DE2523855C3

DE2523855C3 - Einrichtung zur Kompression eines reaktiven Gases

Info

Publication number: DE2523855C3
Application number: DE19752523855
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Amagasaki Hyogo Maeda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1974-05-31
Filing date: 1975-05-30
Publication date: 1981-04-09
Also published as: CH606808A5; FR2273177B1; JPS50153304A; DE2523855A1; DE2523855B2; FR2273177A1; JPS5437686B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kompression eines reaktiven Gases, insbesondere von Ozon mit einer mit dem Gas und einer Flüssigkeit beaufschlagten Zentrifugalpumpe, mit einem der Zentrifugalpumpe nachgeschalteten Sammelbehälter für die Trennung des komprimierten Gases von der Flüssigkeit, mit einer Rückführleitung zur Rückführung der Flüssigkeit vom Sammelbehälter zur Zentrifugalpumpe und mit einem Ventil in der Rückführleitung.

Eine solche Einrichtung ist aus der FR-PS 5 38 383 bekannt. Dabei muß jedoch zur Vermeidung eines Zusammenbrechens der Pumpwirkung die Geschwindigkeit der Strömung und der Flüssigkeit größer sein als die Gasauftriebsgeschwindigkeii zum Zentrum der Zentrifugalpumpe hin. Dies erfordert Gasbläschen mit einem kleinen Durchmesser, welche aber durch die bekannte Einrichtung nicht gewährleistet sind. Bei einem bestimmten Gasbläschen-Durchmesser darf eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit der Flüssigkeit nicht unterschritten werden. Nun hängt aber die Geschwindigkeit der Flüssigkeit vom Druck im nachgeschalteten Sammelbehälter ab. Dieser Druck schwankt naturgemäß bei der bekannten Einrichtung. Die bekannte Einrichtung gewährleistet daher keinen stabilen Betrieb.

Andererseits kann zur Kompression reaktiver Gase ^r>o ein Kolbenkompressor nicht eingesetzt werden, da Korrosion und Zersetzungen des Schmieröls befürchtet werden müssen. Es war daher bisher erforderlich, reaktive Gase mit Hilfe von teuren Membranpumpen begrenzter Kapazität zu komprimieren. v>

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Kompression eines reaktiven Gases, insbesondere von Ozon, zu schaffen, bei der das Gas mit Hilfe einer Zentrifugalpumpe komprimiert wird und bei der ein stabiler Betrieb gewährleistet ist. t>o

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche gekennzeichnet ist durch eine Gaseinsprudelvorrichtung stromauf von der Zentrifugalpumpe zur Einmischung des Gases in Form feiner Bläschen in die μ Flüssigkeit, einem Flüssigkeitsniveau-Detektor im Sammelbehälter, welcher das Ventil bei steigendem Flüssigkeitsniveau weiter öffnet und umgekehrt und einem Flüssigkeitstank stromauf von der Zentrifugalpumpe, welcher die Flüssigkeit auf einem vorbestimmten Druck von vorzugsweise etwa 1 Atmosphäre hält

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung der Luftaufstiegsgeschwindigkeit und des Luftblasendurchmessers im Wasser,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung des Druckes des komprimierten Gases und des Gasdurchsatzes am Auslaß der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1.

Die Einrichtung gemäß F i g. 1 umfaßt eine Gaseinsprudelvorrichtung 1 zum Durchmischen eines Gases und einer Flüssigkeit mit einem Gassprudelrohr 2 zur Erzeugung von feinen Bläschen, einem Gaszufuhrrohr 3 und einer Rohrleitung 4 für die Überführung eines Gas-Flüssigkeits-Mediums zu einer Zentrifugalpumpe 5 für die Verdichtung des Gas-Flüssigkeits-Mediums. Der Betrieb einer solchen Zentrifugalpumpe mit einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch ist nicht problemlos. Sie kann jedoch ohne Schwierigkeiten betrieben werden, wenn man das Gas unter den nachstehenden Bedingungen zumischt.

