CH673780A5

CH673780A5 -

Info

Publication number: CH673780A5
Application number: CH4602/87A
Authority: CH
Inventors: Istvan Kenyeres; Lehel Koch
Original assignee: Innofinance Altalanos Innovaci
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1990-04-12
Also published as: US4840751A; FR2607404B1; DK622987D0; DE3740345A1; FR2607404A1; HUT46559A; JPS63141632A; FI875253A0; BE1001231A3; SE8704723D0; SE8704723L; SU1732812A3; IT1223173B; GB8727821D0; HU205724B; GB2199259A; CA1332833C; GB2199259B; DK622987A; CN87107997A

Description

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PATENTANSPRUCH Flüssigkeitsstrahl den über der Flüssigkeit befindlichen Gasraum

Verfahren zum Kontaktieren von Flüssigkeiten und Gasen, durchläuft und in die Flüssigkeitsmasse eindringt, wobei er aus bei dem die zu kontaktierende Flüssigkeit in Form eines aus einer dem oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Gasraum grosse Men-Düse austretenden Flüssigkeitsstrahles durch einen mit dem zu gen Gas mit sich reisst. Dieses Mitsichreissen des Gases erfolgt kontaktierenden Gas gefüllten Raum hindurch in die zu kontak- 5 dadurch, dass an der Oberfläche des den Gasraum durchlaufen-tierende Flüssigkeit geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Flüssigkeitsstrahles -infolge seiner Oberflächenrauhheit -ein Teil der Flüssigkeit und/oder des Gases oder die Gesamt- eine sich mit dem Strahl zusammen bewegende Grenzschicht aus menge des Gases oder ein Teil der Flüssigkeit und die Gesamt- Gas entsteht, die mit dem Flüssigkeitsstrahl zusammen in die menge des Gases in Form eines gerichteten Gas- oder Flüssig- Flüssigkeit eindringt und dort durch die zwischen dem Strahl und keitsstrahles auf die Oberfläche des aus der Düse austretenden 10 der Flüssigkeitsmenge auftretenden Scherkräfte in kleine Blasen Flüssigkeitsstrahles geleitet wird. zerschlagen wird.

Die Effektivität dieses Verfahrens wird grundlegend von der Oberflächenrauhheit des Flüssigkeitsstrahles zusammen mit dei Dichte des Flüssigkeitsstrahles bestimmt, und zwar folgender-15 massen:

- je rauher die Oberfläche des Strahles ist, um so mehr Gas vermag er mit sich zu reissen, d.h. um so grösser ist die

BESCHREIBUNG Gasmenge, die in Lösung gehen kann und

-je dichter (kompakter) der Flussigkeitsstrahhst, um so

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren von grösser wird der Dispersionsgrad des Gases in der Flüssigkeit, um

Flüssigkeiten und Gasen, bei dem die zu kontaktierende Flüssig- 20 so länger die Verweilzeit der Blasen (infolge grösserer Eindring-

keit in Form eines aus einer Düse austretenden Hüssigkeitsstrah- tiefe), um so intensiver der Kontakt.

les durch einen mit dem zu kontaktierenden Gas gefüllten Raum Allgemein kann gesagt werden, dass von den bisher bekann-

hindurch in die zu kontaktierende Flüssigkeit geleitet wird. ten Vorrichtungen zum Kontaktieren von Gas und Flüssigkeit

Das Gas-Flüssigkeit-Kontaktieren ist auf zahlreichen Gebie- 25 <jUI-ch eindringenden Flüssigkeitsstrahl keine einzige den ten der Industrie einer der wichtigsten Arbeitsgänge, durch den genannten beiden Bedingungen gleichzeitig völlig gerecht wird,

die ökonomischen und technischen Parameter der gesamten d. h. bei den bekannten Vorrichtungen kann die Oberflächen-

Technologie beziehungsweise der Herstellung der einzelnen rauhheit des Flüssigkeitsstrahles nur durch gleichzeitige Verrin-

Produkte grundlegend beeinflusst werden. gerung seiner Kompaktheit erzielt werden, und umgekehrt.

Der Wirkungsgrad, mit dem Gas und Flüssigkeit miteinander jm pane <jer bekannten Verfahren und Vorrichtungen [zum inBerührung gebracht werden können, ist unter anderem in der Beispiel Chem. Eng. Sei. 36,1161-1172(1981); Chem. Eng.

