AT336515B

AT336515B - Verfahren zur durchfuhrung von reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten, langgestreckten reaktor bzw. zur begasung von flussigen medien und vorrichtung zur durchfuhrung dieses verfahrens

Info

Publication number: AT336515B
Application number: AT558573A
Authority: AT
Original assignee: Moser Franz Dr Ing
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1973-06-26
Publication date: 1977-05-10
Also published as: ATA558573A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem im wesentlichen horizon- tal angeordneten langgestreckten Reaktor, der von einem nur am Eingang des Reaktors ständig zugefiihr- ten fliessfÅahigenMedium in Längsrichtung durchflossen wird und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Ver- fahrens.

Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung von Reaktionen in horizontal angeordneten langgestreck- ten Reaktoren sind an sich bekannt. So ist z. B. bei dem der Erfindung noch am nächsten kommenden Reak- tor nach dem sogenannten INKA-System (vgl. Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, Band II ; Verlag
Wilhelm Ernst & Söhne, Berlin, München 1969, S. 417 bis 419) zur Abwasserreinigung ein langgestreck- tes offenes Becken vorgesehen, bei dem in das das Becken durchfliessende Abwasser mittels längs des
Beckens verteilter, unter der Wasseroberfläche befindlicher flächenhaft angeordneter Öffnungen Luft in das
Abwasser grobblasig eingeführt wird.

Diese nicht weit unterhalb der Wasseroberfläche eingeführten Luftbla- sen erzeugen mittels einer in Längsrichtung des Beckens angeordneten Trennwand, deren obere Kante etwa inHöhe der Luftöffnungen liegt und deren untere Kante einen ausreichendenAbstand vomBeckenboden aufweist, in dem fliessenden Abwasser einen über den ganzen Beckenquerschnitt wirkenden Rührvorgang, der das mit Sauerstoff durch die Lufteinblasung angereicherte Abwasser auch über die unterhalb der Einblas- öffnungen gelegenen Teile des Beckens verteilt.

Die baulichen Abmessungen des offenen Beckens bei diesem bekannten Verfahren sind jedoch nicht so gewählt, dass sich auch nur angenähert ein Fliessen des Abwassers in der sogenannten Pfropfenströmung, d. h. ohne Rückvermischung, ergibt, noch ist die aus flächenhaft angeordneten Öffnungen eingeblasene Luft dazu vorgesehen und auch nicht in der Lage, etwa zu einer Verbesserung der Pfropfenströmung beizutragen.

In der Schweizer Patentschrift Nr. 383280 werden Strömungen mit Doppelzirkulation - ohne dass jedoch die gewollte Pfropfenströmung als zwingend genannt ist-mit Hilfe von Leitwänden bzw. Leitelementenerzeugt. Aus dieser Anmeldung geht jedoch hervor, dass eine Doppelzirkulation der Flüssigkeit hauptsächlich in Richtung der Flüssigkeitsströmung erzeugt wird, wodurch es zu einer ungünstigen Rückvermischungvon Flüssigkeitselementen kommt.

Auch in der Schweizer Patentschrift Nr. 479493 werden Leitwände bzw.-elemente benutzt um eine bestimmte Strömung hervorzurufen. Auch aus dieser Patentschrift kann jedoch nicht entnommen werden, dass eine Pfropfenströmung erzeugt werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Durchführung von Reaktionen in einem horizontal angeordneten langgestreckten Reaktor in möglichst guter Annäherung an die ideale Pfropfenströmung und unter Anwendung möglichst einfacher Mittel ermöglicht.

Diese Aufgabe ist gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Pfropfenströmung durch die Wirkung der an mehreren Stellen längs des Reaktionsraumes am Boden in Reihe vorgenommenen Gas- bzw. Flüssig- keitseinbringung, ohne Benutzung besonderer Leit-oder Fuhrungselemente, durch eine, zwei oder mehrere, in den zuletzt genannten beiden Fällen gegeneinander umlaufende, torusförmige Strömung, bzw. Strdmungen innerhalb des sich fortbewegenden Pfropfens überlagert wird, wobei jede dieser in engem Abstand voneinander umlaufenden torusförmigen Strömungen um eine zur Längsachse des Reaktionsraumes parallele Achse rotiert, die im Falle zweier oder mehrerer Torusströmungen im wesentlichen auch zur Achse der jeweiligen zweiten Torusströmung parallel ist.

