DE69004578T2

DE69004578T2 - Methode und vorrichtung zur durchführung eines gas-flüssigkeit-kontaktes.

Info

Publication number: DE69004578T2
Application number: DE91900143T
Authority: DE
Inventors: David Ellenor; John Harbinson; James Smith
Original assignee: University of Toronto
Current assignee: University of Toronto
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1990-12-04
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2010-12-05
Also published as: NO922210D0; KR0152244B1; ES2048007T3; CA2070630A1; WO1991008038A1; EP0504203A1; HU9201886D0; KR920703181A; JPH0677664B2; DE69004578D1; EP0504203B1; JPH05500632A; HU215365B; NO178845C; FI922597A0; FI922597A; AU636495B2; NO922210L; NO178845B; CA2070630C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die Entfernung (Abtrennung) von Komponenten aus Gasströmen zu bewirken, insbesondere durch chemische Umwandlung gasförmiger Komponenten zu einer unlöslichen Phase bei Kontakt mit einer flüssigen Phase oder Aufschlämmung.
Viele Gasströme enthalten Komponenten, die unerwünscht sind und die aus dem Gasstrom vor dessen Ablassen in die Atmosphäre oder vor einer weiteren Verarbeitung entfernt werden müssen. Eine derartige Komponente ist Schwefelwasserstoff, und eine andere derartige Komponente ist Schwefeldioxid.
Schwefelwasserstoff (Hydrogensulfid) tritt in schwankenden Mengen in vielen Gasströmen auf, beispielsweise in sauren Naturgas-Strömen und in Endgas-Strömen (tail gas streams) bei verschiedenen industriell angewendeten Verfahren. Schwefelwasserstoff ist übelriechend, in hohem Maße toxisch und ist ein Katalysatorgift bei vielen Reaktionen. Daher ist es wünschenswert und oft erforderlich, Schwefelwasserstoff aus derartigen Gasströmen zu entfernen.
Es gibt einige im industriellen Maßstab angewendete Verfahren zur Entfernung von Schwefelwasserstoff. Diese schließen Verfahren wie beispielsweise eine Absorption in Lösungsmittel ein, in denen der Schwefelwasserstoff zuerst als solcher abgetrennt und danach in einem zweiten gesonderten Schritt, beispielsweise in einer Claus-Anlage, in elementaren Schwefel umgewandelt wird. Solche im industriellen Maßstab durchgeführte Verfahren schließen auch Flüssigphasen-Oxidationsverfahren wie beispielsweise das Stretford-Verfahren, das LO-CAT-Verfahren, das Unisulf-Verfahren, das Sulferox- Verfahren, das Hiperion-Verfahren und andere ein. In diesen Verfahren werden normalerweise die Abtrennung von Schwefelwasserstoff und die Umwandlung in elementaren Schwefel in Reaktions- und Regenerations-Schritten bewirkt.
In der Druckschrift CA-A 1,212,819 und in der entsprechenden US-A 4,919,914 wird ein Verfahren zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Gasströmen durch Oxidation des Schwefelwasserstoffs an einer untergetauchten Stelle in einer gerührten Flotationszelle bei innigem Kontakt mit einer Eisenchelat-Lösung und unter Flotation der bei der Oxidation in Gegenwart der Eisenchelat-Lösung hergestellten Schwefel-Teilchen durch an Schwefelwasserstoff verarmte Gasblasen beschrieben.
Die Verbrennung Schwefel enthaltender kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wie beispielsweise Brennstofföl, Brennstoffgas, Erdöl-Koks und Kohle wie auch andere Verfahren führen zu einem Abgasstrom, der Schwefeldioxid enthält. Das Ablassen derartiger Schwefeldioxid enthaltender Gasströme an die Atmosphäre führt zum Auftreten des Phänomens von saurem Regen, der schädlich für verschiedene Vegetationspflanzen und andere Lebensformen ist. Verschiedene Vorschläge zur Senkung derartiger Emissionen wurden bereits gemacht.
Eine Recherche in den Einrichtungen des Patent- und Warenzeichenamtes der Vereinigten Staaten von Amerika nach Verfahren unter Kontakt von Gas und Flüssigkeit hat zum Auffinden der folgenden US-Patente als gegenüber der vorliegenden Erfindung relevantestem Stand der Technik geführt:
US-A 2,274,658:
US-A 2,294,827;
US-A 3,273,865;
US-A 4,683,062; und
US-A 4,789,469.
Die Druckschriften US-A 2,274,658 und 2,294,827 (Booth) beschreiben die Verwendung eines Flügelrades, um Gas in ein flüssiges Medium zu ziehen und das Gas in Form von Blasen in dem flüssigem Medium zu dispergieren, mit dem Ziel, gelöste gasförmige Materialien und suspendierte Verunreinigungen aus dem flüssigen Medium zu entfernen, insbesondere aus einem Abwasserstrom beim Kunstseidespinnen (Rayon-Spinnen). Dies geschieht durch Rühren und Belüften, das durch eine Verteilung der Gasblasen mittels des Flügelrads bewirkt wird.
Die suspendierten Feststoffe werden aus der flüssigen Phase durch Schaumflotation entfernt, während die gelösten Gase aus der flüssigen Phase abgestrippt werden. Das in diesen Dokumenten des Standes der Technik beschriebene Verfahren betrifft ein In-Kontakt-Bringen flüssiger Medien in einem Gefäß mit dem Zweck, Komponenten aus der flüssigen Phase zu entfernen.
Diese Druckschriften enthalten keine Betrachtung oder keinen Vorschlag zur Entfernung von Komponenten aus Gasströmen durch deren Einführen in eine flüssige Phase. Außerdem beschreiben die Druckschriften nicht eine kritische Kombination von Parametern von Flügelrad und Mantel, um ein solches Entfernen zu bewirken, wie sie erfindungsgemäß erforderlich ist.
Die US-A 3,273,865 beschreibt eine Belüftungseinrichtung zur Abwasserbehandlung. Ein Hochgeschwindigkeits-Flügelrad in Form eines Stapels flacher Scheiben erzeugt einen Wirbel in der Flüssigkeit und zieht so Luft in die wässrige Phase und bringt die wässrige Phase in Umlauf. Wie im Fall der beiden Druckschriften von Booth betrifft dieser Stand der Technik nur die Belüftung einer flüssigen Phase zur Behandlung von Komponenten der flüssigen Phase. Außerdem beschreibt die Druckschrift nicht eine Flügelrad-Mantel- Kombination oder schlägt vor, daß diese zur Durchführung eines Abtrenn-Schritts verwendet wird, wie dies erfindungsgemäß erforderlich ist.
Die US-A 4,683,062 beschreibt eine perforierte Struktur eines in Rotation versetzbaren Körpers, die ermöglicht, daß ein Kontakt zwischen Flüssigkeit und Feststoff erfolgt, um biokatalytische Reaktionen zu bewirken. Diese Druckschrift beschreibt keine Anordnung, in der ein Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit bewirkt wird.
Die US-A 4,789,469 beschreibt, daß eine Reihe rotierender Platten dazu verwendet wird, Gase Flüssigkeiten zuzuführen oder Gase aus Flüssigkeiten abzuziehen. Es findet sich keine Beschreibung oder kein Vorschlag einer Flügelrad-Mantel-Kombination, wie sie erfindungsgemäß erforderlich ist.
Viele andere Vorrichtungen zum Kontakt zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit und Flotationsvorrichtungen sind in der Literatur beschrieben. Beispiele sind die folgenden:
(a) "Development of Self-Inducing Dispenser for Gas/Liquid and Liquid/Liquid Systems (Entwicklung einer selbst induzierenden Abgabevorrichtung (dispenser) für Gas- Flüssigkeits- und Flüssigkeits-Flüssigkeits-Systeme)"; Koen et al., Proceedings of the Second European Conference on Mixing; 30. März bis 1. April 1977;
(b) Kapitel mit dem Titel "Outokumpu Flotation Machines (Outokumpu Flotationsmaschinen)"; K. Fallenius in: Kapitel 29 des Werks "Flotation (Flotation)"; Herausgeber: M.C. Fuerstenau. AIMM, PE Inc., New York (1976);
(c) Kapitel mit dem Titel "Flotation Machines and Equipment (Flotationsvorrichtungen und -Anlagen)"; in: "Flotation Agents and Processes, Chemical Technology Review #172"; Herausgeber: M.M. Ranney (1980); und
(d) EP-A 0 086 919.
Keine der genannten Druckschriften beschreibt jedoch die Flügelrad-Mantel-Struktur, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ist in einer Ausführungsform darauf ausgerichtet, das Verfahren des sich aus der CA-A 1,212,819 ergebenden Standes der Technik durch Modifikation der physikalischen Struktur der gerührten Flotationszelle und durch Modifikation der darin angewendeten Betriebsbedingungen zu verbessern, um die Gesamteffizienz zu verbessern und dadurch die Betriebs- und Kapital-Kosten zu senken, jedoch gleichzeitig eine hohe Effizienz der Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus dem Gasstrom beizubehalten.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, die Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Gasströmen durch Oxidation zu bewirken. Die vorliegende Erfindung ist vielmehr allgemein anwendbar auf die Abtrennung von gasförmigen, flüssigen und/oder festen Komponenten aus einem Gasstrom durch eine chemische Reaktion und betrifft noch breiter die Abtrennung von Komponenten beliebiger physikalischer Form sowie die Abtrennung fühlbarer Wärme aus einem Gasstrom durch Kontakt des Gases mit einer Flüssigkeit.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt ein wirksames In-Kontakt- Bringen von Gas und Flüssigkeit für den Zweck, eine Reaktion zu bewirken, die eine Komponente des Gases abgetrennt und diese Komponente in eine unlösliche Phase überführt, wobei sie in Kontakt mit der flüssigen Phase ist. Allgemeiner gesprochen, wird ein Gasstrom in solcher Weise in Kontakt mit einer flüssigen Phase gebracht, daß ein effizienter Kontakt des Gasstroms mit der flüssigen Phase zu dem Zweck stattfindet, Komponenten aus dem Gasstrom abzutrennen. Beispielsweise kann die Abtrennung einer Komponente durch ein physikalisches Abtrennverfahren und weniger über eine chemische Reaktion bewirkt werden. Diese Verfahrensweise steht in ausdrücklichem Gegensatz zum herkömmlichen Ziel des Aufbaus einer Flotationszelle, das darin besteht, eine Aufschlämmung oder Suspension in ein Konzentrat und einen Gangart-Strom oder einen ausgelaugten Strom bei der Aufbereitung von Mineralien zu trennen. Während der zuletzt genannten Verfahrensschritte wird eine Komponente nicht speziell von einem Gasstrom entfernt.