Fermentationsindustrie bei den meisten aeroben Fermentations- Commun. 15,367-383 (1982); ungarische Patentanmeldung Nr.

verfahren, bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung und 3901/81) wird die Erhöhung der Oberflächenrauhheit des Flüs-

zahlreichen Verfahren der chemischen Industrie von Bedeutung sigkeitsstrahles ohne Ausnahme durch eine der folgenden

Die bekannten Vorrichtungen zum Kontaktieren von Gasen Methoden beziehungsweise fallweise durch deren Kombination mit Flüssigkeiten können aufgrund der Art, in der die Energie erreicht-

übertragen wird, in folgende Gruppen eingeteilt werden: -Verwendung von Düsen, deren Form von der hydraulisch

-pneumatische Systeme (Blasensäulen, air-lift Schlaufenre- optimalen Form abweicht;

aktoren usw.), „ . . — Erhöhung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls;

—mechanische Systeme (an der Flüssigkeitsoberfläche befind- _ Erhöhung des Turbulenzgrades des Flüssigkeitsstrahles;

UcheBelüftermitwaagrechterbeziehungsweisesenkrechter 40 -Verlängerung der freien Weglänge des Flüssigkeitsstrahles.

Welle, selbstansaugende Rührer), Diese Methoden haben den gemeinsamen Nachteil, dass sie

-Kombinationen der beiden genannten Systeme (blasen- zum einen mit einem bedeutenden Anstieg der Strömungsverlu-

durchströmte Reaktoren mit Rührvorrichtung), ste verbunden sind und dadurch der energetische Wirkungsgrad

- hydraulische Systeme. ^ der Kontaktierung verschlechtert wird, zum anderen verringern

Unter dem Aspekt der Stoffübergabe zwischen Gas und sje 0hne Ausnahme die Kompaktheit des Flüssigkeitsstrahles,

Flüssigkeit haben sich die hydraulischen Systeme als am vorteil- was die Intensität des Kontaktes schmälert.

haftesten erwiesen; das ist der Grund dafür, dass diese Systeme in Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile durch den letzten Jahren immer stärkeren Eingangin die Praxis fanden. Schaffung eines Verfahrens zu beseitigen, das für beliebige

Den hydraulischen Systemen ist gemeinsam, dass der Kon- Aufgaben der Gas-Flüssigkeit-Kontaktierung beide grundle-takt zwischen Gas und Flüssigkeit durch Flüssigkeitsstrahlen 50 gen(je Bedingungen, nämlich die Kompaktheit des Flüssigkeitsunterschiedlicher Art hergestellt wird, die mittels Pumpen und Strahles und seine Oberflächenrauhheit gleichzeitig, jedoch Düsen erzeugtwerden.NachderArtdesFlüssigkeitsstrahles unabhängig voneinander zu optimieren gestattet.

können folgende Systeme unterschieden werden: , . , _ ,

-Systeme mit unterbrochenem Flüssigkeitsstrahl (z.B. DieErfindungberuhtaufderErkenntnis,dassdieOberfläche

Sprühtürme Venturi-Wäschen) 55 des Flüssigkeitsstrahles ohne nennenswerte Verringerung seiner

-Verfahren mitzweiphasigem Flüssigkeitsstrahl (z. B. Injek- Kompaktheit unmittelbar aufgerauht werden kann, wenn auf die toren Ejektoren) Oberfläche des Strahles das zu kontaktierende Gas oder em Teil

-Verfahrenmithomogenen, kohärenten Hüssigkeitsstrah- des Gases und/oder der Flüssigkeit aufgeblasen wird.

len, die in die Flüssigkeit eindringen. Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum

Von den hydraulischen Systemen weisen die zuletzt genann- äo Kontaktieren von Gasen und Flüssigkeiten, bei dem die zu ten den günstigsten energetischen Wirkungsgrad, die höchste kontaktierende Flüssigkeit in Form eines aus einer Düse austre-

erreichbare spezifische Stoffübergabegeschwindigkeit (Stoff- tenden Flüssigkeitsstrahles durch einen mit dem zu kontaktieren-