Eine Rohrleitung 6 dient der Überführung des durch die Zentrifugalpumpe 5 verdichteten Gas-Flüssigkeits-Gemisches zu einem Sammelbehälter 7, in dem das Gas des unter Druck durch die Zentrifugalpumpe 5 zugeführten Gas-Flüssigkeits-Mediums von der Flüssigkeit getrennt wird. Das komprimierte Gas wird im oberen Bereich des Sammelbehälters 7 gespeichert. Eine Rohrleitung 8 dient als Auslaß für das verdichtete Gas. Die Flüssigkeit wird über eine Rohrleitung 9 und ein Ventil 10 am Boden des Sammelbehälters 7 der Gaseinsprudelvorrichtung 1 zugeführt. Das Ventil dient dazu, einen gewünschten Druck und ein gewünschtes Flüssigkeitsniveau im Sammelbehälter 7 aufrechtzuerhalten. Das Ventil 10 wird in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau betätigt, das durch ein Niveau-Meßgerät 13 gesteuert wird. Die Öffnung des Ventils 10 wird vergrößert, wenn das Flüssigkeitsniveau hoch ist bzw. verringert, wenn das Flüssigkeitsniveau niedrig ist. Ein Tank 11 für die Flüssigkeit steht über eine Rohrleitung 12 mit der Atmosphäre in Verbindung. Der Tank 11 dient zur Aufrechterhaltung des Drucks der Flüssigkeit und des Drucks am Einlaß der Gaseinsprudelvorrichtung 1 auf im wesentlichen dem Wert des Atmosphärendrucks, so daß das zu verdichtende Gas in stabiler Weise zugeführt wird. Der Tank 11 kann auch zwischen der Gaseinsprudelvorrichtung 1 und der Zentrifugalpumpe 5 abgeordnet sein, d. h. im Bereich der Rohrleitung 4.

Wenn ein Gas in Form feiner Bläschen einer Flüssigkeit einverleibt wird, so kann man das Gas-Flüssigkeits-Medium als eine Flüssigkeit mit, im Vergleich zur reinen gasfreien Flüssigkeit, niedrigerer scheinbarer spezifischer Dichte ansehen, und zwar je nach dem Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit. Falls die Zentrifugalpumpe einen Überdruck von 4,9 Bar (5 kg/cm²) bei der reinen Flüssigkeit ausübt, so beträgt der Überdruck des Gas-Flüssigkeits-Mediums bei einem Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit von 1 : 1 2,45 Bar (2,5 kg/cm²), da das scheinbare spezifische Gewicht des Gas-Flüssigkeits-Mediums die Hälfte des spezifischen Gewichtes der reinen Flüssigkeit beträgt. Im praktischen Betrieb wird das Gas, welches der Flüssigkeit einverleibt ist, unter dem angewandten Druck zu einem reduzierten VoIu-

men verdichtet, so daß das scheinbare spezifische Gewicht des Gas-Flüssigkeits-Mediums einen die Hälfte des spezifischen Gewichts der reinen Flüssigkeit übersteigenden Wert hat und somit ein höherer Druck ausgeübt wird. Im gegebenen Fall beträgt der Überdruck des Gas-Flüssigkeits-Mediums etwa 3,9 Bar (4 kg/cm²). Der Druck des Gas-Flüssigkeits-Mediums ist gleich dem Druck der Flüssigkeit und gleich dem Druck des Gases. Somit ist der Druck des im Gas-Flüssigkcits-Abscheider abgetrennten Gases gleich dem Druck des Gas-Flüssigkeits-Mediums.

Wenn die eingeführten Bläschen fein sind, so ist der Druck in den Bläschen aufgrund der Oberflächenspannung höher als der Druck in der Flüssigkeit Wenn jedoch die feinen Bläschen bei der Gas-Flüssigkeits-Trennung brechen, wird der Druck des Gases gleich dem Druck der Flüssigkeit Der Druck des Gases ist gleich dem Druck im Sammelbehälter 7, welcher von der Charakteristik der Zentrifugalpumpe 5, der Ausströmrate des komprimierten Gases aus dem Sammelbehälter 7 und der Zufuhrrate des Gases in den Sammelbehälter 7 abhängt. Die Bedingungen werden so gewählt, daß die Zentrifugalpumpe stabil betrieben werden kann, obgleich das Gas der Flüssigkeit einverleibt ist und das Gemisch als gleichförmiges einheitliches Medium behandelt werden kann, ohne daß in der Rohrleitung 4, 6 von der Gaseinsprudelvorrichtung zum Sammelbehälter 7 die Gasbläschen von der Flüssigkeit geschieden werden.