Es gibt eine Reihe von Verfahren, auf die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angewendet werden können. Die Verfahren können eine Reaktion einer gasförmigen Komponente des Gasstroms mit einer anderen gasförmigen Spezies in flüssiger Phase, üblicherweise in einer wässrigen Phase, häufig in einem wässrigen Katalysator-System einschließen.
Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens ist die oxidative Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Gasströmen unter Kontakt mit einem wässrigen Übergangsmetallchelat-System unter Bildung von Schwefelteilchen, wie sie allgemein in der oben genannten Druckschrift CA-A 1,212,819 beschrieben ist.
Ein anderes Beispiel eines derartigen Verfahrens besteht in der oxidativen Entfernung von Mercaptanen aus Gasströmen bei Kontakt mit einem geeigneten chemischen Reaktionssystem unter Bildung unvermischbarer flüssiger Disulfide.
Ein weiteres Beispiel eines derartigen Verfahrens ist die oxidative Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Gasströmen unter Verwendung von Chlor bei Kontakt mit einer wässrigen Natriumhydroxid-Lösung unter Bildung von Natriumsulfat, das nach einer Sättigung der Lösung in der ersten Verfahrensstufe aus der wässrigen Phase ausfällt.
Ein weiteres Beispiel eines derartigen Verfahrens ist die Entfernung von Schwefeldioxid aus Gasströmen durch die sogenannte "Wackenroder-Reaktion", bei der man Schwefelwasserstoff mit einer wässrigen Phase, in der das Schwefeldioxid anfänglich absorbiert wird, unter Bildung von Schwefelteilchen in Kontakt bringt. Dieses Verfahren ist beschrieben in den Druckschriften US-A 3,911,093 und 4,442,083. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch angewendet werden, um die Entfernung von Schwefeldioxid aus einem Gasstrom in ein Absorptionsmedium in einem weiteren Gefäß zum In-Kontakt-Bringen von Gas und Flüssigkeit zu bewirken.
Ein weiteres Beispiel eines derartigen Verfahrens ist die Entfernung von Schwefeldioxid aus Gasströmen durch Umsetzung mit einem wässrigen alkalischen Material.
Der Begriff "unlösliche Phase", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, schließt daher eine feste unlösliche Phase, eine nicht vermischbare flüssige Phase und eine Komponente ein, die unlöslich wird, wenn sie ihre Löslichkeitsgrenze in dem flüssigen Medium nach einer Anlaufzeit erreicht.
Die von dem Gasstrom üblicherweise entfernte Komponente ist eine gasförmige Komponente. Die vorliegende Erfindung schließt jedoch auch die Entfernung anderer Komponenten aus dem Gasstrom ein, beispielsweise teilchenförmiges Material oder dispergierte flüssige Tröpfchen.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, um feste Teilchen oder flüssige Tröpfchen aus einem Gasstrom zu entfernen, d.h. Aerosol-Tröpfchen, beispielsweise durch Auswaschen mit einem geeigneten flüssigen Medium. In ähnlicher Weise kann Feuchtigkeit aus einem Gasstrom entfernt werden, beispielsweise durch Auswaschen mit einer geeigneten hydrophilen organischen Flüssigkeit wie beispielsweise mit Glykol.
Ein breiter Bereich von Teilchengrößen, nämlich von einer Größe nahe der Molekülgröße über Aikin-Kerne bis zu Teilchen einer sichtbaren Größe, kann aus einem Gasstrom im Rahmen der gut verstandenen Mechanismen von Diffusion, Abfangen, Aufeinanderprallens und Einfangen in einer Schaumschicht entfernt werden.
Mehr als eine Komponente eines beliebigen Typs und Komponenten zweier oder mehrerer Typen können gleichzeitig oder in Folge aus dem Gasstrom entfernt werden. Darüber hinaus kann eine einzelne Komponente in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten abgetrennt werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch angewendet werden, um fühlbare Wärme (oder thermische Energie) aus einem Gasstrom durch In-Kontakt-Bringen des Gasstroms mit einer geeigneten flüssigen Phase niedrigerer Temperatur unter Bewirken eines Wärmeaustauschs zu entfernen. In ähnlicher Weise kann auch fühlbare Wärme durch Verdampfen einer flüssigen Phase entfernt werden.
Demgemäß wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Abtrennung einer Komponente aus einem Gasstrom, der diese Komponente enthält, in eine flüssige Phase bereitgestellt, wobei das Verfahren eine Mehrzahl von Schritten umfaßt. Ein Komponenten enthaltender Gasstrom wird einer abgeschlossenen Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone zugeführt, in der sich ein flüssiges Medium befindet.
Man läßt ein Flügelrad, das eine Mehrzahl von Flügelblättern umfaßt, um eine allgemein vertikal angeordnete Achse in dem flüssigen Medium an einer untergetauchten Stelle rotieren, um eine Strömung des Gasstroms längs eines allgemein vertikal verlaufenden Strömungsweges von außen zu der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone zu der untergetauchten Stelle zu induzieren. Das Flügelrad ist von einem Mantel umgeben, in dem eine Mehrzahl von Öffnungen ausgebildet ist, allgemein innerhalb eines bevorzugten Bereiches von Verhältnissen des Durchmessers des Flügelrads zu dem des Mantels, wie er in Flotationszellen gefunden wird. Man läßt das Flügelrad mit einer Geschwindigkeit rotieren, die einer Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblatts von wenigstens 350 in/s (900 cm/s) entspricht, vorzugsweise von 500 bis 700 in/s (1300 bis 1800 cm/s), wobei man ausreichende Scherkräfte zwischen den Flügelblättern und der Mehrzahl von Öffnungen in dem Mantel zur Verteilung des Gasstroms in Form kleiner Gasblasen eines Durchmessers nicht über ¼ in (6 mm) in dem flüssigen Medium erzeugt und dadurch innigen Kontakt der Komponente und des flüssigen Mediums an dem untergetauchten Ort unter Erreichen einer Abtrennung der Komponente aus dem Gasstrom in das flüssige Medium erzielt.
Man läßt zu, daß Materialien aus dem Innern des Mantels durch dessen Öffnungen in den außerhalb des Mantels gelegenen Körper des flüssigen Mediums mit einem Gasgeschwindigkeitsindex (bei etwa atmosphärischem Druck) von wenigstens 18 pro Sekunde je Öffnung strömen, vorzugsweise von wenigstens 24 pro Sekunde je Öffnung, wobei eine Abtrennung der Komponente die nicht im Innern des Mantels erreicht wurde, in dem Bereich zu Ende geführt wird, der an die Außenseite des Mantels angrenzt. Der Gasgeschwindigkeitsindex beträgt noch mehr bevorzugt wenigstens 30 pro Sekunde je Öffnung und kann bis zu sehr hohen Werten hinaufgehen, beispielsweise bis zu 400 pro Sekunde je Öffnung. Er beträgt häufig mehr als 100 pro Sekunde je Öffnung.
Der Gasgeschwindigkeitsindex (gas velocity index; GVI) pro Öffnung ist festgelegt durch die folgende Beziehung:
GVI = lineare Geschwindigkeit durch die Öffnung (in/s)/Äquivalenz-Durchmesser (in) = V/d
worin der Äquivalenzdurchmesser durch die folgende Beziehung festgelegt ist:
ED = 4 x Fläche der Öffnung (in²)/Länge des Umfangs der Öffnung (in) = 4A/P
Ein an der Komponente verarmter Gasstrom wird von einer Gasatmosphäre oberhalb des Flüssigkeitsniveaus in der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone an die Außenumgebung der geschlossenen Gas-Flüssigkeit-Kontaktzone abgelassen.
Dann wird das Verfahren des Kontaktes des Gases mit der Flüssigkeit im allgemeinen in der Weise betrieben, daß die abgeschlossene Reaktionszone bei Atmosphärendruck oder nahe Atmosphärendruck betrieben wird. Es ist jedoch auch möglich, das Verfahren unter Bedingungen oberhalb von Atmosphärendruck und unterhalb von Atmosphärendruck durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit dem Verfahrensaspekt besonders unter Bezugnahme auf die Abtrennung von Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid aus Gasströmen, die diese Gase enthalten, durch Reaktion unter Bildung von Schwefel und Gewinnung des so gebildeten Schwefels durch Flotation beschrieben. Es ist jedoch aus der vorstehenden und auch der nachfolgenden Diskussion offensichtlich, daß sowohl die in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Vorrichtung als auch der Verfahrensaspekt der Erfindung zur Durchführung anderer Verfahrensweisen nützlich sind, bei denen eine Komponente eines Gasstroms in einem flüssigen Medium entfernt wird.
In einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird Schwefelwasserstoff durch Sauerstoff in einer wässrigen Übergangsmetallchelat-Lösung als Reaktionsmedium in feste Schwefel- Teilchen umgewandelt. Der Sauerstoff ist in einem sauerstoffhaltigen Gasstrom zugegen, der derselben untergetauchten Stelle in einer wässrigen Katalysatorlösung zugeführt wird wie der schwefelwasserstoffhaltige Gasstrom, und zwar entweder in Mischung mit diesem oder in Form eines getrennten Gasstroms. Der sauerstofthaltige Gasstrom wird in ähnlicher Weise in Form kleiner Blasen durch das rotierende Flügelrad verteilt. Dies führt zu einem innigen Kontakt von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff unter Bewirken der Oxidation. Der Schwefelwasserstoff wird daher durch chemische Umwandlung in unlösliche Schwefelteilchen abgetrennt.
Die festen Schwefelteilchen läßt man wachsen, oder diese werden einer sphärischen Agglomeration oder Flocculation unterworfen, bis sie eine Größe aufweisen, die es ermöglicht, daß diese aus dem Körper des Reaktionsmediums durch an Schwefelwasserstoff verarmte Gasblasen aufflotiert werden können.
