DE3340096C2 - - Google Patents

Description

Auf vielen Gebieten der Technik ist es bekannt, Flüssig­ keiten mit Gasen zu versetzen, die von ihnen absorbiert werden können. Diese Gase sind meist relativ kostspielig, und deshalb ist man bestrebt, sie mit möglichst geringen Verlusten an Gassubstanz zur Absorption zu bringen.

Durch die DE-OS 27 00 754 ist ein zyklisches Taktverfah­ ren zum Lösen von Gas in einer Flüssigkeit bekanntgewor­ den, bei dem Takte mit und ohne Gaszufuhr miteinander ab­ wechseln. Die durch ein im wesentlichen vertikales rohr­ artiges Bauteil abwärts strömende Flüssigkeit wird strom­ auf dieses Bauteil taktweise mit Gas versetzt oder ohne Gaszufuhr gelassen. Während des Durchströmens des Bautei­ les, das einen nach unten divergierenden Durchmesser ha­ ben kann, sollen die Gasblasen nach oben hin aufschwimmen, das obere Flüssigkeitsniveau im Bauteil durchbrechen und sich in einem darüber angeordneten, abgeschlossenen Gas­ raum sammeln und dadurch allmählich den Flüssigkeitsspiegel abwärts drücken bis zu einem vorbestimmten niedrigeren Ni­ veau (Ende des ersten Taktes). Sodann wird durch Niveau­ fühler die Gaszufuhr völlig abgestellt, wonach die durch den Gasraum fließende Flüssigkeitsströmung langsam Gas aus dem Gasraum absorbiert und der Flüssigkeitsspiegel im Bau­ teil entsprechend ansteigt bis zu einem vorbestimmten hö­ heren Niveau (Ende des zweiten Taktes). Nun wird die Gaszu­ fuhr wieder angestellt und der erste Takt wiederholt sich und so fort. Nach bestimmten Zeitabständen ist die Entlüf­ tung des gesamten Gasinhaltes des Gasraumes nach außen hin erforderlich, da dieses Gas verunreinigt und u. U. explosibel geworden ist (z. B. bei Sauerstoff als Gas); hierdurch ent­ steht ein Gasverlust, der bei hochwertigen Gasen die Renta­ bilität des Verfahrens beeinträchtigt. Durch das An- und Ab­ stellen der Gaszufuhr bei den beiden Arbeitstakten ergibt sich zwingend eine unterschiedliche Gasaufnahme der Flüs­ sigkeit je nach Takt, was ein ungleichförmiges Ergebnis in der ablaufenden Flüssigkeit bewirkt, wie es bei den meisten Anwendungsfällen nicht tragbar ist.

Bei der durch die DE-AS 16 67 231 bekanntgewordenen Vor­ richtung zur Durchführung eines Stoffaustausches zwischen einer Gasphase und einer oder mehreren Flüssigkeitsphasen wird ein aufrecht stehender Behälter, dessen unterer oder mittlerer Teil als sich nach unten erweiternder Konus ausge­ bildet ist, mit Flüssigkeit(en) gefüllt, in die von oben her Gas eingeleitet wird. Eine oder zwei Umwälzpumpenleitungensaugen am unteren Ende des Behälters Flüssigkeit und kleine Gasblasen ab und geben beides, nach Hinzufügen frischen Gases, in die obere Behälteröffnung wieder ein, während im Behälter große Gasblasen an die Flüssigkeitsoberfläche und in den darüber befindlichen Gasraum aufsteigen und dieses Gas von dort aus als Verlust durch einen Ablaß abgelassen wird. Die dort vorliegende Aufgabe, je nach der chemischen Beschaffen­ heit der beteiligten Phasen unterschiedliche, den jeweiligen Verhältnissen angepaßte Kontaktzeiten der Phasen mitein­ ander zur Verfügung zu stellen, wird durch Regulieren der Umwälz- bzw. Fließgeschwindigkeiten gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeit mit von ihr absorbierbaren Gasen zu versetzen bei praktisch verlustloser Absorption dieser Gase und bei einem gleich­ förmigen Gehalt der ablaufenden Flüssigkeit an absorbiertem Gas.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2 und durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3. Dadurch, daß das zu absorbierende Gas innerhalb des Abschnittes in die nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung eingebracht und in dieser praktisch rest­ los absorbiert wird, ohne die Flüssigkeitsströmung jemals zu verlassen, treten keine Gasverluste auf, und der Gehalt der ablaufenden Flüssigkeit an absorbiertem Gas bleibt gleichförmig; es sind auch keine gasdichten Umschließungen des Abschnittes erforderlich. Die Abschnittsbereiche der nach unten gerichteten Flüssigkeits­ strömung - ein oberer Bereich mit größerer und ein unterer Bereich mit kleinerer Fließgeschwindigkeit als die jeweilige Aufstiegsgeschwindigkeit aller Gasblasen, und dazwischen ein sich dadurch selbst einstellender Bereich, in dem Fließ- und Gasaufstiegsgeschwindigkeit entgegengesetzt gerichtet und je­ weils gleich groß sind - halten alle Gasblasen als Schwebe­ blasen zwangsläufig im letztgenannten Bereich, der Schwebe­ blasenzone, so lange, bis das Gas restlos absorbiert ist.

