DE3740345A1

DE3740345A1 - Verfahren zum inberuehrungbringen von fluessigkeiten und gasen

Info

Publication number: DE3740345A1
Application number: DE19873740345
Authority: DE
Inventors: Istvan Kenyeres; Lehel Koch
Original assignee: Innofinance Altalanos Innovacios Penzintezet
Current assignee: Innofinance Altalanos Innovacios Penzintezet
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1988-06-09
Also published as: SE8704723L; DK622987A; CA1332833C; NL8702839A; FI875253A0; IT1223173B; CH673780A5; FI875253A; SU1732812A3; GB2199259B; GB2199259A; IT8722794A0; FR2607404B1; HU205724B; DK622987D0; CN87107997A; SE8704723D0; JPS63141632A; FR2607404A1; HUT46559A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inberüh rungbringen von Flüssigkeiten und Gasen.

Das Inberührungbringen von Gasen und Flüssigkeiten ist auf zahlreichen Gebieten der Technik beziehungswei se Industrie einer der wichtigsten Arbeitsgänge, durch den die wirtschaftlichen und technischen Parameter der gesamten Verfahrenstechnik beziehungsweise Technologie beziehungsweise der Herstellung der einzelnen Produkte grundlegend beeinflußt werden.

Der Wirkungsgrad, mit dem Gas und Flüssigkeit mit einander in Berührung gebracht werden können, ist unter anderem in der Gärtechnik bei den meisten aeroben Gär verfahren, bei der aeroben biologischen Abwasserreini gung und zahlreichen Verfahren der chemischen Technik von Bedeutung.

Die bekannten Vorrichtungen zum Inberührungbringen von Gasen mit Flüssigkeiten können auf Grund der Art, in der die Energie übertragen wird, in folgende Gruppen eingeteilt werden:

a) Pneumatische Systeme, wie Blasensäulen und Luftheber-Schlaufenreaktoren,
b) mechanische Systeme, wie an der Flüssigkeits oberfläche befindliche Belüfter mit waagerech ter beziehungsweise senkrechter Welle und selbstansaugende Rührer,
c) Kombinationen der beiden genannten Systeme, wie blasendurchströmte Reaktoren mit Rührvor richtung, und
d) hydraulische Systeme.

Vom Gesichtspunkt der Stoffübergabe zwischen Gas und Flüssigkeit haben sich die hydraulischen Systeme als am vorteilhaftesten erwiesen; das ist der Grund dafür, daß diese Systeme in den letzten Jahren immer stärkeren Eingang in die Praxis fanden.

Den hydraulischen Systemen ist gemeinsam, daß der Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit durch Flüssigkeits strahlen unterschiedlicher Art, die mittels Pumpen und Düsen erzeugt werden, hergestellt wird. Nach der Art des Flüssigkeitsstrahles können folgende Systeme unterschie den werden:

A. Systeme mit unterbrochenem Flüssigkeitsstrahl, zum Beispiel Sprühtürme von Venturi-Wäschen,
B. Verfahren mit zweiphasigem Flüssigkeitsstrahl, zum Beispiel Injektoren und Ejektoren,
C. Verfahren mit homogenen, kohärenten Flüssig keitsstrahlen, die auf die Flüssigkeit auf treffen.

Von den hydraulischen Systemen haben die zuletzt ge nannten den günstigsten Energiewirkungsgrad, die höchste erreichbare spezifische Stoffübergabegeschwindigkeit (Stoffübergabe- und Berührungsintensität) und den nie drigsten spezifischen Investitionsaufwand.

Den Verfahren mit auftreffendem Flüssigkeitsstrahl ist gemeinsam, daß ein aus einer über der Oberfläche der Flüssigkeit angeordneten Düse austretender homoge ner, kohärenter Flüssigkeitsstrahl den über der Flüs sigkeit befindlichen Gasraum durchläuft und in die Flüssigkeitsmasse eindringt, wobei er aus dem oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Gasraum große Mengen Gas mit sich reißt. Dieses Mitsichreißen des Gases erfolgt dadurch, daß an der Oberfläche des den Gasraum durch laufenden Flüssigkeitsstrahles - infolge seiner Ober flächenrauheit - eine sich mit dem Strahl zuammen bewegende Grenzschicht aus Gas entsteht, die mit dem Flüssigkeitsstrahl zusammen in die Flüssigkeit eindringt und dort durch die zwischen dem Strahl und der Flüssig keitsmasse auftretenden Scherkräfte in kleinen Blasen zerschlagen wird.

