DE1283198B - Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen in fluessigen Medien unter Anwendung von Teilstrom-Mischkreislaeufen mit Nachreaktionskammer - Google Patents

Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen in fluessigen Medien unter Anwendung von Teilstrom-Mischkreislaeufen mit Nachreaktionskammer

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DE1283198B
DE1283198B DEF49704A DEF0049704A DE1283198B DE 1283198 B DE1283198 B DE 1283198B DE F49704 A DEF49704 A DE F49704A DE F0049704 A DEF0049704 A DE F0049704A DE 1283198 B DE1283198 B DE 1283198B
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Dr Franz Cramer
Horst Katzbach
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FRIEDRICHSFELDER ABWASSER U VE
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Description

  • Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in flüssigen Medien unter Anwendung von Teilstrom-Mischkreisläufen mit Nachreaktionskammer Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen in flüssigen Medien geringerer und größerer Konzentration. Im einzelnen bezieht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die Durchführung solcher chemischer Reaktionen, bei denen große Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit hindurchgeleitet werden. Im Vergleich zu den zum Zwecke des Reagierens durch die Vorrichtung hindurchgeführten großen Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit ist der Raumbedarf der Vorrichtung infolge der Anwendung des an sich bekannten Prinzips der Flüssigkeits-Mischkreisläufe relativ klein.
  • Bekanntlich sind bei der Übertragung von Laborversuchen mit rasch verlaufenden chemischen Reaktionen in flüssigen Medien geringer Konzentration auf mit großen Mengen durchgeführte technische Großverfahren besondere Umstände zu beachten.
  • Bei der Durchführung der oben beschriebenen chemischen Reaktionen, also beispielsweise von Ionenreaktionen, Oxydations- und Reduktionsvorgängen, im großen Maßstab, müssen die im folgenden aufgeführten Forderungen weitgehend erfüllt sein: a) Die Mischungsgeschwindigkeit soll im Verhältnis zur Reaktionsgeschwindigkeit solcher Reaktionen möglichst groß sein, damit die Medien nicht länger in der Vorrichtung verweilen müssen, als es die chemische Reaktion erfordert.
  • Je mehr diese Forderung erfüllt ist, desto kleiner ist der Strömungsweg der Medien in der Vorrichtung, und desto geringer ist deren Platzbedarf; b) der Vermischungsvorgang der Medien vor und während der Reaktionen soll gleichförmig erfolgen, d. h., die Konzentration soll über dem Strömungs- bzw. Mischungsquerschnitt möglichst gleichmäßig verlaufen. Dies ist besonders wichtig bei bestimmten chemischen Reaktionen, die nur bei sehr kleinen Konzentrationen verlaufen oder bei denen bei großen örtlichen Konzentrationen im Mischungsbereich unerwünschte chemische Erscheinungen auftreten, wie z. B. die Bildung von stark giftigem, gasförmigem Chlorcyan, das bei hoher Konzentration von Cyanid bei der Abwasseraufbereitung entsteht; c) die chemischen und mechanischen Größen, die die Durchführung des Verfahrens kennzeichnen, müssen an allen wichtigen Stellen der Vorrichtung bzw. in jedem wichtigen Stadium des Verfahrens mit entsprechenden Meßorganen gut meßbar sein. Diese Werte sind beispielsweise der pH-Wert, das Redoxpotential, die Strömungsgeschwindigkeit, Wirbelgeschwindigkeit, die Drücke an verschiedenen Stellen des Pump-und Kreislaufsystems oder Temperaturen; d) die Vorrichtung muß regelbar sein sowohl bezüglich der Durchsatzmenge als auch bei verschiedenen chemischen Reaktionen. So muß eine derartige Vorrichtung, die auf Grund ihrer Pumpenanordnung einen bestimmten maximalen Durchsatz erreicht, sowohl bei sehr geringem Durchsatz und einer bestimmten chemischen Reaktion als auch bei maximalem Durchsatz und einer anderen chemischen Reaktion gleichermaßen gute Ergebnisse bezüglich der Durchführung des Verfahrens ergeben. So muß bei einer bestimmten, sehr schnell verlaufenden chemischen Reaktion der Durchsatz in weiten Grenzen regelbar sein, ohne daß an irgendeiner Stelle der Vorrichtung unerwünschte Nebenerscheinungen auftreten, wie z. B. starke Konzentrationsgefälle oder örtliche Wirbel, in deren Kernen nicht reagierte Mediummengen fortgespült werden können; e) die Vorrichtung muß weitgehend automatisch regelbar sein, und zwar unter Mitverwendung der unter c) erwähnten Meßorgane; f) bei zu behandelnden Flüssigkeiten großer Konzentration müssen diese Konzentrationen vor der eigentlichen chemischen Reaktion verdünnt werden. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es vorteilhaft, diese Verdünnung im Reaktor selbst bzw. durch eine besondere Strömungsführung vorzunehmen und nicht durch eine Zuführung von Verdünnungsmedien von außen.
