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Verfahren zum Mischen eines Gases mit einer Flüssigkeit Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Mischen eines Gases mit einer Flüssigkeit in einer Mischvorrichtung,
in welcher die Flüssigkeit durch mindestens eine Düse strömt, die wenigstens eine
Öffnung zum Einführen des Gases in den Flüssigkeitsstrom aufweist, und in welcher
ferner das erzeugte Gas-Flfissigkeits-Gemisch durch einen Steigkanal geleitet wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeitsströmung so eingestellt wird, daß sie an der Stelle des Gaseintritts
eine zur Gaseintrittsrichtung senkrechte Geschwindigkeitskomponente v1 aufweist,
welche in Abhängigkeit der Oberflächenspannung , gemessen in dyn/cm, und der Zähigkeit
7y, gemessen in dyn sec/cm2, der Flüssigkeit so gewählt wird, daß ihr Wert, gemessen
in cm/sec, das 20- bis 40fache des Verhältnisseso ist, und daß ferner die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit v2 des - Gas-Flüssigkeits-Gemisches im Steigkanal so in
Abhängigkeit von dessen Höhe H und mittlerer lichter Weite D und des Quotienten
0 aus Summe von Gas-und Flüssigkeitsvolumen und Gasvolumen im Bereich der Eintrittsstelle
des Gemisches in den Steigkanal gewählt wird, daß die Geschwindigkeitv2, gemessen
in cm/sec, größer als der Zahlenwert 3 0 Zu loa D und o kleiner als der Zahlenwert
30 0- O 1og10 log 0 H ist.
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Bei der Behandlung von Gasen mit Flüssigkeiten, und umgekehrt, ist
in den meisten Fällen die Erzielung einer möglichst großen Grenzfläche zwischen
der Gas-und Flüssigkeitsphase von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg und
für die Wirksamkeit des angestrebten Prozesses. Beispiele derartiger Behandlungen
sind die physikalische oder chemische Lösung einer oder mehrerer Komponenten eines
Gasgemisches in einer Flüssigkeit, die chemische Umsetzung eines Gases mit Hilfe
einer Flüssigkeit und/oder mit Hilfe in der Flüssigkeit suspendierter Katalysatoren
und ferner die Austreibung bestimmter, in einer Flüssigkeit gebundener Gase. In
solchen Fällen gestattet eine möglichst große Grenzfläche zwischen der Gas- und
Flüssigkeitsphase, die gewünschten Prozesse in möglichst kleinen Apparaten wirksam
durchführen zu können.
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Bisher sind zu diesen Zwecken Blasenwascher, Sprühwascher, Füllkörperwascher
und Drehwascher verwendet worden. Beim Blasenwascher wird das Gas in Form von kleinen
Blasen durch die Flüssigkeit geleitet. Beim Sprühwascher wird die Flüssigkeit durch
Brausen, Düsen oder andere geeignete Einrichtungen tropfenförmig in den Gasraum
verteilt. Schließlich werden beim Füllkörperwascher die Flüssigkeit und das Gas
in dünne Ströme aufgeteilt, indem man die Flüssigkeit iiber Füllkörper rieseln läßt
und das Gas durch Zwischenräume der Füllkörper mit der Flüssigkeit in Berührung
bringt. Beim Drehwascher wird das Gas mit Flüssigkeitsschichten auf langsam rotierenden
Scheiben in Berührung gebracht, welche teilweise in die Flüssigkeit eintauchen.
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Der Betrieb solcher Einrichtungen ist häufig mit Schwierigkeiten
verbunden, weil die angestrebte Vergrößerung der Berührungsflächen zwischen Flüssigkeit
und Gas bisher nicht über ein bestimmtes, in vielen Fällen ungenügendes Maß gesteigert
werden konnte.
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Beim Blasenwascher läßt sich mit Hilfe der bekannten Betriebsverfahren
der gesamte Wascherinhalt nurspärlich mit feinen Blasen durchsetzen. Versuche zur
Erzielung größerer Blasendichte scheiterte, weil sich die einzelnen Blasen nach
verhältnismäßig kurzer Steigzeit zu größeren Blasen vereinigen, welche schnell durch
den ganzen Steigkanal aufstoßen und so die Grenzflächen zwischen Gas und Flüssigkeit
und die Berührungszeit zwischen einzelnen Gas- und Flüssigkeitsteilchen unzulässig
vermindern.
