DE69910829T2 - Düse für ultraschallgasströmung und trägheitsabscheider - Google Patents
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Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düse mit konvergierend-divergierender Gestalt zur Erzeugung eines Sprühstromes mit Überschallgeschwindigkeit, einem darauf basierenden Trägheitsabscheider und ein Verfahren für die Überschallabscheidung einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Abscheiden einer oder mehrerer Komponenten aus dem Strom durch Kondensieren der gewählten Komponenten und nachfolgendes Abscheiden derselben.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Abscheidung findet in verschiedenen industriellen Gegebenheiten Anwendungen, wie in der Öl- und Gasindustrie, in der chemischen Industrie, in der Farbenindustrie und in einer weiten Vielzahl von anderen Industrien. Die Abscheidung kann in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden, wie beispielsweise in der Entfernung von Kohlendioxid aus einem Abgas, in der Luftaufbereitung (Wasserentfernung) und beim Trocknen von Erdgas, bevor dieses einem Netz von Pipelines zugeführt wird.
- Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen existieren zum Abscheiden von Komponenten aus gasförmigen oder anderen Fluiden. Beispiele von konventionellen Abscheidevorrichtungen umfassen Destilliersäulen, Filter und Membranen, Absetztanks, Zentrifugen, elektrostatische Abscheider, Trockner, Kühler, Zyklone, Wirbelrohrabscheider und Adsorbierer. Mit diesen konventionellen Vorrichtungen sind jedoch Nachteile und/oder Probleme verbunden, die sie für bestimmte Anwendungen unerwünscht machen. Zusätzlich sind im Stand der Technik verschiedene Trägheitsabscheider beschrieben, die mit einer Überschalldüse ausgestattet sind.
- Die JP-A-02,017,921 bezieht sich auf das Trennen eines gasförmigen Gemisches durch die Verwendung einer Überschallströmung. Die Vorrichtung umfaßt einen Verwirbeler, der stromaufwärts einer Überschalldüse angeordnet ist. Der verwirbelte Fluidstrom durchsetzt dann eine axial-symmetrische Expansionsdüse, um feine Teilchen zu bilden. Der Wirbel wird über eine längere Axialstrecke aufrechterhalten, wodurch ein großer Druckabfall erzeugt wird. Um eine Komponente aus dem Dreikomponenten-Gasstrom abzuscheiden, muß anfänglich ein großer stromaufwärtiger Wirbel durch den Verwirbeler bereitgestellt werden, und eine signifikante Menge an Energie muß dem System deshalb zugeführt werden.
- Die US-A-3,559,373 bezieht sich auf einen Überschallstromabscheider mit einem Hochdruckgaseinlaß, einem rechteckig geformten Hals und einem U-förmigen Kanal mit Rechteck-Querschnitt. Der Kanal hat eine äußere gekrümmte durchlässige Wand. Ein Gasstrom wird dem Gaseinlaß mit Unterschallgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt. Das Gas konvergiert durch den Hals und expandiert in den Kanal, wodurch die Geschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit erhöht wird. Die Expansion des Stromes im Überschallbereich resultiert in einem Tröpfchenwachstum, und die größeren Tröpfchen durchsetzen die äußere durchlässige Wand und werden in der Kammer gesammelt. Die Trennkraft, d. h. die Kraft, die zum Abtrennen verschiedener Phasen des Stromes erforderlich ist, hängt vom Radius der Kanalkrümmung ab. Der Krümmungsradius des Kanals ist jedoch notwendigerweise begrenzt, um normale Schockwellen zu verhindern. Deshalb beschränkt die Gestalt der Vorrichtung, die in der US-A-3,559,373 beschrieben ist, die zum Abtrennen von Flüssigkeitströpfchen aus dem fließenden Strom verfügbare Kraft. Außerdem werden die Flüssigkeitströpfchen nicht über die Kanalfläche gesammelt.
