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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.
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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.
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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.
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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.
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Die erwähnten chemischen Reaktionen treten in großem Umfang bei der
Abwasseraufbereitung auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Trennung weist in der Mitte eine Öffnung mit Strömungsleitschaufeln
auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die im Strahlsauger 6 zudosierten Reagenzien bestehen z. B. aus Säure,
Lauge, Oxydations- oder Reduktionsmitteln u. a.
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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.
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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.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann von Hand oder
automatisch geregelt werden.
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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.
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Gleichzeitig wird ein optisches oder akustisches Warnzeichen ausgelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auf dem Reaktordeckel ist ein Entlüftungsventil 28 angebracht.
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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.