DD150697A1

DD150697A1 - Einrichtung zur erzeugung von stabilisierten wirbelschichten

Info

Publication number: DD150697A1
Application number: DD22047680A
Authority: DD
Inventors: Roland Buettner; Hans-Joerg Schelenz; Barbara Uebel
Original assignee: Roland Buettner; Schelenz Hans Joerg; Barbara Uebel
Priority date: 1980-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1981-09-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von stabilisierten Wirbelschichten zur Realisierung kontinuierlicher biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse, welche eine grosze Reaktionsoberflaeche benoetigen. Die vorliegende Erfindung bezweckt, die fuer die herkoemmlichen Wirbelschichtverfahren charakteristische starke Abhaengigkeit der Wirbelschichthoehe von der Durchfluszgeschwindigkeit weitgehend zu beseitigen, sowie die dafuer ueblicherweise notwendige strenge Klassierung des Traegermaterials zu umgehen. Das Wesen der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dasz die Querschnittsflaeche der Wirbelschicht in Stroemungsrichtung ueber die gesamte Hoehe der stabilisierten Wirbelschicht zunimmt. Die Erfindung ist auf allen Einsatzgebieten der Wirbelschichttechnik mit fluessigem Medium anwendbar und ermoeglicht den Einsatz dieser Technik auch dort, wo dies bisher wegen der geforderten streng einheitlichen Teilchengroesze oder wegen prozeszbedingter Schwankungen der Durchfluszgeschwindigkeit unguenstig oder unmoeglich war.

Description

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Titel der Erfindung

Einrichtung zur Erzeugung von stabilisierten Wirbelschichten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von stabilisierten Wirbelschichten für kontinuierliche biologische, chemische und physikalische Prozesse, welche eine große Reaktionsoberfläche benötigen«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Kontinuierliche biologische, chemische und physikalische Verfahren, in denen Katalysatoren bzw. Mikroorganismen an Trägermaterial gebunden sind, werden am effektivsten so gestaltet, daß das Reaktionsmedium an im Reaktionsgefäß fixierten Katalysatoren vorbeiströmt. Zur Durchführung derartiger Verfahren werden meist Pestbettreaktoren verwendet, in denen durch Füllkörper verschiedener Formen versucht wird, eine möglichst große Oberfläche für die Fixierung von Katalysatoren bzw. Mikroorganismen bei gleichzeitig genügend geringem Strömungswiderstand für das Medium zu schaffen. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß das Trägermaterial und die Katalysatoren bzw. Mikroorganismen nicht kontinuierlich regeneriert v;erden können, daß eine beliebige Verkleinerung des Trägermaterials und somit eine beliebige Vergrößerung der Reaktionsoberfläche nicht möglich ist und daß der Kontakt zwischen Katalysator bzw. Mikroorganismen und Medium nicht in allen Teilen des Reaktionsgefäßes optimal ist· Demgegenüber stellt die Nutzung des Wirbelschichtverfahrens,

zum Beispiel nach DT C 02 C 1/06 OS 2531110, DT C 02 C 1/02 AS 2331192, DT C 02 C 1/06 OS 2407008, eine sehr günstige neue Lösung dar, Uta die oben genannten !Nachteile zu überwinden.

Nach diesem Verfahren schwebt eine feinkörnige Trägermaterialfraktion in dem von unten nach oben durch den Reaktor geführten Flüssigkeitsstrom· Üblicherweise v/erden zylinderförinige Reaktionsgefäße genutzt· Der Nachteil dieser Reaktortypen besteht darin, daß in der Wirbelschicht nur Teilchen mit einheitlicher Größe verbleiben, τ/obei das Verhältnis der Radien maximal etwa 1 : 1,5 betragen kann· Weiterhin muß die Durchflußgeschwindigkeit in engen Grenzen konstant gehalten v/erden, da bei einer Zunahme derselben um etwa 20% bereits eine Verdoppelung des Volumens der Wirbelschicht auftritt, XJm bei einer solchen Variation der Durchflußgeschwindigkeit ein Austragen der Teilchen aus dem Reaktor zu vermeiden, können nur 50% des Reaktorvolumens im Normalbetrieb genutzt werden,

Verbesserungen dieses Verfahrens wurden dadurch erzielt, daß nach DT B 01 J 8/18 AS 1667015 der untere Einlaß in das zylinderförmige Reaktionsgefäß konisch gestaltet ist, um eine bessere Durchmischung zu gewährleisten· Nach DT B 01 J 8/18 AS 1417741 befindet sich oberhalb des zylinderförmigen Reaktionsgefäßes eine Expansionszone, in der die Strömungsgeschwindigkeit kleiner ist, als zum Tragen der Teilchen notwendig, so daß ein unerwünschtes Austragen der Teilchen verhindert wird. Jedoch werden die prinzipiellen Nachteile, daß nur Teilchen einheitlicher Größe in der Wirbelschicht verbleiben und daß die Durchflußgeschwindigkeit in engen Grenzen konstant gehalten v/erden muß, durch die angeführten Verbesserungen des Verfahrens, nicht beseitigt·

Ziel der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die für die herkömmlichen Wirbelschichtverfahren charakteristische starke Abhängigkeit der Wirbelschichthöhe von der Durchflußgeschwindigkeit weitgehend zu beseitigen sowie die bisher notwendige strenge Klassierung des dafür eingesetzten Trägermaterials zu umgehen.