Der Schwefel weist eine kristalline Form auf und Schwefelteilchen werden dann, wenn sie eine Teilchengröße von 10 bis 50 um Durchmesser aufweisen, von dem Körper des Reaktionsmediums durch die an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen unter Bildung eines Schwefelschaums, der auf der Oberfläche des wässrigen Mediums flotiert, und einer an Schwefelwasserstoff verarmten Gasatmosphäre oberhalb des Schaums transportiert. Von dort wird ein an Schwefelwasserstoff verarmter Gasstrom abgelassen. Der Schwefel enthaltende Schaum wird von der Oberfläche des wässrigen Mediums in den Außenbereich der geschlossenen Reaktionszone entfernt.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Schwefeldioxid mit einem alkalischen Medium unter Abtrennen des Schwefeldioxids aus einem Gasstrom umgesetzt, der dieses enthält. Schwefeldioxid wird aus dem Gasstrom in das wässrige alkalische Medium absorbiert und reagiert mit dem darin enthaltenen aktiven Alkali unter Bildung von Salzen, wonach der an Schwefeldioxid verarmte Gasstrom aus dem Reaktionsmedium abgelassen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum In- Kontakt-Bringen eines Gases mit einer Flüssigkeit bereitgestellt, die eine abgeschlossene Tankeinrichtung umfaßt. Es wird eine Gaseinlaß-Verteileinrichtung zur Beschickung mit wenigstens einem Gasstrom durch einen Einlaß in einem oberen Abschluß der Tankeinrichtung bereitgestellt. Eine Standrohr-Einrichtung steht mit dem Einlaß in Verbindung und erstreckt sich von dem oberen Abschluß der Tankeinrichtung innerhalb der Tankeinrichtung nach unten.
Eine Flügelrad-Einrichtung, die eine Mehrzahl von Flügelblättern umfaßt, ist in Richtung auf das untere Ende der Standrohr-Einrichtung angeordnet und an einer Welle zur Rotation um eine allgemein vertikale Achse befestigt. Um die Welle in Rotation zu versehen, ist eine Antriebseinrichtung vorgesehen.
Eine Manteleinrichtung umgibt die Flügelrad-Einrichtung und weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, die einen gleichen Durchmesser haben können und in einem einheitlichen Muster angeordnet sein können und sich durch die Wandung der Manteleinrichtung hindurch erstrecken. Jede der Öffnungen durch die Manteleinrichtung weist einen Äquivalenzdurchmesser, wie er oben definiert wurde, von im allgemeinen weniger als 1 in (2,5 cm) auf. Jedoch können bei Einheiten für größere Kapazitäten die Öffnungen einen größeren Äquivalenzdurchmesser haben. Im allgemeinen haben die Öffnungen einen auf den Durchmesser des Flügelrades in der Weise bezogenen Äquivalenzdurchmesser, daß das Verhältnis von Äquivalenzdurchmesser einer Öffnung zum Durchmesser des Flügelrades geringer ist als 0,15. Durch Modifizieren des Mantels in dieser Weise kann die Vorrichtung so betrieben werden, daß sie einen Gasgeschwindigkeitsindex von wenigstens 18 pro Sekunde je Öffnung bereitstellt. Es wird auch eine Ablaßeinrichtung aus der Tankeinrichtung bereitgestellt.
Die Vorrichtungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, die Welle in Rotation zu versetzen, umfaßt allgemein einen außen angeordneten Antriebsmotor. Die Antriebseinrichtung kann jedoch ein dazwischen (in-line) geschaltetes Flügelrad umfassen, das durch den Druck des zu behandelnden Gasstroms angetrieben wird.
Figur 1 ist eine aufrechte Schnittansicht einer neuen Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen eines Gases mit einer Flüssigkeit, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt wird.
Figur 2 ist eine detaillierte perspektivische Ansicht des Flügelrads und des Mantels der Vorrichtung von Figur 1.
Figur 3 ist eine perspektivische Nahansicht eines Bereichs des Mantels von Figur 2.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist darauf gerichtet, Schwefelwasserstoff aus Gasströmen abzutrennen. Es wird ein hohes Niveau der Wirksamkeit der Abtrennung von Schwefelwasserstoff, allgemein über 99,99 %, aus Gasströmen erreicht, die eine beliebige Konzentration an Schwefelwasserstoff (Hydrogensulfid) enthalten. Restkonzentrationen von Schwefelwasserstoff, die niedriger liegen als 0,1 ppm (bezogen auf das Volumen), können erreicht werden.
Mit dem Verfahren der Erfindung ist es möglich, wirksam Schwefelwasserstoff aus einer Vielzahl von Gasströmen aus unterschiedlichen Quellen zu entfernen, die Schwefelwasserstoff enthalten. Maßgabe hierfür ist, daß es genügend Sauerstoff zur Oxidation des Schwefelwasserstoffs gibt. Der Sauerstoff kann in dem zu behandelnden, Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstrom zugegen sein oder kann getrennt davon zugegeben werden, wie es dort wünschenswert ist, wo Naturgas oder andere verbrennbare Gasströme behandelt werden.
Schwefelwasserstoff enthaltende Gasströme, die in Übereinstimmung mit der Erfindung verarbeitet werden können, schließen Brennstoffgas und Naturgas und andere, Schwefelwasserstoff enthaltende Ströme ein, beispielsweise solche, die bei der Verarbeitung von Öl, in Ölraffinerien, in Mineralwolle-Anlagen, Kraft-Zellstoffmühlen, bei der Herstellung von Kunstseide (rayon), bei der Verarbeitung von Schweröl- und Teer-Sanden, bei der Verkokung von Kohle und bei der Fleischverarbeitung gebildet werden, Schmutzgas-Ströme, die bei der Herstellung von Karborund gebildet werden, sowie Gasströme, die beim Luft- Strippen von Schwefelwasserstoff aus wässrigen Phasen gebildet werden. Der Gasstrom kann ein Strom sein, der feste Teilchen enthält, oder kann ein Strom sein, in dem teilchenförmiges Material fehlt. Die Möglichkeit, mit Teilchen beladene Gasströme im Rahmen der vorliegenden Erfindung handhaben zu können, ohne daß Verstopfungen auftreten, kann nützlich sein, da die Notwendigkeit einer Reinigung des Gases im stromaufwärts gelegenen Bereich überflüssig gemacht wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bewirken einer Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus einem diese Komponente enthaltenden Gasstrom macht Gebrauch von einem Übergangsmetallchelat in einem wässrigen Medium als Katalysator für die Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefel. Das Übergangsmetall ist üblicherweise Eisen, obwohl andere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Vanadium, Chrom, Mangan, Nickel und Cobalt verwendet werden können. Jedes beliebige Chelatisierungsmittel kann verwendet werden. Allgemein ist jedoch das chelatisierende Mittel Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA). Ein alternatives Chelatisierungsmittel ist HEDTA. Der Übergangsmetallchelat-Katalysator kann in der Wasserstofform oder in der Salzform verwendet werden. Der Bereich des Betriebs-pH-Wertes für das Verfahren liegt allgemein bei 7 bis 11.
Das Verfahren zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff gemäß der Erfindung wird passenderweise bei Raumtemperatur, d.h. von 20 ºC bis 25 ºC, durchgeführt, obwohl höhere und niedrigere Temperaturen angewendet werden können und bei diesen Temperaturen immer noch eine wirksame Betriebsweise erreicht wird. Die Temperatur iiegt allgemein im Bereich von 5 bis 80 ºC.
Das minimale Verhältnis Katalysatorkonzentration/Schwefelwasserstoffkonzentration für einen gegebenen Gasdurchsatz kann aus den Geschwindigkeiten der verschiedenen Reaktionen bestimmt werden, die in dem Verfahren ablaufen, und wird beeinflußt durch die Temperatur und den Grad des Rührens oder der Turbulenz in dem Reaktionsgefäß. Dieser Minimalwert kann für einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen dadurch bestimmt werden, daß man die Katalysatorkonzentration absenkt, bis die Effizienz der Abtrennung in Bezug auf Schwefelwasserstoff scharf abzufallen beginnt. Jede beliebige Katalysator- Konzentration oberhalb dieses Minimalwertes kann Anwendung finden, bis hinauf zum Grenzwert der Katalysatorbeladung für das System.
Die Abtrennung bzw. Entfernung von Schwefelwasserstoff durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer geschlossenen Zone zum Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit durchgeführt, in der ein wässriges Medium angeordnet ist, das den Übergangsmetallchelat-Katalysator enthält. Ein Schwefelwasserstoff enthaltender Gasstrom und ein Sauerstoff enthaltender Gasstrom, der üblicherweise Luft ist, jedoch auch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein kann, werden dazu veranlaßt, entweder getrennt oder als Mischung längs eines vertikalen Strömungsweges von außen zur Gas-Flüssigkeits- Kontaktzone zu einer untergetauchten Stelle in dem wässrigen Katalysator-Medium zu strömen. Von dort wird die Mischung durch das rotierende Flügelrad veranlaßt, durch die Öffnungen in dem Mantel in den Körper des wässrigen Mediums zu strömen. Das Flügelrad umfaßt eine Mehrzahl von sich nach außen erstreckenden Flügelblättern und wird in Rotation um eine allgemein vertikal verlaufende Achse versetzt. Das rotierende Flügelrad zieht auch die flüssige Phase zu der Stelle, an der die Gasströme von dem Körper des wässrigen Mediums in der abgeschlossenen Zone eingeführt werden.
Die Gasströme werden in Form kleiner Blasen durch die gemeinsame Wirkung des rotierenden Flügelrades und eines dieses umgebenden Mantels verteilt, der eine Vielzahl von Öffnungen in der Mantelfläche aufweist. Um einen guten Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit und damit eine wirksame Oxidation des Schwefelwasserstoffs zu Schwefel zu erreichen, läßt man das Flügelrad schnell rotieren, so daß man eine Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblattes von wenigstens 350 in/s (900 cm/s), vorzugsweise von 500 bis 700 in/s (1300 bis 1800 cm/s) erreicht. Zusätzlich tragen die Scherkräfte zwischen dem Flügelrad und dem stationären Mantel dazu bei, einen guten Kontakt des Gases zu der Flüssigkeit zu erreichen, indem sie für einen Gasgeschwindigkeitsindex sorgen, der wenigstens 18 pro Sekunde je Öffnung, vorzugsweise wenigstens 24 pro Sekunde je Öffnung, beträgt. Anders als bei oder nahe bei dem oberen Grenzwert der Kapazität einer Einheit beträgt die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Öffnungen weniger als 0,02 lb (9 g)/min/Öffnung in dem Mantel, allgemein bis herunter zu 0,004 und vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 0,007 lb (1,8 g; 2,3 bis 3,2 g)/min/Öffnung im Mantel.
Die Verteilung der Gase in Form kleiner Blasen in dem Reaktionsmedium in dem Bereich des Flügelrades ermöglicht, daß eine hohe Massentransfer-Geschwindigkeit auftritt. In der Katalysator-Lösung läuft eine komplizierte Reihe chemischer Reaktionen ab, die zu einer Gesamtreaktion führt, die durch die folgende Reaktionsgleichung wiedergegeben wird:
H&sub2;S + ½ O&sub2; -> S + H&sub2;O.
Die Gesamtreaktion ist also die Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefel.
Die festen Schwefelteilchen wachsen, bis sie eine Größe haben, die flotiert werden kann. Alternative Verfahrensweisen zur Erhöhung der Teilchengröße können angewendet werden, einschließlich der sphärischen Agglomeration oder der Flocculation. Die flotierbaren Schwefelteilchen werden durch die an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen flotiert, die durch den Körper der Katalysatorlösung aufsteigen, und werden als Schaum auf der Oberfläche des wässrigen Mediums gesammelt. Die Größe der Schwefelteilchen liegt im Bereich von 10 bis 50 um Durchmesser. Die Schwefelteilchen liegen in kristalliner Form vor.
Die Reihe von Reaktionen, von denen man annimmt, daß sie in der Metallchelat-Lösung ablaufen, um zu der oben angegebenen Gesamtreaktion zu führen, ist die folgende:
H&sub2;S = H&spplus; + HS&supmin;
OH&supmin; + FeEDTA&supmin; = [Fe.OH.EDTA]=
HS&supmin; + [Fe.OH.EDTA]= [Fe.HS.EDTA]= + OH&supmin;
[Fe.HS.EDTA]= = FeEDTA&supmin; + S + H&spplus; + 2e
2e + ½ O&sub2; + H&sub2;O = 2HO&supmin;
Alternativ dazu kann der sauerstoffhaltige Gasstrom der Metallchelat-Lösung an einer untergetauchten Stelle zugeführt werden, die verschieden ist von der Stelle, an der der Schwefelwasserstoff enthaltende Luftstrom zugeführt wird. Dazu kann man eine zweite Flügelrad-Mantel-Kombination verwenden, wie dies im einzelnen in der parallel zur vorliegenden Anmeldung anhängigen Anmeldung WO-A 91/08039 beschrieben ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist gerichtet auf die Abtrennung von Schwefeldioxid aus Gasströmen. Die Verfahrensweise zeigt viele Ähnlichkeiten mit der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff, mit der Ausnahme, daß das wässrige Medium ein alkalisches Material enthält.
Das wässrige alkalische Medium, in das der Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom eingeführt wird, kann bereitgestellt werden mittels jedes beliebigen passenden alkalischen Materials in wässriger Lösung oder Suspension. Ein passendes alkalisches Material, das verwendet werden kann, ist ein Alkalimetallhydroxid, üblicherweise Natriumhydroxid. Ein anderes geeignetes Material ist ein Erdalkalimetallhydroxid, üblicherweise eine Kalkaufschlämmung oder eine Kalkstein-Aufschlämmung.
Eine Absorption von Schwefeldioxid in einem wässrigen alkalischen Medium führt zur Bildung des entsprechenden Sulfits. Es ist jedoch bevorzugt, daß das Reaktionsprodukt das entsprechende Sulfat ist, und zwar im Hinblick auf die größere wirtschaftliche Attraktivität der Sulfatsalze. Beispielsweise ist in dem Fall, daß eine Kalk- oder Kalkstein-Aufschlämmung verwendet wird, das Nebenprodukt Calciumsulfat (Gips), eine chemische Substanz mit vielseitiger Anwendbarkeit.
Dementsprechend wird in einem bevorzugten Aspekt der Erfindung auch ein sauerstoffhaltiger Gasstrom, der üblicherweise Luft ist, der jedoch auch reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein kann, analog zum Fall der Oxidation von Schwefelwasserstoff in das wässrige alkalische Reaktionsmedium eingeführt, um dafür zu sorgen, daß das Sulfatsalz gebildet wird. Wenn eine derartige Oxidationreaktion in Gegenwart einer Kalk- oder Kalkstein-Aufschlämmung bewirkt wird, ist es allgemein bevorzugt, eine geringe Menge eines Mittels gegen Zusammenbacken zuzusetzen, um einem Zusammenbacken des Nebenprodukts Calciumsulfat auf den Kalk- oder Kalkstein-Teilchen zu verhindern, was deren Wirksamkeit verschlechtern würde. Ein geeignetes Mittel gegen das Zusammenbacken ist Magnesiumsulfat.
Die Konzentration an Sulfatsalz steigt in der wässrigen Lösung nach einer anfänglichen Anlaufphase, bis die Lösung gesättigt ist. Danach beginnt das Sulfat, aus der Lösung auszufallen. Das kristalline Sulfat, üblicherweise Natriumsulfat- oder Calciumsulfat-Kristalle, kann aus der Lösung durch die an Schwefeldioxid verarmten Gasblasen flotiert werden, sofern dies erwünscht ist, wobei dies mit Hilfe von die Flotation verbessernden chemischen Stoffen geschieht, sofern dies erforderlich ist.
Wenn ein sauerstoffhaltiger Gasstrom angewendet wird, kann dieser dem wässrigen Medium an derselben untergetauchten Stelle wie der Schwefeldioxid enthaltende Gasstrom zugeführt werden, entweder in Mischung mit dem Schwefeldioxid enthaltenden Gasstrom oder in Form eines getrennten Gasstroms.
Alternativ dazu kann der Sauerstoff enthaltende Gasstrom dem wässrigen alkalischen Medium an einer untergetauchten Stelle zugeführt werden, die von der Stelle der Zufuhr des Schwefeldioxid enthaltenden Gasstroms verschieden ist. Dies geschieht unter Verwendung einer zweiten Flügelrad-Mantel-Kombination, wie dies im einzelnen in der bereits vorstehend genannten, parallel zur vorliegenden Anmeldung anhängigen WO-A 91/08039 beschrieben ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, schnell und effizient Schwefeldioxid aus Gasströmen, die Schwefeldioxid enthalten, abzutrennen. Solche Gasströme können eine beliebige Konzentration an Schwefeldioxid enthalten, und es ist mit dem Verfahren möglich, solches Schwefeldioxid mit einer Effizienz zu entfernen, die 99,99 % übersteigt. Restkonzentrationen an Schwefeldioxid unter 0,1 ppm (bezogen auf das Volumen) können erreicht werden.
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Schwefeldioxid entfernt wird, kann bei einer Vielzahl von Verfahrensbedingungen durchgeführt werden, wobei die Wahl der Bedingungen im gewissen Umfang von dem dem Reaktionsmedium Alkalinität verleihenden chemischen Stoff abhängt. Beispielsweise hat im Fall eines Alkalimetallhydroxids die wässrige alkalische Lösung allgemein eine Konzentration im Bereich von 50 bis 500 g/l. Im Fall eines Erdalkalimetallhydroxids hat die wässrige alkalische Lösung allgemein eine Konzentration von 1 bis 20 Gew.-%. Das aktive, eine Alkalinisierung herbeiführende Mittel kann kontinuierlich oder intermittierend (diskontinuierlich) nachgefüllt werden, um die Umwandlung in das entsprechende Sulfit oder Sulfat zu kompensieren. Die Reaktionstemperatur kann in weiten Bereichen von 5 ºC bis 80 ºC schwanken.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Eine neue Vorrichtung 10 zum In- Kontakt-Bringen eines Gases mit einer Flüssigkeit, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt wird, ist eine modifizierte Form einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle. Es ist beabsichtigt, daß der Aufbau der Vorrichtung 10 zum In-Kontakt-Bringen des Gases mit der Flüssigkeit dem Zweck dient, Gase wirksam in Kontakt zu bringen, um eine Abtrennung einer Komponente des Gases zu bewirken, beispielsweise durch Reaktion unter Bildung einer flotierbaren unlöslichen Phase. Dieser Aufbau unterscheidet sich von dem einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle, deren Aufgabe es ist, eine Aufschlämmung oder Suspension in ein Konzentrat und einen Gangartstrom oder ausgelaugten Strom aufzutrennen.
Es gibt signifikante Unterschiede zwischen einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle und der modifizierten Flotationszelle 10 der vorliegenden Erfindung, die auf den Unterschieden in den Erfordernissen der beiden Aufbauten beruhen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Substanzen, die behandelt werden, in dem Gasstrom enthalten, während bei einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle die Substanzen, die behandelt werden, in der Aufschlämmung vorhanden sind und das Gas dazu verwendet wird, die Teilchen aus der Aufschlämmung zu flotieren.
Eine mit einer Rühreinrichtung versehene Flotationszelle ist so aufgebaut, daß eine Aufschlämmung oder Suspension verarbeitet werden kann. Die Kapazität der Zelle wird gemessen als Volumen der behandelten Aufschlämmung in einer gegebenen Zeit, und die Effizienz wird gemessen als Massenbruch des gewünschten abgetrennten Minerals bezogen auf den Massenbruch in der eintretenden Aufschlämmung oder Suspension. Normalerweise ist eine Zahl von Stufen erforderlich einschließlich einer Stufe der Rohbearbeitung, um eine nicht reaktive Abtrennung bewirken.
Im Gegensatz dazu ist eine Vorrichtung, die eine Komponente aus einem Gasstrom durch chemische Reaktion oder physikalische Abtrennung entfernt, wie dies bei der Vorrichtung 10 der Fall ist, so aufgebaut, daß damit ein Gasstrom verarbeitet und behandelt werden kann. Die Kapazität wird gemessen als Volumen des Gasdurchlaufs, und die Effizienz wird gemessen in Bezug auf die relative Entfernung (Abtrennung), verglichen mit der gewünschten Entfernung (Abtrennung). Normalerweise ist nur ein Abtrennschritt erforderlich.
Außerdem ist eine mit einer Rühreinrichtung versehene Flotationszelle so aufgebaut, daß eine Vielzahl kleiner Luftblasen gebildet werden, die gleichmäßig mittels eines Mantels verteilt werden, um einen guten Kontakt zwischen den Gasblasen und den gewünschten Mineralien-Teilchen sicherzustellen. Normalerweise findet in der Zelle keine chemische Reaktion statt. Es können jedoch oberflächenaktive Mittel zugesetzt werden, um die Flotierbarkeit des Konzentrats zu verändern.
Im Gegensatz dazu sind in einem chemischen Reaktor wie in der Vorrichtung 10 die Chemie des In-Kontakt-Bringens und der Umsetzung von höchster Wichtigkeit und beeinflussen unmittelbar die Effizienz der Einheit. Ein wirksames In-Kontakt-Bringen zwischen Gasphase und flüssiger Phase wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Bewirken eines chemischen und physikalischen Abtrenn-Vorgangs dadurch erreicht, daß man das Flügelrad mit Geschwindigkeiten rotieren läßt, die deutlich über denen liegen, die bei einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle angewendet werden. Der Reaktor 10 in Form eines H&sub2;S-Reaktors wendet eine chemische Reaktion an, in der Schwefelwasserstoff (Hydrogensulfid) mittels eines Katalysators durch Sauerstoff oxidiert wird. Die Flotation von Schwefel ist ein sehr signifikanter zusätzlicher Nutzen beim Betrieb des Reaktors, ist jedoch kein vordringliches Kriterium für dessen Aufbau.
In einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle ist das Flügelrad klein, bezogen auf die Größe der Flotationszelle, da sein Zweck ist, eine Vielzahl kleiner Blasen zu erzeugen, und nicht, ein wirksames In-Kontakt-Bringen von Gas und Flüssigkeit zu fördern. Der Mantel ist in der Weise aufgebaut, daß er relativ wenige große Öffnungen enthält, um die kleinen Blasen gleichmäßig in der Zelle zu verteilen und einen guten Kontakt zwischen den Blasen und der gewünschten Kontaktphase sicherzustellen. Die Größe der Blasen wird in einem relativ schmalen Bereich gehalten, um eine große Oberfläche für einen Kontakt des Gases mit dem Feststoff, nicht für einen Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit, sicherzustellen, und die Blasen sind im Bereich des Gesamtvolumens der Zelle aktiv. In dem Maße, wie die Größe der Zellen ansteigt, steigt der Mengenanteil an Flüssigkeit an, der durch den Mantel gepumpt wird, und das Moment der Flüssigkeit trägt die für die Flotation erforderlichen Blasen zu den Außenbereichen der Zelle.
Im Gegensatz dazu kann in der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Einrichtung zum Kontakt von Gas und Flüssigkeit das Flügelrad bezogen auf die Größe des Reaktors größer sein, und sein Aufbau kann verändert werden, um die Wirksamkeit des In-Kontakt- Bringens von Gas und Flüssigkeit zu erhöhen. Das meiste des Ablaufs des chemischen oder physikalischen Verfahrens erfolgt sehr nahe bei dem Flügelrad, so daß die wirksame Zone ein viel kleinerer Teilbereich des Zellvolumens ist als im Fall einer Flotation, bei der eine Abtrennung in der Masse erforderlich ist. Der Mantel ist so aufgebaut, daß er eine große Zahl kleinerer Öffnungen aufweist, die üblicherweise scharfe Kanten haben, d.h. die Oberflächen in einem spitzen Winkel schneiden, um ein sekundäre In-Kontakt-Kommen zu fördern, bei dem ein Scheren des Gases die Wirksamkeit der Reaktion weiter verbessert.
In der Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung sind die Gaseinlässe und -auslässe viel größer als bei herkömmlichen Flotationszellen, um diese an einen verstärkten Gasstrom anzupassen.
In ähnlicher Weise sind die Flüssigkeitseinlässe und -auslässe ausreichend groß für die Zwecke des Befüllens und Entleerens des Gefäßes, nicht jedoch für den kontinuierlichen Strom einer Aufschlämmung wie im Fall einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle.
Der Reaktor 10, der in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde und nützlich für chemische und physikalische Verfahren zur Abtrennung einer Komponente aus einem Gasstrom wie beispielsweise die oxidative Entfernung von Schwefelwasserstoff ist, umfaßt ein geschlossenes Gehäuse 12 mit einem Standrohr 14, das sich von außen auf die obere Wandung 16 des Gehäuses 12 hinab in das Gehäuse 12 hinein erstreckt. Einlaß-Leitungen 18, 20 stehen mit dem Standrohr 14 über einen Einlaßverteiler an dessen oberem Ende zur Zufuhr eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms und zur Zufuhr von Luft zu dem Reaktor 10 in Verbindung.
Die Einlaßleitungen 18, 20 weisen Einlaßöffnungen 22, 24 auf, durch die das Gas strömt. Die Öffnungen sind so aufgebaut, daß sie nur einen geringen Druckabfall bewirken.
Allgemein kann die Strömungsgeschwindigkeit von Gasströmen in einem Bereich von einem sehr kleinen Wert von beispielsweise 50 ft³/min (1,4 m³/min) bis hinauf zu über 500 ft³/min (14 m³/min) liegen, obwohl auch viel höhere und niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten zur Anwendung kommen können. Dies hängt von der beabsichtigten Anwendung des Verfahrens ab. Der Druckabfall im Bereich der Einheit kann sehr niedrig sein und von -5 bis + 10 in H&sub2;O (-1,25 bis 2,5 kPa), vorzugsweise von 0 bis weniger als 5 in H&sub2;O (0 bis 1,25 kPa) schwanken. Bei größeren Einheiten, bei denen ein Ventilator oder Gebläse zur Unterstützung der Gasströmungsgeschwindigkeit zu dem Flügelrad zur Anwendung kommt, kann der Druckabfall größer sein.
Eine Well 26 erstreckt sich durch das Standrohr 14, und ein Flügelrad 28 ist an ihrem unteren Ende gerade unterhalb des untersten Abschnitts des Standrohrs 14 angebracht. Ein Antriebsmotor 30 ist daran angebracht, um die Welle 26 anzutreiben. Obwohl in den Zeichnungen eine Vorrichtung 10 mit einem einzelnen Flügelrad 28 veranschaulicht ist, ist es möglich, mehr als ein Flügelrad vorzusehen, und damit mehr als einen Ort einer Oxidationsreaktion (oder eines anderen chemischen oder physikalischen Verfahrensschrittes) in demselben abgeschlossenen Tank. Die Gasströmungsgeschwindigkeit zu dem oben angesprochenen Reaktor stellt die Strömungsgeschwindigkeit pro Flügelrad dar.
Das Flügelrad 28 umfaßt eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Flügelblättern 32. Die Anzahl solcher Flügelblätter kann variieren, und es werden allgemein wenigstens vier Flügelblätter eingesetzt, wobei die einzelnen Flügelblätter im gleichen Winkel voneinander entfernt angeordnet sind. Das Flügelrad wird in der Weise veranschaulicht, daß sich die Flügelblätter 32 vertikal erstrecken. Es sind jedoch auch andere Orientierungen der Flügelblütter 32 möglich.
Allgemein hat das Standrohr 14 eine Durchmesser-Dimension, die auf den Durchmesser des Flügelrads 28 bezogen ist. Das Verhältnis des Durchmessers des Standrohrs 14 zu dem des Flügelrads 28 kann im allgemeinen von einem Wen 1:1 bis zu einem Wert 2:1 schwanken. Das Verhältnis kann jedoch kleiner sein, wenn das Flügelrad unterhalb des Standrohrs montiert ist. Das Flügelrad 28 weist im allgemeinen eine Höhe auf, die zu seinem Durchmesser in einem ungefähren Verhältnis von 1:1 steht, doch kann das Verhältnis allgemein von 0,3:1 bis 3:1 schwanken. In dem Maße, wie das Gas durch das Standrohr 14 durch die Wirkung der Rotation des Flügelrads 28 heruntergezogen wird und die flüssige Phase in das Flügelrad gezogen wird, erzeugt die Wirkung des Gases und die Flüssigkeitsströme und die rotierende Bewegung eine Durchwirbelung der flüssigen Phase im oberen Bereich des Flügelrades 28.
Das Verhältnis der vorstehenden Querschnittsfläche des mit dem Mantel umgebenen Flügelrads 28 zur Querschnittsfläche der Zelle kann in weiten Grenzen schwanken und ist oft niedriger, kann jedoch auch höher sein als in einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle, da die Reaktion auf ein kleines Volumen des Reaktionsmediums beschränkt ist und bestimmt wird durch den letztlichen Gebrauch, in den die Vorrichtung 10 genommen wird. Das Verhältnis kann einen so kleinen Wert wie 1:2 aufweisen. In dem Fall jedoch, in dem eine weitere Verarbeitung des Produkts in wirksamer Weise durchgeführt werden soll, wie beispielsweise die Flotation von Schwefel, ist das Verhältnis im allgemeinen höher.
Eine weitere Funktion des Flügelrades 28 besteht darin, die zugeführten Gase in Form kleiner Blasen zu verteilen. Dieses Ergebnis wird erreicht durch Rotation des Flügelrads 28, was zu einer Scherung von Flüssigkeit und Gasen unter Bildung feiner Blasen führt, die eine Größe aufweisen, die nicht höher ist als ¼ in (6,5 mm). Ein kritischer Parameter bei der Bestimmung einer adäquaten Scherung ist die Geschwindigkeit der Außenspitze der Flügelblätter 32. Eine Geschwindigkeit der Flügelblätter von wenigstens 350 in/s (900 cm/s) ist erforderlich, um eine wirksame (d.h. 99,99 % oder höher) Abtrennung von Schwefelwasserstoff zu erreichen, vorzugsweise eine Geschwindigkeit von 500 bis 700 in/s (1300 bis 1800 cm/s). Diese Geschwindigkeit der Spitzen der Flügelblätter ist viel höher als die Geschwindigkeit, die typischerweise in einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle zur Anwendung kommt, in der die Geschwindigkeit etwa 275 in/s (700 cm/s) beträgt.
Das Flügelrad 28 ist von einem zylindrischen, stationär angeordneten Mantel 34 umgeben, der eine einheitliche Anordnung von kreisförmigen Öffnungen 36 durch seine Wandung hindurch aufweist. Der Mantel 34 hat im allgemeinen einen Durchmesser, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Standrohrs 14. Obwohl in der veranschaulichten Ausführungsform der Mantel 34 genau zylindrisch ist und der Mantel stationär angeordnet ist, ist es auch möglich, daß der Mantel 34 andere Formen aufweist. Beispielsweise kann der Mantel 34 konisch geformt sein, wobei dann auch das Flügelrad 28 gegebenenfalls konisch geformt ist. Außerdem kann der Mantel 34 auch in Rotation versetzt werden, wenn dies erwünscht ist, üblicherweise in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Flügelrads 28 ist.
Außerdem sind die Öffnungen 36 in dem Mantel so veranschaulicht, daß sie kreisförmig sind, da diese Struktur sehr bequem ist. Es ist jedoch auch möglich, daß die Öffnungen andere geometrische Formen aufweisen, beispielsweise quadratisch, rechtwinklig oder sechseckig sind. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß alle Öffnungen 36 dieselbe Form oder Größe aufweisen.
Der Mantel 34 dient in der Vorrichtung mehreren Funktionen. So verhindert der Mantel 34, daß Gase an dem Flügelrad 28 vorbeiströmen, unterstützt die Bildung der Wirbelströmung in der Flüssigkeit, die für die Zufuhr von Gas erforderlich ist, unterstützt die Erzeugung einer Scherung und hält die von dem Flügelrad 28 erzeugte Turbulenz aufrecht. Die Wirkung der Kombination aus Flügelrad und Mantel kann verstärkt werden durch den Einsatz einer Reihe länglicher Ablenkbleche, die an der Innenwandung des Mantels 34 vorgesehen sind und sich vorzugsweise vertikal vom unteren Ende zum oberen Ende der Öffnungen in dem Mantel erstrecken.