Die Wirksamkeit dieses Verfahrens wird grundlegend von der Oberflächenrauheit des Flüssigkeitsstrahles zu sammen mit der Dichte des Flüssigkeitsstrahles bestimmt, und zwar wie folgt:

I. Je rauher die Oberfläche des Strahles ist, um so mehr Gas vermag er mit sich zu reißen, das heißt um so größer ist die Gasmenge, die in Lö sung gehen kann, und
II. je dichter (kompakter) der Flüssigkeitsstrahl ist, um so größer wird der Dispersionsgrad des Gases in der Flüssigkeit, um so länger die Ver weilzeit der Blasen (infolge größerer Ein dringtiefe), um so intensiver der Kontakt.

Allgemein kann gesagt werden, daß von den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Inberührungbringen von Gas und Flüssigkeit durch auftreffenden Flüssigkeits strahl kein(e) einzige[s] den genannten beiden Bedin gungen gleichzeitig völlig gerecht wird, das heißt, daß bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Ober flächenrauheit des Flüssigkeitsstrahles nur durch gleichzeitige Verringerung seiner Kompaktheit erzielt werden kann und umgekehrt.

Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen (zum Beispiel Chem. Eng. Sci. 36 [1981], 1161 bis 1172; Chem. Eng. Commun. 15 [1982], 367 bis 383; deutsche Pa tentschrift 32 47 266 beziehungsweise britische Pa tenschrift 21 11 844) wird die Erhöung der Ober flächenrauheit des Flüssigkeitsstrahles ohne Ausnahme durch eine der folgenden Verfahrensweisen beziehungswei se gegebenenfalls durch deren Kombination erreicht:

1. Verwendung von Düsen, deren Form von der hy draulisch optimalen Form abweicht,
2. Erhöhung der Geschwindigkeit des Flüssigkeits strahls,
3. Erhöhung des Turbulenzgrades des Flüssigkeits strahles und
4. Verlängerung der freien Weglänge des Flüssig keitsstrahles.

Diese Verfahrensweisen haben den gemeinsamen Nach teil, daß sie zum einen mit einem bedeutenden Anstieg der Strömungsverluste verbunden sind und dadurch der Energiewirkungsgrad der Berührung verschlechtert wird und zum anderen ohne Ausnahme die Kompaktheit des Flüs sigkeitsstrahles verringern, was die Intensität des Kontaktes schmälert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Be hebung der obigen Nachteile der bekannten Verfahren ein Verfahren zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen, das für beliebige Aufgaben des Inberührungbrin gens von Gasen und Flüssigkeiten beide grundlegenden Bedingungen, nämlich die Kompaktheit des Flüssigkeits strahles und seine Oberflächenrauhheit gleichzeitig, je doch unabhängig voneinander zu optimieren gestattet, zu schaffen.

Das Obige wurde überraschenderweise durch das der Gruppe der Verfahren mit homogenen, kohärenten Flüssig keitsstrahlen, die auf die Flüssigkeit auftreffen, an gehörende erfindungsgemäße Verfahren erreicht.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Fest stellung, daß die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles ohne nennenswerte Verringerung seiner Kompaktheit unmit telbar aufgerauht werden kann, wenn auf die Oberfläche des Strahles das mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringende Gas oder ein Teil des Gases und/oder der Flüs sigkeit oder das Gas und ein Teil der Flüssigkeit ge blasen wird beziehungsweise werden.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen, bei dem die mit dem Gas in Berührung zu bringende Flüssig keit in Form eines aus einer Düse austretenden Flüssig keitsstrahles durch einen mit dem mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden Gas gefüllten Raum hindurch in die mit dem Gas in Berührung zu bringende Flüssig keit geleitet wird, welches Verfahren dadurch gekenn zeichnet ist, daß ein Teil der Flüssigkeit und/oder des Gases oder die Gesamtmenge des Gases oder ein Teil der Flüssigkeit und die Gesamtmenge des Gases in Form eines gerichteten Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles auf die Oberfläche des aus der Düse austretenden Flüssigkeits strahles geleitet wird.

