DE3247266A1 - Verfahren zum inberuehrungbringen von fluessigkeiten mit gasen - Google Patents
Verfahren zum inberuehrungbringen von fluessigkeiten mit gasenInfo
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Description
Lie Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Inberührungbringen
von Flüccigkeiten mit Gasen durch Einleiten
eines kohfr'jrenten Flüseigtxitsstrahles mit hoher Geschwindigkeit
über.eine Düse durch die Gasschicht in die Flüssigkeit.
In den letzten Jahren nahm, in erster Linie infolge der
zunehmenden Abwasserreinigungsaufgaben und der Entwicklung der biologischen Verfahrenstechnik beziehungsweise Technologie,
die Nachfrage nach solchen neuen Verfahren zum Inberührungbringen
von Gssen und Flüsigkeiten, welche im Gegensatz zur früher allgemeinen Verwendung von Hischreaktionsvorrichtungen
die Anforderungen an die Zunahme des Volumens der für sie verwendeten Einrichtungen sowie die Verringerung
des spezifischen Einriclitunsc- und Lncrgieaufuandcs und der
Reaktions- beziehungsweise Verweilzeit wirtschaftlich erfüllen,
außerordentlich zu. Diese Anforderung erfüllt in der Praxis kein einziges bekanntes Verfahren.
Von Schügerl K. (Chem.-Ing. Tech. £2 [1980], 951 Ms 965)
wurde ein guter Überblick über die bekannten Lösungen gegeben. Danach können die bekannten Einrichtungen zum Inberührtmgbringen
von Gasen und Flüssigkeiten nach der Art der Energiezufuhr in folgende Gruppen unterteilt" Werdens
Mechanische Systeme, Kompressorsysteme und
Pumpensysteme
sowie deren Kombinationen.
Der Vergleich der verschiedenen Systeme zum Inberührungbringen
von Gasen und Flüssigkeiten erfolgt in der Praxis
- 4 BADORIGiNAL
auf Grund der ßtofftransportgeschwindigkeit, des spezifischen
Energiebedarfes der Stofftransport und der Viskositätsabhängigkeit
dieser beiden Faktoren. Über die bekannten Systeme kann allgemein gesagt v/erden, daß sie bei Flüssigkeiten
hoher Viskosität nicht dafür geeignet sind, den Anforderungen
an eine hohe Stofftransportgeschwindigkeit und an einen minimalen
Energiebedarf gleichzeitig zu genügen.
Bei den meisten der auf dem Inberührungbringen von Gasen
und Flüssigkeiten beruhenden Systeme ist die Geschwindigkeit des Stofftransportes zwischen der Gasphase und der Flüssigkeitsphase
der langsamste Torgang und von diesem wird auch die Zeitdauer der übrigen' Reaktion bestimmt. Die Erhöhung
der Stofftransportgeschwindigkeit ermöglicht ein bedeutendes Verringern der Reaktionszeit, in zahlreichen Fällen zusamnen
mit einem Vermindern, des Eetriebsvolumens. YJcim die durch o,^.·
Erhohen der Stofftransportgeschwindigkeit ermöglichte Konzentrationserhöhung mit einer Viskositätsvergrößerung ein-
hergeht, ist es sehr wichtig, daß der Betrieb des Systemes
nur in geringem Maße von der Viskosität der Flüssigkeitsphase abhängt. Dieser Anforderung genügen die bekannten
Systeme im allgemeinen nicht.
Innerhalb der mit einer Pumpe arbeitenden bekannten Systeme wird immer häufiger ein eintauchender Flüssigkeitsstrahl (Tauchstrahl) oder auftreffender Flüssigkeitsstrahl
eingesetzt. Charakteristisch für die Systeme, bei welchen diese Lösung angewandt wird, ist, daß das Gas mit Hilfe
eines von oben in die Flüssigkeit eintretenden Flüssigkeitsstrahles durch das Zirkulieren beziehungsweise Umlaufen der
Flüssigkeit eingebracht wird. Es sind 2 Arten von solchen Systemen bekannt:
- 5 BAD ORIGINAL
a) Das Einsaugen des Gases erfolgt mit einer I'lüssigkeitsstrahlpumpe; in diesem Falle
wird das Gas im Flüssigkeitsstrahl noch vor dem Auftreffen auf die Flüssigkeit dispergiert
(DDB-Patentschrift 56 765).
b) Das Gas wird infolge der Oberflächenrauhigkeit des durch die Gasschicht geleiteten freien
kohärenten Flüssigkeitsstrahles auf mechanischem Weg in die Flüssigkeit eingebracht; in diesem
Falle erfolgt das primäre Dispergieren des Gases nach dem Auftreffen auf die Flüssigkeit
(Schügerl K., Chem.-Ing. Tech. £2 [1980], 956).
