DE1442631B2

DE1442631B2 - Gegenstromkontaktverfahren

Info

Publication number: DE1442631B2
Application number: DE1442631A
Authority: DE
Inventors: Harold Roy Long Sault Ontario Douglas (Kanada)
Original assignee: Domtar Inc
Current assignee: Domtar Inc
Priority date: 1961-12-14
Filing date: 1962-12-13
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE1442631C3; DE1442631A1; JPS5220438B1; GB1020483A; SE334595B; FR1345847A; FI42427B; BE625252A; US3350075A; FI42427C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Gegenstromkontrakt zwischen einer abwärtsströmenden flüssigen und einer aufwärtsströmenden gasförmigen Phase unter Verwendung von inerten Füllkörpern mit einer größeren Dichte als die flüssige Phase, die von der Gasphase in Schwebe gehalten werden.

Es sind die verschiedensten Kolonnen oder Türme für die Herstellung eines innigen Kontakts zwischen zwei im Gegenstrom die Kolonne durchströmende fließfähige Medien bekannt. Abgesehen von den mit fixen Einbauten versehenen Kolonnen werden in großem Umfang Kolonnen mit einer Füllkörperpackung angewandt, wobei der gesamte Kontaktraum mit den Füllkörpern unterschiedlichster Form und aus den verschiedensten Werkstoffen erfüllt ist. Diese beiden Kolonnenarten weisen verschiedene Nachteile auf. So führen die sogenannten Randeffekte bei mit festen Einbauten versehenen Kolonnen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades. Diese Randeffekte spielen aber auch bei den Füllkörperpackungen eine gewisse Rolle. Hinzu kommt dort noch die Möglichkeit der Verstopfung, schließlich zeichnen sich beide Kolonnenarten durch einen beträchtlichen Druckabfall bei Durchgang der gasförmigen Phase aus. Bei beiden Kolonnenarten stellt der Uberflutungspunkt kritische Verfahrensbedingungen dar. Gerade bei Füllkörperkolonnen empfindet man es häufig als Nachteil, daß nur mit geringen Gasgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, da der Uberflutungspunkt schnell erreicht wird, und andererseits innerhalb einer Füllkörpersäule beträchtlicher Höhe der Druckabfall sehr hoch ist. Es bestehen daher relativ enge Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit der fließfähigen Phasen. Auch ist in gewissem Ausmaß die Kolonnenwirksamkeil abhängig von den Geschwindigkeiten der fließfähigen Medien.

Schließlich ist aus der FR-PS 12 34 396 ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, wobei zwei Phasen im Geucnstrom zueinander die Kolonne durchströmen und Füllkörper vorhanden sind, die gegen ein den Kontaktraum oben begrenzendes Gitter in der Art eines Schwimmbetts in Schwebe gehalten werden. Bei dem Verfahren nach der französischen Patentschrift ist gerade diese obere Ansammlung der Füllkörper unterhalb des den Kontaktraum begrenzenden Gitters der angestrebte wesentliche Punkt. Dieses Schwimmbett an Füllkörpern erlaubt jedem Füllkörper nur eine geringfügige Bewegung; die Wege, über die diese Füllkörper in dem Schwimmbett verschoben werden können, betragen nur Bruchteile des Kugeldurchmessers. Einzig eine Rotationsbewegung in größerem Umfang ist für das einzelne Teilchen möglich. Die einzelnen Teilchen liegen ja in dem Schwimmbett in der Art einer Kugelschüttung oder eines Kugelhaufens vor. Dieses Schwimmbett nimmt darüber hinaus nur einen sehr begrenzten Teil des Reaktionsraums ein, der restliche Teil ist ungenutzt.

Es sei darauf hingewiesen, daß zwischen diesem Schwimmbett und einer echten Wirbelschicht deutlich unterschieden werden muß. Wie im folgenden noch gezeigt wird, weist aber auch eine Kolonne mit einem Schwimmbett im Sinne der FR-PS 12 34 396 verschiedene Nachteile auf. So ist der Druckabfall der aufsteigenden Gasphase relativ hoch in der dichten Kugelpackung des Betts. Hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeiten ist man sehr beschränkt, da bald der Uberflutungspunkt erreicht wird.

