Vorrichtung und Verfahren zur Stofftrennung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stofftrennung, beispielsweise für zwei Fluide, die eine unterschiedliche Dichte aufweisen, mit oder ohne Stoffübergang zwischen den Fluiden. Die Fluide sind vorzugsweise nicht mischbar und sind beispielsweise unterschiedliche Phasen. Die Fluidphasen können jeweils unabhängig voneinander bei der im Verfahren angewandten Temperatur flüssig oder gasförmig sein, z.B. kann ein erstes Fluid flüssig sein und ein zweites Fluid gasförmig, oder beide Fluide können flüssig oder gasförmig sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar ist, eignet sich zur Extraktion, Destillation und Rektifikation und zeichnet sich durch eine besondere Effektivität der Fluidtrennung und ggf. des Stoffübergangs zwischen den Fluiden aus.

Stand der Technik

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der EP 0 002 568 bekannt, die entsprechend des

HIGEE - Systems eine ringförmige Packung in einem ringförmigen drehbaren Packungsgehäuse aufweist, das die Packung durch zwei radiale Platten und einen angrenzenden äußeren Ring einschließt. Fluide können durch in der Drehachse angeordnete Rohre, die stationär sind und gegen das drehbare Packungsgehäuse gasdicht abgedichtet sind, auf die Packung aufgegeben werden, bzw. in Richtung der Drehachse aus der Packung abgeführt werden. Am äußeren Rand des Packungsgehäuses können Fluide zu- und abgeführt werden, wobei die Zuführöffnungen in einem geringeren radialen Abstand zur Drehachse der Packung angeordnet sind, als die Begrenzung der Packung.

Das drehbar gelagerte Gehäuse, in dem die ringförmige Packung angeordnet ist, ist in einem äußeren Gehäuse angeordnet, das eine Austrittsöffnung für Flüssigkeit aufweist. In radialer Richtung ist die Packung in einem Abstand zur Oberfläche des sie einschließenden Gehäuses angeordnet. Die Kontaktierung der vorzugsweise im Gegenstrom geführten Fluide erfolgt in der in Drehung versetzten ringförmigen Packung; das Gehäuse dient zum Sammeln des einen Fluids, das radial aus dem rotierenden Packungsgehäuse austritt.

Die US 6 827 916 B2 beschreibt einen Rührkesselreaktor, in dessen oberen Abschnitt eine rotierbare ringförmige Packung zwischen zwei radialen Kreisscheiben angeordnet ist, die die Packung bis auf ihre Mantelflächen, die parallel zur Drehachse angeordnet sind, abschließen. Die rotierbare Packung ist innerhalb eines geschlossenen Gehäuses rotierbar, wobei der Abschnitt des Gehäuses, über den sich die Halterung für die Packung erstreckt, durch mechanische Dichtungen gegenüber der rotierbaren Packung abgetrennt ist. Die mechanischen Dichtungen sind jeweils beidseitig der rotieren Packung beabstandet entlang der Länge der Wellenachse angeordnet, um aus der Packung zugängliche Gehäusevolumen auf einen ringförmigen Abschnitt des Gehäuses beschränken. Weiterhin werden die chinesischen Patente 92100093.6 und 95107423.7 damit zitiert, dass eine auf einer Hohlwelle angeordnete rotierbare Packung bekannt sei, die ebenfalls nur durch Mantelflächen durchströmbar ist, die parallel zur Wellenachse angeordnet sind.

Die DE 1 028 535 beschreibt eine an einer Welle rotierbare Packung, deren äußerer Umfang von einer äußeren, kegelstumpfförmigen Seitenwand eingefasst wird. Diese Seitenwand weist in ihrem Abschnitt größten Durchmessers eine zur Welle offene Rinne auf. Die in dieser Rinne gesammelte Flüssigkeit soll durch ein dort angeordnetes Rohr in den Bereich der Packung kleineren Durchmessers zurückgeleitet werden. Die rotierbare Packung ist in einem

mit der Welle verbundenen Siebkorb angeordnet, so dass ein Gas parallel zur Welle durch die Packung treten kann. Zur Vermeidung eines Gasstroms um die Packung herum ist die Packung gegen die Welle und durch zwei mechanische Dichtungen gegen die innere Wand des Gehäuses abgedichtet, in dem sie angeordnet ist.

Die CH 236575 beschreibt die Fortentwicklung einer Rektifikationskolonne, bei der in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle angeordnete tellerförmige Böden jeweils zwischen ringförmigen Böden angeordnet sind, die an der Gehäuse-Innenwand befestigt sind. Zur Erhöhung des Durchsatzes durch die Kolonne werden die Unterseiten der auf der Welle angeordneten tellerförmigen Böden mit Leitschaufeln versehen, die als Zentrifugalgebläse wirken sollen. Bei einer solchen Kolonne läuft eine Flüssigkeit von einem oberen Ende der Kolonne zum unteren Ende, und wird jeweils von den rotierenden Tellern gegen die Gehäuse- Innenwand geschleudert und durch die dort angebrachten ringscheibenförmigen Elemente auf einen unterhalb angeordneten rotierenden Teller geleitet. Ein Gas kann im Gegenstrom zum Flüssigkeitsstrom durch die Kolonne strömen und jeweils durch den zentrifugalen Rieselfilm aus Flüssigkeit treten. Austrittsöffnungen für Gas und Flüssigkeit sind wie in herkömmlichen Boden- oder Rieselkolonnen in gegenüberliegenden Deckeln des Gehäuses angeordnet, da das Gehäuse aus Ringelementen mit geschlossener Oberfläche besteht. Die Lagerung der Welle in den Deckeln des Gehäuses muß druckdicht sein, um den Druck, der im ganzen Gehäuse anliegt, zu halten.

Die DE 1 93 260 beschreibt eine Vorrichtung zur Mischung von Flüssigkeit mit Gas, bei der konzentrisch ineinander angeordnete zylinderförmige Siebflächen zwischen zwei radial angeordneten Scheiben als Böden für die Kontaktierung von Flüssigkeit dienen, die auf den konzentrischen Siebboden kleinsten Durchmessers aufgegeben wird, während ein Gas gegen den unter Fliehkraft bewegten Flüssigkeitsstrom von außen nach innen durch die Siebböden strömt. Flüssigkeit kann aus einem äußeren Gehäuse abgezogen werden, während Gas aus dem Innenraum der konzentrischen, rotierbaren Siebböden abgezogen wird.

Die DE 2 162 280 beschreibt eine Vorrichtung zum Kontaktieren von Flüssigkeit mit Gas, bei der konzentrisch angeordnete ringscheibenförmige Kontaktbleche zwischen zwei radialen Scheiben angeordnet sind, welche auf einer rotierbaren Welle befestigt sind. Zwischen einer radial zur Welle angeordneten Scheibe, die die konzentrischen Kontaktbleche einseitig begrenzt, und einem benachbarten Abschnitt einer Gehäusewand ist eine Flüssigringdichtung

angeordnet, so dass Gas, das in das Gehäuse geleitet wird, nicht außerhalb der rotierbaren konzentrischen Bleche strömen kann, sondern zwischen die beiden ringförmigen radialen Scheiben gezwungen wird, zwischen denen die konzentrischen Kontaktbleche angeordnet sind.

Die DE 34 15 236 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Rektifikation, bei der permeable Böden in Form konzentrischer und beabstandeter Ringe zwischen zwei radial angeordneten ringscheibenförmigen Elementen angeordnet sind, wobei die konzentrischen permeablen Ringe jeweils einseitig abwechselnd an gegenüberliegenden radialen Ringen befestigt sind, um gegenüberliegend einen Durchtritt für Gas bereitzustellen. Die Beheizung erfolgt elektrisch durch die Oberfläche eines umfassenden Ringelements, das sich nicht mit den ringförmigen Böden dreht, sondern durch Isolierungsringe verschieblich im Bereich des größten Durchmessers der radialen Ringscheiben angeordnet ist.

Ein Nachteil der vorbekannten Vorrichtungen zur Stofftrennung und insbesondere zur Rektifikation besteht darin, dass die Trennungsleistung bzw. der Stofftransport zwischen den Phasen auf eine Packung oder Anordnung von Packungen bzw. Kontaktoberflächen zwischen zwei radial auf einer Welle angeordneten und beabstandeten Scheiben beschränkt ist, wenn die Gasphase das Gehäuse nicht unter Vermeidung der Packung durchströmen soll. Die im Stand der Technik vorgeschlagenen mechanischen Dichtungen zwischen einer rotierbaren Packung und einem Gehäuse, die den Gasstrom zur Durchströmung der rotierbaren Packung zwingen sollen, führen regelmäßig zu hohen mechanischen Verlusten mit dem Problem des Verschleißes und des Risikos von Undichtigkeiten.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen mit rotierender Packung liegt darin, dass es erforderlich ist, Fluid aus dem Innenraum abzuführen, der sich an die der Welle zugewandte Oberfläche der Packung anschließt. Für diese Zu- oder Abführung von Fluid sind Dichtungen von unbewegten Leitungen gegenüber rotierenden Teilen erforderlich, beispielsweise gegenüber einer rotierenden Hohlwelle oder gegenüber einem rotierendem Gehäuse, das die Packung enthält.

Aufgabe der Erfindung

Gegenüber den bekannten Vorrichtungen und Verfahren stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, mit dem Probleme des Standes der Technik vermieden werden.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung löst die vorgenannte Aufgabe mit einer Einrichtung, bei der das Volumen eines Statorgehäuses, in dem eine Welle rotierbar angeordnet ist, bei Verwendung zur Stofftrennung entlang der Wellenachse in mindestens zwei voneinander im Wesentlichen fluiddicht, insbesondere gasdicht voneinander getrennte Volumenabschnitte unterteilt wird, ohne dass mechanische Dichtungen erforderlich sind.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist auf der Welle ein Radialelement auf, das aus einem fluidundurchlässigen Material besteht, in dem Stator drehbar und rotationssymmetrisch ist. Für diese Erfindung werden Radialelemente als rotationssymmetrisch bezeichnet, wenn die Welle in ihrem Schwerpunkt angeordnet ist, wobei bevorzugt die Welle im geometrischen Mittelpunkt angeordnet ist. Als Alternative zur Rotationssymmetrie jedes einzelnen Radialelements der Welle kann auch die Gesamtheit der Radialelemente einer Welle rotationssymmetrisch sein, solange die Anordnung aus Welle und darauf angeordneten Radialelementen rotationssymmetrisch ist. Entsprechend kann ein Massenausgleich auch durch gegeneinander wirkende Abweichungen von der Rotationssymmetrie von Welle und Radialelementen erfolgen.