Wenn die Gasbläschen aufgrund der Schwerkraft in der Rohrleitung 4, welche von der GaseinsprudeJ /orrichtung zur Zentrifugalpumpe 5 führt, aufsteigen und eine Trennung des Gases und der Flüssigkeit eintritt, so erscheint das Strömungsmedium nicht als einheitliches Strömungsmedium und es wird eine große Menge durch die Zentrifugalpumpe gefördert, so daß diese nicht oder nicht richtig arbeitet. Somit muß eine Gas-Flüssigkeits-Trennung in der Rohrleitung 4 vor dem Zentrifugalpumpeneinlaß vermieden werden. In der Pumpe wird eine bestimmte Zentrifugalkraft ausgeübt, wodurch die Bläschen in der Flüssigkeit in Richtung auf das Zentrum bewegt werden. Andererseits wird die Flüssigkeit vom Zentrum zur Außenperipherie hin bewegt. Wenn die Geschwindigkeit der Bewegung der Bläschen in Richtung auf das Zentrum (Realtivgeschwindigkeit zur 4 > Flüssigkeitsbewegung) höher ist als die Geschwindigkeit der Bewegung der Flüssigkeit zur Peripherie hin, so wird der mittlere Teil des Laufrades der Pumpe mit Gas gefüllt, so daß die Pumpe ihre Funktion verliert. Somit muß eine Gas-Flüssigkeits-Trennung auch innerhalb der jci Pumpe vermieden werden.

Die Faktoren, welche eine Gas-Flüssigkeits-Trennung beeinflussen, sind im praktischen Betrieb unter anderem der Bläschendurchmesser, die Viskosität der Flüssigkeit und das spezifische Gewicht der Flüssigkeit. » Es ist bekannt, daß die Aufstiegsgeschwindigkeit der Bläschen mit abnehmendem Bläschendurchmesser erheblich sinkt, und zwar gemäß der Stokeschen Gleichung(l):

Aufsticgsgeschwindigkeil V =

I ο μ

D¹ ■ g (I)

ρ I =
Ug = μ. — D =
g =

gkeit.

Dichte der Flüssig

Gasdichte,

Viskosität der Flüssigkeit,

Blaschendurchmesserund

Schwerkraftbeschleunigung.

Die Aufstiegsgeschwindigkeit ist somit umgekehrt proportional der Viskosität der Flüssigkeit Mit zunehmendem spezifischem Gewicht der Flüssigkeit wird die auf die Bläschen ausgeübte Auftriebskraft erhöht und die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasbläschen erhöht Für die Verhältnisse in der Zentrifugalpumpe muß man g (Schwerkraftbeschleunigung) durch die Winkelbeschleunigung ersetzen. Im Zentrifugalfeld ist die Auftriebskraft (Kraft in Richtung zum Zentrum hin) proportional der Zentrifugalkraft. Aus obigen Ausführungen wird klar, daß der Bläschendurchmesser gesenkt werden sollte (bei Strömungsmedium mit gegebener Viskosität), um eine Gas-Flüssigkeits-Trennung in der zur Zentrifugalpumpe 5 führenden Rohrleitung 4 und in der Zentrifugalpumpe 5 zu verhindern. In der Zentrifugalpumpe 5, in welcher der Druck ausgeübt wird, steigt die Auftriebskraft proportional zum Druck (wenn die Bläschengröße konstant gehalten wird), aber das Volumen der Bläschen fällt umgekehrt proportional zum Druck. Daher wird nach der Stokeschen Gleichung die Auftriebsgeschwindigkeit nicht durch den durch die Zentrifugalkraft der Zentrifugalpumpe 5 ausgeübten Druck beeinflußt. Somit wird also unter dem Druck der Zentrifugalpumpe 5 die Größe der Bläschen vermindert, aber die Auftriebsgeschwindigkeit in Richtung zur Außenperipherie hin strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Zentrifugalpumpe 5 hängt ab von der Bauart der Zentrifugalpumpe 5 und von der Austrittsrate aus der Zentrifugalpumpe 5. Wenn z. B. der Durchsatz Null ist (indem man das Ventil am Auslaß der Zentrifugalpumpe schließt), so ist auch die Strömung in Richtung zur Außenperipherie hin Null. Daher werden, selbst wenn der Flüssigkeit äußerst feine Bläschen einverleibt werden, die Bläschen dennoch nach einer bestimmten Zeitdauer zum mittleren Bereich hin transportiert, so daß die Zentrifugalpumpe ihre Funktion verliert. Somit ist es erforderlich, das Strömungsmedium mit einer Geschwindigkeit durch die Zentrifugalpumpe strömen zu lassen, welche höher ist als eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit.

Man kann als Gaseinsprudelvorrichtung 1 zur Einverleibung feiner Bläschen einen Ejektor verwenden. Bei Verwendung eines Ejektors tritt jedoch ein Druckverlust von mehreren Bar (kg/cm²) ein. Somit kann man einen Ejektor mit einer kleineren Kapazität verwenden und das Ventil 10 zur Steuerung des Flüssigkeitspegels parallel schalten.