übergabe-, Kontaktierungsintensität) und die niedrigsten spezifi- den Gas gefüllten Raum hindurch in die zu kontaktierende sehen Investitionskosten auf. Auch das erfindungsgemässe Ver- Flüssigkeit geleitet wird. Für das Verfahren ist kennzeichnend,

fahren gehört zu dieser Gruppe. 65 dass ein Teil der Flüssigkeit und/oder des Gases oder die

Den Verfahren mit zurückfallendem Flüssigkeitsstrahl ist Gesamtmenge des Gases oder ein Teil der Flüssigkeit und die gemeinsam, dass ein aus einer über der Oberfläche der Flüssig- Gesamtmenge des Gases auf die Oberfläche des Flüssigkeits-

keit angeordneten Düse austretender homogener, kohärenter strahles geleitet wird.

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Was das Anrauhen der Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles tenden Flüssigkeitsstrahl umgebenden Ring 2 angebracht sind,

betrifft, so wird beim Aufblasen von Gas im wesentlichen die senkrecht auf die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles geleitet gleiche Wirkung erzielt wie beim Aufblasen von Flüssigkeit. Die (Fig. 1). Der Ring weist in gleichen Abständen 12 Bohrungen

Verwendung eines Gasstrahles ist im allgemeinen dann vorteil- auf, die einen Durchmesser von je 1,2 mm haben. Die Bohrungen haft, wenn die Kontaktierung des Gases mit der Flüssigkeit in 5 sind von der Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles 40 mm entfernt,

einem geschlossenen Reaktor abläuft, in den das Gas ohnehin die Entfernung des Ringes von der Unterkante der Düse beträgt unter Druck eingebracht werden muss. 10 mm.

Die Verwendung eines Gas- und Flüssigkeitsstrahles zur Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs pro Volu-

Anrauhung ist dann zweckmässig, wenn Menge und Druck des zu meneinheit wurde mit der bekannten, auf der Oxydation des kontaktierenden Gases nicht ausreichen, eine entsprechende io Natriumsulfits beruhenden Methode [V. Linek und V. Vacek,

Oberflächenrauheit zu erzielen. Chem. Eng. Sei. 36,1747-58 (1981)] gemessen und betrug 27,2

Das Anrauhen mittels eines Flüssigkeitsstrahles ist im allge- kg 02/m3h, was einem Massestrom des Sauerstoffeintrags von meinen dann vorteilhaft, wenn das Kontaktieren in einem offe- 8,16 kg 02/h entspricht. Die hydraulische Leistung der Pumpe nen System erfolgt und das zu kontaktierende Gas die atmosphä- beträgt 0,91 kW, so dass sich für die energetische Effektivität des rische Luft selbst ist (biologische Abwasserreinigung, Belüftung 15 Sauerstoffeintrags ein Wert von 8,97 kg 02/kWh ergibt, von Oberflächengewässern und Fischteichen).

Der zum Anrauhen dienende Gas- oder Flüssigkeitsstrahl Vergleichsbeispiel zu Beispiel 1 wird erzeugt, indem das Gas beziehungsweise die Flüssigkeit aus Man arbeitet auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise, jedoch um den kohärenten Flüssigkeitsstrahl herum gleichmässig ange- vrâd keine Flüssigkeit auf den Flüssigkeitsstrahl geleitet. In ordneten, vorzugsweise kreisförmigen Öffnungen oder aus 20 diesem Fall beträgt die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauereinem den Flüssigkeitsstrahl umgebenden Spalt auf die Oberflä- stoffs pro Volumeneinheit 16,8 kg 02/m3h, der Massestrom des che des Strahles aufgeblasen wird. Sauerstoffeintrags ist daher 5,04 kg 02/h, und die energetische

Hinsichtlich der Aufrauhung der Oberfläche des kohärenten Effektivität des Sauerstoffeintrags ergibt sich zu 5,54 kg 02/kWh. Flüssigkeitsstrahles ist es unwesentlich, an welchem Punkt des Dementsprechend konnte mit dem erfindungsgemässen VerWeges , den der Strahl zwischen dem Austritt aus der Düse und 25 fahren für die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes pro dem Eindringen in die Flüssigkeitsmasse zurücklegt, das Aufbla- Volumeneinheit, d. h. für die Intensität der Gas-Flüssigkeit-sen des Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles erfolgt. Es ist jedoch Kontaktierung sowie für die energetische Effektivität gleicher-zweckmässig, das Aufrauhen der Oberfläche so dicht wie mög- massen eine Verbesserung um 61,9% erzielt werden.