Der als Gehäuse um Welle und Radialelement angeordnete Stator ist so von dem Radialelement beabstandet, dass sich dieses gegenüber dem Stator frei drehen kann. Der Stator weist auf jeder Seite des Radialelements beabstandete Abschnitte geringeren Querschnitts auf, die sich in zumindest einem ringförmigen Flächenabschnitt mit dem Radialelement überdecken. Bei einer Projektion parallel zur Welle überdecken sich Radialelement und beabstandete Abschnitte des Stators zumindest in einem ringförmigen Flächenabschnitt um die Welle. Die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt als der maximale Radius des Radialelements umfassen daher ringförmige Flächenabschnitte, die mit

ringförmigen Flächenabschnitten, von denen einer auf jeder der gegenüberliegenden Oberflächen des Radialelements umfaßt ist, in einem Abstand deckungsgleich angeordnet sind. Je nach Ausführung von Radialelement und Stator können die ringförmigen Flächenabschnitte, in denen sich diese überdecken, senkrecht zur Welle oder in einem geneigten Winkel zur Welle angeordnet sein. Die Ausbildung eines Fluidrings führt bevorzugt zu einer annähernd zylindrischen inneren funktionalen Trennung zweier Volumenabschnitte innerhalb des Stators durch Ausbildung eines Rings aus Fluid höherer Dichte, z.B. einer Flüssigkeitsgrenze, in Bezug auf das Fluid niedrigerer Dichte, z.B. einem Gasraum. Der Fluidring bildet sich beim erfindungsgemäßen Verfahren angrenzend an die Innenwandung des Stators im Bereich seines größten Durchmessers angrenzend an oder entlang des Umfangsbereichs des Radialelements, so dass vorzugsweise der Stator beidseitig des Radialelements und das Radialelement jeweils ringförmige Flächenabschnitte mit sich überschneidenden Radien um die Welle aufweisen. Der Stator weist auf jeder Seite des Radialelements beabstandete Abschnitte geringeren Querschnitts auf, die sich in zumindest einem ringförmigen Flächenabschnitt mit dem Radialelement überdecken, so dass die Unterteilung des Statorvolumens in zwei Volumenabschnitte durch den Fluidring erreicht wird, der sich durch die Zentrifugalbeschleunigung des Fluids höherer Dichte zwischen äußerer Statorwandung und ringförmigem Flächenabschnitt ausbildet, in dem sich Stator und Radialelement bei Projektion parallel zur Welle überschneiden. Das Radialelement kann auch als fluidundurchlässig bezeichnet werden und kann in einem Flächenabschnitt, in dem es sich mit Abschnitten geringeren Querschnitts des Stators bei Projektion parallel zur Welle überdeckt, Durchbrechungen, z.B. Bohrungen, aufweisen.

Die Unterteilung des Gehäusevolumens durch das Radialelement in zwei funktional voneinander getrennte bzw. fluiddichte Volumenabschnitte beruht darauf, dass das Radialelement aus fluiddichtem Material besteht und bei Verwendung der Einrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren an einen Ring aus Fluid höherer Dichte angrenzt oder abschnittsweise in diesen eintaucht, der sich angrenzend an den Stator ausbildet und sich vorzugsweise in den Bereich erstreckt, in dem sich die Statorwandung und das Radialelement in ringförmigen Flächenabschnitten überdecken. Eine für die Zwecke dieser Erfindung ausreichende Unterteilung des Gehäusevolumens zumindest in Bezug auf das Fluid höherer Dichte kann mit einem Radialelement erreicht werden, das Durchbrechungen aufweist und/oder für das Fluid niedrigerer Dichte durchlässig ist. Denn bei Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt die Rotation des Radialelements im Gehäuse in dem

ringförmigen Flächenabschnitt, in dem sich Radialelement und Gehäuse beabstandet überdecken, dass das Fluid höherer Dichte von der Zentrifugalbeschleunigung gegen die Gehäusewandung beschleunigt wird, z.B. in den sich ausbildenden Ring aus Fluid höherer Dichte, und im wesentlichen nicht von der Strömung eines Fluids niedrigerer Dichte durch Durchbrechungen im Radialelement transportiert wird. Für eine funktionale Unterteilung des Gehäuses in zwei Abschnitte in Bezug auf das Fluid niedrigerer Dichte sind hohe Zentrifugalbeschleunigungen im Bereich der Durchbrechungen bevorzugt und daher sind diese Durchbrechungen im Radialelement in einem möglichst großen Radius von der Welle anzuordnen, z.B. in einem Radius, der sich in den ringförmigen Flächenabschnitt erstreckt, in dem sich Gehäuse und Radialelement in Projektion parallel zur Wellenachse überdecken.

Allgemein ist es bevorzugt, Strömungsgleichrichter, z.B. Leitelemente, im Gehäuse anzuordnen, die vorzugsweise etwa senkrecht zur Wellenachse angeordnet sind und die daher Strömungswege für das Fluid niedrigerer Dichte etwa senkrecht zur Wellenachse des Radialelements herstellen. Als Strömungsgleichrichter können eine oder mehrere parallele Platten innerhalb des Gehäuses in einem Winkel von ca. 90° bis 60° zur Wellenachse angeordnet sein und mit dem Gehäuse oder der Welle verbunden sein. Vorzugsweise erstrecken sich Strömungsgleichrichter über einen Bereich mit einem Radius kleiner als der Außenradius des ersten Radialelements und/oder über einen Bereich kleiner als der Radius, in dem sich im Verfahren der Ring aus Fluid höherer Dichte ausbildet. Dieser Bereich kann sich anteilig mit dem ringförmigen Flächenabschnitt überdecken, in dem sich Radialelement und Gehäuse überdecken, da sich der Fluidring generell nicht über den gesamten ringförmigen Flächenabschnitt erstrecken muß, sondern es ausreicht, dass das Radialelement an den Fluidring angrenzt, bevorzugt in diesen eintaucht, während sich das Gehäuse bis in einen kleineren Radius mit dem Radialelement beabstandet überdecken kann.

Ein bevorzugter Strömungsgleichrichter weist ein oder mehrere Leitelemente auf, die parallel zu und beabstandet von dem Radialelement angeordnet sind und Durchbrechungen in einem Bereich mit kleinerem Radius um die Welle des Radialelements aufweisen, als der Radius, in dem sich Radialelement und Stator in ringförmigen Flächenabschnitten überdecken und in den sich ein sich ausbildender Fluidring erstreckt. Bei Ausbildung der Leitelemente als Scheiben können die Durchbrechungen als rotationssymmetrische Ausnehmungen um die Welle ausgebildet sein. Vorzugsweise sind solche Leitelemente, z.B. Ringscheiben mit zentraler Ausnehmung, drehfest mit dem Radialelement und/oder der Welle verbunden und

drehen sich daher bei gleicher Drehzahl wie das Radialelement. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, dass insbesondere parallel zum Radialelement angeordnete Ringscheiben, die mittels Verbindungselementen beabstandet mit dem Radialelement verbunden sind, als Strömungsgleichrichter geeignet sind und zu einer verstärkten Phasentrennung und daher zu einer erhöhten Trennleistung führen. Diese Wirkung der Strömungsgleichrichter wird derzeit auf die erhöhte Abscheidung von Tropfen an den Leitelementen in diesem Volumenabschnitt zurückgeführt.

Vorzugsweise sind die dem Radialelement zugewandten Abschnitte des Stators senkrecht zur Wellenachse angeordnet, beispielsweise radial zur Wellenachse angeordnete Flächenelemente. Vorzugsweise ist jedes Radialelement rotationssymmetrisch, insbesondere um seinen Schwerpunkt symmetrisch, kann jedoch einen vom Kreis abweichenden Umfang aufweisen, beispielsweise einen sechs- oder achteckigen Umfang. Vorzugsweise ist der Umfang des Radialelements kreisförmig, so dass der ringförmige Flächenabschnitt, mit dem jeweils beidseitig zum ersten und zweiten Volumenabschnitt eine überdeckung mit den beabstandeten Rotorwandungen besteht, ein Ringfiächenabschnitt angrenzend an den Umfang des Radialelements ist. Radialelemente können auch um ihren Schwerpunkt asymmetrisch gestaltet sein, beispielsweise nur einen Umfangsabschnitt mit größerem Radius und/oder größerer Erstreckung parallel zur Welle aufweisen, um das Fluid höherer Dichte asymmetrisch zu bewegen.

Bei Anwesenheit von Fluiden in dem Stator führt die Rotation des Radialelements auf seiner Welle dazu, dass sich aus zumindest einem Teil des Fluids, bei mehreren Fluiden vorzugsweise dem dichteren Fluid, entsprechend der Zentrifugalbeschleunigung, die von dem rotierenden Radialelement ausgeübt wird, ein Fluidring an der äußeren Statorwand bildet, der sich zumindest bis in eine Ebene erstreckt, in der sich das Radialelement und die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt in ringförmigen Flächenabschnitten überdecken. Auf diese Weise ermöglicht die erfmdungsgemäße Einrichtung, bzw. eine aus diesen zusammengestellte Vorrichtung, die Erzeugung eines Fluidrings, der im Zusammenwirken mit dem fiuiddichten Radialelement das Volumen des Stators in zumindest zwei Volumenabschnitte entlang der Wellenachse unterteilt. Bei der Trennung eines Fluids höherer Dichte von einem Fluid niedrigerer Dichte kann daher das Fluid höherer Dichte aus einer Austrittsöffnung in einem Bereich des Stators abgeführt werden, in dem die Oberfläche des Stators zumindest um den Radius des Radialelements von der Welle entfernt ist, in dem der

ringförmige Flächenabschnitt angeordnet ist, in dem sich Radialelement und die Abschnitte des Stators geringeren Querschnitts überdecken. Durch eine Wandung des Stators wird das Fluid höherer Dichte aus mindestens einer Austrittsöffhung abgeführt, die in einem Abstand zur Welle angeordnet ist, über den sich der ringförmige Flächenabschnitt der überdeckung von Stator und Radialelement erstreckt und angrenzend daran bis an die von der Welle um mehr als den Radius des ringförmigen Flächenabschnitts beabstandete innere Wandung des Stators. Vorzugsweise sind mehrere, z.B. 2 bis 20, bevorzugter 3 bis 15 Austrittsöffnungen für das Fluid höherer Dichte in jeweils gleichem Abstand im Stator angeordnet. Die Austrittsöffnungen für das Fluid höherer Dichte können zwischen den Abschnitten des Stators angeordnet sein, die beabstandet beidseitig des Radialelements angeordnet sind, da sich zwischen diesen Abschnitten der Fluidring ausbilden kann. Vorzugsweise ist die Austrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte in einem größeren Abstand zur Wellenachse angeordnet, als der äußere Radius des Radialelements. In diesem Bereich bildet sich der Ring aus dem Fluid höherer Dichte zwischen Stator und Radialelement aus und umfaßt die sich überdeckenden ringförmigen Flächenabschnitte von Stator und Radialelement. Weiter bevorzugt ist die Austrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte in einem Abschnitt des Stators angeordnet, der im wesentlichen parallel zur Wellenachse angeordnet ist.