  • Die erwähnten chemischen Reaktionen treten in großem Umfang bei der Abwasseraufbereitung auf.
  • Es ist ein Verfahren bekannt, das zur Herstellung von Salzen aus miteinander reagierenden Gasen und Flüssigkeiten bei großen, entstehenden Wärmemengen dient und das auf dem Prinzip der Mischkreisläufe beruht. Bei diesem bekannten Verfahren wird gasförmiges Ammoniak (NH3) in schwache Lauge unter Wärmeabfuhr eingeleitet. Das Reaktionsprodukt wird in einem Behälter mit Säure neutralisiert, wobei ein Teil dieses Reaktionsproduktes teilweise in den gekühlten Behälter und teilweise in einen zweiten, säurebeschickten Behälter eingeleitet wird. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch lediglich als Verdünnungsverfahren sinnvoll. Zur Lösung der vorerwähnten Aufgaben unter a) bis f) ist es jedoch nicht geeignet, da außerdem keine Vorrichtungen bekannt sind, die in Verbindung mit dem bekannten Verfahren die obenerwähnten Aufgaben lösen würden.
  • Es ist auch ein Verfahren bekannt zur Mischung beliebiger Medien und Herstellung von Reaktionsprodukten in einer Mischkammer, die derart ausgebildet ist, daß das durch die Kammer durchströmende Medium am Austritt teilweise umgelenkt wird und zurückströmt, wodurch an den Grenzschichten des vor-und zurückströmenden Mediums große Turbulenz und damit starke Vermischung stattfindet. Dieses bekannte Verfahren weist keine Teilkreisläufe auf, weswegen es mit dieser bekannten Vorrichtung nicht möglich ist, durch Messung der Reaktionsdaten die Mediummengen zu steuern, so daß die eingangs aufgeführten Aufgaben a) bis f) hiermit nicht lösbar sind.
  • Ebenfalls zum Stand der Technik zählt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung eines Reaktionsvorganges von reagierenden Medien, die in einen Behälter durch eine Düse eingespritzt werden. Dieses bekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind jedoch nicht dazu geeignet, langsam verlaufende Reaktionen bei großem Durchsatz pro Zeiteinheit durchzuführen. Die Düse wird durch die Drücke in der Düsenzuleitung und in der Austrittsleitung gesteuert. Das reagierte Medium wird in der Nähe des Düsenaustritts entnommen, so daß bei änderungen des Durchsatzes oder der Konzentration kein gesteuerter und kontrollierter Reaktionsgrad des austretenden Mediums gewährleistet ist.
  • Viele der bei der Äbwasserreinigung auftretenden chemischen Reaktionen sind Ionenreaktionen, bei denen beim Zusammentreffen bzw. beim Zusammenstoßen der Reaktionspartner sofort eine Reaktion eintritt. Die Reaktionszeit zweier Reaktionspartner ist sehr klein. Die Reaktionszeit eines bestimmten Mediumvolumens hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der alle entsprechenden Reaktionspartner miteinander in Berührung gebracht werden. Dies bedeutet, daß bei Durchmischung der reagierenden Medien die erforderliche Reaktionszeit für ein bestimmtes Mediumvolumen um so kürzer ist, je größer der Grad der Turbulenz während der Mischung ist.
  • Bei den seither verwendeten Becken wird die Vermischung durch Rührwerke erreicht. Die Vermischung mit Hilfe von Rührwerken erfolgt langsam und ungleichmäßig, so daß oft die Zeit nicht ausreicht, in der ein Mediumvolumen im Reaktionsbecken verbleibt, um alle Teilchen des Volumens zur Reaktion zu bringen. Es wird deshalb bisher, an- schließend an das Reaktionsbecken, ein Nachreaktionsbecken angeordnet, in dem das Medium längere Zeit verweilt, so daß auch die letzten, noch nicht reagierten Volumen reste mit größter Sicherheit mit einem entsprechenden Reaktionspartner zusammentreffen. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, besteht die Vorschrift, daß die Verweilzeit im Reaktionsbecken mindestens 5 bis 15 Minuten und im Nachreaktionsbecken 20 bis 40 Minuten betragen muß.
