DE102009031106A1

DE102009031106A1 - Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102009031106A1
Application number: DE102009031106A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Clüsserath
Original assignee: KHS GmbH
Current assignee: KHS GmbH
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: DE102009031106B4; WO2011000452A1

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit. Dabei werden in der Flüssigkeit Druckschwankungen mit in Druckminima entstehenden Gaskavitationen mit Hilfe einer Einrichtung (2) zur Erzeugung solcher Druckschwankungen, insbesondere einem Schallerzeuger (2) erzeugt. Die Gase werden von der Flüssigkeit separiert. Dies geschieht erfindungsgemäß im Zuge einer Sprühentgasung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit, wonach in der Flüssigkeit Druckschwankungen mit in Druckminima entstehenden Gaskavitationen erzeugt und die solchermaßen erzeugten und/oder bereits vorhandenen Gasbläschen bzw. allgemein die Gase von der Flüssigkeit separiert werden.
Das Entgasen von Flüssigkeiten durch die Erzeugung von Druckschwankungen ist grundsätzlich bekannt und wird in der DE 197 36 671 A1 beschrieben, welche insofern die Gattung darstellt. Infolge der an dieser Stelle erzeugten Schallwellen respektive Ultraschallwellen kommt es zur periodischen Ausbildung von Druckminima und Druckmaxima in der zu entgasenden Flüssigkeit. Im Bereich der Druckminima bilden sich Hohlräume bzw. Kavitationen. In diese Hohlräume diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase bzw. hiermit zusammenhängende Gasbläschen und sorgen dafür, dass die Kavitationen nicht unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplusion wieder zusammenfallen. Aus diesem Grund spricht man hier auch von der weichen bzw. Gaskavitation, bei welcher in der Flüssigkeit gelöste Gase in die Kavitation eintreten und deren Kollaps dämpfen oder verhindern.
Der gattungsbildende Stand der Technik hat sich grundsätzlich bewährt. Allerdings ist der anlagen- und verfahrenstechnische Aufwand immens. Denn für die letztendliche Trennung zwischen der Flüssigkeit und dem darin enthaltenen Gas bzw. den mehreren Gasen sorgt ein Reaktor, welcher mit Zentrifugalwirkung arbeitet. Tatsächlich verfügt der im Wesentlichen zylindrische Reaktor über einen Außenbehälter und einen in dem Außenbehälter drehbar gelagerten und auf einem Teil seiner Länge perforierten Innenbehälter. Die Flüssigkeit lässt sich nun kontrolliert dadurch entgasen, dass sie starker physikalischer Beanspruchung ausgesetzt wird. Diese lässt sich auf die Zentrifugalwirkung in dem Innenbehälter, eine Scherwirkung an den Perforationslöchern des Innenbehälters und schließlich den Aufprall auf die Innenwand des Außenbehälters zurückführen. Das wird allerdings zusammenfassend mit einem großen anlagentechnischen Aufbau bewerkstelligt. – Hier setzt die Erfindung ein.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit so weiter zu entwickeln, dass der Aufwand und folglich die Kosten verringert sind. Außerdem soll eine besonders geeignete Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet, dass eine Sprühentgasung durchgeführt wird. – Im Rahmen der Erfindung werden also in der zu behandelnden bzw. zu entgasenden Flüssigkeit Druckschwankungen erzeugt, die zunächst einmal für eine verstärkte Separation der Gase von der Flüssigkeit sorgen. Diese Gasabscheidung wird im Rahmen der Erfindung noch dadurch intensiviert und weiter verstärkt, dass die Flüssigkeit einer Sprühentgasung unterzogen wird.
