitet wird. Die Flüssigkeit kommt also im helikalen Kanal vorzugsweise mit dem Gas in Kontakt. Dabei kann das Gas in Gegenstrom zur Flüssigkeit oder in Gleichstrom zur Flüssigkeit strömen. Dabei kann vorsehen sein, dass das Gas vollständig und/oder ausschließlich durch den helikalen Kanal geleitet wird. Alternativ dazu kann zusätzlich ein radial innenliegender Hohlraum vorgesehen sein. Der radial innenliegende Hohlraum kann zum helikalen Kanal hin zumindest teilweise offen sein. In dieser Ausgestaltung wird das Gas vorzugsweise durch den radial innenliegenden Hohlraum und durch den helikalen Kanal geleitet. Vorzugsweise ist der radial innenliegende Hohlraum zum helikalen Kanal hin offen. Alternativ dazu kann der radial innenliegende Hohlraum vom helikalen Kanal abgetrennt sein.
Vorzugsweise ist der Kanal geometrisch derart ausgestaltet, dass die Zentrifugalkraft aufgrund der im Kanal geführten Bewegung der strömenden Flüssigkeit auf die strömende Flüssigkeit wirkt. Vorzugsweise ist der Kanal geometrisch weiterhin derart ausgestaltet, dass die Flüssigkeit trotz der wirkenden Zentrifugalkraft den Kanal nicht verlassen kann. Die Zentrifugalkraft sorgt vorzugsweise für eine Stabilisierung der freien Flüssigkeitsoberfläche. Insbesondere wird dadurch vorzugsweise eine starke Deformation der freien Flüssigkeitsoberfläche vermieden oder erheblich reduziert. Dadurch werden vorteilhafterweise Lufteinschlüsse vermieden und somit der Schaumbildung vorgebeugt.
Weiterhin ist die Geometrie des Kanals vorzugsweise so angepasst, dass eine Kapillarkraft auf Flüssigkeit wirkt. Vorzugsweise stabilisiert die Kapillarkraft die freie Oberfläche der Flüssigkeit. Es erfolgt vorzugsweise eine möglichst hohe Stabilisierung der Gas-Flüssigkeits-Oberfläche durch die Kapillarkraft. Auch durch das Auftreten der Kapillarkraft kann also eine starke Deformation der freien Flüssigkeitsoberfläche vermieden werden. Vorteilhafterweise werden auch dadurch Lufteinschlüsse vermieden und somit der Schaumbildung vorgebeugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitungseinrichtung ein Hohlbauteil mit helixförmiger Innengeometrie zur Ausbildung zumindest eines helikalen Kanals. In dieser Ausgestaltung ist der helikale Kanal vorzugsweise in der Art eines Innengewindes an einer innenliegenden Oberfläche des Hohlbauteil vorgesehen. Das Hohlbauteil ist vorzugsweise im Wesentlichen zylinderförmig. Insbesondere weist das Hohlbauteil also im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf. Das Hohlbauteil weist insbesondere einen radial innenliegenden Hohlraum auf.
Das Hohlbauteil kann dünnwandig sein, beispielsweise ein Blech. In diesem Fall kann der helikale Kanal durch ein Verformen des dünnwandigen Hohlbauteils hergestellt sein. Alternativ dazu kann das Hohlbauteil eine massive Wandung umfassen. In diesem Fall kann der helikale Kanal durch eine Art Gewindeschneiden an der innenliegenden Oberfläche des Hohlbauteils hergestellt sein.
In dieser Ausgestaltung ist der helikale Kanal vorzugsweise zum radial innenliegenden Hohlraum hin offen. Das Gas wird dabei vorzugsweise durch den radial innenliegenden Hohlraum und durch den helikalen Kanal geleitet. Im helikalen Kanal kommt die Flüssigkeit also vorzugsweise mit dem Gas in Kontakt. Dabei kann das Gas in Gegenstrom zur Flüssigkeit oder in Gleichstrom zur Flüssigkeit strömen.
Das Hohlbauteil ist vorzugsweise statisch angeordnet. Das Hohlbauteil ist also insbesondere nicht drehbar ausgestaltet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitungseinrichtung ein Rohr mit einer darin aufgenommenen Helix. Dabei umfasst die Leitungseinrichtung zumindest einen helikalen Kanal, der zwischen einer Innenwandung des Rohrs und der Helix ausgebildet ist. Das Rohr und die Helix sind vorzugsweise statisch angeordnet. Vorzugsweise sind weder Rohr noch Helix drehbar ausgestaltet.
In dieser Ausgestaltung bildet die Helix den helikalen Kanal vorzugsweise in der Art eines Außengewindes aus.
Die Helix ist genauer gesagt vorzugsweise eine Stabhelix und/oder eine Schneckenschraube. Die Helix kann dabei einen radial innenliegenden Hohlraum aufweisen. Vorzugsweise weist die Helix keinen radial innenliegenden Hohlraum auf. Die Helix umfasst vorzugsweise einen massiven zentralen Stab. Der Stab ist dabei vorzugsweise kein eigenes Bauteil. Vielmehr ist der Stab vorzugsweise durch das zentrale Zusammenkommen der Gewindeläufe ausgebildet.
Die Helix kann rechtsgängig oder linksgängig sein. Die Helix ist vorzugsweise eine einfache Helix, eine Doppelhelix, eine Dreifachhelix oder eine Vierfachhelix. In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen ist die Helix eine 5-fach bis 16-fach Helix.
Die Helix wird dabei vorzugsweise konzentrisch vom Rohr, das vorzugsweise in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet ist, umgeben. Der zumindest eine helikale Kanal ist dabei also einerseits durch die Innenwandung des Rohrs und andererseits durch die Helix begrenzt. Das Rohr sorgt mit seiner Innenwandung vorzugsweise dafür, dass die im helikalen Kanal fließende Flüssigkeit nicht durch die entstehende Zentrifugalkraft aus dem Kanal geschleudert wird. Die Helix, insbesondere ein äußerer Gewindelauf der Helix, ist vorzugsweise fest mit der Innenwandung des Rohrs verbunden. Helix und Rohr sind dabei vorzugsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere sind Helix und Rohr derart miteinander verbunden, dass die Berührlinie von Helix und Rohr keine Lücken aufweist und insbesondere dicht ist. Somit wird vorzugsweise ein dichter helikaler Kanal ausgebildet. Besonders bevorzugt sind Helix und Rohr einstückig hergestellt. Die Innenwandung des Rohrs wird bei hinreichend hoher Zentrifugalkraft vorzugsweise Teil der von der Flüssigkeit benetzten Oberfläche.
Das Rohr und die Helix sind vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre gemeinsame Achse in Richtung der Gravitation ausgerichtet ist. Das Rohr und die Helix sind also vorzugsweise vertikal angeordnet.
Der äußere Gewindelauf der Helix bildet vorzugsweise einen Winkel in einem Bereich von 10° bis 70° mit der Innenwandung des Rohrs. Der helikale Kanal weist entsprechend einen im Wesentlichen V-förmigen und/oder im Wesentlichen L- förmigen Querschnitt auf. Dabei verläuft der durch die Innenwandung des Rohrs gebildete Schenkel vorzugsweise vertikal.
Das Rohr weist vorzugsweise einen Innendurchmesser in einem Bereich von 5 mm bis 50 mm, bevorzugt von 5 mm bis 30 mm, auf.
Der helikale Kanal weist vorzugsweise eine Länge in einem Bereich von 50 mm bis 500 mm, bevorzugt von 100 mm bis 300 mm, auf. Unter der Länge des helikalen Kanals wird dabei die von der Flüssigkeit beim Durchlaufen des helikalen Kanals zurückgelegte Strecke verstanden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Flüssigkeit im helikalen Kanal aufgrund der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft zumindest teilweise an der Innenwandung des Rohrs geführt. Die Flüssigkeit kann dabei auch vollständig an der Innenwandung des Rohrs geführt werden. Weiterhin wird die Flüssigkeit im helikalen Kanal vorzugsweise als laminare Strömung geführt.