  • Der Raumbedarf solcher unterteilter Becken ist deshalb sehr groß. Weitere erhebliche Nachteile der Bekkenanordnung sind die schlechte Erfaßbarkeit der Meßwerte durch Meßsonden bzw. durch Meßelektroden infolge der trägen, ungleichmäßigen Vermischung mit Rührwerken und die Gefahr der schlechten Steuerung des Zusatzes von Chemikalien bei kleinerem Durchsatz als dem maximalen, für den das Becken konstruiert ist. So kann bei diesen Bekken leicht eine Übersteuerung, beispielsweise bei der Zugabe von Säure und Lauge, dergestalt erfolgen, daß bei sehr geringem Durchsatz durch das Becken bei gleichbleibendem Rühr- und Mischvorgang die Meßsonde abwechselnd größere Zugaben von Lauge und Säure auslöst, so daß unnötig viel Chemikalien verbraucht werden und entsprechende große Mengen von Salz entstehen. Bei sehr hoher Konzentration dagegen können sich in den Ecken Konzentrationswolken bilden, die nicht genügend mit dem Reagenz vermischt werden und nur teilweise neutralisiert durchlaufen.
  • Es wurde bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieser chemischen Reaktionen vorgeschlagen, wodurch zwar die Nachteile der sehr unbefriedigend arbeitenden Vorrichtungen des Standes der Technik. die einfach auf maßstäblich vergrößerten Laborverfahren beruhen, beseitigt werden, die jedoch nicht alle unter a) bis f) aufgeführten Forderungen erfüllen, die an ein derartiges Verfahren und an die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gestellt werden.
  • Wie bereits erwähnt, werden zum großen Teil die Nachteile der Beckenanordnungen durch das bereits vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung überwunden. Jedoch auch dieses vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung weisen verschiedene Nachteile auf, die nachstehend im einzelnen aufgeführt werden: Die Bauform der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung mit zylindrischem Oberteil und konisch verjüngtem Unterteil ist herstellungstechnisch ungünstig und raumverschwendend, da die Differenz des Raumes zwischen dem ganzen Zylinder und dem konischen Unterteil nicht genutzt ist. Der Austritt des reagierten Mediums aus der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgt an einer Stelle, die über dem Flüssigkeitskreislauf liegt, der innerhalb des Behälters von der oberen Düse nach der unteren Absaugöffnung gerichtet ist. Die Flüssigkeit im Behälter wird durch den aus der Düse austretenden, tangential gerichteten Strahl in Drehung um die vertikale Symmetrieachse des Behälters versetzt. Die rotierende Flüssigkeit bildet im Extremfall einen Potentialwirbel, dessen radiale Geschwindigkeitsverteilung im ungestörten Bereich weitgehend der mathematischen Beziehung: tangentiale Geschwindigkeit Radius = konstant entspricht. Die wirkliche Wirbelform bzw. deren Gesetzmäßigkeit hängt von der Zähigkeit und weiteren Faktoren ab.
  • Bei einem reinen Potentialwirbel besteht entsprechend dessen radialem Geschwindigkeitsverlauf auch eine bestimmte Verteilung des statischen Druckes in radialer Richtung, der die flächenmäßige Verteilung von Teilchen mit unterschiedlichem spezifischem Gewicht beeinflußt. Dies gilt für feste Teilchen, für Flocken und für Wolken aus Medium mit unterschiedlicher Konzentration. Das oben austretende reagierte Medium ist ein Teil des aus der Düse ausströmenden Mediums. Sein Volumen pro Zeiteinheit entspricht genau dem Volumen, das von der Pumpe, beispielsweise als Abwasser, angesaugt wird. In jedem Fall muß bei der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung der gesamte Kreislauf einschließlich der angesaugten Flüssigkeitsmenge durch die Pumpe laufen, deren Durchsatz und somit deren Baugröße größer ist als in dem Fall, in dem nur die angesaugte, zu reagierende Flüssigkeitsmenge in den Behälter gepumpt werden muß. Nachteilig ist außerdem das Ansaugen der zu reagierenden Flüssigkeit in der Pumpensaugleitung durch Drosselung des Kreislaufes vor der Reaktorpumpe, da die angesaugte Flüssigkeitsmenge regeltechnisch stets durch die Kreislaufverhältnisse bestimmt ist. Hierdurch ergeben sich Schwierigkeiten bei der Regelung des Durchsatzes der zu reagierenden Flüssigkeit bei veränderten chemischen Reaktionen. Auch die Anordnung eines kommunizierenden Gefäßes am Ablauf der reagierten Flüssigkeit, das als kommunizierendes Rohr das Leerlaufen verhindern soll, bedeutet einen Nachteil bezüglich des baulichen Aufwandes.