Bei einer solchen Sprühentgasung erfährt die zu behandelnde Flüssigkeit eine Feinverteilung, so dass eine hohe spezifische Flüssigkeitsoberfläche entsteht. Das heißt, die Oberfläche der zu behandelnden Flüssigkeit wird in einer zugehörigen Sprühentgasungseinrichtung vervielfacht. Dadurch wird der Effekt der Entgasung verstärkt. Solche Entgasungen sind beispielsweise erforderlich, um den CO₂-Gehalt von natürlichen Mineralwässern bedarfsweise zu verringern oder allgemein einzustellen. Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zu Nutze, dass zunächst einmal durch die Druckschwankungen mit den in Druckminima entstehenden Gaskavitationen eine große Menge gleichmäßig verteilter Gasbläschen erzeugt wird.
Die erhebliche Anzahl und enge Verteilung dieser Gasbläschen bildet eine sehr große Blasengesamtoberfläche innerhalb der Flüssigkeit bzw. innerhalb der Flüssigphase aus. Etwaige in der Flüssigkeit gelöste Gase migrieren großflächig in die entsprechend verteilten Gasbläschen, welche als Folge hiervon in ihrer Größe schnell anwachsen. Gleichzeitig steigen die Glasbläschen zur Oberfläche auf und geben ihre Gasanteile aus der Flüssigkeit ab. So ist jedenfalls der Verfahrensablauf, wenn die Druckschwankungen in einer mehr oder minder ruhenden Flüssigkeit erzeugt werden.
Erfindungsgemäß findet nun jedoch noch eine Sprühentgasung der Flüssigkeit statt, wobei in der Flüssigkeit vor der Sprühentgasung die fraglichen Druckschwankungen erzeugt werden. Zu diesem Zweck mögen in der Flüssigkeit vor der Sprühentgasung Schallwellen und hier insbesondere Ultraschallwellen, also Schallwellen außerhalb des hörbaren Bereichs, erzeugt werden. Jedenfalls zeichnet sich die solchermaßen behandelte Flüssigkeit durch eine erhebliche Anzahl und enge Verteilung von bereits gebildeten Gasbläschen aus.
Wenn nun diese Flüssigkeit mit den darin befindlichen Gasbläschen der beschriebenen Sprühentgasung unterzogen wird, so können die Gasbläschen unmittelbar von der Flüssigkeitsphase getrennt werden. Denn die Flüssigkeit erfährt die bereits beschriebene Oberflächenvergrößerung durch die Feinverteilung im Rahmen der Sprühentgasung. Dadurch wird der Effekt der Entgasung besonders intensiv und schnell durchgeführt, und zwar bei verfahrenstechnisch äußerst geringem Aufwand.
Denn für die Sprühentgasung wird lediglich eine Sprühentgasungseinrichtung benötigt, die im einfachsten Fall auf eine herkömmliche Sprühdüse oder mehrere solcher Sprühdüsen zurückgreift. – Zwar ist die Sprühentgasung grundsätzlich bekannt, wozu auf die DE 22 22 094 C2 hingewiesen sei. Allerdings existieren bisher keine Vorbilder dahingehend, die Sprühentgasung mit der gleichzeitigen Erzeugung von Schallwellen im Innern der Flüssigkeit zu kombinieren.
Tatsächlich wird bei dieser Kombination ein synergetischer Effekt dergestalt beobachtet, dass durch die eingebrachten Schallwellen zunächst die Gesamtoberfläche der Gasbläschen signifikant vergrößert wird. Wenn nun noch die Flüssigkeit durch die anschließende Sprühentgasung ebenfalls eine Oberflächenvergrößerung erfährt, können die einzelnen Gasbläschen die Flüssigphase besonders schnell und effizient verlassen, weil praktisch beide Oberflächen (der Gasphase und der Flüssigphase) vergrößert werden.