Dadurch, dass die Öffnungen zum Einleiten des Gases bzw. der zweiten Flüssigkeit in Längsrichtung des Reaktors an dessen Boden in Linie entsprechend angeordnet sind, ergeben sich wesentliche Vorteile gegen- über dem Bekannten. Durch diese besondere Art der Einführung des zweiten Mediums in den Reaktor wird überraschenderweise eine erhebliche Steigerung der Peclet-Zahl, d. h. eine erhebliche Verminderung der Rickvermischung im Reaktor erreicht, was zur Folge hat, dass das Bauvolumen des Reaktors erheblich vermindert werden kann.

Der Grad der Rückvermischung kann mit Hilfe einer Verweilzeitverteilungsfunktion und dimensionslo-
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(Chemical ReaetionEngng. ; J. Wiley, N. Y. [1962], S. 264) für die vollständige ideale Rückvermischung, wie dies in einem Rührkessel auftritt, eine Peclet-Zahl von 0 und für die ideale Pfropfenstrdm tng eine Peclet- Zahl von unendlich an (bei Levenspiel wird der Reziprokwert dieser Peclet-Zahl angegeben).

DerÜbergang von der idealenpfropfenströmung zum idealen Rührkessel in einem realen Apparat ist nun kontinuierlich, so dass der Peelet-Wert zwischen 0 und unendlich vorkommen kann.

Kramers (Kramers u. Westerterp ; Elements of chemicalReaction, Design + Operation ; Neth. Univ. Press [1963], S. 91) gibt eine Korrelation zwischen der Zahl der äquivalenten Rührkessel N'und der Peclet-Zahl Pe wie folgt
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wobei L die Länge und d der Durchmesser des Reaktors ist.

Daraus folgt, je grösser die Peclet-Zahl ist, desto grosser ist die Zahl N'der äquivalenten Ruhrkessel, d. h. desto mehr nähert sich das System der idealen Pfropfenströmung.

Ist die Peelet-Zahl nun in der Grössenordnung von etwa 2, so ergibt sich für ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Rohres von 50 ein N'von 50, d. h., ein Rohr von einer Länge von 50 m und einem Durch-
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von 250. Daraus wird ersichtlich, dass die Peclet-Zahl einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Rohr- strömung hat und durch die Erhöhung der Peclet-Zahl z. B. von 2 auf 20 und darüber, wie sie durch die er- findungsgemässe Belüftung erreichbar ist, eine wesentliche Verbesserung erzielt werden kann. Als weiterer
Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens kommt hinzu, dass durch die erfindungsgemässe Art der Einfiih- rung des zweiten Mediums die bei der bekannten Ausführung erforderlichen, durch den ganzen Reaktor sich erstreckenden Trennwände sich erübrigen.

Ferner ergibt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung dadurch, dass durch die besondere Art der Einlei- tung des zweiten Mediums in den Reaktor sich die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktorinhaltes erhöht, weil die resultierende Geschwindigkeit für die einzelnen Teilchen sich aus ihrer Längsrichtungsgeschwindigkeit und aus der Rotationsgeschwindigkeit der Walze vektoriell zusammensetzt. Die Strömungsgeschwindigkeit in
Längsrichtung des Reaktors kann daher geringer sein, als bei den üblichen Reaktoren, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich ein vorhandenes bzw. entstehendes Sediment absetzt.