Die Erfindung vermeidet die genannten Nachteile der bekannten Verfahren und ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Füllkörper-Gesamtvolumen sowie die Strömungsgeschwindigkeiten der Gasphase und der flüssigen Phase so einstellt, daß die Füllkörper weitgehend im gesamten Kontaktraum verteilt eine regellose Bewegung mit einer dem Durchmesser der Füllkörper mehrfach übersteigenden freien Weglänge ausführen.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens haben die Füllkörper einen Durchmesser von unter 10 cm und ein spezifisches Gewicht zwischen etwa 0,01 und 0,9 g/cm³. Es ist besonders zweckmäßig, eine Gasströmungsgeschwindigkeit zwischen etwa 1,5 und 9,1 m/s, vorzugsweise zwischen etwa 2,8 und 8,6 m/s, und einen Flüssigkeitsdurchsatz zwischen etwa 3.4 und 67,9 I/s · m² einzuhalten.

Im Gegensatzzu dem Verfahren und der Vorrichtung nach der FR-PS 12 34 396 wird erfindungsgemäß die gesamte Kontaktzone ausgenutzt. Wie erwähnt, führen erfindungsgemäß die Füllkörper eine regellose Bewegung nach allen Richtungen über lange Flugwege durch, die ein Vielfaches des Kugeldurchmessers sind. Hingegen sind die Füllkörperteilchen nach der französischen Patentschrift nur zu einer Rotationsbewegung fähig, da Flugwege auch auf sehr geringe Distanzen, das ist ein Bruchteil der Kugeldurchmesser wegen dauernder stoßender und reibender Bewegung an den Nachbarkugeln verhindert werden. In diesem Schwimmbett nach der französischen Patentschrift liegt also eine lockere Kugelschüttung, deren Schichtung im Betrieb im wesentlichen konstant bleibt, vor. Hingegen führen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die gesamten Füllkörper innerhalb des gesamten Kontaktraums eine turbulente Bewegung durch. Durch diese gegenüber der französischen Patentschrift unterschiedlichen Bedingungen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Nachteile des bekannten Verfahrens eliminiert und die Leistuni:si;ihit:keit der erfindunizsuemüß

betriebenen Kolonnen auf Grund höherer Austauschkoeffizienten wesentlich gesteigert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, daß der Druckabfall innerhalb des Reaktionsraums gegenüber den bekannten Füllkörper-Kolonnen und nach der FR-PS 12 34 396 wesentlich geringer ist. Schließlich gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendung von höheren Strömungsgeschwindigkeiten für die fließfähigen Phasen, als dies bei bekannten Verfahren möglich war, ohne daß die Gefahr der Überflutung der Kolonne gegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf die verschiedensten Vorgänge anwenden, z. B. eine Gaswäsche oder auch zur Wärmeübertragung, also ganz allgemein gesprochen auf die verschiedensten Vorgänge mit übergang von Material oder Energie von einer Phase auf die andere. Ganz speziell geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren, wo es sich um große Gasvolumina handelt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man übliche Kolonnen oder Türme mit unserer Gaszuführung und oberer Flüssigkeitszuführung anwenden, die jedoch keine Einbauten besitzt. Als Füllkörper kann man die verschiedensten, meist sphärischen oder kugeligen Teilchen aus den verschiedensten Materialien anwenden, aber auch Hohlkugeln.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch den Kontaktraum außer Betrieb und

F i g. 2 in Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3 zeigt eine einfache Modifikation des in Fig. 1 und 2 gezeigten Gitters;

F i g. 4, 5, 6 und 7 stellen graphisch die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich mit bekannten Verfahren dar.

Die F i g. 1 und 2 zeigen schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines üblichen Kontaktturms 1 für eine flüssige und eine gasförmige Phase im Gegenstrom. Der Turm kann im horizontalen Querschnitt rechteckig, rund oder beliebig anders geformt sein. Einen Teil des Turms bildet den Kontaktraum 2, der an seinem oberen Ende durch ein Gitter oder eine perforierte Platte 4 und an seinem unteren Ende durch einen Rost od. dgl. begrenzt ist. Diese Gitter können aus beliebigem Material bestehen und haben vorzugsweise eine solche Maschenweite, daß sie keinen ungebührlichen Strömungswiderstand ergeben. Am Rost 5 ruhen die Füllkörper 6, wenn der Turm nicht in Betrieb ist. Das Gitter 4 verhindert ein Ausblasen der Füllkörper. Das Gitter ·* ist bei sorgfaltig überwachtem Betrieb nicht unbedingt nötig. I m allgemeinen ist das Gitter 4 eben, kann aber auch nach oben gekrümmt sein (F i g. 3).

Die Gasphase wird über Rohr 8, Kammer 9 und Rost 5 in den Kontaktraum eingeführt. Die flüssige Phase gelangt über Speiseleitung 12 und Verteiler 13 in den oberen Teil 3 des Kontaktraums. Die Gasphase wird im Turm oben durch einen Flüssigkeitsabscheider 11 und Ableitung 14 und die flüssige Phase am Boden durch Ableitung 15 ausgetragen.