Der grundlegende Mangel der das letztere Prinzip anwendenden
bekannten Verfahren besteht darin, daß durch das Steigen der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles die
Menge des mit 1 Energieeinheit in der Flüssigkeit lösbaren Gases stark abnimmt (van de Sande, E. und Smith, J. Ή.:
Chem. Eng. J. 10 [19753» 225 bis 2JJ, Abbildung 6), die Eindringtiefe des Flüssigkeitsstrahles im Bereich der energetisch günstigen niedrigen Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeiten (unter 5 m/Sekunde) hingegen so klein ist, daß dadurch die praktische, insbesondere großtechnische beziehungsweise großindustrielle, Verwendung stark eingeschränkt
wird (Chem. Eng. J. 10 [19753, 231). Dieser Tatsache ist zuzuschreiben, daß der Wirkungsgrad solcher in der Praxis
verwirklichten Verfahren niedriger als der mit Einrichtungen zum Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten von anderem Typ arbeitenden ist (Chem. Ing. Tech. £2 [19803,
951 bis 965, Tabelle 11).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Behebung
der Hachteile der Verfahren des Standes der Technik ein
■ - 6 BAD'ORIGINAL
AR · ·
Verfahren zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten mit Gasen durch Einleiten eines kohärenten Flüssigkeitsstrahles mit
hoher Geschwindigkeit über eine Düse durch die Gasschicht in die Flüssigkeit, durch welches das Inberüh:runghringen
von Gasen und Flüssigkeiten einfach und mit wenig Aufwand mit erhöhter Stofftransportgeschwindigkeit und weniger
Energie als "bisher erzielt werden kann, zu schaffen.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung,
daß sich der Wirkungsgrad und die Eigenschaften des Systemes
sprunghaft bessern, wenn die Flüssigkeitsstrahlgeschwindig keit den Wert von 20 m/Sekunde erreicht oder übersteigt und
die Beynoldsche Zahl des Flüssigkeitsstrahles beim Austritt
aus der Düse den Wert von 400 000 erreicht oder übersteigt. Diese Feststellung ist überraschend, weil auf Grund des bekannten
Zusammenhanges zynischen der FlüssickeitFistrahlgeßchwindigkeit und dem spezifischen Gaslösen zu erwarten war,
daß bei solchen Werten der Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeit die Henge des lösbaren Gases nicht zunehmen, sondern abnehmen würde.
Ferner beruht die Erfindung auf der überraschenden Feststellung, daß die Menge des $e Energieeinheit lösbaren
Gases weiter erhöht werden kann, wenn -die freie Weglänge des kohärenten Flüssigkeitsstrahles das 15-fache des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles erreicht oder übersteigt.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum
Inberührungbringen von Flüssigkeiten mit Gasen durch Einleiten eines kohärenten Flüssigkeitsstrahles mit hoher Geschwindigkeit über eine Düse durch die Gasschicht in die
Flüssigkeit, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das
Herausleiten des Flüssigkeitsstrahles aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 20 bis $8 m/Sekunde und einer Keynoldschen Zahl von mindestens 400 000 durchgeführt wird und die
- 7 BAD ORIGINAL ' ' '
freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahlee auf einem Wert von
mindestens dem 15-facfcen des Durchmessers des üTüssigkeitsstrahles
gehalten wird.
Vorteilhaft wird das Eeraueleiten des Flüssigkeitsstrahles
aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 24 bis 28 m/ßekunde durchgeführt.
Ferner ist es vorteilhaft, die freie Weglange des Flussjgkeitsstrahles
auf einem Wert vom 20-fachen bis 25-fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles zu halten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem außerordentlich weiten Bereich zum intensiven Inberiihruiigbringen
der unterschiedlichsten Flüssigkeiten, zum Beispiel Lösungen oder Suspensionen, und Gase oder Gasgemische angewandt Werder.
Als Beispiele seien die Anwendung bei der aeroben Gärung beziehungsweise Fermentation, bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung,
beim Belüften von Fischteichen, bei katalytischen Gas/Flüesigkeits-Eeaktionen, wie bei der katalytischen
Hydrierung, sowie bei der Reinigung durch Gasabsorption erwähnt.
Die wichtigesten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind wie folgt:
A) Im Vergleich zu den bekannten Verfahren kann eine bedeutende Erhöhung der Stofftransportgeschwindigkeit
erzielt werden. Aus der Luft wird das Lösen einer Gasmenge von etwa 50 bis
55 kg Op/n^ « Stunde ermöglicht, was das Mehrfache
der Sauerstoff menge, die mit den bisherigen Verfahren gelöst werden konnte, ist.
