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EP4380711A1 - Apparatus and method for separating fluid mixtures - Google Patents

Apparatus and method for separating fluid mixtures

Info

Publication number
EP4380711A1
EP4380711A1 EP22747658.7A EP22747658A EP4380711A1 EP 4380711 A1 EP4380711 A1 EP 4380711A1 EP 22747658 A EP22747658 A EP 22747658A EP 4380711 A1 EP4380711 A1 EP 4380711A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
fluid
fluid mixture
opening
annular gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22747658.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Rohovec
Josha HERZOG
Thomas Berger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer SE and Co KGaA
Original Assignee
Messer SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer SE and Co KGaA filed Critical Messer SE and Co KGaA
Publication of EP4380711A1 publication Critical patent/EP4380711A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D19/00Degasification of liquids
    • B01D19/0042Degasification of liquids modifying the liquid flow
    • B01D19/0052Degasification of liquids modifying the liquid flow in rotating vessels, vessels containing movable parts or in which centrifugal movement is caused
    • B01D19/0057Degasification of liquids modifying the liquid flow in rotating vessels, vessels containing movable parts or in which centrifugal movement is caused the centrifugal movement being caused by a vortex, e.g. using a cyclone, or by a tangential inlet
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D19/00Degasification of liquids
    • B01D19/0042Degasification of liquids modifying the liquid flow
    • B01D19/0052Degasification of liquids modifying the liquid flow in rotating vessels, vessels containing movable parts or in which centrifugal movement is caused
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D19/00Degasification of liquids
    • B01D19/0005Degasification of liquids with one or more auxiliary substances

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for separating fluid mixtures.
  • vacuum pumps are used to reduce the saturation concentration of a gas dissolved in a liquid by reducing the pressure, as a result of which it can be outgassed from the liquid and removed.
  • this method is very complex, at least in continuous operation, since it requires at least one additional pump in addition to the vacuum pump to convey the liquid to be degassed.
  • the maintenance effort is very high, particularly in the case of vacuum pumps that are used for degassing liquids heavily laden with solids and/or corrosive liquids.
  • a stripping gas for example carbon dioxide
  • the temperature can also be increased in order to reduce gas solubility.
  • this process is also very complex in terms of system technology, maintenance and energy consumption.
  • the stripping gas further substances are provided, the use of which may be associated with negative side effects, for example by having a corrosive effect on components of the apparatus or being toxic to the microorganisms contained in the liquid.
  • a degassing device for removing gases, such as ambient air, from fluids, such as oil, is known, for example, from WO 2017/080626 A1.
  • the device has a permeable membrane which allows the gas to be removed from the fluid to pass through and retains the liquid portion of the fluid.
  • the disadvantage of such membrane systems is that the pores become dirty over time (“membrane fouling”) and productivity is reduced as a result.
  • ultrasonic degassers are used, in which the liquid to be degassed is exposed to an ultrasonic field.
  • the fluctuations in density induced by the ultrasound lead to the formation of cavitation bubbles, which coagulate and can be separated from the liquid.
  • Ultrasonic degassers are used in particular to remove micro-bubbles and dissolved gas from oils.
  • An ultrasonic degasser used in the medical field is presented, for example, in EP 2 983 733 A1.
  • ultrasonic degassers have high investment and operating costs, and the constant vibration leads to rapid wear of the associated components.
  • a further possibility for degassing consists in supplying suitable chemicals to the liquid to be degassed in order to bind or convert the gas dissolved in the liquid, e.g. oxygen dissolved in water, as described, for example, in US Pat. No. 4,348,289 A1.
  • the chemical substances additionally required in this degassing process may be toxic or environmentally harmful substances, and additional more or less complex process steps are necessary to separate the reaction products from the liquid after the degassing process.
  • hydrocyclones are used to separate a fluid mixture, in which the fluid mixture is set in a rapid circulating motion in a swirl chamber, which leads to a separation of the components:
  • the fluid with the lowest density rotates in the center along the axis and is separated by a vertical in the inside of the swirl chamber protruding dip tube withdrawn upwards, while denser components, such as solids contained in a liquid, concentrate on the outside of the swirl chamber and exit through an outlet opening at the bottom.
  • denser components such as solids contained in a liquid
  • the invention is based on the object of creating a device and a method for separating fluid mixtures, in particular for degassing liquids, which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • a device comprises a nozzle for supplying a fluid mixture composed of several components into a volume and a separator located in the volume downstream of a nozzle orifice of the nozzle.
  • the nozzle has a conical annular gap, which is arranged between a conical inner surface of a nozzle jacket and a guide cone and opens at its tip with a nozzle opening into the volume, and a tangential, but axially spaced from the nozzle opening, into the conical annular gap opening fluid supply.
  • the tangential entry into the annular gap forces the fluid mixture to rotate, the angular velocity of which increases drastically up to the nozzle opening. Due to the high rotation speed, the liquid at the nozzle opening is ejected into the volume as a strongly twisted fluid jet.
  • the volume itself can be filled with the same fluid mixture or with another tolerable fluid, in particular an inert gas.
  • the pressure in the volume must be lower than the pressure of the supplied fluid mixture, but it can also be far lower, for example between 0.01 bar and 1 bar, with a pressure in the fluid supply of for example between 2 bar and 20 bar.
  • the width of the conical annular gap ie the distance between the inner wall of the nozzle shell and the outer wall of the guide cone, should not be greater at any point than the inner diameter of the fluid supply at its junction with the annular gap.
  • the annular gap can have an acute or an obtuse opening angle.
  • the opening angle is between 30° and 180°, preferably between 45° and 170°, particularly preferably between 60° and 135°; however, the conical boundary surfaces of the annular gap do not necessarily have to have straight surface lines.
  • the radial distance between the conical inner surface of the nozzle shell and the outer surface of the guide cone is constant between the opening of the fluid supply and the tip of the guide cone or decreases steadily in the direction of the nozzle opening; according to the invention, there is no provision for the distance between the boundary surfaces of the annular gap between the opening of the fluid supply and the nozzle opening to be widened, for example with the formation of a mixing chamber. Therefore, the volume available to the liquid in the annular gap decreases steadily up to the nozzle opening, which means that the axial speed, as well as the rotational speed, increases continuously. In particular, the Rotational speed due to the guidance of the liquid through a
  • the fluid mixture In the heavily wired fluid jet that forms in the volume downstream of the nozzle opening, there is a strong pressure gradient in the radial direction, with the pressure in an area close to the axis being very much lower than at the edge of the fluid jet. As a result, components of the fluid mixture with low density concentrate in the center of the fluid jet, while components with higher density accumulate in the outer area. If, in particular, the fluid mixture is a liquid with gases dissolved therein, the pressure inside the fluid jet can become so low that at least one gas is outgassed. Depending on the initial concentration and the generated absolute and partial pressures, all of the gases dissolved in the liquid can also outgas.
  • the radial pressure gradient, and thus the negative pressure in the center of the fluid jet, is determined by the rotational speed of the fluid jet, which in turn is determined in particular by the pressure of the fluid present at the fluid inlet of the nozzle, the viscosity of the fluid mixture and the nozzle geometry, in particular the width and the Opening angle of the conical annular gap and the width of the nozzle opening is determined.
  • the separator dips with its separating section into the fluid jet forming in the volume downstream of the nozzle opening.
  • the separating section is constructed in such a way that it separates a part of the fluid mixture lying radially on the inside in the fluid jet from the rest of the fluid mixture and discharges it via an outlet line leading off from the separating section. Since, as mentioned, fluid components with a low density are concentrated in the region of the fluid jet close to the axis, the discharged part of the fluid mixture also consists more of fluid components with a low density.
  • a pump can be provided in the discharge line downstream of the separation section for removing the low-density components from the separation section.
  • the device according to the invention has no dead spaces, movable installations or other separating elements that can be clogged, such as membranes or filters, in or on the nozzle and is therefore particularly suitable for the treatment of liquids containing solids.
  • the device is therefore particularly robust and low-maintenance.
  • the high radial pressure difference in the generated fluid jet makes it possible in particular to remove dissolved gases or gases present in the form of microbubbles from a liquid.
  • the separating section which is preferably arranged radially symmetrically to the axis of the conical annular gap, preferably has the shape of a tubular cylinder, a perforated disk (orifice) or a funnel, i.e. a tube or conical front section with an internal cross section that widens in the direction of the nozzle opening.
  • the jacket tube can be equipped radially on the outside with additional elements that promote separation, such as an outer jacket that widens conically in the direction away from the nozzle opening.
  • a pump for conveying the fluid mixture to the nozzle is preferably provided in the fluid supply.
  • the pump leads to a defined pressure at the entrance to the annular gap.
  • the pump can also be designed to be variable in its performance and adjustable as a function of measured parameters, for which purpose the device according to the invention can be equipped with a corresponding electronic control unit, for example, which can also take on other control tasks within the scope of the invention.
  • a preferably closed container filled with the same fluid mixture or with another fluid or a liquid-carrying line is preferably provided as the volume; however, it may be an open container, a basin, or a body of water.
  • a liquid-carrying line for example a pipeline through which the liquid flows
  • the nozzle and separating section are preferably arranged concentrically to the pipe axis.
  • the device according to the invention can easily be installed in an existing pipeline and enables continuous treatment of the medium conducted through the pipeline.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that a phase separator, for example a gas phase separator, is integrated in the outlet line and is flow-connected to the fluid supply via a return line.
  • the fluid mixture of low-density components received at the separating device is further broken down into components of different phases, with a denser phase being returned via the return line to the fluid supply of the nozzle; for example, a gas phase is separated from a gas-rich liquid phase in the phase separator and the gas-rich liquid phase is then fed back to the device according to the invention for the purpose of separation.
  • a particularly efficient degassing of a liquid can be carried out by the repeated treatment.
  • various setting options are provided in order to be able to adapt the selectivity of the separator to the respective requirements. These include, in particular, means for being able to vary the axial distance between the nozzle opening and the inlet opening of the separator and/or the axial position of the guide cone of the nozzle relative to the conical inner surface of the nozzle casing.
  • a heating device is expediently provided in the fluid supply and/or in the nozzle jacket and/or in the guide cone.
  • the viscosity of the fluid mixture is reduced by heating the fluid mixture before and/or during its passage through the nozzle, as a result of which the rotational speed of the fluid jet in particular can be increased and the pressure in the center of the fluid jet can thus be further reduced.
  • the reduction in viscosity is advantageous, for example, when treating oils laden with undesirable substances.
  • Substances with a comparatively high melting point, such as fats can also be freed from dissolved gases in this way. In general, the higher temperature reduces the solubility of gases dissolved in the fluid and thus promotes outgassing.
  • a likewise advantageous embodiment of the invention provides that a feed line, through which an inert gas is introduced into the fluid mixture, opens into the fluid feed.
  • inert gas means a gas that is compatible with the components of the Fluid mixture does not react chemically and in particular contains no or only a small amount of components of a gas to be removed from the fluid mixture. Due to the reduced partial pressure of this component, the inert gas can be used as a “sparging gas” in order to support the degassing of a gas contained in the fluid mixture, in particular a dissolved gas.
  • the additionally introduced inert gas reduces the viscosity of the fluid mixture and thus the rotational speed of the fluid mixture at the nozzle opening.
  • the separator is preferably equipped with means to actively support the separation of the components of the fluid mixture.
  • Active means should be understood here to mean those that are moved with an additional external drive, such as a motor.
  • a means is, for example, a perforated disc arranged at the inlet opening of the separating section or inside the separating section, equipped with blades or similar means, which is either rotatably mounted or can be moved with the separating section, which is rotatably mounted as a whole, and which is rotated rapidly by means of a motor can be brought, the speed of which exceeds the speed in the fluid jet.
  • the fluid mixture located outside a narrow area around the axis of the fluid jet is thrown outwards by the disc, as a result of which the negative pressure in the center of the fluid jet is further increased.
  • the nozzle is equipped with a segregation chamber between the tip of the guide cone and the nozzle opening.
  • the segregation chamber is a cylindrical chamber arranged axially symmetrically to the conical annular gap in front of the nozzle tip of the guide cone exit opening is.
  • the separator is arranged downstream and at a distance from the exit opening of the separation chamber.
  • the device is advantageously equipped with an ultrasonic device.
  • the Ultrasonic device can be constructed in such a way that the guide cone and/or the nozzle as a whole and/or the separator and/or a line and or a container in which the device is arranged is/are set into rapid, ultrasound-generating vibrations .
  • zones with different pressures form in the fluid mixture, which promote cavitation.
  • gas bubbles of a gas dissolved in the fluid mixture form in the cavitations.
  • the gas bubbles coagulate with one another and can then be removed from the fluid mixture by means of the separator.
  • the user of the device according to the invention has a large number of parameters at his disposal, which he can set according to the task at hand.
  • parameters include, in particular, the cross-sectional area of the nozzle opening, the position of the guide cone in the nozzle, the pressure in the fluid line, the distance between the nozzle opening and the separator in volume, the cross-sectional area of an inlet opening on the separator, the shape of the separator, the cross-sectional area of the nozzle opening, the position of the guide cone in the nozzle or the pressure in the fluid line.
  • the object of the invention is also achieved by a method having the features of claim 12.
  • the fluid mixture is separated as follows: First, a fluid mixture composed of several components is fed, for example using a pump, to a nozzle which has a conical annular gap, i.e. a volume delimited by two conical surfaces, with the fluid mixture passing through a tangential fluid supply which opens into the annular gap is fed into the conical annular gap.
  • the fluid mixture is forced into a spirally narrowing path in the conical annular gap and is ejected at a nozzle opening arranged at the tip of the conical annular gap in the form of a wired (fluid) jet into a fluid-filled volume.
  • the dynamic pressure of the fluid mixture in the wired jet is sufficient to bring about a separation of the lower-density components in the separator;
  • the separator can also be equipped with means for applying a negative pressure, such as a pump or a line system in which the weight of the fluid drawn off is used to generate a negative pressure in order to draw off the components of the fluid mixture located in the center of the wired jet even better to be able to
  • the method according to the invention enables a continuous separation of components of different densities from the fluid mixture.
  • the method according to the invention enables continuous degassing of a liquid flow or a suspension.
  • the volume can be filled with the same fluid mixture—or with components thereof—as the fluid mixture to be treated according to the method.