- Die EP-A-0,496,128 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden eines Gases aus einem Gasgemisch. Die Vorrichtung umfaßt einen Zylinder, der zu einer Düse konvergiert und dann in eine Wirbelzone divergiert. Gas tritt an der Einlaßöffnung des Zylinders mit Unterschallgeschwindigkeiten ein und strömt durch einen konvergierenden Abschnitt der Düse. Der Strom expandiert mit Überschallgeschwindigkeit aus dem konvergierenden Abschnitt in den divergierenden Abschnitt des Zylinders. Ein Paar von deltaförmigen Platten erteilen dem Überschallstrom eine Verwirbelung. Die Kombination von Überschallgeschwindigkeiten und Verwirbelung trägt zum Kondensieren und Abscheiden einer kondensierten Komponente aus den gasförmigen Komponenten des Stromes bei. Ein Auslaßrohr ist innerhalb des Zylinders zentral angeordnet, um die Abgabe der gasförmigen Komponenten des Fluidstromes mit Überschallgeschwindigkeit zu ermöglichen. Die flüssigen Komponenten setzen ihren Weg durch einen zweiten divergierenden Abschnitt fort, in welchem die Geschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit abfällt, und dann durch einen Ventilator, worauf sie schließlich den Zylinder durch einen zweiten Auslaß verlassen.
- Die internationale Anmeldung Nr. WO 99/01194 beschreibt ein ähnliches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Entfernen einer ausgewählten gasförmigen Komponente aus einem Fluidstrom, der eine Vielzahl von gasförmigen Komponenten enthält. Diese Vorrichtung ist mit einem Schockstromerzeuger stromabwärts der Sammelzone ausgerüstet, um die Axialgeschwindigkeit des Stromes auf Unterschallgeschwindigkeit zu verringern. Die Anwendung einer Schockwelle resultiert auf diese Weise in einer wirksameren Abtrennung der geformten Teilchen.
- Diese Druckschriften beschreiben verschiedene Überschall-Trägheitsabscheider, jedoch ohne detaillierte Beschreibung der verwendeten Düse.
- Die Ausbildung der Düsen, die sich für Trägheitsabscheider eignen, sind gegenüber jenen verschieden gestaltet, die in Düsentriebwerken und ähnlichen Schuberzeugern verwendet werden. Beide wenden konvergierend-divergierende Düsen (Delaval-Düse) an, was bedeutet, daß der Meridianabschnitt einen minimalen Durchmesser aufweist, der als „Düsenhals" bezeichnet wird. Der divergierende Abschnitt der Düsen, die als Schubvorrichtung verwendet wird, kann einen einfachen, konisch-divergierenden Abschnitt haben (siehe Perry's Chemical Engineers' Handbook, 5–32). Die Form des divergierenden Abschnittes zur Erzielung eines Überschallnebelstromes (d. h. eines Zweiphasenstromes, der Flüssigkeits-/Feststoffteilchen von kondensierten Komponenten des Stromes enthält, die als feine Teilchen mit der Gasphase transportiert werden) muß eine spezielle Gestalt haben; Entwurfsverfahren werden von Liepmann und Roshko (Elements of Gasdynamics, Wiley, New York, 1957, Seite 284) gegeben, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in diese Beschreibung miteinbezogen wird.
- Das US-Patent Nr. 5,261,242 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Feststoffteilchen oder verflüssigter Substanz von ihrem Trägerfluid, unter Verwendung eines Trägheitsabscheiders und stromaufwärts desselben, falls erforderlich, eines Düsensystems, dessen Allgemeinfunktion darin besteht, das die abzuscheidende Substanz tragende Fluid in einen raschen Strom umzuwandeln, welcher das Abscheiden der Substanz als Ergebnis des Trägheitseffektes ermöglicht. Gemäß diesem Patent wird eine konvergierend-divergierende Düse mit einem Teilchenprofil angewendet (das in
2 des US-Patentes dargestellt ist). Diese Düse soll auf dem Gebiet der Energierückgewinnung, beim industriellen Trocknen, Trocknen von Fluiden, die verflüssigbare Substanzen enthalten, und zum Absenken des Taupunktes von Gasen in der Gasreinigungstechnologie und in der Aerosolabscheidung und Gasabscheidung nützlich sein. Dementsprechend beschreibt dieses Patent eine Düse von konvergierend-divergierendem Typ, mit einem Kanal, der von einem Halsteil weg in Richtung der Fluidströmung aufwärts und abwärts einen konvergierenden und einen divergierenden Kanalabschnitt aufweist, wobei der Düsenkanal ein Profil in der Nähe des Halsteiles aufwärts und abwärts hat, das so geformt ist, daß der Druck und der Durchsatz in dieser Zone über die Düsenkanalachse im wesentlichen konstant bleiben. - Es bleibt jedoch unklar, welche Gestalt und Dimensionen diese Düse haben muß, um die Abscheidewirksamkeit von zumindest 15% zu erreichen (die Mindestabscheidewirksamkeit für Luftkonditionierung), vorzugsweise zumindest 50% (die Mindestabscheidewirksamkeit für Erdgasbehandlung), und/oder zur Bildung von abscheidbaren Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 2,5 Mikrometer.