Um die Sprühentgasung möglichst wirkungsvoll zu gestalten, wird die Flüssigkeit in der Regel unter Druck der bereits angesprochenen Sprühentgasungseinrichtung zugeführt. Dadurch kann die Flüssigkeit unmittelbar der Sprühentgasungseinrichtung bzw. der einen oder den mehreren Sprühdüsen bzw. der Sprüheinrichtungen an dieser Stelle zugeführt werden. Durch die Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit kommt es im Anschluss an die Sprühdüse zu ihrer gewünschten Feinverteilung. Dabei bilden sich im Allgemeinen ein oder mehrere Sprühkegel jenseits der Sprüheinrichtung aus. Der fragliche Sprühkegel öffnet sich in Richtung auf das Zentrum eines zugehörigen Gehäuses. Bei diesem Gehäuse handelt es sich vorteilhaft um ein Unterdruckgehäuse, weil die von der Flüssigkeit abgeschiedenen Gase meistens durch Unterdruck unterstützt abgezogen werden. Das heißt, die Sprühentgasung findet vorteilhaft unter Unterdruck statt, und zwar innerhalb des bereits angesprochenen Unterdruckgehäuses.
Dabei hat es sich zusätzlich als günstig erwiesen, wenn wenigstens ein Teil der vom Gas ganz oder teilweise befreiten Flüssigkeit im Kreis geführt wird. Dadurch kann diese Flüssigkeit erneut einer Sprühentgasung unterzogen werden. Zu diesem Zweck ist eine Rücklaufleitung für die bereits behandelte Flüssigkeit vorgesehen. Diese Rücklaufleitung mag mit einer weiteren zweiten Sprüheinrichtung kommunizieren.
Das heißt, die erfindungsgemäße Sprühentgasungseinrichtung setzt sich letztlich aus zwei Sprüheinrichtungen zusammen, die sich regelmäßig gegenüberliegen. Meistens sind diese beiden Sprüheinrichtungen an der jeweiligen Stirnseite des längs erstreckten Gehäuses respektive Unterdruckgehäuses angeordnet. Dabei kommuniziert die eine Sprüheinrichtung mit einem Einlauf für die zu entgasende Flüssigkeit, während die andere Sprüheinrichtung an die bereits angesprochene Rücklaufleitung für die bereits behandelte Flüssigkeit angeschlossen ist.
In diesem Zusammenhang kann selbstverständlich so vorgegangen werden, dass die bereits behandelte Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses respektive Unterdruckgehäuses dahingehend geprüft bzw. vermessen wird, welcher Gasanteil hierin noch vorhanden ist. Je nach dem Messergebnis wird dann ein Teil der behandelten Flüssigkeit über die Rücklaufleitung und die zweite Sprüheinrichtung erneut entgast. Dieser Entgasungsvorgang lässt sich noch dadurch intensivieren, dass mehrere Einrichtungen zur Erzeugung von Druckschwankungen in der Rücklaufleitung vorgesehen sind.
Bei diesen Einrichtungen zur Erzeugung von Druckschwankungen handelt es sich vorteilhaft um Schallerzeuger, insbesondere Ultraschallerzeuger. Dabei kann im Rahmen der Erfindung eine solche Einrichtung einerseits im Einlauf und andererseits in der Rücklaufleitung realisiert werden. Selbstverständlich sind auch mehrere Einrichtungen an dieser Stelle denkbar.
Jedenfalls lässt sich die zu behandelnde Flüssigkeit mit Hilfe der Rücklaufleitung gleichsam im Kreis führen. Das kann so lange im Sinne einer Regelung geschehen, bis die fragliche und zu behandelnde Flüssigkeit den gewünschten Gasanteil aufweist. Erst dann mag die entsprechend behandelte Flüssigkeit über einen Auslauf ausgeschleust werden. Diese sämtlichen Vorgänge steuert in der Regel eine Steuereinheit. Dadurch kann ausgangsseitig der zugehörigen Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit, wie sie in den Ansprüchen 8 ff. beschrieben wird, der gewünschte Gasgehalt (regelnd) eingestellt werden.
Außerdem ist es möglich, das abgeschiedene Gas für eine anschließende Begasung zu nutzen. Diese kann beispielsweise bei einer Flüssigkeit, insbesondere einem Getränk, zum Einsatz kommen, das nicht den erforderlichen oder gewünschten Gasgehalt aufweist. Bei dieser Begasung mag es sich um eine Karbonisierung handeln, also im weitesten Sinne das Einbringen von CO₂ in ein Getränk.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit.