  • Ebenfalls als Nachteil ist die Zuführung der Chemikalien in die Reaktordüse anzusehen, da infolge des einfachen Anschlusses der Chemikalienleitung an die Saugleitung eine Dosierung durch den dort herrschenden Unterdruck erfolgt. Dieser Unterdruck ist jedoch so klein, daß die Chemikalienbehälter zur Erzeugung eines Druckes infolge Höhenunterschied hochgestellt werden müssen. Eine Regelung der Dosierung ist schwierig, da der von der Pumpe erzeugte Kreislauf, die angesaugte, zu reagierende Flüssigkeit und die zugeführte Chemikalienmenge regeltechnisch miteinander in Beziehung stehen.
  • An diesen Stand der TechnikEnüpft die vorliegende Erfindung an, indem eine Vorrichtung zur Durchfiihrung chemischer Reaktionen in flüssigen Medien unter Anwendung von Teilstrom-Mischkreisläufen mit Nachreaktionskammer vorgeschlagen wird, die imstande ist, die eingangs unter a) bis f) aufgeführten Aufgaben zu lösen, wodurch nicht nur die Nachteile des Standes der Technik überwunden, sondern auch wesentliche Vorteile hinsichtlich Herstellung der Vorrichtung sowie bezüglich der Regelung und des Energiebedarfs gewonnen werden.
  • Diese Vorrichtung, die einen aus mehreren Kammern bestehenden Reaktor mit einer Nachreaktionskammer, eine Pumpe und Regelorgane für die Zuführung der Reaktionspartner enthält, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein vertikal angeordneter Zylinder in eine obere Reaktionskammer, eine untere Reaktionskammer und eine Seitenkammer unterteilt ist, wobei die Nachreaktionskammer von der Reaktionskammer durch eine Trennwand getrennt ist, die eine zur Längsachse des Reaktors konzentrische Öffnung aufweist, die größer ist als der Durchmesser eines durch diese Öffnung und die obere Abdeckung der Reaktionskammer hindurchgeführten, unten offenen Steigrohres, während die unten im Bereich der Nachreaktionskammer offene Seitenkam- mer oben im Bereich der Reaktionskammer eine Öffnung aufweist, in der eine Düse mit in die Reaktionskammer tangential hineinführender Strahlrichtung angeordnet ist.
  • Die Trennung weist in der Mitte eine Öffnung mit Strömungsleitschaufeln auf.
  • Ein innerer Kreislauf entsteht dadurch, daß ein Teil der reagierten Flüssigkeit aus der Nachreaktionskammer in den unteren Teil der Seitenkammer eintritt. Hierdurch und durch die Injektorwirkung der Düse, die die Flüssigkeit der Seitenkammer mitreißt, entsteht eine Abwärtsbewegung der rotierenden Flüssigkeit von der oberen Reaktionskammer durch die Öffnung der Trennwand und durch die Öffnung der Seitenkammer wieder nach oben.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus einem vertikal angeordneten Behälter in Form eines Kreiszylinders besteht, der unterteilt ist in eine Reaktionskammer, eine Nachreaktionskammer und eine Seitenkammer, wobei die untere Nachreaktionskammer von der oberen Reaktionskammer durch eine Trennwand getrennt ist, die eine zur Längsachse des Reaktors konzentrische Öffnung aufweist, die größer ist als der Durchmesser des durch diese Öffnung hindurchgeführten, unten offenen Steigrohres, dessen Längsachse mit der Längsachse des Reaktors identisch ist, während die unten im Bereich der Nachreaktionskammer offene Seitenkammer oben im Bereich der Reaktionskammer eine Öffnung aufweist, in der die Düse injektorartig angebracht ist und deren Strahlrichtung zu einem tangentialen Durchmesser angeordnet ist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Reaktionskammer.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform ist unterhalb der Öffnung eine kreisförmige Platte am Steigrohr befestigt, auf der vom Steigrohr radial ausgehende Leitschaufeln angebracht sind, deren Anordnung im Grundriß eine solche ist, daß die Drehrichtung der durch die Leitschaufeln strömenden Flüssigkeit der Drehrichtung der Flüssigkeit in der Reaktionskammer entgegengerichtet ist, die dort infolge der Anordnung der Düse entsteht.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Pumpendruckleitung eine Leitung angeschlossen ist, in der ein Strahlsauger angeordnet ist, der Anschlüsse für die Reagenzien-Leitungen aufweist, die einzeln mit Absperrventilen versehen sind, wobei die vom Strahlsauger aus weitergeführte Leitung an der Pumpen-Saugleitung angeschlossen ist.
  • Weitere Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert; es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, F i g. 2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung und F i g. 3 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung nach F i g. 2.