Da die Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrängt wird, bleibt vorzugsweise ein radial innenliegender Bereich des helikalen Kanals frei für das strömende Gas. Das Gas wird also vorzugsweise auch im helikalen Kanal geführt. Dabei kann das Gas in Gegenstrom zur Flüssigkeit oder in Gleichstrom zur Flüssigkeit strömen.
Vorzugsweise sorgt die geometrische Ausgestaltung des Kanals dafür, dass die strömende Flüssigkeit zumindest teilweise an der Innenwandung des Rohrs geführt wird. Diese geführte Bewegung sorgt für die Entstehung der Zentrifugalkraft. Die Innenwandung des Rohrs sorgt dabei vorzugsweise auch dafür, dass die Flüssigkeit trotz der Entstehung der Zentrifugalkraft nicht den Kanal verlassen kann.
Im Sinne der Erfindung kann das Gas genauer gesagt ein Dampf sein. Weiterhin kann das Gas ein Aerosol sein. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff „Gas“ also eine gasförmige Phase verstanden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die im Kanal geführte Flüssigkeit mit Gas in Kontakt gebracht. Dabei kann das Gas in Gegenstrom zur Flüssigkeit oder in Gleichstrom zur Flüssigkeit strömen. Es wird vorteilhafterweise eine große Kontaktfläche der Flüssigkeit mit der Gasphase bereitgestellt, ohne eine Dispersion des Gases in die Flüssigkeit vorzunehmen. Vorteilshafterweise wird dadurch die Effizienz des Behandlungs- oder Produktionsverfahrens gesteigert, ohne dass es zu einer Entstehung von Gaseinschlüssen und/oder zu einer Bildung von Schaum kommt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übertrifft die Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die im Kanal geführte Flüssigkeit die übrigen auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte, vorzugsweise deutlich übertrifft. Die Zentrifugalkraft wird in diesem Zusammenhang auch als dominierende Kraft bezeichnet. Dabei werden die Kräfte vorzugsweise als vektorielle Größen mit Betrag und Richtung berücksichtigt. Die übrigen Kräfte können die Gravitationskraft und/oder die Kapillarkraft umfassen. Die übrigen Kräfte umfassen insbesondere die vom Gas auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte, insbesondere Deformationskräfte (Tangential- und Normalkraft), und/oder die Trägheitskraft. Unter einem deutlichen Übertreffen wird vorzugsweise der mindestens doppelte Betrag, besonders bevorzugt der 5 bis 100-fache Betrag, verstanden.
Alternativ dazu kann die Einwirkung eines Verbunds aus der Zentrifugalkraft und der Gravitationskraft auf die im Kanal geführte Flüssigkeit die übrigen auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte übertreffen, vorzugsweise deutlich übertreffen. Die Zentrifugalkraft und die Gravitationskraft werden dabei als dominierende Kräfte bezeichnet. In diesem Fall können die übrigen Kräfte zusätzlich zu den vom Gas auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräften, insbesondere Deformationskräfte (Tangential- und Normalkraft), und/oder zusätzlich zur Trägheitskraft noch die Kapillarkraft umfassen.
Alternativ dazu kann die Einwirkung eines Verbunds aus der Zentrifugalkraft, der Gravitationskraft und der Kapillarkraft auf die im Kanal geführte Flüssigkeit die übrigen auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte übertreffen, vorzugsweise deutlich übertreffen. Die Zentrifugalkraft, die Gravitationskraft und die Kapillarkraft werden dabei entsprechend als dominierende Kräfte bezeichnet. In diesem Fall umfassen übrigen Kräfte die vom Gas auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte, insbesondere Deformationskräfte (Tangential- und Normalkraft), und/oder die Trägheitskraft.
Das Vorsehen einer dominierenden Kraft verhindert vorzugsweise ein Aufbrechen der freien Oberfläche der Flüssigkeit. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Einschluss von Gas, eine Bildung von Blasen und ein Entstehen von Schaum verhindert werden.
Vorzugsweise kann die Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die im Kanal geführte Flüssigkeit eine Entfernung von prozessbedingt gegebenenfalls vorhandenen Gasblasen aus der Flüssigkeit bewirken. Die Zentrifugalkraft bewirkt vorzugsweise eine Blasenmigration entstandener Blasen von der flüssigen Phase hin zur Gasphase. Dadurch kommt es vorteilhafterweise zu einer Phasenseparation mit einer verschwindenden Gefahr der Entstehung von unerwünschtem Schaum.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas derart durch das erste Becken und/oder durch das zweite Becken geführt, dass es nicht in Kontakt mit der darin aufgenommenen Flüssigkeit gelangt. Dazu kann die Leitungseinrichtung zumindest eine das erste Becken vollständig durchgreifende erste Gasleitung und/oder zumindest eine das zweite Becken vollständig durchgreifende zweite Gasleitung aufweisen. Die erste und/oder zweite Gasleitung sind vorzugsweise vertikal, das heißt entlang der Richtung der Gravitation, ausgerichtet. Bei der Ausgestaltung, in der die Leitungseinrichtung das Rohr mit der darin aufgenommenen Helix umfasst, durchgreift das Rohr das erste und/oder zweite Becken und/oder weist das Rohr einen ersten axialen Fortsatz auf, welcher das erste Becken (vorzugsweise vollständig) durchgreift, und/oder einen zweiten axialen Fortsatz auf, welcher das zweite Becken (vorzugsweise vollständig) durchgreift. Der erste axiale Fortsatz und/oder der zweite axiale Fortsatz sind vorzugsweise rohrförmig ausgestaltet. Der erste axiale Fortsatz und/oder der zweite axiale Fortsatz können in ihrem Durchmesser vom Durchmesser des Rohrs abweichen. Insbesondere können der erste axiale Fortsatz und/oder der zweite axiale Fortsatz einen kleineren Durchmesser aufweisen als das Rohr. In dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise ein axial innenliegender Hohlraum im Rohr und/oder im ersten und/oder zweiten axialen Fortsatz des Rohrs ausgebildet, durch den das Gas geleitet wird. Weiterhin wird das Gas vorzugsweise durch den helikalen Kanal geleitet. Dazu mündet vorzugsweise der axial innenliegende Hohlraum in den helikalen Kanal und/oder der helikale Kanal in den axial innenliegenden Hohlraum. Beim Einlass des Gases in das Rohr und/oder in den ersten und/oder in den zweiten axialen Fortsatz und/oder in die Gasleitung besteht vorzugsweise kein Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit. Beim Auslass des Gases aus dem Rohr und/oder aus dem ersten und/oder in den zweiten axialen Fortsatz und/oder aus der Gasleitung besteht vorzugsweise kein Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit. Der Einlass des Gases erfolgt vorzugsweise an einem unteren Ende des Rohrs und/oder des zweiten axialen Fortsatzes und/oder der Gasleitung. Der Auslass des Gases erfolgt vorzugsweise an einem oberen Ende des Rohrs und/oder des ersten axialen Fortsatzes und/oder der Gasleitung.
Das Gas wird vorzugsweise mit einer längenbezogenen Druckdifferenz im Bereich von 2 mbar/m bis 30 mbar/m in das Rohr und/oder in den ersten und/oder in den zweiten axialen Fortsatz und/oder in die Gasleitung eingeleitet. Das Gas wird dabei vorzugsweise in das untere Ende des Rohrs und/oder des zweiten axialen Fortsatzes und/oder des axial innenliegenden Hohlraums und/oder der Gasleitung eingeleitet.