Im Rahmen der Darstellung ist eine Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit, vorliegend eines Getränks oder allgemein eines flüssigen Lebensmittelproduktes, dargestellt. Die beschriebene Vorrichtung ist in ihrem grundsätzlichen Aufbau mit einem Abscheider 1 ausgerüstet, bei welchem es sich im Ausführungsbeispiel um eine Sprühgasentgasungseinrichtung 1 handelt. Zusätzlich zu diesem Abscheider bzw. der Sprühentgasungseinrichtung 1 sind mehrere Einrichtungen 2 zur Erzeugung von Druckschwankungen in der zu behandelnden Flüssigkeit vorgesehen. Bei diesen Einrichtungen 2 handelt es sich um Schallerzeuger 2, insbesondere Ultraschallerzeuger 2. Mit Hilfe der Einrichtungen bzw. Schallerzeuger 2 werden im Innern der Flüssigkeit im Beispielfall periodische Druckschwankungen bzw. periodische Longitudinalwellen (Schallwellen) erzeugt. Dadurch entstehen Druckmaxima und Druckminima. Im Bereich der Druckminima stellen sich in periodischen Abständen Gaskavitationen ein, in welche das gelöste Gas – wie einleitend bereits beschrieben – migriert. Dadurch wird verhindert, dass die Hohlräume bzw. Gaskavitationen anschließend implodieren oder implodieren können.
Die dargestellte Sprühentgasungseinrichtung bzw. der Abscheider 1 verfügt über ein Unterdruckgehäuse 3, welches über eine Vakuumleitung 4 mit einem Vakuumerzeuger 5 verbunden ist. Das Unterdruckgehäuse 3 wird von dem Vakuumerzeuger 5 dergestalt beaufschlagt, dass hierin ein gegenüber dem Normaldruck niedrigerer Unterdruck erzeugt wird. Auf diese Weise kann das aus der Flüssigkeit abgetrennte Gas über die Vakuumleitung 4 aus dem Gehäuse respektive Unterdruckgehäuse 3 abgezogen und gegebenenfalls weiteren oder anderen Verwendungen zugeführt werden. Hierzu mag die einleitend bereits beschriebene Karbonisierung gehören.
Man erkennt, dass das Unterdruckgehäuse 3 lang erstreckt und nach dem Ausführungsbeispiel zylindrisch mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet ist. An diesen sich gegenüberliegenden beiden Stirnseiten findet sich jeweils eine Sprüheinrichtung 6. Bei dieser Sprüheinrichtung 6 mag es sich um ein oder mehrere Sprühdüsen handeln, welche die zugeführte Flüssigkeit im Innern des Unterdruckgehäuses 3 fein verteilen. Tatsächlich erzeugt die jeweilige Sprüheinrichtung 6 einen sich in Richtung auf ein Zentrum des Unterdruckgehäuses 3 hin öffnenden Sprühkegel. Das deutet die einzige Figur jeweils an. Aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung der beiden Sprüheinrichtungen 6 sind auch die beiden Sprühkegel gegenüberliegend zueinander ausgerichtet.
Man erkennt, dass zwei Einrichtungen 2 zur Erzeugung von Druckschwankungen bzw. Schallerzeuger 2 vorgesehen sind. Dabei findet sich eine Einrichtung 2 in einem Einlauf 7 in das Unterdruckgehäuse 3. Die Flüssigkeit wird dabei von einer Druckerzeugungseinrichtung 8 unter Druck in den Einlauf 7 gefördert und passiert hierbei den ersten Schallerzeuger 2. Dabei ist der Schallerzeuger 2 im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit angeordnet.
Die solchermaßen behandelte und bereits entgaste Flüssigkeit gelangt nun zur ersten Sprüheinrichtung 6 und tritt von dort aus fein verteilt als Sprühkegel in das Unterdruckgehäuse 3 ein. Etwaige frei werdende Gase werden von dem Vakuumerzeuger 5 durch die Vakuumleitung 4 abgezogen.
