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B e s c h r e i b u n g zur Patentanmeldung Verfahren und Vorrichtungen
zum Materialaustausch in Gas/Flüssirkeits-Systemen im Geg,enstrom Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Materialaustausch in Gas/Flüssigkeits-Systemen im Gegenstrom,
insbesondere zum
Austreiben von Gasen aus Flüssigkeiten (Desorption)
beziehungsweise zur Absorption von Gasen in Flüssigkeiten, sowie Vorrichtungen zur
Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei diesem bewegt sich die Flüssigkeit von der Flüssigkeitsaustrittsstelle
der ersten Stufe zur Flüssigkeitsaustrittsstelle der n-ten Stufe (n>= 2) durch
die Wirkung der Schwerkraft.
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Die Absorption und Desorption von Gasen ist bei zahlreichen technischen
beziehungsweise industriellen Verfahren beziehungsweise Vorgängen notwendig. In
den meisten Fällen werden dazu mit einem integral wirkenden Materialaustauschmechanismus
arbeitende Bodentürme beziehungsweise Tellertürme oder mit einem differential wirkenden
Materialaustauschmechanismus arbeitende Füllkörpertürme verwendet.
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Diese haben die vorteilhafte Eigenschaft, bei der Berührung von Flüssigkeit
und Gas die Anwendung des Gegenstromprinzips in mehreren Stufen zu ermöglichen.
Sie haben jedoch den Nachteil, daß zur Erzielung einer entsprechenden Strömung von
Flüssigkeit und Gas (Flüssigkeit und Gas werden im folgenden mit dem Sammelnamen
Fluid bezeichnet) zur Erreichung des erforderlichen Wirkungsgrades beim Materialaustausch
für jedes Fluid getrennt eine auf einer Dreh- oder Kolbenbewegung beruhende Fördervorrichtung
(wie Pumpe, Kompressor beziehungsweise Ventilator) betrieben werden muß.
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Bei einer anderen Art von bekannten Vorrichtungen wird nur für das
eine Fluid, das Primärfluid (Flüssigkeit oder Gas), eine Fördervorrichtung mit beweglichen
Teilen verwendet, während zur Förderung des zweiten, des sogenannten Sekundärfluides,
eine Strahlpumpe, welche die kinetische Energie des Primärfluides zu Druckenergie
umsetzt und dadurch das Sekundärfluid in Strömung hält, benutzt wird.
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Solche Absorbier- beziehungsweise Desorbiervorrichtungen sind zum
Beispiel die nach dem Venturiprinzip arbeitenden Wäscher, bei denen die kinetische
Energie des mit großer Geschwindigkeit strömenden Gases die zur Förderung der Flüssigkeit
notwendige Energie liefert, oder die sogenannten Düsenwäscher, bei denen die kinetische
Energie des mit einer Pumpe geförderten Flüssigkeitsstromes die zum Strömen des
Gases notwendige Energie liefert (J. E. Perry: Vegyeszmernökök kezikönyve E= Handbuch
für Chemieingenieure3, Kapital 18; Müszaki könyvkiadó, Budapest, 1969; V. M. Ramm:
AbszorpciJa gasow, Gl. VIII, Izd. Himija, Moskau, 1966 und L. S. Harris, G. R. Raun:
Chemical Engineering, Progress.
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Vol. 60, £i964#, No. 5, 100).
