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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein System zum
Trennen eines Gemisches.
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Viele
Arten einer Trennvorrichtung sind zum Trennen von Gas/Flüssigkeit-Gemischen
bekannt, zum Beispiel um Erdgas zu trocknen. In einem sogenannten
Axialzyklon wird das eintretende Gas/Flüssigkeit-Gemisch in eine Drehbewegung
versetzt, wodurch ein schwerer Anteil (in der Größenordnung von bis zu 45% der
Gesamtströmung),
in welchem eine relativ große
Menge an Flüssigkeit
vorhanden ist, gegen die Außenwand
des Zyklons geschleudert wird, während
ein relativ leichter Anteil weiter in die oder nahe zu der Mitte
des Zyklons strömt.
In sogenannten Axialrückführzylonen
wird ein Teil des schweren Anteils, der in Rotation versetzt wurde,
ausgelassen, wobei ein Teil dieses ausgelassenen Anteils wieder
in die Strömung
eingeführt
wird, um auch diesen Teil des schweren Anteils weiter in einen schweren
und leichten Anteil zu trennen. Das Rückführen eines Teils des schweren
Anteils hat unter anderem den Zweck, die Trenneffizienz des Zyklons
zu erhöhen.
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Aus
dem niederländischen
Patent
NL 101478 des
Anmelders ist ein Axialrückführzyklon bekannt,
der aus einem Rohr besteht, welches an der Unterseite einen Einlass
für das
Gas/Flüssigkeit-Gemisch
und an dessen Oberseite eine Auslassöffnung hat. In dem von dem
Rohr eingeschlossenen Raum ist etwa mittig ein Strömungskörper platziert,
welcher mit Wirbelblättern
oder Schaufeln versehen ist, um das über den Einlass eingeführte Gas/Flüssigkeit-Gemisch
in Drehbewegung zu versetzen.
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Aus
strukturellen Gründen
sind die Wirbelblätter
der bekannten Zyklone hierin senkrecht an dem Strömungskörper montiert.
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Obwohl
das Gemisch, das entlang der so montierten Wirbelblätter strömt, in Drehung
versetzt wird, hat das strömende
Gemisch kein natürliches Strömungsprofil.
Dies hat negative Auswirkungen auf die Trenneffizienz des Zyklons.
Ein weiterer Nachteil ist, dass unter den vorbestimmten Trennbedingungen
der Druckabfall über
dem Zyklon relativ groß ist. Dies
bedeutet eine Begrenzung der Kapazität des Zyklons.
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Aus
der britischen Patentbeschreibung
GB 851 498 A ist eine Trennvorrichtung bekannt,
bei welcher schraubenförmige
Schaufeln in einer Schrägstellung
an einem mittigen Strömungskörper derart angeordnet
sind, dass ein entlang des Strömungskörpers strömendes Gemisch
in Drehung versetzt wird. Die Wirbelblätter sind jedoch in Richtung
(radial) nach außen
gerade, was eine nachteilige Wirkung auf die Strömung hat.
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Aus
der amerikanischen Patentbeschreibung
US
3 616 619 ist eine Trennvorrichtung bekannt, bei welcher
eine Anzahl von schraubenförmigen
Wirbelblättern
an einem mittigen Strömungskörper angeordnet
sind. Jedoch scheinen die angewendeten Wirbelblätter eine (radial) nach außen feststehende
Wölbung
zu haben. Derartige Wirbelblätter führen auch
zu einer unangemessenen Trennung des Gemisches.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
und ein verbessertes System zum Trennen eines Gemisches zu schaffen, bei
welchen zumindest die oben genannten Nachteile des Standes der Technik
vermieden werden.
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Dieses
Ziel wird gemäß der Erfindung
bei einer Vorrichtung zum Trennen eines Gemisches erreicht, aufweisend:
- – einen
Strömungskörper, entlang
dessen Außenfläche das
Gemisch zum Trennen gefördert
werden kann;
- – wenigstens
ein Wirbelblatt, das an dem Strömungskörper zum
Versetzen eines dort entlang strömenden
Gemisches in eine Drehbewegung von dem proximalen Ende zu dem distalen
Ende davon für
den Zweck des Trennen des Gemisches in einen relativ schweren und
einen relativ leichten Anteil angeordnet ist, wobei die Position
des Wirbelblattes im Wesentlichen schräg relativ zu der Senkrechten
an der Außenfläche des
Strömungskörpers ist
und das Wirbelblatt nach außen gewölbt ist,
und wobei die Wölbung
des Wirbelblattes nach außen
und/oder die Position des Wirbelblattes an verschiedenen Stellen
zwischen dem proximalen und distalen Ende des Wirbelblattes variiert.