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Ähnliche Nachteile mußten beim Betrieb der bisher bekannten Sprühwascher
in Kauf genommen werden.
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Wird die pro Zeiteinheit zu zerstäubende Flüssigkeitsmenge vergrößert,
so bilden sich plötzlich ganze Flüssigkeitsschleier, die dann von den entgegenströmenden
Gasen nur in einzelnen großen Löchern durchstoßen werden. Ferner werden zu kleine
Flüssigkeitströpfchen vom Gas weggetragen.
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Bei Füllkörperwaschern läßt sich die Grenzfläche zwischen Gas und
Flüssigkeit dadurch vergrößern, daß die Füllkörper verkleinert werden. Diese Grenzflächenvergrößerung
läßt sich ebenfalls nicht über ein bestimmtes Maß steigern, weil einerseits der
freie Gasraum nicht beliebig verringert werden darf und andererseits je nach der
Oberflächenspannung der Flüssigkeit es früher oder später zum Zusammenfließen der
einzelnen Flüssigkeitsschichten zu den die Kanäle ganz füllenden Flüssigkeitsströmen
kommt.
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Gas und Flüssigkeit bewegen sich dann in getrennten Strömen, wodurch
die innige Berührung aufgehoben wird. Bei Fiillkörperpackungen mit kleineren Füllkörpern
wird zudem mehr Waschervolumen durch die inaktive Masse der Füllkörper ausgefüllt.
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Beim Drehwascher ist die Vergrößerung der Grenzfläche zwischen Gas
und Flüssigkeit durch die wirtschaftliche Größe der Apparaturen begrenzt.
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Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht, die genannten
Nachteile beim Betrieb einer Mischvorrichtung von der Art des genannten Blasenwaschers
auszuschalten und gewährleistet eine der Wirkung von Sprühwascher, Drehwascher und
Füllkörperwascher erheblich überlegene Betriebsweise.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist beispielsweise an Hand einer
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Schnittzeichnung einer Einrichtung zum Mischen
eines Gases mit einer Flüssigkeit; Fig. 2 zeigt eine Mischdüse der in Fig. 1 gezeichnieten
Einrichtung in größerem Maßstab und Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform
einer Einrichtung zum Mischen eines Gases mit einer Flüssigkeit.
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In den Figuren sind Betriebsgrößen der gezeigten Einrichtung veranschaulicht,
welche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens maßgeblich sind.
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Der in Fig. 1 gezeigte Mischturm eignet sich beispielsweise für die
Auswaschung einer Gaskomponente aus einem Gasgemisch mit Hilfe einer Absorptionsflüssigkeit,
z. B. zum Auswaschen von Kohlenmonoxyd mit Hilfe einer kupfersalzhaltigen Flüssigkeit.
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Der Mischturm besitzt eine Kammer 1 für die Aufnahme der durch den
Stutzen 2 eintretenden, von einer nicht gezeichneten Pumpe geförderten Absorptionsflüssigkeit,
ferner einen das Gas führenden Doppelboden 3, welcher von zahlreichen parallel angeordneten
und von der Absorptionsflüssigkeit durchströmten Düsen 4 durchsetzt ist. Diese Düsen
weisen einen in Strömungsrichtung sich zunächst verengenden, dann erweiternden Durchflußquerschnitt
auf. Im Bereich des engsten Düsenquerschnitts kann das Gas durch Öffnungen5 aus
dem Doppelboden3 etwa senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit in die Düsen
eintreten. liter den Düsen befindet sich ein gemeinsamer Steigkanal 6 für das aus
den Düsen 4 austretende Gas-Glüssigkeits-Gemisch. Das Gas gelangt aus einer nicht
gezeigten Quelle durch den Stutzen 7 und den Ringkanal 8, 9 in den Doppelboden 3.