Das Gas durchströmt vorzugsweise die Gasleitung und/oder das Rohr und/oder den durch Rohr und Helix gebildeten helikalen Kanal und/oder den ersten und/oder zweiten axialen Fortsatz mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s bis hin zu 70 m/s, bevorzugt von 1 m/s bis 40 m/s, besonders bevorzugt von 5 m/s bis 20 m/s. Dabei wird bei Dämpfen vorzugsweise eine eher niedrige Geschwindigkeit, das heißt bevorzugt eine Geschwindigkeit von 0,1 m/s bis 5 m/s vorgesehen. Bei Rohgasen wird vorzugsweise eine eher hohe Geschwindigkeit, das heißt bevorzugt eine Geschwindigkeit von 10 m/s bis 70 m/s vorgesehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitungseinrichtung eine Vielzahl von Rohren mit jeweils einer darin aufgenommenen Helix.
Die jeweiligen Rohre mit den jeweils darin aufgenommenen Helizes sind vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre gemeinsame Achse in Richtung der Gravitation ausgerichtet ist. Die jeweiligen Rohre mit den jeweils darin aufgenommenen Helizes sind also vorzugsweise vertikal angeordnet.
Die jeweiligen Rohre mit den jeweils darin aufgenommenen Helizes sind vorzugsweise statisch angeordnet. Vorzugsweise sind weder die Rohre noch die Helizes drehbar ausgestaltet. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite Becken zumindest einen weiteren Übergangsbogen auf. Der weitere Übergangsbogen kann trichterförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der weitere Übergangsbogen als ein umgekehrter Trichter entgegen der Richtung der Gravitation angeordnet sein. Darunter wird vorzugsweise ein auf dem Kopf stehender Trichter verstanden. Unter „trichterförmig“ wird dabei vorzugsweise wieder die Form eines Trichters ohne Trichterhals verstanden. Die Leitungseinrichtung könnte in diesem Zusammenhang auch als der Trichterhals verstanden werden, der zusammen mit dem weiteren Übergangsbogen einen umgekehrten Trichter entgegen der Richtung der Gravitation bildet. Weiterhin kann eine weitere Leitungseinrichtung in diesem Zusammenhang auch als Trichterhals verstanden werden, der zusammen mit dem weiteren Übergangsbogen einen Trichter zum Abführen der Flüssigkeit aus dem zweiten Becken bildet.
Der weitere Übergangsbogen weist vorzugsweise eine in Trichterrichtung kontinuierlich steigende Krümmung auf. Vorzugsweise ist diese kontinuierlich steigende Krümmung also entgegen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgebildet.
Der weitere Übergangsbogen kann an einer oberen und/oder unteren Wandung des zweiten Beckens angeordnet sein. Der weitere Übergangsbogen kann mit der Leitungseinrichtung und/oder dem Kanal verbunden sein. Zwischen dem Kanal und dem weiteren Übergangsbogen kann insbesondere ein stetiger Übergang vorgesehen sein. Insbesondere ist die Krümmung von Kanal und weiterer Übergangsbogen vorzugsweise aufeinander abgestimmt. Es gelten die obigen Erläuterungen im Hinblick auf das Abstimmen der Krümmung. Vorzugsweise tritt die Flüssigkeit mit möglichst geringer Impulsänderung aus Kanal aus und in das zweite Becken ein. Somit herrschen vorteilhafterweise allenfalls vernachlässigbare Agitationskräfte. Es bilden sich vorteilhafterweise keine Blasen und kein Schaum.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet die Leitungseinrichtung einen einzigen Kanal aus, der vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, so dass die Leitungseinrichtung keinen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas ermöglicht.
In dieser Ausgestaltung ist die Leitungseinrichtung vorzugsweise im Wesentlichen trichterförmig ausgestaltet. Die Leitungseinrichtung kann dabei auch einen oder mehrere Rohrabschnitte mit gleichbleibendem Durchmesser umfassen. Vorzugsweise bildet die Leitungseinrichtung in dieser Ausgestaltung einen kontinuierlichen Übergang mit dem trichterförmigen Übergangsbogen aus. Insbesondere bildet die Leitungseinrichtung dabei eine kontinuierliche Verlängerung des trichterförmigen Übergangsbogens. Vorzugsweise ist die Leitungseinrichtung in dieser Ausgestaltung einstückig mit dem trichterförmigen Übergangsbogen hergestellt.
Dabei bewirkt vorzugsweise die Trichterform der Leitungseinrichtung eine Drehbewegung der Flüssigkeit. Dies stellt also eine Fortführung der oben bereits für den trichterförmigen Übergangsbogen beschriebenen Wirkung dar. Vorzugsweise nimmt der Durchströmungsquerschnitt des Übergangsbogens und/oder der Leitungseinrichtung und/oder des Kanals in Gravitationsrichtung ab. Dadurch füllt die Flüssigkeit den gesamten Querschnitt aus.
Vorteilhafterweise wird keine freie Oberfläche ausgebildet. Daher können dort vorteilhafterweise kein Gaseinschluss, keine Blasen und kein Schaum entstehen.
Die Flüssigkeit wird durch die Leitungseinrichtung zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft in das zweite Becken geführt. Die Leitungseinrichtung kann darüber hinaus eine Verjüngung aufweisen. Im Bereich dieser Verjüngung kann zusätzlich eine Kapillarkraft auf die Flüssigkeit einwirken.
Vorzugsweise ist die Leitungseinrichtung in dieser Ausgestaltung derart angeordnet, dass sie in die im zweiten Becken aufgenommene Flüssigkeit eintaucht. Zusätzlich mündet die Leitungseinrichtung vorzugsweise in einen weiteren Übergangsbogen, welcher vorzugsweise in die im zweiten Becken aufgenommene Flüssigkeit eintaucht ist. Der weitere Übergangsbogen ist vorzugsweise wie oben beschrieben trichterförmig ausgestaltet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Leitungseinrichtung 1 bis 20 Kanäle, bevorzugt 1 bis 16 Kanäle, weiter bevorzugt 1 bis 8 Kanäle, besonders bevorzugt 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6 Kanäle. Die Kanäle verlaufen vorzugsweise parallel zueinander und/oder rotationssymmetrisch zueinander angeordnet. Bei mehreren Kanälen spricht man auch von einer mehrgängigen Ausführung. Vorteilhafterweise wird die Kontaktfläche zwischen den Phasen, das heißt zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, durch eine mehrgängige Ausführung der Kanäle, insbesondere der helikalen Kanäle, erhöht.
Die Ganghöhe liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 mm bis 400 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 70 mm bis 200 mm. Im Fall eines oder mehrerer helikaler Kanäle wird die Ganghöhe vorzugsweise als die vertikale Erstreckung einer vollständigen Umdrehung des einen oder der mehreren helikalen Kanäle verstanden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Flüssigkeit eine Funktionsflüssigkeit. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Wasser, Alkohol, Lösungsmittel, Erdöl, Diesel, Schwefelsäure, Quecksilber, Wasserstoffperoxid, Abwasser, Feuerbekämpfungsmittel, Waschmittel, insbesondere Mono- und Diethanolamin, Pflegemittel, Reinigungsmittel, Flüssigkeiten der chemischen Industrie, Flüssigkeiten der Pharmaindustrie, Flüssigkeiten der Lebensmittelindustrie, Flüssigkeiten der Getränkeindustrie, Flüssigkeiten aus der Herstellung von nachhaltigen Energieträgern, und Mischungen davon besteht.