Die Abschnittsbereiche mit geringerer Fließgeschwindigkeit können, gemäß Fig. 1, durch Vergrößerung des Fließquerschnit­ tes nach unten hin geschaffen werden, oder gemäß Anspruch 2 und Fig. 2, durch seitliches Abzweigen von Teilströmen; die­ ses letztgenannte Verfahren ist besonders dann von Vorteil, wenn ohnehin Teilmengen der Flüssigkeit mit unterschiedlich großer, aber gleichbleibender aufgenommener Gasmenge benötigt werden. Beide Verfahren können auch gleichzeitig nebenein­ ander Verwendung finden.

Das Einbringen der Gase in die Flüssigkeitsströmung kann an einer beliebigen Stelle des Strömungsabschnittes gesche­ hen, denn die Gasblasen werden sich alle immer bis an die Schwebeblasenzone heranarbeiten, in der die Fließgeschwindig­ keit der Flüssigkeit und die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen entgegengerichtet und jeweils gleich sind. Mit Vorteil können aber die Gase entweder im Bereich der größ­ ten (gemäß Fig. 1, linke Seite) oder der kleinsten (gemäß Fig. 1, rechte Seite) Fließgeschwindigkeit eingebracht wer­ den; im ersten Fall des Mitstromprinzips kommt die Flüssig­ keit bei relativ kleinem Querschnitt mit der größten Gas­ menge - bei dem geringsten erforderlichen Überdruck - in Kontakt, was am wenigsten energieaufwendig und bei vie­ len Prozessen vorteilhaft ist. Im zweiten Fall des Gegen­ stromprinzips kommt die Flüssigkeitsströmung im oberen Ab­ schnittsbereich zunächst nur mit den inzwischen kleiner ge­ wordenen Gasblasen in Kontakt und erst im unteren Abschnitts­ bereich mit der größten Gasmenge in Berührung, welche Be­ handlungsweise bei manchen Flüssigkeiten und Gasen vorteil­ hafter sein kann.

Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens ist das Versetzen von Wasser, Abwasser oder Klärschlamm mit Sau­ erstoff; da es hierbei sich meist laufend um größere Mengen an Flüssigkeit und demnach auch an Gas handelt, und da Sau­ erstoff zu den kostenaufwendigen Gasen gehört, ist hier der erfindungsgemäße Vorteil der Verlustfreiheit beim Gas beson­ ders groß.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann der Innenquerschnitt des Behältermantels zur seitlichen Be­ grenzung der Flüssigkeitsströmung, gemäß Fig. 1 und 3, im Abschnittsbereich der sich verringernden Fließgeschwindigkeit - in Strömungsrichtung gesehen - kontinuierlich erweitert sein; dieser Abschnittsbereich kann aber auch mit einer oder mehreren Beruhigungszonen mit gleichbleibendem Innenquer­ schnitt versehen sein, was insbesondere bei Flüssigkeiten mit nicht konstanter Viskosität von Vorteil sein kann (Fig. 4).

Gemäß Anspruch 3 kann die Fließgeschwindigkeit in den ein­ zelnen Abschnittsbereichen des Behältermantels steuerbar oder regelbar sein durch in der Strömungsachse angeordnete Verdrängerkörper in einem oder mehreren Bereichen, die ent­ weder einzeln oder gemeinsam in der Höhe verstellbar ange­ ordnet sind; auf diese Weise können auch bei veränderter Flüssigkeitsviskosität oder Gasauftriebskraft in den Gas­ austritt aus dem obersten und untersten Abschnittsbereich sperrenden Fließgeschwindigkeiten nachgestellt werden (Fig. 3).

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf die Einbringung von Sauerstoff in Abwasser oder Klärschlamm Anwendung findet, kann die Vorrichtung durch Schachtteile einer Bestrahlungs­ anlage mit Gammastrahlen gebildet sein, die ohnehin schon für den Bestrahlungsprozeß benötigt werden (Fig. 5).