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Der gemeinsame Vorteil dieser zum Materialaustausch zwischen Gas
und Flüssigkeit dienenden mit Strahlpumpen arbeitenden Vorrichtungen besteht in
ihrer einfachen Konstruktion, da nur für ein Fluid ein die Strömung hervorrufendes
Element mit beweglichen Teilen gebraucht wird. Diese mit Strahlpumpen arbeitenden
bekannten Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß mit ihnen ein Materialaustausch
im Gegenstrom, zumal mehrstufig, nicht durchgeführt werden kann und daher ihr Anwendungsgebiet
recht beschränkt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Materialaustausch
in Gas/Flüssigkeits-Systemen, bei welchem unter Behebung der Nachteile des Standes
der Technik die Berührung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit zwei- oder mehrstufig
im Gegenstrom mit der Maßgabe vor sich geht, daß die zum Bewegen des Gases notwendige
Energie von der in Druokenergie umgewandelten kinetischen Energie der strömenden
Flüssigkeit geliefert wird, sowie Vorrichtungen zur Durch führung desselben zu schaffen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Materialaustausch
in
Gas/Flüssigkeits-Systemen im Gegenstrom durch Strömenlassen der Flüssigkeit von
der Flüssigkeitsaustrittsstelle der ersten Stufe des Gegenstromsystemes zur Flüssigkeitsaustrittsstelle
der n-ten Stufe (n >= 2) des Gegenstromsystemes durch die Wirkung der Schwerkraft,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß durch Umwandlung der kinetischen Energie
des in die erste Stufe des Gegenstromsystemes eintretenden Flüssigkeitsstromes beziehungsweise
eines in die letzte Stufe des Gegenstromsystemes eintretenden Flüssigkeitsstromes
in Druckenergie an der Gasaustrittsstelle der zweiten Stufe des Gegenstromsystemes
ein Vakuum beziehungsweise ein Unterdruck erzeugt wird, durch das beziehungsweise
den das Gas von der Gaseintrittsstelle der n-ten Stufe bis zur Gasaustrittsstelle
der zweiten beziehungsweise ersten Stufe bewegt wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Vakuum an der Gasaustrittsstelle der zweiten Stufe durch Strömenlassen
des in die erste Stufe eintretenden Flüssigkeitsstromes als verengter Strahl erzeugt.
Zweckmäßigerweise wird hierfür eine Strahlpumpe verwendet. Durch diese wird das
mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringende Gas von der Gasaustrittsstelle der
zweiten Stufe des Gegenstromsystemes angesaugt. In der Strahlpumpe erfolgt die innige
Berührung der in das System eintretenden Flüssigkeit mit dem aus der zweiten Stufe
des Gegenstromsystemes austretenden Gas und danach wird das Gas/Flüssigkeits-Gemisch
wieder getrennt. Dieses Inberührungbringen und Trennen ist die erste Stufe des Gegenstromsystemes.
Das durch die Strahlpumpe hervorgerufene Vakuum bewegt den Gasstrom in den Räumen
vor der Strahlpumpe von der Gaseintrittsstelle der n-ten Stufe (n>= 2) des Gegenstromsystemes
zur Gasaustrittsstelle der zweiten Stufe des Gegenstromsystemes, während die aus
der ersten
Stufe des Gegenstromsystemes austretende Flüssigkeit
bis zur Austrittsstelle der Flüssigkeit in der n-ten Stufe durch die Wirkung der
Schwerkraft strömt.
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Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Geschwindigkeit eines 5 bis 20% der aus der n-ten Stufe austretenden Flüssigkeitsmenge
betragenden Teilstromes erhöht, die kinetische Energie dieses Teilstromes in Druckenergie
umgewandelt, mit dem in Berührung zu bringenden Gas an der Gaseintrittsstelle der
n-ten Stufe ein Überdruck erzeugt und durch diesen Überdruck das Gas bis zur Gasaustrittsstelle
der ersten Stufe befördert.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche durch einen in Teilräume unterteilten aufrechten
zylinderförmigen Behälter, einen an dessen unteren Teilraum angeschlossenen Gaseinsaugstutzen
einer Strahlpumpe, deren Ausflußstutzen mit einem Scheider, der mit einem unteren
Flüssigkeitsraum beziehungsweise unteren Flüssigkeitsräumen mittels eines Syphonüberlaufes
beziehungsweise Syphonüberläufe in Verbindung steht, verbunden ist, sowie ein oder
mehr Elemente zum Inberührungbringen und Trennen von Flüssigkeiten und Gasen im
Gegenstrom, unter welchem beziehungsweise welchen der Eintrittastutzen-eines Gaseinsaugrohres
angebracht ist, gekennzeichnet ist.