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Infolge der Saugwirkung der Flüssigkeitsströmung im engsten Strömungsquerschnitt
wird Gas aus dem Doppelboden durch die Schlitze 5 in die Düsen 4 eingesaugt und
gelangt in Form von Blasen in den Flüssigkeitsstrom. Damit dieses Ansaugen des Gases
mit möglichst geringem Widerstand vor sich gehen kann, weist, wie Fig. 2 zeigt,
der Querschnitt jeder Düse in der Strömungsrichtung zwischen den unteren Rändern
10 und den oberen Rändern 11 der Schlitze5
eine Erweiterung auf. Diese bewirkt, daß
die Flüssigkeit an den Schlitzen 5 vorbeiströmt, ohne in diese einzudringen, so
daß auf diese Weise eine Verminderung der Saugwirkung durch Rückstauen verhindert
wird. Sollte die Saugwirkung im engsten Querschnitt der Düsen 4 nicht genügen, um
das Gas in gewünschter Weise selbsttätig in die Düsen 4 einzusaugen, kann zusätzlich
noch ein Gebläse für das durch den Stutzen 7 eintretende Gas benutzt werden.
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Das entstehende Gemisch aus Flüssigkeit und in dieser verteilten
Gasblasen strömt anschließend im Steigkanal 6 aufwärts. Während dieser Zeit kann
die Absorptionsflüssigkeit auf die Oberfläche der Gasblasen einwirken und den betreffenden
Bestandteil des Gasgemisches in Lösung aufnehmen. Das von diesem Bestandteil ganz
oder teilweise befreite Gasgemisch entweicht dann im obersten Teil des Mischturmes
durch den Stutzen 12, während die nunmehr diesen Bestandteil enthaltende Absorptionsfiüssigkeit
durch den Stutzen 13 abfließt. Die geschilderte Vorrichtung ist bereits Gegenstand
des deutschen Patents 1 û36 214.
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Zur Erzielung einer möglichst großen Einwirkung der Flüssigkeit auf
das Gas muß das im Steigkanal 6 aufsteigende Flüssigkeits-Gas-Gemisch eine möglichst
große aktive Oberfläche über die ganze Länge des Steigkanals aufweisen, welche durch
die Größe, Anzahl und Verteilung der Blasen im Flüssigkeitsstrom gegeben ist. Es
wurde erkannt, daß durch geeignete Wahl der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
an der Stelle des Gaseintritts in Abhängigkeit der Oberflächenspannungo und der
Zähigkeit der Flüssigkeit eine solche Blasengröße und -verteilung erzielt werden
kann, welche eine erhebliche Vergrößerung der Berührungs- bzw. Grenzfläche pro Volumeinheit
des Ävaschers gegenüber bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen ergibt. Zur
Erzielung dieses Zustandes soll gemäß der Erfindung die Flüssigkeitsströmung derart
eingestellt werden, daß sie an der Stelle des Gaseintritts, d. h. im Bereich der
Schlitze 5, eine zur Gaseintrittsrichtung senkrechte Geschwindigkeitskomponente
7'1 aufweist, deren Wert, gemessen in cm/sec, das 20- bis 40fache des Verhältnisses
er ist. n Für das genannte Anwendungsbeispiel der Auswaschung von Kohlenmonoxyd
mit Hilfe einer kupfersalzhaltigen Flüssigkeit beträgt vorteilhaft diese Geschwindigkeitskomponente
vt 1340 cm/sec oder das 33,5fache des Verhältnisses bei einer Oberflächenspannung
von etwa 80 dyn/cm und einer Zähigkeit von etwa 2 dvn sec/cm2.
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Für einen guten Wirkungsgrad der Einrichtung genügt es aber nicht
allein, ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch mit großer aktiver Oberfläche zu erzeugen.
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Vielmehr muß die Flüssigkeitsströmung im Steigkanal derart eingestellt
werden, daß das über dem Düsenboden gebildete Gas-Flüssigkeits-Gemisch stabil durch
den Steigkanal aufsteigt, und zwar während mindestens eines solchen Zeitintervalls,
das für die Durchführung der beabsichtigten Reaktion ausreicht.
