DE102005003626A1

DE102005003626A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer größtmöglichen Phasengrenzfläche zur konti-nuierlichen und hocheffizienten Durchmischung unterschiedlicher Fluide in Gas-Flüssigkeits-Gemischen

Info

Publication number: DE102005003626A1
Application number: DE102005003626A
Authority: DE
Original assignee: Bayer Technology Services GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-07-27
Also published as: ATE396781T1; EP1846144A1; WO2006079510A1; EP1846144B1; DE502006000847D1; ES2306423T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine apparatetechnisch besonders einfache und platzsparende Konstruktion zur Erzeugung einer größtmöglichen Phasengrenzfläche für den Stoffübergang bei der kontinuierlichen Mischung von Fluiden in Gas-Flüssigkeits-Gemischen.

Description

Die Erfindung betrifft eine apparatetechnisch besonders einfache und platzsparende Konstruktion zur Erzeugung einer größtmöglichen Phasengrenzfläche für den Stoffübergang bei der kontinuierlichen Mischung von Fluiden in Gas-Flüssigkeits-Gemischen. Gleichzeitig wird eine besonders hohe Effizienz der Homogenisierung des Gemisches bei relativ besonders geringem Energieeintrag erreicht und eine Schaumbildung automatisch verhindert.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus WO 2004/000447 A2 zur Gasaufsättigung einer Flüssigkeit unter Druck sowie in Kombination mit einer Vorrichtung zur Druckentspannung zum Einbringen der entspannten Flüssigkeit in eine Flotationszelle, jedoch ohne eine Vorrichtung zur automatischen Verhinderung von Schaumbildung, wodurch der Einsatzbereich auf nicht oder nur wenig schäumende Systeme begrenzt ist, bekannt. Diese Vorrichtung ist daher bisher nur in Kombination von einem Gas (Luft oder Stickstoff) mit einer Flüssigkeit (Wasser bzw. Abwasser) bei der Druckentspannungsflotation aber noch nie in der Reaktions-, Rühr- oder Mischtechnik oder zur Mischung mehrerer Gas- bzw. Flüssigphasen eingesetzt worden.

Die derzeit gebräuchlichste Art Fluide zu mischen, durch Rühren in einem Behälter, ist mit folgenden Nachteilen verbunden:

– Aufwendige Rührerkonstruktionen und Auswahl der für den Anwendungsfall jeweils geeigneten Form des Rührers.
– Einbau von Stromstörern in den Behälter zur Erzeugung von Turbulenzen.
– Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Strömungsintensität im Behälter.
– Bereitstellung eines ausreichend großen Behältervolumens für eine geeignete Strömungsführung.
- Energiezufuhr zum Antrieb und relativ hoher Energieeintrag in den Behälter.
– Mechanischer Antrieb des Rührers, verbunden mit einer Dichtungsanforderung an der Durchführung der Welle in den Behälter und ggf. einzuhaltenden Ex-Richtlinien für el. Antriebe nach DIN EN 50014 ff sowie 1127-1, 13237-1.
– Zugabe von chemischen Entschäumern oder Schaumverhütern bei Schaumbildungsneigung.

Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind herkömmliche Injektionsmischer, diese neigen beim Einsatz in vergleichbaren Systemen jedoch stark zum Überschäumen, wodurch sie in bestimmten Bereichen, z. B. der Abwassertechnik, bisher kaum Anwendung finden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine konstruktiv besonders einfache, platzsparende und besonders energiesparende Vorrichtung zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden in Gas-Flüssigkeits-Gemischen, bevorzugt für schäumende, insbesondere stark schäumende, Gemische bereitzustellen, die die Nachteile der Systeme des Standes der Technik nicht aufweist.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden dass eine solche Vorrichtung sehr einfach zu verwirklichen ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher eine Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden enthaltend

– einen Mischbehälter entsprechend den gestellten Druckanforderungen und ggf. mit Heizungs- oder Kühlungsmöglichkeit,
– eine oder mehrere Düsen zur Eindüsung von Flüssigkeit in den Mischbehälter am Kopf des Mischbehälters,
– je einen Kegel mit oder ohne axialer Bohrung unmittelbar unter jeder Düse und in definiertem Abstand fest mit dieser verbunden,
– je ein oben offenes und unten, bis auf eine Bohrung im Boden, verschlossenes Rohr, das unterhalb jeder Düse im Mischbehälter angeordnet ist,
– einen Flüssigkeitsaustritt unterhalb der Rohre am Boden des Mischbehälters.