Vorzugsweise ist der Stator rotationssymmetrisch, besonders bevorzugt zylindrisch. Die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt sind vorzugsweise radial zur Welle angeordnete Flächenelemente, besonders bevorzugt Ringscheiben. Das Radialelement ist vorzugsweise eine Kreisscheibe. Die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt können senkrecht zur Welle ausgerichtet sein, oder in einem Winkel von <90°, z.B. von 60° bis 90° zur Welle ausgerichtet sein. Auch das Radialelement kann senkrecht zur Welle angeordnet sein, oder in einem Winkel von 60° bis 90°. Vorzugsweise sind die Abschnitte des Stators mit geringerem Querschnitt parallel zum Radialelement angeordnet.

Für eine einfache Montage kann der Stator ein Gehäuse zwei Halbelemente oder Halbschalen aufweisen, die entlang longitudinaler Kanten, die z.B. parallel zur vorgesehenen Position der Welle liegen, dichtend aneinander angeordnet sind. Innerhalb solcher Halbelemente oder Halbschalen können jeweils halbe Flächenelemente mit einer konvexen Außenkante an der Innenwandung der Halbelemente fixiert sein und die radialen Kanten der halben Flächenelemente können dichtend aneinander stoßen, um zusammen eine axiale Ausnehmung zur Aufnahme der Welle und einen Abschnitt des Stators mit geringerem Querschnitt zu

bilden, der sich zumindest in einem ringförmigen Flächenabschnitt mit dem Radialelement bei Projektion parallel zur Welle überdeckt. Bei einem solchen aus zwei Anteilen bestehenden Stator kann die Welle mit daran fixierten Radialelementen in den offenen Stator angeordnet werden, der anschließend durch dichtendes Positionieren seiner Halbelemente gegeneinander geschlossen werden kann.

Als dichtende Fixierung von Flächenelementen, die vorzugsweise einen Außenumfang gleich dem Innenquerschnitt des Stators aufweisen, können expandierbare oder aufpumpbare elastische Dichtelemente zwischen den Flächenelementen und dem Stator angeordnet werden. Dabei kann der Stator in dem Bereich, in dem die Flächenelemente angeordnet sind, eine umlaufende innere Nut aufweisen, in die ein Dichtelement positioniert ist, während vorzugsweise die Flächenelemente eine umfängliche Nut aufweisen, in die ein Dichtelement positioniert ist. Für die Montage kann ein solches Dichtelement im nicht expandierten Zustand, d.h. mit verringertem Querschnitt in die Nut des Stators oder des Flächenelements angeordnet werden und nach Positionierung des Flächenelements im Stator in die einander gegenüberliegenden Nuten von Stator und Flächenelement expandiert werden.

Die Positionierung der Eintrittsöffnung für zu trennende oder zu kontaktierende Fluide bzw. ein Fluidgemisch ist in einem ersten Abschnitt des Statorvolumens angeordnet, der durch das Radialelement und den von dem Radialelement im Zusammenwirken mit dem Stator gebildeten Fluidring aus dem dichteren Fluid vom zweiten Abschnitt des Statorvolumens getrennt ist. Die Austrittsöffnung für ein Fluid niedrigerer Dichte ist in dem zweiten Abschnitt des Statorvolumens angeordnet.

Vorzugsweise sind erfindungsgemäße Einrichtungen zu einer Vorrichtung gekoppelt, so dass zwei oder mehrere an einer Welle oder an getrennten einzelnen Wellen angeordnete Radialelemente in einer Anordnung von Statoren enthalten sind, die jeweils Bereiche geringeren Querschnitts aufweisen, die die Radialelemente beidseitig in jeweils einem ringförmigen Flächenabschnitt überdecken.

Alternativ ist es auch möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Zusammenstellung von erfindungsgemäßen Einrichtungen zu realisieren, in denen jeweils Radialelemente auf einer gemeinsamen Welle in einem einzelnen Statorgehäuse angeordnet sind und das Statorgehäuse jeweils beidseitig zu jedem Radialelement beabstandet Bereiche kleineren

Querschnitts aufweist, um zu jedem Radialelement beidseitig überdeckende ringförmige Flächenabschnitte bereitzustellen. Ein Zusammenwirken dieser einzelnen Einrichtungen ist dadurch zu erreichen, dass die Austrittsöffnungen für die Fluide mit niedrigerer und höherer Dichte jeweils mit Eintrittsöffnungen der Fluide mit niedrigerer und höherer Dichte einer nächsten Einrichtung durch Leitungen verbunden werden. Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die modulare Anordnung einzelner Einrichtungen, um die Leistung zur Stofftrennung zu steigern.

Die Eintrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte ist vorzugsweise in einem Abstand zur Welle kleiner als der Radius eines der ringförmigen Flächenabschnitte angeordnet, in dem sich Stator und Radialelement in dem ersten oder zweiten Volumenabschnitt des Stators überdecken.

Die erfindungsgemäße Unterteilung des Innenvolumens des Statorgehäuses, insbesondere in Verbindung mit der intensiven Durchmischung und Trennung von Fluidphasen gemäß ihrer Dichte, erfolgt bei dem mit der Einrichtung durchgeführten Verfahren zumindest in einem ringförmigen Volumenabschnitt, der sich angrenzend an den ringförmigen Flächenabschnitt ausbildet, in dem sich das Radialelement mit Bereichen geringeren Querschnitts des Stators überdeckt. Dabei wird der unmittelbare Kontakt von rotierenden Teilen, beispielsweise des Radialelements, mit stehenden Teilen, beispielsweise des Stators, vermieden. Durch diese Fluiddichtung zwischen einem ersten Volumenabschnitt und einem zweiten Volumenabschnitt des Stators wird ohne mechanische Dichtungen eine effektive Trennung zweier nicht mischbarer Fluide bzw. zweier Fluidphasen ermöglicht und überdies die funktionale Anordnung mehrerer Statoren oder Statorabschnitte mit jeweils einem rotierbaren Radialelement.

Insbesondere bei der Verwendung zur Vakuumdestillation bietet die erfindungsgemäße Einrichtung einen besonderen Vorteil darin, dass durch die Zentrifugalbeschleunigung, die vom Radialelement auf die Flüssigkeit als das dichtere Fluid ausgeübt wird, ein Druck der Flüssigkeit gegen die Innenwandung des Stators erzeugt wird, gemessen gegenüber dem gasgefüllten Innenvolumen des Stators. Als Folge dieses durch die Zentrifugalbeschleunigung erzeugten Drucks des dichteren Fluids ist zu dessen Austrag eine geringere Druckdifferenz als die Höhe des Vakuums im Statorvolumen zu überwinden. Die Druckdifferenz vom Innenvolumen des Stators zur Umgebung kann durch den von der Zentrifugalbeschleunigung

erzeugten Druck soweit vermindert werden, dass zum Austrag des dichteren Fluids aus einer Vakuumdestillation keine zusätzliche Pumpe erforderlich ist. Der von der Zentrifugalbeschleunigung erzeugte Druck der Flüssigkeit gegen die Statorwandung kann durch Anpassung der Radien von Stator und Radialelement und der anliegenden Drehzahl in Abhängigkeit von der Dichte der Flüssigkeit eingestellt werden.

Bei Trennverfahren mit großen Volumenströmen, z.B. in der Hochdruckrektifikation, bietet der sich in der erfmdungsgemäßen Einrichtung ausbildende Fluidring den Vorteil, aus einzelnen Trennstufen Fluid höherer Dichte gezielt abführen zu können. Für die Abführung von Fluid aus dem Fluidring ist keine separate Pumpe erforderlich, da der durch die Zentrifugalbeschleunigung im Fluidring aufgebaute Druck ebenso wie bei der Vakuumdestillation dazu ausreicht. Dabei kann, abhängig von der Verfahrensführung bzw. von der Anordnung einer erfindungsgemäßen Trenneinrichtung in einer Vorrichtung aus mehreren Trenneinrichtungen, das Fluid im Fluidring Kondensat der leichter, d.h. bei niedrigerer Temperatur siedenden Komponente, oder die schwerer, d.h. bei höherer Temperatur siedende Komponente sein, insbesondere ein Gemisch aus kondensierter leichter siedender Komponente und bei höherer Temperatur siedender Komponente. Ein Beispiel ist eine Vorrichtung zur Rektifikation, bei der 2 oder mehr erfmdungsgemäße Einrichtungen jeweils als Trennstufen zusammengekoppelt sind, und leichter siedende Komponente aus dem Fluidring bei Druck und Temperatur unterhalb des stoffspezifischen Verdampfungspunkts durch den Stator austreten gelassen werden kann, während Komponente mit höherer Siedetemperatur aus dem Fluidring einer Trennstufe mit höherer Temperatur austreten gelassen werden kann. Diese Verfahrensführung kann den Effekt ausnutzen, dass die Verdampfungstemperatur druckabhängig ist, so dass im Verfahren Druck und Temperatur so gewählt werden können, dass leichter siedende Komponente nach Anreicherung aus dem Gemisch in einer Trennstufe kondensiert, während bei höherer Temperatur siedende Komponente im Flüssigkeitsring einer anderen Trennstufe angereichert wird.

Daher kann eine erfmdungsgemäße Vorrichtung aus Einrichtungen zur Stofftrennung bestehen, von denen eine als Kondensator eingerichtet ist, z.B. kühlbar ist, während ein separater Verdampfer mit der Vorrichtung gekoppelt sein kann, oder mindestens eine Einrichtung ist als Verdampfer betreibbar, z.B. beheizbar.

Auf Grund der Anordnung mindestens einer Austrittsöffnung für das Fluid höherer Dichte aus dem Stator in einem Bereich, in dem sich der Ring aus dem Fluid höherer Dichte ausbildet, ist die Erstreckung dieses Fluidrings bzw. die Menge des Fluids in diesem Bereich regel- und steuerbar, z.B. durch an der Austrittsöffnung oder in daran anschließenden Leitungen angeordnete Ventile.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung beruht auf der gesteuerten Entnahme des Fluids höherer Dichte aus dem sich ausbildenden Fluidring, bzw. in der Möglichkeit der Zufuhr eines Fluids oder Fluidgemischs in den Bereich des Stators, der von dem Fluidring überdeckt wird. Denn damit läßt sich der Fluidring aus Fluid höherer Dichte im wesentlichen unabhängig von Massenströmen der Fluide steuern, so dass die Einrichtung stabil über einen großen Bereich der Massenströme betrieben werden kann, d.h. ein stabiler Betriebszustand zur Stofftrennung im Vergleich zu herkömmlichen Kolonnen über einen wesentlich größeren Bereich des Massendurchsatzes erzielbar ist. So kann eine Rektifikation stabil in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung über einen weiten Bereich der Volumenströme betrieben werden, da die Volumenströme der Flüssigkeit und des Dampfs im wesentlichen voneinander unabhängig sind. So kann die Erstreckung des Flüssigkeitsrings allein durch Entnahme der Flüssigkeit gesteuert werden, so dass der Strömungsweg des Dampfs bei unterschiedlichen Flüssigkeitsströmen im wesentlichen unverändert ist. Als Konsequenz eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere zur Verwendung bei der Vakuum- oder Hochdruckrektifikation, bei denen jeweils große Unterschiede in den Volumenströmen von Flüssigkeit und Dampf auftreten, bei Lastwechseln, d.h. änderungen der Zusammensetzung des Zulaufs und/oder bei änderungen des Volumenstroms des Zulaufs in die Einrichtung.