Der Mantel 34 ist in einem nur geringen Abstand von dem äußersten Teil der Flügelblätter 30 des Flügelrades angebracht, um zu den oben beschriebenen Funktionen zu führen. Allgemein ist das Verhältnis des Durchmessers des Mantels 34 zu dem des Flügelrades 28 2:1 bis 1,2:1, vorzugsweise etwa 1,5:1.
Im Gegensatz zu dem Mantel in einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle ist die Zahl der Öffnungen 36 allgemein größer, und ihr Durchmesser ist kleiner, um eine größere Fläche zur Scherung zur Verfügung zu stellen, obwohl eine äquivalente Wirkung auch durch Verwendung von Öffnungen mit einem großen Wert des Verhältnisses der Seiten erreicht werden kann, wie beispielsweise durch die Verwendung von Schlitzen. Wenn die beschriebenen kreisförmigen Öffnungen Anwendung finden, sind die Öffnungen 36 allgemein gleichmäßig über die Wandung des Mantels 34 verteilt und haben üblicherweise gleiche Größe. Der Äquivalenzdurchmesser der Öffnungen 36 ist oft geringer als 1 in (2,5 cm) und sollte im allgemeinen so klein sein, wie es ohne ein Verstopfen möglich ist, vorzugsweise 3/8 bis 5/8 in (1 bis 1,6 cm) im Durchmesser, um für den erforderlichen Gasstrom durch diese Öffnungen zu sorgen. Wenn die Öffnungen 36 eine nicht kreisförmige, geometrische Form aufweisen und ein Verhältnis Länge/Breite aufweisen, das nahe dem Wert 1 ist, dann ist die Fläche jeder derartigen Öffnung 36 im allgemeinen geringer als die Fläche einer kreisförmigen Öffnung mit einem Äquivalenzdurchmesser von 1 in (2,5 cm), vorzugsweise 3/8 bis 5/8 in (1 bis 1,6 cm). Die Öffnungen haben scharfe Kanten, um eine Scherung zu fördern.
Die Öffnungen 36 sind so dimensioniert, daß sie eine Gasströmungsgeschwindigkeit durch diese Öffnungen ermöglichen, die einem Wert von weniger als 0,02 lb (9 g)/min/Mantelöffnung entspricht, im allgemeinen bis hinab zu 0,004 lb (1,8 g)/min/Mantelöffnung. Wie bereits früher angemerkt, kann die Gasströmungsgeschwindigkeit bei oder nahe der oberen Grenze der Kapazität der Einheit höher sein. Vorzugsweise ist die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Öffnungen im Mantel 0,005 bis 0,007 lb (2,3 bis 3,2 g)/min/Öffnung in dem Mantel. Wie oben angemerkt, ist allgemein der Gasgeschwindigkeitsindex wenigstens 18 pro Sekunde je Öffnung in dem Mantel, vorzugsweise wenigstens 24 pro Sekunde je Öffnung, und noch mehr bevorzugt wenigstens 30 pro Sekunde pro Öffnung.
Als typisches Beispiel können in einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle 48 kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 1,25 in (3,2 cm) bei einer Umfangslänge von 188 in (478 cm) zur Anwendung kommen, während bei einer Einheit mit derselben Größe, die als Reaktor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, 670 kreisförmige Öffnungen mit je einem Durchmesser von 3/8 in (1 cm) bei einer Gesamtumfangslänge von 789 in (20,04 m) zur Anwendung kommen. Außerdem ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Gasströmung durch die Öffnungen typischerweise 0,007 lb (3,2 g)/min/Öffnung (entsprechend einem Gasgeschwindigkeitsindex von 65 pro Sekunde je Öffnung) in dem Mantel, während in einer herkömmlichen, mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle derselben Größe der Einheit derselbe Parameter 0,03 lb (14 g)/min/Öffnung (bei einem Gasgeschwindigkeitsindex von weniger als 10 pro Sekunde je Öffnung) in dem Mantel ist. Wie aus diesem typischen Vergleich ersichtlich ist, sind die physikalischen Dimensionen der Öffnungen und der Gasströmung in der Vorrichtung zum Kontakt eines Gases mit einer Flüssigkeit gemäß der Erfindung signifikant verschieden von den entsprechenden Werten in einer mit einer Rühreinrichtung versehenen Flotationszelle.
Der Abstand zwischen Öffnungen wird weitgehend diktiert durch Betrachtungen im Zusammenhang mit der Angemessenheit und Strukturfestigkeit und der gewünschten Zustrom-Menge von Flüssigkeit und Gas. Im allgemeinen ist jede kreisförmige Öffnung um den Wert von 0,25 bis 0,75 des Durchmessers der Öffnung von jeder anderen Öffnung entfernt, typischerweise um den Wert von 0,5 des Durchmessers jeder Öffnung, obwohl auch andere Anordnungen möglich sind. Allgemein ist die Mehrzahl der Öffnungen bei einer Dichte von weniger als 2 pro in² (20 pro m²) in regelmäßiger Anordnung angeordnet.
Der Mantel 34 ist so veranschaulicht, daß er sich um die Höhe des Flügelrads 28 nach unten erstreckt. Es ist jedoch möglich, daß sich der Mantel 34 bis zu einem Bereich unterhalb der Höhe des Flügelrades 28 oder auch um einen Bereich nach unten erstreckt, der geringer ist als dessen Gesamthöhe, wenn dies erwünscht ist.
Außerdem ist in der veranschaulichten Ausführungsform das Flügelrad 28 in einer Entfernung von der unteren Wandung des Reaktors 10 angeordnet, die etwa der Hälfte des Durchmessers des Flügelrads 28 entspricht. Es ist möglich, daß diese Abstandsangabe von nicht weniger als 0,25:1 bis 1:1 oder mehr des Wertes des Durchmessers des Flügelrads schwankt. Dieser Abstand des Flügelrads 28 von der unteren Wandung ermöglicht, daß flüssige Phase in den Bereich zwischen dem Flügelrad 28 und dem Mantel 34 von der in dem Reaktor vorhandenen Masse gezogen wird.
Dadurch, daß man die Gase in Form kleiner Bläschen verteilt und eine Scherung der Blasen in Kontakt mit der Eisenchelat-Lösung bewirkt, erfolgt ein schneller Massentransfer, und der Schwefelwasserstoff wird schnell zu Schwefel oxidiert. Die Reaktion erfolgt in weitem Umfang in dem Bereich des Flügelrads 28 und des Mantels 34 und führt zur Bildung von Schwefel und von an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen.
Die Schwefelteilchen bleiben anfänglich in dem turbulenten Reaktionsmedium suspendiert, wachsen jedoch im Körper des Reaktionsmediums zu einer Größe, die es erlaubt, daß sie durch die an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen aufflotiert werden. Wenn die Schwefelteilchen eine Größe im Bereich von 10 bis 50 um, angegeben als Durchmesser, erreicht haben, besitzen sie eine ausreichende Trägheit, um die Grenzschicht der Gasbläschen zu durchdringen, was es möglich macht, daß sie durch die nach oben strömenden, an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen aufflotiert werden.
Andere übelriechende Komponenten des Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, wie beispielsweise Mercaptane, Disulfide und übelriechende, Stickstoff enthaltende Verbindungen wie beispielsweise Putrescene und Cadaversene können ebenfalls durch Adsorption an den Schwefelteilchen entfernt werden.
An der Oberfläche des wäßrigen Reaktionsmediums sammelt sich der aufflotierte Schwefel als Schaum 38, und die an Schwefelwasserstoff verarmten Gasblasen treten in die Atmosphäre 40 des Gasraums oberhalb des Reaktionsmediums 42 ein. Die Gegenwart des Schaums 38 führt dazu, däß sie ein Mitreißen eines Aerosols des Reaktionsmediums in die Atmosphäre 40 verhindert.
Ein Auslaß 44 für das Abströmen des an Schwefelwasserstoff verarmten Gases wird im oberen Abschluß 16 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß der behandelte Gasstrom aus dem Reaktionsgefäß 12 abströmen kann.
Ein geeignet großer Freiraum oberhalb des Flüssigkeitsniveaus in dem Reaktionsgefäß wird vorgesehen, der größer ist als die Dicke des mit Schwefel beladenen Schaums 38, um darüberhinaus ein Mitreißen eines Aerosols zu inhibieren.
Schaufelräder 46 werden in der Nähe der Kanten des Gefäßes 12 in betriebsfähiger Anordnung zu dem mit Schwefel beladenen Schaum 38 vorgesehen, um den mit Schwefel beladenen Schaum von der Oberfläche des Reaktionsmediums 42 in Auffang-Schwemmrinnen 48 abzuschöpfen, die an jeder Seite des Gefäßes 12 vorgesehen sind. Der abgeschöpfte Schwefel wird periodisch oder kontinuierlich von den Schwemmrinnen 48 entfernt und einer weiteren Bearbeitung zugeführt.
Der Schwefel wird in Form eines Schaums erhalten, der 15 bis 50 Gew-% Schwefel im Reaktionsmedium enthält. Da der Schwefel in Form von Teilchen relativ kleiner Teilchengröße vorliegt, läßt sich der Schwefel einfach von dem mitgerissenen Reaktionsmedium trennen, das dem Reaktor 10 wieder zugeführt wird.
Die Vorrichtung 10 zum In-Kontakt-Bringen eines Gases mit einer Flüssigkeit stellt eine sehr kompakte Einheit dar, mit der eine schnelle und wirksame Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus Gasströmen, die diesen enthalten, möglich ist. Derartige Gasströme können einen breiten Konzentrationsbereich an Schwefelwasserstoff aufweisen.
Die kompakte Natur der Einheit führt zu guter Wirtschaftlichkeit, und zwar sowohl in bezug auf die Kapitalkosten als auch in bezug auf die Betriebskosten, verglichen mit herkömmlichen Systemen zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff.
Es wurde bereits früher in der US-A 3,993,563 eine Vorrichtung zur Aufnahme und zum Mischen eines Gases beschrieben, die von demselben allgemeinen Typ ist, wie er in der vorliegenden Beschreibung beschrieben ist. In der Druckschrift ist angegeben, daß es bei der darin beschriebenen Vorrichtung dann, wenn die Geschwindigkeit des Rotors mit dem Ziel erhöht wird, eine größere Vermischungswirkung des Gases mit der Flüssigkeit zu erhalten, nötig ist, eine Ablenkplatte (baffle) in dem Standrohr zu verwenden, um eine zufriedenstellende Einbringung des Gases zu erreichen. Es ergibt sich offensichtlich aus der obigen Beschreibung, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine derartige Ablenkplatte nicht erforderlich ist.
Jedoch kann es bei Einheiten größerer Ausmaße, die zur Verarbeitung großer Gasvolumina vorgesehen sind, wünschenswert sein, eine konisch ausgebildete, perforierte Kappenstruktur oberhalb der Flügelrad-Mantel-Kombination vorzusehen, um die Oberfläche des flüssigen Mediums in dem Gefäß zu beruhigen.