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Durch
Platzieren des gewölbten
Wirbelblattes schräg
relativ zu dem Strömungskörper in
einer solchen Weise kann ein natürlicheres
Strömungsprofil
des entlang der Wirbelblätter
strömenden
Gemisches bewirkt werden. In Abhängigkeit
von der Situation kann noch die Wölbung des Wirbelblattes oder die
Position des Wirbelblattes von dem proximalen Ende in der Richtung
des distalen Endes betrachtet variiert werden. Der Druckabfall über den
Wirbelblättern
kann um 30% oder mehr reduziert werden, während die Trenneffizienz konstant
bleibt. Stromabwärts der
Wirbelblätter
ist ferner eine gleichmäßigere Strömung mit
weniger Wirbeln vorgesehen, was die Trenneffizienz der Vorrichtung
erhöht.
Der "Schlupf" wird hierdurch auch
minimiert. Der "Schlupf" bedeutet hier die
Differenz zwischen dem Strömungswinkel
des distalen Endes eines Wirbelblattes (der geometrische Winkel
zwischen dem Endabschnitt eines Wirbelblattes und der Axialrichtung)
und dem wirksamen Strömungswinkel
in der Trennvorrichtung selbst (stromabwärts des relevanten Wirbelblattes).
Im Idealfall sind diese Winkel zueinander gleich. In der Praxis
gibt es eine Differenz zwischen den beiden Winkeln. Diese Differenz
wird als "Schlupf" bezeichnet.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich das Wirbelblatt an der Stelle der Verbindung des
Wirbelblattes mit dem Strömungskörper im
Wesentlichen schräg
relativ zu dem Strömungskörper. Das
heißt,
dass das Wirbelblatt schräg
mit der Fläche
des Strömungskörpers verbunden
ist. Ein natürlicheres
Strömungsprofil
kann erreicht werden, indem das Wirbelblatt schräg mit dem Strömungskörper verbunden
ist. Die Verbesserung tritt bereits ein, wenn der Winkel (α) zwischen
dem Wirbelblatt und der Senkrechten an der Strömungskörperfläche an der Stelle der Verbindung
des relevanten Wirbelblattes mit dem Strömungskörper im Wesentlichen mehr als
5° beträgt. Ein
noch natürlicheres
Profil wird erreicht, wenn der Winkel (α) im Wesentlichen zwischen 25° und 65° liegt.
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Im
Lichte des Erreichens eines natürlicheren Strömungsprofils
ist es jedoch notwendig, den Wirbelblättern eine in Radialrichtung
gewölbte
Form zu verleihen. Dies bedeutet, dass es mehr oder weniger Wölbung von
der Verbindung eines Wirbelblattes mit dem Strömungskörper zu dem oben genannten
freien Längsrand
des Wirbelblattes gibt, wobei sich der Winkel (α) zwischen dem Wirbelblatt und
der Senkrechten an der Strömungskörperfläche vorzugsweise zu
der Außenseite
hin allmählich
erhöht.
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Um
das Gemisch in Drehung zu versetzen, nehmen die Wirbelblätter eine
in Axialrichtung (Längsrichtung)
oder Strömungsrichtung
gewölbte Form
ein, wobei die Wölbung
in Axial- oder Strömungsrichtung
ansteigt.