Je nach Verwendungszweck handelt es sich um polare oder unpolare Flüssigkeiten. Die Dichte der Flüssigkeit liegt bevorzugt zwischen 700 kg/m3 und 13600 kg/m3, besonders bevorzugt zwischen 850 kg/m3 und 1500 kg/m3. Die dynamische Viskosität der Flüssigkeit liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 500 mPas, besonders bevorzugt zwischen 1 und 50 mPas. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit liegt vorzugsweise zwischen 15 mN/m und 500 mN/m, besonders bevorzugt zwischen 30 und 100 mN/m.
Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,001 m/s bis 25 m/s, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,1 m/s bis 10 m/s. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit kann sich dabei lokal deutlich unterscheiden. Vorzugsweise wird die aus dem zweiten Becken abfließende Flüssigkeit teilweise wieder in das erste Becken zurückgeführt.
Im Sinne der Erfindung kann das Gas genauer gesagt ein Dampf sein. Weiterhin kann das Gas ein Aerosol sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gas ein Funktionsgas, ein Dampf und/oder ein Funktionsdampf. Das Gas ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Luft, Wasserdampf, Alkoholdampf, Abgas, Verbrennungsabgas, Rauchgas, Erdgas, Biogas, Klärgas, Silane und korrosive Gase, insbesondere HCl und Amine, aus saurem Gas, insbesondere Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid, und aus Mischungen davon besteht.
Nichtabschließende Beispiele für die Behandlung einer Flüssigkeit mit einem Gas in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder durch das erfindungsgemäße Verfahren sind:
• Die Absorption von im Rauchgas enthaltenem Schwefeldioxid und die Gewinnung von Schwefelsäure.
• Die Rektifikation von Alkoholen, wobei die beiden Phasen durch Alkoholdampf und kondensierten Alkohol gebildet werden.
• Die Abscheidung von Quecksilber aus Verbrennungsabgasen.
• Die reakive Aminwäsche, das heißt das Abtrennen von sauren Gasen, insbesondere Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid, aus Erdgas und Biogas meistens durch Mono- und Diethanolamin als Waschmittel.
• Das Entfernen von Silanen und korrosiven Gasen wie HCl oder Amine mit einem Gaswäscher. Die oxidierende Gaswäsche von Klärgasen mit Wasserstoffperoxid.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die vorzugsweise als Kolonne ausgestaltete Vorrichtung eine erste Glocke und eine zweite Glocke. Das Gas wird mittels der ersten Glocke im ersten Becken und mittels der zweiten Glocke im zweiten Becken in die Flüssigkeit eingebracht. Die Vorrichtung kann auch mehrere erste Glocken und/oder mehrere zweite Glocken umfassen. Dies ist vorzugsweise bei einer Ausgestaltung Vorrichtung mit mehreren ersten Becken und/oder mehreren zweiten Becken der Fall. Vorzugsweise kooperiert dabei jeweils eine erste Glocke mit einem ersten Becken und/oder kooperiert dabei jeweils eine zweite Glocke mit einem zweiten Becken. Weiterhin können auch mehrere erste Glocken für ein erstes Becken und mehrere zweite Glocken für ein zweites Becken vorgesehen sein.
Das Gas wird vorzugsweise jeweils derart in die Flüssigkeit eingebracht, dass das Gas in der Flüssigkeit gelöst ist und/oder feindispergiert in der Flüssigkeit vorliegt. Dabei bedeutet feindispergiert vorzugsweise die Dispersion von Gas in der Flüssigkeit in Form von Blasen mit einer Größe im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 2 mm. Die Volumenkonzentration des feindispergierten Gases liegt an der Oberfläche der Flüssigkeit vorzugsweise bei 0,52 - 0,95. Als Volumenkonzentration wird dabei das Verhältnis des Volumens des Gases zum Gesamtvolumen bezeichnet. Die Volumenkonzentration nimmt mit dem Abstand von der Oberfläche der Flüssigkeit ab. Die Volumenkonzentration des feindispergierten Gases liegt im Inneren der Flüssigkeit vorzugsweise bei 0,01 - 0,20, besonders bevorzugt bei 0,01 bis 0,10. Vorzugsweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auf die soeben beschriebene erste Glocke und zweite Glocke verzichtet. Insbesondere soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeglicher Dispersionsvorgang vermieden werden. Dadurch wird vorteilhafterweise der Bildung von Schaum vorgebeugt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind daher nicht einschränkend zu verstehen. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5 schematische Darstellungen einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung (a) und einer zweiten Ausgestaltung (b), Fig. 6 schematische Darstellungen zu Abwandlungen der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 7 schematische Darstellungen zu einer weiteren Abwandlung der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kanals zur Definition des vom erfindungsgemäßen Kanal gebildeten Winkels,
Fig. 9 eine Auftragung des Druckabfalls gegenüber dem Gasbeladungsfaktor für unterschiedliche Winkel,
Fig. 10 eine Auftragung des Druckabfalls gegenüber dem Gasbeladungsfaktor für unterschiedliche Anzahlen an Kanalgängen.
Gemäß der Erfindung werden die von unerwünschten, fließfähigen Schäumen verursachten vielfältigen technischen Probleme bei Behandlungs- und Herstellungsprozessen in technischen Anlagen und bei den damit verbundenen Produkten nicht ausschließlich dadurch gelöst, dass die Entstehung von Blasen und damit Schaum rein physikalisch präventiv verhindert oder zumindest inhibiert wird. Um die rein physikalische Prävention der Blasenentstehung technisch umzusetzen, bedarf es erfindungsgemäß eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die - unter Wahrung oder gar Verbesserung der originären Prozess- und Produktziele - die Agitation der freien Flüssigkeit-Gas- Oberflächen in zur Zielerfüllung des Prozesses spezifisch notwendigen Fließprozessen soweit kontrollieren, dass es zu keinem Einschluss vom Gas in der Flüssigkeit kommt. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass a) jede Agitationsanregung gezielt vermieden oder zumindest auf einem möglichst kleinen Niveau gehalten wird und b) zugleich dem Fließprozess zumindest eine einzige Kraft oder aber ein Verbund von synergetisch Kräften gegen die Agitation der freien Oberfläche so wirkt, dass alle anderen an der freien Oberfläche angreifenden Kräfte dominiert werden und daher die agitatorische Wirkung der anderen Kräfte reduziert oder gar vollständig eliminiert.
Bei den zur Vermeidung von Gaseinschlüssen zu kontrollierenden Kräften geht es um Trägheits-, Druck-, Zentrifugal-, fließbedingte Tangential-ZNormal-, Massen- und Kapillarkräfte sowie gegebenenfalls um akustisch induzierte Kräfte.
Zur Umsetzung des obigen Aufzählungspunkts a) gehört es zu der erfindungsgemäßen Ausgestaltung von Verfahren und Vorrichtung, Änderungen des Impulses des fließenden Zweiphasensystems präventiv möglichst klein zu halten oder gar vollständig zu unterbinden, da eine Impulsänderung stets Kräfte erzeugt. Dies vermeidet vorteilhafterweise Agitationsanregungen.
Als nichtausschließliche Beispiele für zu vermeidende Impulsänderungen seien erwähnt etwa die plötzliche Änderung der Größe und der Richtung der Geschwindigkeit eines fließenden Zweiphasensystems durch Anlageneinbauten, das gravitationsangetriebene Ausfließen aus einer Flüssigkeitsansammlung in der Behandlungs- oder Produktionsanlage oder aber das Tropfen von fallender Flüssigkeit auf eine freie Flüssigkeitsoberfläche.