Was das Anrauhen der Oberfläche des Flüssigkeits strahles betrifft, wird beim Aufblasen von Gas im we sentlichen die gleiche Wirkung erzielt wie beim Aufbla sen von Flüssigkeit. Die Verwendung eines Gasstrahles ist im allgemeinen dann vorteilhaft, wenn das Inberüh rungbringen des Gases mit der Flüssigkeit in einer ge schlossenen Reaktionsvorrichtung, in die das Gas ohne hin unter Druck eingebracht werden muß, abläuft.

Die Verwendung eines Gas- und Flüssigkeitsstrahles zum Anrauhen ist dann zweckmäßig, wenn Menge und Druck des mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden Gases nicht ausreichen, eine entsprechende Oberflächenrauhheit zu erzielen.

Das Anrauhen mittels eines Flüssigkeitsstrahles ist im allgemeinen dann vorteilhaft, wenn das Inberührung bringen in einem offenen System erfolgt und das mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringende Gas die atmo sphärische Luft selbst ist, wie bei der biologischen Ab wasserreinigung und der Belüftung von Oberflächengewäs sern und Fischteichen.

Der zum Anrauhen dienende Gas- und/oder Flüssigkeits strahl wird zweckmäßig in der Weise erzeugt, daß das Gas und/oder die Flüssigkeit aus um den kohärenten Flüssig keitsstrahl herum gleichmäßig angeordneten, vorzugswei se kreisförmigen, Öffnungen oder aus einem den Flüssig keitsstrahl umgebenden Spalt auf die Oberfläche des Strahles aufgeblasen wird.

Hinsichtlich des Aufrauhens der Oberfläche des ko härenten Flüssigkeitsstrahles ist es unwesentlich, an welcher Stelle des Weges, den der Strahl zwischen dem Austritt aus der Düse und dem Eindringen in die Flüs sigkeitsmasse zurücklegt, das Aufblasen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles erfolgt. Es ist jedoch zweckmäßig, das Aufrauhen der Oberfläche so dicht wie möglich an der Austrittsstelle vorzunehmen, weil auf diese Weise die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles bedeutend verringert werden kann.

Der zum Aufrauhen verwendete Gas- und/oder Flüssig keitsstrahl kann sowohl in der Strömungsrichtung des zentralen Flüssigkeitsstrahles als auch in entgegenge setzter Richtung geführt werden. Zweckmäßig soll der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl mit dem zentralen Flüssigkeitsstrahl einen Winkel von mindestens 5° ein schließen, damit ein entsprechendes Anrauhen eintritt.

Gegenüber den bekannten Verfahren hat das erfindungs gemäße Verfahren folgende Hauptvorteile:

a) Der Energiewirkungsgrad des Inberührungbringens der Gase und Flüssigkeiten ist wesentlich (um 30 bis 60%) größer.
b) Das Anwendungsgebiet ist bedeutend breiter.
c) Die Zuverlässigkeit der Projektierung und Maß stabsvergrößerung ist größer.
d) Der Bereich der Regelbarkeit, auch innerhalb eines Einzelprozesses, ist wesentlich weiter.
e) Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles kann bedeutend verringert werden, was eine bes sere Ausnutzung des Reaktionsvorrichtungsvolu mens ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der fol genden Beispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung im Querschnitt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Ausführungsform des Beispieles 1 und

Fig. 2 eine Vorrichtung im Querschnitt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Ausführungsform des Beispieles 3.

Beispiel 1

Es wurde in einem 0,5 m breiten und 2 m hohen, oben offenen Behälter von quadratischem Querschnitt 0,3 m³ Lö sung mittels einer Pumpe durch Düsen von 20 mm Durchmes ser hindurch zirkulieren gelassen. Die Lösung enthielt 0,5 kMol/m³ Natriumsulfit und 0,001 kMol/m³ Kobaltsul fat. Ihre Temperatur wurde auf 30°C gehalten. Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahls betrug 0,3 m.

Der Volumenstrom der von der Pumpe zirkulieren ge lassenen Flüssigkeit betrug 20,4 m³/h. 4 Gew.-% der zir kulieren gelassenen Flüssigkeit wurden aus Bohrungen 3, die in einem aus einem Kupferrohr von 10 mm Durchmesser gefertigten und den aus einer Düse 1 austretenden Flüs sigkeitsstrahl umgebenden Ring 2 ausgebildet waren, senk recht auf die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles gelei tet (Fig. 1). Der Ring 2 wies in gleichen Abständen 12 Bohrungen 3, die einen Durchmesser von je 1,2 mm hatten, auf. Die Bohrungen 3 waren von der Oberfläche des Flüs sigkeitsstrahles 40 mm entfernt, der Abstand des Ringes 2 von der Unterkante der Düse 1 betrugt 10 mm.