Gemäss weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Medi- ums in einer Reihe in der Mitte des Reaktorbodens bzw. darüber oder aber z. B. bei einem Reaktor mit recht- eckigem Querschnitt in den Ecken des Bodens bzw. darüber angeordnet sein. Wenn die Möglichkeit der Sedi- mentation eines Feststoffes besteht, können die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums über dem Bo- den in der unteren Hälfte des Belüftungsraumes angebracht werden. Dabei können diese Öffnungen als Düsen oder Löcher ausgebildet sein, die es ermöglichen, ein fliessfähiges Medium in den Reaktor einzubringen, ohne dass hiebei der Impuls des eintretenden Mediums von entscheidender Bedeutung ist, d. h. das zweite Me- dium steigt, z. B. als Gas, als Blasen zur Oberfläche des ersten Mediums auf.

Die Öffnungen können aber auch als sogenannte Strahldüsen ausgebildet sein, die durch höheren Druck oder aber durch Injektorwirkung das zweite Medium in das erste Medium unter Ausübung eines gerichtet wirkenden Impulses einleiten.

Im Hinblick darauf, dass der Bedarf an dem zweiten Medium in der Höhe des Zulaufes des ersten Mediums in den Reaktor wegen der dort herrschenden höchsten Konzentration an umzusetzendem Medium am grössten sein kann, kann es vorteilhaft sein, den gegenseitigen Abstand der einzelnen Öffnungen zur Zuführung des zweiten Mediums voneinander zunächst klein zu wählen und dann zum Auslauf-Ende des Reaktors immer grösser werden zu lassen.

Es kann auch vorteilhaft sein, in den Zwischenräumen zwischen je zwei Strahldüsen, die insbesondere zur Anregung der walzenförmig rotierenden Strömung dienen, eine oder mehrere zur feinblasigen Begasung dienende Öffnungen (Fritten) vorzusehen. Es soll jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die Breitenausdehnung dieser Fritten so gering bleiben muss, dass sie in der Wirkung praktisch einer in Linie angeordneten Lochreihe entspricht, weil eine Fritte oder eine gelochte Fläche mit grösserer Breitenerstreckung am Boden des Reaktors bzw. darüber die gewünschte walzenförmig rotierende Strömung nicht erzeugt, sondern stört.

Es kann auch vorteilhaft sein, den Reaktor als geschlossenen Behälter z. B. als Rohr, auszubilden, damit das Verfahren in dem Reaktor unter Druck durchgeführt werden kann.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Ausführungsbeispiele erörtert.

Es zeigen : Fig. 1 und 2 ein Rohr bzw. ein langgestrecktes offenes Becken im Querschnitt mit einer in der Mitte des Bodens in Längsrichtung des Rohres angeordneten Düsenreihe zum Einleiten des zweiten Mediums, Fig. 3 und 4 ein Rohr bzw. ein langgestrecktes offenes Becken im Querschnitt mit einer am Boden seitlich angeordneten Düsenreihe, Fig. 5 ein Rohr im Querschnitt mit einer in der Mitte des Bodens angeordneten, aber seitlich wirkenden Strahldüsenreihe, Fig. 6 ein Rohr im Längsschnitt mit am Boden in Linie angeordneten Strahldüsen und dazwischen liegenden Begasungsdüsen, Fig. 7 ein langgestrecktes offenes Becken mit etwa rechteckigem Querschnitt mit in den Ecken am Boden angeordneten Düsenreihen, Fig. 8 ein langgestrecktes offenes sehr breites Becken mit etwa rechteckigem Querschnitt mit am Boden in der Mitte und an den Ecken angeordneten Düsenreihen.

Die in den Fig. im Querschnitt gezeichneten Rohre --6-- bzw. Becken --7, 8-- sind bis zur Höhe der Flüssigkeitsspiegel--9, 10 bzw. 11-- mit dem jeweiligen ersten Medium gefüllt, das den Reaktor durchströmt. Die zur Einleitung des jeweiligen zweiten Mediums dienenden Düsenreihen-l bzw. 2-- können je nach Bedarf als Reihen von einfachen Öffnungen oder von Strahldüsen ausgebildet sein ; die Zuführung des zweiten Mediums zu den Düsen erfolgt über eine gemeinsame Zuleitung --5--, wie sie z. B. in Fig. 6 im Ausschnitt gezeigt ist. Die in den Fig. eingezeichneten langen Pfeile deuten den ungefähren Verlauf der walzen-

