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Dokumentenidentifikation DE19933693A1 18.01.2001
Titel Vorrichtung und Verfahren zur optimalen Positionierung von Feinstnebeldüsen in eine nicht gleichförmige Luftströmung
Anmelder Jaeschke, Wolfgang, Prof. Dr., 61476 Kronberg, DE
Erfinder Jaeschke, Wolfgang, Prof. Dr., 61476 Kronberg, DE;
Haunold, Werner, 60431 Frankfurt, DE;
Schumann, Martin, 61137 Schöneck, DE
DE-Anmeldedatum 17.07.1999
DE-Aktenzeichen 19933693
Offenlegungstag 18.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.2001
IPC-Hauptklasse B05B 13/00
IPC-Nebenklasse B05D 1/02   B01D 47/06   B01D 53/79   
Zusammenfassung Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur optimalen Einbringung von Feinstnebel (Tropfendurchmesser 1-50 _m) einer Flüssigkeit in eine bewegte Luftmasse, die sich innerhalb eines Strömungsrohres oder Reaktors mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit bewegt.
Sie findet Anwendung beim Ausbringen von Wirkstoffen, Befeuchten und Reinigen einer Luftmasse. Insbesondere Oberflächeneffekte zwischen Flüssigkeit und Gasphase werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung optimiert und ermöglicht.
In einer besonderen Ausführungsform findet die Erfindung Anwendung zum Reinigen von Abgasen und Ablüften.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet:

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und Verfahren zur effizienten Einbringung von Flüssigkeitsnebeln in eine nicht einheitliche Luftströmung mittels Feinstnebeldüsen.

Die Erfindung findet Anwendung auf allen verfahrenstechnischen Gebieten, auf denen eine effiziente und schnell wirksame Reaktion zwischen einer Flüssigkeit bzw. einer mit der Flüssigkeit ausgebrachten Wirkstoff in eine vorhandenen Luftströmung und den darin enthaltenen Gaskomponenten/Aerosolen erzielt werden soll. Außerdem kommt die Erfindung bei allen Verfahren zum Einsatz, die durch oberflächenaktive Absorption bzw. Adsorptionsprozesse zwischen Gas und Flüssigkeit bestimmt werden. Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei der Absorption von Gasen in einer Luftströmung mittels eines Feinstnebels einer absorbierenden Flüssigkeit.

Desweiteren findet die Erfindung Anwendung beim Adsorbieren von Feinststaub bzw. organischem Feinstaerosol mittels eines Flüssigkeitsnebels. In besonderen Fällen eignet sich die Erfindung zur effizienten Reinigung von Abluftströmen.

Stand der Technik

In vielen technischen Anwendungen werden Reaktionen bzw. Wechselwirkungen zwischen einer Flüssigkeit und einer Gasphase angestrebt. Beispielhaft ist hierfür die Abluft- bzw. Abgasreinigung zu nennen.

Die Effizienz solcher Anlagen (Wäscher, Kolonnen, Rieseltürme) wird bestimmt durch die bauliche Auslegung, der Intensität der Wechselwirkungen und der Reaktionsgeschwindigkeit der beiden Phasen miteinander. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird wesentlich von der zur Verfügung stehenden Kontaktfläche zwischen den Reaktionspartnern Gas- und Flüssigphase bestimmt. Bei gleichem Flüssigkeitsvolumen kann die Kontaktfläche durch Verringerung der Tropfendurchmesser stark vergrößert werden. Daher haben neue Verfahren, die mit einem "Flüssigkeitsnebel" mit Tropfen im µm-Bereich arbeiten, große Vorteile (z. B. Pat.-Nr. 195 45 679.3).

Diese neue Form zur Optimierung von Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Gaskomponenten zeigt sich in vielen Anwendungsfällen im Vergleich zu bisherigen Verfahren deutlich überlegen. Kommerziell erhältliche Wäscher/Rieseltürme/Kolonnen bieten bei weitem nicht so große Kontaktflächen wie ein mit einem Feinstnebel mit einer mittleren Tropfengröße von ca. 1-50 µm (vorzugsweise 5-20 µm) betriebener Reaktor. Auch ist der mittlere Abstand zwischen den Flüssigkeitsoberflächen, d. h. die freie Weglänge der Gasmoleküle zwischen den Tropfen, sehr viel kleiner als bei traditionellen Verfahren.

Zur Erzeugung von Flüssigkeitsfeinstnebeln (Tropfendurchmesser: 1-50 µm) werden Flüssigkeiten mittels spezieller Düsen in einen Luftstrom eingebracht. Dies geschieht z. B. zum Befeuchten, Entstauben oder zur Ausbringung von Absorberlösungen.