  • Die Pumpe 1 saugt mit der Pumpen-Saugleitung 15 die mit Chemikalien zu behandelnde bzw. zu reagierende Flüssigkeit an und drückt diese durch die Pumpen-Druckleitung 16 in die Düse 2, die in der Wand des Reaktors 3 befestigt ist, und zwar oberhalb der Trennwand 4. Der Reaktor 3 ist völlig mit Flüssigkeit angefüllt. Der Strahl der Düse 2 tritt infolge der Anordnung der Düse tangential aus, reißt durch die Injektorwirkung die in der Seitenkammer 3b befindliche Flüssigkeit mit und versetzt die Flüssigkeit in der Reaktionskammer 3 c in Rotation.
  • Hierbei findet eine Vermischung der aus der Düse 2 austretenden, der aus der Seitenkammer 3b ausströmenden und der rotierenden Flüssigkeit statt, wobei die vektorielle Geschwindigkeitsdifferenz des Düsenstrahls und der rotierenden Flüssigkeit ein Maß für den Mischungseffekt bildet. Die rotierende Flüssigkeit bewegt sich abwärts gegen die Trennwand 4 zu und strömt durch die Öffnung 4 a in der Trennwand in die Nachreaktionskammer 3 a. Die Symmetrie-Längsachse des im Querschnitt kreisförmigen Reaktors ist mit der Längsachse des gleichfalls im Querschnitt kreisförmigen Steigrohres 5 identisch. Die kreisförmige Öffnung 4 a ist konzentrisch zu dem Steigrohr 5 angeordnet. Auf einer am Steigrohr 5 befestigten Platte 25 sind mehrere Leitschaufeln 11 angebracht. Die Flüssigkeit kann aus der Reaktionskammer 3 c nur durch den Spalt zwischen der Platte 25 und der Trennwand 4 in die Nachreaktionskammer 3 a einströmen. Die in diesem Bereich angeordneten Leitschaufeln sind auf solche Weise ausgerichtet, daß der Drehsinn der Rotation der in die Nachreaktionskammer 3 a einströmenden Flüssigkeit dem Drehsinn in der Reaktionskammer 3 c entgegengerichtet ist. Durch diese Leitschaufelanordnung wird eine völlige Durchmischung der konzentrischen Strömungsschichten der in der Reaktionskammer 3 c rotierenden Flüssigkeit erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß erstens die Öffnung 4 a in der Mitte des Rotationsfeldes angeordnet ist und zweitens die Rotationsrichtung durch die Leitschaufeln 11 umgekehrt wird. Durch diese Anordnungen wird die Strömungsschicht, die in der Reaktionskammer 3 c die innere war, in der Nachreaktionskammer 3 a die äußere bilden, wobei im Leitschaufelbereich eine örtliche, intensive Verwirbelung bzw. Durchmischung stattfindet.
  • Die Flüssigkeit wandert in der Nachreaktionskammer 3 a abwärts gegen den Boden des Reaktors zu und tritt teilweise in das Steigrohr 5 ein, das in einem bestimmten Abstand über dem Reaktorboden endet, während der andere Teil der Flüssigkeit in die unten offene Seitenkammer 3b strömt. Die Seitenkammer 3b weist oben im Bereich der Reaktionskammer eine Öffnung 12 auf, in die die Düse 2 injektorartig hineinragt, so daß durch den aus der Düse 2 austretenden Strahl die Flüssigkeit in der Seitenkammer 3b mitgerissen wird. Der Reaktor ist im Betrieb allseitig geschlossen. Durch die Strahlenergie der Düse 2 wird ein kleiner Überdruck im Reaktor erzeugt, der den Höhenunterschied zwischen dem Flüssigkeitsniveau im Reaktor und der Leitung 23 überwindet, durch die in Richtung des Pfeiles 24 die im Reaktor behandelte bzw. reagierte Flüssigkeit abströmt. Im unteren Teil der Nachreaktionskammer 3 a ist ein Anschluß 8 für eine Leitung angebracht, die an die Pumpen-Saugleitung 15 angeschlossen ist und in der das Absperrventil 13 und das Regelventil 14 angeordnet sind. Aus der Pumpen-Druckleitung 16 wird ein Flüssigkeitsteilstrom entnommen und durch eine Leitung, in der das Regelventil 17 angeordnet ist, dem Strahlsauger 6 zugeführt, an dessen Sauganschlüssen die Zuführungsleitungen der Chemikalienbehälter angeschlossen sind. In diesen Leitungen sitzen die Absperrventile 7, die ebenso wie das Ventil 13 magnet- oder pilotgesteuert ausgeführt sein können. Der im Strahlsauger 6 mit Chemikalien versetzte Teilstrom tritt in die Saugleitung 15 der Pumpe ein und wird in der Pumpe mit der zu behandelnden Flüssigkeit gemischt und vorverdünnt.