- Die SU-A-1768242 und die SU-A-1722540 offenbaren ebenfalls Überschall-Trägheitsabscheider, ohne dem Effekt Beachtung zu schenken, den die Geometrie der Düse auf das Teilchenwachstum und die Leistung des Abscheiders hat.
- Was erforderlich ist, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die Nachteile und Unzukömmlichkeiten der bisherigen Abscheideverfahren vermeiden, um Teilchen einer rasch abscheidbaren Größe mit einer begrenzten Menge an äußerer Energie, rotierenden Teilen und Druckabfall zu erzeugen und wachsen zu lassen.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung schafft eine Düse mit konvergierend-divergierender Gestalt zur Erzeugung eines Sprühstromes mit Überschallgeschwindigkeit, umfassend:
-
- – einen Hals mit einem charakteristischen Durchmesser D*;
- – einen Einlaß mit einem charakteristischen Durchmesser D1, der in einem Abstand L1 stromaufwärts des Düsenhalses angeordnet ist; und
- – einen Auslaß mit einem charakteristischen Durchmesser D2, der in einem Abstand L2 stromabwärts des Düsenhalses angeordnet ist, wobei das Verhältnis von L2/(D2 – D*) größer als 50, aber kleiner als 220 ist.
- In der vorstehenden Definition und im Verlaufe dieser Beschreibung ist der Hals jener Teil der Düse, der die kleinste Durchflußfläche hat (dD/dx = 0, worin „dD" die inkrementale Änderung des charakteristischen Durchmessers ist und dx sich auf die inkrementale Änderung der Position entlang der Axialkoordinate bezieht); der Einlaß ist die Unterschall-Einströmebene der Düse, wo diese zu konvergieren beginnt (dD/dx ≠ 0), und der Auslaß ist die Überschall-Ausströmebene der Düse, wo sie zu divergieren aufhört (dD/dx 3 0). In ähnlicher Weise wird der Ausdruck „charakteristisch" in der vorstehenden Definition und im Verlaufe dieser Beschreibung dazu verwendet, den Durchmesser unabhängig von der Gestalt (kreisförmig, rechteckig etc.) des Querschnittes, d. h. des Schnittes normal zur Düsenachse, zu definieren. Der charakteristische Durchmesser beträgt das Vierfache der Querschnittsfläche dividiert durch den Umfang.
- Die Erfindung schafft auch einen Trägheitsabscheider für die Überschallabscheidung einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes, mit einer Düse, wie vorstehend beschrieben, und einem Abscheideabschnitt stromabwärts derselben, der zumindest einen Auslaß für die abzuscheidende Komponente hat, und zumindest einen Auslaß für den verbleibenden gasförmigen Strom.
- Unter dem Ausdruck „vorwiegend gasförmiger Strom" in der vorstehenden Definition und im Verlaufe dieser Beschreibung wird ein Strom verstanden, der eine kleine Menge an Flüssigkeit oder Feststoffgehalt haben kann, beispielsweise ein Gasstrom, der 0–10 Gew.-% Flüssigkeit und/oder Feststoffgehalt hat.