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Die Elemente zum Inberührungbringen und Trennen von Flüssigkeiten
und Gasen können solche mit einem integralen Materialaustauschmechanismus und/oder
solche mit einem differentialen Materialaustauschmechanismus sein. Dabei weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform als Element
zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen eine im unteren Drittel des unteren
Flüssigkeitsraumes
des zylinderförmigen Behälters waagerecht angeordnete durchlöcherte Platte beziehungsweise
Siebplatte auf. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat sie als Elemente
zum Inberührungbringen und Trennen von Flüssigkeiten im unteren Teilraum des zylinderförmigen
Behälters ein oder mehr Siebböden und Überläufe, wobei die Eintrittsöffnung des
Gaseinsaugrohres unter dem Siebboden beziehungsweise dem unteren Siebboden, jedoch
über dem Flüssigkeitspiegel des Flüssigkeitssammelraumes ist.
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Ferner ist Gegenstand der Erfindung eine weitere Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche durch einen aufrechten zylinderförmigen
Behälter mit einem oben befindlichen Scheider und unten befindlichen Flüssigkeitssammelraum
zwischen welchen Elemente zum Inberührungbringen und Trennen von Flüssigkeiten und
Gasen im Gegenstrom mit einem integralen Materialaustausch angeordnet sind, sowie
eine Gas fördernde Strahlpumpe, deren Druckrohr in den Gasraum über dem Flüssigkeitssammelraum
reicht, gekennzeichnet ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform derselben sind
zwischen dem Scheider und dem Flüssigkeitssammelraum Elemente zum Inberührungbringen
und Trennen von Flüssigkeiten und Gasen mit einem differentialen Materialaustausch
und über diesen im Scheider ein Flüssigkeitsverteiler angeordnet.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden beispielhaften ausführlichen
Darlegungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei sind: Figur 1 eine zweistufige Vorrichtung nach einer erfindungsgemäßen
Ausfuhrungsform mit einem integralen Austauschmechanismus, Figur 2 eine ähnliche
Vorrichtung wie die der Figur 1 mit mehr als zwei Stufen und Figur 3 eine Vorrichtung
nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Bei der Vorrichtung nach der Figur 1 geht der Materialaustausch zwischen
dem Gas und der Flüssigkeit in einem in mehrere Räume unterteilten aufrechten zylinderförmigen
Behälter 1 vor sich. Die strömende Flüssigkeit tritt durch eine Düse 2 und das Gas
durch einen einen großen Querschnitt aufweisenden Gaseinsaugstutzen 3 in eine Strahlpumpe
4, wo die innige Berührung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit stattfindet, ein.
Das aus der Strahlpumpe 4 austretende Flüssigkeits/Gas-Gemisch wird in einem Scheider
5 getrennt. Der in der Strahlpumpe 4 und dem Scheider 5 vor sich gehende Vorgang
ist die erste Stufe des Gegenstromsystemes. Aus der ersten Stufe tritt das Gas durch
einen Tropfenabscheider 6 und einen Stutzen 7 hindurch aus dem System aus, während
die Flüssigkeit durch einen Syphonüberlauf 8 ln den unteren Flüssigkeitsraum 9 des
Behälters 1 fließt. Im unteren Drittel des unteren Flüssigkeitsraumes 9 befindet
sich waagerecht angeordnet eine durchlöcherte Platte beziehungsweise Siebplatte
12. Unterhalb der durchlöcherten Platte beziehungsweise Siebplatte 12 mündet der
Zuleitungsstutzen eines Gaseinsaugrohres 11 in den Behälter 1. Die Strahlpumpe 4
erzeugt durch den Gaseinsaugstutzen 3 im unteren Teilraum 10 der Vorrichtung ein
Vakuum und durch die Wirkung dieses Vakuums strömt Gas in Form
von
Blasen durch das Gaseinsaugrohr 11 und die durchlöcherte Platte beziehungsweise
Siebplatte 12 sowie anschließend durch die im unteren Flüssigkeitsraum 9 befindliche
Flüssigkeit. Bei diesem Vorgang geht im unteren Flüssigkeitsraum 9 die zweite Stufe
des Inberührungbringens im Gegenstrom vor sich. Aus dem unteren Flüssigkeitsraum
9 tritt die Flüssigkeit über die Überlaufplatte 13 in den Flüssigkeitssammelraum
14, von wo sie durch den Rohrstutzen 15 aus dem System abgezogen oder abgelassen
werden kann.