  • In der Mischzone der Reaktionskammer 3 c ist die Meßsonde 9 zur Messung des pH-Wertes und im Steigrohr 5 die Meßsonde 10 zur Messung des EndpH-Wertes angeordnet.
  • Der Pfeil 19 zeigt die Richtung des Düsenstrahls, der Pfeil 20 die Richtung der Strömung in der Seitenkammer, der Pfeil 21 die Richtung der Strömung durch die Leitschaufeln 11 und die Pfeile 22 die Richtung der Strömung in das Steigrohr 5 an.
  • Es können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei verschiedene Betriebsweisen durchgeführt werden, nämlich a) Betrieb mit innerem Kreislauf, b) Betrieb mit gemischtem innerem und äußerem Kreislauf.
  • Bei Betrieb mit innerem Kreislauf, der hauptsächlich für chemische Reaktionen angeordnet wird, die bei schwacher Konzentration verlaufen, ist das Absperrventil 13 geschlossen. Ein Teil der von der Pumpe 1 angesaugten Flüssigkeit wird im Strahlsauger 6 mit entsprechenden Reagenzien versetzt und in die Pumpen-Saugleitung 15 geleitet. Dort findet bereits eine Vorverdünnung der Chemikalien statt. In der Reaktionskammer 3 c vollzieht sich die schnelle Einspeisung der vorverdünnten Chemikalien in die Reaktorflüssigkeit. Während sich die gemischte, in Drehung versetzte Flüssigkeit abwärts bewegt, vollzieht sich die chemische Reaktion. Etwa vorhandene Konzentratwolken werden beim Durchgang durch die Leitschaufeln verwirbelt, wodurch im unteren Teil der Nachreaktionskammer 3 a eine völlig homogene Flüssigkeit teils in das Steigrohr 5 und teils in die Seitenkammer 3b strömt. Der innere Kreislauf besteht demnach aus der gesamten abwärts bewegten Flüssigkeit in der Reaktionskammer 3 c und Nachreaktionskammer 3 a und aus der aufwärts gerichteten Strömung in der Seitenkammer 3 b. Die aus der Leitung 23 austretende Flüssigkeitsmenge entspricht der von der Pumpe 1 angesaugten Menge.
  • Der Betrieb unter Zuhilfenahme eines äußeren Kreislaufes wird vorzugsweise in den Fällen angewandt, wenn die von der Pumpe 1 angesaugte Flüssigkeit mit der am Anschluß 8 entnommenen, bereits reagierten Flüssigkeit aus chemischen Verfahrensgründen vorverdünnt werden muß. Das Absperrventil 13 ist geöffnet. Mit dem Regelventil 14 wird die gewünschte Menge für den Kreislauf eingestellt.
  • Die von der Pumpe 1 angesaugte Flüssigkeitsmenge enthält also zugleich die Flüssigkeit des äußeren Kreislaufes, so daß sich der Durchsatz des Reaktors um diese Menge vermindert. Die aus der Leitung 23 austretende Menge entspricht nämlich der angesaugten, zu behandelten Flüssigkeitsmenge.
  • Die im Strahlsauger 6 zudosierten Reagenzien bestehen z. B. aus Säure, Lauge, Oxydations- oder Reduktionsmitteln u. a.
  • Soll beispielsweise eine von der Pumpe 1 angesaugte Säurelösung mit Lauge neutralisiert werden, so wird in den hinter der Pumpe abgezweigten Teilstrom im Strahlsauger 6 die konzentrierte Lauge zugesetzt. Der mit Lauge versetzte Teilstrom vermischt sich in der Pumpen-Saugleitung 15 mit der Säurelösung und gelangt durch die Düse 2 in den Reaktionsraum 3 c. Die Düse 2 und die öffnung 12 bilden einen Strahlsauger. Dieser Strahlsauger ist so gestaltet, daß aus der Seitenkammer eine bereits neutralisierte Flüssigkeitsmenge austritt, die etwa zehnmal so groß ist wie die aus der Düse 2 austretende.
  • Ist die Konzentration der von der Pumpe 1 angesaugten Säurelösung sehr groß, so kann der äußere Kreislauf angewandt werden, in dem am Anschluß 8 eine bestimmte, bereits neutralisierte Flüssigkeitsmenge entnommen und der angesaugten Säurelösung vor der Pumpe zugemischt wird. Auf diese Weise wird die Säure vorverdünnt.
  • Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann von Hand oder automatisch geregelt werden.
  • Die Meßwerte werden den Meßsonden 9 und 10 entnommen. Die Meßsonde 9 mißt den pH-Wert beim Mischvorgang in der Reaktionskammer. Steigt der gemessene pH-Wert, so muß mehr Lauge zugesetzt werden, was durch entsprechende Betätigung der Ventile 7 erfolgt. Der Ausgleich durch erhöhte Laugenzufuhr erfolgt sehr schnell, da die Strömungsgeschwindigkeit in den Leitungen im Vergleich zur Abwärtsbewegung der Flüssigkeit im Reaktor relativ groß ist. Mißt die Meßsonde 10 einen Endwert, der außerhalb der festgelegten Grenzen liegt, so erfolgt ein Schaltkommando, das die Anlage stillsetzt.
  • Gleichzeitig wird ein optisches oder akustisches Warnzeichen ausgelöst.
  • Bei der Anwendung der Vorrichtung zur Abwasseraufbereitung werden vielfach die folgenden chemischen Reaktionen durchgeführt: Neutralisation von saurem oder basischem Abwasser durch Zugabe von Lauge bzw. von Säure, Reduktion von chromathaltigem Abwasser durch Zugabe von Säure bis auf einen pH-Wert, der kleiner als 2 ist, und durch Zugabe von Na-Bisulfit, die über die rH-Messung geregelt wird, Oxydation von cyanidhaltigem Abwasser durch Zugabe von Alkali bis auf einen pH-Wert von größer als 10 und durch Zugabe von Oxydationsmitteln, beispielsweise von Hypochlorit oder freiem Chlor, abhängig von der rH-Messung, Oxydation von Eisen (2) und Mangan(2) zu drei-bzw. vierwertigen Verbindungen durch Neutralisation der sauren Salzlösung und durch Oxydation mit Luft, wobei die Luft durch die Leitung 18 in die Düse 2 gepreßt wird, Fällung von gelösten, suspendierten oder emulgierten Stoffen durch Einstellen der erforderlichen pH-Werte am Reaktoreinlauf, beispielsweise durch Zugabe von Säure zur Brechung der Emulsion durch Neutralisation bei angesäuerten Stoffen und/oder durch Zugabe von Fällmitteln.
  • Die Pumpe 1 arbeitet niveaugesteuert und saugt die Flüssigkeit aus der Vorlage 27. Hört die Zufuhr in die Vorlage 27 auf, so schaltet die Pumpe ab. Die Rotationsenergie der Flüssigkeit im Reaktor reicht dann aus, um die chemische Reaktion bzw. die restliche Vermischung durchzuführen.
  • Der Gesamtreaktionsraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Vergleich zum Durchsatz relativ klein. So benötigt z. B. ein Ausführungsbeispiel mit einem Durchsatz von etwa 6 m3/Std. nur einen gesamten Reaktionsraum von etwa 0,35 m3. Die Verweilzeit der Flüssigkeit im Reaktionsraum 3 c beträgt hierbei nur etwa 3 Minuten und im Nachreaktionsraum nur etwa 8 Minuten. Während beim herkömmlichen Rührbecken Konzentrationen nur bis etwa 5 g/l freier Säure verarbeitet werden können, sind mit der vorgeschlagenen Vorrichtung Konzentrationen bis etwa 20 g/l freier Säure bei Nennleistung gut möglich, und zwar bei der Betriebsweise, bei der nur mit innerem Kreislauf gearbeitet wird. Bei noch höherer Konzentration kann der äußere Kreislauf mitbenutzt werden, wodurch natürlich der Durchsatz der Vorrichtung unter den Nenndurchsatz sinkt.
  • Entwickeln sich beim Betrieb im Reaktor Gase, so können diese infolge der geschlossenen Reaktorbauweise nicht entweichen, sondern werden in Lösung gehalten. In der Reaktionskammer 3 c können sich bei bestimmten chemischen Reaktionen Reaktionspartner durch Ausfallen als Bodenkörper einer weiteren Reaktion weitgehend entziehen, da Festkörper wesentlich schlechtere Reaktionspartner sind als gelöste. Solche Bodenkörperzwischenstufen treten z. B. bei Cyanreaktionen auf (Fe-Cyanide). In der Praxis hat sich gezeigt, daß in der vorgeschlagenen Vorrichtung der Zusammenschluß der Keime zu festen Flocken in der Reaktionszone verhindert wird. Es bilden sich jedoch hohe Konzentrationen vieler kleiner Keime, die in diesem Zustand noch sehr reaktionsfähig sind. Eine Ausflockung der ausreagierten Bestandteile erfolgt erst in der Nachreaktionskammer, wo sie dann sehr intensiv stattfindet und große, leicht absetzbare Flocken bildet, wie dies beispielsweise bei der Oxydation von Fe(2) zu Fe(3) der Fall ist.