- Schließlich schafft die Erfindung auch ein Verfahren. für die Überschallabscheidung einer oder mehrere Komponenten eines vorwiegend gasförmigen Stromes mit einem Trägergas, unter Anwendung eines Trägheitsabscheiders, wie vorstehend beschrieben.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Die Verwendung einer Düse, wie vorstehend beschrieben, ergibt die Bildung von Teilchen einer trennbaren Größe. Diese Teilchen bilden sich durch Kondensation (und in einigen Fällen Verfestigung) einer oder mehrere Komponenten aus dem vorwiegend gasförmigen Strom durch Abnahme der Temperatur infolge der nahezu isotropen-Expansion desselben. (Der Ausdruck „Isotrop" bedeutet „von gleicher oder konstanter Entropie bezüglich entweder Raum oder Zeit".) Die Erfindung basiert somit auf einem Bereich von Überschalldüsen mit vorgegebenen Länge-/Durchmesserverhältnissen, wobei berücksichtigt wird, daß die Wirksamkeit eines Trägheitsabscheiders vom Durchmesser der Teilchen und dem Durchmesser des Trägheitsabscheiders abhängt. Geeignete Düsen haben ein Längen-/Durchmesserverhältnis von 50 < L2/(D2 – D*) < 220, vorzugsweise 100 < L2/(D2 – D*) < 200. Wenn dieses Verhältnis zu klein ist, dann wird entweder die Teilchengröße zu klein, um Trägheitskräften unterworfen zu werden, oder die Expansion ist von der isotropischen weit entfernt. Wenn das Verhältnis zu groß ist, dann wird sich die Expansion nicht bis zu Überschallbedingungen fortsetzen. Düsen, die sich als besonders zweckmäßig erwiesen haben und isotrope Wirksamkeit erreichen, n > 15%, haben ein Längen-/Durchmesserverhältnis L2/D*, das kleiner als 300 ist.
- Der Düsenquerschnitt kann irgendeine Form haben, wie kreisförmig, rechteckig oder komplexer. Vom Herstellungsstandpunkt aus werden diese beiden Formen bevorzugt.
- Die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Trägheitsabscheidern angewendet werden, die einen gekrümmten Abscheideabschnitt haben (wie beispielsweise in der GB-A-1,103,130; US-A-4,292,050; US-A-5,261,242 oder US-A-3,894,851 beschrieben, deren Inhalt in die vorliegende Beschreibung durch Bezugnahme miteinbezogen wird) und in Trägheitsabscheidern, die auf der Zentrifugalabscheidewirkung beruhen (JP-A-02,017,921; EP-A-0,496,128 oder WO 99/011994, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen wird). Dementsprechend weist ein Trägheitsabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung eine Düse auf, wie sie vorstehend definiert worden ist, und einen Abscheideabschnitt stromabwärts derselben, mit zumindest einem Auslaß für die oder jede abzuscheidende Komponente, und zumindest einem Auslaß für den verbleibenden gasförmigen Strom.
- Bevorzugte Trägheitsabscheider sind solche, die auf der Zentrifugalabscheidewirkung beruhen. In solchen Abscheidern treiben flüssige oder feste Teilchen durch eine wirbelnde Bewegung des Stromes (Wirbelstrom) zu den äußeren radialen Abschnitten des Stromes. Vorzugsweise haben diese Trägheitsabscheider stromaufwärts des Abscheideabschnittes und stromabwärts der Düse einen Wirbelerzeuger, in dem Teil des Abscheiders, der als Durchgang bezeichnet wird. Es kann aber auch möglich sein, einen Wirbelerzeuger vor der Düse (Unterschall) oder sogar in der Düse (entweder Unterschall oder Schallnahe) anzuordnen. Besonders bevorzugt sind jene Trägheitsabscheider, die in der EP-A-0,496,128 und WO 999/01194 beschrieben sind, bei welchen der Wirbelerzeuger ein oder mehrere deltaförmige Elemente enthält, die von der Innenwand des Trägheitsabscheiders radial nach innen ragen, wobei die Führungskante und Ebene derselben einen Einfallwinkel von nicht mehr als 10° mit der Axialkoordinate des Trägheitsabscheiders einschließt. Es versteht sich, daß der Wirbel durch verschiedene andere Methoden geformt werden kann, wie beispielsweise durch Veränderung der Geometrie des Durchganges, um alternativ Wände mit Krümmungen oder Einbuchtungen vorzusehen; die Verwendung einer gewundenen Spule als Durchgang; die Verwendung einer gewundenen Spule, die innerhalb des Durchganges angeordnet ist; die Verwendung eines nicht axial-symmetrischen Durchganges; die Verwendung eines gekrümmten Durchganges mit einer porösen Wand; die Verwendung einer spiralförmig gewundenen Gestalt zur Erzeugung eines Wirbelstromes vor dem Eintritt in die Düse; oder durch Verwendung eines tangentialen Wirbelrohres. Zusätzlich können verschiedene Flügelgeometrien angewendet werden, um einen Wirbel in dem Überschalldurchgang zu erzeugen, wie ein verformter Flügel, ein gekrümmter Flügel oder ein kleiner Flügel. Andere Beispiele zur Erzeugung eines Wirbels umfassen das Einführen eines Wirbels oberhalb der Düse (im Unterschallbereich) durch beispielsweise einen Flügel, ein Statorrad oder einen Tangentialeinlaß. Der Wirbel kann auch in dem Durchgang durch eine extern aufgebrachte Drehkraft, wie beispielsweise ein drehendes Rohr oder ein drehender Stab (d. h. der Magnus-Effekt), geformt werden. Zusätzlich kann lokale Erhitzung und/oder Kühlung des Überschalldurchganges angewendet werden, derart, daß ein Wirbel erzeugt wird (d. h. die Verteilung von Entropie und Enthalpie).