Die Bewegung der Füllkörper beim erfindungsgemäßen Verfahren innerhalb des Kontaktraums findet unter der Einwirkung verschiedener Kräfte statt, von denen wohl die Schwerkraft, der vom aufsteigenden Gas ausgeübte Strömungswiderstand und die von der abwärtsströmenden Flüssigkeit aufgebrachte Kraftkomponente von wesentlicher Bedeutung sind. Die Füllkörper können verschiedenste Formen und Größen haben und aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Geeignet sind z. B. Kunststoffhohlkugeln aus Polyäthylen, aber auch Teilchen aus Schaumstoffen des Polystyrols od. dgl. geringen Raumgewichts. Zweckmäßigerweise handelt es sich um kugelige oder allgemein sphärische Teilchen, jedoch ist dies nicht dringend notwendig; wenn im folgenden von Kugelteilchen die Rede ist, wird selbstverständlich auch jede beliebig andere Form der Füllkörper mitumfaßt. Die Kugeln können einen Durchmesser bis etwa 10 cm aufweisen, werden aber im allgemeinen kleiner sein. Die optimale Größe läßt sich leicht aus den Verfahrensbedingungen und den Dimensionen des Kontaktraums ermitteln. Zu berücksichtigen ist, daß bei porösen Teilchen deren scheinbare Dichte (im Gegensatz zum absoluten spezifischen Gewicht des Materials selbst) die wesentliche Größe ist. Bevorzugt werden für das erfindungsgemäße Verfahren Füllkörper mit einem spezifischen Gewicht zwischen etwa 0,01 und 0,9 g/cm³.

In manchen Fällen erwies es sich als zweckmäßig, nicht eine einzige Art von Füllkörpern zu verwenden, sondern ein Gemisch von leichteren und schwereren Füllkörpern, zweckmäßigerweise eine regellose Verteilung der spezifischen Gewichte. Ein Beispiel dafür sind Kunststoffhohlkugeln, wie aus Polyäthylen, die einige kleine Löcher in ihrer Wand aufweisen können. Die flüssige Phase kann dann in unterschiedlichen Mengen in diese Hohlkugeln eindringen, so daß auf einfache Weise eine regellose Verteilung der spezifischen Gewichte eines einzigen Materials erreicht wird.

Wie oben bereits erwähnt, ist für die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens neben der Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen und gasförmigen Phase auch die Menge der Füllkörper im Kontaktraum eine kritische Größe. Das bedeutet, daß für eine bestimmte Größe und Dichte der Füllkörper diese drei Größen einen bestimmten Wert annehmen müssen. Das benötigte oder erforderliche Schüttvolumen an Füllstoffen und dessen Volumanteil am gesamten Kontaktraum ist daher von besonderer Bedeutung. Das Schüttvolumen der Füllkörper bzw. der Anteil des Volumens der ruhenden Füllkörper im Kontaktraum ist abhängig von der Größe der Füllkörper und deren scheinbarer Dichte. Für einwandfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens muß die freie Höhe des Kontaktraums einen gewissen Mindestbetrag haben; dieser liegt bei ungefähr 15 bis 91,4 cm, abhängig von der Dichte der Füllkörper und der Geschwindigkeit der beiden Phasen. Wird ein kritisches maximales Füllkörperschüttvolumen bzw. der Anteil der ruhenden Füllkörpermasse innerhalb des Kontaktraums überschritten, so wird die für das erfindungsgemäße Verfahren essentielle Bewegung der Füllkörper im Kontaktraum wesentlich erschwert oder sogar unmöglich gemacht. Die Füllkörper werden in den oberen Teil des Kontaktraums getrieben, sammeln sich in mehr oder weniger dichtem Bett an dem oberen Abfanggitter und bilden das bekannte Schwimmbett. Diese Erscheinung ist als »Bepflastern« zu bezeichnen; es handelt sich daher dann um eine Art einer sich in beschränktem Ausmaß im wesentlichen nur rotatorisch bewegenden, durch den

Strömungswiderstand zusammengehaltenen Schüttung der Füllkörper, ähnlich wie das Schwimmbett in der oben bereits ausführlich diskutierten FR-PS 12 34 396, wo eine derartige Betriebsweise angestrebt wird. Bei einer solchen angeschwemmten Kugelschüttung ist die translatorische Bewegung der Kugeln minimal und nur eine Rotationsbewegung möglich. Durch diese gepackte Anordnung in der Kugelschüttung steigt sprunghaft der Strömungswiderstand und damit der Druckabfall bei Durchgang der Medien durch den Turm. Bei einem solchen Betriebszustand kommt es sehr schnell zu dem sogenannten überfluten der Kolonne, wo ein Arbeiten im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens sich ausschließt.