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Die
Trennvorrichtung kann nicht nur zum Trennen von Gas/Flüssigkeit-Gemischen,
wie oben dargelegt, verwendet werden, sondern auch zum Trennen von
Gemischen allgemein, wie zum Beispiel Flüssigkeit/Flüssigkeit-Gemischen und/oder Gas/Festkörper-Gemischen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Trennsystem zum Trennen eines Gemisches,
aufweisend:
- – ein Rohr, welches mit wenigstens
einer Einlassöffnung
zum Zuführen
des Gemisches zum Trennen und wenigstens einer Auslassöffnung zum Abführen des
getrennten Gemisches versehen ist;
- – einen
Strömungskörper, der
in dem Rohr angeordnet ist und entlang dessen Außenfläche das Gemisch zum Trennen
gefördert
werden kann;
- – ein
oder mehrere Wirbelblätter,
die an der Außenfläche des
Strömungskörpers und/oder
der Innenfläche
des Rohres angeordnet sind, entlang welcher Blätter ein Gemisch von einem
proximalen Ende zu einem distalen Ende für den Zweck des Versetzens
des Gemisches in eine Drehbewegung strömt, um das Gemisch in einen
relativ schweren und einen relativ leichten Anteil zu trennen, wobei
die Position des Wirbelblattes im Wesentlichen schräg relativ
zu der Senkrechten an der Außenfläche des
Strömungskörpers ist
und das Wirbelblatt nach außen
gewölbt
ist, und wobei die Wölbung
des Wirbelblattes nach außen und/oder
die Position des Wirbelblattes an verschiedenen Stellen zwischen
dem proximalen und distalen Ende des Wirbelblattes variiert.
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Die
Wirbelblätter
können
hierbei an dem Rohr, an dem Strömungskörper oder
sowohl an dem Strömungskörper als
auch an dem Rohr fixiert sein. Für
eine optimale Trenneffizienz weist eine weitere bevorzugte Ausführungsform
betreffend einen Axialrückführzyklon
auf:
- – eine
oder mehrere Auslassöffnungen,
die stromabwärts
relativ zu den Wirbelblättern
für den Zweck
der Veranlassung eines Teils des Gemisches, seitlich aus dem Rohr
heraus zu strömen, angeordnet
sind;
- – einen
Rückführkanal,
der in Axialrichtung durch die Drehmittel hindurch zum Rückführen des
Teils des Gemisches, welcher über
die Auslassöffnungen
ausgetreten ist, in das Rohr hinein angeordnet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Details der vorliegenden Erfindung werden
auf der Basis der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
davon erläutert.
In der Beschreibung wird auf Figuren Bezug genommen, in welchen:
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1 zeigt
eine teilweise weggebrochene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung;
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2a zeigt
ein Foto einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung im
Querschnitt;
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2b zeigt
eine teilweise weggebrochene perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten
bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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3a–3b zeigen
schematische Schnitte zur Erläuterung
der Schrägstellung
und der Wölbung
der Wirbelblätter
nach außen;
und
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3c–3f zeigen
schematische Schnitte einer Anzahl von weiteren bevorzugten Ausführungsformen.
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Trenngefäße sind
zum Trennen von Gas/Öl-Gemischen
bekannt, wobei das unter hohem Druck eingeführte Gas/Flüssigkeit-Gemisch in einen im
Wesentlichen gashaltigen Anteil und einen im Wesentlichen flüssigkeitshaltigen
Anteil (jeweils den leichten und schweren Anteil) getrennt werden
kann. Danach wird eine erste Trennung des Gemisches entlang der
Zyklonkästen
geführt,
die in dem Trenngefäß angeordnet
sind. Ein Beispiel eines derartigen Zyklonkastens 1 ist
in 1 gezeigt.
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Der
Zyklonkasten 1 besteht aus acht Zyklonen. Das Gas/Flüssigkeit-Gemisch
wird von unten zugeführt
und in jedes der Zyklonrohre 3 der Zyklonen 2 geführt (Pfeil
A). Das Gas/Flüssigkeit-Gemisch strömt weiter
in Axialrichtung nach oben (Pfeil B) und erreicht einen Strömungskörper 4,
der in dem Rohr 3 positioniert ist. Der Strömungskörper 4 kann
viele Formen annehmen. Jedoch ist, um die Druckverluste in dem Rohr 3 zu
reduzieren, die Außenfläche des Strömungskörpers in
den meisten Fällen
gewölbt
und hat eine Form wie die in 2 gezeigte
Form.