- Zum Abscheiden kondensierter Teilchen in einem Wirbel müssen die Tröpfchen die Wand des Rohres erreichen, d. h. sie müssen radial bis zur Hälfte des Innendurchmessers des Durchganges einer Wirbelabscheidevorrichtung wandern. Wenn aber die Tröpf chen, die in der Überschalldüse gebildet werden, zu klein sind, werden sie nicht imstande sein, die Wand zu erreichen, sondern zuerst einem Gleichgewichtspunkt zwischen Zentrifugalkraft des Wirbels und einwärts gerichteten Zugkräften unterliegen, die im Durchgang vorhanden sind.
- Es hat sich gezeigt, daß die Abkühlgeschwindigkeit (dT/dt) von etwa –100.000°K/s bis etwa –1.000°K/s variieren kann, vorzugsweise von etwa –50.000°K/s bis etwa –2.500°K/s, um abscheidbare Teilchen mit einer Größe von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 2,5 Mikrometer zu erzielen, vorzugsweise von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1 Mikrometer. Beispielsweise haben sich die folgenden Abkühlgeschwindigkeit- und Tröpfchengröße-Beziehungen für ein Gemisch Umgebungsluft/Wasser ergeben:
Abkühlgeschwindigkeit: Mittlerer Tröpfchendurchmesser: –50.000°K/s 0,2 Mikrometer –40.000°K/s 0,5 Mikrometer –20.000°K/s 1,0 Mikrometer - Es hat sich auch gezeigt, daß es möglich ist, Überschalldüsen durch ihre Beziehung zwischen der Abkühlgeschwindigkeit (dT/dt in °K/s) gegenüber D2 (in mm) zu definieren. Auf diese Weise wurden gute Resultate mit Düsen erzielt, bei denen das doppelte Log-Produkt, log(D2)*log(dT/dt) im Bereich von 3 bis 50 liegt, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 30, noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 15. Die „Abkühlgeschwindigkeit" kann experimentell oder durch Änderung der Düsengeometrie bestimmt werden.
- Ideal ist der Trägheitsabscheider mit einem Schockwellengenerator ausgestattet, beispielsweise einem Diffusor (d. h. einer Düse mit divergierend/konvergierender Gestalt), stromabwärts der Düse. Der Schockwellengenerator kann stromaufwärts oder stromabwärts des Abscheideabschnittes angeordnet sein.
- Die Erfinder haben gefunden, daß die Abscheidewirksamkeit signifikant verbessert wird, wenn das Sammeln der Teilchen in der Sammelzone hinter einer Schockwelle erfolgt, d. h. bei Unterschallströmung statt bei Überschallströmung. Die Schockwelle dissipiert eine wesentliche Menge an kinetischer Energie des Stromes und reduziert dadurch stark die Axialkomponente der Fluidgeschwindigkeit, während die Tangentialkomponente (verursacht durch den Wirbelgenerator) im wesentlichen unverändert bleibt. Als Ergebnis ist die Dichte der Teilchen im radial äußeren Abschnitt der Sammelzone signifikant höher als anderswo in der Leitung, in welcher Überschallströmung herrscht. Es wird angenommen, daß dieser Effekt durch die stark reduzierte Axialfluidgeschwindigkeit verursacht wird und die dadurch verringerte Tendenz der Teilchen, vom zentralen „Kern" des Stromes mitgerissen zu werden, in welchem das Fluid mit höherer Axialgeschwindigkeit als näher an der Wand der Leitung strömt. Somit wird im Unterschallströmungsbereich den auf die kondensierten Teilchen einwirkenden Zentrifugalkräften nicht in einem großen Ausmaß durch die Mitreißwirkung des zentralen „Kernes" des Stromes entgegengewirkt, so daß die Teilchen in dem radial äußeren Abschnitt der Sammelzone agglomerieren können, aus welchem sie abgezogen werden.
