DE10102188A1

DE10102188A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Flüssigkeit und Gas

Info

Publication number: DE10102188A1
Application number: DE10102188A
Authority: DE
Inventors: Heino Flues
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung (1) zum Trennen von Gas und Flüssigkeit mit mindestens zwei Trennstufen (2, 3), wobei die erste Trennstufe (2) einen Einlaufstutzen (23) für die Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit umfasst und in der ersten und der zweiten Trennstufe (2, 3) sowie in dem Einlaufstutzen (23) jeweils ein anderes Trennungsmedium verwendet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trennen von Gas und Flüssigkeit aus einer Zweiphasenströmung, das die folgenden Schritte umfasst: DOLLAR A - das Einführen eines Gas/Flüssigkeits-Gemisches über einen Agglomerator (231) in eine erste Trennstufe (2); DOLLAR A - Abscheidung von Tröpfchen in der ersten Trennstufe (2) durch Zentrifugalkraft; DOLLAR A - Weiterleiten des Gas-/Flüssigkeitsgemisches in eine zweite Trennstufe (3) zur Abscheidung von Tröpfchen an einem Tropfenabscheider (35); DOLLAR A - Ausströmen des von Flüssigkeit gereinigten Gases; DOLLAR A - Abführen der in der ersten und zweiten Trennstufe (2, 3) abgetrennten Flüssigkeit über eine gemeinsame Abführungsvorrichtung (22).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen von Flüssigkeit und Gas.

In der Automobilindustrie ist die Verwendung Brennstoffzellen zum Antrieb bekannt. Für die Brennstoffzellen werden Gase eingesetzt. Diese werden im Laufe Ihrer Herstellung oder der Verwendung in einem Brennstoffzellensystems mit Flüssigkeiten versetzt, die aus der Gasphase getrennt und teilweise rückgewonnen werden müssen. Da die Trennung von Luft und Gas in unmittelbarer Nähe des Brennstoffzellensystems erfolgen soll, ist der für eine Trennvorrichtungen zur Verfügung stehende Raum begrenzt. Weiterhin muss die Trennung der beiden Phasen sowohl bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems um den Auslegungspunkt, als auch bei einem Teillastbetrieb zuverlässig erfolgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Trennvorrichtung und ein Verfahren zum Trennen zu schaffen, bei dem eine zuverlässige Trennung von Gas und Flüssigkeit auf kleinem Raum erfolgen kann. Darüber hinaus sollen die Vorrichtung und das Verfahren flexibel sein, um sowohl für eine Betriebsweise um den Auslegungspunkt der Gesamtanlage als auch im Teilastbetrieb eine vollständige Trennung der Phasen zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe durch eine Trennvorrichtung und ein Verfahren gelöst werden kann, bei dem die Trennung in mehreren Stufen erfolgt.

Diese Aufgabe wird daher erfindungsgemäß durch eine Trennvorrichtung zum Trennen von Gas und Flüssigkeit mit mindestens zwei Trennstufen gelöst, wobei die erste Trennstufe einen Einlaufstutzen umfasst und in der ersten und der zweiten Trennstufe, sowie in dem Einlaufstutzen, jeweils ein anderes Trennungsmedium verwendet wird.

Durch diese stufenweise Trennung können Flüssigkeitstropfen verschiedener Größe aus der Gasphase getrennt und abgeschieden werden. Tropfen, die aufgrund ihrer Größe in der ersten Stufe nicht abgesondert werden konnten, werden in der zweiten Stufe von der Gasphase getrennt. Dies garantiert eine zuverlässige, bis zu 100%-ige, Trennung der Flüssigkeitsphase von der Gasphase.

Vorzugsweise stellt das Trennungsmedium in dem Einlaufstutzen einen Agglomerator dar. Dadurch wird es möglich noch vor Eintritt des Gas-/Flüssigkeitsgemisches für die Bildung von Tropfen einer gewissen Größe zu sorgen, die dann in den anschließenden Trennstufen leichter aus dem Gemisch abgetrennt werden können. Dieser Agglomerator, der beispielsweise ein Drahtgestrick, oder eine Matte aus Fasern darstellen kann, weist eine relativ geringe Packungsdichte auf. Diese kann beispielsweise 80 kg/m³ betragen. Je nach Betriebsart des mit der Trennvorrichtung verbundenen Systems und der dadurch auftretenden Flüssigkeitsmenge in der Gasphase, kann der Agglomerator auch als Tropfenabscheider bzw. als sogenannter "Demister" fungieren.

