DE2638428C3 - Verfahren zur Neutralisation von Abwasser - Google Patents
Verfahren zur Neutralisation von AbwasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Neutralisation von stark alkalischem Abwasser durch Beimischung
eines neutralisierenden Gases, insbesondere Kohlendioxid, wobei das Abwasser und ein Gas getrennt einer
gemeinsamen Düse zugeführt werden.
Ein derartiges Verfahren wird in der DE-OS 22 32 341
und in der Zeitschrift »Brauwelt«, Jg. 112 (1972) Nr. 67,
Seiten 1367 bis 1370 angesprochen.
Der Stoffumsatz, d. h. die Intensität der Neutralisationsreaktion,
ist unter anderem von der Austauschfläche und der Reaktionszeit abhängig. Um die Abmessungen
des Reaktors in vernünftigen Grenzen zu halten, strebt man eine möglichst hohe Austauschfläche
zwischen beiden Phasen an. Dabei sollen insbesondere die Gasblasen sehr kleine Abmessungen haben, um
innerhalb des Reaktors möglichst vollständig zu reagieren. Denn bei Gasblasen relativ großer Abmessungen
kann der Blasenkern an der Neutralisationsreaktion keinen Anteil nehmen und ein Teil des Gases
verläßt daher den Reaktor ungenützt. Daher wird bisher eine wesentlich größere Gasmenge benötigt, als es dem
stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Entsprechend wird auch eine möglichst feine Verteilung der
Abwasserflüssigkeit angestrebt, damit dieser Reaktionspartner ebenfalls möglichst vollständig an der Neutralisationsreaktion
teilnimmt.
Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das eingangs beschriebene
Neutralisationsverfahren dahingehend zu verbessern, daß man zur Erzielung des gleichen pH-Endwertes mit
einer wesentlich geringeren Gasmenge als bisher auskommt. Außerdem soll die erforderliche Reaktionszeit
verkürzt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zuströmgeschwindigkeiten und die Volumenströme
der beiden einzelnen Phasen unter Berücksichtigung der übrigen Zustandsgrößen so im Hinblick auf
den gemeinsamen Abströmquerschnitt aus der Düsen-Mischkammer gewählt sind, daß die Ausströmgeschwindigkeit
gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wird.
Durch die mit der Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches übereinstimmende Ausströmgeschwindigkeit
erfährt das Gemisch beim Austritt aus der Mischkammer eine sprunghafte Druckerniedrigung, die
eine außerordentlich feine Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. Verteilung des Gases herbeiführt Je nachdem,
welche der beiden Phasen die zusammenhängende Phase bildet, wird entweder das Gas in viele kleine
Blasen oder die Flüssigkeit in viele kleine Tröpfchen zerteilt Messungen ergaben mittlere Tropfendurchmesser,
die in Abhängigkeit von der Größe des Dmcksprunges am Ende der Düse zwischen 30 und 50 um lagen;
dabei wiurde nur so viel Kohlensäuregas benötigt, wie
ίο ohnehin für die chemische Reaktion notwendig ist Im
Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren erzeugt die Erfindung ein Vielfaches an Austauschfläche
zwischen den beiden Reaktionspartnern, wobei der Gasbedarf und auch die Reaktionszeit stark verringert
werden.
Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeits/Gasgemischen
sei auf die Veröffentlichungen des Erfinders in »Chemie-Ingenieur-Technik«, Heft 20
(1971), Seiten 1106 bis 1108 und in »Brennstoff-Wärme-
Kraft«, 26 (1974), Nr. 2, Februar, Seiten 63 bis 67 verwiesen.