  • the volume is filled with an inert gas.
  • the inert gas is a gas that does not react or reacts only slightly with the components of the fluid mixture to be treated and does not dissolve in the fluid mixture or a component of the fluid mixture, or such a solution has no negative effects on the success of the process.
  • the inert gas can be, for example, carbon dioxide, nitrogen or an inert gas.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the nozzle and the separator are integrated in a partial circuit for the fluid mixture.
  • the separated fluid mixture is again subjected to a separation and the resulting relatively denser medium of the fluid supply is fed back to the nozzle.
  • a gas-rich liquid phase is separated from the fluid mixture in the separator.
  • the gas-rich liquid phase is fed to a phase separator, in which a gas phase that has formed is separated.
  • the remaining gas-rich liquid phase is fed back into the flow of the nozzle via a return line.
  • a delivery device for example an electric pump, is preferably arranged in the return line, by means of which liquid is continuously removed from the liquid volume and fed into the fluid supply line upstream of the nozzle.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for degassing homogeneous or inhomogeneous multi-component fluids, such as solutions, liquids or suspensions.
  • the liquid is, for example, water, in particular process water, waste water or cooling water, or a solution or suspension.
  • the gas to be separated is, for example, air, oxygen, nitrogen, carbon dioxide or another gas or a plurality of gases which is/are at least partially present in dissolved form in the liquid.
  • the invention is suitable for separating dissolved argon from water in the course of processing the water for electrolysis.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are also suitable for treating oils, in particular native oils or hydraulic oils.
  • Fig. 1a A device according to the invention in a first embodiment
  • Fig. 1b The device from Fig. 1a in cross section along the section line B-B in
  • Fig. 3b The device from Fig. 3a in cross-section along the section line B-B in
  • the device 1 shown in FIGS. 1a and 1b comprises a nozzle 2 and a separator 3 arranged at a distance in front of it
  • Fluid supply 5 opens.
  • a guide cone 6, which is also conically shaped, is arranged inside the nozzle jacket 4 in such a way that a conical annular gap 7 is open between the inner wall of the nozzle jacket 4 and the outer wall of the guide cone 6, and preferably in such a way that the cone tip 8 of the guide cone 6 is essentially in contact with a nozzle opening 9 of the Nozzle 2 is aligned.
  • the flow cross sections of nozzle opening 9, annular gap 7 and fluid supply 5 are preferably chosen to be essentially the same size.
  • the inner surface of the conical nozzle jacket 4 and the outer surface of the guide cone 6 can have the same opening angle, but it is also conceivable that the opening angle of the outer surface of the guide cone 6 is more acute than the opening angle of the inner surface of the nozzle jacket 4, the distance from the nozzle jacket 4 and guide cone 6 reduced towards the nozzle opening 9, as shown in Fig. 1a.
  • the nozzle 2 and separator 3 are housed within a volume 10, which may be a container or a duct, for example.
  • the volume 10 is filled with the same medium as that introduced via the nozzle 3 .
  • the medium is a fluid mixture made up of several components, such as a suspension, a mixture of two liquids or a solution.
  • a gas such as oxygen
  • a ramp - not shown here - can also be provided in the annular gap 7, through which the base of the annular gap 7 does not form a flat circular ring, but rather a winding in the direction of the Nozzle opening 9 describes ascending helical surface, which ends at its ramp end by a height corresponding to the diameter of the fluid supply 5 in the direction of the nozzle opening 9 .
  • the medium does not hit the side of the flow of the medium introduced simultaneously via the fluid supply 5, but is offset in the direction of the nozzle opening 9 and guided past it, whereby turbulence counteracting the acceleration of the medium is avoided.
  • the guide cone 6 can be fixedly mounted within the nozzle jacket 4 or—as shown here—be axially movable by means of a manual or motor-driven displacement device 11 in order to adapt the device 1 to the properties of the medium being treated and/or the respective work task.
  • a fluid mixture to be treated for example a liquid to be degassed
  • the fluid mixture is set into a rapid rotational movement, the angular velocity of which increases as the radius of the annular gap 7 decreases in the direction of flow up to the nozzle opening 9 .
  • the linear velocity component directed towards the nozzle opening 9 also increases.
  • the fluid mixture leaves the nozzle 2 at the nozzle opening 9 and is introduced into the volume 10 in the direction of the arrow 14 as a highly twisted jet 13 with a high torque and high axial speed. Due to the high rotational speed, a zone 16 of greatly reduced pressure is created along a central axis 15 of the jet 13, which is also the axis of symmetry of the annular gap 7. Components of lower density from the fluid mixture collect in the zone 16. For example, gas dissolved in the liquid outgasses and collects in zone 16 in the form of a multitude of small gas bubbles or a single gas bubble.
  • a pressure in the fluid supply of 5 bar a pressure in the fluid supply of 5 bar
  • a volume flow of 1.2 l/h of an aqueous solution and an opening cross section of nozzle opening 9 of 7 mm in front of nozzle opening 9 in volume 10 a pressure of 350 mbar and below measured.
  • the negative pressure generated can be varied over a wide range by means of different delivery pressures, volume flows and nozzle dimensions.
  • the separator 3 with a separating section 18 dips into the zone 16 .
  • the separating section 18 is a tubular cylinder which is arranged radially symmetrically to the axis 15 in the volume 10 and whose front inlet opening 19 is spaced axially from the nozzle opening 8 .
  • the cross-sectional area of the inlet opening 19 is approximately the same as that of the nozzle opening 9, but it can also be selected to be larger or smaller.
  • the separating section 18 is flow-connected to a discharge line 20 via which the fluid mixture penetrating into the separating section 18 is drawn off from the volume 10 .
  • gas or a gas-rich fraction collects in zone 16 , which gas was previously dissolved in the liquid introduced via nozzle 2 .
  • zone 16 At a greater radial distance from the axis 15 there are fluid components of higher density, for example a liquid phase or a phase with a lower proportion of gas. All fluid components move at high speed in the axial direction and have a correspondingly high kinetic energy. Since the zone 16 is under a significant negative pressure, the removal of the fluid components from this region usually requires an even greater negative pressure downstream of the separation section 18, which is generated, for example, by a vacuum pump which is arranged in the outlet line 20 (not shown here). Such a vacuum pump is usually required if one wishes to withdraw gas from the center of the wired jet 13 essentially exclusively.
  • a vacuum pump can be dispensed with. If the diameter of the separating section 18 is increased, fluid components of higher density increasingly enter the separating section 18, as a result of which the kinetic energy density of the fluid components introduced overall into the separating section 18, and thus the dynamic pressure, increases. If the dynamic pressure exceeds the negative pressure in the separating section 18, no additional means are required for removing the fluid components located in the separating section.
  • the fluid components present in the separating section 18 are drawn off via the outlet line 20, while the other fluid components remain in the volume 10 and are used for other purposes.
  • FIGS. 1a, 1b If the arrangement from FIGS. 1a, 1b is used for degassing liquids or suspensions, it is preferably arranged vertically, ie with a nozzle 2 pointing upwards with its tip and a separator 3 arranged above it.
  • a vertical arrangement the separated gas can escape upwards in a gas phase separator (not shown in FIG. 1a) downstream of the outlet 20, while the gas phase separator in the gas phase separator remaining liquid or the remaining suspension can be returned to the fluid supply 5.
  • FIGS. 2a to 2d Various embodiments of a separator which can be used in the invention are shown in FIGS. 2a to 2d.
  • FIG. 2a again shows a separator 3a of the type of separator 3 shown in FIG. 1a.
  • the separator 3a has a tubular separating section 18a, which is rotationally symmetrical about an axis 15 common to the nozzle 2 (which is only indicated in FIGS. 2a to 2d) and is arranged at a distance from the nozzle opening 9 with an inlet opening 19a.
  • the separator 3b shown in FIG. 2b has a separating section 18b which, in the region of its inlet opening 19b, has an outer casing 21 which widens conically in the direction of the nozzle opening 9 .
  • the flow emerging from the nozzle opening 9 is deflected radially outwards by the conical outer shell 21, as a result of which the pressure in an area close to the axis 15 at the inlet opening 19b is further reduced.
  • the separating section 18c of a separator 3c has a diaphragm arranged perpendicular to the axis 15 in the form of a perforated disk 22 arranged in a circle around the inlet opening 19c.
  • the medium emerging from the nozzle opening 9 is deflected radially by the perforated disk 22, while only a comparatively small proportion of the medium passes through the inlet opening 19c into the interior of the separating section 18c.
  • This variant also contributes to an increase in the pressure difference between an area near the axis 15 and the areas lying radially on the outside of it.
  • FIG. 2d shows a separator 3d which has a funnel 23 at the inlet opening 19d of its separating section 18d.
  • the funnel 23 increases the proportion of the medium emerging from the nozzle opening 9, which is introduced into the interior of the separating section 18d, compared to the proportion that is guided past the separating section 19d on the outside.
  • this is at the expense of the negative pressure present in the area of the axis 15 compared to the other areas in the volume 10 .
  • FIG. 3a shows a device 25 according to the invention in another embodiment.
  • the device 25 shown in FIG. In the fluid feed 29 in the device 25 there is also a heating element 30, for example an electric heating device, by means of which the fluid mixture can be heated and its viscosity reduced.
  • a tubular separation chamber 32 downstream of the nozzle opening 31 of the nozzle 26 there is a tubular separation chamber 32 which promotes the separation of the fluid mixture emerging from the nozzle 26 .
  • the length and cross section of the segregation chamber 32 can vary in order to achieve a good separation effect for the respective fluid mixture.
  • the device 25 also has a separator 33 with a tubular-cylindrical separating section 34 whose end face opposite the nozzle 27 has an inlet opening 35 .
  • a perforated disk 36 is mounted on this end face so as to be rotatable about a longitudinal axis 37, which can be set in rapid rotation by means of a drive device, not shown here.
  • Blades 38 are arranged on the perforated disk 36 on its side facing the nozzle 26 .
  • the perforated disk 36 is brought into a rotating motion about the longitudinal axis 37 , the rotational speed of which still exceeds the rotational speed of the fluid jet forming in front of the separation chamber 32 . This brings about an additional separation of components of different densities in the treated fluid mixture.
  • the device 25 is equipped with an ultrasonic generator 39, by means of which, for example, the guide cone 28 can be made to vibrate at a very high frequency (ultrasonic vibrations).
  • a very high frequency ultrasonic vibrations
  • cavitations are generated in the fluid mixture to be treated downstream of the nozzle opening 31, into which dissolved gas can outgas from the fluid mixture.
  • the efficiency of the device 25 is further increased.
  • the entire nozzle 25 or the nozzle jacket surrounding the guide cone 28 can also be set in ultrasonic vibrations, for example.
  • the device 40 according to the invention shown in FIG. 4 is integrated in a pipeline 41 and is intended, for example, to continuously degas a liquid conveyed through the pipeline 41 .
  • the device 40 comprises a nozzle 42 with fluid supply 43, annular gap 44, guide cone 45 and nozzle opening 46 as well as a separator 47, which is arranged with a separating section 48 within the pipeline 41 downstream of the nozzle opening 46 and has an inlet opening 49 spaced axially from the nozzle opening 46 .
  • the separating section 48 is connected to a gas phase separator 51 via an outlet line 50 .
  • a gas-laden liquid for example process water in which oxygen is dissolved
  • a pump 52 through an upstream section 53 of the pipeline 41 to the nozzle 42.
  • the liquid is made to rotate vigorously and flows out of the nozzle opening 46 into a downstream section 54 of the pipeline 41 at high axial speed, forming a strongly wired jet of liquid. Due to the strong rotational movement, a negative pressure is generated in the center of the wired liquid jet, which is sufficient to allow the gas dissolved in the liquid to outgas with the formation of gas bubbles 55 .
  • the separating section 48 of the separator 47 arranged centrally in the section 54 of the pipeline 41 dips at its inlet opening 49 into the center of the heavily wired jet of liquid and thereby separates a gas-rich phase from the liquid. Due to the high dynamic pressure in the separating section 48 , the gas-rich phase of the liquid is fed via the outlet line 50 to the gas-phase separator 51 , in which the already degassed phase is separated from the remaining gas-rich liquid and discharged via a gas outlet line 56 . The remaining gas-rich liquid is discharged via a liquid discharge line 57 and can optionally be returned to the pipe section 53 upstream of the pump 52 or fed to another use.
  • the liquid flow remaining in the pipeline section 54 has a greatly reduced proportion of gas.
  • the invention is otherwise not limited to the exemplary embodiments shown here. Rather, various features of the devices 1, 25, 40 can be combined with one another as desired, or the devices 1, 25, 40 can be supplemented with further features.
  • a heating device or an ultrasonic generator can also be provided in the devices 1, 40, or a gas supply line, not shown here, opens into the fluid supply 5, 29, 43 in order to reduce the viscosity of the fluid mixture to be treated with a supplied sparging gas.
  • various operating parameters of a device according to the invention such as the heating power of the heating element 30, the width of the annular gap 7, 27, 44, the distance of the separator 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47 from the nozzle 2, 26, 42 or the pressure of a pump conveying the fluid mixture to be treated to the nozzle 2, 26, 42 can be regulated by means of an electronic controller, not shown here, depending on continuously measured parameters, such as the temperature or the viscosity of the fluid mixture.

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Abstract

The invention relates to an apparatus for separating fluid mixtures, being equipped with a nozzle (2, 26, 42) for feeding a fluid mixture composed of a number of components of different density into a volume (10). The nozzle (2, 26, 42) has a conical annular gap (7, 27, 44) located between a conical inner face of a nozzle casing (4) and a guide cone (6, 28, 45) and opening out at its tip at a nozzle opening (9, 31, 46) into the volume (10), and a fluid feed (5, 29, 43) leading tangentially into the conical annular gap (7, 27, 44). Furthermore, the apparatus has a separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47), which has a separation portion (18a, 18b, 18c, 18d, 34, 48) located in the volume and fluidically connected to a discharge line (20, 50), and has an inlet opening (19, 19a, 19b, 19c, 19d) arranged concentrically to the nozzle opening (9, 31, 46) and axially spaced therefrom. The apparatus according to the invention enables an efficient and trouble-free separation of fluid mixtures, in particular the separation of dissolved gases from a liquid or suspension.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Fluidgemischen Device and method for separating fluid mixtures
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Trennen von Fluidgemischen. The invention relates to a device and a method for separating fluid mixtures.
