Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Stoffaustausch und/oder
Energieaustausch und/oder Reaktionen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglicht, Stoffaustausch und/ oder Energieaustausch und/oder Reaktionen durchzuführen.
Das gebräuchlichste Verfahren zum Stoffaustausch zwischen einer flüssigen und einer dampfoder gasförmigen Phase besteht darin, dass man in sogenannten Kolonnen die Flüssigkeit von oben nach unten und den Dampf oder das Gas in entgegengesetzter Richtung strömen lässt. Für eine möglichst gute Durchmischung, das heisst für eine möglichst grosse Berührungsfläche der beiden Phasen sorgen die Austauschböden (Glockenböden, Siebböden) und andere Einbauten oder Füllkörperschichten. Die Arbeitsweise ist in allen diesen Fällen davon abhängig, dass die Flüssigkeit, der Schwerkraft folgend, von oben nach unten fliesst.
Dadurch aber ist diesem Verfahren und diesen Apparaten in bezug auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Dampf (Gas) und Flüssigkeit eine Grenze gesetzt, z. B. bei Kolonnen ergibt sich die Grenzgeschwindigkeit daraus, dass bei einer bestimmten Dampf- (Gas -) Geschwindigkeit die Flüssigkeit nicht mehr entgegen dem Dampf (Gas) abfliessen kann.
Abgesehen davon sinkt aber schon vor Erreichung dieser Grenzgeschwindigkeit der Wirkungsgrad von Rektifizierböden durch Mitreissen von Flüssigkeitströpfchen stark ab. Bei dem Phasenpaar Fest-Gasförmig, ergibt sich in einem geraden, senkrecht stehenden Behälter, in dem ein Gas von unten nach oben durch eine Schüttung von Körnern geblasen wird, die obere Grenzgeschwindigkeit als jene Geschwindigkeit, bei der der Feststoff aus dem Behälter ausgeblasen wird. Ferner ist es in oben angeführten Apparaten nur mit Schwierigkeiten möglich, Flüssigkeiten zu verarbeiten, die mit Feststoffen versetzt sind, welche zu Verstopfungen der Apparate führen.
Dies gilt z. B. für Destillation, Extraktion und Absorption. Im letzten Fall wäre es etwa für die Durchführung einer Gaswäsche, für die man gebräuchlich Riesel- oder Sprühtürme verwendet, von wirtschaftlichem Vorteil, wenn man als Waschflüssig- keit gegebenenfalls ein billigeres, verunreinigtes Produkt einsetzen könnte, was aber in oben genannten Apparaten nur mit Schwierigkeiten möglich ist.
Die Erfindung gibt die Möglichkeit, solche Schwierigkeiten zu überwinden.
Die im Stoff-und/oder Energieaustausch und/ oder in Reaktionen stehenden Phasen werden erfindungsgemäss im Gegen- oder Gleichstrom miteinander in Berührung gebracht, wobei die Phasen innerhalb einer wendelförmigen Bahn geführt werden, welche sich innerhalb eines geraden Behälters befindet, dessen Längsachse waagrecht oder geneigt angeordnet ist, und dass die spezifisch schwerere Phase unabhängig von der Bewegungsrichtung der leichteren Phase gesteuert wird. Hierbei können diese Phasen im Behälter festgehalten oder annähernd festgehalten werden.
Zur Steuerung kann die drehende Relativbewegung eines wendelförmigen Körpers gegenüber dem Behälter benutzt werden. Die Drehung ist dabei entgegen dem Drehsinn der leichteren Phase gerichtet. Daneben können auch schwingende Relativbewegungen zwischen dem wendelförmigen Körper und dem Behälter ausgeführt werden.
Bei Vorhandensein einer festen Phase, insbe sondere bei dem System Feststoff-Gas, kann es günstig sein, den Behälter stark geneigt anzuordnen.
Dadurch kann die Relativgeschwindigkeit zwischen Feststoff und z. B. Gas weiter erhöht werden.