Beispiele

Beispiel 1

Eine als Pilotanlage vorgesehene Vorrichtung wurde in der Weise konstruiert, wie dies schematisch in Figur 1 gezeigt ist. Diese Vorrichtung wurde im Hinblick auf die Effizienz der Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus einem dieses Gas enthaltenden Gasstrom getestet.
Die Gesamt-Flüssigkeitskapazität des Tanks betrug 135 l. Das Standrohr hatte einen Innendurchmesser von 7 ½ in (19 cm), und das Flügelrad bestand aus sechs Flügelblättern und hatte einen Durchmesser von 5 ½ in (14 cm) und eine Höhe von 6 ¼ in (16cm). Es war 2 ¼ in (6 cm) oberhalb des Bodens des Tanks angeordnet.
Die Pilotanlagen-Vorrichtung, die mit einer Standardkombination aus Mantel und Flügelrad zur Schaumflotation ausgestattet war, wurde mit 110 l einer wäßrigen Lösung befüllt, die 0,016 Mol/l Ethylendiamintetraessigsäure-Eisen-Ammonium-Komplex und 0,05 Mol/l Natriumhydrogencarbonat enthielt. Der pH-Wert der wäßrigen Lösung betrug 8,5. Der Mantel bestand aus einem stationär angeordneten Zylinder mit einem Außendurchmesser von 12 in (30 cm), einer Höhe von 5 3/4 in (15 cm) und einer Dicke von 3/4 in (2 cm). In dem Mantel waren 48 kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von je 1,25 in (3 cm) bei einer Gesamt-Umfangslänge von 188 in (477 cm) gebildet.
Luft mit einem Gehalt von 4000 ppm (bezogen auf das Volumen) Schwefelwasserstoff wurde über das Standrohr mit einer Geschwindigkeit von 835 l/min bei Raumtemperatur durch die Apparatur geleitet, während sich das Flügelrad in dem wäßrigen Medium mit einer Geschwindigkeit von 733 Upm drehte, was einer Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblatts von etwa 211 in/s (535 cm/s) entsprach. Der Gasgeschwindigkeitsindex durch die Öffnungen im Mantel betrug 11,7 pro Sekunde je Öffnung in dem Mantel. (Die Gas- Strömungsgeschwindigkeit betrug 0,05 lb (23 g)/min/Öffnung).
Während der über 1 ½ h laufenden Testzeit wurden 99,5 % des Schwefelwasserstoffs aus dem Gasstrom abgetrennt, wobei eine Restmenge an H&sub2;S in dem Gasstrom von 20 ppm zurückblieb. Schwefel wurde gebildet und erschien als Schaum auf der Oberfläche der wäßrigen Lösung. Dieser wurde unter Verwendung der Schaufelräder abgeschöpft. So wurde eine gleichzeitige Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus dem Gasstrom und Gewinnung des dadurch erzeugten Schwefels bewirkt.
Während der Testdauer fiel der pH-Wert der wäßrigen Lösung auf 8,3 ab. Während dieses Zeitraums wurde jedoch kein zusätzliches Alkali zugesetzt. Außerdem wurde während der Dauer des Tests kein weiterer Katalysator zugesetzt.

Beispiel 2

Die Verfahrensweise von Beispiel 1 wurde wiederholt, und zwar bei einer erhöhten Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrads und einer höheren Gas-Strömungsgeschwindigkeit.
Luft mit einem Gehalt an 4000 ppm (bezogen auf das Volumen) an Schwefelwasserstoff wurde durch die Vorrichtung über das Standrohr mit einer Geschwindigkeit von 995 l/min bei Raumtemperatur geleitet, während sich das Flügelrad in dem wäßrigen Medium mit einer Geschwindigkeit von 1772 Upm drehte, entsprechend einer Geschwindigkeit der Spitze eines Flügetblattes von 510 in/s (13 m/s). Der Gasgeschwindigkeitsindex durch die Öffnungen im Mantel betrug 13,7 pro Sekunde je Öffnung in dem Mantel. (Die Gasströmungsgeschwindigkeit betrug 0,06 lb (27 g)/min/Öffnung). Im Verlauf der zwei Stunden dauernden Testperiode wurde 99,7 % des Schwefelwasserstoffs aus dem Gasstrom abgetrennt, und es blieb eine Restmenge an H&sub2;S von 11 ppm zurück. Schwefel wurde gebildet und erschien als Schaum auf der Oberfläche der wäßrigen Lösung. Dieser wurde von der Oberfläche abgeschöpft. So wurde eine gleichzeitige Abtrennung von Schwefelwasserstoff aus dem Gasstrom und eine Gewinnung des dadurch erzeugten Schwefels bewirkt.
Während der Testdauer fiel der pH-Wert der wäßrigen Lösung auf 8,3 ab. Es wurde jedoch kein zusätzliches Alkali während dieser Zeit zugesetzt. Außerdem wurde während der Dauer des Tests kein zusätzlicher Katalysator zugesetzt.

Beispiel 3

Die Pilotanlagen-Vorrichtung wurde modifiziert und mit einer Mantel-Flügelrad-Kombination versehen, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. Diese Vorrichtung wurde mit 110 l einer wäßrigen Lösung befüllt, die 0,016 Mol/l Ethylendiamintetraessigsäure-Eisen-Ammonium-Komplex und 0,05 Mol/l Natriumhydrogencarbonat enthielt. Der pH-Wert der wäßrigen Lösung betrug 8,5. Der Mantel bestand aus einem stationären Zylinder mit einem Außendurchmesser von 12 3/4 in (32 cm), einer Höhe von 8 ½ in (22 cm) und einer Dicke von ½ in (1,25 cm). In diesem waren 670 Öffnungen mit einem Durchmesser von je 3/8 in (1 cm) auf einer Gesamtumfangslänge von 789 in (20,04 m) gebildet. Vertikale Ablenkplatten (baffles), die sich vertikal vom oberen zum unteren Ende des Mantels erstreckten, wurden auf der Innenwand vorgesehen und waren in gleicher Weise gebogen im Abstand voneinander angeordnet. Ihre Zahl betrug 10, und sie hatten einen Querschnitt von ¼ in (6 mm) x ¼ in (6 mm). Das Flügelrad wurde durch ein Flügelrad mit einem Durchmesser von 6 ½ in (17 cm) ersetzt. Die anderen Größendimensionen blieben die gieichen.
Luft mit einem Gehalt von 4000 ppm (bezogen auf das Volumen) Schwefelwasserstoff wurde durch die Vorrichtung über das Standrohr mit einer Geschwindigkeit von 995 l/min bei Raumtemperatur geleitet, während sich das Flügelrad in dem wäßrigen Medium mit einer Geschwindigkeit von 1754 Upm drehte. Dies entsprach einer Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblattes von 597 in/s (15,16 m/s). Der Gasgeschwindigkeitsindex durch den Mantel betrug 36,3 pro Sekunde je Öffnung. (Die Gasströmungsgeschwindigkeit war 0,004 lb (1,8 g)/min/Öffnung).
Im Verlauf der zweistündigen Testdauer wurden 99,998 % des Schwefelwasserstoffs aus dem Gasstrom abgetrennt, wobei eine Restmenge an H&sub2;S von weniger als 0,1 ppm zurückblieb. Schwefel wurde gebildet und erschien als Schaum auf der Oberfläche der wäßrigen Lösung. Dieser wurde von der Oberfläche abgeschöpft. So wurde eine gleichzeitige Abtrennung des Schwefelwasserstoffs aus dem Gasstrom und eine Gewinnung des dadurch erzeugten Schwefels bewirkt.
Während der Testdauer blieb der pH-Wert der wäßrigen Lösung relativ konstant bei 8,5. Es wurde kein zusätzliches Alkali oder kein zusätzlicher Katalysator während der Dauer dieses Tests zugesetzt.
Wie aus einem Vergleich der Ergebnisse ersichtlich ist, die in den Beispielen 1, 2 und 3 präsentiert wurden, ist es möglich, Schwefelwasserstoff mit einer Effizienz von über 99 % abzutrennen, wenn man eine mit einer Rühreinrichtung versehene Flotationszelle verwendet, die mit einer herkömmlichen Konstruktion aus Mantel und Flügelrad versehen ist (Beispiele 1 und 2), wie sie bereits in der CA-A 1,212,819 beschrieben wurde. Wenn man jedoch mit einer höheren Geschwindigkeit der Spitze des Flügelblattes arbeitet, wie dies in Beispiel 2 geschehen ist, kann eine mäßige Steigerung der Effizienz erreicht werden.
Wie jedoch aus Beispiel 3 ersichtlich ist, können mit einem Mantel, der in der Weise modifiziert ist, wie dies in Beispiel 3 gezeigt ist, unter Erreichen der kritischen Gasströmungsgeschwindigkeit und unter Anwendung einer kritischen Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblattes Werte der Effizienz über 99,99 % erreicht werden, wobei im wesentlichen kein restlicher Schwefelwasserstoff in dem Gasstrom zurückbleibt.