Um dies zu illustrieren, zeigt Fig. 1 eine typische Kolonnenanlage nach dem Stand der Technik. Solche Kolonnenanlagen werden in der Regel stationär betrieben, so dass die Massenströme von den zur Erfüllung der Funktion notwendigen Gasen und Flüssigkeiten konstante Werte annehmen. Die Aufgabe der Kolonne besteht darin, Flüssigkeit (4) und Gas (1 ) unter Bildung einer freien kontinuierlichen Oberfläche oder dispergierten Oberfläche (feindisperse Blasen) so zu führen, dass eine konkrete Behandlung (z.B. Gaswäsche oder thermische Behandlung) oder die Produktion eines bestimmten Produktes (z.B. Feinchemikalie) stattfinden kann. An der freien Oberfläche können beide Phasen nach Stand der Technik in Gleich- oder Gegenstrom geführt werden.
Bei der als Beispiel in Fig. 1 gezeigten Gegenstromanlage erzeugt der Impulsaustausch von beiden Phasen an der Oberfläche eine weitere, wichtige Quelle für Kräfte, welche die Oberfläche agitieren können. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Verfahren und Vorrichtung kontrolliert hingegen die damit verbundene Gefahr der Bildung von Gaseinschlüssen und somit von Schäumen.
Wie Fig. 1 illustriert, wird bei einer typischen Kolonne nach Stand der Technik die Flüssigkeit (4) auf dem Kolonnenboden (5) (Boden des ersten Beckens) gesammelt. An der Oberfläche der angesammelten Flüssigkeit (4a) stehen Gas (1 ) und Flüssigkeit (4) in Kontakt, so dass es dort zu Transportphänomenen zwischen den Phasen kommt, worauf der Behandlungs- oder Produktionsprozess beruht. Allerdings geschehen die Transportphänomene dort nur langsam aufgrund der relativ kleinen Kontaktfläche. Mit Hilfe einer sogenannten Glocke (13) wird daher der Gasstrom (2) so umgeleitet, dass er funktionelle feindisperse Blasen (4b) erzeugt, die eine große Oberfläche bieten, um die Transportprozesse zwischen Gas und Flüssigkeit zu beschleunigen. Dies erfordert allerdings eine hohe mechanische Energie (Druckenergie und kinetische Energie), welche in der betrieblichen Praxis in der Regel durch eine rotierenden Turbomaschine bereitgestellt wird.
Erreicht der Flüssigkeitstand in Fig. 1 eine Höhe oberhalb derer des Zuflusses der Weiterleitungskomponente (16), so fließt die Flüssigkeit in Gravitationsrichtung und fällt auf die sich darunter befindliche Flüssigkeitsansammlung im sich darunter befindlichen Boden (zweites Becken). Dabei entstehen durch Änderung des Impulses in dem dabei stattfindenden Fließprozess (Strömung) Kräfte, die eine hohe Gefahr für Gaseinschluss und somit für die Bildung von unerwünschten Schäumen mit sich bringen. Beim Zufluss (16a) der Flüssigkeit (4) zur Weiterleitungskomponente (16) ändert sich die Geschwindigkeit von kleinen Werten in der Umgebung der Glocke (13) bis hin zu einer plötzlichen Erhöhung zufolge der Gravitation. Dabei ändert die Geschwindigkeit auch ihre Richtung. Beides erzeugt hohe Kräfte, welche die Flüssigkeitsoberfläche (17a) aufreißen und zur Blasenbildung führen.
Zur Veranschaulichung der Lösung dieses Problems zeigt Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung. Zweckmäßig bleibt in dieser Ausführung die funktionelle, feindisperse Gasverteilung an der Glocke (13) gegenüber dem Stand der Technik unverändert. Mit Bezug auf die Änderung von Größe und Richtung der Geschwindigkeit sieht das erfindungsgemäße Verfahren zunächst vor, dass der Zufluss (6a) zu der Leitungseinrichtung (6) nicht an der Gas- Flüssigkeit-Oberfläche angrenzt, sondern bündig mit der Höhe des Kolonnenbodens (5) beginnt. Dies verringert die Gefahr des Gaseinschlusses erheblich. Darüber hinaus leitet ein Übergangsbogen (7a) der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung die in der Nähe der Glocke (13) mit kleiner, horizontaler Geschwindigkeit fließender Flüssigkeit (6a) zu der von der Gravitation beschleunigten Flüssigkeit am Zufluss der Leitungseinrichtung (6) sanft (ohne Ruck bzw. ohne signifikante Impulsänderung) und somit ohne Entstehung von großer Agitation durch Kräfte weiter. Erfindungsgemäß geschieht dies durch Formgebung des Übergangsbogen (7a) in der Weise, dass sich dessen Krümmung an jeder Stelle der Bogentrajektorie ändert und somit die Änderung der (in guter Näherung) beschleunigungsfreien, horizontalen Flüssigkeitsbewegung in der Nähe der Glocke bis zu der sich mit der Erdbeschleunigung bewegenden Flüssigkeit am Zufluss (6a) der Leitungseinrichtung (6) mit geringer Agitation umsetzt. Als bevorzugte Formung des Übergangsbogens sieht die Erfindung vor, eine Klothoide zu verwenden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Geometrie der Kolonne und deren Einbauten lassen sich als alternative Formen des Übergangsbogens (7a) die Sinusoide, die kubische Parabel, der s-förmiger Übergangsbogen nach Schramm oder der Blossbogen verwenden.
Wie Fig. 1 für eine typische Kolonnenanlage nach Stand der Technik illustriert, wird in der Weiterleitungskomponente (16) die Flüssigkeit durch die Gravitation mit entsprechender Impulsänderung beschleunigt. Bei der in Fig. 1 gezeigten senkrechten Anordnung einer Weiterleitungskomponente (16) mit konstantem Durchströmungsquerschnitt sorgen die dabei entstehenden Kräfte dafür, dass die Flüssigkeit (17b) nicht den gesamten Querschnitt auszufüllen vermag und an der Wand „mäandert“. Das Gas füllt daher den Restquerschnitt mit entsprechender Blasenbildung. Die Erfindung löst auch dieses Problem wie folgt: Bei der in Fig. 2 gezeigten ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung sorgt der Übergangsbogen (7a) dafür, dass sich der Durchströmungsquerschnitt in Gravitationsrichtung verengt. In diesem Fall füllt die Flüssigkeit den gesamten Querschnitt aus, wodurch keine freie Oberfläche ausgebildet werden kann und dadurch auch kein Gaseinschluss entstehen kann.
Bei der in Fig. 1 gezeigten typischen Prozessführung nach Stand der Technik, tropft die Flüssigkeit aus der Weiterleitungskomponente (16). Die zum Teil mit Bläschen durchsetzten, frei fallenden Tropfen agitieren die Oberfläche (17c) durch den Impulsaustausch beim Auftreffen auf die sich darunter befindliche Flüssigkeitsansammlung. Dies führt zu einer Anhäufung von störendem Schaum (18), welche i. die Transportprozesse an der freien Oberfläche und somit die Funktion der Anlage stark beeinträchtigt und ii. die Gasräume in der Anlage soweit überfluten kann, dass der Behandlungs- oder Produktionsprozess beeinträchtigt werden kann oder gar mit enormen technischen, energetischen, umwelttechnologischen und ökonomischen Folgen abgebrochen werden muss.
Wie Abbildung 2 demonstriert, löst die Erfindung auch dieses Problem dadurch, dass es an der Leitungseinrichtung (6) zu keiner Tropfenbildung kommt. Vielmehr tritt die Flüssigkeit erfindungsgemäß unterhalb der freien Oberflächen (4a) aus, wodurch sich die Gefahr des Gaseinschlusses stark reduziert. Dabei setzt der am Abfluss angeordnete, zur ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörende weitere Übergangsbogen (7b) diese Gefahr dadurch noch einmal herab, dass er die in der Leitungseinrichtung (6) im Wesentlichen senkrecht fließende Flüssigkeit ohne ruckhafte Änderungen und somit mit geringen Bahn- kräften in die waagerechte Richtung umlenkt. Nicht zuletzt trennt der weitere Übergangsbogen (7b) den Abflussprozess aus der Leitungseinrichtung (6) von der freien Oberfläche (4a) im zweiten Becken so weit ab, dass nur eine in ihrer Größe vernachlässigbare Agitation angeregt wird.