In der DE-OS 15 57 018 wird ein Verfahren zum Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten mit einer
Flüssigkeit durch Eindüsen von Gasen und Flüssigkeiten
in ein flüssiges Medium beschrieben, wobei Flüssigkeit
und Gas getrennt einer Düse zugeführt werden und die Zuströmgeschwindigkeiten für die Flüssigkeit etwa 5 bis
100 nVsec, vorzugsweise 10 bis 30m/sec, für das Gas
etwa 3 bis 30 m/sec betragen. Für das Verhältnis des zugeführten Flüssigkeitsvolumens zum zugeführten
Gasvolumen werden dort Werte zwischen 0,1 und 10 angegeben. Diese Zahlenwerte, die teilweise auch den
Geschwindigkeitsbereich abdecken, in dem das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet, führen aber keines-
wegs zu einer Ausströmgeschwindigkeit, die der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches
entspricht. Denn während in der Entgegenhaltung beliebige Luftgeschwindigkeiten mit beliebigen
Gasgeschwindigkeiten innerhalb des jeweils ange-
gebenen Geschwindigkeitsbereiches variiert werden können, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren nur
die Geschwindigkeit der einen Phase vorgegeben werden und auch dies nur in einem sehr schmalen
Bereich, wohingegen die Geschwindigkeit der anderen
Phase dann bereits zwangsläufig feststeht. Anderenfalls erhält man am Austritt aus der Mischkammer nicht die
erwünschte Schallgeschwindigkeit. Eine weitere Einschränkung beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren besteht darin, daß bei einer bestimmten vorgegebenen Geschwindigkeit der einen Phase nicht
nur die Geschwindigkeit der anderen Phase festliegt, sondern daß darüber hinaus auch das Mischungsverhältnis
nicht mehr variiert werden kann, da man sonst die Schallgeschwindigkeit wieder verlassen würde. Des
weiteren müssen Druck und Temperatur der beiden Phasen berücksichtigt werden, um die Schallgeschwindigkeit
zu ermitteln. Die Erfindung beruht also auf einer scharfen Zuordnung bestimmter Geschwindigkeiten
zueinander in Abhängigkeit von mehreren weiteren Zustandsgrößen.
Demgegenüber geben die bekannten pauschalen Geschwindigkeitsangaben mit ihrer Fülle von Kombinationsmöglichkeiten
keinerlei Hinweise oder Anregungen, die Geschwindigkeiten beider Phasen in Abhängig-
keit von den übrigen Zustandsgrößen gerade so zu wählen, daß die Mischung mit Schallgeschwindigkeit
ausströmt und am Austritt der für die- Zerstäubung wesentliche Druckabfall stattfindet. Im übrigen wird in
der Entgegenhaltung der Begriff der Schallgeschwindigkeit überhaupt nicht erwähnt, es geht dort vor allem um
eine spezielle Bemessung des Impulsaustauschraumes, um durch intensiven Impulsaustausch zu einer möglichst
guten Vermischung zu kommen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann es auch zweckmäßig sein, daß das Abwasser mit Luft oder
Wasserdampf in der Düse zusammengeführt wird und die Mischung in eine Rauchgasatmosphäre ausströmt.
Das für die Düse verwendete Gas braucht in diesem Fall nicht selbst neutralisierend zu wirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben; dabei zeigt
F i g. 1 ein Fließschema;
Fig.2 eine vergrößerte Darstellung der Düse mit dem dazugehörigen Druckverlauf längs der Flüssigkeits-
bzw. der Gemischströmung und
Fig.3 ein Fließschema bei der Verwendung von Rauchgas.
Bei 1 anfallendes alkalisches Abwauer mit einem
pH-Wert von etwa 14 wird mitte's einer Pumpe 2 durch einen Wärmeaustauscher 3 hindurch zu einer Düse 4
geführt, die am Deckel eines Reaktors 5 sitzt.
Zur Verringerung des pH-Wertes auf etwa 7,5 oder 8 dient Kohlendioxid, das in einem Flüssigkeitstank 6 bei
etwa —40°C und 20 bar gelagert ist. Es strömt zunächst in den Wärmeaustauscher 3, wo es unter Wärmeaufnahme
aus dem Abwasser in den gasförmigen Zustand übergeht. Das Kohlensäuregas strömt nun über ein
Druckminderventil 7, an dem sein Druck auf etwa 5 bar reduziert wird, zu der Düse 4, in der es sich mit dem
Abwasser vereinigt und mit diesem zusammen in den Reaktor 5 gesprüht wird. Wird das Gemisch nach dem
Düsenaustritt in eine zusammenhängende Gasphase expandiert, so bilden sich feine Tropfen, dagegen bilden
sich kleine Gasblasen, wenn das Gemisch in eine zusammenhängende Flüssigkeitsphase expandiert wird.
Der Ablauf aus dem Reaktor 5 ist mit 8 bezeichnet. Er kann selbstverständlich noch zu dem Wärmeaustauscher
3 geleitet werden, um die Aufheizung des Flüssiggases zu begünstigen.
Der Aufbau der Düse ist in Fig.2 näher erläutert.
Eine Rohrleitung 11 für das Abwasser ist an ihrem Ende
von einer ringförmigen Kammer 12 umgeben, in welche die Leitung 13 für das Kohlendioxidgas mündet. Die
ringförmige Kammer 12 steht über mehrere Querbohrungen 14 mit dem Inneren der Rohrleitung 11 in
Verbindung, so daß deren Endbereich als Mischkammer 15 fungiert.