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In der Figur 2 ist eine Vorrichtung mit mehr als zwei Stufen, bei
welcher in jeder Stufe der Materialaustausch gemäß dem integralen Mechanismus vor
sich geht. Bei der in der Figur 2 dargestellten Vorrichtung entsprechen die Bauteile
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 14 und 15 im Aufbau und in der Funktion den bereits
bei der Beschreibung der Figur 1 erläuterten Elementen. Die durch den Syphonüberlauf
8 hinunterfließende Flüssigkeit gelangt auf untereinander angebrachte Siebböden
16 und strömt über mit Flüssigkeit abgeschlossene Überläufe 17 von Siebboden 16
zu Siebboden 16 nach unten, während das Gas durch die Wirkung des im unteren Teil
10 des Behälters 1 erzeugten Vakuums durch die Löcher der Siebböden 16 von Siebboden
16 zu Siebboden 16 nach oben strömt. Die Zahl der Stufen ist durch den Gasströmungswiderstand
der Siebböden 16 und die Größe des erzeugbaren Vakuums begrenzt. Wenn zwei Stufen
benötigt werden, dann ist die Verwendung von einem Siebboden ausreichend. An Stelle
von Siebböden können auch Glockenböden oder sonstige für den integralen Materialaustauschmechanismus
geeignete Bauelemente verwendet werden.
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Bei einer Variante der Vorrichtung nach Figur 2 werden an Stelle
der Siebböden 16 und Überläufe 17 für den differentialen Materialaustauschmechanismus
geeignete Bauelemente, zum Beispiel Füllkörper, verwendet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird wie bereits
erwähnt die Strömungsenergie des Gases in der Weise gewonnen, daß die kinetische
Energie der aus der in Bezug auf die Flüssigkeit letzten, das heißt n-ten Stufe
des Gegenstromsystemes austretenden Flüssigkeit in Druckenergie umgewandelt wird.
Zu diesem Zweck wird die aus der n-ten Stufe austretende Flüssigkeit mittels einer
Pumpe an den Ort ihrer Verwendung gefördert, wobei aber aus der Druckleitung der
Pumpe ein Teilstrom von etwa 5 bis 20% der Flüssigkeit zu einer Strahlpumpe geführt
wird, welche die kinetische Energie der Flüssigkeit in Druckenergie umwandelt und
dadurch die Energie liefert, welche das Gas braucht, um durch das System zu strömen.
Eine zur Durchführung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Vorrichtung ist in der Figur 3 dargestellt, wobei die Bauteile 1, 5, 6, 7, 14, 15,
16 und 17 die gleichen wie die in den Figuren 1 und 2 sind.
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Die Flüssigkeit wird durch einen von Flüssigkeit abgeschlossenen
Eintritt 18 auf den im Scheider 5 angeordneten obersten Siebboden 16 geleitet, fließt
dann durch die Überläufe 17 von Siebboden 16 zu Siebboden 16 nach unten und sammelt
sich im Flüssigkeitssammelraum 14. Die Strömungsenergie der aus dem Flüssigkeitssammelraum
14 durch den Stutzen 15 abgesaugten Flüssigkeit wird mit einer Pumpe 19 noch gesteigert.
Aus der Druckleitung der Pumpe 19 wird ein 5 bis 20% der Flüssigkeit betragender
Teilstrom durch eine Strahlpumpe 20 in den Flüssigkeitssammelraum 14 zurückgeführt.
Die Strahlpumpe 20 saugt durch ein Gaseinsaugrohr 21 Gas an, welches im Gasraum
über dem Flüssigkeitssammelraum 14 von der Flüssigkeit abgetrennt wird, wodurch
im Gasraum über dem Flüssigkeitssammelraum 14 ein Überdruck entsteht, durch dessen
Wirkung das Gas aus dem Gasraum über dem Flüssigkeitssammelraum 14 durch die Löcher
der Siebböden 16 und die Flüssigkeitsschichten hindurch in den Scheider 5 strömt,
von wo aus es durch den Tropfenabscheider 6 und den Stutzen 7 aus dem System austritt.