förmig rotierenden Strömung an.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist anwendbar bei allen Gas-Flüssigkeit-Reaktoren bzw. sinngemäss Flüssig-Flüssigkeit-Reaktoren. Als solche kommen z. B. die Abwasserbelüftung, die Chlorierung von Kohlenwasserstoffen, die Alkylierung von Kohlenwasserstoffen mit Fluorwasserstoffsäure, die Gewinnung von Eiweiss aus Kohlenwasserstoffen sowie die Absorption von 802 in Wasser und auch Polymerisationsreaktionen in Frage. Dabei kann sich der Vorteil ergeben, dass ein Reaktionspartner, der zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor sowieso benötigt wird (z. B. ein gasförmiger oder flüssiger Reaktionspartner oder aber Heizdampf), zum Erzeugen der walzenförmig rotierenden Strömung verwendet wird.

Nachstehend sind einige AusBihrungsformen beispielsweise näher erläutert : Beispiel l : Abwasserreinigung
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einem biologischen Sauerstoffbedarf (BSBg) von 250 mg/l auf einen Endsauerstoffbedarf von 20 mg/l gereinigt werden.

Das Belebungsbecken dieser Anlage wird als Rohrreaktor mit kreisförmigem Querschnitt von 3 m Durchmesser und 700 m Länge ausgeführt, wobei in der praktischen Ausführung 7 Rohre mit je 100 m Länge hin-
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wohl zur Sauerstoffzufuhr für das Belebtschlammverfahren als auch zur Verbesserung der Pfropfenströ- mung im Reaktor dient, wird durch Bohrungen von etwa 5 mm Durchmesser in einem am Boden bzw. Bodennähe des Reaktors liegenden Rohr eingebracht. Da der Luftbedarf zuBeginn des Abbauvorganges der Schmutzstoffe höher ist, werden am Anfang des Reaktors 50 Bohrungen/m Rohr ausgeführt, am Ende des Reaktors nur mehr 10.

Beispiel 2 : Absorption von S02 - haltigen Gasen.

Aus einem Abgas mit 6000 TpM Sq, das in einer Menge von 4000 Nm3/h anfällt, soll das SO2 bis auf einen Restgehalt von 500 TpM entfernt werden. Als Absorptionsmedium steht 0, 1 n Natronlauge zur Verfügung.

Als Absorptionsapparat wird ein liegender Zylinder von 1 m Durchmesser und 11 m Länge gewählt, in dem die Lauge 60 cm hoch steht. Das Gas wird über ein am Boden des Apparates liegendes Rohr, das pro m 400 Düsen mit je 2 mm Durchmesser aufweist, eingebracht und im Durchtritt durch die Lauge gereinigt. Der Durchfluss an Lauge beträgt 50 m3/h.

Beispiel 3 : Styrol-Butadien-Polymerisation
Die Polymerisation von Styrol und Butadien zu synthetischem Kautschuk wird derzeit meist in Kaska- den von zirka 10 Rührkesseln durchgeführt.

Wenn die Reaktion in einem Rohrreaktor entsprechend der Erfindung durchgeführt wird, so erhält dieser für eine Anlage von 25000 jato einen Durchmesser von 2 m und eine Länge von 65 m.

In diesem Reaktor werden folgende Mengen eingebracht :
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<tb>
<tb> Monomeres <SEP> 3300 <SEP> kg/h
<tb> Wasser <SEP> 4500 <SEP> kg/h
<tb> Aktivatorlösung <SEP> 1500 <SEP> kg/h
<tb> Emulgierlösung <SEP> 3500 <SEP> kg/h
<tb> Katalysator <SEP> 10 <SEP> kg/h
<tb>

Zur Erzielung einer guten radialen Vermischung der Reaktionsmasse und gleichzeitig zur Verbesserung der Pfropfenströmung im Reaktor, was zur Ausbildung einer gleichmässigen Molekülgrösse erforderlich ist, werden stündlich 2000 Nm3 Stickstoff durch ein am Boden bzw. in Bodennähe des Reaktors liegendes Rohr, das pro m 25 Bohrungen von je 3 mm Durchmesser aufweist, eingebracht. Der Flüssigkeitsstand im Rohr beträgt 1, 6 m.