Die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Vo lumeneinheit wurde mit der auf der Oxydation des Natrium sulfites beruhenden bekannten Verfahrensweise (V. Linek und V. Vacek, Chem. Eng. Sci. 36 [1981], 1747 bis 1758) gemessen und betrug 27,2 kg O₂/m³h, was einem Massenstrom der Sauerstoffeinspeisung von 8,16 kg O₂/h entspricht. Die hydraulische Leistung der Pumpe betrug 0,91 kW, so daß sich für den Energiewirkungsgrad der Sauerstoffein speisung ein Wert von 8,97 kg O₂/kWh ergab.

Vergleichsbeispiel zu Beispiel 1

Es wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise ge arbeitet, jedoch keine Flüssigkeit auf den Flüssigkeits strahl geleitet. In diesem Fall betrug die Lösungsge schwindigkeit des Sauerstoffes pro Volumeinheit 16,8 kg O₂/m³h, der Massestrom der Sauerstoffeinspeisung war daher 5,04 kg O₂/h und der Energiewirkungsgrad der Sauerstoffeinspeisung ergab sich zu 5,54 kg O₂/kWh.

Dementsprechend konnte mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren für die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Volumeinheit, das heißt für die Intensität der Gas/ Flüssigkeits-Berührung sowie für den Energiewirkungs grad gleichermaßen eine Verbesserung um 61,9% erzielt werden.

Beispiel 2

Es wurde ähnlich wie im Beispiel 1 beschrieben gear beitet, jedoch mit folgenden Abweichungen.

Der Volumstrom der zirkulierenden gelassenen Flüssig keit betrug 18,9 m³/h und die Pumpe hatte eine hydrau lische Leistung von 0,74 kW. Statt der im Beispiel 1 angewandten Verfahrensweise, Flüssigkeit auf den Flüs sigkeitsstrahl zu leiten, wurde der Flüssigkeitsstrahl hier mit Luft aufgerauht. Die Luft wurde durch einen den Flüssigkeitsstrahl umgebenden Ring, der aus einem Kupfer rohr von 10 mm Durchmesser bestand, zugeführt. Im Ring waren in gleichmäßigen Abständen 6 Bohrungen von je 1,5 mm Durchmesser ausgeführt. Die Bohrungen waren um 15° nach unten gegen die Waagerechte geneigt. Die Bohrun gen waren 21 mm vom Flüssigkeitsstrahl entfernt und der Abstand des Ringes von der Unterkante der Düse betrug 50 mm. Die Luft wurde in einem Volumstrom von 4,5 Nm³/h durch die Bohrungen geführt, wozu außer der hydraulischen Leistung der Pumpe eine zusätzliche Leistung von 0,1 kW erforderlich war.

Die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Vo lumeinheit wurde auf die im Beispiel 1 angegebene Weise gemessen und betrug 21,7 kg O₂/m³h, was einem Massestrom der Sauerstoffeinspeisung von 6,52 kg O₂/h entspricht, so daß sich für die Energiewirksamkeit der Sauerstoffein speisung einen Wert von 7,82 kg O₂/kWh ergab.

Vergleichsbeispiel zu Beispiel 2

Es wurde auf die im Beispiel 2 beschriebene Weise gearbeitet, jedoch keine Luft auf den Flüssigkeitsstrahl geblasen. Die bestimmten Werte in der oben angegebenen Reihenfolge sind: 12,03 kg O₂/m³h, 3,61 kg O₂/h und 4,92 kg O₂/kWh. Dementsprechend ergab sich durch das er findungsgemäße Verfahren für die Intensivierung des Kon taktes eine Verbesserung um 80,7% und für die Energie wirksamkeit eine Verbesserung um 58,9%.

Beispiel 3

Es wurde in einem 1,5 m hohen, oben geschlossenen Behälter von 0,45 m Durchmesser mit Hilfe einer Pumpe durch Düsen mit Durchmessern von 10 mm 0,1 m³ Flüssigkeit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung zirkulieren gelassen. Der Volumenstrom der zirkulieren gelassenen Flüssigkeit betrug 6,84 m³/h und die Pumpe hatte eine hy draulische Leistung von 0,56 kW.