Nach dem Durchströmen des Einlaufstutzens gelangt das Gemisch in die erste Trennstufe. Als Trennungsmedium in dieser Stufe dient eine auf das Gemisch aufgebracht Kraft. Diese Kraft ist vorzugsweise die Zentrifugalkraft. Zum Aufbringen dieser Kraft kann die erste Trennstufe als Zyklon ausgestaltet sein. Der Einlaufstutzen ist bei einer solchen Ausgestaltung tangential an dem, im oberen Bereich zylindrisch ausgestalteten und sich nach unten verjüngenden, Zyklon angebracht. In dem Zyklon können die größeren Flüssigkeitströpfchen aus der Gasphase entfernt werden.

Das Trennungsmedium in der zweiten Trennstufe stellt vorzugsweise einen Füllkörper in Form eines Tropfenabscheiders dar. Dieser Tropfenabscheider oder "Demister kann unterschiedliche Formen aufweisen. Vorzugsweise wird der Tropfenabscheider durch ein Draht- oder Fasergewebe dargestellt. Da in der zweiten Trennstufe Tröpfchen geringerer Größe, die in der ersten Stufe nicht von dem Gemisch getrennt werden konnten, abgespalten werden sollen, wird ein dichtgepackter Tropfenabscheider verwendet. Dieser kann beispielsweise eine Packungsdichte von 300 bis 350 kg/m³ besitzen.

Zwischen der ersten und zweiten Trennstufe ist vorzugsweise eine Trennwand vorgesehen, die einen Durchlass von der ersten zur zweiten Trennstufe und mindestens eine Öffnung zum Abführen von, in der zweiten Trennstufe abgetrennter, Flüssigkeit aufweist. Der Durchlass kann durch einen Rohrstutzen gebildet werden.

Die erste und zweite Trennstufe sind vorzugsweise in einem Gefäß untergebracht. Durch diese räumliche Nähe kann zum einen eine Platzersparnis erzielt werden und zum anderen können negative Effekte, wie Strömungsabrisse, die bei der Weiterleitung des Gemisches von einem Behälter in den anderen auftreten können, vermieden werden.

Der Trennvorrichtung kann ein Kondensator vorgeschaltet sein. Dies kann beispielsweise ein Plattenkondensator sein. An einem solchen Kondensator kann die in dem Gemisch befindliche Flüssigkeit kondensiert werden und gelangt so als Kondensat zusammen mit dem. Gas in den Einlaufstutzen der Trennvorrichtung, die dann als Kondensatabscheider bezeichnet werden kann.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Trennen von Gas und Flüssigkeit aus einer Zweiphasenströmung gelöst, das die folgenden Schritte umfasst,

- das Einführen eines Gas/Flüssigkeitsgemisches über einen Agglomerator in eine erste Trennstufe;
- Abscheidung von Tröpfchen in der ersten Trennstufe durch Zentrifugalkraft;
- Weiterleiten des Gas-/Flüssigkeitsgemisches in eine zweite Trennstufe zur Abscheidung von Tröpfchen an einem Tropfenabscheider;
- Ausströmen des von Flüssigkeit gereinigten Gases; und
- Abführen der in der ersten und zweiten Trennstufe abgetrennten Flüssigkeit über eine gemeinsame Abführungsvorrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1: einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt; und

Fig. 2: ein Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform zeigt.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine erste Trennstufe 2 und eine zweite Trennstufe 3 auf. Die erste Trennstufe 2 wird durch einen Zyklon 21 gebildet, der im oberen Bereich zylindrisch ausgestaltet ist, sich nach unten verjüngt und in ein Auslaufrohr 22 des so gebildeten Trichters übergeht. Im Bereich der zylindrischen Wand des Zyklons 21 ist tangential ein Einlaufstutzen 23 eingebracht. Dieser wird durch ein im wesentlichen zylindrisches Rohr gebildet und weist in seinem Inneren einen als Agglomerator dienenden Füllkörper 231 auf. Am oberen Ende des Zyklons, d. h. an der dem Auslaufrohr 22 gegenüberliegenden Seite, ist ein Rohrstutzen 24 angeordnet. Dieser Rohstutzen 24 ist vorzugsweise koaxial mit der Achse des Zyklons 21 ausgerichtet. Diese Anordnung lässt sich auch der Fig. 2 entnehmen.