Zur Durchführung des neuen Verfahrens wird erfindungsgemäss folgende Vorrichtung verwendet:
In dem im Verfahren genannten, vornehmlich waagrecht angeordneten Behälter befindet sich ein wendelförmiger Einbau, welcher dichtend oder an nähernd dichtend an der Behälterwand anliegt. Am Anfang und am Ende bzw. auch an jeder beliebigen Stelle des Behälters befinden sich zweckmässig Zuund Ableitungen für die in den Behälter eintretenden oder aus ihm austretenden Phasen. Es sind ferner Mittel vorgesehen zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Einbau und Behälter.
Es können auch am Behälter und/oder am wendelförmigen Einbau Zusätze, wie Riffelungen, Schaufeln, Stangen oder dergleichen vorgesehen sein. Ferner kann der wendelförmige Einbau durch propellerartige Ansätze unterbrochen oder ergänzt sein. Der wendelförmige Einbau braucht keine Gleichförmigkeit aufzuweisen. In Sonderfällen kann er wechselnde Ganghöhe und/oder wechselnde Gangtiefe und/oder Unterbrechungen der Wendel aufweisen. Sowohl der Behälter als auch die Einbauten können isoliert, gekühlt oder beheizt sein.
Die Arbeitsweise sei am Beispiel des Phasenpaares Flüssigkeit-Dampf (Gas) näher erläutert.
Ein Dampf- oder Gasstrom, der diesen Behälter passiert, ist gezwungen, der wendelförmigen Bahn zu folgen. Befindet sich gleichzeitig eine Flüssigkeit diesem Behälter, so wird der Dampf- oder Gasstrom diese, je nach Flüssigkeitsmenge und Gasgeschwindigkeit, mehr oder weniger stark in seiner Strömungsrichtung mitnehmen. Setzt man aber den wendelförmigen Einbau, im entgegengesetzten Drehsinn zum Gasstrom, in drehende Bewegung, kann das Mitnehmen der Flüssigkeit wieder aufgehoben werden. Durch Einstellen einer entsprechenden Drehzahl ist es möglich, die Flüssigkeit festzuhalten, oder mit weiter gesteigerter Drehzahl entgegengesetzt zum Dampf- oder Gasstrom zu bewegen, oder auch bei langsamerer Drehzahl sie in bemessener Weise vom Gasstrom mitreissen zu lassen.
Im ersten Fall wird also nur das Gas durch den Behälter geschickt, während die Flüssigkeit keine Bewegung in Richtung der Längsachse des Behälters ausführt. Im zweiten Teil wird die Flüssigkeit im Gegenstrom zum Gas entlang der Längsachse des Behälters transportiert, und im letzten Fall im Gleichstrom. Auf diese Weise ist es möglich, die Relativgeschwindigkeit zwischen den Phasen durch mechanische Steuerung willkürlich und kontinuierlich zu beeinflussen.
Bei allen diesen Vorgängen findet eine ständige Neubildung der Flüssigkeitsoberfläche und eine grossflächige Berührung der beiden Phasen statt.
Die prinzipiell gleiche Wirkungsweise stellt sich ein, wenn zwei flüssige Phasen mit verschiedenem spezifischem Gewicht einander entgegenströmen (z. B.
Extraktion), oder eine feste und eine flüssige Phase (beispielsweise Kristallisation, Lösung oder Reaktion) oder eine feste und eine gasförmige Phase.
Die feste Phase verhält sich in diesem Fall genau so wie die Flüssigkeit im oben geschilderten Beispiel Flüssigkeit-Dampf (Gas). Im letzten Fall kann z. B. der Feststoff ein Gut sein, das im Gegenstrom getrocknet werden soll, oder ein Gut, das Wärme an die Gasphase abgibt (etwa zum Zwecke des Wärmeaustausches oder zur Zuführung von Reaktionsenergie an das Gas), oder ein Feststoff, der eine Reaktion in der Gasphase vermittelt.
Sind mehr als zwei Phasen vorhanden, die miteinander in Berührung gebracht werden sollen, z. B.
Feststoff, Flüssigkeit und Gas (etwa zum Zwecke von chemischen Reaktionen), so können zwei von diesen (im Beispielsfall die beiden ersten), unabhängig von der dritten bewegt werden. Die Phasen müssen dabei nicht notwendigerweise über die ganze Länge des Behälters vorhanden sein, sondern eine (oder mehrere) von ihnen können auch erst während des Durchganges entstehen, wie es z. B. der Fall ist, wenn die verdünnte Lösung eines Stoffes durch Abdampfen immer mehr eingedickt wird, bis ein Feststoff auskristallisiert.