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Die Gasblasen dürfen also sich nicht zu größeren Blasen vereinigen,
welche rasch aufsteigen und die aktive Oberfläche des Gemisches zerstören.
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Hier wurde nun erkannt, daß die geeignete Wahl der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
v2 v, des Flüssigkeits-Gas-Gemisches im Steigkanal in Abhängigkeit von dessen Höhe
H und dessen mittlerer lichter Weite und der Volumenanteile des Gases und der Flüssigkeit
die Aufrechterhaltung eines stabilen
Gemisches über die ganze Länge
des Steigkanals ermöglicht. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren soll zu diesem
Zweck die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v2 des erzeugten Gemisches im Steigkanal
so in Abhängigkeit von der Höhe H und dem Durchmesser D des Steigkanals und des
Quotienten 6 aus Summe von Gas- und Flüssigkeitsvolumen und Gasvolumen im Bereich
der Eintrittsstelle des Gemisches in den Steigkanal gewählt werden, daß die Geschwindigkeit
V2 in cm/sec größer als der Zahlenwert 3. 0 zu log10 f und kleiner als der Zahlenwert
D 30 0 ist.
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So beträgt zweckmäßig die Geschwindigkeit V2 in cm/sec beim genannten
Anwendungsbeispiel der Auswaschung von Kohlenmonoxyd 26,1 cm/sec und damit das 23,8fache
des Zahlenwertes O log,,H H bei einem Quotienten 0 von 1,33 und einem Verhältnis
der Höhe H zum Durchmesser D von 6,66. Die Einhaltung dieser Geschwindigkeit ermöglicht,
über die ganze Höhe des Steigkanals einen stabilen Blasenstrom zu erzielen.
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Ein weiteres mögliches Anwendungsbeispiel betrifft die Absorption
von Kohlensäure aus einem Gasgemisch mit Hilfe einer Waschflüssigkeit, welche Kaliumkarbonat
und Soda enthält. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit beträgt etwa 70 dyn/cm
und die Zähigkeit etwa 1,6 dyn sec/cm2. Der Quotient e aus der Summe von Gas- und
Flüssigkeitsvolumen im Bereich der Eintrittsstelle des Gemisches in den Steigkanal
beträgt 1,835 und das Verhältnis der Höhe H zur mittleren lichten Weite D des Steigkanals
8,33.
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Nach der Erfindung ist die Flüssigkeitsströmung so eingestellt, daß
sie an der Stelle des Gaseintritts eine zur Gaseintrittsrichtung senkrechte Geschwindigkeitskomponente
v1 besitzt, deren Wert das 20- bis 40fache <7 des Verhältnisses - beträgt. Eine
besonders günstige Anzahl, Größe und Verteilung wurde mit einer Geschwindigkeitskomponente
vj von 1300cm/sec erzielt; dieser Wert beträgt das 29,8fache des Verhältnisseso.Ein
stabiles Gas-Flüssigkeis-Gemisch konnte durch die Wahl einer Geschwindigkeit v2
von 14,1 cm/sec erreicht werden. Diese Geschwindigkeit beträgt in cm/sec das 8,4fache
des Zahlenweftes O log,, Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung Teile einer anderen
Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die mit einem Gas zu mischende Flüssigkeit gelangt durch die Leitung 21 in das Innere
des Stutzens 22 der Mischeinrichtung. Hier strömt sie an der Wand 23 vorbei, welche
mit t)ffnungen 24 zum Einführen des Gases versehen ist. Das Gas strömt aus der Leitung
25 in die Eintrittsöffnungen 24 und tritt hier in Form von feinen Blasen in den
Flüssigkeitsstrom. Die Eintrittsrichtung des Gases in die Flüssigkeit steht senkrecht
zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit. Das erzeugte Gas - Flüssigkeits - Gemisch
gelangt anschließend in den zylinderförmigen Steigkanal 26 von der Höhe H und dem
Durchmesser D. An der Oberfläche trennen sich Gas- und Flüssigkeitsströme und verlassen
die Mischeinrichtung durch Stutzen 27 bzw. 28.