Das Trennen von Fluidgemischen spielt in vielen Industriezweigen eine große Rolle. Beispielsweise muss Prozesswasser in verschiedenen Anwendungsgebieten entgast werden, um weniger korrosiv und anlagenschädigend zu sein. Zur Konditionierung von Wasser vor einer Elektrolyse muss im Wasser gelöstes Argon entfernt werden. Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, insbesondere bei der Bier- und Weinherstellung, in der Medizin, etwa bei der Dialyse, in der Trinkwasseraufbereitung oder bei der Entwässerung oder Entgasung von Ölen oder Schmierstoffen. Weiterhin besteht häufig die Aufgabe, Suspensionen, Emulsionen oder azeotrope Gemische voneinander zu trennen. The separation of fluid mixtures plays a major role in many branches of industry. For example, process water has to be degassed in various application areas in order to be less corrosive and less damaging to the system. In order to condition water prior to electrolysis, argon dissolved in the water must be removed. Further applications can be found, for example, in the food industry, in particular in beer and wine production, in medicine, for example in dialysis, in drinking water treatment or in the drainage or degassing of oils or lubricants. Furthermore, there is often the task of separating suspensions, emulsions or azeotropic mixtures from one another.
Im Falle der Entgasung von Flüssigkeiten kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Beispielsweise werden Vakuumpumpen dazu genutzt, durch Druckerniedrigung die Sättigungskonzentration eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases herabzusetzen, wodurch dieses aus der Flüssigkeit ausgast und entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist aber zumindest im kontinuierlichen Betrieb sehr aufwändig, da es neben der Vakuumpumpe wenigstens eine weitere Pumpe zur Förderung der zu entgasenden Flüssigkeit erfordert. Zudem ist der Wartungsaufwand insbesondere bei Vakuumpumpen, die zur Entgasung von stark mit Feststoffen beladenen und/oder korrosiven Flüssigkeiten eingesetzt werden, sehr hoch. In the case of the degassing of liquids, various processes are used. For example, vacuum pumps are used to reduce the saturation concentration of a gas dissolved in a liquid by reducing the pressure, as a result of which it can be outgassed from the liquid and removed. However, this method is very complex, at least in continuous operation, since it requires at least one additional pump in addition to the vacuum pump to convey the liquid to be degassed. In addition, the maintenance effort is very high, particularly in the case of vacuum pumps that are used for degassing liquids heavily laden with solids and/or corrosive liquids.
Insbesondere in der Lebensmittelindustrie kommen Füllkörperkolonnen zum Einsatz, an denen die zu entgasende Flüssigkeit mit einem Strippgas, beispielsweise Kohlendioxid, in Kontakt gebracht wird, das gegenüber der zu entgasenden Flüssigkeit inert ist. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der EP 3 624 914 A1 beschrieben. Zusätzlich zur Verwendung eines Strippgases kann dabei auch noch die Temperatur erhöht werden, um die Gaslöslichkeit herabzusetzen. Jedoch ist auch dieses Verfahren in Bezug auf Anlagentechnik, Wartung und Energieverbrauch sehr aufwändig. Zudem muss in Gestalt des Strippgases ein weiterer Stoff bereitgestellt werden, dessen Einsatz möglicherweise mit negativen Begleiterscheinungen verbunden ist, indem er etwa korrosiv auf Bestandteile der Apparatur wirkt oder toxisch für in der Flüssigkeit enthaltene Mikroorgansimen ist. In the food industry in particular, packed columns are used in which the liquid to be degassed is brought into contact with a stripping gas, for example carbon dioxide, which is inert to the liquid to be degassed. Such a method is described, for example, in EP 3 624 914 A1. In addition to using a stripping gas, the temperature can also be increased in order to reduce gas solubility. However, this process is also very complex in terms of system technology, maintenance and energy consumption. In addition, in the form of the stripping gas further substances are provided, the use of which may be associated with negative side effects, for example by having a corrosive effect on components of the apparatus or being toxic to the microorganisms contained in the liquid.
Beispielsweise aus der WO 2017/080626 A1 ist eine Entgasungsvorrichtung zum Entfernen von Gasen, wie Umgebungsluft, aus Fluiden, wie Öl, bekannt. Die Vorrichtung weist eine permeable Membran auf, die das aus dem Fluid zu entfernende Gas durchlässt und den Flüssigkeitsanteil des Fluids zurückhält. Nachteilig bei derartigen Membrananlagen ist jedoch, dass die Poren mit der Zeit verschmutzen („Membranfouling“) und dadurch die Produktivität herabgesetzt wird. A degassing device for removing gases, such as ambient air, from fluids, such as oil, is known, for example, from WO 2017/080626 A1. The device has a permeable membrane which allows the gas to be removed from the fluid to pass through and retains the liquid portion of the fluid. The disadvantage of such membrane systems, however, is that the pores become dirty over time (“membrane fouling”) and productivity is reduced as a result.
Weiterhin kommen Ultraschall-Entgaser zum Einsatz, bei denen die zu entgasende Flüssigkeit einem Ultraschallfeld ausgesetzt wird. Durch die vom Ultraschall induzierten Dichteschwankungen kommt es zur Entstehung von Kavitationsblasen, die koagulieren und von der Flüssigkeit abgetrennt werden können. Ultraschall- Entgaser kommen insbesondere zum Einsatz, um Öle von Mikrobläschen und gelöstem Gas zu befreien. Ein Ultraschall-Entgaser, der im medizinischen Bereich zum Einsatz kommt, wird etwa in der EP 2 983 733 A1 vorgestellt. Ultraschall- Entgaser sind jedoch mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden, und die beständige Vibration führt zu einem raschen Verschleiß der entsprechenden Bauteile. Furthermore, ultrasonic degassers are used, in which the liquid to be degassed is exposed to an ultrasonic field. The fluctuations in density induced by the ultrasound lead to the formation of cavitation bubbles, which coagulate and can be separated from the liquid. Ultrasonic degassers are used in particular to remove micro-bubbles and dissolved gas from oils. An ultrasonic degasser used in the medical field is presented, for example, in EP 2 983 733 A1. However, ultrasonic degassers have high investment and operating costs, and the constant vibration leads to rapid wear of the associated components.
Eine weitere Möglichkeit zur Entgasung besteht darin, der zu entgasenden Flüssigkeit geeignete Chemikalien zuzuführen, um das in der Flüssigkeit gelöste Gas, z.B. in Wasser gelöster Sauerstoff, abzubinden oder umzusetzen, wie beispielsweise in der US 4 348 289 A1 geschildert. Bei den bei diesem Entgasungsverfahren zusätzlich benötigten chemischen Substanzen handelt es sich jedoch unter Umständen um giftige oder umweltschädigende Substanzen, und es sind zusätzliche mehr oder weniger aufwändige Verfahrensschritte notwendig, um die Reaktionsprodukte im Anschluss an den Entgasungsvorgang von der Flüssigkeit abzutrennen. A further possibility for degassing consists in supplying suitable chemicals to the liquid to be degassed in order to bind or convert the gas dissolved in the liquid, e.g. oxygen dissolved in water, as described, for example, in US Pat. No. 4,348,289 A1. However, the chemical substances additionally required in this degassing process may be toxic or environmentally harmful substances, and additional more or less complex process steps are necessary to separate the reaction products from the liquid after the degassing process.
Bei der thermischen Entgasung, wie sie beispielsweise in der EP 1 429 858 A1 beschreiben wird, wird die zu entgasende Flüssigkeit erhitzt und das darin enthaltende Gas mit verschiedenen Methoden ausgetrieben. Derartige Verfahren sind aber nicht bei wärmeempfindlichen Fluiden anwendbar, wie beispielsweise bei einigen Lebensmitteln. Zudem ist die Erhitzung mit einem beträchtlichen Energieaufwand verbunden. In the case of thermal degassing, as is described, for example, in EP 1 429 858 A1, the liquid to be degassed is heated and that in it containing gas expelled with different methods. However, such methods are not applicable to heat-sensitive fluids, such as some foods. In addition, the heating involves a considerable expenditure of energy.
Weiterhin kommen zur Trennung eines Fluidgemisches Hydrozyklone zum Einsatz, in denen das Fluidgemisch in einer Drallkammer in eine rasche Umlaufbewegung versetzt wird, die zu einer Trennung der Komponenten führt: Das Fluid mit der geringsten Dichte rotiert im Zentrum entlang der Achse und wird durch ein vertikal in das Innere der Drallkammer hineinragendes Tauchrohr nach oben abgezogen, während dichtere Bestandteile, wie etwa in einer Flüssigkeit enthaltene Feststoffe, sich im Außenbereich der Drallkammer aufkonzentrieren und durch eine bodenseitige Austrittsöffnung austreten. Im Betrieb mit solchen Fluiden, die stark mit Feststoffen beladen sind, kann es jedoch zu einer Überfrachtung der Drallkammer und letztlich zur Verstopfung der Austrittsmündung kommen. Erst Recht gilt dies, wenn innerhalb der Drallkammer zusätzliche statische Einrichtungen zur Drallerzeugung vorgesehen sind, wie dies beispielsweise beim Gegenstand der WO 2014 192 896 A1 der Fall ist. Somit sind diese Systeme jedenfalls nicht, oder nicht ohne weiteres, für den Einsatz bei Suspensionen, also Flüssigkeiten mit festkörperförmigen Verunreinigungen, geeignet. Ebenso wenig sind Hydrozyklone zur Trennung homogener Mehrstofffluide, also beispielsweise Lösungen, geeignet. Furthermore, hydrocyclones are used to separate a fluid mixture, in which the fluid mixture is set in a rapid circulating motion in a swirl chamber, which leads to a separation of the components: The fluid with the lowest density rotates in the center along the axis and is separated by a vertical in the inside of the swirl chamber protruding dip tube withdrawn upwards, while denser components, such as solids contained in a liquid, concentrate on the outside of the swirl chamber and exit through an outlet opening at the bottom. However, when operating with fluids that are heavily laden with solids, the swirl chamber can become overloaded and the outlet opening can ultimately become blocked. This applies all the more if additional static devices for generating swirl are provided inside the swirl chamber, as is the case, for example, with the subject matter of WO 2014 192 896 A1. In any case, these systems are not, or not without further ado, suitable for use with suspensions, i.e. liquids with solid impurities. Hydrocyclones are just as unsuitable for separating homogeneous multi-component fluids, for example solutions.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen von Fluidgemischen, insbesondere zum Entgasen von Flüssigkeiten, zu schaffen, die bzw. welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet. The invention is based on the object of creating a device and a method for separating fluid mixtures, in particular for degassing liquids, which overcomes the disadvantages of the prior art.
Gelöst ist die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. The object is achieved by a device having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 12. Advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Düse zum Zuführen eines aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Fluidgemisches in ein Volumen sowie einen im Volumen, stromab zu einer Düsenöffnung der Düse, angeordneten Separator. A device according to the invention comprises a nozzle for supplying a fluid mixture composed of several components into a volume and a separator located in the volume downstream of a nozzle orifice of the nozzle.
Die Düse weist einen konischen Ringspalt, der zwischen einer konischen Innenfläche eines Düsenmantels und einem Führungskegel angeordnet ist und an seiner Spitze mit einer Düsenöffnung in das Volumen ausmündet, sowie eine tangential, jedoch axial beabstandet von der Düsenöffnung, in den konischen Ringspalt einmündende Fluidzuführung auf. Der tangentiale Eintritt in den Ringspalt zwingt dem Fluidgemisch eine rotierende Bewegung auf, deren Winkelgeschwindigkeit bis zur Düsenöffnung hin drastisch zunimmt. Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit wird die Flüssigkeit an der Düsenöffnung als stark verdrallter Fluidstrahl in das Volumen ausgestoßen. Das Volumen selbst kann dabei mit dem gleichen Fluidgemisch oder mit einem anderen tolerierbaren Fluid, insbesondere einem Inertgas, gefüllt sein. Der Druck im Volumen muss geringer als der Druck des zugeführten Fluidgemisches sein, er kann jedoch auch weit darunter liegen, beispielsweise zwischen 0,01 bar und 1 bar, bei einem Druck in der Fluidzuführung von beispielsweise zwischen 2 bar und 20 bar. The nozzle has a conical annular gap, which is arranged between a conical inner surface of a nozzle jacket and a guide cone and opens at its tip with a nozzle opening into the volume, and a tangential, but axially spaced from the nozzle opening, into the conical annular gap opening fluid supply. The tangential entry into the annular gap forces the fluid mixture to rotate, the angular velocity of which increases drastically up to the nozzle opening. Due to the high rotation speed, the liquid at the nozzle opening is ejected into the volume as a strongly twisted fluid jet. The volume itself can be filled with the same fluid mixture or with another tolerable fluid, in particular an inert gas. The pressure in the volume must be lower than the pressure of the supplied fluid mixture, but it can also be far lower, for example between 0.01 bar and 1 bar, with a pressure in the fluid supply of for example between 2 bar and 20 bar.