Die Einleitung der Flüssigkeit, die mit dem Gas gemischt werden soll, erfolgt am Kopf des Mischbehälters über eine oder mehrere Düsen, bevorzugt konventionelle Glattstrahldüsen. Diese können in den Deckel des Mischbehälters eingeschraubt sein. Der Druckverlust an den Düsen sollte unter Betriebsbedingungen kleiner als 2 bar sein, bevorzugt zwischen 1 bar und 0,4 bar liegen.

Die Düsen haben generell Durchmesser von 2 bis 50 mm, bevorzugt an ihren engsten Strömungsquerschnitten Durchmesser größer als 4 mm, wodurch eine Verstopfung durch feine Partikeln ausgeschlossen werden kann. Zusätzlich können die Düsen durch vorgeschaltete, rückspülbare Siebfilter geschützt werden.

Der Strom der zugeführten Flüssigkeit, kann zuvor auf einzelne Zulaufrohre aufgeteilt werden. Der Flüssigkeits-Durchfluss durch die einzelnen Düsen kann vorzugsweise jeweils separat für jede Düse durch vor oder nachgeschaltete Absperrorgane geregelt werden z. B. durch eine Batterie von Absperrhähnen. Dadurch kann die dem Mischbehälter zugeführte Flüssigkeitsmenge entsprechend dem Bedarf eingestellt werden.

Die Eindüsung der Flüssigkeit erfolgt mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 m/s, bevorzugt mehr als 6 m/s. Die Wahl der Geschwindigkeit der Eindüsung hängt von der Umsatzrate bzw. der Diffusionsgeschwindigkeit bzw. dem Konzentrationsgefälle zum thermodynamischen bzw. physikalisch-chemischen Gleichgewicht des Stoffsystems ab. Um das Gleichgewicht im Rohrreaktor zur Erzeugung eines gewünschten Umsatz- oder Konzentrationsgefälles zu beeinflussen, kann es hilfreich sein, Druck und Temperatur entsprechend vorzugeben.

Im Mischbehälter trifft der Flüssigkeitsstrahl jeder Düse zunächst auf den darunter im Gasraum mit der Spitze nach oben angeordneten Kegel mit oder ohne axiale Durchgangsbohrung. Die Achsen von Düsenbohrung und Kegel stimmen genau überein. Der Abstand des Kegels zur Düse beträgt 10-100 mm, bevorzugt 20-50 mm. Der Durchmesser der axialen Bohrung durch den Kegel ist 0,5-5 mm, bevorzugt 1-2 mm kleiner als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls bzw. der Düse. Dadurch kann nicht der volle Strahl durch die Kegelbohrung treten. Der äußere Rand des Strahls wird ringförmig abgeschält und am Kegelmantel entlang aufgefächert, wonach er in Form eines dünnen Flüssigkeitsfilms nach unten strömt und den Kegelmantel fortsetzt, bis er an der Behälterwand in den Flüssigkeitsspiegel eintritt.

Bei schäumenden Gemischen, die bevorzugt im Fokus der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden stehen, zerschneidet der scharfe Flüssigkeitsfilm vor dem Eintritt in die unten gesammelte Flüssigkeit die sich über der Phasengrenzfläche auftürmenden Schaumblasen, so dass eine unerwünschte Schaumbildung ohne weiteres physikalisches oder chemisches Entgegenwirken automatisch verhindert wird.

Der durch die Kegelbohrung strömende Strahl durchsetzt das Gaspolster im Zwischenraum zwischen Kegeln und den im Flüssigkeitsraum befindlichen Rohren in Form eines Freistrahles und tritt dann in das darunter angeordnete Rohr ein. Der Abstand zwischen jedem der Rohre und der zugeordneten Düse liegt im Bereich von 100-400 mm, bevorzugt im Bereich von 150-250 mm.