In Leitungen, die das Fluid höherer Dichte aus dem Statorgehäuse abführen, sind vorzugsweise Ventile zur Steuerung dieses Fluidstroms angeordnet. Weiterhin können in diesen Leitungen Zulauf- oder Ablaufstutzen für Fluide angeordnet sein, beispielsweise zur Zuleitung eines zu trennenden Fluidgemischs oder von Reaktionskomponenten in den Fluidring. Daneben können in diesen Leitungen Wärmetauscher zur Erwärmung oder Kühlung des Fluids höherer Dichte angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Temperatur und/oder Zusammensetzung von Fluid in dem sich in der Einrichtung ausbildenden Fluidring gezielt eingestellt werden.

In Ausfuhrungsformen mit zwei oder mehr gekoppelten erfindungsgemäßen Einrichtungen, in denen das Fluid höherer Dichte aus dem Statorgehäuse einer ersten Einrichtung durch eine Leitung abgeführt wird und dem Statorgehäuse einer zweiten Einrichtung zugeführt wird, kann der innere Radius des Fluidrings durch die in der Leitung angeordneten Ventile und/oder Zulauf- und Ablaufstutzen gesteuert werden, durch optionale, in der Leitung angeordnete Wärmetauscher kann die Temperatur jedes Fluidrings separat gesteuert werden.

Optional können an der Innenwandung des Stators in einem Bereich, der sich von seinem größten Radius bis an den Umfang des Radialelements erstreckt, Strömungsbrecher angeordnet sein, die eingerichtet sind, die Strömung innerhalb des Fluidrings zu stören, z.B. um Turbulenzen auszulösen. Solche Strömungsbrecher können Vorsprünge oder andere Unregelmäßigkeiten in einer ansonsten bevorzugt rotationssymmetrischen Innenwandung des Stators sein, z.B. Vorsprünge, die sich über 10% bis 80% des Abstands zwischen Radialelement und Stator erstrecken. Es hat sich gezeigt, dass beim erfindungsgemäßen Rektifikationsverfahren Strömungsbrecher die Bildung von Dampfblasen im Fluidring auslösen und zu einer besseren Trennleistung führen. Gegenwärtig wird dieser Effekt darauf zurückgeführt, dass Strömungsbrecher, z.B. in Form von Temperaturfühlern, die aus der Statorwandung in den Fluidring vorstehen, auf der strömungsabgewandten Seite im Fluidring eine Druckerniedrigung bewirken, durch welche wiederum vornehmlich leichter siedende Komponente verdampft. Das nach innen abnehmende Druckgefälle innerhalb des Fluidrings, das durch die Fliehkraft erzeugt wird, reduziert die Kondensation des entstandenen Dampfs, der dem abnehmenden Druck folgend aus dem Fluidring in Richtung auf die Welle und in den Dampfraum strömt.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die Radialströmung der Fluide bei Rotation des Radialelements dadurch verstärkt, dass dieses auf einer oder beiden Oberflächen, die sich von der Welle erstrecken und vorzugsweise senkrecht zur Welle angeordnet sind, Schaufeln oder andere Förderelemente aufweist, die Fluide bis auf die Winkelgeschwindigkeit des Radialelements bzw. der Welle beschleunigen. Die Förderelemente sind vorzugsweise auf der der Eintrittsöffnung für das Fluid niedrigerer Dichte zugewandten ersten Seite des Radialelements angeordnet und können beispielsweise senkrecht zur Querschnittsfläche des Radialelements angeordnete Leitelemente oder Leitflächen aufweisen. Solche Leitelemente können ebene oder gekrümmte Flächen parallel

zur Wellenachse aufweisen, um die Förderwirkung der Rotation des Radialelements auf Fluid radial nach außen, d.h. in Richtung dessen zunehmenden Durchmessers zu verstärken.

Weiter bevorzugt weist ein Radialelement alternativ oder zusätzlich zu den Förderelementen Ventilatorelemente auf, die bei Rotation der Welle zur radialen Beschleunigung des Fluids niedrigerer Dichte führen. Solche Ventilatorelemente werden wegen ihrer Verbindung mit dem Radialelement und/oder mit der Welle als rotierbare Ventilatorelemente bezeichnet und können zwischen dem ringförmigen Flächenabschnitt, in dem sich ein Fluidring ausbilden kann und der Welle angeordnet sein, so dass sie im Betrieb nicht in den Ring des Fluids höherer Dichte eintauchen. Alternativ können Ventilatorelemente unmittelbar auf der Welle in einem Abstand zum Radialelement im ersten und/oder zweiten Volumenabschnitt des Stators angeordnet sein. Die Anordnung eines rotierbaren Ventilatorelements, das ein Axial- und/oder Radialverdichter sein kann, ist vorzugsweise im zweiten Volumenabschnitt des Stators, wo das Ventilatorelement zusätzlich als Tropfenabscheider wirkt, und dadurch die Phasentrennung verstärkt. In Ausführungsformen mit einem ersten Radialelement, das eine Durchbrechung für den Eintritt von Fluid aufweist, und einem beabstandeten zweiten Radialelement, das oberflächlich geschlossen ist, kann das zweite Radialelement Ventilatorelemente auf der Oberfläche aufweisen, die dem ersten Radialelement zugewandt ist, z.B. in dem von der Durchbrechung überdeckten Abschnitt. Ventilatorelemente können die Form von Förderelementen aufweisen, oder eine erste Fläche, die sich über das Radialelement erhebt und in einem ersten kleineren Radius zur Wellenachse größer ist, als eine zweite Fläche, die sich in einem zweiten Radius, kleiner als der erste Radius, über das Radialelement erhebt. Vorzugsweise weisen Ventilatorelemente parallel zur Wellenachse angeordnete gekrümmte erste und zweite Flächen auf, wobei die erste Fläche in kleinerem Abstand zur Welle angeordnet und größer als die zweite Fläche ist. Ventilatorelemente erzeugen bei Rotation des Radialelements eine Verdichtungs- und Pumpwirkung auf das Fluid niedrigerer Dichte und können die Trennleistung der Einrichtung erhöhen.

Die rotierbaren Ventilatorelemente sind vorzugsweise in Kombination mit beabstandeten, etwa parallel zu diesen angeordneten statischen Ventilatorelementen im Stator angeordnet. Die statischen Ventilatorelemente dienen wie auch mit dem Stator verbundene Strömungsgleichrichter zur Verminderung einer Rotation des Fluids niedrigerer Dichte, um die Verdichtungswirkung der rotierbaren Ventilatorelemente zu verstärken. Die statischen Ventilatorelemente sind vorzugsweise als gekrümmte Flächen ausgebildet, die den

Querschnitt des Stators jeweils wie die rotierbaren Ventilatorelemente im wesentlichen überdecken. So können rotierbare Ventilatorelemente, vorzugsweise in Kombination mit parallelen statischen Ventilatorelementen, den Querschnitt des Stators 10 bis 50%, bevorzugt bis 95 % des lichten radialen Querschnitts zwischen Stator und erstem Radialelement bzw. zweitem Radialelement im ersten und/oder zweiten Volumenabschnitt überdecken, und/oder die rotierbaren Ventilatorelemente und/oder die statischen Ventilatorelemente können den lichten axialen Querschnitt des Stators zwischen dessen etwa radial zur Welle angeordneten erstem Wandungsbereich und der Welle überdecken.

Die Kombination von rotierbaren Ventilatorelementen mit parallel oder senkrecht zu diesen angeordneten statischen Ventilatorelementen ist bevorzugt, da die von den rotierbaren Ventilatorelementen erzeugte Rotation des Fluids niedrigerer Dichte von den statischen Ventilatorelementen umgelenkt wird und dadurch die verdichtende Wirkung der rotierbaren Ventilatorelemente verstärkt wird. Ein rotierbares Ventilatorelement kann auch in einer Durchbrechung des ersten Radialelements angeordnet sein, um als radiales rotierbares Ventilatorelement die Dampfgeschwindigkeit durch die Durchbrechung zu erhöhen.

Vorzugsweise sind zusätzlich zu rotierbaren Ventilatorelementen die Strömungsgleichrichter am Stator angebracht, um eine Rotation des Fluids niedrigerer Dichte zu reduzieren. Denn Ventilatorelemente erzeugen nur bei Relativbewegung gegenüber dem Fluid niedrigerer Dichte dessen Verdichtung, so dass die Rotation dieses Fluids mit Radialelement bzw. Welle zu einer Reduzierung der Verdichtungswirkung durch die Ventilatorelemente führt. Beispielhaft können mit dem Stator verbundene Strömungsgleichrichter radial zur Welle ausgerichtete Flächen aufweisen, die z.B. senkrecht oder parallel zur Achse der Welle ausgerichtet sind, eine Packung oder ein Gitter sein. Strömungsgleichrichter können sich über offene Querschnittsflächen innerhalb des Stators zumindest abschnittsweise erstrecken, in denen sich bei Rotation des Radialelements kein Ring des Fluids höherer Dichte ausbildet, d.h. in einem geringeren Abstand zur Welle als der minimale Radius eines ringförmigen Flächenabschnitts, in dem sich Radialelement und Stator überdecken. Strömungsgleichrichter sind z.B. auf einer oder beiden Seiten von Ventilatorelementen angeordnet, insbesondere zwischen Ventilatorelement und dem ringförmigen Flächenabschnitts, in dem sich Radialelement und Stator überdecken und in dem sich der Fluidring rotierend erstreckt, desselben oder eines gekoppelten Stators. Vorzugsweise sind Strömungsgleichrichter zwischen einem Radialelement und einem Ventilatorelement angeordnet, wobei

Radialelement und Ventilatorelement in einem Stator oder in angrenzend angeordneten Statoren angeordnet sein können.