lieh an der Austrittsstelle vorzunehmen, weil auf diese Weise die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles bedeutend verringert 30 Beispiel 2

werden kann. Es wird ähnlich wie gemäss Beispiel 1 gearbeitet, jedoch mit Der zum Aufrauhen verwendete Gas-und/oder Flüssigkeits- folgenden Abweichungen: der Volumenstrom der zirkulierten strahl kann sowohl in der Strömungsrichtung des zentralen Flüssigkeit beträgt 18,9 m3/h, die Pumpe hat eine hydraulische

Flüssigkeitsstrahles wie auch m entgegengesetzter Richtung Leistung von 0 74 kW

geführt werden. Der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl muss mit 35 StattderimBeispieilangewendetenMethode,Flüssigkeit dem zentralen Flüssigkeitsstrahl zweckmässig einen Winkel von aufdenStrahlzuleiten,wirdderStrahlhierjedochmitLuft wenigstens 5 einschhessen, damit eine entsprechende Anrau- aufgerauht. Die Luft wird durch einen den Strahl umgebenden hung eintritt. Ring zugeführt, der aus einem Kupferrohr von 10 mm Durchmes-

In Fig. 1 ist die m Beispiel 1 verwendete Vorrichtung im ser begeht, in dem Ring sind in gleichmässigen Abständen 6

Querschnitt gezeigt, während Fig. 2 den Querschitt der m 40 ß0hrungen von je 1,5 mm Durchmesser angebracht. Die Boh-

Beispiel 2 verwendeten Vorrichtung darstellt. rungen sind bezogen aufdie Waagrechte um 15°nach unten

Im Vergleich mit den bekannten Verfahren hat das erfin- geneigt. Die Bohrungen sind 21 mm von dem Flüssigkeitsstrahl dungsgemässe Verfahren folgende Hauptvorteile: entfernt, und der Abstand des Ringes von der Unterkante der a) Der energetische Wirkungsgrad der Kontaktierung ist Düse beträgt 50 mm Die Luft wifd in einem Volumenstrom von wesentlich »(um 30-60%) grösser; 45 4,5 Nm3/h durch die Bohrungen geführt, wozu-ausser der b) das Anwendungsgebiet ist bedeutend breiter; hydraulischen Leistung der Pumpe - eine zusätzliche Leistung c) die Zuverlässigkeit von Projektierung und massstäblicher von q j ^ erfor(jerlich ist.

Vergrösserung ist grösser, Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs pro Volu-

d) der Bereich der Regelbarkeit, auch innerhalb emes Einzel- meneinheit wurde auf die im Beispiell angegebene Weise prozesses, ist wesentlich breiter; 50 gemessenundbetrug21,7kg02/m3h,waseinemMassestromdes e) die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles kann bedeutend Sauerstoffeintrags von 6,52 kg 02/h entspricht, so dass sich für die verringert werden, was eine bessere Ausnutzung des Reaktorvo- energetische Effektivität des Sauerstoffeintrags ein Wert von lumens ermöglicht. 7,82 kg 02/kWh ergibt.

Das erfindungsgemasse Verfahren wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. 55 Vergleichsbeispiel zu Beispiel 2

Man arbeitet auf die im Beispiel 2 beschriebene Weise, bläst Beispiel 1 jedoch keine Luft auf den Strahl. Die bestimmten Werte in der

In einem 0,5 m breiten und 2 m hohen, oben offenen Behälter oben angegebenen Reihenfolge sind: 12,03 kg 02/m3h, 3,61 kg von quadratischem Querschnitt werden 0,3 m3 Lösung mittels 02/h und 4,92 kg 02/kWh. Dementsprechend ergibt sich durch einer Pumpe durch Düsen von 20 mm Durchmesser hindurch fi0 das erfindungsgemasse Verfahren für die Intensivierung des zirkuliert. Die Lösung enthält 0,5 kMol/m3 Natriumsulfit und Kontaktes eine Verbesserung um 80,7%, für die energetische 0,001 kMol/m3 Kobaltsulfat. Ihre Temperatur wird bei 30 °C Effektivität eine Verbesserung um 58,9%.