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Eine
Anzahl von Wirbelblättern
oder Schaufeln 5 ist an der Außenfläche des Strömungskörpers 4 angeordnet.
Die Wirbelblätter 5 versetzen
das dort entlang strömende
Gemisch in Drehung (das Gemisch hierin bekommt eine Tangentialkomponente der
Geschwindigkeit), was durch die Pfeile C dargestellt ist. Durch
Versetzen des Gas/Flüssigkeit-Gemisches
in Drehung wird ein relativ schwerer Teil des Anteils, welcher in
diesem Falle einen Teil darstellt, der eine relativ große Menge
an Flüssigkeit
enthält, unter
dem Einfluss der auftretenden Zentrifugalkräfte nach außen geschleudert und kommt
an der Innenseite der Wand 3 zum Liegen, während ein
relativ leichter Teil, welcher in diesem Falle den Teil darstellt, der
eine relativ große
Menge an Gas enthält,
zum Strömen
um die und nahe zu der Mitte des Rohres 2 weiterläuft.
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Der
leichte Anteil tritt an der Oberseite des Rohres 3 (Pfeil
F) aus und wird anschließend
in einer nicht gezeigten Weise ausgelassen. Der schwere Anteil,
der durch die Drehbewegungen nach außen geschleudert wird, wird über Öffnungen 7 in
dem Rohr 3 teilweise ausgelassen und tritt aus einem Rückführkanal 8 aus
(Pfeil D). Der Rückführkanal 8 erstreckt sich
durch den Strömungskörper 4 hindurch,
so dass der relevante Teil des schweren Anteils an der Oberseite
des Strömungskörpers wieder
in das Rohr zurückgeführt wird
(Pfeil E). Ferner ist mit dem Rückführkanal 8 ein
Kanal 9 zum Auslassen des schweren Anteils verbunden, welcher
Kanal in einen Ringkanal 10 mündet, in welchen die Auslasskanäle der anderen
Zyklonen münden
(Pfeil G).
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Obwohl
das in 1 gezeigte Trennsystem ein System ist, in welchem
sogenannte Rückführzyklonen
angewendet werden, kann die Erfindung jedoch auch bei anderen Trennvorrichtungen,
zum Beispiel Axialzyklonen ohne Rückführung, Zyklonen zum Trennen
von Gas und festen Partikeln, Trennvorrichtungen für zwei oder
mehrere Flüssigkeiten (Flüssigkeit/Flüssigkeit-Trennvorrichtungen)
und so weiter angewendet werden.
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In 2 ist die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung ausführlicher
gezeigt. 2 ist eine teilweise weggeschnittene
perspektivische Ansicht eines Strömungskörpers 4, welcher in
einem Rohr 3 platziert ist. Die Wirbelblätter 5 sind
schräg
an der Außenfläche 11 des
Strömungskörpers 3 angeordnet.
Dies ist in 3a deutlicher gemacht, welche
die Schrägstellung
der Wirbelblätter
darstellt. Der Winkel α zwischen
der Senkrechten n an der Außenfläche 11 des
Strömungskörpers und
der untere Abschnitt des relevanten Wirbelblattes 5 beträgt weniger
als 90°.
In den meisten Fällen
liegt der Winkel α zwischen 25–65°. Infolge
der Schrägstellung
der Wirbelblätter hat
das dort entlang strömende
Gemisch ein natürlicheres
Strömungsprofil,
was eine bessere Strömung des
Gemisches entlang der Blätter
sicherstellt.
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3b stellt
die Wölbung
der Wirbelblätter nach
außen
dar und zeigt einen Querschnitt einer anderen bevorzugten Ausführungsform,
in welcher die Wirbelblätter 5' eine Position
haben, in welcher sie in bekannter Weise senkrecht an dem Strömungskörper 4 platziert
sind, jedoch in welcher die Wirbelblätter in Richtung nach außen oder
radial, d.h. von der Verbindung mit dem Strömungskörper so weit wie der freie
Längsrand
des betreffenden Wirbelblattes teilweise oder vollständig gewölbt sind.
In der gezeigten Ausführungsform
ist das Wirbelblatt nicht nahe zu dem mit dem Strömungskörper verbundenen
Ende gewölbt,
während
das Wirbelblatt nahe zu dem gegenüberliegenden Ende gewölbt ist.