Ein weiteres Beispiel ist eine kontinuierliche Wasserdampfdestillation, bei der nach Abdampfen eines leichter siedenden Anteils aus dem zurückbleibenden schwerer siedenden Anteil Feststoffe ausfallen.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es möglich, viel höhere Relativgeschwindigkeiten zwischen den Phasen zu erzielen, als dies in den bisher verwendeten Verfahren und Apparaten der Fall war, und die Relativgeschwindigkeit zwischen den Phasen zu beeinflussen. Dadurch ist es bei chemischen Reaktionen möglich, beliebige Verweilzeiten einzustellen, wobei vor allem auch sehr kurze Verweilzeiten erzielt werden können. Mit vorliegendem Verfahren ist es möglich, durch hohe Relativgeschwindigkeit und gute Durchmischung der Phasen sehr gute Wärme- und Stoffübergangswerte zu erhalten. Weiter ist es damit möglich, verunreinigte Flüssigkeiten zu verarbeiten (z. B. bei Destillation, Gaswäsche usw.), die in Apparaten üblicher Bauart (Kolonne mit Austauschböden oder Füllkörpern) zu Verstopfungen führen würden.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind auch anwendbar bei Änderungen der Lage der Vorrichtung innerhalb gewisser Grenzen. Damit ergibt sich ihre Anwendbarkeit auf schwankendem Boden, z. B. auf Schiffen, wo die Funktion von Apparaten üblicher Bauart, z. B. von Kolonnen, wesentlich beeinträchtigt wird.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung gezeigt, die zur kontinuierlichen Wasserdampfdestillation (oder Gaswäsche) geeignet ist. Darin ist der wendelförmige Einbau mit 1, der Behälter mit 2 und der Antrieb für den wendelförmigen Einbau mit 3 bezeichnet.
Ferner sind vorgesehen eine Aufgabevorrichtung 4 für das Einsatzprodukt, ein Auslass 5 für das Kopfprodukt, ein Dampfeintritt 6 und ein Sumpfproduktauslass 7. Während die vorherigen Angaben sich auf die kontinuierliche Wasserdampfdestillation beziehen, würden die entsprechenden Einrichtungen bei der Gaswäsche die Waschmittelaufgabe 4, Reingasauslass 5, Rohgaseintritt 6 und Waschmittelausgang 7 sein.
In Fig. 2 ist eine für die Rektifikation geeignete Vorrichtung gezeigt. Hier ist wiederum ein wendelförmiger Einbau 1 im Behälter 2 mit dem Antrieb 3 bewegbar. Der Eintritt des Einsatzgutes liegt bei 4, der Auslass für das Kopfprodukt bei 5 und der Auslass für das Sumpfprodukt bei 6, während mit 7 ein Aufkocher bezeichnet ist.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung für die Trocknung dargestellt. Auch hier sind der wendelförmige Einbau 1, der Behälter 2 und der Antrieb 3 die Hauptteile. Die Aufgabeeinrichtung für feuchtes Gut liegt bei 4, der Eintritt für trockenes Gas bei 6, der Abzug für feuchtes Gas bei 5 und der Auslass für das trockene Gut bei 7. Der Einlass 4 kann aber auch für die Aufgabe von Trockenmitteln benutzt werden, worauf dann der Auslass 5 für den Abzug von trockenem Gas, der Einlass 6 für das feuchte Gas und der Auslass 7 für feuchtes Trockenmittel dienen.
In den Fig. 4 bis 10 sind Vorrichtungen gemäss der Erfindung in Ausschnitten gezeigt.
In Fig. 4 ist im Behälter 2 ein wendelförmiger Einbau 1 dargestellt, bei dem die Ganghöhe von links nach rechts abnimmt bei gleichzeitiger Erhöhung der Gangtiefe infolge Konizität der Achse 8.
In Fig. 5 ist das gleiche der Fall, wobei jedoch die veränderte Gangtiefe durch Konizität des Behälters 2 herbeigeführt ist.