- Bei einer bevorzugten Vorrichtung wird die Schockwelle dadurch erreicht, daß der Fluidstrom durch einen Diffusor strömt. Während jeder Diffusor angewendet werden kann, ist ein geeigneter Diffusor ein Überschalldiffusor. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Sammelzone nahe dem Auslaßende des Diffusors angeordnet.
- Zusätzlich kann die Schockwelle durch andere Mittel erzeugt werden, wie beispielsweise durch Anordnung eines Schaftes, Konus, Flügels od. dgl. im Inneren der Leitung zur Erzeugung eines Strömungshindernisses und dadurch einer Schockwelle.
- Ein Schlußteil des Trägheitsabscheiders stromabwärts des Durchganges umfaßt den Abscheideabschnitt. Während es bevorzugt ist, einen Trägheitsabscheider anzuwenden, der mit einem Wirbelgenerator ausgestattet ist und somit auch mit einem Sammelrohr zum Sammeln kondensierten Materials aus dem gasförmigen Strom (siehe EP-A-0,496,128 und WO 99/01194), sei bemerkt, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise kann die separierte Komponente durch Abziehen der kondensierten Komponente von einer statischen Wand gesammelt werden, durch einen Strom der kondensierten Komponente durch Schlitze oder Perforationen, die in der Wand des Abscheiders ausgebildet sind; durch Abziehen der Flüssigkeitsschicht und Grenzschicht mittels einer porösen Wand (d. h. Reduzieren der Stagnationstemperaturzunahme); durch Kapillarkräfte zum Absorbieren der Flüssigkeiten durch Anwendung von mikroporösen Materialien; durch Grenzschichtabziehen mittels Lösungsmittelzirkulation; durch Lösbarkeit/Absorption durch Membranen; durch Abziehen von rotierenden wänden, wie beispielsweise einer rotierenden Trommel mit Schlitzen/Perforationen/porösem Material, oder durch Aufprallvorrichtungen (d. h. Wake-, Filter- oder Konusvorrichtungen).
- Der vorstehend beschriebene Trägheitsabscheider kann für die gleichen Zwecke wie die Trägheitsabscheider verwendet werden, die in den in dieser Beschreibung erwähnten Druckschriften beschrieben sind. Er eignet sich besonders für die Behandlung von Erdgas.
- Der Ausdruck „Erdgas", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bezieht sich allgemein auf Gas, das aus Untergrundansammlungen produziert worden ist und eine breitgestreute Zusammensetzung hat. Neben Kohlenwasserstoffen enthält Erdgas im allgemeinen Wasser, Stickstoff, Kohlendioxid und gelegentlich eine kleine Menge an Schwefelwasserstoff. Der Hauptkohlenwasserstoff im Erdgas ist Methan, das leichteste und niedrigstsiedende Element der Paraffinreihe der Kohlenwasserstoffe. Andere Konstituenten sind Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan etc. Die leichteren Konstituenten, z. B. C2-C4-Kohlenwasserstoffe, sind bei Atmosphärentemperaturen und -drücken in gasförmiger Phase. Die schwereren Konstituenten sind in flüssiger Phase bei Atmosphärendruck und -temperatur und in gasförmiger Phase bei erhöhten Temperaturen während der Förderung aus dem Untergrund. Erdgas, das solche schwerere Konstituenten enthält, ist als „Naßgas" bekannt. Erdgas, das keine oder nur einen kleinen Anteil an schwereren flüssigen Kohlenwasserstoffen enthält, ist als „Trockengas" bekannt.
- Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele weiter erläutert. Es versteht sich, daß die gleiche Beziehung, die für ein Luft-Wasser-Gemisch illustriert wird, auch für andere gasförmige Gemische zutreffen würde. Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt.
- BEISPIEL 1
- Es wird eine beispielhafte Leitung zum Abscheiden von Wasserdampf aus Luft der Umgebungsbedingungen beschrieben. Die Vorrichtung kann verwendet werden, um Wasserdampf aus Luft in einer zentralen Airconditioning-Anlage oder aus Abluft von Trockenkammern zu entfernen. Typischerweise müssen 15 % bis 30 % des Wasserdampfes abgeschieden werden, um die erwünschte Feuchtigkeit zu erzielen. Die Luftdurchsätze bei diesen Anwendungen liegen typisch in der Größenordnung von 10.000 bis zu 100.000 m3/h.
