CH400095A - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Stoffaustausch und/oder Energieaustausch und/oder Reaktionen - Google Patents

Description

  
 



     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.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Durchführung von Stoffaustausch und/oder Energieaustausch und/oder Reaktionen im Gegen- oder im Gleichstrom zweier oder mehrerer miteinander in Berührung stehender Phasen, dadurch gekennzeichnet, dass 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.

   UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Phasen durch eine mechanische Steuerung im Behälter festgehalten oder annähernd festgehalten werden.

   2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Steuerung die drehende Relativbewegung eines wendelförmigen Körpers gegenüber dem Behälter benutzt wird, wobei die Drehung entgegen dem Drehsinn der leichteren Phase gerichtet ist.

   3. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Steuerung die schwingende Relativbewegung eines wendelförmigen Körpers gegenüber dem Behälter benutzt wird.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwesenheit einer festen Phase die wendelförmige Bahn um eine geneigte Achse angeordnet ist.

   PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein wendelförmiger Einbau dichtend oder annähernd dichtend an der Behälterwand anliegt, und dass Mittel vorhanden sind zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Einbau und Behälter.

   UNTERANSPRÜCHE 5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass am Behälter und/oder am wendelförmigen Einbau Zusätze, z. B. Riffelungen, Schaufeln, Stangen vorgesehen sind.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der wendelförmige Einbau durch propellerartige Ansätze unterbrochen oder ergänzt ist.

   7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der wendelförmige Einbau wech selnde Ganghöhe und/oder wechselnde Gangtiefe und/oder Unterbrechungen der Wendel aufweist.

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Behälter als auch die Einbauten isoliert, gekühlt oder geheizt sind.