A Darlegung des ¥/esens der Erfindung

Es wurde festgestellt, daß Wirbelschichten auch in trichterförmigen Gefäßen erzeugt werden können, wenn diese aufwärts von der Spitze zur Öffnung durchströmt werden. Dabei kann der Abfluß in einfacher Weise über den oberen Trichterrand realisiert werden.

Es stellte sich, unerwarteterweise eine Strömung ein, deren Geschwindigkeit in jeder Höhe des Reaktors über den gesamten Querschnitt konstant war. Das zeigte sich auch an der Einstellung einer ebenen oberen Begrenzung der Wirbelschicht. Während die Teilchen in der Nähe der oberen Wirbelschichtgrenze, einen Durchmesser von ca· 5 * 1O~ m hatten, schwebten in der unteren Trichterspitze Teilchen von ca. 1 * 10"""Bi Durchmesser. Das ist ein Radienverhältnis von 1 : 200 während in herkömmlichen Einrichtungen ein Verhältnis von etwa 1 : 1,5 eingehalten werden muß. Damit entfällt die bisher notwendige Klassierung des Trägermaterials. Wahrscheinlich ist,das Vorhandensein einer Fraktion großer Teilchen, die im untersten, engsten Teil des Reaktors schweben, vorteilhaft für die Einstellung einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit« Mit steigendem Öffnungswinkel des Gefäßes wird das Verhältnis der Radien der einsetzbaren Teilchen größer.

Die Höhe der Wirbelschicht verhielt sich stabil gegenüber sehr erheblichen Schwankungen der Durchflußrate. Bei Veränderungen der Durchflußrate im Verhältnis 1 : 5 waren mit gleichem Material noch stabile Wirbelschichten realisierbar« Bei mittleren Durchflußraten verursachten Schwankungen derselben im Verhältnis 1 : 2,5 eine Änderung der oberen Wirbelschichthöhe um nur . etwa 12%.

Durch diese Einrichtung werden die oben genannten Schwierigkeiten bei der Anwendung von Wirbelschichten beseitigt.

Ausiührungsbeispiel

Es wurde ein trichterförmiges Reaktionsgefäß verwendet, dessen

Volumen 350 cnr' bei einer Höhe von 10 cm betrug. Der Zufluß erfolgte durch eine in der Trichterspitze befindliche Lochplatte mit einem Durchmesser von 2 cm mit 5 Löchern von je 2 mm Durchmesser. Der Fluss igke it sa.blauf erfolgte gleichmäßig über den

oberen Trichterrand.

In einer unterhalb des Trichterrandes befestigten Rinne wurde die Flüssigkeit gesammelt und abgeführt. Gleichzeitig trug die Rinne eine, für anaerobe Prozesse notwendige, Abdeckplatte. Es wurde eine Wirbelschicht bestehend aus Siliziumkarbid einer Korngröße von 5-60 in bei Durchflußgeschwindigkeiten von 2 5 l/h erzeugt« Es wurden 70 g Siliziumkarbid eingesetzt. Dabei stellte sich über den ganzen Trichterquerschnitt eine ebene Grenzschicht ein, die bei diesen Durchflußgeschwindigkeiten zwischen 8 und 9 cm oberhalb der Lochplatte lag. Bei einem Modellversuch zur Abwasserreinigung wurden 70 g Siliziumkarbid als Trägermaterial mit einer Mischpopulation decitrifizierender Bakterien in 500 ml Rundkolben in einem modifizierten FARBIG-OTTOV/-Medium (mit Λ% Methanol und 3 S KlTO 1) bei 25⁰C 48 Stunden unter semianaeroben Bedingungen bebrü tet. Das so vorbereitete Trägermaterial wurde in den vom Modellabwasser durchströmten Reaktor gegossen. ITach kurzer Zeit stellte sich die Wirbelschicht wie vorher beobachtet ein. Bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 3»5 l/h des oben genannten, teilweise vom Sauerstoff befreiten, Modellabwassers wurde ohne weitere Optimierung bei 25°C ein Abbau von durchschnittlich 880 mg M)-Vl erreicht. Das ergibt bei einer Teil-

~* 2 chenoberflache von 10 m eine Abbauleistung von 350 mg ITO*,/

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m h oder etwa 15 kg NO^/h * mr Schwebschicht.

Claims

Erf indungsanspruch

1, Einrichtung zur Erzeugung stabilisierter Wirbelschichten gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnittsfläche der Wirbelschicht im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Wirbelschicht in Strömungsrichtung zunimmt·

2, Einrichtung nach Punkt' 1, gekennzeichnet dadurch, daß der die Wirbelschicht einschließende Teil des Behälters so gestaltet ist, daß der Querschnitt der Wirbelschicht in Richtung der Strömung, die bei schwebenden Teilchen mit einem spezifischen Gewicht größer als das des strömenden Mediums nach oben und bei Teilchen mit geringerem spezifischen Gewicht als dem des strömenden Mediums nach unten gerichtet ist, im Wesentlichen zunimmt«

3» Einrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der die Wirbelschicht einschließende Behälter vorzugsweise trichterförmig ist,

4, Einrichtung nach Punkt 1, 2 und 3» gekennzeichnet dadurch, daß eine bevorzugte Ausführungsform des Trichters im Längs» schnitt die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist,

5« Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,, daß der Abfluß durch die Nähe des oberen Gefäßrandes befindliche Öffnungen oder über den oberen Gefäßrand selbst erfolgt.