- In der Vorrichtung wurde Luft durch ein Gebläse auf einen Druck von 1,4 bar gebracht und dann auf zwischen 25–30°C abgekühlt, wo sich die Luft näher an der Wassersättigung befindet (RV = 90%). Die Luft wurde dann der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zugeführt, wo die Wasserflüssigkeiten mit einer kleinen Menge an Slipluft, die mit dem flüssigen Wasserstrom daherkommt, abgeschieden wurden.
-
- Die Vorrichtung erreichte die Kondensierung des Wasserdampfes, was zu einem Strom führte, der eine große Anzahl von Wassertröpfchen enthielt, typischerweise 1013/m3. Die Endtemperatur und der Druck wurden mit –28°C und 68 kPa (680 mbar(a)) ermittelt, wodurch sich eine Wasserdampfffraktion ergab, die vernachlässigbar klein war.
-
- Die Wandrauhigkeit wurde so gewählt, daß sie klein war, d. h. 1 Mikrometer, um die Reibungsverluste zu verringern. Je nach der Anwendung kann jedes starre Material für die Düsenvorrich tung verwendet werden, solange die vorerwähnten Konstruktionsparameter berücksichtigt werden.
- Der Trägheitsabscheider umfaßte auch einen Abscheideabschnitt, der ein leicht konisches Wirbelrohr enthielt, und stromabwärts desselben einen Diffusor.
- In dem Wirbelrohr war ein flügelartiger Verwirbelungseinbau vorhanden. An der Kante dieses Flügels wurde ein Wirbel auf der oberen (Unterdruck-) Seite erzeugt und von der Ebene abgegeben, vorzugsweise an der Hinterkante. Die Sehne des Flügels wurde an der Innenwand des Wirbelrohres befestigt. Der Einlaßdurchmesser des Wirbelrohres betrug 80 mm, der linear auf 84 mm über eine Länge von etwa der Sehnenlänge des Flügels zunahm, wonach er konstant blieb. Die Länge vom Flügelscheitel bis zur Flügelhinterkante sowie die Länge von der Flügelhinterkante zum Diffusor lag in der Größenordnung von 300 mm.
- Die Flügelspannweite an der Hinterkante betrug etwa 60 mm, und der Einfallwinkel der Flügelsehne zur Achse des Rohres betrug 8°. Der Pfeilwinkel der Vorderkante betrug 87° und der Pfeilwinkel der Hinterkante etwa 40°. Die Flügelkanten waren scharf mit einem Scheitelwinkel von weniger als 3°. Die Flügelebene war flach, ihr Profil infolge der kleinen Dicke extrem schlank, typischerweise etwa 4 mm an der Wurzel. Als Ergebnis betrug die Zirkulation oder integrale Wirbelbildung etwa 16 m2/s.
- Im Drainageabschnitt wurde die Flüssigkeit aus dem Wirbelrohr abgezogen. Der Drainageabschnitt ist keine scharf unterschiedene Vorrichtung, sondern ein integraler Teil des Wirbelrohres mittels Schlitzen, porösen Materialien, Löchern in den Wirbelrohrwänden; oder er ist ein integraler Teil des Diffusors mit Hilfe eines Wirbelrohres (Koaxialleitung). Bei diesem Beispiel wurde ein Wirbelrohr verwendet und zentral in der Leitung hin ter der Schockwelle angeordnet, die direkt hinter dem Wirbelrohr in dem ersten Diffusorteil vorhanden war.
- Der Diffusor-Auslaßdurchmesser betrug 90 mm, der Wirbelrohr-Einlaßdurchmesser 85 mm. Der halbe Divergenzwinkel des Diffusors betrug 4°. Der Wirbelrohr-Auslaßdurchmeser betrug in diesem Fall 300 mm, und die Länge 1.500 mm.
- Die Leistung der Vorrichtung wurde mittels zweier Feuchtigkeitssensoren gemessen, die beide am Lufteinlaß bzw. am Trockenluftauslaß vorgesehen waren, wobei sie durch Temperaturund Druckmessungen korrigiert wurden. Die typischen Werte der Einlaßwasserfraktionen betrugen 18–20 Gramm Wasserdampf pro kg Trockenluft. Die typischen Werte der Auslaßwasserfraktionen betrugen 13–15 Gramm Wasserdampf pro kg Trockenluft. Dies führte zu einer Abscheidewirksamkeit von etwa 25 %.