In Fig. 6 sind das Besondere Unterbrechungen der Wendel bei 9, in denen propellerartige Ansätze 10 angeordnet sind.
Fig. 7 zeigt, dass die Schnecke 1 lediglich Unterbrechungen bei 9 besitzt.
Fig. 8 zeigt eine Schnecke, die in Länge der Achse 8 mit Stangen 11 versehen ist.
Fig. 9 und 10 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch eine Behälterwand 2, die mit hier stark vergröbert gezeichneten Riffelungen 12 versehen ist.
Method and device for carrying out mass transfer and / or
Energy exchange and / or reactions
The invention relates to a method and a device which make it possible to carry out material exchange and / or energy exchange and / or reactions.
The most common method for mass transfer between a liquid and a vaporous or gaseous phase consists in allowing the liquid to flow from top to bottom and the vapor or gas in the opposite direction in so-called columns. The exchange trays (bubble-cap trays, sieve trays) and other internals or packing layers ensure the best possible mixing, that is, the largest possible contact area of the two phases. In all of these cases, the method of operation depends on the liquid flowing from top to bottom, following gravity.
As a result, however, a limit is set for this process and this apparatus with regard to the relative speed between vapor (gas) and liquid, e.g. B. In the case of columns, the limit speed results from the fact that at a certain steam (gas) speed the liquid can no longer flow off against the steam (gas).
Apart from that, the efficiency of rectifying trays drops sharply before this limit speed is reached due to the entrainment of liquid droplets. In the solid-gaseous phase pair, in a straight, vertical container in which a gas is blown from bottom to top through a bed of grains, the upper limit speed is the speed at which the solid is blown out of the container. Furthermore, in the above-mentioned apparatus it is only possible with difficulty to process liquids which are mixed with solids which lead to clogging of the apparatus.
This applies e.g. B. for distillation, extraction and absorption. In the latter case, for example, for carrying out gas scrubbing, for which trickle or spray towers are commonly used, it would be of economic advantage if a cheaper, contaminated product could optionally be used as the scrubbing liquid, which, however, only with difficulty in the above-mentioned apparatus is possible.
The invention makes it possible to overcome such difficulties.
According to the invention, the phases involved in material and / or energy exchange and / or reactions are brought into contact with one another in countercurrent or cocurrent, the phases being guided within a helical path which is located within a straight container whose longitudinal axis is horizontal or inclined is arranged, and that the specifically heavier phase is controlled independently of the direction of movement of the lighter phase. Here, these phases can be recorded in the container or approximately recorded.
The rotating relative movement of a helical body with respect to the container can be used for control. The rotation is directed against the direction of rotation of the lighter phase. In addition, oscillating relative movements can also be carried out between the helical body and the container.
In the presence of a solid phase, in particular special in the solid-gas system, it can be advantageous to arrange the container at a steep incline.
This allows the relative speed between solid and z. B. Gas can be increased further.
According to the invention, the following device is used to carry out the new method:
In the mainly horizontally arranged container mentioned in the method there is a helical installation which rests against the container wall in a sealing or approximately sealing manner. At the beginning and at the end or at any point in the container, there are expediently inlet and outlet lines for the phases entering or exiting the container. Means are also provided for generating the relative movement between the installation and the container.
Additions such as corrugations, blades, rods or the like can also be provided on the container and / or on the helical installation. Furthermore, the helical installation can be interrupted or supplemented by propeller-like approaches. The helical installation need not have any uniformity. In special cases it can have changing pitch and / or changing pitch and / or interruptions in the helix. Both the container and the internals can be insulated, cooled or heated.
The mode of operation is explained in more detail using the example of the liquid-vapor (gas) phase pair.
A stream of steam or gas passing through this container is forced to follow the helical path. If there is a liquid in this container at the same time, the steam or gas flow will, depending on the amount of liquid and gas speed, carry it with it to a greater or lesser extent in its flow direction. If, however, the helical installation is set in a rotating movement in the opposite direction to the gas flow, the entrainment of the liquid can be canceled again. By setting an appropriate speed, it is possible to hold the liquid tightly, or to move it at a further increased speed in the opposite direction to the steam or gas flow, or to let it be carried along by the gas flow in a measured manner at a slower speed.