Vorzugsweise ist das erste Radialelement eine Ringscheibe, die eine Ausnehmung zwischen ihrem inneren Radius und der Welle aufweist, oder Ausnehmungen jeweils in einem Bereich mit kleinerem Radius als der, in dem die Packung angeordnet ist. Das zweite Radialelement ist vorzugsweise eine Kreisscheibe, die parallel zum ersten Radialelement angeordnet ist und fluidundurchlässig an der Welle fixiert ist. Zur Halterung des ersten Radialelements kann dieses Verbindungsabschnitte mit der Welle aufweisen und/oder durch Verbindungsstücke an das zweite Radialelement fixiert sein. Solche Verbindungsstücke können in der Packung angeordnet sein, oder bei deren ausreichender Strukturstabilität durch die Packung gebildet sein.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die Welle anstelle eines Radialelements ein erstes Radialelement in Verbindung mit einem zweiten Radialelement und eine zwischen diesen rotationssymmetrisch angeordnete Packung auf, die für Fluid permeabel ist. Das erste Radialelement überdeckt sich in einem ringförmigen Flächenabschnitt mit beidseitig beabstandet angeordneten Bereichen geringeren Querschnitts des Stators, um die Fluiddichtung bilden zu können. Zusätzlich weist das erste Radialelement in einem Bereich mit geringerem Radius als der des ringförmigen Flächenabschnitts, vorzugsweise angrenzend an die Welle mindestens eine Ausnehmung auf, durch die Fluid strömen kann, sowie ein auf der Welle radial angeordnetes, vom ersten Radialelement beabstandetes zweites fluidundurchlässiges Radialelement. Zwischen erstem und zweitem Radialelement ist eine umfänglich geschlossene Packung angeordnet, die rotationssymmetrisch die Distanz zwischen erstem und zweitem Radialelement vollständig überdeckt.

Für die Zwecke dieser Beschreibung bedeutet Packung eine Struktur, die für die zu behandelnden Fluide, beispielsweise ein erstes Fluid höherer Dichte und ein zweites Fluid niedriger Dichte, durchlässig ist, sodass beide Fluide im inneren Volumen der Packung und/oder entlang ihrer inneren Oberfläche miteinander in Kontakt treten können, um beispielsweise einen Stofftransport zwischen den Fluiden zu ermöglichen. Beispiele für Packungen sind Keramik- oder Metallschäume oder Schüttungen aus Füllkörpern, die bei mangelnder Strukturfestigkeit von einem durchlässigen Gehäuse umfaßt sind. Das erste Fluid kann eine Flüssigkeit sein und das zweite Fluid ein Gas, beispielsweise Dampf.

Bei dieser Ausführungsform wird das innere Volumen des Stators entlang der Welle durch die miteinander verbundenen Radialelemente mit der zwischenliegenden Packung und die Flüssigkeitsdichtung, die zwischen dem ersten Radialelement und dem Statorgehäuse entlang eines ringförmigen Flächenabschnitts, in dem sich erstes Radialelement und sich verjüngende Abschnitte des Stators überdecken, in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt. Die Austrittsöffnung für das Fluid niedrigerer Dichte, beispielsweise ein Gas oder Dampf, ist in einem zweiten Volumenabschnitt des Stators angeordnet, vorzugsweise in der Nähe der Welle, während die Eintrittsöffnung für ein Fluidgemisch im ersten Abschnitt des Statorvolumens angeordnet ist.

Eine freie Fluidströmung durch den Stator ist auch in dieser Ausführungsform nicht möglich, jedoch können Fluide nur durch Ausnehmungen des ersten Radialelements in den Zwischenraum zwischen erstem Radialelement und zweitem Radialelement und durch die dort angeordnete Packung treten, jedoch nicht parallel zur Welle durch die Ebene, in der die miteinander verbundenen Radialelemente angeordnet sind. Vielmehr wird ein Fluidstrom nur durch die zwischen erstem und zweitem Radialelement angeordnete Packung ermöglicht. Dabei sorgt die durch die Rotation der Welle und der damit verbundenen ersten und zweiten Radialelemente dafür, dass Fluide durch die Zentrifugalbeschleunigung durch die Packung beschleunigt werden. Der Strömungsweg von Fluiden durch die Packung folgt vorzugsweise für jedes Fluid der Zentrifugalbeschleunigung, d.h. in Richtung des zunehmenden Radius der Packung. Alternativ ist es auch möglich, ein Fluid niedrigerer Dichte entgegen der Zentrifugalbeschleunigung durch die Packung von einem Bereich mit größerem Radius zu einem Bereich mit kleinerem Radius hindurch treten zu lassen, während ein Fluid größerer Dichte im Wesentlichen entlang der Zentrifugalbeschleunigung von einem Bereich der Packung mit kleinem Radius zu einem Bereich mit größerem Radius strömen gelassen wird.

Die Zentrifugalbeschleunigung, die auf die Fluide bei Rotation von erstem und zweitem Radialelement mit dazwischen angeordneter, umfänglich geschlossener Packung ausgeübt wird, führt dazu, dass sich beim erfmdungsgemäßen Verfahren zumindest das Fluid größerer Dichte im Bereich von der Innenwand des Stators bis zumindest in den Bereich erstreckt, in dem sich Abschnitte geringeren Querschnitts des Stators über einen ringförmigen Flächenabschnitt mit dem ersten Radialelement überdecken. In dieser Ausführungsform ist die Packung nur in einem Bereich angeordnet, der in einem geringeren Abstand zur Wellenachse ist, als der ringförmige Flächenabschnitt des ersten Radialelements, in dem sich

dieses mit Abschnitten geringeren Querschnitts des Stators überdeckt. Auf diese Weise ist die Ausbildung eines Strömungswegs für ein Fluid niedrigerer Dichte in dem Bereich möglich, der sich zwischen einem Fluidring, der sich senkrecht zu dem ringförmigen Flächenabschnitt des ersten Radialelements ausbildet, und der Packung erstreckt. In diesem Strömungsweg kann ein Fluid niedrigerer Dichte durch die Packung zwischen erstem und zweitem Volumenabschnitt des Stators strömen, beispielsweise ein Gas. Dieser Strömungsweg weicht von der entlang der Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung gerichteten radialen Strömung des Fluids höherer Dichte ab und führt das Fluid niedrigerer Dichte beispielsweise vor einer sich an der inneren Statorwandung ausbildenden Flüssigkeitsdichtung vorbei. Diese unterschiedlichen Strömungswege der Fluide unterstützen deren Trennung, beispielsweise in Form einer Phasentrennung.

Entsprechend jeder Ausführungsform ist für das Fluid höherer Dichte eine Austrittsöffnung im Bereich des Stators vorgesehen, in dem dessen Abstand größer als der Abstand des ringförmigen Flächenabschnitts der überdeckung von erstem Radialelement und Stator zur Wellenachse ist.

Besonders bevorzugt weist das Radialelement Ausnehmungen in einem Bereich zwischen dem ringförmigen Abschnitt auf, in dem es sich mit Bereichen kleineren Querschnitts des Stators überdeckt, und dem Abschnitt, in dem Förderelemente angeordnet sind. Die Ausnehmungen können beispielsweise Bohrungen oder Radialschlitze sein, die optional zum äußeren Umfang des Radialelements offen sind. Solche Ausnehmungen erhöhen die Effektivität dieser Ausführungsform der Erfindung, indem sie den Durchtritt von Fluid niedrigerer Dichte aus einem Gemisch durch das Radialelement direkt in einen sich bildenden Flüssigkeitsring ermöglicht. Denn die Förderelemente führen zu einer einseitigen Erhöhung der Zentrifugalbeschleunigung, sodass der Flüssigkeitsring, der sich auf der Seite mit Förderelementen ausbildet, einen größeren Radius zur Welle aufweist, als der Fluidring aus Fluid höherer Dichte auf der gegenüberliegenden Seite des Radialelements, die keine Förderelemente aufweist. Vorzugsweise sind daher die Förderelemente auf der Seite des Radialelements angeordnet, das dem ersten Volumenabschnitt des Stators zugewandt ist. Der Eintritt von Fluidgemisch durch Durchbrechungen des Radialelements unmittelbar in den Flüssigkeitsring, der sich auf der dem zweiten Abschnitt des Statorvolumens zugewandten Seite des Radialelements ausbildet, stört nicht die Trennung der Volumenabschnitte des Stators. Denn der geringere Radius des Flüssigkeitsrings auf Seiten des zweiten

Volumenabschnitts zur Welle entspricht einer höheren Flüssigkeitsschicht und führt zu einer intensiven Durchmischung, vorzugsweise zu einer Kondensation und anschließenden Verdampfung leichtersiedender Komponenten, sodass ein intensiver Stofftransport zwischen den Phasen mit anschließender Phasentrennung erfolgt.

In einer dritten bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich eines oder beide von erstem und zweitem Radialelement bis in einen Bereich einer überdeckung ringförmiger Flächenabschnitte der Radialelements mit ringförmigen Flächenabschnitten beidseitig des ersten und zweiten Radialelements angeordneten Statorwandungen.

Zwischen erstem und zweitem Radialelement ist eine erste Packung angeordnet, die zur Kondensation im Wesentlichen aller Komponenten einströmender Fluide führt und deshalb als Kondensationspackung bezeichnet wird. Diese Kondensationspackung erstreckt sich bis in den Bereich, in dem sich die Fluiddichtung um erstes und/oder zweites Radialelement ausbilden, d.h. bis in den ringförmigen Flächenabschnitt, in dem sich erstes und/oder zweites Radialelement mit Abschnitten geringeren Querschnitts des Rotors überdecken. Zum Eintritt von Fluiden weist das erste Radialelement in dem Abstand zwischen Packung und Welle zumindest eine Ausnehmung auf, vorzugsweise eine durchgängige rotationssymmetrische Ausnehmung um die Welle, während das zweite Radialelement fluidundurchlässig ist.

Auf der der Kondensationspackung gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten Radialelements ist eine zweite Packung angeordnet, in der die Verdampfung zumindest einer Komponente eines der Fluide erfolgt und die deshalb als Verdampfungspackung bezeichnet wird. Die Verdampfungspackung erstreckt sich ebenso wie die Kondensationspackung vorzugsweise bis in den Bereich, in dem sich das erste und/oder zweite Radialelement in einem ringförmigen Flächenabschnitt mit Bereichen geringeren Querschnitts des Rotors überdeckt, wo sich der Fluidring ausbildet. Auf diese Weise kann Fluid, das durch die Kondensationspackung in den Zwischenraum zwischen zweitem Radialelement und Innenwandung des Stators geströmt ist, in die Verdampfungspackung eintreten. Die Verdampfung von leichtersiedenden Komponenten erfolgt im Vergleich zu Abschnitten des Stator, die nicht von Radialelementen oder Packungen überdeckt ist, bevorzugt in der Verdampfungspackung. Denn die bei der Kondensation von Fluidbestandteilen in der Kondensationspackung freiwerdende Wärme wird vorzugsweise vielmehr durch das zweite Radialelement zur Verdampfungspackung geleitet, als an ein Fluid abgegeben zu werden.

Entsprechend ist der Abschnitt des zweiten Radialelements, an dem auf gegenüberliegenden Seiten zumindest einer von Kondensationspackung und Verdampfungspackung angeordnet sind, vorzugsweise beide, mit einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit versehen.

In der zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsform ist eine Eintrittsöffnung für Fluid höherer Dichte vorzugsweise in einem Abstand zwischen erstem und zweitem Radialelement angeordnet, weiter bevorzugt auch in einem Abstand zwischen Welle und Packung. Auf diese Weise kann das Fluid höherer Dichte mit der Zentrifugalbeschleunigung durch die Packung bzw. Kondensationspackung treten, besonders bevorzugt innerhalb der Packung bzw. Kondensationspackung im Gleichstrom mit dem Fluid niedrigerer Dichte.