- BEISPIELE 2–4
- Tests wurden mit Düsen verschiedener Dimensionen ausgeführt, um schwere Kohlenwasserstoffe aus einem Erdgasstrom zu entfernen. Die Ergebnisse sind gemeinsam mit jenen des Beispieles 1 in Tabelle 1 dargestellt.
-
- Es versteht sich, daß verschiedene Alternativen zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bei der praktischen Anwendung der Erfindung angewendet werden können. Beispielsweise wird, obzwar der Betrieb der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Abscheidung einer kondensierten flüssigen Komponente aus einem gasförmigen Strom beschrieben worden ist, die vorliegende Erfindung mit gleichem Erfolg auf das Abscheiden von flüssigen Komponenten aus einem Flüssigkeitsstrom, das Abscheiden von flüssigen Komponenten aus einem gasförmigen Strom und das Abscheiden von Feststoffteilchen aus einem flüssigen oder gasförmigen Strom angewendet. Auf ähnliche Weise sind die vorstehend beschriebenen Verfahren Beispiele für viele Verfahren, die angewendet werden können.
Claims (13)
- Düse mit konvergierend-divergierender Gestalt zur Erzeugung eines Sprühstromes mit Überschallgeschwindigkeit, mit. – einem Hals mit einem charakteristischen Durchmesser D*; – einem Einlaß mit einem charakteristischen Durchmesser D1, der in einem Abstand L1 stromaufwärts des Düsenhalses angeordnet ist; und – einem Auslaß mit einem charakteristischen Durchmesser D2, der in einem Abstand L2 stromabwärts des Düsenhalses angeordnet ist, wobei das Verhältnis von L2/(D2 – D*) größer als 50, aber kleiner als 220 ist.
- Düse nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis L2/(D2 – D*) größer als 100, aber kleiner als 200 ist.
- Düse nach Anspruch 2, bei welcher das Verhältnis der Länge der Düse L2 zum Durchmesser der Düse D* kleiner als 300 ist.
- Trägheitsabscheider für die Überschallabscheidung aus einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes, mit einer Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Abscheideabschnitt stromabwärts derselben, der zumindest einen Auslaß für die abzuscheidende Komponente hat und zumindest einen Auslaß für den verbleibenden Gasstrom.
- Trägheitsabscheider nach Anspruch 4 mit einem Wirbelerzeuger stromaufwärts des Abscheideabschnittes und stromabwärts der Düse.
- Trägheitsabscheider nach Anspruch 5, bei welchem der Wirbelerzeuger eines oder mehrere deltaförmige Elemente aufweist, die von der Innenwand des Trägheitsabscheiders radial abstehen, wobei die Führungskante und -ebene derselben einen Einfallwinkel von nicht mehr als 10° mit der Axialkoordinate des Trägheitsabscheiders- bildet.
- Trägheitsabscheider nach einem der Ansprüche 4–6 mit einem Schockwellengenerator stromabwärts der Düse.
- Trägheitsabscheider nach Anspruch 7, bei welchem der Schockwellengenerator ein Diffusor ist (Düse mit divergierender/konvergierender Gestalt), der stromaufwärts oder stromabwärts des Abscheideabschnittes angeordnet ist.
- Verfahren zur Überschallabscheidung einer Komponente eines vorwiegend gasförmigen Stromes unter Verwendung eines Trägheitsabscheiders nach einem der Ansprüche 4–8.
- Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der vorwiegend gasförmige Strom ein Gemisch aus Methan und höheren Kohlenwasserstoffen und/oder Wasserdampf enthält.
- Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der vorwiegend gasförmige Strom ein Abgas ist und die zu entfernende Komponente aus der Gruppe CO2 , N2 , NOx und H2S gewählt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem die Komponente in Form von Tröpfchen abgeschieden wird, die eine Teilchengröße von 0,1 Mikrometer bis 2,5 Mikrometer, vorzugsweise von 0,5 Mikrometer bis 1,0 Mikrometer haben.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem die Temperaturänderung über die Länge L2 der Düse von –100.000°K/s bis –1.000°K/s beträgt.
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