  • Der Reaktor ist mit allen Leitungen, Armaturen und der Pumpe auf einem gemeinsamen Gestell 32 befestigt, so daß er bequem transportiert werden kann. Alle Leitungen, Armaturen und die Pumpe sind aus korrosionsbeständigem Material, beispielsweise aus Kunststoff, hergestellt. Die Mantelflächen des Reaktors 3 können aus durchsichtigem Material bestehen, um die Reaktionen beobachten zu können.
  • Auf dem Reaktordeckel ist ein Entlüftungsventil 28 angebracht.
  • Die Pumpe wird von dem Antriebsmotor 29 angetrieben. Die Meßsonde 9 ist leicht demontierbar in dem Gehäuse30 und die Meßsonde 10 in dem Gehäuse 31 angeordnet.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung chemischer Reaktionen in flüssigen Medien unter Anwendung von Teilstrom-Mischkreisläufen, die einen aus mehreren Kammern bestehenden Reaktor mit einer Nachreaktionskammer, eine Pumpe und Regelorgane für die Zuführung der Reaktionspartner enthält, d a d u r c h gekennzeichnet, daß ein vertikal angeordneter Zylinder in eine obere Reaktionskammer (3c), eine untere Nachreaktionskammer (3a) und eine Seitenkammer (3b) unterteilt ist, wobei die Nachreaktionskammer von der Reaktionskammer durch eine Trennwand 4 getrennt ist, die eine zur Längsachse des Reaktors konzentrische Öffnung (4a) aufweist, die größer ist als der Durchmesser eines durch diese Öffnung und die obere Abdeckung der Reaktionskammer hindurchgeführten, unten offenen Steigrohres (5), während die unten im Bereich der Nachreaktionskammer offene Seitenkammer oben im Bereich der Reaktionskammer eine Öffnung (12) aufweist, in der eine Düse (2) mit in die Reaktionskammer tangential hineinführender Strahlrichtung angeordnet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (3) aus einem vertikal angeordneten Behälter in Form eines Kreiszylinders besteht, der unterteilt ist in eine Reaktionskammer (3c), eine Nachreaktionskammer (3a) und eine Seitenkammer (3 b), wobei die untere Nachreaktionskammer (3 a) von der oberen Reaktionskammer (3 c) durch eine Trennwand (4) getrennt ist, die eine zur Längsachse des Reaktors (3) konzentrische Öffnung (4 a) aufweist, die größer ist als der Durchmesser des durch diese Öffnung hindurchgeführten, unten offenen Steigrohres (5), dessen Längsachse mit der Längsachse des Reaktors (3) identisch ist, während die unten im Bereich der Nachreaktionskammer (3 a) offene Seitenkammer (3b) oben im Bereich der Reaktionskammer eine Öffnung (12) aufweist, in der die Düse (2) injektorartig angebracht ist und deren Strahlrichtung zu einem tangentialen Durchmesser angeordnet ist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Reaktionskammer (3 c).
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Öffnung (4a) eine kreisförmige Platte (25) am Steigrohr (5) befestigt ist, auf der vom Steigrohr (5) radial ausgehende Leitschaufeln (11) angebracht sind, deren Anordnung im Grundriß eine solche ist, daß die Drehrichtung der durch die Leitschaufeln (11) strömenden Flüssigkeit der Drehrichtung der Flüssigkeit in der Reaktionskammer entgegengerichtet ist, die dort infolge der Anordnung der Düse (2) entsteht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Pumpen-Druckleitung (16) eine Leitung angeschlossen ist, in der ein Strahlsauger (6) angeordnet ist, der Anschlüsse für die Reagenzien-Leitungen aufweist, die einzeln mit Absperrventilen (7) versehen sind, wobei die vom Strahlsauger aus weitergeführte Leitung an der PumpenbSaugleitung (15) angeschlossen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrventile (7 und 13) magnet- oder pilotsteuerbar sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Vorrichtung, also der Reaktor (3), die Pumpe (1), der Antriebsmotor (29), die Leitungen und Armaturen auf einem gemeinsamen Gestell (32) befestigt sind.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 353 423; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 035 306; französische Patentschrift Nr. 1 378 687; britische Patentschriften Nr. 1 013 888, 1 024470; O. Borchert, Abwässer in der chemischen Oberflächenbehandlung, 1966, Kapitel 7, S. 81ff.
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