In den Rohren wird die Flüssigkeit verwirbelt und tritt kurze Zeit später oben aus dem Rohr wieder aus. Durch die aus jeder Düse kontinuierlich zuströmende Flüssigkeit ist das jeweils zugeordnete Rohr stets mit Flüssigkeit gefüllt. Durch den Freistrahl der Flüssigkeit durch das Gaspolster werden Gasmoleküle mitgerissen und in Form von Gasblasen in das Innere des Rohres einge tragen. Durch die hohen Scherkräfte und Turbulenzen im Rohr kommt es zu einem intensiven Kontakt von Gas und Flüssigkeit infolge dessen sich ein Konzentrationsausgleich bzw. ein Stoffstrom einstellen kann. Aufsteigende Gasblasen werden durch die von oben in das Rohr nachströmende Flüssigkeit zerteilt und wieder nach unten befördert.

Die Verweilzeit der Flüssigkeit in den Rohren ist einerseits abhängig von der Geschwindigkeit der Eindüsung und andererseits vom Verhältnis des Durchmessers der Rohre zum Durchmesser der zugeordneten Düse am Flüssigkeitsaustritt der Düse. Dabei gilt, je größer das Verhältnis des Durchmessers der Rohre zum Durchmesser der zugeordneten Düsen, desto größer ist die Verweilzeit. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Eindüsung sinkt die Verweilzeit bei gleichbleibendem Verhältnis des Durchmessers der Rohre zum Durchmesser der zugeordneten Düse. Bevorzugt liegt das Verhältnis des Durchmessers des Rohres zum Durchmesser der zugeordneten Düse bei 3 bis 8, bevorzugt 3 bis 5, besonders bevorzugt beträgt es 4. Bei Verwendung einer Düse von 10 mm Durchmesser am Flüssigkeitsaustritt wird also vorteilhaft ein Rohr mit 40 mm Durchmesser eingesetzt.

Die Verweilzeit der Flüssigkeit in den Rohren ist dabei erfindungsgemäß kleiner 10 s, bevorzugt kleiner 5 s, besonders bevorzugt kleiner 2,5 s.

Bevorzugt, besonders bevorzugt oder ganz besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, welche von den unter bevorzugt, besonders bevorzugt oder ganz besonders bevorzugt genannten Parametern, Verbindungen, Definitionen und Erläuterungen Gebrauch machen.

Die in der Beschreibung aufgeführten allgemeinen oder in Vorzugsbereichen aufgeführten Definitionen, Parameter, Verbindungen und Erläuterungen können jedoch auch untereinander, also zwischen den jeweiligen Bereichen und Vorzugsbereichen beliebig kombiniert werden.

Die Flüssigkeit fließt aus den Rohren über und sammelt bzw. staut sich im unteren Bereich des Behälters, wo sie durch den Flüssigkeitsaustritt unterhalb der Rohre am Behälterboden austreten kann. Der Flüssigkeitsaustritt am Boden des Mischbehälters ist so dimensioniert, dass die Abströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit aus dem Mischbehälter im Bereich zwischen 50 und 150 m/h, bevorzugt im Bereich von 70 und 90 m/h liegt.

Die im Behälter angestaute Flüssigkeit hat die Funktion eines Blasenfilters. Größere Blasen (d > 100 μm) können nicht mit in den Flüssigkeitsaustritt gelangen, da sie schneller aufsteigen als die Flüssigkeit sich nach unten bewegt. Die Regelung des Füllstandes im Mischbehälter erfolgt durch die Regelung der Gaszufuhr.

Der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter kann über einen Füllstandsmesser geregelt werden. Vorzugsweise wird hierzu eine senkrechte Rohrleitung außerhalb des Mischbehälters kommunizierend mit dem Behälterinneren angeschlossen. Ein Schwimmer in der Rohrleitung kennzeichnet den Füllstand. Bevorzugt ist der Schwimmer magnetisch detektierbar und aktiviert eine Min- und Max-Schaltung. Im Min-Fall wird die Zufuhr von Gas automatisch gestoppt. Im Max-Fall wird die Zufuhr von Gas geöffnet. Der maximale Druck im Behälter lässt sich durch ein Druckminderventil in der Gaszuleitung einstellen.

Durch den Füllstandsmesser in Kombination mit der Min- und Max- Schaltung wird nicht nur der Füllstand des Mischbehälters mit der Flüssigkeit geregelt, sondern auch die ausreichende Versorgung des Mischbehälters mit Gas sichergestellt. Der Flüssigkeit wird auf diese Weise automatisch so viel Gas zugeführt wie durch den Stofftransport verbraucht wird.