In den Behälter wurde in einem Volumenstrom von 16 Nm³/h Luft durch einen 0,5 mm breiten Spalt 3, der um eine aus Polyamid gefertigte Düse 1 herum durch einen eben falls aus Polyamid hergestellten, auf den Mantel der Düse aufgeschraubten Formkörper 2 gebildet war (Fig. 2), einge leitet. Der Spalt war 5 mm von der Oberfläche des Flüssig keitsstrahls entfernt und die ausströmende Luft schloß mit dem Flüssigkeitsstrahl einen Winkel von 15° ein. Zum Einbringen der Luft war eine Leistung von 0,18 kW erforder lich. Aus dem Behälter trat die Luft durch eine Öffnung von 20 mm Durchmesser, die in der den Behälter nach oben ab schließenden Fläche in 200 mm Entfernung von der Achse des Behälters angebracht war, aus. Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahls beträgt 0,4 m.

Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Vo lumeinheit betrug 41,2 kg O₂/m³h. Dementsprechend betrug der Massestrom der Sauerstoffeinspeisung 4,12 kg O₂/h, und der Energiewirkungsgrad der Sauerstoffeinspeisung er gab sich zu 5,57 kg O₂/kWh.

Vergleichsbeispiel zu Beispiel 3

Es wurde auf die im Beispiel 3 beschriebene Weise ge arbeitet, jedoch mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringende Luft durch die in der den Behälter nach oben abschließende Fläche in 200 mm Entfernung von der Achse angebrachte Öffnung von 20 mm Durchmesser senkrecht nach unten gerichtet eingeführt, während die verbrauchte Luft durch eine ebensolche, auf der anderen Seite befindliche Öffnung austrat. Auf diese Weise wurde die gleiche Menge Luft eingeleitet wie im Beispiel 3, jedoch die Luft nicht unmittelbar auf die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles gerichtet.

Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Vo lumeinheit betrug 29,0 kg O₂/m³h, was einem Massestrom der Sauerstoffeinspeisung von 2,9 kg O₂/h beziehungsweise einem Energiewirkungsgrad der Sauerstoffeinspeisung von 3,92 kg O₂/kWh entspricht. Durch das erfindungsgemäße Ver fahren wurden demnach sowohl die Intensität der Sauerstoff einspeisung als auch deren Energiewirkungsgrad um 42,1% verbessert.

Beispiel 4

Es wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise ge arbeitet, jedoch mit dem Unterschied, daß unter dem der Flüssigkeitszuleitung dienenden Ring noch ein der Luftzu leitung dienender Ring (wie im Beispiel 2 beschrieben) an gebracht war. Das Aufrauhen des Flüssigkeitsstrahles er folgte gleichzeitig durch Aufleiten von Flüssigkeit und Aufleiten von Luft.

Die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro Vo lumeinheit betrug 30,9 kg O₂/m³h. Das entspricht einem Massestrom der Sauerstoffeinspeisung von 9,27 kg O₂/h beziehungsweise einem Energiewirkungsgrad von 9,18 kg O₂/kWh.

Vergleichsbeispiel zu Beispiel 4

Es wurde auf die im Beispiel 4 beschriebene Weise ge arbeitet, jedoch der Flüssigkeitsstrahl weder mit Luft noch mit Flüssigkeit aufgerauht, das heißt, daß die ganze Arbeitsweise dem Vergleichsbeispiel zu Beispiel 1 ent sprach. Daraus errechnete sich für das erfindungsgemäße Verfahren eine Intensitätsverbesserung des Kontaktes von 83,9% beziehungsweise eine Erhöhung des Energiewirkungs grades um 65,7%.

Claims

Verfahren zum Inberührungbringen von Flüssigkeiten und Gasen, bei dem man die mit dem Gas in Berührung zu bringende Flüssigkeit in Form eines aus einer Düse austretenden Flüssigkeitsstrahles durch einen mit dem mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden Gas gefüllten Raum hindurch in die mit dem Gas in Berüh rung zu bringende Flüssigkeit leitet, dadurch ge kennzeichnet, daß man einen Teil der Flüssigkeit und/oder des Gases oder die Gesamtmenge des Gases oder einen Teil der Flüssigkeit und die Gesamtmenge des Gases in Form eines gerichteten Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles auf die Oberfläche des aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahles leitet.