In Fig. 1 für eine Kolonnenanlage nach Stand der Technik und in Fig. 2 für eine mögliche Ausführung der Erfindung zeichnet sich im Bereich um die Glocke (13) das weitere Problem ab, dass mit der funktionell notwendigen Erzeugung der feindispersen Blasen (4b) auch dort große Mengen an unerwünschtem Schaum mit den bereits erwähnten, enormen technischen, energetischen, umwelttechnologischen und ökonomischen Folgen entstehen können.
Die in Fig. 3 gezeigte zweite erfindungsgemäße Vorrichtung löst dieses Problem dadurch, dass sie
• die angesammelte Flüssigkeit mit einem Übergangsbogen (7a) zur Leitungseinrichtung (6) so führt, dass dies mit möglichst kleiner Änderung des Impulses und somit mit der Entstehung möglichst geringer Kräfte geschieht.
• eine Verfahrensgestaltung vorsieht, bei der das aus der Leitungseinrichtung (6) austretende Gas (3) nicht durch eine Flüssigkeitsansammlung fließt, was der Prävention von unerwünschten Schäumen dient.
• ohne Dispersion der Gasphase in der Flüssigkeit für eine große Kontaktfläche in der Leitungseinrichtung (6) sorgt.
• sowohl den Gas- (1 , 2, 3) als auch den Flüssigkeitstransport (6a) unabhängig eines Betriebes in Gleich- oder Gegenstrom entlang eigener Bewegungstrajektorien kanalisiert.
• in der Strömungstrajektorie der Flüssigkeit am Zufluss (6a) eine Querschnittsverengung (6b) vorsieht, die den Auftrieb des Gases (2) durch die entgegenfließende flüssige Phase verhindert, ohne dass dabei eine Dispersion des Gases erfolgt, was die Generierung von Blasen bzw. von unerwünschtem Schaum verhindert.
• Geometrien für den Kanal (6c) einsetzt, bei denen die Kapillarkräfte eine möglichst hohe Stabilisierung der Gas-Flüssigkeits-Oberfläche bewirken.
• durch die helikal verlaufenden Kanäle (6c) die Beschleunigung der Flüssigkeit in Gravitationsrichtung so kontrolliert, dass es zu keinem Aufreißen der Oberfläche und somit zu keinem GaseinschlussZ-entstehung neuer Oberflächen kommt.
• der Flüssigkeit eine einzelne Kraft oder aber einen Verbund bezüglich Schaumprävention/inhibierung synergetisch wirkender Kräfte aufprägt, die alle anderen an der Oberfläche angreifenden Agitationskräfte dominieren.
• in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der Zentrifugalkraft oder einem Verbund aus Zentrifugal- und Gravitationskraft sowie kapillaren Kräften die Rolle der dominierenden Kraft zuweist.
• dabei die Zentrifugalkraft, aber auch die Kapillarkräfte mit kleiner werdenden charakteristischen Abmessungen der Vorrichtung zunimmt, wodurch der besondere Vorteil entsteht, dass sich zugleich zur Erfüllung der Aufgaben von Verfahren und Vorrichtung notwendigen, großen Oberflächen und eine hohe, rein physikalische Schauminhibierung und -p vention vorteilhaft realisieren lassen.
• dabei insbesondere sicherstellt, dass die dominierende Kraft deutlich höhere Werte annimmt als die Kräfte, die von der im Gleich-ZGegenstrom strömenden Luft an der freien Oberfläche induziert, wodurch es zu keinem Gaseinschluss kommt.
• überdies so wirkt, dass bei unvermeidbarer Gasblasenentstehung durch prozessbedingte, lokale Überschreitung des Siedepunktes, Änderung der Gaslöslichkeit oder (bio-)chemischen Reaktionen, die Zentrifugalkraftverteilung eine Blasenmigration der entstandenen Blasen von der flüssigen Phase hin zur Gasphase erzwingt, wodurch es zur Phasenseparation mit verschwindender Gefahr der Entstehung von unerwünschtem Schaum kommt.
• sowohl die Kanalisierung, die Kontrolle der Beschleunigungseffekte in Gravitationsrichtung und die Phasentrennung, als auch die Aufprägung der dominierenden Kraft mit Hilfe der helikal verlaufenden Kanäle (6c) umsetzt.
• die aus den helikal verlaufenden Kanälen (6c) austretende Flüssigkeit mit Hilfe eines weiteren Übergangsbogens (7b) mit möglichst geringer Impulsänderung und somit vernachlässigbaren Agitationskräften erfolgt.
Fig. 3 zeigt zudem einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Übergangsbereich vom Übergangsbogen (7a) zur Leitungseinrichtung (6). Dabei deuten die Pfeile schematisch perspektivisch die Hauptbewegungsrichtung der in den helikal verlaufenden Kanälen (6c) geführten Flüssigkeit an.
Fig. 4 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung, die ebenfalls helikal verlaufende Kanäle (6c) aufweist. Diese Figur veranschaulicht die Flüssigkeitsansammlung (4) auf dem unteren Sammelboden (5b) (Boden des zweiten Beckens) sowie den oberen Sammelboden (5a) (Boden des ersten Beckens). Letzterer bildet zugleich die Form des erfindungsgemäßen Übergangsbogens (7a) aus. Erfindungsgemäß kommt das Gas bzw. der Dampf weder an der Zuströmungsstelle (1) noch an der Auströmungsstelle (3) der Leitungseinrichtung (6) mit der Flüssigkeit (4) in Berührung, wodurch der erfindungsgemäßen Prävention der Schaumbildung in besonderer Form Rechnung getragen wird. In vergleichbar präventiver Form wirken der Übergangsbogen (7a) und der weitere Übergangsbogen (7b). Die Querschnittsverengung (6b) sorgt dafür, dass Flüssigkeit in die Leitungseinrichtung (6) ohne Gaseinschluss und daher ohne unerwünschte Schaumbildung eintritt. Bei der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Leitungseinrichtung (6) ein Rohr mit einer darin aufgenommenen Helix. Die Leitungseinrichtung (6) bildet damit im Sinne eines Außengewindes kapillarmechanisch stabilisierte helikale Kanäle (6c) aus. Die Flüssigkeit (4) folgt in einer von der Gravitation bedingten, kontrollierten Abwärtsbewegung den helikalen Kanälen (6c). Dies vermeidet einerseits abrupte Änderungen des Impulsflusses, agitierende Kräfte an der Flüssigkeitsoberfläche und somit die Entstehung von Gaseinschlüssen. Anderseits induzieren die helikalen Kanäle (6c) erfindungsgemäß eine Rotation (Drehbewegung) der Flüssigkeit und somit eine starke Zentrifugalkraft, die schon für sich oder in Verbund mit anderen gegen einen Gaseinschluss synergetisch wirkenden Kräfte alle anderen Kräfte an der freien Oberfläche dominiert.
Die nach unten gerichteten Pfeile deuten schematisch perspektivisch die Hauptbewegungsrichtung der in den helikalen Kanälen (6c) geführten Flüssigkeit an. Die nach oben gerichteten Pfeile deuten schematisch perspektivisch die Richtung der Gasströmung (2) in den helikalen Kanälen (6c) an. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist also das Gas im Gegenstrom zur Flüssigkeit geführt.