Die Breite des konischen Ringspalts, d.h. der Abstand zwischen der Innenwand des Düsenmantels und der Außenwand des Führungskegels, sollte an keiner Stelle größer sein als der Innendurchmesser der Fluidzuführung an ihrer Einmündung in den Ringspalt. Der Ringspalt kann einen spitzen oder auch einen stumpfen Öffnungswinkel aufweisen. Beispielsweise beträgt der Öffnungswinkel zwischen 30° und 180°, bevorzugt zwischen 45° und 170°, besonders bevorzugt zwischen 60° und 135°; die konischen Begrenzungsflächen des Ringspalts müssen jedoch nicht zwingend gerade Mantellinien aufweisen. Der radiale Abstand zwischen der konischen Innenfläche des Düsenmantels und der Außenfläche des Führungskegel ist zwischen der Einmündung der Fluidzuführung und der Spitze des Führungskegels konstant oder verringert sich stetig in Richtung der Düsenöffnung; eine Aufweitung des Abstandes zwischen den Begrenzungsflächen des Ringspalts zwischen Einmündung der Fluidzuführung und der Düsenöffnung, beispielsweise unter Ausbildung einer Mischkammer, ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Daher verkleinert sich das der Flüssigkeit im Ringspalt zur Verfügung stehende Volumen stetig bis zu Düsenöffnung, wodurch sich die axiale Geschwindigkeit, ebenso wie die Rotationsgeschwindigkeit, kontinuierlich erhöht. Insbesondere ist die Rotationsgeschwindigkeit aufgrund der Führung der Flüssigkeit durch einenThe width of the conical annular gap, ie the distance between the inner wall of the nozzle shell and the outer wall of the guide cone, should not be greater at any point than the inner diameter of the fluid supply at its junction with the annular gap. The annular gap can have an acute or an obtuse opening angle. For example, the opening angle is between 30° and 180°, preferably between 45° and 170°, particularly preferably between 60° and 135°; however, the conical boundary surfaces of the annular gap do not necessarily have to have straight surface lines. The radial distance between the conical inner surface of the nozzle shell and the outer surface of the guide cone is constant between the opening of the fluid supply and the tip of the guide cone or decreases steadily in the direction of the nozzle opening; according to the invention, there is no provision for the distance between the boundary surfaces of the annular gap between the opening of the fluid supply and the nozzle opening to be widened, for example with the formation of a mixing chamber. Therefore, the volume available to the liquid in the annular gap decreases steadily up to the nozzle opening, which means that the axial speed, as well as the rotational speed, increases continuously. In particular, the Rotational speed due to the guidance of the liquid through a
Ringspalt höher als bei einem ansonsten gleich großen hohlkegligen Düsenkörper. Annular gap higher than with an otherwise equally large hollow cone nozzle body.
In dem sich stromab zur Düsenöffnung im Volumen ausbildenden, stark verdrahten Fluidstrahl besteht in radialer Richtung ein starker Druckgradient, wobei der Druck in einem achsennahen Bereich sehr viel niedriger ist als am Rand des Fluidstrahls. Dadurch konzentrieren sich Komponenten des Fluidgemisches mit niedriger Dichte im Zentrum des Fluidstrahls, während sich Komponenten mit höherer Dichte in dessen Außenbereich anreichert. Handelt es sich insbesondere beim Fluidgemisch um eine Flüssigkeit mit darin gelösten Gasen, kann der der Druck im Innern des Fluidstrahls so niedrig werden, dass es zum Ausgasen wenigstens eines Gases kommt. Abhängig von der Ausgangskonzentration und der erzeugten Absolut- und Partialdrücke kann es auch zum Ausgasen aller in der Flüssigkeit gelösten Gase kommen. Der radiale Druckgradient, und damit der Unterdrück im Zentrum des Fluidstrahls, wird durch die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidstrahls bestimmt, die wiederum insbesondere durch den Druck des an der Fluidzuführung der Düse anliegenden Fluids, der Viskosität des Fluidgemisches sowie durch die Düsengeometrie, insbesondere der Breite und dem Öffnungswinkel des konischen Ringspalts und der Breite der Düsenöffnung, bestimmt wird. In the heavily wired fluid jet that forms in the volume downstream of the nozzle opening, there is a strong pressure gradient in the radial direction, with the pressure in an area close to the axis being very much lower than at the edge of the fluid jet. As a result, components of the fluid mixture with low density concentrate in the center of the fluid jet, while components with higher density accumulate in the outer area. If, in particular, the fluid mixture is a liquid with gases dissolved therein, the pressure inside the fluid jet can become so low that at least one gas is outgassed. Depending on the initial concentration and the generated absolute and partial pressures, all of the gases dissolved in the liquid can also outgas. The radial pressure gradient, and thus the negative pressure in the center of the fluid jet, is determined by the rotational speed of the fluid jet, which in turn is determined in particular by the pressure of the fluid present at the fluid inlet of the nozzle, the viscosity of the fluid mixture and the nozzle geometry, in particular the width and the Opening angle of the conical annular gap and the width of the nozzle opening is determined.
Der Separator taucht mit seinem Trennabschnitt in den sich im Volumen stromab zur Düsenöffnung ausbildenden Fluidstrahl ein. Der Trennabschnitt ist so aufgebaut, dass er einen im Fluidstrahl radial innen liegenden Teil des Fluidgemisches vom übrigen Fluidgemisch trennt und über eine vom Trennabschnitt abgehende Ausleitung abführt. Da sich, wie erwähnt, im achsennahen Bereich des Fluidstrahls Fluidkomponenten mit niedriger Dichte konzentrieren, besteht auch der abgeführte Teil des Fluidgemisches stärker aus Fluidkomponenten mit niedriger Dichte. Durch Variation des Abstandes zwischen Düsenöffnung und Einlassöffnung des Separators, sowie durch die Querschnittsfläche der Einlassöffnung können Trennschärfe und Trennleistung des Separators eingestellt werden. Zum Abführen der Komponenten niedriger Dichte aus dem Trennabschnitt kann in der Ausleitung stromab zum Trennabschnitt eine Pumpe vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in oder an der Düse keine Toträume, bewegliche Einbauten oder sonstige verstopfbare Trennelemente, wie Membranen oder Filter, auf und ist daher besonders zur Behandlung von feststoffhaltigen Flüssigkeiten geeignet. Die Vorrichtung ist daher besonders robust und wartungsarm. Der hohe radiale Druckunterschied im erzeugten Fluidstrahl ermöglicht insbesondere die Entfernung von gelösten oder in Form von Mikrobläschen vorliegenden Gasen aus einer Flüssigkeit. The separator dips with its separating section into the fluid jet forming in the volume downstream of the nozzle opening. The separating section is constructed in such a way that it separates a part of the fluid mixture lying radially on the inside in the fluid jet from the rest of the fluid mixture and discharges it via an outlet line leading off from the separating section. Since, as mentioned, fluid components with a low density are concentrated in the region of the fluid jet close to the axis, the discharged part of the fluid mixture also consists more of fluid components with a low density. By varying the distance between the nozzle opening and the inlet opening of the separator, as well as by varying the cross-sectional area of the inlet opening, the selectivity and separating performance of the separator can be adjusted. A pump can be provided in the discharge line downstream of the separation section for removing the low-density components from the separation section. The device according to the invention has no dead spaces, movable installations or other separating elements that can be clogged, such as membranes or filters, in or on the nozzle and is therefore particularly suitable for the treatment of liquids containing solids. The device is therefore particularly robust and low-maintenance. The high radial pressure difference in the generated fluid jet makes it possible in particular to remove dissolved gases or gases present in the form of microbubbles from a liquid.
Der bevorzugt radialsymmetrisch zur Achse des konischen Ringspalts angeordnete Trennabschnitt weist vorzugsweise die Form eines Rohrzylinders, einer Lochscheibe (Blende) oder eines Trichters, also einem Rohr oder konischem Vorderabschnitt mit einem in Richtung auf die Düsenöffnung zu sich aufweitenden Innenquerschnitt, auf. Besitzt der Trennabschnitt die Form eines Rohrzylinders, kann das Mantelrohr radial außenseitig mit zusätzlichen, die Trennung begünstigenden Elementen ausgerüstet sein, wie beispielsweise einen konisch in Richtung von der Düsenöffnung weg sich aufweitenden Außenmantel. The separating section, which is preferably arranged radially symmetrically to the axis of the conical annular gap, preferably has the shape of a tubular cylinder, a perforated disk (orifice) or a funnel, i.e. a tube or conical front section with an internal cross section that widens in the direction of the nozzle opening. If the separating section is in the form of a tubular cylinder, the jacket tube can be equipped radially on the outside with additional elements that promote separation, such as an outer jacket that widens conically in the direction away from the nozzle opening.
Vorzugsweise ist in der Fluidzuführung eine Pumpe zum Fördern des Fluidgemisches zur Düse vorgesehen. Die Pumpe führt zu einem definierten Druck am Eingang zum Ringspalt. Die Pumpe kann dabei auch in ihrer Leistung variabel und in Abhängigkeit von gemessenen Parametern regelbar ausgestaltet sein, wozu die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer entsprechenden, beispielsweise elektronischen Steuereinheit ausgestattet sein kann, die im Übrigen auch weitere Regelaufgaben im Rahmen der Erfindung übernehmen kann. A pump for conveying the fluid mixture to the nozzle is preferably provided in the fluid supply. The pump leads to a defined pressure at the entrance to the annular gap. The pump can also be designed to be variable in its performance and adjustable as a function of measured parameters, for which purpose the device according to the invention can be equipped with a corresponding electronic control unit, for example, which can also take on other control tasks within the scope of the invention.
Bevorzugt ist als Volumen ein mit dem gleichen Fluidgemisch oder mit einem anderen Fluid gefüllter, bevorzugt geschlossener Behälter oder eine flüssigkeitsführende Leitung vorgesehen; es kann sich dabei jedoch um einen offenen Behälter, ein Becken oder um ein Gewässer handeln. Im Falle einer flüssigkeitsführenden Leitung, etwa einer von der Flüssigkeit durchströmten Rohrleitung, sind Düse und Trennabschnitt bevorzugt konzentrisch zur Rohrachse angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere leicht in eine bestehende Rohrleitung eingebaut werden und ermöglicht eine kontinuierliche Behandlung des durch die Rohrleitung geführten Mediums. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der Ausleitung ein Phasentrenner, beispielsweise ein Gasphasenseparator, integriert ist, der über eine Rückleitung mit der Fluidzuführung strömungsverbunden ist. Im Phasentrenner wird das an der Trenneinrichtung aufgenommene Fluidgemisch aus Komponenten mit niedriger Dichte weiter in Komponenten unterschiedlicher Phase zerlegt, wobei eine dichtere Phase über die Rückleitung zur Fluidzuführung der Düse zurückgeführt wird; beispielsweise wird im Phasentrenner eine Gasphase von einer gasreichen Flüssigphase abgetrennt und die gasreiche Flüssigphase anschließend erneut der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwecks Trennung zugeführt. Durch die wiederholte Behandlung kann eine besonders effiziente Entgasung einer Flüssigkeit durchgeführt werden. A preferably closed container filled with the same fluid mixture or with another fluid or a liquid-carrying line is preferably provided as the volume; however, it may be an open container, a basin, or a body of water. In the case of a liquid-carrying line, for example a pipeline through which the liquid flows, the nozzle and separating section are preferably arranged concentrically to the pipe axis. In particular, the device according to the invention can easily be installed in an existing pipeline and enables continuous treatment of the medium conducted through the pipeline. A particularly advantageous embodiment of the invention provides that a phase separator, for example a gas phase separator, is integrated in the outlet line and is flow-connected to the fluid supply via a return line. In the phase separator, the fluid mixture of low-density components received at the separating device is further broken down into components of different phases, with a denser phase being returned via the return line to the fluid supply of the nozzle; for example, a gas phase is separated from a gas-rich liquid phase in the phase separator and the gas-rich liquid phase is then fed back to the device according to the invention for the purpose of separation. A particularly efficient degassing of a liquid can be carried out by the repeated treatment.
In einer weiterführenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind verschiedene Einstellmöglichkeiten vorgesehen, um die Trennschärfe des Separators den jeweiligen Erfordernissen anpassen zu können. Darunter zählen insbesondere Mittel, um den axialen Abstand zwischen Düsenöffnung und Einlassöffnung des Separators und/oder die axiale Position des Führungskegels der Düse gegenüber der konischen Innenfläche des Düsenmantels variieren zu können. In a further development of the device according to the invention, various setting options are provided in order to be able to adapt the selectivity of the separator to the respective requirements. These include, in particular, means for being able to vary the axial distance between the nozzle opening and the inlet opening of the separator and/or the axial position of the guide cone of the nozzle relative to the conical inner surface of the nozzle casing.
Zweckmäßigerweise ist in der Fluidzuführung und/oder im Düsenmantel und/oder im Führungskegel eine Heizeinrichtung vorgesehen. Durch die Beheizung des Fluidgemisches vor und/oder während seines Durchgangs durch die Düse wird seine Viskosität verringert, wodurch insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidstrahls gesteigert und damit der Druck im Zentrum des Fluidstrahls weiter reduziert werden kann. Die Viskositätserniedrigung ist beispielsweise bei der Behandlung von mit unerwünschten Stoffen beladenen Ölen von Vorteil. Stoffe mit vergleichsweise hohem Schmelzpunkt, wie z.B. Fette, können auf diese Weise auch von darin gelösten Gasen befreit werden. Generell wird durch die höhere Temperatur die Löslichkeit von im Fluid gelösten Gasen verringert und so ein Ausgasen begünstigt. A heating device is expediently provided in the fluid supply and/or in the nozzle jacket and/or in the guide cone. The viscosity of the fluid mixture is reduced by heating the fluid mixture before and/or during its passage through the nozzle, as a result of which the rotational speed of the fluid jet in particular can be increased and the pressure in the center of the fluid jet can thus be further reduced. The reduction in viscosity is advantageous, for example, when treating oils laden with undesirable substances. Substances with a comparatively high melting point, such as fats, can also be freed from dissolved gases in this way. In general, the higher temperature reduces the solubility of gases dissolved in the fluid and thus promotes outgassing.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in die Fluidzuführung eine Zuleitung einmündet, durch die ein Inertgas in das Fluidgemisch eingeleitet wird. „Inertgas“ bedeutet hier ein Gas, das mit den Komponenten des Fluidgemisches chemisch nicht reagiert und insbesondere keine oder nur in geringem Umfang Komponenten eines aus dem Fluidgemisch zu entfernenden Gases enthält. Durch den insoweit reduzierten Partialdruck dieser Komponente kann das Inertgas so als „Sparging-Gas“ eingesetzt werden, um die Entgasung eines im Fluidgemisch enthaltenen, insbesondere gelösten, Gases zu unterstützen. Zudem verringert das zusätzlich eingeleitete Inertgas die Viskosität des Fluidgemisches und damit die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidgemisches an der Düsenöffnung. A likewise advantageous embodiment of the invention provides that a feed line, through which an inert gas is introduced into the fluid mixture, opens into the fluid feed. As used herein, "inert gas" means a gas that is compatible with the components of the Fluid mixture does not react chemically and in particular contains no or only a small amount of components of a gas to be removed from the fluid mixture. Due to the reduced partial pressure of this component, the inert gas can be used as a “sparging gas” in order to support the degassing of a gas contained in the fluid mixture, in particular a dissolved gas. In addition, the additionally introduced inert gas reduces the viscosity of the fluid mixture and thus the rotational speed of the fluid mixture at the nozzle opening.