Die solchermaßen entgaste Flüssigkeit sammelt sich am Grund des Unterdruckgehäuses 3. Von dort aus mag ein Auslauf 9 die entsprechend behandelte Flüssigkeit abziehen. Zusätzlich erkennt man eine Rücklaufleitung 10, die die Flüssigkeit im Kreislauf abzieht und dem Unterdruckgehäuse 3 wieder zuführt, und zwar über eine weitere zweite Sprüheinrichtung 6, die sich gegenüberliegend der einen ersten Sprüheinrichtung 6 befindet. Folgerichtig wird die bereits behandelte Flüssigkeit erneut mit Hilfe der weiteren zweiten Sprüheinrichtung 6 fein verteilt und dem beschriebenen Entgasungsvorgang unterzogen. Zu diesem Zweck ist zweite Einrichtung 2 zur Erzeugung von Druckschwankungen bzw. der zweite Schallerzeuger 2 in der Rücklaufleitung 10 angeordnet. Auch in diesem Fall werden die von dem Schallerzeuger 2 erzeugten Schallwellen quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit von dem Schallerzeuger 2 ausgesandt.
Zusätzlich mag noch eine Steuereinheit 11 realisiert sein, welche einerseits die Rücklaufleitung 10 und andererseits den Auslauf 9 steuert. Dabei greift die Steuereinheit 11 auf Signale eines Sensors 12 zurück, welcher den Gasgehalt der im Innern des Unterdruckgehäuses 3 befindlichen und bereits behandelten Flüssigkeit bestimmt. Je nach den vom Sensor 12 gemessenen Werten für den Gasgehalt sorgt die Steuereinheit 11 dafür, dass die sämtliche oder ein Teil der Flüssigkeit über die Rücklaufleitung 10 in das Unterdruckgehäuse 3 rückgeführt und nochmals entgast wird. Alternativ hierzu kann aber auch ein Teil oder die sämtliche im Unterdruckgehäuse 3 befindliche Flüssigkeit über den Auslauf 9 ausgeschleust und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19736671 A1 [0002]
- DE 2222094 C2 [0010]

Claims

Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit, wonach in der Flüssigkeit Druckschwankungen erzeugt und die Gase von der Flüssigkeit separiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sprühentgasung durchgeführt wird, wobei in der Flüssigkeit vor der Sprühentgasung Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, erzeugt werden bzw. diese Schallwellen auf die Flüssigkeit einwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühentgasung unter Unterdruck stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Gase durch Unterdruck unterstützt abgezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit unter Druck einer Sprühentgasungseinrichtung (1) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Gas befreite Flüssigkeit wenigstens zum Teil im Kreis geführt und erneut einer Sprühentgasung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der im Kreis geführten Flüssigkeit erneut Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, erzeugt werden.
Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Abscheider (1) und wenigstens einer Einrichtung (2) zur Erzeugung von Druckschwankungen in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (1) als Sprühentgasungseinrichtung (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, die Sprühentgasungseinrichtung (1) ein Unterdruckgehäuse (3) aufweist, welches von einem Vakuumerzeuger (5) beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdruckgehäuse (3) an wenigstens einer Stirnseite mit einer Sprüheinrichtung (6) ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Sprüheinrichtungen (6) an der jeweiligen Stirnseite des längs erstreckten Unterdruckgehäuses (3) realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Sprüheinrichtung (6) mit einem Einlauf (7) für die zu entgasende Flüssigkeit kommuniziert, während die andere Sprüheinrichtung (6) an eine Rücklaufleitung (10) für die bereits behandelte Flüssigkeit angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprüheinrichtung (6) einen sich in Richtung auf ein Zentrum des Unterdruckgehäuses (3) öffnenden Sprühkegel erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Erzeugung von Druckschwankungen als Schallerzeuger (2), insbesondere Ultraschallerzeuger (2), ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einrichtungen (2) zur Erzeugung von Druckschwankungen vorgesehen sind, und zwar einerseits im Einlauf (7) und andererseits in der Rücklaufleitung (10).