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Nach der Erfindung wird zwecks Erzielung eines (Sas-Flüssigkeits-Gemisches
mit großer aktiver Ober-
fläche die Flüssigkeitsströmung so eingestellt, daß sie
an der Stelle des Gaseintritts eine Geschwindigkeit vt aufweist, welche in Abhängigkeit
der Oberflächenspannung a und der Zähigkeit 71 der Flüssigkeit so gewählt ist, daß
ihr Wert das 20- bis 40fache des Ver-<7 hältnisses - beträgt. Im Hinblick auf
den infolge Grenzschichtbildung an der Wand 23 sich bildenden Geschwindigkeitsgradient
sei festgehalten, daß die Flüssigkeitsströmung mindestens im Abstand des 2fachen
Durchmessers d der Gaseinfuhröffnung die vorgeschriebene Geschwindigkeit vl aufweisen
soll.
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Nach der Erfindung ist zur Erzielung einer stabilen Blasenverteilung
im Steigkanal die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v2 des Gas-Flüssigkeits-Gemisches
im Steigkanal so in Abhängigkeit von dessen Höhe H und mittlerer lichter Weite D
und des Quotienten 0 aus Summe von Gas- und Flüssigkeitsvolumen und Gasvolumen im
Bereich der Eintrittsstelle des Gemisches in den Steigkanal gewählt, daß die die
Geschwindigkeit V2 größer als 3. 0 6) log10 D und kleiner als 30. 0 zu logo0 DH
ist.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft,
an der Stelle des Gaseintritts in die Flüssigkeit die Gaseintrittsrichtung senkrecht
zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit zu wählen. Die Gaseintrittsrichtung könnte
aber auch schräg zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit liegen, sofern die zur Gaseintrittsrichtung
senkrechte Geschwindigkeitskomponente vi der Flüssigkeitsströmung den Bedingungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung könnten auch Einrichtungen
verwendet werden, bei denen die Gas einführung mit Hilfe anders geformter Düsen
erfolgt. So könnten beispielsweise die Gaseinfuhröffnungen durch Perforationen einer
rotierenden Trommel gebildet sein, deren Umfangsgeschwindigkeit die für die Geschwindigkeit
vt gemäß vorliegender Erfindung festgelegten Werte aufweisen muß. Auch wäre es möglich,
für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Einrichtung mit nach
oben oder unten konisch ausgebildetem Steigkanal zu verwenden. Auch wäre es möglich,
den Querschnitt des Steigkanals durch Blecheinsätze zu unterteilen.
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Neben den genannten Anwendungsfällen eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren vorteilhaft für die Reinigung von Trinkwasser und Abwasser. Bei der Trinkwasserreinigung
kann Luftsauerstoff oder Ozon mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durch das
Wasser geleitet werden. Dadurch kann in bekannter Weise eine Entkeimung erzielt
werden. Bei der Abwasserreinigung wird vorteilhaft Luft durch das Wasser geleitet,
wobei an das Vorhandensein von Sauerstoff gebundene Aeroben sich entwickeln können,
mit deren Hilfe im Wasser enthaltene pflanzliche und tierische Stoffe ausgefällt
werden.
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, das Gas und die Flüssigkeit
unter Druck in die Mischvorrichtung einzuführen und in der Gasaustrittsleitung ein
Drossel-«-entil anzuordnen. Damit kann der Mischvorgang unter erhöhtem Druck stattfinden,
z. B. unter 4 bis 6 kg/cm2, wobei die vergrößerte Mengenkonzentration des Gases
im Gemisch die gewünschte Reaktionswirklang verstärkt. pns erfind1mgsgemäße Verfahren
eignet sich ferner vorteilhaft für die Durchführung chemischer Reaktionen
zwischen
verschiedenen Gasen unter Einwirkung eines Katalysators. Hierbei werden die Gase
als Gemisch gemäß dem Verfahren nach der Erfindung durch eine Flüssigkeit geleitet,
welche einen Katalysator zur Auslösung bzw. Verstärkung der gewünschten Reaktion
in Suspension enthält. Der Rühreffekt der in der Flüssigkeit aufsteigenden Gasblasen
erleichtert gleichzeitig, den Katalysator in Suspension zu halten.