Bevorzugt ist der Separator mit Mitteln ausgerüstet, um die Trennung der Komponenten des Fluidgemisches aktiv zu unterstützen. Als „aktive“ Mittel sollen hier solche verstanden werden, die mit einem zusätzlichen Fremdantrieb, etwa einem Motor, bewegt werden. Ein solches Mittel ist etwa eine an der Einlassöffnung des Trennabschnitts oder innerhalb des Trennabschnitts angeordnete, mit Schaufeln oder ähnlichen Mitteln bestückte Lochscheibe, die entweder drehbar gelagert ist oder mit dem als Ganzes drehbar gelagerten Trennabschnitt bewegt werden kann, und die mittels eines Motors in rasche Umdrehungen gebracht werden kann, deren Drehzahl die Drehzahl im Fluidstrahl noch übersteigt. Durch die Scheibe wird das außerhalb eines engen Bereiches um die Achse des Fluidstrahls befindliche Fluidgemisch nach außen geschleudert, wodurch der Unterdrück im Zentrum des Fluidstrahls weiter verstärkt wird. The separator is preferably equipped with means to actively support the separation of the components of the fluid mixture. “Active” means should be understood here to mean those that are moved with an additional external drive, such as a motor. Such a means is, for example, a perforated disc arranged at the inlet opening of the separating section or inside the separating section, equipped with blades or similar means, which is either rotatably mounted or can be moved with the separating section, which is rotatably mounted as a whole, and which is rotated rapidly by means of a motor can be brought, the speed of which exceeds the speed in the fluid jet. The fluid mixture located outside a narrow area around the axis of the fluid jet is thrown outwards by the disc, as a result of which the negative pressure in the center of the fluid jet is further increased.
In einer ebenfalls vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Düse, zwischen Spitze des Führungskegels und Düsenöffnung, mit einer Entmischungskammer ausgerüstet. Bei der Entmischungskammer handelt es sich um eine achsensymmetrisch zum konischen Ringspalt vor der Düsenspitze des Führungskegels angeordnete zylindrische Kammer, deren Länge beispielsweise dem 0,5- bis 2-fachen des Führungskegels entspricht, und deren führungskegelseitigen Eingangsöffnung größer als die auf der davon gegenüberliegenden Stirnseite angeordnete Ausgangsöffnung ist. Der Separator ist in diesem Fall stromab und beanstandet von der Ausgangsöffnung der Entmischungskammer angeordnet. In a likewise advantageous variant of the invention, the nozzle is equipped with a segregation chamber between the tip of the guide cone and the nozzle opening. The segregation chamber is a cylindrical chamber arranged axially symmetrically to the conical annular gap in front of the nozzle tip of the guide cone exit opening is. In this case, the separator is arranged downstream and at a distance from the exit opening of the separation chamber.
Um eine Trennung verschiedener Phasen im Fluidgemisch, beispielsweise einer Gasphase von einer flüssigen Phase, zu unterstützen, ist die Vorrichtung vorteilhafterweise mit einer Ultraschalleinrichtung ausgerüstet. Die Ultraschalleinrichtung kann so aufgebaut sein, dass der Führungskegel und/oder die Düse als Ganzes und/oder der Separator und/oder eine Leitung und oder ein Behälter, in der bzw. dem die Vorrichtung angeordnet ist, in rasche, ultraschallerzeugende Vibrationen versetzt wird/werden. Während der Vibration bilden sich im Fluidgemisch Zonen mit unterschiedlichem Druck aus, die die Entstehung von Kavitation begünstigen. In den Kavitationen bilden sich beispielsweise Gasbläschen eines im Fluidgemisch gelösten Gases. Die Gasbläschen koagulieren miteinander und können anschließend mittels des Separators aus dem Fluidgemisch entfernt werden. In order to support a separation of different phases in the fluid mixture, for example a gas phase from a liquid phase, the device is advantageously equipped with an ultrasonic device. The Ultrasonic device can be constructed in such a way that the guide cone and/or the nozzle as a whole and/or the separator and/or a line and or a container in which the device is arranged is/are set into rapid, ultrasound-generating vibrations . During the vibration, zones with different pressures form in the fluid mixture, which promote cavitation. For example, gas bubbles of a gas dissolved in the fluid mixture form in the cavitations. The gas bubbles coagulate with one another and can then be removed from the fluid mixture by means of the separator.
Um einen gewünschten Trenneffekt, beispielsweise die Entfernung eines gelösten Gases aus einer Flüssigkeit, zu erzielen, stehen dem Anwender der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vielzahl an Parametern zur Verfügung, die er entsprechend der gestellten Aufgabe einstellen kann. Dazu gehören insbesondere die Querschnittsfläche der Düsenöffnung, die Position des Führungskegels in der Düse, der Druck in der Fluidleitung, der Abstand zwischen Düsenöffnung und Separator im Volumen, die Querschnittsfläche einer Eingangsöffnung am Separator, die Form des Separators, die Querschnittsfläche der Düsenöffnung, die Position des Führungskegels in der Düse oder der Druck in der Fluidleitung. In order to achieve a desired separation effect, for example the removal of a dissolved gas from a liquid, the user of the device according to the invention has a large number of parameters at his disposal, which he can set according to the task at hand. These include, in particular, the cross-sectional area of the nozzle opening, the position of the guide cone in the nozzle, the pressure in the fluid line, the distance between the nozzle opening and the separator in volume, the cross-sectional area of an inlet opening on the separator, the shape of the separator, the cross-sectional area of the nozzle opening, the position of the guide cone in the nozzle or the pressure in the fluid line.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. The object of the invention is also achieved by a method having the features of claim 12.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Trennung des Fluidgemisches wie folgt: Zunächst wird ein aus mehreren Komponenten zusammengesetztes Fluidgemisch beispielsweise unter Einsatz einer Pumpe einer Düse zugeführt, die einen konischen Ringspalt, also ein von zwei konischen Flächen begrenztes Volumen, aufweist, wobei das Fluidgemisch über eine tangential in den Ringspalt einmündende Fluidzuführung in den konischen Ringspalt eingespeist wird. Das Fluidgemisch wird im konischen Ringspalt in eine spiralförmig sich verengende Bahn gezwungen und an einer an der Spitze des konischen Ringspalts angeordneten Düsenöffnung in Form eines verdrahten (Fluid-)strahls in ein fluidgefülltes Volumen ausgestoßen. Dadurch bildet sich im verdrahten Strahl eine Zone verringerten Drucks, die dafür sorgt, dass sich Komponenten unterschiedlicher Dichte im Fluidgemisch in radialer Richtung zumindest teilweise entmischen, wobei sich Komponenten geringerer Dichte im Zentrum, Komponenten höherer Dichte am Rand des verdrahten Strahls anreichem. Schließlich wird mit Hilfe eines Separators Fluidgemisch aus der Zone verringerten Drucks abgezogen im verdrahten Strahl abgezogen und vom übrigen Fluidgemisch getrennt. Dabei reicht in der Regel der dynamische Druck des Fluidgemisches im verdrahten Strahl aus, um eine Abtrennung der Komponenten geringerer Dichte im Separator zu bewirken; optional kann der Separator aber auch mit Mitteln zum Anlegen eines Unterdrucks ausgerüstet sein, etwa eine Pumpe oder ein Leitungssystem, in dem die Gewichtskraft des abgezogenen Fluids zum Erzeugen eines Unterdrucks ausgenutzt wird, um die im Zentrum des verdrahten Strahl befindlichen Komponenten des Fluidgemisches noch besser abziehen zu können. In the method according to the invention, the fluid mixture is separated as follows: First, a fluid mixture composed of several components is fed, for example using a pump, to a nozzle which has a conical annular gap, i.e. a volume delimited by two conical surfaces, with the fluid mixture passing through a tangential fluid supply which opens into the annular gap is fed into the conical annular gap. The fluid mixture is forced into a spirally narrowing path in the conical annular gap and is ejected at a nozzle opening arranged at the tip of the conical annular gap in the form of a wired (fluid) jet into a fluid-filled volume. This creates a zone of reduced pressure in the wired jet, which ensures that components of different densities are in the Fluid mixture in the radial direction at least partially segregated, with components of lower density in the center and components of higher density enriching at the edge of the wired jet. Finally, with the aid of a separator, fluid mixture is drawn off from the zone of reduced pressure in the wired jet and separated from the rest of the fluid mixture. As a rule, the dynamic pressure of the fluid mixture in the wired jet is sufficient to bring about a separation of the lower-density components in the separator; Optionally, however, the separator can also be equipped with means for applying a negative pressure, such as a pump or a line system in which the weight of the fluid drawn off is used to generate a negative pressure in order to draw off the components of the fluid mixture located in the center of the wired jet even better to be able to
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf diese Weise eine kontinuierliche Trennung von Komponenten unterschiedlicher Dichte aus dem Fluidgemisch. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine kontinuierliche Entgasung eines Flüssigkeitsstrom oder einer Suspension. In this way, the method according to the invention enables a continuous separation of components of different densities from the fluid mixture. In particular, the method according to the invention enables continuous degassing of a liquid flow or a suspension.
Das Volumen kann dabei mit dem gleichen Fluidgemisch - oder mit Komponenten davon - gefüllt sein wie das verfahrensgemäß zu behandelnde Fluidgemisch. In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist das Volumen mit einem Inertgas gefüllt. Beim Inertgas handelt es sich um ein Gas, das mit den Komponenten des zu behandelnden Fluidgemisches nicht oder nur unwesentlich reagiert und sich im Fluidgemisch oder einer Komponente des Fluidgemisches nicht löst, bzw. eine derartige Lösung keine negativen Auswirkungen für den Verfahrenserfolg hat. Beim Inertgas kann es sich beispielsweise um Kohlendioxid, Stickstoff oder ein Edelgas handeln. Da der Reibungswiderstand des aus der Düsenöffnung austretenden Fluidgemisches in einer Gasatmosphäre geringer ist als in Flüssigkeit sind die wirkenden Zentrifugalkräfte höher und die im austretenden verdrahten Fluidstrahl sich bildende Zone verringerten Drucks weist einen noch geringeren Druckwert auf, was eine erhöhte Trennleistung nach sich zieht The volume can be filled with the same fluid mixture—or with components thereof—as the fluid mixture to be treated according to the method. In an advantageous variant of the method, the volume is filled with an inert gas. The inert gas is a gas that does not react or reacts only slightly with the components of the fluid mixture to be treated and does not dissolve in the fluid mixture or a component of the fluid mixture, or such a solution has no negative effects on the success of the process. The inert gas can be, for example, carbon dioxide, nitrogen or an inert gas. Since the frictional resistance of the fluid mixture exiting the nozzle opening is lower in a gas atmosphere than in a liquid, the acting centrifugal forces are higher and the zone of reduced pressure that forms in the exiting wired fluid jet has an even lower pressure value, which results in increased separation performance
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Düse und der Separator in einem Teilkreislauf für das Fluidgemisch integriert sind. Nach Durchlaufen des Separators wird das abgetrennte Fluidgemisch wiederum einer Trennung unterzogen und das dabei entstehende relativ dichtere Medium der Fluidzuführung erneut der Düse zugeführt. Beispielsweise wird im Separator eine gasreiche Flüssigkeitsphase aus dem Fluidgemisch abgetrennt. Die gasreiche Flüssigphase wird einem Phasentrenner zugeführt, in dem eine entstandene Gasphase abgeschieden wird. Die verbleibende gasreiche Flüssigphase wird über eine Rückleitung in den Vorlauf der Düse rückgeführt. In der Rückleitung ist bevorzugt eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine elektrische Pumpe angeordnet, mittels der kontinuierlich Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsvolumen entnommen und in die Fluidzuleitung stromauf zur Düse eingespeist wird. A preferred embodiment of the invention provides that the nozzle and the separator are integrated in a partial circuit for the fluid mixture. After Passing through the separator, the separated fluid mixture is again subjected to a separation and the resulting relatively denser medium of the fluid supply is fed back to the nozzle. For example, a gas-rich liquid phase is separated from the fluid mixture in the separator. The gas-rich liquid phase is fed to a phase separator, in which a gas phase that has formed is separated. The remaining gas-rich liquid phase is fed back into the flow of the nozzle via a return line. A delivery device, for example an electric pump, is preferably arranged in the return line, by means of which liquid is continuously removed from the liquid volume and fed into the fluid supply line upstream of the nozzle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Entgasen von homogenen oder inhomogenen Mehrstofffluiden, wie Lösungen, Flüssigkeiten oder Suspensionen. Bei der Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um Wasser, insbesondere um Prozesswasser, Abwasser oder Kühlwasser, oder um eine Lösung oder Suspension. Beim abzutrennenden Gas handelt es sich beispielsweise um Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein sonstiges Gas oder eine Mehrzahl von Gasen, das/die zumindest teilweise in der Flüssigkeit in gelöster Form vorliegt/vorliegen. Insbesondere ist die Erfindung zur Abtrennung von gelöstem Argon aus Wasser im Zuge der Aufarbeitung des Wassers für eine Elektrolyse geeignet. Ebenso eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Ölen, insbesondere native Öle oder Hydrauliköle. Native Öle sind nach dem Pressen stark mit Feuchtigkeit und/oder Luftsauerstoff belastet, was stark zu deren Alterung beiträgt. Durch die Erfindung können derartige unerwünschte Bestandteile in einfacher und schonender Weise entfernt werden. Hydrauliköle müssen entgast werden, damit es nicht zum Versagen der Systeme durch Kavitation kommt. Ebenso in Betracht kommt eine Anwendung der Erfindung bei der Trennung von Schwer- und Leichtfraktionen in der Petrochemie. Die Erfindung ist freilich nicht auf die hier angegebenen Beispiele beschränkt, sondern in einer Vielzahl weiterer Anwendungen einsetzbar. The device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for degassing homogeneous or inhomogeneous multi-component fluids, such as solutions, liquids or suspensions. The liquid is, for example, water, in particular process water, waste water or cooling water, or a solution or suspension. The gas to be separated is, for example, air, oxygen, nitrogen, carbon dioxide or another gas or a plurality of gases which is/are at least partially present in dissolved form in the liquid. In particular, the invention is suitable for separating dissolved argon from water in the course of processing the water for electrolysis. The device according to the invention and the method according to the invention are also suitable for treating oils, in particular native oils or hydraulic oils. After pressing, native oils are heavily exposed to moisture and/or atmospheric oxygen, which contributes significantly to their aging. With the invention, such undesired components can be removed in a simple and gentle manner. Hydraulic oils must be degassed so that the systems do not fail due to cavitation. An application of the invention in the separation of heavy and light fractions in petrochemistry also comes into consideration. The invention is of course not limited to the examples given here, but can be used in a large number of other applications.