Eine Vorrichtung kann eine oder mehrere Einrichtungen gemäß der Erfindung aufweisen, z.B. eine Einrichtung nach der ersten, zweiten oder dritten bevorzugten Ausführungsform, oder mehrere Einrichtungen derselben oder verschiedener Ausführungsformen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird die Einrichtung mit Strömung der zu trennenden Fluide im Gleichstrom verwendet, wobei der Stator eine Eintrittsöffnung für Fluid niedrigerer Dichte und eine Eintrittsöffnung für Fluid höherer Dichte in demselben Volumenabschnitt aufweist und die Austrittsöffnung für das Fluid niedrigerer Dichte in dem anderen Volumenabschnitt angeordnet ist, und die Einrichtung eingerichtet ist, die Fluide durch die jeweiligen öffnungen zu- bzw. abzuführen. Alternativ kann die erfindungsgemäße Einrichtung für ein Verfahren mit Strömung des Fluids höherer Dichte und des Fluids niedrigerer Dichte im Gegenstrom verwendet werden, z.B. durch Anordnung einer Zuführöffnung für Fluid höherer Dichte in dem Volumenabschnitt des Stators, in dem die Austrittsöffnung für Fluid niedrigerer Dichte liegt, wobei die Zuführöffnung für das Fluid höherer Dichte vorzugsweise durch eine Leitung mit der Austrittsöffnung für Fluid höherer Dichte einer weiteren erfindungsgemäßen Einrichtung verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere zur Verwendung bei der destillativen Trennung, insbesondere zur Vakuumdestillation, z.B. von Kohlenwasserstofffraktionen aus einem Kohlenwasserstoffgemisch, z.B. die Rektifikation von Isobutan und Butan, oder von Alkohol- Wasser-Mischungen geeignet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun genauer mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen Figur 1 schematisch eine Ausführung der Erfindung zeigt,

Figur 2 schematisch eine erste erfindungsgemäß bevorzugte Einrichtung zeigt, in der das Radialelement einseitig angeordnete Förderelemente aufweist, Figur 3 schematisch eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, Figur 4 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform zeigt, Figur 5 schematisch eine Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figur 6 eine schematische Ansicht einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figur 7 schematisch dargestellte Schnittansicht einer bevorzugten dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figur 8 eine schematische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Figur 9 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform von Strömungsgleichrichtern am Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung nach Figur 3 zeigt und

Figur 10 eine schematische Ansicht zweier aneinander angeordneter erfindungsgemäßer Einrichtungen zeigt, die jeweils mögliche Anordnungen von Ventilatorelementen zeigen und

Figur 11 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit Strömungsbrechern zeigt.

Für die nachfolgende detaillierte Beschreibung wird mit dem Ausdruck Flüssigkeit Bezug auf ein Fluid höherer Dichte genommen, während Gas oder Dampf stellvertretend für ein Fluid niedrigerer Dichte stehen. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen jeweils funktionsgleiche Bauteile.

Das Schema von Figur 1 zeigt, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung eine drehbar in einem Stator 10 angeordnete Welle 1 ein rotationssymmetrisches Radialelement 20 aufweist, hier als geschlossene Kreisscheibe dargestellt. Das Radialelement 20 unterteilt das Innenvolumen des Stators 10 in einen ersten Volumenabschnitt 4 und einen zweiten Volumenabschnitt 5, da der

Stator 10 beidseitig des in ihm frei drehbaren Radialelements 20 einen ersten Wandungsbereich 11 bzw. einen zweiten Wandungsbereich 12 aufweist, die sich zumindest über jeweils einen ersten ringförmigen Flächenabschnitt 13B im ersten Volumenabschnitt 4 und einem zweiten ringförmigen Flächenabschnitt 13A im zweiten Volumenabschnitt 5 mit dem Radialelement 20 in einem ersten ringförmigen Flächenabschnitt 13B zum ersten Volumenabschnitt 4 bzw. einem zweiten ringförmigen Flächenabschnitt 13A zum zweiten Volumenabschnitt 5 überdecken, bzw. einen ringelementförmigen Volumenabschnitt zwischen sich aufspannen, der auf der ersten und zweiten Seite des Radialelements einen Querschnitt eines ringförmigen Flächenabschnitts 13B bzw. 13A aufweist und dessen Höhe jeweils der Abstand des Radialelements 20 vom ersten Wandungsbereich 11 bzw. zweiten Wandungsbereich 12 ist. Denn die fluiddichte Ausführung des Radialelements 20 und seine Anordnung zu erstem Wandungsbereich 11 und zweitem Wandungsbereich 12 mit dem senkrecht zur Welle beabstandeten Abschnitt der Statorwandung 17 führt bei Anwesenheit eines Fluids, vorzugsweise einer Flüssigkeit, zur Ausbildung eines Fluidrings im Bereich des ersten Wandungsbereichs 11, des zweiten Wandungsbereichs 12 und des Abschnitts der Statorwandung 17, gegen welchen die Zentrifugalbeschleunigung wirkt, die von der Rotation des Radialelements 20 erzeugt wird. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist das Radialelement 20 eine Kreisscheibe und der erste Wandungsbereich 11 und der zweite Wandungsbereich 12 sind ebenso wie das Radialelement 20 senkrecht zur Welle 1 angeordnet.

Der erste ringförmige Flächenabschnitt 13B des Radialelements 20, der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandt ist, kann abhängig von Druckdifferenzen zum zweiten Volumenabschnitt 5 ein anderes Ausmaß haben, als der zweite ringförmige Flächenabschnitt 13A des Radialelements 20, der dem zweiten Volumenabschnitt 5 zugewandt ist. Ein überdruck auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 kann z.B. durch Förderelemente oder Ventilatorelemente auf der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten Seite des Radialelements 20 bei dessen Rotation erzeugt werden. Alternativ kann die Druckdifferenz zwischen erstem und zweiten Volumenabschnitt 4, 5 durch einen Verdichter erzeugt werden, der z.B. in den ersten Volumenabschnitt 4 eintretendes Gas mit Druck beaufschlagt. Der Stator 10 weist auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 eine Eintrittsöffnung für ein Fluidgemisch auf, im gegenüberliegenden zweiten Volumenabschnitt 5 eine Austrittsöffnung für Gas 31. Die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 ist im Bereich des Abschnitts 17 der

Statorwandung angeordnet, in dem sich der Flüssigkeitsring aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung ausbilden kann.

Figur 2 zeigt schematisch die erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Form zweier miteinander gekoppelter Einheiten, deren Statoren 10, 10 ' aneinander angrenzen, wobei die Radialelemente 20 auf einer gemeinsamen Welle 1 angeordnet sind.

Das als Kreisscheibe ausgeführte Radialelement 20 weist auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 des Stators 10, 10 ' Förderelemente 26 auf. Die Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch ist im Stator 10 im Bereich des ersten Wellenendes 2 der Welle 1 in einem Abstand zum Abschnitt 17 der Statorwandung angeordnet, um einen Austritt von Fluid durch die Eintrittsöffnung 16 zu vermeiden. Die in Figur 2 oberhalb des unteren Stators 10 ' im oberen Stator 10 angeordnete Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch dient zum Eintritt von Gas 31, das das untere Statorgehäuse 10 ' durchlaufen hat. Die Austrittsöffnung 14 für die Flüssigkeit 30 ist jeweils angrenzend an den Abschnitt 17 der Statorwandung angeordnet, die von der Welle 1 einen Abstand größer als der Radius des Radialelements 20 aufweist.

Die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 des einen Stators 10 ist mit dem funktional verbundenen Stator 10' durch eine Leitung gekoppelt, die die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit mit der Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 des gekoppelten Stators 10 ' verbindet. Die Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 ist im gekoppelten Stator 10 ' in einem radialen Abstand zwischen dem zweiten Wandungsbereich 12 und der Austrittsöffnung 15 für Gas 31 angeordnet.

Das Radialelement 20 taucht in den schematisch dargestellten Flüssigring ein, der sich auf Seiten des ersten Volumenabschnitts 4 zwischen dem ersten Wandungsbereich 11 und dem Radialelement 20 über einen schmaleren ringförmigen Flächenabschnitt 13B erstreckt, als zwischen dem zweiten Wandungsbereich 12 und dem Radialelement 20, in dem er sich über einen breiteren ringförmigen Flächenabschnitt 13A erstreckt. Diese unterschiedliche Ausdehnung des Flüssigkeitsrings, der durch die Zentrifugalbeschleunigung gegen den Abschnitt der Statorwandung 17 gedrückt wird, beruht auf der einseitigen Beschleunigungswirkung der Förderelemente 26.

In Figur 2 ist die Führung von Flüssigkeit und Gas im Gegenstrom durch die Einrichtung gezeigt, wobei die Austrittsöffnung 15 für Gas 31 jeweils im zweiten Volumenabschnitt 5 des Stators 10, 10 ' angeordnet ist und die Eintrittsöffnung für Gas 19 jeweils im ersten Volumenabschnitt 4 des Stators 10. Für einen Stator 10 ', in den das Fluidgemisch geleitet wird, dient die Eintrittsöffnung 19 für Gas 31 auch als Eintrittsöffnung 16 für Fluidgemisch.

Figur 3 zeigt schematisch die Fluidströmung in einer erfindungsgemäßen Einrichtung von Figur 1 und Figur 2, wobei das Förderelement 26 der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß Figur 2 nicht dargestellt ist.

Der Flüssigkeitsring zur Trennung des Volumens des Stators 10 in einen ersten Volumenabschnitt 4 und einen zweiten Volumenabschnitt 5 ist hier so dargestellt, dass er sich im Bereich des ersten Volumenabschnitts 4 über einen schmaleren ringförmigen Flächenabschnitt 13B erstreckt, als ihn der ringförmige Flächenabschnitt 13A auf der Seite des zweiten Volumenabschnitts 5 einnimmt. Die unterschiedlichen ringförmigen Flächenabschnitte 13B, 13 A, über den sich der Flüssigkeitsring beidseitig des Radialelements 20 erstreckt, wird gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform durch die Anwesenheit von optionalen Förderelementen 26 (nicht dargestellt) auf der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten Seite des Radialelements 20 bewirkt, oder durch eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Volumenabschnitt 4 und zweiten Volumenabschnitt 5, die beispielsweise durch die Regelung der Zufuhr von Fluidgemisch durch Eintrittsöffnung 16 bzw. den Austritt von Gas 31 durch die Austrittsöffnung 15 einstellbar ist, oder durch Ventilatorelemente (nicht dargestellt) auf der dem ersten Volumenabschnitt 4 zugewandten Seite des Radialelements 20.