Es ist gleichermaßen
denkbar, dass die Wölbung
sofort an der Stelle der Verbindung mit dem Strömungskörper beginnt.
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3c zeigt
einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher die
Wirbelblätter 5" nicht nur eine
Schrägstellung
(d.h. an der Stelle der Verbindung) relativ zu der Fläche des
Strömungskörpers 4 haben,
sondern auch in Richtung (radial) nach außen gekrümmt sind.
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Wenn
ein Wirbelblatt in der Strömungsrichtung
verläuft,
wird angemerkt, dass sich die Position eines Wirbelblattes und/oder
die Wölbung
des Wirbelblattes ändert.
Diese Änderung
wird derart eingestellt, dass ein optimales Strömungsprofil erzeugt wird. Eine
derartige Änderung
wird in den folgenden 3e und 3f deutlich
gemacht, in welchen ein einzelnes Wirbelblatt in unterschiedlichen
Positionen gezeigt ist (die anderen Wirbelblätter sind für den Zweck der Übersichtlichkeit
der Beschreibung weggelassen).
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In
einer weiteren vorteilhaften bevorzugten Ausführungsform wird die Position
eines Wirbelblattes von der Zuströmseite (Einlassseite) zu der
Abströmseite
des Strömungskörpers zunehmend
schräger.
Die Position des Wirbelblattes verläuft hierin bevorzugt in konstanter
Weise. Dies ist in 3d gezeigt, in welcher die durchgehende
Linie das Wirbelblatt 5 im Querschnitt in einer ersten
Position F zeigt, die gestrichelte Linie das Wirbelblatt im Querschnitt in
einer zweiten Position G zeigt, und die strichpunktierte Linie das
Wirbelblatt im Querschnitt in einer dritten, weiter vorgerückten Position
H zeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Position des Wirbelblattes entlang
des Strömungskörpers, d.h.
von dem Zuströmende
zu dem Abströmende
variiert.
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In
einer anderen vorteilhaften bevorzugten Ausführungsform variiert die Wölbung eines
Wirbelblattes von dem Zuströmende
(Einlassende) zu dem Abströmende
des Strömungskörpers betrachtet. Dies
ist in 3e gezeigt, in welcher die durchgehende
Linie das Wirbelblatt 5 im Querschnitt in einer ersten
Position F zeigt, die gestrichelte Linie das Wirbelblatt 5 im
Querschnitt in einer zweiten Position G zeigt, und die strichpunktierte
Linie das Wirbelblatt im Querschnitt in einer dritten, weiter vorgerückten Position
H zeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Wölbung des Wirbelblattes in
der Position F geringer als in der Position B ist, und die Wölbung in
der Position G wiederum geringer als in der Position H ist. Die Wölbung eines
Wirbelblattes (die anderen Wirbelblätter sind für den Zweck der Übersichtlichkeit
in den Figuren weggelassen) variiert daher entlang des Strömungskörpers, d.h.
von dem Zuströmende
zu dem Abströmende.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, wie
in 3f gezeigt, variiert sowohl die Position der Wirbelblätter als
auch deren Wölbung.
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Wie
aus 1 vermittelt werden kann, ist der Zuströmabschnitt
eines Wirbelblattes, d.h. in 1 der untere
Abschnitt des Wirbelblattes 12 axial, d.h. im Wesentlichen
parallel zu der Längsachse
des Strömungskörpers angeordnet.
Dies entspricht einem sehr großen
Radius der Wölbung,
zum Beispiel in der Größenordnung
von mehr als 1 bis 1,5 m. Weiter stromabwärts hiervon steigt die Wölbung der
Wirbelblätter
allmählich
an, um das dort entlang strömende
Gemisch in allmähliche
Drehung zu versetzen. Der Radius der Wölbung an dem Abströmende der
Wirbelblätter
sinkt dann kontinuierlich auf einen Wert ab, welcher so klein wie
5 cm sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene bevorzugte
Ausführungsform
davon beschränkt;
die begehrten Rechte sind durch die folgenden Ansprüche definiert,
in deren Bereich viele Modifikationen vorgesehen werden können.