Gegenüber den im Stande der Technik bekannten Verfahren kommt es mit einem vergleichsweise geringen Energieeinsatz aus, benötigt keine zusätzlichen Substanzen zur Durchführung der Trennung und ist schonend für die zu behandelnde Flüssigkeit sowie das eingesetzte Material. Sie sind jedoch auch zum Trennen anderer Fluidgemische, wie Lösungen, Suspensionen, Emulsionen oder azeotrope Gemische geeignet, erforderlich ist lediglich die Existenz zweier Komponenten unterschiedlicher Dichte im Fluidgemisch. Compared to the methods known in the prior art, it manages with a comparatively small amount of energy, does not require any additional substances to carry out the separation and is gentle on the to liquid to be treated and the material used. However, they are also suitable for separating other fluid mixtures, such as solutions, suspensions, emulsions or azeotropic mixtures; all that is required is the existence of two components with different densities in the fluid mixture.
Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen: Exemplary embodiments of the invention are to be explained in more detail with reference to the drawings. Show in schematic views:
Fig. 1a: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform imFig. 1a: A device according to the invention in a first embodiment
Längsschnitt, longitudinal section,
Fig. 1 b: Die Vorrichtung aus Fig. 1a im Querschnitt längs der Schnittlinie B-B inFig. 1b: The device from Fig. 1a in cross section along the section line B-B in
Fig. 1a, 1a,
Fig. 2a-2d: Verschiedene Ausgestaltungen eines Separators einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2a-2d: Different configurations of a separator of a device according to the invention,
Fig. 3a: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer anderen Ausführungsform im Längsschnitt, 3a: A device according to the invention in another embodiment in longitudinal section,
Fig. 3b: Die Vorrichtung aus Fig. 3a im Querschnitt längs der Schnittlinie B-B inFig. 3b: The device from Fig. 3a in cross-section along the section line B-B in
Fig. 3a Figure 3a
Fig. 4 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform. 4 A device according to the invention in a further embodiment.
Die in den Fig. 1a und Fig. 1 b gezeigte Vorrichtung 1 umfasst eine Düse 2 und einen beabstandet vor dieser angeordneten Separator 3. Die Düse 2 umfasst einen Düsenmantel 4 mit einer konischen Innenfläche, in den tangential eineThe device 1 shown in FIGS. 1a and 1b comprises a nozzle 2 and a separator 3 arranged at a distance in front of it
Fluidzuführung 5 einmündet. Innerhalb des Düsenmantels 4 ist ein gleichfalls konisch geformter Führungskegel 6 derart angeordnet, dass zwischen der Innenwand des Düsenmantels 4 und der Außenwand des Führungskegels 6 ein konischer Ringspalt 7 offensteht und bevorzugt derart, dass die Kegelspitze 8 des Führungskegels 6 im Wesentlichen mit einer Düsenöffnung 9 der Düse 2 fluchtet. Die Strömungsquerschnitte von Düsenöffnung 9, Ringspalt 7 und Fluidzuführung 5 sind bevorzugt im Wesentlichen gleich groß gewählt. Die Innenfläche des konischen Düsenmantels 4 und die Außenfläche des Führungskegels 6 können dabei einen gleichen Öffnungswinkel aufweisen, es ist jedoch auch vorstellbar, dass der Öffnungswinkel der Außenfläche des Führungskonus 6 spitzer als der Öffnungswinkel der Innenfläche des Düsenmantels 4 ist, sich der Abstand von Düsenmantel 4 und Führungskonus 6 in Richtung zur Düsenöffnung 9 hin reduziert, wie in Fig. 1a gezeigt. Fluid supply 5 opens. A guide cone 6, which is also conically shaped, is arranged inside the nozzle jacket 4 in such a way that a conical annular gap 7 is open between the inner wall of the nozzle jacket 4 and the outer wall of the guide cone 6, and preferably in such a way that the cone tip 8 of the guide cone 6 is essentially in contact with a nozzle opening 9 of the Nozzle 2 is aligned. The flow cross sections of nozzle opening 9, annular gap 7 and fluid supply 5 are preferably chosen to be essentially the same size. The inner surface of the conical nozzle jacket 4 and the outer surface of the guide cone 6 can have the same opening angle, but it is also conceivable that the opening angle of the outer surface of the guide cone 6 is more acute than the opening angle of the inner surface of the nozzle jacket 4, the distance from the nozzle jacket 4 and guide cone 6 reduced towards the nozzle opening 9, as shown in Fig. 1a.
Die Düse 2 und der Separator 3 sind innerhalb eines Volumens 10 aufgenommen, bei dem es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Leitung handelt. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Volumen 10 mit dem gleichen Medium gefüllt, wie das über die Düse 3 eingetragene. Bei dem Medium handelt es sich um ein aus mehreren Komponenten zusammengesetztes Fluidgemisch, wie etwa eine Suspension, ein Gemisch zweier Flüssigkeiten oder um eine Lösung. Beispielsweise handelt es sich um eine Flüssigkeit, etwa Wasser, in der ein Gas, etwa Sauerstoff, gelöst ist, welches mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest teilweise von der Flüssigkeit getrennt werden soll. The nozzle 2 and separator 3 are housed within a volume 10, which may be a container or a duct, for example. In the exemplary embodiment shown here, the volume 10 is filled with the same medium as that introduced via the nozzle 3 . The medium is a fluid mixture made up of several components, such as a suspension, a mixture of two liquids or a solution. For example, it is a liquid, such as water, in which a gas, such as oxygen, is dissolved, which is to be at least partially separated from the liquid with the aid of the device according to the invention.
Um eine möglichst effiziente Rotationsbeschleunigung des in die Düse 3 eingetragenen Mediums zu gewährleisten, kann im Übrigen im Ringspalt 7 eine - hier nicht gezeigte Rampe - vorgesehen sein, durch die die Grundfläche des Ringspalts 7 keinen ebenen Kreisring, sondern eine Windung einer in Richtung auf die Düsenöffnung 9 aufsteigenden Schraubenfläche beschreibt, die an ihrem Rampenende um eine dem Durchmesser der Fluidzuführung 5 entsprechenden Höhe in Richtung der Düsenöffnung 9 endet. Auf diese Weise trifft das Medium nach Durchlaufen der Rampe nicht seitlich auf den Strom des gleichzeitig über die Fluidzuführung 5 eingeleiteten Mediums, sondern wird in Richtung auf die Düsenöffnung 9 versetzt an diesem vorbeigeführt, wodurch der Beschleunigung des Mediums entgegenwirkende Turbulenzen vermieden werden. In order to ensure the most efficient possible rotational acceleration of the medium fed into the nozzle 3, a ramp - not shown here - can also be provided in the annular gap 7, through which the base of the annular gap 7 does not form a flat circular ring, but rather a winding in the direction of the Nozzle opening 9 describes ascending helical surface, which ends at its ramp end by a height corresponding to the diameter of the fluid supply 5 in the direction of the nozzle opening 9 . In this way, after passing through the ramp, the medium does not hit the side of the flow of the medium introduced simultaneously via the fluid supply 5, but is offset in the direction of the nozzle opening 9 and guided past it, whereby turbulence counteracting the acceleration of the medium is avoided.
Der Führungskegel 6 kann innerhalb des Düsenmantels 4 fest montiert oder - wie hier gezeigt - mittels einer manuellen oder motorgetriebenen Verschiebeeinrichtung 11 axial beweglich aufgenommen sein, um die Vorrichtung 1 an die Eigenschaften des behandelten Mediums und/oder die jeweilige Arbeitsaufgabe anzupassen. Im Betrieb der Düse 2 wird ein zu behandelndes Fluidgemisch, beispielsweise eine zu entgasende Flüssigkeit, mit einem Druck von beispielsweise 2-5 bar über die Fluidzuführung 5 in Richtung des Pfeils 12 in den Ringspalt 7 eingeleitet. Im Ringspalt 7 wird das Fluidgemisch in eine schnelle Rotationsbewegung versetzt, deren Winkelgeschwindigkeit aufgrund des sich in Fließrichtung verringernden Radius des Ringspalts 7 bis zur Düsenöffnung 9 zunimmt. Aus dem gleichen Grund nimmt auch die in Richtung der Düsenöffnung 9 gerichtete lineare Geschwindigkeitskomponente zu. Das Fluidgemisch verlässt die Düse 2 an der Düsenöffnung 9 und wird im Volumen 10 als stark verdrallter Strahl 13 mit großem Drehmoment und hoher axialer Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 14 eingetragen. Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit entsteht längs einer zentralen Achse 15 des Strahls 13, die zugleich die Symmetrieachse des Ringspalts 7 ist, eine Zone 16 stark verminderten Drucks. In der Zone 16 sammeln sich Komponenten geringerer Dichte aus dem Fluidgemisch. Beispielsweise gast in der Flüssigkeit gelöstes Gas aus und sammelt sich in Form einer Vielzahl kleiner Gasblasen oder einer einzigen Gasblase in der Zone 16. The guide cone 6 can be fixedly mounted within the nozzle jacket 4 or—as shown here—be axially movable by means of a manual or motor-driven displacement device 11 in order to adapt the device 1 to the properties of the medium being treated and/or the respective work task. When the nozzle 2 is in operation, a fluid mixture to be treated, for example a liquid to be degassed, is introduced at a pressure of, for example, 2-5 bar via the fluid supply 5 in the direction of the arrow 12 into the annular gap 7 . In the annular gap 7 , the fluid mixture is set into a rapid rotational movement, the angular velocity of which increases as the radius of the annular gap 7 decreases in the direction of flow up to the nozzle opening 9 . For the same reason, the linear velocity component directed towards the nozzle opening 9 also increases. The fluid mixture leaves the nozzle 2 at the nozzle opening 9 and is introduced into the volume 10 in the direction of the arrow 14 as a highly twisted jet 13 with a high torque and high axial speed. Due to the high rotational speed, a zone 16 of greatly reduced pressure is created along a central axis 15 of the jet 13, which is also the axis of symmetry of the annular gap 7. Components of lower density from the fluid mixture collect in the zone 16. For example, gas dissolved in the liquid outgasses and collects in zone 16 in the form of a multitude of small gas bubbles or a single gas bubble.
Beispielsweise wurde in einer der Vorrichtung 1 entsprechenden Versuchsapparatur bei einen Druck in der Fluidzuführung von 5 bar, einem Volumenstrom von 1 ,2 l/h einer wässerigen Lösung und einem Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung 9 von 7 mm vor der Düsenöffnung 9 im Volumen 10 ein Druck von 350 mbar und darunter gemessen. Durch unterschiedliche Förderdrücke, Volumenströme und Düsendimensionen kann der erzeugte Unterdrück in einem weiten Bereich variiert werden. For example, in a test apparatus corresponding to device 1, with a pressure in the fluid supply of 5 bar, a volume flow of 1.2 l/h of an aqueous solution and an opening cross section of nozzle opening 9 of 7 mm in front of nozzle opening 9 in volume 10, a pressure of 350 mbar and below measured. The negative pressure generated can be varied over a wide range by means of different delivery pressures, volume flows and nozzle dimensions.
In die Zone 16 taucht der Separator 3 mit einem Trennabschnitt 18 ein. Beim Trennabschnitt 18 handelt es sich in dem in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Rohrzylinder, der radialsymmetrisch zur Achse 15 im Volumen 10 angeordnet ist und dessen vordere Einlassöffnung 19 von der Düsenöffnung 8 axial beabstandet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche der Einlassöffnung 19 ungefähr gleich der der Düsenöffnung 9, sie kann jedoch auch größer oder kleiner gewählt sein. Der Trennabschnitt 18 ist mit einer Ausleitung 20 strömungsverbunden, über die im Trennabschnitt 18 eindringendes Fluidgemisch aus dem Volumen 10 abgezogen wird. In dem hier schon mehrfach erwähnten Beispiel einer mit gelöstem Gas beladenen Flüssigkeit als Fluidgemisch sammelt sich in der Zone 16 Gas oder eine gasreiche Fraktion, welches Gas zuvor in der über die Düse 2 eingetragenen Flüssigkeit gelöst war. In größerem radialen Abstand von der Achse 15 finden sich Fluidbestandteile höherer Dichte, beispielsweise eine flüssige Phase oder eine Phase mit einem geringeren Gasanteil. Alle Fluidbestandteile bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit in axiale Richtung und haben eine entsprechend hohe kinetische Energie. Da in der Zone 16 ein erheblicher Unterdrück herrscht, erfordert die Entnahme der Fluidbestandteile aus diesem Bereich üblicherweise einen noch stärkeren Unterdrück stromab zum Trennabschnitt 18, der beispielsweise durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird, die in der Ausleitung 20 angeordnet ist (hier nicht gezeigt). Eine solche Vakuumpumpe ist in der Regel erforderlich, will man im wesentlichen ausschließlich Gas aus dem Zentrum des verdrahten Strahls 13 abziehen. The separator 3 with a separating section 18 dips into the zone 16 . In the exemplary embodiment shown in FIG. 1 a , the separating section 18 is a tubular cylinder which is arranged radially symmetrically to the axis 15 in the volume 10 and whose front inlet opening 19 is spaced axially from the nozzle opening 8 . In the exemplary embodiment, the cross-sectional area of the inlet opening 19 is approximately the same as that of the nozzle opening 9, but it can also be selected to be larger or smaller. The separating section 18 is flow-connected to a discharge line 20 via which the fluid mixture penetrating into the separating section 18 is drawn off from the volume 10 . In the example of a liquid charged with dissolved gas as a fluid mixture, which has already been mentioned several times, gas or a gas-rich fraction collects in zone 16 , which gas was previously dissolved in the liquid introduced via nozzle 2 . At a greater radial distance from the axis 15 there are fluid components of higher density, for example a liquid phase or a phase with a lower proportion of gas. All fluid components move at high speed in the axial direction and have a correspondingly high kinetic energy. Since the zone 16 is under a significant negative pressure, the removal of the fluid components from this region usually requires an even greater negative pressure downstream of the separation section 18, which is generated, for example, by a vacuum pump which is arranged in the outlet line 20 (not shown here). Such a vacuum pump is usually required if one wishes to withdraw gas from the center of the wired jet 13 essentially exclusively.