Die Erfindung wird in der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung, hier eines Behältermantels eines Längs- oder Rundbehälters, mit einem Zulauf 1 und einem Ablauf 2 für die Flüs­ sigkeit. Beide Hälften der Zeichnung zeigen eine un­ terschiedliche Stelle der Gaseinleitung. Wie in der linken Hälfte gezeigt, können die Gase im Mitstrom­ prinzip über eine Gaseinleitungsvorrichtung 4 an der Stelle mit der höchsten Fließgeschwindigkeit einge­ leitet werden, während gemäß der rechten Figurenhälfte beim Gegenstromprinzip das Gas durch die Vorrichtung 3 im Bereich der geringsten Fließgeschwindigkeit einge­ bracht wird. Im Bereich des engsten Innenquerschnitts des Behältermantels stellt sich eine maximale Fließge­ schwindigkeit V _{fl 1} ein, im unteren Bereich eine minimale Fließgeschwindigkeit V _{fl 3}. Die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen in der Flüssigkeitsströmung ist V _g . Die Geschwindigkeit V _{r 1} der über die Vorrichtung 4 einge­ tragenen Gasblasen in der Flüssigkeitsströmung V _fl ist so lange nach unten gerichtet, wie die Fließgeschwin­ digkeit V _fl größer ist als die Aufstiegsgeschwindig­ keit der jeweiligen Gasblasen V _g in der Flüssigkeit. Entsprechend ist bei einer Gaseinleitung bei 3 (rechte Figurenhälfte) die Bewegung der Gasblasen mit der Ge­ schwindigkeit V _{r 3} so lange nach oben gerichtet, wie die Flüssigkeitsströmung V _fl mit V _{lf 3} eine kleinere Ge­ schwindigkeit aufweist als die Aufstiegsgeschwindigkeit V _g der Gasblasen. In einem mittleren Bereich, der Gas­ schwebeblasenzone, sind die Geschwindigkeiten der Flüs­ sigkeit V _{fl 2} und aller aufsteigenden Gasblasen V _g , entgegengesetzt gerichtet, jeweils gleich groß. Damit ist die Bedingung zur Erzielung der Schwebeblasenzone
V _{fl 1} < V _{fl 2} = -V _g < V _{fl 3}.

Dadurch wird ein Aufsteigen von Gasblasen bis zur Flüs­ sigkeitsoberfläche - und damit ein Gasverlust - unterbunden; alle Gasblasen verbleiben bis zur restlosen Absorption in der nach unten gerichteten Flüssigkeits­ strömung der Schwebeblasenzone. Die kontinuierliche Querschnittserweiterung nach unten hin kann durch Ge­ rade oder Kurven gegeben sein.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch einen Behältermantel, bei dem die Verminderung der Fließgeschwindigkeiten V _{fl 1}, V _{fl 2, V fl 3 durch Ableitungen 5 für Teilströme T 1, T 2, T 3 erreicht wird. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Behältermantel, bei dem die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströ­ mung in den einzelnen Abschnittsbereichen durch Ver­ drängerkörper B 1, B 2 steuerbar oder regelbar ist durch Höhenverstellwege s 1, s 2. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Behältermantel, bei dem der sich kontinuierlich erweiternde Innenquerschnitts­ bereich durch eine Beruhigungszone 6 mit gleichbleiben­ dem Innenquerschnitt unterbrochen ist. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Behältermantel, der durch Ausgestaltung des Schachtoberteiles 7 einer Anlage zur Gammabestrahlung von Flüssigkeiten wie Wasser, Abwasser oder Klärschlamm im Zusammenwirken mit an dem Schachtdeckel 8 befestigten Vorrichtungen 9 zur Gasein­ leitung gebildet ist.}

Claims (3)

1. Verfahren zum Versetzen einer Flüssigkeit mit von ihr absor­ bierbaren Gasen, bei dem die Gase in einen Abschnitt mit nach unten gerichteter Flüssigkeitsströmung eingebracht werden, die eine abnehmende Fließgeschwindigkeit aufweist, wobei im oberen Bereich des Abschnitts die Fließgeschwindigkeit größer und im unteren Bereich kleiner ist als die Aufstiegsgeschwin­ digkeit von Gasblasen, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gas­ blasen bis zur restlosen Absorption in der nach unten gerich­ teten Flüssigkeitsströmung gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abnehmende Fließgeschwindigkeit im Abschnitt durch Abzweigen von Teilströmen daraus geschaffen werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Behältermantel, dessen Innenquerschnitt sich über einen Abschnitt nach unten kontinuierlich erweitert, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Abschnitt in der Achse der Strömung Verdrängerkörper (B ₁, B ₂) zur Regelung der Fließ­ geschwindigkeit angeordnet sind, die entweder einzeln oder gemeinsam in der Höhe verstellbar sind.