Die in Fig. 4 als Beispiel für die Ausführung der Erfindung gezeigte Leitungseinrichtung (6) weist eine Spirale (Helix) mit nur einem Gang auf. In Anlehnung an Außengewinde können alternativ auch mehrgängige Spirale (Helizes) vorgesehen werden. Dazu zeigt Fig. 6 kapillarmechanisch stabilisierte helikale Kanäle mit kleiner Gangzahl (linke Abbildung) und mit hoher Gangzahl (rechte Abbildung). Das Vorsehen von mehreren helikalen Kanälen stellt eine Möglichkeit dar, die Phasenkontaktfläche zwischen der in den helikalen Kanälen geführten Flüssigkeit und dem Gas stark zu erhöhen. Beides führt vorteilhafterweise dazu, die Effizienz des Behandlungs- oder Produktionsprozesses zu steigern, ohne dass es zu einer Entstehung von
Gaseinschlüssen und von unerwünschtem Schaum kommt.
Die an der Oberfläche angrenzende Gasphase haftet an der Flüssigkeit und wird daher in Rotation versetzt. Vorteilhafterweise werden der Stoff- und Energietransport durch die aufgrund der helikalen Kanäle bewirkten Rotation erhöht. Diese Rotationseffekte werden vorteilhafterweise zur Prävention und/oder Inhibierung der Schaumentstehung eingesetzt. Insbesondere wird die aufgrund der helikalen Kanäle bewirkte Rotation erfindungsgemäß als Grundlage des Schaummanagements eingesetzt.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung wird die Helix von der Innenwandung (8) des Rohrs umrandet. Die Innenwandung (8) bildet dabei zusammen mit der Helix den helikalen Kanal (6c) aus und stützt die rotierende Flüssigkeit (4) während Transports helikalen Kanal (6c). Da die Flüssigkeit (4) durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrängt wird, bleibt der innere Kanalbereich frei für die strömende Gasphase (2). Dies stellt die korrekte Funktionsfähigkeit des helikalen Kanals (6c) sowohl für den Fall eines Verfahrens in Gegenstrom als auch in Gleichstrom sicher. Vorteilhafterweise lässt sich darüber hinaus die Kontaktfläche zwischen den Phasen durch eine mehrgängige Ausführung der Spiralkanäle erhöhen.
Die vierte erfindungsgemäße Vorrichtung verzichtet auf den Einsatz einer innenliegenden Helix. Stattdessen verlaufen die helikalen Kanäle in einer Wandung im Sinne eines Innengewindes (Ausgestaltung (a)) oder eines dünnwandigen, in helikalen Form gepressten bzw. durch additive Fertigung und dergleichen hergestellten Werkstückes (Ausgestaltung (b)), wie sie bereits in Fig. 3 als kapillarmechanisch stabilisierte Kanäle (6c) dargestellt sind. Gemäß der Erfindung bieten Leitungseinrichtungen (6) gemäß den Figuren 2, 3, 4 und 5 bei festgelegtem Behandlungs- oder Produktionsziel durch Wahl des Formparameters der Übergangsbögen, der Geometrie der Weiterführungskomponente (6), der Führung der Strömung beider Phasen in der Weiterführungskomponente (6) sowie von Durchmesser, Ganghöhe und Gangzahl der helikalen Kanäle breitgefächerte Möglichkeiten einer Anpassung an den Prozessverlauf ohne Gefahr der Schaumentstehung.
Wie bereits Fig. 3 gezeigt, lassen sich die Weiterführungskomponente (6) parallel anordnen. Fig. 7 illustriert eine Abwandlung der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer parallelen Anordnung, die sich durch eine hohe Packungsdichte auszeichnet. Überdies eignet sich die Abwandlung mit ihrer parallelen Anordnung vorzüglich, um den Behandlungs- oder Produktionsprozess mit einer aus austauschbaren Modulen bestehenden Vorrichtung durchzuführen, die sich zugleich auch kostengünstig herstellen und warten lassen. Durch die parallele Anordnung in Modulbauweise lässt sich
• die prozessentscheidende Kontaktfläche zwischen den Phasen stark erhöhen, um eine hohe Ressourcen- und Prozesseffizienz zu erreichen.
• der Behandlungs- bzw. Herstellungsprozess leicht skalieren, ohne dass das Prozessfenster durch erwünschten Schaum beschränkt wird.
• sowohl der Volumenstrom der gasförmigen als auch der flüssigen Phase so anpassen, dass eine große Variation der Behandlungs- bzw. Produktionsziele abgedeckt werden kann.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung des bei der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildeten helikalen Kanals. Fig. 8 dient zur Definition des von der Helix und der Innenwandung (8) des Rohrs gebildeten Winkels. Dieser Winkel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 70°. In den gezeigten Beispielen liegt dieser Winkel bei 50°.
Nachfolgend werden die eingangs als Stand der Technik beschriebenen strukturierten Kolonnenpackungen zum Vergleich mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung herangezogen.
Erfindungsgemäße Module aus parallelen Leitungseinrichtungen (6) (siehe Figuren 3, 4, 5 und 6) weisen im Vergleich zu strukturierten Kolonnenpackungen nach Stand der Technik nicht nur bezüglich des Schaummanagements weitere Vorteile auf. Die Figuren 9 und 10 illustrieren beispielshaft anhand von Messdaten, dass die Erfindung eine überaus starke Erweiterung des Prozessfensters ermöglicht.
Die Figuren 9 und 10 verwenden eine in der Praxis zur Auslegung von Kolonnen übliche Auftragung des Druckabfalls über den Gasbeladungsfaktor F. Letzterer berechnet sich aus der auf den leeren Querschnitt bezogenen Gasgeschwindigkeit in m/s multipliziert mit der Wurzel der Gasdichte in kg/m3. Diesen Messungen liegt eine ebenfalls in üblicher Praxiseinheit angegebene konstante Flüssigkeitsbeladung x = 50 m3/(m2/h) zugrunde.
Die Figuren 9 und 10 zeigen zusätzlich zu Daten für eine strukturierte Kolonnenpackung nach Stand der Technik Messungen für die erfindungsgemäße Ausführung von Verfahren und Vorrichtung. Tabelle 1 fasst bevorzugte, nicht ausschließliche geometrische Parameter der helikalen Kanäle zusammen. Parameter Ausführung
Gasbelastung [Pa05] 0 - 4
Gangzahl 4, 8, 12
Ganghöhe [mm] 200
Spiralaußendurchmesser [mm] 19
Höhe Packungselement [mm] 200
Öffnungswinkel 10°, 50°, 70°
Tabelle 1
Die folgenden Tabellen 2 und 3 geben die in den Figuren 9 bzw. 10 aufgetragenen Daten wieder.
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Tabelle 3
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Tabelle 2
Im Vergleich zu dem engen Prozessfenster für die strukturierte Kolonnenpackung nach Stand der Technik bieten die verschiedenen Ausführungen der Erfindung die Möglichkeit, Behandlungs- und Produktionsprozesse in einem weiten Bereich von Druckabfall und F-Faktor auszulegen. Somit meidet die Erfindung als besondere Vorteile nicht nur sämtliche technischen, energetischen, umwelttechnologischen und finanziellen Risiken aus dem Stand der Technik, sondern stellt überdies einen deutlichen Gewinn bezüglich der Anwendungsfelder sowie der Prozessstabilität und Prozesssicherheit dar.