Oberhalb des Rohrstutzens 24 ist die zweite Trennstufe 3 angeordnet. Diese besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse 31, das vorzugsweise den gleichen Durchmesser, wie die Aussenwand der ersten Trennstufe 2 aufweist. Die zweite Trennstufe 3 wird nach unten durch einen Boden 32, in dem der Rohrstutzen 24 angeordnet ist, und nach oben durch eine Decke 33, in der zentrisch ein Auslaufstutzen 34 angeordnet ist, begrenzt. In dem so gebildeten Raum ist ein Füllkörper 35 angeordnet, der den Raum im wesentlichen vollständig ausfüllt. Dieser Füllkörper 35 wird auch als "Demister" bezeichnet.

In dem Boden 32 der zweiten Trennstufe 3 sind in der dargestellten Ausführungsform weiterhin vier in der Nähe des äußeren Umfangs angeordnete Öffnungen 321 vorgesehen. An diese Öffnungen 321 schließt sich jeweils eine Rohrleitung 322 an, die entlang der Wand der ersten Trennstufe 2 verlaufen und kurz oberhalb des Auslaufrohrs 22 des Zyklons 21 enden.

Unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform wird nun die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Als Gas-/Flüssigkeitsgemisch wird hier beispielhaft feuchte Luft angenommen.

Einem Plattenkondensator (nicht dargestellt), der dem Einlaufstutzen vorgeschaltet ist, wird feuchte Luft unter einem Druck von 2,7 bar und einer Temperatur von T_L = 84°C zugeführt. Beim Durchströmen der gekühlten Platten kondensiert Wasser aus der feuchten Luft. Nach dem Verlassen des Plattenkondensators wird der Gasstrom und das Kondensat in die dargestellte erfindungsgemäße Trennvorrichtung 1 geführt. In dem Einlaufstutzen 23 ist ein Agglomerator 231 mit einer Packungsdichte von 80 kg/m³ vorgesehen. Dieser füllt vorzugsweise, wie auch in Fig. 1 gezeigt, den gesamten Innendurchmesser des Einlaufstutzens 23 aus. Beim Durchströmen des Agglomerators 231 bilden sich relativ große Tropfen des Kondensates. Wird das mit der Trennvorrichtung verbundene System, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, im Teillastbetrieb gefahren, so kann der Agglomerator 231 auch als Tropfenabscheider (Demister) dienen. Dazu wird die Strömungsgeschwindigkeit in dem Agglomerator 231 so eingestellt, dass sich diese unterhalb der Flutgrenze befindet und es so zu einer Tropfenabscheidung kommen kann.

Nach dem Durchströmen des Agglomerators 231 gelangt das Zweiphasengemisch aus Luft und Wassertröpfchen in den Zyklon 21. Aufgrund der Anordnung des Einlaufstutzens 23 tritt dieser Gemischstrom tangential in den Zyklon 21 ein. Durch die Umlenkung an der Zyklonwand entsteht eine Drallströmung, die sich in Richtung des Auslaufrohres 22 bewegt. Hierbei werden die Flüssigkeitströpfchen ab einer gewissen Größe unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft gegen die Wand des Zyklons geschleudert. Der sich so an der Zyklonwand bildende Flüssigkeitsfilm aus mehreren Tröpfchen bewegt sich entlang der sich verjüngenden Trichterwand nach unten. So gelangen die abgeschiedenen Flüssigkeitströpfchen zu dem Auslaufrohr 22, durch das sie den Zyklon 21 verlassen. In der ersten Trennstufe können so Tröpfchen in der Größenordnung von beispielsweise 5 µm bis 40 µm abgeschieden werden.

Die Gasphase und die kleineren Tröpfchen werden durch die Strömung, die sich in dem Zyklon gebildet hat, nach oben transportiert und verlassen die erste Trennstufe 2 durch den Rohrstutzen 24. Von dort durchströmt das Zweiphasengemisch den darüber angeordneten Demister 35. Dieser weist eine weit höhere Packungsdichte als der Agglomerator 231 in dem Einlaufstutzen 23 auf. Die Packungsdichte des Demisters 35 kann beispielsweise 350 kg/m³ betragen. In dieser zweiten Trennstufe 3 werden Tröpfchen in der Größe von beispielsweise 1 µm bis 5 µm abgeschieden. Das so von der Flüssigkeit gereinigte Gas strömt aus dem in der Decke 33 der zweiten Trennstufe 3 vorgesehenen Auslaufstutzen 34 aus.