gehalten. Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles beträgt

0,3 m. Beispiel 3

Der Volumenstrom der von der Pumpe zirkulierten Flüssig- 65 In einem 1,5 m hohen, oben geschlossenen Behälter von keit beträgt 20,4 m3/h. 4 Masse-% der zirkulierten Flüssigkeit 0,45 m Durchmesser wird mit Hilfe einer Pumpe durch Düsen des werden aus Bohrungen 3, die in einem aus einem Kupferrohr von Durchmessers 10 mm 0,1 m3 Flüssigkeit der in Beispiel 1 angege-10 mm Durchmesser gefertigten und den aus der Düse 1 austre- benen Zusammensetzung zirkuliert. Der Volumenstrom der

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zirkulierten Flüssigkeit beträgt 6,84 m3/h, die Pumpe hat eine hydraulische Leistung von 0,56 kW.

In den Behälter wird in einem Volumenstrom von 16 Nm3/h Luft durch einen 0,5 mm breiten Spalt 3 eingeleitet, der um die aus Polyamid hergestellte Düse 1 herum durch den ebenfalls aus Polyamid hergestellten, auf den Mantel der Düse aufgeschraubten Formkörper 2 gebildet wird (Fig. 2). Der Spalt ist 5 mm von der Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls entfernt, und die ausströmende Luft schliesst mit dem Flüssigkeitsstrahl einen Winkel von 15° ein. Zum Einbringen der Luft ist eine Leistung von 0,18 kW erforderlich. Aus dem Behälter tritt die Luft durch eine Öffnung von 20 mm Durchmesser aus, die in der den Behälter nach oben abschliessenden Fläche in 200 mm Entfernung von der Achse des Behälters angebracht ist. Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahls beträgt 0,4 m.

Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs pro Volumeneinheit betrug 41,2 kg 02/m3h. Dementsprechend betrug der Massestrom des Sauerstoffeintrags 4,12 kg 02/h, und die energetische Effektivität des Sauerstoffeintrags ergab sich zu 5,57 kg 02/ kWh.

Vergleichsbeispiel zu Beispiel 3

Man arbeitet auf die in Beispiel 3 beschriebene Weise, jedoch wird die zu kontaktierende Luft durch die in der den Behälter nach oben abschliessenden Fläche in 200 mm Entfernung von der Achse angebrachte Öffnung von 20 mm Durchmesser senkrecht nach unten gerichtet eingeführt, während die verbrauchte Luft durch eine ebensolche, auf der anderen Seite befindliche Öffnung austritt. Auf diese Weise wird die gleiche Menge Luft eingeleitet wie in Beispiel 3, jedoch wird die Luft nicht unmittelbar auf die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls gerichtet. Die Auflösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs pro Volumeneinheit betrug 29,0 kg 02/m3h, was einem Massestrom des Sauerstoffeintrags von 2,9 kg 02/h, beziehungsweise einer energetischen s Effektivität des Sauerstoffeintrags von 3,92 kg 02/kWh entspricht.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden demnach sowohl die Intensität des Sauerstoffeintrags wie auch dessen Effektivität um 42,1% verbessert.

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Beispiel 4

Man arbeitet auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise mit dem Unterschied, dass unter dem der Flüssigkeitszuleitung dienenden Ringnoch ein der Luftzuleitung dienender Ring (wie in Beispiel 2 beschrieben) angebracht wird. Die Aufrauhung des Flüssigkeitsstrahls erfolgt gleichzeitig durch Auf leiten von Flüssigkeit und Aufleiten von Luft.

Die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs pro Volumeneinheit beträgt 30,9 kg 02/m3h. Das entspricht einem Massestrom 20 des Sauerstoffeintrags von 9,27 kg 02/h beziehungsweise einer energetischen Effektivität von 9,18 kg 02/kWh.

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Vergleichsbeispiel zu Beispiel 4 Man arbeitet auf die im Beispiel 4 beschriebene Weise, rauht den Strahl jedoch weder mit Luft noch mit Flüssigkeit auf, d.h. die ganze Arbeitsweise entspricht dem Vergleichsbeispiel zu Beispiel 1. Daraus errechnet sich für das erfindungsgemässe Verfahren eine Intensitätsverbesserung von 83,9%, beziehungs-30 weise ein Anstieg der energetischen Effektivität um 65,7%.

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1 Blatt Zeichnungen