Das Verhältnis von Gasstrom zu Flüssigkeitsstrom ist im allgemeinen so bemessen, daß kurz vor dem Austritt
aus der Mischkammer 15 der vom Gas eingenommene Strömungsquerschnitt etwa 30 bis 80% des Gesamtströmungsquerschnittes
einnimmt, weiterhin sind beide Strömungen hinsichtlich ihrer relevanten Zustandsgrö-Ben,
insbesondere hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit, ihres Druckes und auch ihrer Temperatur so zu
bemessen, daß am Ende der Mischkammer 15, also beim
Austritt aus der Düse, die charakteristische Schallgeschwindigkeit
des Zweiphasen-Gemisches vorliegt
Am Ende der Mischkammer 15 expandiert das Gemisch in den Reaktor 5, wo ein niedrigerer Druck po
herrscht Der Drucksprung Ap5 führt zu der erwünschten
fei.ien Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. Zerteilung des Gases, so daß den Reaktionspartnern eine große
Austauschfläche zur Verfügung steht. Der Druckverlauf ist in dem Diagramm in F i g. 2 wiedergegeben; mit Δ pR
und Δ pe sind der Reibungsdrackverlust bzw. der
Beschleunigungsdruckverlust bezeichnet.
Die in Fig.2 dargestellte Zerstäubungseinrichtung dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips. Je nach
den konstruktiven und verfahrensmäßigen Forderungen kann die Zerstäubungsdüse auch anders ausgelegt und
gebaut werden. Insbesondere ist es möglich, am Ende der Mischkammer konvergente oder aber auch
divergente Rohrstrecken einzubauen.
Schließlich besteht auch die Möglichkeit, durch ständige pH-Wertmessung auf zumindest eines der
beiden Drosselventile 9 und 10 einzuwirken, damit die beiden Strömungen stets in dem für den gewünschten
pH-Endwert richtigen Verhältnis zusammengeführt werden.
Anstelle von reinem Kohlensäuregas kann selbstverständlich auch die in Rauchgasen enthaltene Kohlensäure
zur Abwasser-Neutralisation verwendet werden. Da Rauchgas-Kompressoren relativ teuer sind, empfiehlt
sich, das Abwasser mit Hilfe eines Druckgases wie Luft oder Wasserdampf zu zerstäuben und es erst dann mit
dem Rauchgas in Verbindung zu bringen, so daß sich dessen Kompression erübrigt. Ein derartiges Fließschema
ist in F i g. 3 dargestellt.
Eine Abwasserleitung 16 und eine Druckluftleitung 17 münden in die bereits beschriebene Düse 4, die am
oberen Ende des Reaktors 5 sitzt. Von unten wird dem Reaktor 5 mittels einer Leitung 18 Rauchgas zugeführt,
dessen Kohlendioxid- und Schwefeldioxidanteile die Neutralisation des Abwassers bewirken. Die übrigen
Bestandteile des Rauchgases entweichen über eine Leitung 19 zu einem nicht dargestellten Kamin. Der
Ablauf des neutralisierten Abwassers ist mit 20 bezeichnet.
Sind starke Schwankungen im Rauchgasanfall zu befürchten, so empfiehlt es sich, einen Reservetank mit
flüssiger Kohlensäure vorzusehen. Dieser Tank 21 steht über eine Leitung 22 mit der Düse 4 in Verbindung,
damit bei zu geringem Rauchgasanfall die Druckluft mehr oder weniger durch reines Kohlendioxidgas aus
dem Reservetank ersetzt werden kann.
Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß man aufgrund der Schallgeschwindigkeitsströmung beim Austritt aus der Düse eine sprunghafte
Druckerniedrigung herbeiführen kann, die eine intensive Zerstäubung bzw. Zerteilung bewirkt. Das neutralisierende
Gas wird daher wesentlich besser ausgenützt als bisher und die Neutralisationszeit verkürzt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Neutralisation von stark alkalischem Abwasser durch Beimischung eines neutralisierenden
Gases, insbesondere Kohlendioxid, wobei das Abwasser und ein Gas getrennt einer gemeinsamen
Düse zugeführt werden, dadurchgeken^izeichnet,
daß die Zuströmgeschwindigkeiten und die Volumenströme der beiden einzelnen Phasen unter Berücksichtigung der übrigen Zustandsgrößen
so im Hinblick auf den gemeinsamen Abströmquerschnitt aus der Düsen-Mischkammer gewählt sind, daß die Ausströmgeschwindigkeit
gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser mit Luft oder Wasserdampf
in der Düse zusammengeführt wird und die Mischung in eine Rauchgas-Atmosphäre ausströmt
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