Mit der Rückführung von
5 bis 20% des von der Pumpe 19 geförderten
Flüssigkeitsstromes im Kreislauf durch die Strahlpumpe 20 können 0,25 bis 2 m3 Gas,
bezogen auf 1 m3 eintretende Flüssigkeit, im Gegenstrom zur Flüssigkeit durch das
System bewegt werden.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen können an Stelle
der in der Figur 3 dargestellten Siebböden 16 und Überläufe 17 auch andere Konstruktionselemente
für den integralen oder differentialen Materialaustausch vorgesehen sein. Als Konstruktionselement
für den Materialaustausch nach dem differentialen Mechanismus kann zum Beispiel
eine Raschigringfüllung dienen. In diesem Fall muß im Scheiderraum 5 ein geeigneter
Flüssigkeitsverteiler angeordnet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
können zum Beispiel vorteilhaft bei der Sntfernung von in Wasser gelösten Gasen
angewandt werden, wenn eine Anlage gebraucht wird, die ohne Aufsicht arbeitet. So
werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum
Beispiel zur Entfernung des Methanes aus dem Wasser von methanhaltiges Wasser fördernden
Brunnen verwendet. Zum Austreiben des gelösten Methanes wird in diesem Falle Luft
verwendet, wobei durch das Gaseinsaugrohr atmosphärische Luft in das Gegenstromsystem
gesaugt wird.
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Nach Messungen der Anmelderinnen kann der Methangehalt von 100 Nl
Methan/m3 enthaltendem Wasser mit der in der Figur 1 dargestellten zweistufigen
Vorrichtung auf 0,6 Nl Methan/m3 vermindert werden. Um diese Desorption zu erreichen,
müssen bei zwei Gegenstromstufen je m3 eintretendes Wasser 4 m3 Luft durch das System
gesaugt werden. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen sind
zur Aufstellung neben
Brunnen mit Tauchpumpen besonders gut geeignet,
weil bei diesen Brunnen das Wasser eine entsprechende Strömungsenergie hat und durch
Umwandlung dieser Energie in der Strahlpumpe eine große Luftmenge zum Strömen gebracht
werden kann.
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Die in der Figur 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung wird
dann vorteilhaft angewandt, wenn die kinetische Energie der in das System eintretenden
Flüssigkeit zu gering ist, um in der Strahlpumpe ein ausreichendes Vakuum zu erzeugen.
Bei der Vorrichtung nach Figur 3 wird die Flüssigkeit, die aus dem System austritt,
mit einer Pumpe an ihren Bestimmungsort gefördert, so daß also die austretende Flüssigkeit
die notwendige kinetische Energie hat. Diese Vorrichtung kann zum Beispiel angewandt
werden, um das Methan aus dem Wasser von artesischen Thermalbrunnen mit Luft auszutreiben.
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Auch ihre Anwendung für Brunnen mit Tauchpumpen kommt in Frage, wenn
die Entgasungsvorrichtung vom Brunnen weiter entfernt ist.
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Die Hauptparameter der Füllkörpersäulenvorrichtungen, mit denen die
bekannten Verfahren durchgeführt werden, sind wie folgt: Volumen in m3 bei einer
Wasserbe- 4 10 lastung von 1 m3/Minute: Verweilzeit in Minuten im ver-4 10 fahrenstechnischen
Raum: Zahl der elektrischen Maschinen 1 2 mit Dreht eilen: Spezifischer Energiebedarf
in kW/m3: 0,15 0,20
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde
versuchsweise Wasser mit einem Druck von 2,5 atü und einem Methangehalt von 88 l/m3
entgast. Der Methangehalt des austretenden Wassers betrug 0,47 bis 0,58 l/m3. Die
Hauptkennzeichen der verwendeten Vorrichtung waren wie folgt: Volumen in m3 bei
einer Wasserbelastung von 1 m3/Minute: 4,9 Verweilzeit in Minuten im verfahrenstechnischen
Raum: 1,5 Patentansprüche