Beispiel 4

Die Pilotanlagen-Vorrichtung von Figur 1 wurde im Hinblick auf die Effizienz einer Abtrennung von Schwefeldioxid aus einem dieses Gas enthaltenden Gasstrom getestet. Die Elemente der Pilotanlagen-Vorrichtung waren so dimensioniert, wie dies in Beispiel 3 beschrieben ist.
Die Pilotanlagen-Vorrichtung wurde mit 110 l einer wäßrigen Aufschlämmung befüllt, die 13.2 kg CaO und 3450 g MgSO&sub4; 7H&sub2;O enthielt. Luft, die schwankende Mengen an Schwefeldioxid enthielt, wurde durch die Vorrichtung über das Standrohr bei schwankenden Strömungsgeschwindigkeiten bei Raumtemperatur durchgeleitet, während sich das Flügelblatt in der wäßrigen Aufschlämmung mit einer Geschwindigkeit drehte, die von 1760 bis 1770 Upm schwankte. Dies entsprach einer Geschwindigkeit der Flügelblatt-Spitze von 599 bis 602 in/s (15,21 bis 15,29 m/s). Die entsprechenden Gasgeschwindigkeitsindices durch den Mantel lagen zwischen 31,1 und 124,5 pro Sekunde je Öffnung. (Die Gasströmungsgeschwindigkeiten betrugen 0,003 bis 0,01 lb (1,4 bis 4,5 g)/min/Öffnung).
Eine Reihe von 1 h dauernden Durchläufen wurde durchgeführt, und die Restkonzentration an SO&sub2; wurde nach 45 min gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I aufgezeigt. Tabelle I Gasströmungsgeschwindigkeit (cfm) (m³/min) SO&sub2;-Konzentration (ppm, volumenbezogen) Umdrehungen pro Minute Einlauf *(1) Auslauf *(2) Anmerkungen: *(1) Konzentrationswerte schwanken um etwa ± 10 % * (2) Konzentrationswerte schwanken um etwa ± 0,2 ppm, bezogen auf das Volumen.
Wie aus diesen Zahlenwerten ersichtlich ist, wurde eine in hohem Maße effiziente Abtrennung (> 99,99 %) des Schwefeldioxids aus dem Gasstrom unter Verwendung einer Kalk-Aufschlämmung erreicht, und zwar selbst bei hohen Schwefeldioxid-Konzentrationen. Eine weniger effiziente Abtrennung wurde nur bei hoher Gasströmungsgeschwindigkeit beobachtet.

Beispiel 5

Die Verfahrensweise von Beispiel 4 wurde unter Verwendung von 110 1 einer wäßrigen Aufschlämmung aus 13,2 kg Calciumcarbonat und 3450 g MgSO&sub4; 7H&sub2;O wiederholt. In diesen Experimenten ließ man das Flügelblatt mit einer Geschwindigkeit von 1770 bis 1775 Upm rotieren, was einer Geschwindigkeit der Spitze eines Flügelblatts von 602 bis 604 in/s (15,29 bis 15,34 m/s) entsprach. Der entsprechende Gasgeschwindigkeitsindex durch den Mantel betrug 31,1 bis 103,8 pro Sekunde je Öffnung. (Die Gasströmungsgeschwindigkeiten lagen bei 0,003 bis 0,01 lb (1,4 bis 4,59 g)/min/Öffnung).
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II gezeigt. Tabelle II Gasströmungsgeschwindigkeit (cfm) (m³/min) SO&sub2;-Konzentration (ppm, volumenbezogen) Umdrehungen pro Minute Einlauf *(1) Auslauf *(2) Anmerkungen: *(1) Konzentrationswerte schwanken um etwa ± 10 % *(2) Konzentrationswerte schwanken um etwa ± 0,2 ppm, bezogen auf das Volumen, mit Ausnahme des letzten Durchlaufs, wo sie etwa ± 1 ppm, bezogen auf das Volumen, betragen.
Wie aus diesen Zahlenwerten ersichtlich ist, wurde eine im hohen Maße effiziente Abtrennung (> 99,99 %) unter Verwendung einer Kalkstein-Aufschlämmung erreicht, und zwar selbst bei hohen Schwefeldioxidkonzentrationen. Eine weniger effiziente Abtrennung wurde nur bei hohen Gasströmungsgeschwindigkeiten beobachtet.

Claims

1. Verfahren zur Abtrennung eines Bestandteils aus einem Gasstrom, der denselben enthält, in ein flüssiges Medium, umfassend:

Einleiten des Gasstroms in eine abgeschlossene Gas- Flüssigkeit-Kontaktzone, in der sich das flüssige Medium befindet,

ein Flügelrad mit einer Anzahl von Flügelblättern um eine allgemein vertikale Achse mit einer Blattspitzengeschwindigkeit von wenigstens 900 cm/sec (350 Zoll/sec) in dem flüssigen Medium an einer untergetauchten Stelle rotieren lassen, um eine Strömung des Gasstroms längs eines allgemein vertikalen Strömungsweges von außen zur Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone zu der untergetauchten Stelle zu bewirken,

wobei das Flügelrad mit einem Mantel umgeben ist, in dem eine Anzahl Öffnungen ausgebildet ist und ausreichend Scherkräfte zwischen den Flügelblättern und der Anzahl Öffnungen erzeugt werden, um den Gasstrom als feine Gasblasen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 6,5 mm (¼ Zoll) zu verteilen und um einen engen Kontakt des Bestandteils und des flüssigen Mediums an der untergetauchten Stelle zu bewirken, um so ein Abtrennen des Bestandteils aus dem Gasstrom in das flüssige Medium zu erzielen,

Zulassen von Strömung von Materialien aus dem Inneren des Mantels durch dessen Öffnungen in den außerhalb des Mantels befindlichen Flüssigkeitskörper mit einem Gasgeschwindigkeitsindex (bei etwa atmosphärischem Druck) von wenigstens 18 je Sekunde je Öffnung im Mantel, wobei der Gasgeschwindigkeitsindex das Verhältnis aus der linearen Geschwindigkeit des Gases durch jede Öffnung und dem äquivalenten Durchmesser der Öffnung ist, und wobei jegliche Abtrennung des Bestandteils aus dem Gasstrom, der nicht innerhalb des Mantels erfolgt ist, in der außen an den Mantel angrenzenden Zone zu Ende geführt wird, und

Ableiten eines von seinem Bestandteil befreiten Gasstroms aus einer Gasatmosphäre oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone nach außen aus der eingeschlossenen Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flügelblattgeschwindigkeit 1300 bis 1800 cm/sec (500 bis 700 Zoll/sec) beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Gasgeschwindigkeitsindex wenigstens 24 je Sekunde je Öffnung beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Gasgeschwindigkeitsindex von 30 bis 400 je Sekunde je Öffnung beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jede der Öffnungen kreisrund ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der genannte Bestandteil ein gasförmiger Bestandteil ist und aus dem Gasstrom durch chemische Umwandlung des gasförmigen Bestandteils abgetrennt wird, um eine unlösliche Phase durch ein chemisches Umsetzungsmittel zu bewirken, das sich in der Gas- Flüssigkeits-Kontaktzone befindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die unlösliche Phase durch die Gasblasen, wenn diese von Reaktiongasbestandteilen befreit sind, aufschwimmt und es den befreiten Gasblasen ermöglicht wird durch das flüssige Medium aufzusteigen und die unlösliche Phase auf der Oberfläche des flüssigen Mediums in der Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone aufschwimmen kann.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Bestandteil aus dem Gasstrom durch physikalische Abtrennung in die flüssige Phase abgetrennt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Bestandteil festes teilchenförmiges Material ist und die physikalische Abtrennung durch Auswaschen des teilchenförmigen Materials aus dem Gasstrom erfolgt, das in dem flüssigen Medium aufzulösen oder zu suspendieren ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Bestandteil in Form von Flüssigkeitströpfchen vorliegt und die physikalische Abtrennung durch Auswaschen der Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom bewirkt wird, welche in dem flüssigen Medium aufzulösen oder zu suspendieren sind.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Bestandteil als Feuchtigkeit in dem Gasstrom vorliegt und die physikalische Abtrennung durch Absorbieren der Feuchtigkeit aus dem Gasstrom in ein hydrophiles organisches flüssiges Medium bewirkt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Bestandteil thermische Energie ist und die physikalische Abtrennung durch Wärmetausch mit dem flüssigen Medium bewirkt wird.

13. Vorrichtung mit der Gas und Flüssigkeit miteinander in Kontakt gebracht werden, umfassend:

eine geschlossene Tankeinrichtung (12),

einen Gaseinlaßverteiler (18, 20) zum Zuführen wenigstens eines Gasstroms durch einen Einlaß in einen oberen Abschluß der Tankeinrichtung (12),

ein Standrohreinrichtung (14), die mit dem Einlaß in Verbindung steht und sich vom oberen Abschluß (16) nach unten in die Tankeinrichtung (12) erstreckt,

eine Flügelradeinrichtung (28) umfassend eine Anzahl von Flügelblättern, die beim unteren Ende des Standrohrs (14) angeordnet und an einer Welle (26) zur Drehung um eine allgemein senkrechte Achse befestigt sind,

eine Antriebseinrichtung (30) zum Drehantrieb der Welle,

ein Mantel (34), der das Flügelrad (28) umschließt und eine Anzahl von Öffnungen (36) hat, die sich durch die Wand des Mantels (34) erstrecken,

wobei jede der Öffnungen (36) im Mantel (34) einen äquivalenten Durchmesser von weniger als 2,5 cm (1 Zoll) derart hat, daß das Verhältnis des äquivalenten Durchmessers zum Durchmesser des Flügelrads kleiner als 0,15 ist und der Gasgeschwindigkeitsindex (bei etwa atomosphärischem Druck) wenigstens 18 je Sekunde je Öffnung beträgt, und der Gasgeschwindigkeitsindex das Verhältnis aus der linearen Geschwindigkeit des Gases und dem äquivalenten Durchmesser der Öffnung ist, und

eine Entlüftungseinrichtung (44) für die Tankeinrichtung (12).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem der Mantel (34) einen Durchmesser von 2:1 bis 1,2:1 des Durchmessers des Flügelrads hat.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Flügelrad (28) eine Höhe hat, die dem 0,3:1 bis 3:1-fachen des Durchmessers des Flügelrads (28) entspricht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Flügelrad (28) wenigstens 4 in gleichem Winkelabstand angeordnete Flügelblätter hat und der Mantel einen Durchmesser aufweist, der etwa dem 1,5-fachen dessen des Flügelrads (28) beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das Standrohr (14) einen Durchmesser hat, der dem 1:1 bis 2:1-fachen des Durchmessers des Flügelrads (28) beträgt, und der Mantel (34) einen Durchmesser von nicht weniger als dem des Standrohrs aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das Flügelrad (28) von der Bodenwandung des Behälters (12) wenigstens nur das 0,25-fache des Durchmessers des Flügelrades (28) beabstandet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem jede Öffnung (36) eine kreisförmige Gestalt hat.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Öffnungen (36) einen Abstand vom 0,25 bis 0,75-fachen des Durchmessers der Öffnungen voneinander aufweisen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der die mehreren Öffnungen mit einer Dichte von weniger als 20 je m² (2 je Quadratzoll) gleichmäßig angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei der jede der Öffnungen mit einem äquivalenten Durchmesser von 1 bis 1,6 cm (3/8 bis 5/8 Zoll) dimensioniert ist.