Vorteilhaft an den erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden ist, dass sich auch vor der Düse zudosierte Zusatzstoffe in Form von Flüssigkeiten im Bereich von wässrigen Viskositäten problemlos einmischen lassen.

Der Stoffübergang bzw. die Lösung von Gasen erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden mit besonders hoher Raum-Zeit-Ausbeute, weil mit kurzen Verweilzeiten in den Rohren (kleiner 10 Sekunden) z. B. für ein Wasser-Luft-Gemisch eine über 90 %-ige relative Sättigung erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden arbeiten sehr energieeffizient, weil der erzeugte Pumpendruck, durch die Kombination von Düsen und Mischergeometrie in nahezu reine Strömungsenergie und damit in mischungsfördernder Weise umgesetzt wird. Im Gegensatz zur herkömmlichen Rührbehältertechnik wird kein zusätzliches Antriebsaggregat zur Erzeugung einer Rotationsbewegung eingesetzt, wobei Energie in Reibungswärme dissipiert wird. Darüber hinaus ist die Vorrichtung aus sehr einfachen Bauteilen aufgebaut und kann damit äußerst kostengünstig gefertigt werden.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden ist auch, dass durch die Zu- und Abschaltung einzelner Düsenelemente, der Flüssigkeitsdurchsatz und damit der Gaseintrag flexibel geregelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Durchführung von Mischungs- oder Lösungsvorgängen von fluiden Komponenten auch als Mehrphasengemische mit mehr als einer flüssigen und/oder gasförmigen Phase, Oxidationsreaktionen mit gasförmigen Oxidations mitteln sowie anderen chemischen oder physikalischen Reaktionen, wobei darauf zu achten ist, dass

1. die Reaktionsgeschwindigkeit so groß ist, dass die Verweilzeit im kleinen Volumen des Mischbehälters bei den verfahrensbedingt hohen Strömungsgeschwindigkeiten noch ausreicht und
2. die Viskosität der Fluide klein genug ist, um die erforderlichen Turbulenzen zu erzeugen.
3. ein ggf. exothermer Reaktionsverlauf beherrschbar bleibt, indem der Wärmestrom z. B. konvektiv mit dem Flüssigkeitsstrom abgeführt wird, da sonst zur Wärmeübertragung nur die zum Volumenstrom verhältnismäßig kleine Behälterwand zur Verfügung steht.

Bevorzugt eignet Sie sich für physikalische Reaktionen, insbesondere z.B. Lösung von Gasen in Flüssigkeit, chemische Reaktionen, insbesondere z.B. Hydrierung, Oxidationen, sowie hinreichend schnelle Phasengrenzflächenreaktionen.