Auf eine Vakuumpumpe kann jedoch unter Umständen verzichtet werden. Vergrößert man den Durchmesser des Trennabschnitts 18, gelangen zunehmend Fluidbestandteile höherer Dichte in den Trennabschnitt 18, wodurch sich die kinetische Energiedichte der insgesamt in den Trennabschnitt 18 eingetragenen Fluidbestandteile, und damit der Staudruck, erhöht. Übersteigt der Staudruck den Unterdrück im Trennabschnitt 18, werden keine zusätzlichen Mittel zum Abziehen der im Trennabschnitt befindlichen Fluidbestandteile benötigt. However, under certain circumstances, a vacuum pump can be dispensed with. If the diameter of the separating section 18 is increased, fluid components of higher density increasingly enter the separating section 18, as a result of which the kinetic energy density of the fluid components introduced overall into the separating section 18, and thus the dynamic pressure, increases. If the dynamic pressure exceeds the negative pressure in the separating section 18, no additional means are required for removing the fluid components located in the separating section.
Die im Trennabschnitt 18 vorliegenden Fluidbestandteile werden über die Ausleitung 20 abgezogen, während die übrigen Fluidbestandteile im Volumen 10 verbleibt und einer anderweitigen Nutzung zugeführt wird. The fluid components present in the separating section 18 are drawn off via the outlet line 20, while the other fluid components remain in the volume 10 and are used for other purposes.
Sofern die Anordnung aus Fig. 1a, 1 b zum Entgasen von Flüssigkeiten oder Suspensionen zum Einsatz kommt, ist sie im Übrigen bevorzugt vertikal angeordnet, d.h. mit einer mit ihrer Spitze nach oben weisenden Düse 2 und einem darüber angeordneten Separator 3. Durch eine vertikale Anordnung kann in einem der Ausleitung 20 nachgeschalteten Gasphasentrenner (in Fig. 1a nicht gezeigt) das abgetrennte Gas nach oben hin entweichen, während die im Gasphasentrenner verbleibende Flüssigkeit oder die verbleibende Suspension zur Fluidzuführung 5 zurückgeführt werden kann. If the arrangement from FIGS. 1a, 1b is used for degassing liquids or suspensions, it is preferably arranged vertically, ie with a nozzle 2 pointing upwards with its tip and a separator 3 arranged above it. By a vertical arrangement the separated gas can escape upwards in a gas phase separator (not shown in FIG. 1a) downstream of the outlet 20, while the gas phase separator in the gas phase separator remaining liquid or the remaining suspension can be returned to the fluid supply 5.
In den Fig. 2a bis 2d sind verschiedene Ausführungsformen eines in der Erfindung einsetzbaren Separators gezeigt. Various embodiments of a separator which can be used in the invention are shown in FIGS. 2a to 2d.
In Fig. 2a ist nochmals ein Separator 3a vom Typ des in Fig. 1a gezeigte Separators 3 veranschaulicht. Der Separator 3a besitzt einen rohrförmigen Trennabschnitt 18a, der rotationssym metrisch um eine mit der Düse 2 (die in den Fig. 2a bis 2d nur angedeutet ist) gemeinsame Achse 15 sowie mit einer Einlassöffnung 19a beabstandet von der Düsenöffnung 9 angeordnet ist. FIG. 2a again shows a separator 3a of the type of separator 3 shown in FIG. 1a. The separator 3a has a tubular separating section 18a, which is rotationally symmetrical about an axis 15 common to the nozzle 2 (which is only indicated in FIGS. 2a to 2d) and is arranged at a distance from the nozzle opening 9 with an inlet opening 19a.
Der in Fig. 2b gezeigte Separator 3b weist einen Trennabschnitt 18b auf, der im Bereich seiner Einlassöffnung 19b einen sich in Richtung von der Düsenöffnung 9 konisch erweiternden Außenmantel 21 aufweist. Durch den konischen Außenmantel 21 wird die aus der Düsenöffnung 9 austretende Strömung radial nach außen abgelenkt, wodurch der Druck in einem Bereich nahe der Achse 15 an der Einlassöffnung 19b weiter abgesenkt wird. The separator 3b shown in FIG. 2b has a separating section 18b which, in the region of its inlet opening 19b, has an outer casing 21 which widens conically in the direction of the nozzle opening 9 . The flow emerging from the nozzle opening 9 is deflected radially outwards by the conical outer shell 21, as a result of which the pressure in an area close to the axis 15 at the inlet opening 19b is further reduced.
In Fig. 2c weist der Trennabschnitt 18c eines Separators 3c eine senkrecht zur Achse 15 angeordnete Blende in Gestalt einer kreisförmig um die Einlassöffnung 19c angeordneten Lochscheibe 22 auf. Durch die Lochscheibe 22 wird das aus der Düsenöffnung 9 austretende Medium radial abgelenkt, während nur ein vergleichsweise kleiner Anteil des Mediums durch die Einlassöffnung 19c in das Innere des Trennabschnitts 18c hinein gelangt. Auch diese Variante trägt zu einer Verstärkung des Druckunterschieds zwischen einem Bereich nahe der Achse 15 und den radial außenseitig dazu liegenden Bereichen bei. In FIG. 2c, the separating section 18c of a separator 3c has a diaphragm arranged perpendicular to the axis 15 in the form of a perforated disk 22 arranged in a circle around the inlet opening 19c. The medium emerging from the nozzle opening 9 is deflected radially by the perforated disk 22, while only a comparatively small proportion of the medium passes through the inlet opening 19c into the interior of the separating section 18c. This variant also contributes to an increase in the pressure difference between an area near the axis 15 and the areas lying radially on the outside of it.
In Fig. 2d ist ein Separator 3d gezeigt, der an der Einlassöffnung 19d seines Trennabschnitts 18d einen Trichter 23 aufweist. Gegenüber der in Fig. 2a gezeigten Ausführungsform vergrößert der Trichter 23 den Anteil des aus der Düsenöffnung 9 austretenden Mediums, das in das Innere des Trennabschnitts 18d eingeleitet wird, gegenüber dem Anteil, der außenseitig am Trennabschnitt 19d vorbeigeführt wird, dies jedoch auf Kosten des im Bereich der Achse 15 gegenüber den übrigen Bereichen im Volumen 10 vorliegenden Unterdrucks. 2d shows a separator 3d which has a funnel 23 at the inlet opening 19d of its separating section 18d. Compared to the embodiment shown in Fig. 2a, the funnel 23 increases the proportion of the medium emerging from the nozzle opening 9, which is introduced into the interior of the separating section 18d, compared to the proportion that is guided past the separating section 19d on the outside. However, this is at the expense of the negative pressure present in the area of the axis 15 compared to the other areas in the volume 10 .
Fig. 3a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 25 in einer anderen Ausführungsform. In ähnlicher Weise wie die Vorrichtung 1 weist die in Fig. 3a gezeigte Vorrichtung 25 eine Düse 26 mit einem axialbeweglich unter Ausbildung eines Ringspalts 27 angeordneten Führungskegel 28 sowie eine in den Ringspalt 27 einmündende Fluidzuleitung 29 auf. In der Fluidzuführung 29 ist in der Vorrichtung 25 zusätzlich eine Heizelement 30, beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung, angeordnet, mittels der das Fluidgemisch erwärmt und damit seine Viskosität herabgesetzt werden kann. Weiterhin ist stromab zur Düsenöffnung 31 der Düse 26 eine rohrförmige Entmischungskammer 32 angeordnet, der die Auftrennung des aus der Düse 26 austretenden Fluidgemisches begünstigt. Länge und Querschnitt der Entmischungskammer 32 können dabei variieren, um eine für das jeweilige Fluidgemisch guten Trennungseffekt zu erzielen. 3a shows a device 25 according to the invention in another embodiment. In a similar way to the device 1, the device 25 shown in FIG. In the fluid feed 29 in the device 25 there is also a heating element 30, for example an electric heating device, by means of which the fluid mixture can be heated and its viscosity reduced. Furthermore, downstream of the nozzle opening 31 of the nozzle 26 there is a tubular separation chamber 32 which promotes the separation of the fluid mixture emerging from the nozzle 26 . The length and cross section of the segregation chamber 32 can vary in order to achieve a good separation effect for the respective fluid mixture.
Die Vorrichtung 25 weist zudem einen Separator 33 mit einem rohrzylinderförmigen Trennabschnitt 34 auf, dessen der Düse 27 gegenüberliegenden Stirnseite eine Einlassöffnung 35 aufweist. An dieser Stirnseite ist eine Lochscheibe 36 um eine Längsachse 37 drehbar gelagert, die mittels einer hier nicht gezeigten Antriebsvorrichtung in rasche Rotation versetzt werden kann. Auf der Lochscheibe 36 sind auf ihrer der Düse 26 zugewandten Seite Schaufeln 38 angeordnet. The device 25 also has a separator 33 with a tubular-cylindrical separating section 34 whose end face opposite the nozzle 27 has an inlet opening 35 . A perforated disk 36 is mounted on this end face so as to be rotatable about a longitudinal axis 37, which can be set in rapid rotation by means of a drive device, not shown here. Blades 38 are arranged on the perforated disk 36 on its side facing the nozzle 26 .
Im Betrieb der Vorrichtung 25 wird die Lochscheibe 36 in eine um die Längsachse 37 rotierende Bewegung gebracht, deren Umdrehungsgeschwindigkeit die Rotationsgeschwindigkeit des sich vor der Entmischungskammer 32 ausbildenden Fluidstrahls noch übersteigt. Dadurch wird eine zusätzliche Trennung von Komponenten unterschiedlicher Dichte im behandelten Fluidgemisch bewirkt. During operation of the device 25 , the perforated disk 36 is brought into a rotating motion about the longitudinal axis 37 , the rotational speed of which still exceeds the rotational speed of the fluid jet forming in front of the separation chamber 32 . This brings about an additional separation of components of different densities in the treated fluid mixture.
Weiterhin ist die Vorrichtung 25 mit einem Ultraschallerzeuger 39 ausgestattet, mittels dessen beispielsweise der Führungskegel 28 in Schwingungen sehr hoher Frequenz (Ultraschall-Schwingungen) versetzt werden kann. Dadurch werden stromab zur Düsenöffnung 31 Kavitationen im zu behandelnden Fluidgemisch erzeugt, in die hinein gelöstes Gas aus dem Fluidgemisch ausgasen kann. Dadurch wird die Effizienz der Vorrichtung 25 weiter gesteigert. Im Übrigen kann anstelle des Führungskegels 28 auch beispielsweise die ganze Düse 25 oder der den Führungskegel 28 umschließende Düsenmantel in Ultraschall-Schwingungen versetzt werden. Furthermore, the device 25 is equipped with an ultrasonic generator 39, by means of which, for example, the guide cone 28 can be made to vibrate at a very high frequency (ultrasonic vibrations). As a result, cavitations are generated in the fluid mixture to be treated downstream of the nozzle opening 31, into which dissolved gas can outgas from the fluid mixture. Through this the efficiency of the device 25 is further increased. Incidentally, instead of the guide cone 28, the entire nozzle 25 or the nozzle jacket surrounding the guide cone 28 can also be set in ultrasonic vibrations, for example.
Die Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 40 ist in einer Rohrleitung 41 integriert und beispielsweise dazu bestimmt, eine durch die Rohrleitung 41 geführte Flüssigkeit kontinuierlich zu entgasen. Die Vorrichtung 40 umfasst eine Düse 42 mit Fluidzuführung 43, Ringspalt 44, Führungskegel 45 und Düsenöffnung 46 sowie einen Separator 47, der mit einem Trennabschnitt 48 innerhalb der Rohrleitung 41 stromab zur Düsenöffnung 46 angeordnet ist und eine von der Düsenöffnung 46 axial beabstandete Einlassöffnung 49 aufweist. Der Trennabschnitt 48 ist über eine Ausleitung 50 mit einem Gasphasenseparator 51 verbunden. The device 40 according to the invention shown in FIG. 4 is integrated in a pipeline 41 and is intended, for example, to continuously degas a liquid conveyed through the pipeline 41 . The device 40 comprises a nozzle 42 with fluid supply 43, annular gap 44, guide cone 45 and nozzle opening 46 as well as a separator 47, which is arranged with a separating section 48 within the pipeline 41 downstream of the nozzle opening 46 and has an inlet opening 49 spaced axially from the nozzle opening 46 . The separating section 48 is connected to a gas phase separator 51 via an outlet line 50 .