Das in der zweiten Trennstufe 3 abgetrennte Kondensat sammelt sich auf dem Boden 32. Durch die in dem Boden 32 vorgesehenen Öffnungen 321 gelangt das Konzentrat in die Rohrleitungen 322. Über diese wird es bis kurz oberhalb des Auslaufrohres 22 transportiert und tritt aufgrund der Schwerkraft durch dieses Auslaufrohr 22 aus.

Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Es liegt aber beispielsweise auch im Sinne der Erfindung den Boden 32 der zweiten Trennstufe 3 so auszugestalten, dass dieser in Richtung der einzelnen Öffnungen 321 geneigt ist. Dadurch kann das Abfließen des Kondensates aus der zweiten Trennstufe 3 gewährleistet werden. Weiterhin können auch mehr als die gezeigten vier Öffnungen 321 und vier Rohrleitungen 322 in dem Boden 32 vorgesehen sein.

Vorzugsweise werden die Rohrleitungen durch die Zyklonwand verdeckt, d. h. sie liegen radial weiter außen, als die Zyklonwand. Dadurch kann eine Störung der in dem Zyklon erzeugten Strömung vermieden werden.

Durch den Aufbau der Trennvorrichtung kann diese in einer sehr geringen Größe hergestellt und eingesetzt werden. So können beispielsweise Trennvorrichtungen mit einer Gesamthöhe (einschließlich Auslaufstutzen und Auslaufrohr) von 120-130 mm und einem Durchmesser (ohne den Einlaufstutzen) von 70-75 mm eingesetzt werden. Solche kleinen Trennvorrichtungen, mit denen eine nahezu 100-ige Trennung von Gas und Flüssigkeit möglich ist, kann ideal für Brennstoffzellensysteme, die zum Antrieb eines Fahrzeuges verwendet werden, eingesetzt werden.

Claims

1. Trennvorrichtung (1) zum Trennen von Gas und Flüssigkeit mit mindestens zwei Trennstufen (2, 3), wobei die erste Trennstufe (2) einen Einlaufstutzen (23) für die Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit umfasst und in der ersten und der zweiten Trennstufe (2, 3), sowie in dem Einlaufstutzen (23), jeweils ein anderes Trennungsmedium verwendet wird.

2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennungsmedium in dem Einlaufstutzen (23) einen Agglomerator (231) darstellt.

3. Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennungsmedium in der ersten Trennstufe (2) eine Kraftaufbringung ist.

4. Trennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trennstufe (2) durch einen Zyklon (21) gebildet wird.

5. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennungsmedium in der zweiten Trennstufe (3) einen Tropfenabscheider (35) umfasst.

6. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Trennstufe (2, 3) eine Trennwand (32) vorgesehen ist, die einen Durchlass (24) von der ersten zur zweiten Trennstufe (2, 3) aufweist und mindestens eine Öffnung (321) zum Abführen von in der zweiten Trennstufe (3) abgetrennter Flüssigkeit aufweist.

7. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Trennstufe (2, 3) in einem Gefäß untergebracht sind.

8. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennvorrichtung (1) ein Kondensator vorgeschaltet ist.

9. Verfahren zum Trennen von Gas und Flüssigkeit aus einer Zweiphasenströmung, das die folgenden Schritte umfasst,

- das Einführen eines Gas/Flüssigkeits-Gemisches über einen Agglomerator (231) in eine erste Trennstufe (2);
- Abscheidung von Tröpfchen in der ersten Trennstufe (2) durch Zentrifugalkraft;
- Weiterleiten des Gas-/Flüssigkeitsgemisches in eine zweite Trennstufe (3) zur Abscheidung von Tröpfchen an einem Tropfenabscheider (35);
- Ausströmen des von Flüssigkeit gereinigten Gases;
- Abführen der in der ersten und zweiten Trennstufe (2, 3) abgetrennten Flüssigkeit über eine gemeinsame Abführungsvorrichtung (22).