Bei allen genannten Anwendungsbeispielen spielt die Qualität der räumlichen Verteilung des Flüssigkeitsnebels im Luftstrom eine verfahrenstechnisch entscheidende Rolle. Dies gilt besonders für Verfahren, bei denen eine Wechselwirkung zwischen Flüssigkeitströpfchenoberflächen und der Gasphase gewünscht ist.

Da in den zu behandelnden Abluftströmungen für die Einbringung des Nebels häufig keine idealen laminaren Strömungsfelder erwartet werden können, da die Eigenschaften der Förderpumpen oder Turbinen sowie die Geometrie der Rohrleitungen meist ausgeprägte Geschwindigkeitsprofile innerhalb des Luftstromes bewirken (Fig. 1), ist dies bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einbringung von Nebel zu berücksichtigen.

Es muß sichergestellt sein, daß der generierte und ausgebrachte Nebel innerhalb einer Luftströmung gleichmäßig mit dem gesamten Gasvolumen in Kontakt gebracht wird. Dies ist nur möglich, wenn in Bereichen hoher Strömungsgeschwindigkeit entsprechend größere Nebelmengen zur Behandlung der Abluft zur Verfügung stehen. Das erfindungsgemäße Ziel ist es eine gleichmäßige Beladung der Luftmassen mit Flüssigkeitsnebel zu gewährleisten. Die Beladung wird in Gramm/m3 angegeben.

Durch eine an die wirkliche Strömungsgeschwindigkeit angepaßte Positionierung der Düsen in der Luftströmung (Fig. 2) ist es möglich, eine optimale Aufteilung des Flüssigkeitsnebels zu gewährleisten.

Wenn die Einbringungsbedingungen nicht optimal sind (Fig. 3), so kann auch mit dem Einsatz eines großen Überschusses an nebelförmig eingebrachten Wirkstoffen meist kein befriedigender Wirkungsgrad erzielt werden. Dies führt zu einer partiellen Überdosierung bzw. Unterdosierung eingebrachter Wirkstoffe, zu hohen Wirkstoffkosten und einer nicht effektiv einsetzbaren verbrauchsorientierten Steuerung.

Ziel ist es aber, mit einem möglichst sparsamen Einsatz und einem vollständigen Verbrauch des nebelförmig eingesetzten Wirkstoffes einen Wirkungsgrad der Gasabsorption von nahezu 100% in der Anlage zu erreichen.

Patentgemäße Vorrichtung und Verfahren

Ausgehend von der Erkenntnis, daß jede Feinstnebeldüse - bei idealer Anströmung - einen kegelförmigen Nebelstrahl erzeugt (Fig. 4), ist es möglich, aus den Sprüheigenschaften einer Düse bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten (d. h. Aufweitung des Düsenkegels bei verschiedenen Abständen zur Düse bzw. unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten) für jede einzelne verwendete Düse bei bekannter Luftgeschwindigkeit im Strömungsfeld einer Luftströmung eine optimale Position zu berechnen (Fig. 5). Der resultierende Flüssigwassergehalt (g/m3) ist damit vorhersagbar. Das erfindungsgemäße optimale Plazieren der Feinstnebeldüsen im Strömungsfeld einer Luftströmung zeichnet sich durch folgende Faktoren aus:

  • 1. Die Summe der erzeugten Nebelkegel der in eine Strömung implantierten Düsen (Düsenraster) füllen die Luftströmung bei axialer Ansicht nach einer bestimmten Strecke vollständig aus.
  • 2. Durch einen optional zusätzlich vor den Ausbringungsdüsen eingebauten Laminator (Fig. 6) können Einflüsse störender Wirbel vor dem Erreichen der Düsen vermieden werden.
  • 3. Durch eine erfindungsgemäß optimierte nicht geometrisch gleichmäßige Positionierung geeigneter Düsen in ein nicht gleichförmig bewegtes Strömungsfeld ist es möglich, eine gleichmäßig harmonische Verteilung von Flüssigkeitsnebeln in eine bewegte Luftmasse einzubringen (Fig. 5).
  • 4. In einer Luftströmung lassen sich bei Kenntnis der Sprüheigenschaften der Düsen beliebig viele optimierte Düsenraster hintereinander in angemessenem Abstand anordnen und damit auch höchste Volumenströme mit genügend Wirkstoff versorgen (Fig. 7). Auch bei der Kombination vieler Düsenraster hintereinander, in entsprechend den Düseneigenschaften berechnetem Abstand zu einem Mehrraster-System, gelten die Leistungsdaten der einzelnen Düsenraster am jeweiligen Montagepunkt.