In the first case, only the gas is sent through the container, while the liquid does not move in the direction of the longitudinal axis of the container. In the second part, the liquid is transported in countercurrent to the gas along the longitudinal axis of the container, and in the latter case in cocurrent. In this way it is possible to arbitrarily and continuously influence the relative speed between the phases by means of mechanical control.
In all of these processes there is a constant regeneration of the surface of the liquid and a large area of contact between the two phases.
The principle of the same mode of action occurs when two liquid phases with different specific gravity flow in opposite directions (e.g.
Extraction), or a solid and a liquid phase (e.g. crystallization, solution or reaction) or a solid and a gaseous phase.
In this case, the solid phase behaves exactly like the liquid in the liquid-vapor (gas) example described above. In the latter case, for. B. the solid be a good that is to be dried in countercurrent, or a good that gives off heat to the gas phase (for the purpose of heat exchange or for supplying reaction energy to the gas), or a solid that a reaction in the Mediated gas phase.
Are there more than two phases that are to be brought into contact with one another, e.g. B.
Solid, liquid and gas (e.g. for the purpose of chemical reactions), two of these (in the example the first two) can be moved independently of the third. The phases do not necessarily have to be present over the entire length of the container, but one (or more) of them can only arise during the passage, as is the case, for. B. is the case when the dilute solution of a substance is thickened more and more by evaporation until a solid crystallizes out.
Another example is a continuous steam distillation in which after evaporation of a lower-boiling portion, solids precipitate from the remaining higher-boiling portion.
With the aid of the present invention it is possible to achieve much higher relative speeds between the phases than was the case in the methods and apparatuses used up to now, and to influence the relative speed between the phases. As a result, it is possible to set any desired residence times in chemical reactions, and in particular very short residence times can be achieved. With the present method it is possible to obtain very good heat and mass transfer values through high relative speed and thorough mixing of the phases. It is also possible to process contaminated liquids (e.g. in the case of distillation, gas scrubbing, etc.) which would lead to blockages in apparatus of the usual design (column with exchange trays or packing).
The method and the device can also be used when the position of the device changes within certain limits. This results in their applicability on fluctuating ground, e.g. B. on ships, where the function of devices of conventional design, z. B. columns, is significantly affected.
Some exemplary embodiments of a device according to the invention are shown schematically in the drawing.
In Fig. 1, an apparatus is shown which is suitable for continuous steam distillation (or gas scrubbing). The helical installation is denoted by 1, the container by 2 and the drive for the helical installation by 3.
A feed device 4 for the input product, an outlet 5 for the top product, a steam inlet 6 and a bottom product outlet 7 are also provided. While the previous information relates to continuous steam distillation, the corresponding devices for the gas scrubbing would include the washing agent feed 4, clean gas outlet 5, Raw gas inlet 6 and detergent outlet 7.
An apparatus suitable for rectification is shown in FIG. Here again a helical installation 1 in the container 2 can be moved with the drive 3. The inlet of the feed is at 4, the outlet for the top product at 5 and the outlet for the bottom product at 6, while 7 denotes a reboiler.
In Fig. 3 an apparatus for drying is shown. Here, too, the helical installation 1, the container 2 and the drive 3 are the main parts. The feed device for moist material is at 4, the inlet for dry gas at 6, the outlet for moist gas at 5 and the outlet for the dry material at 7. The inlet 4 can also be used for the feed of desiccants, whereupon the outlet 5 is used for the extraction of dry gas, the inlet 6 for the moist gas and the outlet 7 for the moist desiccant.
In Figs. 4 to 10 devices according to the invention are shown in sections.
4 shows a helical installation 1 in the container 2, in which the pitch decreases from left to right with a simultaneous increase in the pitch due to the conicity of the axis 8.
The same is the case in FIG. 5, but the altered passage depth is brought about by the conicity of the container 2.
In Fig. 6 the special interruptions of the helix at 9, in which propeller-like attachments 10 are arranged.
7 shows that the screw 1 only has interruptions at 9.
FIG. 8 shows a screw which is provided with rods 11 along the length of the axis 8.
9 and 10 show a longitudinal or cross section through a container wall 2, which is provided with corrugations 12 drawn here in a greatly coarsened manner.