Im Betrieb der Vorrichtung 40 wird eine mit Gas beladene Flüssigkeit, beispielsweise Prozesswasser, in dem Sauerstoff gelöst ist, mittels einer Pumpe 52 durch einen ström aufwärtigen Abschnitt 53 der Rohrleitung 41 zur Düse 42 geführt. In der Düse 42 wird die Flüssigkeit in starke Rotation versetzt und strömt aus der Düsenöffnung 46 unter Ausbildung eines stark verdrahten Flüssigkeitsstrahls mit hoher axialer Geschwindigkeit in einen stromabwärtigen Abschnitt 54 der Rohrleitung 41 ein. Durch die starke Rotationsbewegung wird im Zentrum des verdrahten Flüssigkeitsstrahls ein Unterdrück erzeugt, der ausreicht, um das in der Flüssigkeit gelöste Gas unter Bildung von Gasblasen 55 ausgasen zu lassen. Der mittig im Abschnitt 54 der Rohrleitung 41 angeordnete Trennabschnitt 48 des Separators 47 taucht an seiner Einlassöffnung 49 in das Zentrum des stark verdrahten Flüssigkeitsstrahls ein und trennt dadurch eine gasreiche Phase aus der Flüssigkeit ab. Die gasreiche Phase der Flüssigkeit wird aufgrund des hohen Staudrucks im Trennabschnitt 48 über die Ausleitung 50 dem Gasphasenseparator 51 zugeführt, in dem die bereits ausgegaste Phase von der übrigen gasreichen Flüssigkeit getrennt und über eine Gasableitung 56 abgeführt wird. Die verbleibende gasreiche Flüssigkeit wird über eine Flüssigkeitsableitung 57 abgeführt und kann optional in den Rohrleitungsabschnitt 53, stromauf zur Pumpe 52, rückgeführt oder einer sonstigen Verwendung zugeführt werden. Der im Rohrleitungsabschnitt 54 verbleibende Flüssigkeitsstrom weist einen stark verminderten Gasanteil auf. Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können verschiedene Merkmale der Vorrichtungen 1 , 25, 40 beliebig miteinander kombiniert oder die Vorrichtungen 1 , 25, 40 um weitere Merkmale ergänzt werden. Beispielsweise kann eine Heizeinrichtung oder ein Ultraschallerzeuger auch in den Vorrichtungen 1 , 40 vorgesehen sein, oder eine hier nicht gezeigte Gaszuleitung mündet in der Fluidzuführung 5, 29, 43 ein, um mit einem zugeführten Sparging-Gas die Viskosität des zu behandelnden Fluidgemisches herabzusetzen. Ebenso können verschiedene Betriebsparameter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie beispielsweise die Heizleistung des Heizelements 30, die Breite des Ringspalts 7, 27, 44, der Abstand des Separators3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47 von der Düse 2, 26, 42 oder der Druck einer das zu behandelnde Fluidgemisch zu Düse 2, 26, 42 fördernden Pumpe mittels einer hier nicht gezeigten elektromischen Steuerung in Abhängigkeit von kontinuierlich gemessenen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur oder der Viskosität des Fluidgemisches geregelt werden. During operation of the device 40, a gas-laden liquid, for example process water in which oxygen is dissolved, is guided by a pump 52 through an upstream section 53 of the pipeline 41 to the nozzle 42. In the nozzle 42, the liquid is made to rotate vigorously and flows out of the nozzle opening 46 into a downstream section 54 of the pipeline 41 at high axial speed, forming a strongly wired jet of liquid. Due to the strong rotational movement, a negative pressure is generated in the center of the wired liquid jet, which is sufficient to allow the gas dissolved in the liquid to outgas with the formation of gas bubbles 55 . The separating section 48 of the separator 47 arranged centrally in the section 54 of the pipeline 41 dips at its inlet opening 49 into the center of the heavily wired jet of liquid and thereby separates a gas-rich phase from the liquid. Due to the high dynamic pressure in the separating section 48 , the gas-rich phase of the liquid is fed via the outlet line 50 to the gas-phase separator 51 , in which the already degassed phase is separated from the remaining gas-rich liquid and discharged via a gas outlet line 56 . The remaining gas-rich liquid is discharged via a liquid discharge line 57 and can optionally be returned to the pipe section 53 upstream of the pump 52 or fed to another use. The liquid flow remaining in the pipeline section 54 has a greatly reduced proportion of gas. The invention is otherwise not limited to the exemplary embodiments shown here. Rather, various features of the devices 1, 25, 40 can be combined with one another as desired, or the devices 1, 25, 40 can be supplemented with further features. For example, a heating device or an ultrasonic generator can also be provided in the devices 1, 40, or a gas supply line, not shown here, opens into the fluid supply 5, 29, 43 in order to reduce the viscosity of the fluid mixture to be treated with a supplied sparging gas. Likewise, various operating parameters of a device according to the invention, such as the heating power of the heating element 30, the width of the annular gap 7, 27, 44, the distance of the separator 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47 from the nozzle 2, 26, 42 or the pressure of a pump conveying the fluid mixture to be treated to the nozzle 2, 26, 42 can be regulated by means of an electronic controller, not shown here, depending on continuously measured parameters, such as the temperature or the viscosity of the fluid mixture.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Vorrichtung 30 Heizelement 1 device 30 heating element
2 Düse 31 Düsenöffnung 2 nozzle 31 nozzle opening
3, 3a, 3b, 3c, 3d Separator 32 Entmischungskammer3, 3a, 3b, 3c, 3d separator 32 separation chamber
4 Düsenmantel 33 Separator 4 nozzle jacket 33 separator
5 Fluidzuführung 34 Trennabschnitt 5 fluid supply 34 separation section
6 Führungskegel 35 Einlassöffnung 6 guide cone 35 inlet port
7 Ringspalt 36 Lochscheibe 7 annular gap 36 perforated disc
8 Kegelspitze 37 Längsachse 8 cone apex 37 longitudinal axis
9 Düsenöffnung 38 Schaufeln 9 nozzle orifice 38 blades
10 Volumen 39 Ultraschallerzeuger10 volume 39 ultrasonic generator
11 Verschiebeeinrichtung 40 Vorrichtung 11 displacement device 40 device
12 Pfeil 41 Rohrleitung 12 arrow 41 pipeline
13 Strahl 42 Düse 13 jet 42 nozzle
14 Pfeil 43 Fluidzuführung 14 arrow 43 fluid supply
15 Achse 44 Ringspalt 15 axis 44 annular gap
16 Zone 45 Führungskegel 16 zone 45 guide cone
17 46 Düsenöffnung 17 46 Nozzle Orifice
18, 18a, 18b, 18c, 18d Trennabschnitt 47 Separator 18, 18a, 18b, 18c, 18d separation section 47 separator
19, 19a, 19b, 19c, 19d Einlassöffnung 48 Trennabschnitt 19, 19a, 19b, 19c, 19d inlet port 48 partition section
20 Ausleitung 49 Einlassöffnung 20 exit 49 inlet port
21 Außenmantel 50 Ausleitung 21 outer jacket 50 outlet
22 Lochscheibe 51 Gasphasenseparator22 perforated disc 51 gas phase separator
23 Trichter 52 Pumpe 23 hopper 52 pump
24 53 Abschnitt (der Rohrleitung)24 53 section (of pipeline)
25 Vorrichtung 54 Abschnitt (der Rohrleitung)25 device 54 section (of the pipeline)
26 Düse 55 Gasblase 26 nozzle 55 gas bubble
27 Ringspalt 56 Gasableitung 27 annular gap 56 gas discharge
28 Führungskegel 57 Flüssigkeitsableitung28 guide cone 57 liquid drainage
29 Fluidzuführung 29 fluid supply

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Vorrichtung zum Trennen von Fluidgemischen, mit einer Düse (2, 26, 42) zum Zuführen eines aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Fluidgemisches in ein Volumen (10), die einen zwischen einer konischen Innenfläche eines Düsenmantels (4) und einem Führungskegel (6, 28, 45) angeordneten, an seiner Spitze an einer Düsenöffnung (9, 31 , 46) in das Volumen (10) ausmündenden konischen Ringspalt (7, 27, 44) und eine tangential in den konischen Ringspalt (7, 27, 44) einmündende Fluidzuführung (5, 29, 43) aufweist, sowie mit einem Separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47), der einen im Volumen (10) angeordneten, mit einer Ausleitung (20, 50) strömungsverbundenen Trennabschnitt (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 34, 48) mit einer konzentrisch zur Düsenöffnung (9, 31 , 46) und axial beabstandet von dieser angeordneten Einlassöffnung (19, 19a, 19b, 19c, 19d) aufweist. 1. Device for separating fluid mixtures, with a nozzle (2, 26, 42) for feeding a fluid mixture composed of several components into a volume (10), which has a nozzle between a conical inner surface of a nozzle jacket (4) and a guide cone (6, 28, 45) arranged at its tip at a nozzle opening (9, 31, 46) opening into the volume (10) conical annular gap (7, 27, 44) and a tangentially opening into the conical annular gap (7, 27, 44). Fluid supply (5, 29, 43) and a separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) which has a separating section ( 18, 18a, 18b, 18c, 18d, 34, 48) with an inlet opening (19, 19a, 19b, 19c, 19d) arranged concentrically to the nozzle opening (9, 31, 46) and at an axial distance from it.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trennabschnitt (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 34, 48) einen der Düse (2, 26, 42) zugewandten Endabschnitt aufweist, der die Form eines Rohrzylinders, einer Lochscheibe oder eines Trichters aufweist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the separating section (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 34, 48) has an end section which faces the nozzle (2, 26, 42) and is in the form of a tubular cylinder, a perforated disk or having a funnel.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidzuführung (5, 29, 43) eine Pumpe (52) zum Fördern des Fluidgemisches zur Düse (2, 26, 42) integriert ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a pump (52) for conveying the fluid mixture to the nozzle (2, 26, 42) is integrated in the fluid supply (5, 29, 43).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Volumen (10) ein mit einem Fluid gefüllter Behälter oder eine fluidführende Leitung vorgesehen ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a container filled with a fluid or a fluid-carrying line is provided as the volume (10).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausleitung (20, 50) des Separators (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) ein Phasentrenner (51) integriert ist, der über eine Rückleitung mit der Fluidzuführung (5, 29, 43) strömungsverbunden ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen Düsenöffnung (9, 31 , 46) und Einlassöffnung (19, 19a, 19b, 19c, 19d) des Separators (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) und/oder die axiale Position des Führungskegels (6, 28, 45) der Düse (2, 26, 42) gegenüber der konischen Innenfläche des Düsenmantels (4) verstellbar ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidzuführung (5, 29, 43), im Düsenmantel (4) und/oder im Führungskegel (6, 28, 45) eine Heizeinrichtung (30) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fluidzuführung (5, 29, 43) und/oder in den Ringspalt (7, 27, 44) eine Zuleitung für ein Sparging-Gas einmündet. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) mit Mitteln zum aktiven Verstärken einer radialen Trennung von Komponenten unterschiedlicher Dichte im Fluidgemisch ausgerüstet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (2, 26, 42), zwischen Spitze des Führungskegels (6, 28, 45) und Düsenöffnung (9, 31 , 46), mit einer Entmischungskammer (32) ausgerüstet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ultraschalleinrichtung (39) zur Erzeugung kurzzeitiger, lokaler Druckunterschiede im Fluidgemisch. Verfahren zum Trennen von Fluidgemischen, bei dem a. ein aus mehreren Komponenten zusammengesetztes Fluidgemisch einer Düse (2, 26, 42) zugeführt wird, die einen konischen Ringspalt (7, 27, 44) aufweist, wobei das Fluidgemisch über eine tangential in den Ringspalt (7, 27, 44) einmündende Fluidzuführung (5, 29, 43) in den konischen Ringspalt (7, 27, 44) eingespeist wird, b. das Fluidgemisch im konischen Ringspalt (7, 27, 44) in eine spiralförmig sich verengende Bahn gezwungen und an einer an der Spitze des konischen Ringspalts (7, 27, 44) angeordneten Düsenöffnung (9, 31 , 46) in Form eines verdrahten Strahls (13) in ein Volumen (10) ausgestoßen wird, wobei sich im verdrahten Strahl eine Zone (16) verringerten Drucks ausbildet und sich Komponenten unterschiedlicher Dichte im Fluidgemisch in radialer Richtung zumindest teilweise entmischen, c. mit Hilfe eines im Volumen, vor der Düsenöffnung (9, 31 , 46), angeordneten Separators (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) Fluidgemisch aus der Zone (16) verringerten Drucks abgezogen und vom übrigen Fluidgemisch getrennt wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (10) vor oder während des Eintrags des Fluidgemisches mit einem gleichen Fluidgemisch oder mit einem Inertgas gefüllt ist. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Zone (16) abgezogene Fluidgemisch einer Phasenseparation unterworden und eine dabei abgetrennte dichtere Phase erneut der Düse (2, 26, 42) zugeführt wird. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 14 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Entgasung von Flüssigkeiten oder Suspensionen. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the exit line (20, 50) of the separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) a phase separator (51) is integrated, which has a return line is flow-connected to the fluid supply (5, 29, 43). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the axial distance between the nozzle opening (9, 31, 46) and the inlet opening (19, 19a, 19b, 19c, 19d) of the separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33 , 47) and/or the axial position of the guide cone (6, 28, 45) of the nozzle (2, 26, 42) relative to the conical inner surface of the nozzle casing (4) can be adjusted. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a heating device (30) is provided in the fluid supply (5, 29, 43), in the nozzle jacket (4) and/or in the guide cone (6, 28, 45). Device according to one of the preceding claims, characterized in that a supply line for a sparging gas opens into the fluid supply (5, 29, 43) and/or into the annular gap (7, 27, 44). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) is equipped with means for actively enhancing a radial separation of components of different densities in the fluid mixture. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle (2, 26, 42) is equipped with a separation chamber (32) between the tip of the guide cone (6, 28, 45) and the nozzle opening (9, 31, 46). . Device according to one of the preceding claims, characterized by an ultrasonic device (39) for generating short-term, local pressure differences in the fluid mixture. A method for separating fluid mixtures, in which a. a fluid mixture made up of several components is fed to a nozzle (2, 26, 42) which has a conical annular gap (7, 27, 44), the fluid mixture being fed tangentially into the annular gap (7, 27, 44) fluid supply (5, 29, 43) opening into the conical annular gap (7, 27, 44), b. the fluid mixture in the conical annular gap (7, 27, 44) is forced into a spirally narrowing path and at a nozzle opening (9, 31, 46) arranged at the tip of the conical annular gap (7, 27, 44) in the form of a wired jet ( 13) is ejected into a volume (10), a zone (16) of reduced pressure forming in the wired jet and components of different densities in the fluid mixture at least partially segregating in the radial direction, c. with the aid of a separator (3, 3a, 3b, 3c, 3d, 33, 47) arranged in the volume in front of the nozzle opening (9, 31, 46), the fluid mixture is drawn off from the zone (16) under reduced pressure and separated from the remaining fluid mixture . Method according to Claim 12, characterized in that the volume (10) is filled with the same fluid mixture or with an inert gas before or during the introduction of the fluid mixture. Method according to Claim 12 or 13, characterized in that the fluid mixture drawn off from the zone (16) is subjected to a phase separation and a denser phase separated off in the process is fed back to the nozzle (2, 26, 42). Use of a method according to any of claims 12 to 14 or of a device according to any of claims 1 to 11 for degassing liquids or suspensions.
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