Gemäß einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform weist das Radialelement 20 in einem Bereich, der zumindest einseitig von einem ringförmigen Flächenabschnitt 13A überdeckt wird, in dem sich ein Flüssigkeitsring ausbildet, Durchbrechungen 27, z.B. Bohrungen auf. In dem durch die Fluidströme gezeigten Verfahren wird der Austritt von Flüssigkeit durch die Austrittsöffnung 14 so eingestellt, dass sich der Fluidring im zweiten Volumenabschnitt 5 bis über die Durchbrechungen erstreckt. Diese Durchbrechungen 27 führen zu einem bevorzugten Eintritt von Gas 31 aus dem ersten Volumenabschnitt 4 in den vom Flüssigkeitsring überdeckten ringförmigen Flächenabschnitt 13A des zweiten Volumenabschnitts 5.

Entsprechend der Ausbildung einer Roll- oder Spiralzelle in dem Fluidring, wie schematisch in Figur 3 gezeigt, kann innerhalb des Fluidrings eine Kondensation des eingetragenen Gases 31 auftreten, was eine intensive Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 ermöglicht. Bei Transport des kondensierten Gases zu einem Bereich mit geringerem Abstand zur Welle verringert sich der durch die Zentrifugalbeschleunigung erzeugte Druck innerhalb des Flüssigkeitsrings, sodass kondensiertes Gas 31 leichter verdampfen kann, um aus der Austrittsöffnung 15 für Gas 31 auszutreten.

Figur 4 zeigt eine erfmdungsgemäße Einrichtung, bei der ein erstes Radialelement 20 Durchbrechungen 27 aufweist, wie dies auch in Figur 3 gezeigt ist. Die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 ist vorzugsweise mit einer Rückführleitung für Flüssigkeit 30 mit dem ersten Volumenabschnitt desselben Stators 10 verbunden, während dieselbe Leitung oder eine separate Zuleitung für Flüssigkeit 30 aus demselben Stator und/oder eine Zuleitung für Flüssigkeit 30' aus einem gekoppelten Stator im ersten Volumenabschnitt des Stators 10 angeordnet ist. Im Unterschied zur schematischen Verfahrensführung von Figur 3 wird hier gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden kann, dass sich der Flüssigkeitsring nur in einem ringförmigen Abschnitt 13A / 13 B mit kleinerem Radius über das erste Radialelement 20 erstreckt als der Radius, in dem Durchbrechungen 27 im Radialelement 20 angeordnet sind. Daher kann Dampf 31 durch die Durchbrechung 27 unmittelbar vom ersten Volumenabschnitt 4 in den zweiten Volumenabschnitt 5 übertreten. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, dass eine funktionelle Trennung zwischen erstem und zweitem Volumenabschnitt 4, 5 bei der hier gezeigten Verfahrensführung dennoch erreicht wird. Dies wird bisher darauf zurückgeführt, dass die Zentrifugalbeschleunigung, die durch die Rotation des Radialelements 20 erzeugt wird, die Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen 30 aus dem Gemisch mit der Gasphase 31 bewirkt.

Weiter kann die erfindungsgemäße Einrichtung so betrieben werden, dass in dem Verfahren zur Stofftrennung der Ablauf von Flüssigkeit 30 aus der Austrittsöffnung 14 so eingestellt ist, dass sich der Flüssigkeitsring nur bis angrenzend an das Radialelement 20 erstreckt, so dass die funktionale Unterteilung des Stators 10 in einen ersten und einen zweiten Volumenabschnitt 4, 5 durch die während der Rotation vom Radialelement radial beschleunigte Flüssigkeit 30 erreicht wird.

Bei einem Verfahren mit einer Einrichtung nach Figur 1, 3 oder 4 hat sich gezeigt, dass die Ausbildung des Radialelements zumindest in seinem Randbereich als Scheibe dazu führt, dass nur eine sehr geringe bis keine Schaumbildung auf der Oberfläche der Flüssigkeit 30 oder zwischen dem Flüssigkeitsring zwischen Radialelement 20 und Stator 10 auftritt. Die Schaumbildung, z.B. das Schaumvolumen im Gasraum wird daher bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verglichen mit herkömmlichen Kolonnen wirksam reduziert.

Die schematische Schnittansicht von Figur 5 zeigt die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der innerhalb des Stators 10 ein erstes Radialelement 20 angeordnet ist, dem ein zweites Radialelement 22 an der Welle 1 zugeordnet ist. Das zweite Radialelement 22 ist auf der dem zweiten Volumenabschnitt 5 zugewandten Seite des ersten Radialelements 20 angeordnet. Das erste Radialelement 20 ist mit Ausnehmungen 21 in dem Bereich zwischen der Welle 1 und dem ringförmigen Flächenabschnitt 13 versehen, über den sich das erste Radialelement 20 mit einem ersten Wandungsbereich 11 und einem zweiten Wandungsbereich 12 des Stators 10 überdeckt. Zwischen erstem Radialelement 20 und zweitem Radialelement 22 ist die Packung 23 angrenzend an die einander zugewandten Flächen des ersten Radialelements 20 und des zweiten Radialelements 22 angeordnet.

Eine Vorrichtung mit zwei Einrichtungen gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform nach Figur 5 ist in Figur 6 gezeigt, in der deutlich wird, dass der über den ringförmigen Flächenabschnitt 13 erzeugte Flüssigkeitsring so ausgebildet ist, dass das erste Radialelement 20 mit einem äußeren Ringabschnitt, d.h. im Bereich seines größten Radius eintaucht, um den ersten Volumenabschnitt 4 vom zweiten Volumenabschnitt 5 zu trennen. Das zweite Radialelement 22 ist so angeordnet, dass es nicht in den Flüssigkeitsring eintaucht, d.h. es erstreckt sich nicht bis in das Volumen, das vom ringförmigen Flächenabschnitt 13B, 13A aufgespannt wird.

Die Packung 23 erstreckt sich über einen rotationssymmetrischen Bereich um die Welle 1, der vor dem Volumen endet, das über einem der ringförmigen Flächenabschnitte 13B, 13A aufgespannt wird, sodass die Packung 23 im Wesentlichen nicht in den Flüssigkeitsring eintaucht.

Zwischen der Packung 23, bzw. dem zweiten Radialelement 22 und dem Flüssigkeitsring bleibt hinreichend Raum zum Durchtritt von Gas. Hier wird deutlich, dass nach Durchtritt von

Gas 31 und Flüssigkeit 30 im Gleichstrom durch die Packung 23 die Flüssigkeit 30 radial gegen den Abschnitt der Statorwandung 17 beschleunigt wird, während Gas 31 zwischen der Packung 23 und dem Flüssigkeitsring ohne weitere Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 zur Austrittsöffnung 15 für Gas 31 strömen kann.

Die Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 ist jeweils in einem Abschnitt 17 der Statorwandung angeordnet und kann mit einer Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 eines funktional gekoppelten Stators 10 ' mittels einer Leitung verbunden sein. Die Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise zwischen erstem Radialelement 20 und zweitem Radialelement 22 und zwischen Welle 1 und Packung 23 angeordnet. Zur Durchführung einer Leitung, die Flüssigkeit 30 zur Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30 fördert, ist die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20 vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Welle 1 , beispielsweise in Form einer ringförmigen Ausnehmung 21. Der Eintritt von Gas 31 zwischen erstes Radialelement 20 und zweites Radialelement 22 erfolgt ebenfalls durch die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20. Eine besondere Leitung ist dafür nicht erforderlich, da ein Strömungsweg um die Anordnung aus erstem und zweitem Radialelement 20, 22 und Packung 23 von dem Flüssigkeitsring, der sich über den ringförmigen Flächenabschnitt 13B, 13A erstreckt, und in den das erste Radialelement 20 eintaucht, abgedichtet wird.

Die dritte bevorzugte Ausführungsform ist schematisch im Schnitt in Figur 7 gezeigt, in der sich sowohl erstes Radialelement 20 als auch zweites Radialelement 22 mit einer zwischen diesen angeordneten Kondensationspackung 24 sowie eine Verdampfungspackung 25, die auf der dem zweiten Volumenabschnitt 5 zugewandten Fläche des zweiten Radialelements 22 angeordnet ist, sich bis in das Volumen erstrecken, das von ringförmigen Flächenabschnitten 13B, 13A aufgespannt wird.

Bei Durchtritt von Gas 31 durch die Kondensationspackung 24 kann Wärme aus den Fluiden an die Kondensationspackung 24 abgegeben werden. Wenn dabei der Kondensationspunkt des Gases 31 unterschritten wird, kondensiert das Gas 31. Mit oder ohne Kondensation werden beide Fluide im Flüssigkeitsring gemischt, da sich das zweite Radialelement 22 bis in den Volumenabschnitt mit ringförmiger Querschnitts fläche erstreckt, der über dem ringförmigen Flächenabschnitt 13B, 13A aufgespannt ist, in dem sich erstes Radialelement 20 und die Wandungsbereiche 11, 12 überdecken. Bevorzugt weisen erstes und zweites

Radialelement 20, 22 eine kreisförmigen Umfang auf, besonders bevorzugt ist das erste Radialelement 20 eine Ringscheibe und das zweite Radialelement 22 eine Kreisscheibe, die sich radial zur Welle 1 erstrecken.

Eine oder mehrere Eintrittsöffnungen 18 für Flüssigkeit 30 sind bei dieser Ausführungsform zwischen Stator und erstem Radialelement 20 angeordnet, oder zwischen Stator und Verdampfungspackung 25 oder einem die Verdampfungspackung 25 einseitig abdeckenden dritten Radialelement 32. Die Verdampfungspackung 25 kann auf der Seite, die gegenüber dem zweiten Radialelement angeordnet ist, von einem dritten Radialelement begrenzt werden, das zumindest über den Bereich dieser Seite der Verdampfungspackung fluidundurchlässig ist. Vorzugsweise ist das dritte Radialelement 32 eine Ringscheibe, die sich rotationssymmetrisch um die Welle 1 über die Verdampfungspackung 25 erstreckt.