Der Stickstoff wird nach Durchtritt durch die Reaktionsmasse aufgefangen und über einen Verdichter wie-
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flächen eingebaut.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten, lang- EMI3.5 Reaktormischbaren Flüssigkeiten, bei welchem das flüssige Medium in dem langgestreckten Reaktionsraum in Pfropfenströmung durch diesen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfropfenströmung durch die Wirkung der an mehreren Stellen längs des Reaktionsraumes am Boden in Reihe vorgenomme- <Desc/Clms Page number 4> nen Gas-bzw. Flüssigkeitseinbringung, ohne Benutzung besonderer Leit- oder Führungselemente, durch eine, zwei oder mehrere gegeneinander umlaufende, torusförmige Strömung bzw.

Strömungen innerhalb des sich fortbewegenden Pfropfens überlagert wird, wobei jede dieser in engem Abstand voneinander umlaufenden torusförmigen Strömungen um eine, zur Längsachse des Reaktionsraumes parallele Achse rotiert, die im Falle zweier oder mehrerer Torusströmungen in wesentlichen auch zur Achse der zweiten Torusströmung parallel ist, 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium mit einem solchen Druck in den Reaktor eingebracht wird, dass es bis zur Oberfläche des den Querschnitt des Reaktors nicht vollständig ausfüllenden ersten Mediums aufsteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der walzenförmig rotierenden Strömung ein Medium verwendet wird, das zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor sowieso benötigt wird (z. B. Reaktionsgas, ein flüssiger Reaktionspartner oder Heizdampf).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen derwalzenförmig rotierenden Strömung z. B. ein inertes Hilfsgas verwendet wird, das zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor nicht benötigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor als geschlossener Behälter, z. B. als Rohr, ausgebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Druck in dem Reaktor durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in das erste Medium eingebrachten zweiten Mediums in Abhängigkeit gesetzt wird : a) von der pro Stunde benötigten Menge pro m2 der auf die Horizontalebene projizierten Grundfläche des Reaktors, z. B. 10 bis 500 m3 pro m2 und Stunde. b) von der im Reaktor durchgesetzte Flüssigkeitsmenge, z. B. 0, 1 bis 50 m3 des zweiten Mediums pro m3 des ersten Mediums pro Stunde. e) von der im Reaktor ablaufenden Reaktion (z. B. Abwasserreinigung, SO -Absorption, Styrol-Butadien- Polymerisation).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in das Medium in einer Reihe in der Mitte des Bodens des Reaktors angeordnet sind (Fig. 1, 2, 5).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in das erste Medium bei einem im Querschnitt etwa rechteckigen Reaktor an bzw. über den Längsseitenkanten des Bodens des Reaktors angeordnet sind (Fig. 4,7, 8). EMI4.1 Bedeutung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als Löcher in einem am bzw. über dem Boden des Reaktors verlegten Rohr ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als ein feinblasiges Ausströmen des zweiten Mediums ermöglichende Fritte ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als Strahldüsen ausgebildet sind, die es ermöglichen, ein fliessfähiges Medium in den Reaktor einzubringen (durch höheren Druck, durch Injektorwirkung) derart, dass der Impuls des eintretenden Mediums entscheidend zur Wirkung kommt.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennz ei ohnet, dass in den Zwischenräumen zwischen je zwei in Linie angeordneten Strahldüsen eine oder mehrere, eine feinblasige Begasung ermöglichende, Düse (n) (Fritten) angeordnet ist (sind).

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand der Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in der Nähe des Zulaufes des ersten Mediums in den Reaktor klein ist, z. B. etwa 100 mm und bis zum Auslauf des Reaktors wesentlich grösser ist, wie z. B. etwa 1000 mm. <Desc/Clms Page number 5>

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Möglichkeit der Sedimentation eines Feststoffes die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums über dem Boden in der unteren Hälfte des Belüftungsraumes angebracht sind.