Figuren und Beispiele
Die Figuren zeigen
1 Mischbehälter mit Einbauten
2 Glattstrahldüse mit Kegel
3 Anlagenfließbild
4 Fotoreihe zur Schaumbekämpfung
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Mischbehälters 1 mit Einbauten. Dabei erfolgt die Einleitung durchflussgeregelt am Kopf des Mischbehälters über eine oder mehrere konventionelle Glattstrahldüsen 3, welche in den Behälterdeckel 2 eingeschraubt sind. Der Strom der zugeführten Flüssigkeit wird zuvor auf einzelne Zulaufrohre 4 aufgeteilt. Im Mischbehälter 1 durchsetzt die Flüssigkeit zunächst das Gaspolster 5 in Form eines Freistrahles und trifft dann auf den Kegel 6. Während ein Teil der Flüssigkeit am Mantel des Kegels 6 entlang strömt und diesen nach unten fortsetzt, strömt der restliche Strahl durch die Kegelbohrung und tritt in das darunter liegende Rohr 7 ein. Dort wird die Flüssigkeit verwirbelt und mit Gasblasen gemischt und tritt kurze Zeit später oben wieder aus. Das Wasser fließt aus den Rohren 7 über und sammelt bzw. staut sich im unteren Bereich 8 des Behälters 1. Die Flüssigkeit tritt durch den Flüssigkeitsaustritt 9 am Boden des Behälters 1 aus.
2 zeigt eine Düseneinheit 3 mit dem fest verbundenen Kegel 6 in einer Detailansicht.
Beispiel 1
In einem Versuch zur Sulfit-Oxidation wurde ein aus Kunststoff gefertigter Behälter entsprechend der 3 in eine Pilotanlage integriert. Es handelte sich um einen 1500 mm langen, senkrecht stehenden, 190 mm innen durchmessenden Rohrreaktor. Im Reaktor wurde konzentrisch ein an vier Stahlstangen befestigtes, 500 mm langes, unten abgeschlossenes Rohr eingehängt, wobei der Abstand zwischen der Oberkante des Rohres und dem Deckel 150 mm betrug.
Dazwischen war ein Kegel mit einer axialen Bohrung angeordnet. Die in den Behälter als Freistrahl eintretende Flüssigkeit traf so zunächst auf den Kegel, wo sie sich in einen Kegelstrahl und einen Freistrahl aufteilte. Dabei wurde der Freistrahl über eine Glattstrahldüse erzeugt. Der Strömungsquerschnitt am Austritt der Düse war kreisförmig und 8 mm im Durchmesser. Der Durchmesser der Kegelbohrung betrug 7 mm. Während der um den Kegelstrahl verringerte Freistrahl in das darunter angeordnete Rohr traf, trifft der Kegelstrahl nahe der Behälterwand direkt auf das Flüssigkeitsreservoir im unteren Teil des Behälters. Der Füllstand im Behälter wurde auf 150 mm unterhalb der Oberkante des Rohres geregelt.
Am Kopf des Behälters war eine Sauerstoffzuführung angeschlossen, wobei der Druck aus der Standleitung mittels eines herkömmlichen Druckminderventils auf 1 barÜ abgesenkt wurde. Daneben war zwischen Druckminderventil und Reaktor noch ein Magnetventil geschaltet, welches bei Erreichen des Max-Füllstandes öffnete und bei Min-Füllstand schloss. Der Druck im Behälter lag dadurch nahezu konstant bei 1 barÜ.
Beispiel 2
Es wurde ein Versuch ähnlich Beispiel 1 durchgeführt, wobei ein spezifischer Energieeintrag von 0,019 kWh/m³ ermittelt wurde. Vergleichszahlen für einen herkömmlichen Injektor liegen bei 0,075 kWh/m³.
Beispiel 3
Es wurde ein Versuch entsprechend Beispiel 1 aber mit einem Luft-Wasser-Gemisch durchgeführt, wobei ein Konzentrationsausgleich bis zu 95 % bez. auf das Lösungsgleichgewicht erzielt werden konnte. Dabei wurde durch variieren verschiedener Düsen-Kegel-Kombinationen außerdem gezeigt, dass nur durch Verwendung des Kegels eine Schaumbildung sicher zu beherrschen ist (siehe auch Fotoreihe in 4).

Claims

Vorrichtungen zur kontinuierlichen Mischung von Fluiden enthaltend – einen Mischbehälter entsprechend den gestellten Druckanforderungen und ggf. mit Heizungs- oder Kühlungsmöglichkeit, – eine oder mehrere Düsen zur Eindüsung von Flüssigkeit in den Mischbehälter am Kopf des Mischbehälters, – je einen Kegel mit oder ohne axiale Bohrung unmittelbar unter jeder Düse und in definiertem Abstand fest mit dieser verbunden, – oben offene und unten, bis auf eine Bohrung im Boden, verschlossene Rohre, die unterhalb jeder Düse im Mischbehälter angeordnet sind, wobei jedem Rohr eine Düse zugeordnet ist, – einen Flüssigkeitsaustritt unterhalb der Rohre am Boden des Mischbehälters.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen Glattstrahldüsen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust an den Düsen unter Betriebsbedingungen kleiner als 1 bar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen Durchmesser von 2 bis 50 mm haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsung der Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 m/s erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers des Rohres zum Durchmesser der zugeordneten Düse im Bereich von 3 bis 8 liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jedem der Rohre und der zugeordneten Düse im Bereich von 100-400 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Flüssigkeit in den Rohren kleiner 10 s beträgt.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für physikalische Reaktionen, chemische Reaktionen, sowie für Phasengrenzflächenreaktionen.