BAD ORlGiNAt
- ar--
B) Die hohe Stofftransportgeschwindigkeit ermöglicht
eine "bedeutende Verringerung des Volumens der Reaktionsvorrichtung und eine
proportionale Erhöhung der Konzentration des Produktes»
C) Ein vorteilhafter spezifischer Energieverbrauch wird ermöglicht;
zum Lösen von 1 kg O2 sind 0,17 bis 0,38 kWh Energie erforderlich.
D) Der Stofftransport ist in einem weiten Bereich
von der Viskosität der Flüssigkeit praktisch unabhängig.
E) Eine außerordentlich gute Gasausnutzung wird
ermöglicht, wodurch die gleiche Stofftransportgeschwindigkeit mit wesentlich geringerem
Gasruckhalten und dementsprechen besserer Volumausnutzung erreicht werden kann.
F) Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer außerordentlich einfachen Einrichtung mit
niedrigem Investitions- und Wartungs aufwand durchgeführt werden. Eine Vergrößerung der
Abmessungen der Einrichtung kann durch gleichzeitiges Senken des spezifischen Energieverbrauchs der Materialabgabe gelöst werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann jeder für die Herstellung eines kohärenten Flüssigkeitsstrahles geeignete
bekannte Düsentyp verwendet werden. Um die Strömungsver<-luste zu senken, ist es vorteilhaft, ein bei Pelton-Turbinen
angewandtes sogenanntes "Strahlrohr" mit iaraboloid/Hyperboloid-Profil zu verwenden.
- 9 BAD ORiGfNAL
• ί ·« ββ 8 9 β 8 S B j
/ a J
i 4 / t
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele naher
erläutert.
---Beispiel 1-.
Es" wurde-in einen 2,5 m hohen Behälter mit einem Durchmesser
von 0,45 m 0,2 er einer. 0,5 *& Natriumsulfitlösung
eingeleitet und in Gegenwart von 0,001 Mol/l Eobaltsulfat- -Katalysator durch eine Düse mit einem Durchmesser von 0,02 m
zirkulieren gelassen. Mit,Hilfe eines JPlüssigkeitsstrahles
mit einer Geschwindigkeit von 22,5 nyßekunde fenoHsche Zahl:
450 OÖÖ) und einer freien Weglänge von 0,4- m ergab sich für
die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes aus Luft unter
Atmosphärendruck mit der auf der Oxydation von Hatriuiasulfit
beruhenden Heßverfahrensweise (Linek V. und Vacek V., Cheui.
Eng. Sei. *>5 [1981], 1 747.bis 1 768) ein Wert von
49»2 kg Op/m^ · Stunde. Dies entspricht einem spezifischen
Energiebedarf von 0,38 kWh/kg O2 ·
Es wurde wie im Beispiel Λ beschrieben Vorgegangen, jedoch
mit dem Unterschied, daß ein Flüssigkeitsstrahl mit einer Geschwindigkeit von 34,8 m/Sekunde (Reynoldsche Zahl:
556 000) und ,eine Düse mit einem Durchmesser von 0,016 m verwendet
wurden. Die Geschwindigkeit des Sauerstofflösens betrug
55iO kg 02/m* . Stunde, was einem spezifischen Energiebedarf
von 0,58 kWh/kg O2 entspricht.
■ " - 10 ■ -BAD ORIGINAL
Es wurden 2,5 T^ einer 0,5 ω Natriumsulfitlösung, die
sich in einem 6,5m hohen Behälter mit einem Durchmesser von 1 m befand, in Gegenwart von 0,001 Mol/l Kobaltsulf at-
-Katalysator wie im Beispiel 1 durch eine Düse mit einem
Durchmesser von 0,06 m zirkulieren gelassen. Die freie Weglänge des yiüssigkeitsstrahles betrug 0,9 m und seine Geschwindigkeit
war 25,4 m/Sekunde (Reynoldsche Zahl:
1 524 000). Die Geschwindigkeit des Sauerstofflösens "betrug
54,5 kg Og/m^ . Stunde, was einem spezifischen Energiebedarf
von 0,17 kWh/kg Oo entspricht.
Claims (3)
1.) "erfahren sum Inberührungbringen von Flüssigkeiten
mit Gasen durch Einleiten eines kohärenten FlüscigkeitsBtrahles
mit hoher Geschwindigkeit über eine Düse durch die Gasschicht in die Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man das Herausleiten des
Flüssigkeifcsstrahles aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 20 "bis 58 m/Sekunde und einer
Reynoldschen Zahl von mindestens 400 000 durchführt und die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles auf einem Wert von mindestens dem 15-fachen
des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles hält.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Herausleiten des Flüssigkeitsstrahles
aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 24 "bis 28 m/Sekunde durchführt.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles auf einem Wert vom 20-fachen bis
25-fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles hält.
Beschreibung
BAD ORIGINAL
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