Bezugszeichenliste
1 Gas (Zuströmung)
2 Gasstrom
3 Gas (Auströmung)
4 Flüssigkeit
4a Flüssigkeitsoberfläche
4b feindisperse Blasen
5 Kolonnenboden
5a Oberer Sammelboden (Boden des ersten Beckens)
5b Unterer Sammelboden (Boden des zweiten Beckens)
6 Leitungseinrichtung
6a Zufluss
6b Querschnittsverengung
6c helikaler Kanal
7a Übergangsbogen
7b weiterer Übergangsbogen
8 Innenwandung des Rohrs
9 helikale Kanäle in der Wandung der Leitungseinrichtung im Sinne eines Innengewindes
10 durch Pressung eines dünnwandigen Werkstückes, Additive Fertigung und dergleichen hergestellte helikale Kanäle
11 Modul aus mehreren Leitungseinrichtungen
12a Kapillarmechanisch stabilisierte helikale Kanäle mit kleiner Gangzahl zur Führung der rotierenden flüssigen Phase 12b Kapillarmechanisch stabilisierte helikale Kanäle mit hoher Gangzahl zur Führung der rotierenden flüssigen Phase
13 Glocke
16 Weiterleitungskomponente (Stand der Technik) 17a Agitationsanregung durch Änderung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit zur
Weiterleitungskomponente (Stand der Technik)
17b Agitationsanregung durch freien Fall der Flüssigkeit in der Weiterleitungskomponente (Stand der Technik)
17c Agitationsanregung durch frei fallende Tropfen auf die Flüssigkeitsoberfläche (Stand der Technik)
18 Schaum (Stand der Technik)

Claims

1 . Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeit, umfassend ein erstes Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit und ein zweites Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit, wobei das zweite Becken in Richtung der Gravitation tiefer angeordnet ist als das erste Becken, wobei das erste Becken über zumindest eine Leitungseinrichtung (6) mit dem zweiten Becken verbunden ist, wobei das zweite Becken über die Leitungseinrichtung (6) mit Flüssigkeit aus dem ersten Becken gespeist wird, wobei die Leitungseinrichtung (6) zumindest einen Kanal ausbildet, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausbildbar ist, und wobei die Flüssigkeit zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft durch den Kanal in das zweite Becken leitbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das erste Becken an seinem Boden zumindest einen trichterförmigen Übergangsbogen mit stetiger Krümmung aufweist, wobei der trichterförmige Übergangsbogen (7a) in die Leitungseinrichtung (6) mündet, wobei Flüssigkeit vom trichterförmigen Übergangsbogen (7a) zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft in den Kanal einleitbar ist, wobei ein stetiger Übergang zwischen dem Übergangsbogen (7a) und dem Kanal vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Krümmung des trichterförmigen Übergangsbogens (7a) so bemessen ist, dass die aus der Gravitationskraft auf die Flüssigkeit resultierende Hangabtriebskraft und die auf die Flüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft beim Einfließen der Flüssigkeit in den trichterförmigen Übergangsbogen (7a) kontinuierlich zunehmen.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit unter zusätzlicher Einwirkung der durch den Kanal bewirkten Kapillarkraft im Kanal geführt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Übergangsbogen (7a) zumindest abschnittweise in Form einer Klothoide, einer Sinusoide, einer kubischen Parabel, eines s-förmigen Übergangsbogens nach Schramm und/oder eines Blossbogens ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl an ersten Becken, eine Vielzahl an zweiten Becken und eine Mehrzahl an Leitungseinrichtungen (6) umfasst, wobei jeweils ein erstes Becken über jeweils eine Leitungseinrichtung (6) mit jeweils einem zweiten Becken verbunden ist, wobei das jeweilige zweite Becken über die jeweilige Leitungseinrichtung (6) mit Flüssigkeit aus dem jeweiligen ersten Becken gespeist wird, wobei die jeweilige Leitungseinrichtung (6) jeweils zumindest einen Kanal ausbildet, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten Becken ausbildbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsverengung (6b) für einen Durchtritt der Flüssigkeit vom ersten Becken in die Leitungseinrichtung (6) und/oder in den zumindest einen Kanal vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Kanal spiralförmig, schraubenförmig und/oder helikal verlaufend ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungseinrichtung (6) ein Hohlbauteil mit helixförmiger Innengeometrie zur Ausbildung zumindest eines helikalen Kanals (6c) umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungseinrichtung (6) ein Rohr mit einer darin aufgenommenen Helix umfasst, und wobei die Leitungseinrichtung (6) zumindest einen helikalen Kanal (6c) umfasst, der zwischen einer Innenwandung (8) des Rohrs und der Helix ausgebildet ist.
11 . Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit im helikalen Kanal (6c) aufgrund der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft zumindest teilweise an der Innenwandung (8) des Rohrs geführt wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die im Kanal geführte Flüssigkeit mit Gas in Kontakt gebracht wird.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einwirkung der Zentrifugalkraft auf die im Kanal geführte Flüssigkeit die übrigen auf die Flüssigkeit ausgeübten Kräfte übertrifft, vorzugsweise deutlich übertrifft.
14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas derart durch das erste Becken und/oder durch das zweite Becken geführt wird, dass es nicht in Kontakt mit der darin aufgenommenen Flüssigkeit gelangt.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungseinrichtung (6) eine Vielzahl von Rohren mit jeweils einer darin aufgenommenen Helix umfasst.
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Becken zumindest einen weiteren Übergangsbogen (7b) aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungseinrichtung (6) einen einzigen Kanal ausbildet, der vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, so dass die Leitungseinrichtung (6) keinen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas ermöglicht.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leitungseinrichtung (6) 1 bis 20 Kanäle, vorzugsweise 1 bis 8 Kanäle, besonders bevorzugt 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6 Kanäle umfasst, wobei die Kanäle vorzugsweise parallel zueinander und/oder rotationssymmetrisch zueinander angeordnet verlaufen.
19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit eine Funktionsflüssigkeit ist, und/oder wobei die Flüssigkeit aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wasser, Alkohol, Lösungsmittel, Schwefelsäure, Quecksilber, Wasserstoffperoxid, Abwasser, Feuerbekämpfungsmittel, Waschmittel, insbesondere Mono- und Diethanolamin, Pflegemittel, Reinigungsmittel, Flüssigkeiten der chemischen Industrie, Flüssigkeiten der Lebensmittelindustrie und Mischungen davon besteht.
20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas ein Funktionsgas, ein Dampf und/oder ein Funktionsdampf ist, und/oder wobei das Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Luft, Wasserdampf, Alkoholdampf, Abgas, Verbrennungsabgas, Rauchgas, Erdgas, Biogas, Klärgas, Silane und korrosive Gase, insbesondere HCl und Amine, aus saurem Gas, insbesondere Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid, und aus Mischungen davon besteht.
21 . Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine erste Glocke (13) und eine zweite Glocke (13) umfasst, wobei Gas mittels der ersten Glocke (13) im ersten Becken und mittels der zweiten Glocke (13) im zweiten Becken in die Flüssigkeit eingebracht wird, wobei das Gas jeweils derart in die Flüssigkeit eingebracht wird, dass das Gas in der Flüssigkeit gelöst ist und/oder feindispergiert in der Flüssigkeit vorliegt.
22. Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeit (4) in einer Vorrichtung, vorzugsweise in der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , wobei die Vorrichtung ein erstes Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit (4) und ein zweites Becken zur Aufnahme von Flüssigkeit (4) umfasst, wobei das zweite Becken in Richtung der Gravitation tiefer angeordnet ist als das erste Becken, wobei das erste Becken über zumindest eine Leitungseinrichtung (6) mit dem zweiten Becken verbunden ist, wobei das zweite Becken über die Leitungseinrichtung (6) mit Flüssigkeit (4) aus dem ersten Becken gespeist wird, wobei die Leitungseinrichtung (6) zumindest einen Kanal ausbildet, durch den eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Becken ausgebildet wird, und wobei die Flüssigkeit (4) zumindest unter der Einwirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft durch den Kanal in das zweite Becken geleitet wird.
PCT/EP2023/054837 2022-03-01 2023-02-27 Vorrichtung und verfahren zur behandlung von flüssigkeit WO2023165927A1 (de)

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