Das in Figur 8 gezeigte Funktionsschema der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt beispielhaft die Führung von Flüssigkeit 30 und Gas 31 im Gegenstrom durch die Vorrichtung. Der Eintritt von Flüssigkeit erfolgt durch eine Eintrittsöffnung 18 für Flüssigkeit 30, die zwischen Welle 1 und Verdampfungspackung 25 endet. Die Eintrittsöffnung 18 kann, wie dargestellt, zum Eintritt von Flüssigkeit 30 dienen, die aus einer Austrittsöffnung 14 für Flüssigkeit 30 aus einem gekoppelten Stator 10 ' abgeführt wird. Nach Durchtritt durch die Verdampfungspackung 25 wird die Flüssigkeit 30 durch die Zentrifugalbeschleunigung in den Flüssigkeitsring beschleunigt und kann aus diesem durch die Austrittsöffnung 14 abgeleitet werden. Das im Gegenstrom geführte Gas wird durch die Eintrittsöffnung 15 für Gas 31 und durch die Ausnehmung 21 im ersten Radialelement 20 gegen die Kondensationspackung geführt; das in den Flüssigkeitsring eintauchende erste Radialelement 20 verhindert eine Umströmung der Radialelemente 20, 22. Die Erstreckung des zweiten Radialelements 22 bis in den Flüssigkeitsring erzwingt eine Umströmung des zweiten Radialelements 22 durch das Gas 31.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, das Temperaturen und Drucke so gewählt werden, dass das Gas in der Kondensationspackung 24 kondensiert, um eine intensive Durchmischung mit der Flüssigkeit 30 in dem Fluidring zu erwirken. Kondensiertem Gas 31 , das in die Verdampfungspackung 25 transportiert ist, wird dort mittels Wärmeleitung von Kondensationswärme aus der Kondensationspackung 24 durch das zweite Radialelement 22 Wärme zugeführt, so dass eine Verdampfung erfolgt. Gas 31 kann

anschließend durch die Austrittsöffnung 15 für Gas 31 abgezogen werden und z.B. in die Eintrittsöffnung 19 für Gas 31 eines gekoppelten Stators 10 ' geleitet werden.

Wie in Figur 8 schematisch am Beispiel der Kondensationspackung 24 gezeigt ist, kann jede Packung 24, 25 in einem Packungsgehäuse angeordnet sein, das an seinen Wänden parallel zur Welle 1 fluiddurchlässig ist, beispielsweise Bohrungen aufweist. Die Wände eines Packungsgehäuses, die senkrecht zur Welle 1 angeordnet sind, sind vorzugsweise fluidundurchlässig und werden z.B. jeweils einseitig von den angrenzenden Abschnitten der Radialelemente 20, 22 begrenzt.

Die Packungen 23, 24 und 25 der bevorzugten zweiten und dritten Ausführungsform können rotationssymmetrisch um die Welle 1 angeordnet sein und Ringform aufweisen, z.B. mit zwei gegenüberliegenden, senkrecht zur Welle 1 angeordneten ringförmigen Umfangsflächen und zwei konzentrisch zur Welle angeordneten zylinderförmigen Umfangsflächen, wie dies in den Figuren 5 bis 8 dargestellt ist.

Figur 9 zeigt Strömungsgleichrichter 40, die sich entsprechend der bevorzugten Ausführung rotationssymmetrisch um die Welle 1 erstrecken und drehfest mit der Welle 1 verbunden sind. In der hier gezeigten Ausführung sind die Strömungsgleichrichter beabstandet und parallel zum ersten Radialelement 20 angeordnet und auf diesem mittels Trägern 41 fixiert. Wie allgemein bevorzugt, sind die Strömungsgleichrichter 40 als Ringscheiben mit rotationssymmetrischen Durchbrechungen 42 ausgebildet. Die Strömungsgleichrichter 40 erstrecken sich mit einem Außenradius um die Welle, der geringer ist als der Außenradius des ersten Radialelements 20. Der Strömungsweg des Dampfs 31 ist schematisch gezeigt und macht deutlich, dass die Strömungsgleichrichter 40 zu einer engen spiralförmigen Bewegung des Dampfs 31 beitragen können, was wiederum die Phasentrennung verbessert. Wie dargestellt ist, kann sich die Flüssigkeit 30 in axialem Abstand zum ersten Radialelement 20 näher an die Welle 1 erstrecken und daher von dem ersten Radialelement 20 beabstandete Strömungsgleichrichter 40 kontaktieren.

Figur 10 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit Leitelementen, die als rotierbare Ventilatorelemente 50 mit der Welle verbunden sind, z.B. auf dem mit der Welle verbundenen Radialelement 20 fixiert sind. Die rotierbaren Ventilatorelemente 50, vorzugsweise in Kombination mit beabstandeten, etwa parallel zu diesen angeordneten

statischen Ventilatorelementen 51 , sind hier als gerade, vorzugsweise als gekrümmte Flächen ausgebildet, die den Querschnitt des Stators 10 jeweils im wesentlichen überdecken. So können rotierbare Ventilatorelemente 50, vorzugsweise in Kombination mit parallelen statischen Ventilatorelementen 51, den Querschnitt des Stators 10 bis 50%, bevorzugt bis 95% des lichten radialen Querschnitts zwischen Stator 10 und erstem Radialelement 20 bzw. zweitem Radialelement (nicht gezeigt) im ersten und/oder zweiten Volumenabschnitt 4, 5 überdecken, und/oder die rotierbaren Ventilatorelemente 50 und/oder die statischen Ventilatorelementen 51 können den lichten axialen Querschnitt des Stators 10 zwischen dessen etwa radial zur Welle 1 angeordneten erstem Wandungsbereich 11 und der Welle 1 überdecken.

Die Kombination von rotierbaren Ventilatorelementen 50 mit parallel oder senkrecht zu diesen angeordneten statischen Ventilatorelementen 51 ist bevorzugt, da die Rotation des Dampfs, der von den rotierbaren Ventilatorelementen 50 erzeugt wird, von den statischen Ventilatorelementen 51 umgelenkt wird und dadurch die verdichtende Wirkung der rotierbaren Ventilatorelemente 50 verstärkt wird. Ein rotierbares Ventilatorelement 50 kann auch in einer Durchbrechung 27 des ersten Radialelements 20 angeordnet sein, um als radiales rotierbares Ventilatorelement 50 die Dampfgeschwindigkeit durch die Durchbrechung 27 zu erhöhen.

Figur 11 zeigt Strömungsbrecher 52 in Form von Vorsprüngen, die sich von dem Abschnitt 17 und/oder von Abschnitt 12 der Statorwandung, in dem sich der Fluidring ausbildet, vorzugsweise von dem Abschnitt 17, in dem der Stator den größten Abstand zur Welle aufweist, in Richtung auf die Welle 1 erstrecken, in einem Bereich von 10 bis 90% des Abstands zwischen Stator 10 und Radialelement 20. Die Strömungsbrecher 52 können sich z.B. von Abschnitt 17 der Statorwandung bis über das Ausmaß des Flüssigkeitsrings erstrecken, z.B. bis über den Bereich, in dem sich Radialelement 20 und Stator 10 in einem ringförmigen Flächenabschnitt 13 A überdecken. Bei Erstreckung der Strömungsbrecher bis in den ringförmigen Flächenabschnitt 13 A kann sich im Verfahren eine stationäre Dampfblase ausbilden, die aus dem Flüssigkeitsring ragt. Vorzugsweise sind Strömungsbrecher 52 in regelmäßigem Abstand über den Umfang des Stators 10 angeordnet und können als Prallbleche oder als Turbulenz erzeugende Vorsprünge oder als Vorsprünge mit zwei unterschiedlich gekrümmten Oberflächen zur Erzeugung eines lokalen Druckabfalls im Flüssigkeitsring gestaltet sein. Strömungsbrecher 52 sind vorzugsweise in Bezug auf das

Radialelement 20 im zweiten Volumenabschnitt 5 des Stators angeordnet, um bei der Destillation im Flüssigkeitsring erzeugten Dampf in den zweiten Volumenabschnitt 5 strömen zu lassen.

Beispiel 1 : Rektifikation von Isobutan und Butan unter erhöhtem Druck Ein erfmdungsgemäßes Trennverfahren mit Verwendung der erfmdungsgemäßen Einrichtung bei mehr als atmosphärischem Druck ist die Rektifikation von Isobutan und Butan. Die eingesetzte Vorrichtung konnte zur Trennung 7 bis 12 Einrichtungen, auch als Trennstufen bezeichnet, gemäß Figur 1 in der Weise miteinander gekoppelt aufweisen, dass jeweils die Austrittsöffnung für Flüssigkeit aus einem Stator mit der Eintrittsöffnung für Fluidgemisch einer Trennstufe mit höherer Temperatur verbunden ist, und die Austrittsöffnung für Gas bzw. Dampf mit der Eintrittsöffnung für Fluidgemisch einer Trennstufe mit niedrigerer Temperatur verbunden ist. Im Verfahren wurde in der an dem Ende mit niedrigerer Temperatur angeordneten Trennstufe ein Druck von ca. 10 - 20 bar, bevorzugt 11 bar eingestellt. Die Dampfdichte betrug ca. 28,7 kg/m ³ , die Flüssigkeitsdichte ca. 487 kg/m ³ . Für eine Vorrichtung im Labormaßstab mit zylindrischem Stator mit 0,12 m Innendurchmesser ergaben sich Massenströme von ca. jeweils 0,111 kg/s Dampfund Flüssigkeit bei Volumenströmen von ca. 13,9 m ³ Dampfund 0,82 m ³ Flüssigkeit.

Beispiel 2: Rektifikation von Wasser und Methanol bei Normaldruck

Für die Rektifikation eines Wasser-Methanolgemischs wurde eine Vorrichtung verwendet, bei der eine Einrichtung nach Figur 3 von einem angeschlossenen Verdampfer beschickt wurde. Die als Trennstufe verwendete Einrichtung hatte einen zylindrischen Stator mit einem Innendurchmesser von 0,12 m mit zwei im Abstand von 0,035 m angeordneten radialen Platten, die jeweils in einem Abschnitt den ersten und zweiten parallelen Wandungsbereich bildeten. Der Durchmesser des Radialelements betrug 0,11 m. Bei Drehzahlen des Radialelements von 800 - 1100 Upm bildete sich ein Flüssigkeitsring von ca. 0,02 m Dicke etwa senkrecht zum Radialelement. Für die Trennung von Methanol und Wasser wurde ein Stufenwirkungsgrad der Trennstufe von ca. 0,8 bei einem Massenstrom von ca. 20 kg/h Methanol erreicht. Für eine im wesentlichen vollständige Abtrennung von Methanol wurden 10 bis 12 zu einer Vorrichtung gekoppelte Einrichtungen verwendet.

Bezugszeichenliste

1 Welle 20 erstes Radialelement

2 erstes Wellenende 21 Durchbrechungen in erstem

3 zweites Wellenende Radialelement

4 erster Volumenabschnitt 22 zweites Radialelement

5 zweiter Volumenabschnitt 23 Packung

10 Stator 24 Kondensationspackung

11 erster Wandungsbereich 25 Verdampfungspackung

12 zweiter Wandungsbereich 26 Förderelement

13 ringförmiger Flächenabschnitt 27 Durchbrechungen

13 B erster ringförmiger Flächenabschnitt 30 Flüssigkeit

13 A zweiter ringförmiger 31 Gas / Dampf

Flächenabschnitt 32 drittes Radialelement

40 Strömungsgleichrichter

14 Austrittsöffnung für Flüssigkeit

41 Träger

15 Austrittsöffnung für Gas

42 Durchbrechung

16 Eintrittsöffnung für Fluidgemisch 50 rotierbares Ventilatorelement

17 Abschnitt Statorwandung 51 statisches Ventilatorelement

18 Eintrittsöffnung für Flüssigkeit 52 Strömungsbrecher

19 Eintrittsöffnung für Gas