Nach der im Patentanspruch beschriebenen optimalen Einbringung des Nebels in den Luftstrom kann in einem zweiten Reaktorteil mit beliebiger Bauform bzw. Volumen für eine Verlängerung der Reaktionszeit zwischen Gasphase und der nebelförmig ausgebrachten Flüssigphase mit den darin enthaltenen Wirkstoffen gesorgt werden.

Da die Nebeltropfen homogen im Volumen verteilt sind, ist eine zusätzliche Durchmischung der mit Nebel angereicherten Luftmasse in diesem Reaktorteil nicht mehr zwingend notwendig.

In einer besonderen Ausführung können beispielsweise erfindungsgemäße Kombinationen der Düsenraster in der Luftströmung hintereinander geschaltet werden (Fig. 7), um Flüssigkeiten mit verschiedenen Wirkstoffen nebelförmig nebeneinander in eine zu behandelnde Luftmasse einzubringen.

Legenden zu den Figuren Fig. 1. Schematische Darstellung eines Strömungsgradienten in einer Luftströmung

Fig. 1 zeigt den beispielhaft in einem Rohr/Reaktor (6) vorliegenden Strömungsgradienten einer Luftströmung in axialer Ansicht. Die Luftmassen bewegen sich im Rohr/Reaktor (6) nicht gleichförmig, sondern mit verschiedenen Geschwindigkeiten (7) (Angaben in Meter pro Sekunde [10, 12, 15, 20]), wobei sich die Bereiche unterschiedlicher Geschwindigkeit voneinander durch Isolinien abgrenzen lassen (5).

Fig. 2. Querschnitt in axialer Ansicht einer beispielhaften erfindungsmäßigen Vorrichtung im Strömungsgradienten einer Luftströmung

Fig. 2 zeigt die erfindungsmäßig optimierte Positionierung von Düsen (1) in einem Rohr/Reaktor (6) in Form eines in die Luftströmung des Strömungsgradienten eingesetzten Düsenrasters (8).

Die Düsen (1) werden so in die Luftströmung implantiert, daß für jede verschiedene Strömungsgeschwindigkeit (7) eine vergleichbare Nebelmenge eingebracht wird.

Fig. 3. Beispiel mangelhafter Ausführungen nach bisherigem Stand der Technik

Fig. 3 beschreibt beispielhaft eine mangelhafte Ausbringungsform nach bisherigem Stand der Technik. Die Düsen (1) sind gleichmäßig, geometrisch geordnet im Rohr/Reaktor (6) angeordnet. Die von den Düsen (1) erzeugten Nebelkegel (3) füllen die Luftmasse nicht gleichmäßig aus. In Bereichen hoher Luftgeschwindigkeiten [20 m/s] kommt es zu einem Wirkstoffmangel und in Bereichen geringer Luftströmung zu einer Wirkstoffüberdosierung [10, 12 m/s].

Ohne weitere Durchmischung bzw. starker Verlängerung des Rohres/Reaktors (6) wird nur ein kleiner Teil der mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (7) strömenden Bereiche (5) mit dem Nebel in Kontakt gebracht.

Fig. 4. Schematische Darstellung einer optimalen Anströmung einer Düse

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine durch eine Luftströmung (2) ideal angeströmte Düse (1) mit dem entsprechenden kegelförmigen Sprühkegel (3).

Fig. 5. Querschnitt in axialer Ansicht einer beispielhaften erfindungsmäßigen Vorrichtung in kurzem Abstand zu den Düsen

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte erfindungsmäßige Vorrichtung zur optimalen Positionierung von Düsen (1) in einem Rohr/Reaktor (6) mit einem Strömungsgradienten. Die Luftmassen bewegen sich in den verschiedenen Isolinienbereichen (5) mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten (7), wobei die Düsen (1) auf einem Düsenraster (8) angeordnet werden und je nach Position im Rohr/Reaktor (6) nach einer kurzen Wegstrecke unterschiedlich ausgedehnte Sprühkegel (3) erzeugen.

Nach einer geeignet langen Wegstrecke ist die Luftmasse, aufgrund der ständigen Aufweitung der Sprühkegel, vollständig und in gleichem Maße konzentriert mit Nebel erfüllt.