Fig. 2 zeigt die Beziehung der Bläschenaufstiegsgeschwindigkeit und des Bläschendurchmessers. Im allgemeinen beträgt die Strömungsgeschwindigkeit unter den Bedingungen eines Hochleistungsbetriebs der Zentrifugalpumpe 5 mehrere m/s, so da3 man einen normalen Betrieb relativ leicht mit Bläschen von relativ großen Abmessungen aufrechterhalten kann.

F i g. 3 zeigt die Beziehung des Druckes des verdichteten Gases und der Durchflußrate des Gases am Auslaß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wobei Wasser als Flüssigkeit und Luft als Gas dienen.

Bei dem Versuch gemäß F i g. 3 wird ein Gassprudelrohr mit einem Porendurchmesser von 10 bis 50 μ verwendet. Die Pumpe hat einen Druck von 4,5 Bar (4,6 kg/cm²) und einen Durchsatz von 12mVh. Das Verhältnis des Gasdurchsatzes zum Flüssigkeitsdurchsatz (G/L) beträgt 0,2, 0,5 und 1. Der Druck steigt mit sinkendem Verhältnis G/L Der Gasdurchsatz ist niedrig, wenn das Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit gering ist. Der Grund für die Zunahme des Drucks mit

sinkendem Verhältnis G/L liegt darin, daß bei sinkendem Verhältnis G/L das spezifische Gewicht sich dem spezifischen Gewicht des Wassers nähert. Wenn der Durchsatz des Strömungsmediums unter einen bestimmten Grenzwert sinkt, so wird die Tätigkeit der ·> Pumpe gestoppt. Bei einem Durchsatz von 0,3 — 0,5 mVh wird die Tätigkeit der Pumpe aufrechterhalten.

Der Gasdurchsatz durch den Auslaß wird bei hohem Druck geringfügig vermindert, es wird jedoch im wesentlichen ein konstanter Durchsatz unabhängig vom κι Druck beobachtet. Der Grund für die geringfügige Senkung des Durchsatzes bei hohem Druck wird darin gesehen, daß die Gas-Flüssigkeits-Trennung nicht glatt vonstatten geht, da nämlich die Menge an Luft, welche sich im Wasser auflöst, steigt. Wenn der Druck noch r> weiter erhöht wird, wird die Funktion der Zentrifugalpumpe schließlich gestoppt. Das unter hohem Druck in Wasser aufgelöste Gas wird in Form feiner Bläschen im Wasser suspendiert wenn das Strömungsmedium durch das Ventil 10 strömt. Es treten daher keine Störungen hinsichtlich des Betriebs der Zentrifugalpumpe auf. Ein Teil des Gases, welches der Gaseinsprudelvorrichtung zugeführt wird, wird in diesem Falle zurückgeführt. Diese Gasmenge ist jedoch im Vergleich zu der eingesetzten Gasmenge recht gering, so daß keine Störungen eintreten. Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 werden die Gasbläschen aus dem Tank entlassen. Wenn ein toxisches Gas eingesetzt wird, so ist es erforderlich, einen Austritt dieses Gases zu verhindern. Aus obiger Beschreibung ergibt sich, daß die Kombination eines Gases und einer Flüssigkeit, welche eine geringe Löslichkeit ineinander zeigen, un;cr dem Gesichtspunkt der Rückführung des in der Flüssigkeit aufgelösten Gases, bevorzugt ist. Im Falle der Umsetzung eines Gases mit einer Flüssigkeit kann diese Flüssigkeit selbst als flüssige Komponente eingesetzt werden. In diesem Falle wird man nur einen Teil der Flüssigkeit zurückführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Kompression eines reaktiven Gases, insbesondere von Ozon mit einer mit dem Gas und einer Flüssigkeit beaufschlagten Zentrifugalpumpe, mit einem der Zentrifugalpumpe nachgeschalteten Sammelbehälter für die Trennung des komprimierten Gases von der Flüssigkeit, mit einer Rückführleitung zur Rückführung der Flüssigkeit vom Sammelbehälter zur Zentrifugalpumpe und mit einem Ventil in der Rückführleitung, gekennzeichnet durch eine Gaseinsprudelvorrichtung (1) stromauf von der Zentrifugalpumpe (5) zur Einmischung des Gases in Form feiner Bläschen in die Flüssigkeit, einem Flüssigkeitsniveau-Detektor (13) im Sammelbehälter (7), welcher das Ventil (10) bei steigendem Flüssigkeitsniveau weiter öffnet und umgekehrt und einem Flüssigkeitstank (11) stromauf von der Zentrifugalpumpe (5), welcher die Flüssigkeit auf einem vorbestimmten Druck von vorzugsweise etwa 1 Bar hält.