Fig. 6. Schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsmäßigen Vorrichtung

Fig. 6 beschreibt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 5 in seitlicher Ansicht, wobei sich vor den Düsen (1) auf dem Düsenraster (8) im Rohr/Reaktor (6) zusätzlich ausgerichtete Flächenelemente befinden, welche als Laminatoren (4) wirksam sind. Die Düsen (1) werden nach dem Laminator (4) mit unterschiedlicher wirbelfreier Luftströmung (2) angeströmt, wodurch der nach den Düsen (1) kegelförmig entstehende Sprühkegel (3) entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit verschiedene Ausdehnungen aufweist.

Der nach dem Düsenraster (8) freigesetzte Nebel füllt die Luftmassen im Rohr/Reaktor (6) nach einer ausreichenden Distanz vollständig aus.

Fig. 7. Schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung als Kombination aus mehreren einzelnen erfindungsmäßigen Vorrichtungen nach Fig. 6

Fig. 7 zeigt beispielhaft die Kombination von erfindungsgemäß optimierten Vorrichtungen (Fig. 5 und 6) zu einer größeren Einheit. Dabei sind mehrere Düsenraster (8) in Strömungsrichtung hintereinander in eine nicht gleichmäßige Luftströmung (2) geschaltet, wodurch es möglich ist,

1. auch größte Luftdurchsätze optimal mit Nebel zu erfüllen; 2. verschiedene Wirkstoffe in die Luftströmung (2) einzubringen, die nicht gemeinsam mit einer Düse (1) eingebracht werden können (beispielsweise Säure, Lauge usw.).

Optional kann auch ein Laminator (4) vor den Düsenrastern (8) eingesetzt werden, um hinter den Düsen (1) für einen gleichförmig kegelförmigen Sprühkegel (3) zu sorgen.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung und Verfahren zur effizienten Einbringung von Flüssigkeitsnebeln mittels Feinstnebeldüsen in eine nicht einheitliche Luftströmung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
    1. a) die Flüssigkeit mittels Düsen in die Luftströmung eingebracht wird;
    2. b) durch eine den Strömungsverhältnissen angepaßte Aufteilung der Düsen der generierte Flüssigkeitsnebel innerhalb der gegebenen Luftströmung gleichmäßig verteilt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder verwendeten Düse eine ihr typische, zuvor in Windkanalversuchen ermittelte, räumliche Ausbreitung des Nebels innerhalb der Ausbringungsröhre ermöglicht wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Nebeldüsen auf dem berechneten Düsenraster innerhalb der gegebenen Luftströmung so gewählt werden sollten, daß
    1. A) sich der erzeugte Nebel nach einer bestimmten Strecke in axialer Sicht vollständig und gleichmäßig in der Luftströmung verteilt hat;
    2. B) sich die Sprühkegel der Düsen auf dem Düsenraster nicht gegenseitig behindern, wodurch es zur vermehrten und vorzeitigen Abscheidung der Nebelflüssigkeit kommen kann;
    3. C) möglichst wenig Abscheidung von Nebelflüssigkeit an den Wänden des Strömungsrohres oder Reaktors festzustellen ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor dem Düsenraster Laminatoren befinden, die eine wirbelfreie Luftströmung vor Erreichen der Nebeldüsen gewährleisten.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichent, daß mehrere Düsenraster miteinander kombiniert werden können, um auch größere Luftvolumenströme mit ausreichend Flüssigkeitsnebel zu erfüllen.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsenraster kombiniert oder einzeln hintereinander angeordnet werden können, um verschiedene Wirkstofflösungen nebelförmig in die gleiche Luftströmung auszubringen.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kombination oder der einzeln hintereinander ausgeführten Anordnung der Düsenraster ein beliebig großer Reaktionsraum für die mit Wirkstoffnebel erfüllte Luftströmung angeschlossen wird.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die patentgemäße Vorrichtung beispielhaft zur Ausbringung von
    1. A) sauren und/oder alkalischen Absorbernebeln verwendet wird;
    2. B) aerosolbindenden Flüssigkeiten verwendet wird;
    3. C) Absorberlösungen verwendet wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beschriebene Vorrichtung Teil einer Abluftreinigungsanlage ist.
  10. 10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsmäßige Anordnung der Nebeldüsen durch Messung des Strömungsprofiles an der gewünschten Montagestelle und anschließender mathematischer Berechnung erfolgt.
  11. 11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße mathematische Optimierung der Nebeleinbringung nach kurzer Wegstrecke und Verweilzeit eine gleichmäßige Einbringung des nebelförmigen Wirkstoffes in Gewichtmengen pro Luftvolumen (g/m3) gewährleistet.






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