Wie oben bereits angedeutet, haben die Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Phasen eine gewisse Bedeutung für die Wirksamkeit des Verfahrens. Ist die Gasgeschwindigkeit zu gering, so werden sich die Füllkörper zu wenig vom Boden abheben, insbesondere wenn die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase beträchtlich ist. Andererseits kann es bei überhöhten Gasgeschwindigkeiten dazu kommen, daß ein Teil oder alle Kugeln an das obere Gitter »gepflastert« werden.

Im Rahmen der Untersuchung der verschiedensten Verfahrensbedingungen und deren Einfluß auf die Bewegung der Füllkörper und damit der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte folgendes festgestellt werden: Nimmt man einmal Kugeln aus geschäumtem Polystyrol mit einem Durchmesser von 76,2 mm und einem spezifischen Gewicht von 0,023 g/cm³ an, so zeigte sich, daß bei einem Füllkörpervolumen von 8,3% und einem Flüssigkeitsdurchsatz von 2,64 l/s · m² bei Gasgeschwindigkeiten von ungefähr 1,8 m/s wenig oder gar keine Bewegung eintritt, hingegen bei einer Gasgeschwindigkeit von etwa 7,1 m/s bereits ein ausgeprägtes Bepflastern beobachtet werden kann. Bei diesem Versuch handelt es sich um Luft als Gasphase und Wasser als flüssige Phase.

Wurde das Füllkörpervolumen auf 16,2% erhöht, so wird der Bepflasterungspunkt bereits bei einer Gasgeschwindigkeit von etwas über 6,1 m/s erreicht.

Polyäthylenkugeln mit einem Durchmesser von 38,1 mm und einer regellosen Verteilung des spezifischen Gewichts zwischen 0,155 und 0,655 g/cm³ in einem Volumen von 8,3% bei einem Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 2,84 I/s ■ m² und einer Geschwindigkeit der Gasphase von 2,8 m/s, brachten die Füllkörper in Bewegung; jedoch bei einer Gasgeschwindigkeit von ungefähr 7,6 m/s war der Bepflasterungspunkt noch nicht erreicht. Die angewandte Anlage ließ leider höhere Gasgeschwindigkeiten nicht zu. Auch zeigte sich, daß bei diesen Kugeln und dem angegebenen Volumen bei geringerem Flüssigkeitsdurchsatz (z. B. etwa 1,2 l/s · m² oder 0,6 l/s · m²) und einer Gasgeschwindigkeit bis hinauf zu 9,1 m/s noch kein Bepflastern eintrat. Wurde hingegen ohne flüssige Phase gearbeitet, so fand das Bepflastern der Kugeln bei Gasgeschwindigkeiten von ungefähr 13,7 m/s statt.

Sollte die Tendenz zum Bepflastern erkennbar werden, so kann dies einfach dadurch vermieden werden, daß entweder die Gasgeschwindigkeit verringert und/oder der Flüssigkeitsdurchsatz erhöht wird. Auch die Ausbildungsform des oberen Gitters im Sinne der F i g. 3 gestattet eine Beeinflussung des Bepflasterungstendenz. Wenn sich die Füllkörper in dem gewölbten Teil des Gilters sammeln, so braucht man nur auf diesen einen Deckel 16 zu setzen, der jedoch nicht bis an den Rand des Reaktionsraums reicht. Dadurch wird der Gasdurchgang nicht behindert, und die in der Mitte des Gitters bereits angesammelten Kugeln fallen unter der Einwirkung ihres Gewichts zurück in die Masse der turbulent und regellos bewegten Körper. Ist dies geschehen, kann man den Deckel 16 wieder abheben.
Wie bereits erwähnt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dadurch aus, daß über den gesamten Reaktionsraum der Druckabfall gegenüber üblichen Füllkörperkolonnen mit gleicher Gasgeschwindigkeit sehr viel geringer ist, mit anderen Worten können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich höhere Geschwindigkeiten der Gas- und Flüssigkeitsphase angewandt werden. Eine Gasgeschwindigkeit bis zu 7,6 m/s führt bei einem Flüssigkeitsdurchsatz bis zu 49 l/s · m² zu keiner Überflutung, wobei der Druckabfall zwischen etwa 50,4 und 254 mm WS beträgt.

Die F i g. 4 zeigt an Hand von zwei Diagrammen die Abhängigkeit des Druckabfalls von den Geschwindigkeiten der beiden strömenden Medien. Als Füllkörper dienten Polyäthylenhohlkugeln, Durchmesser 38,1 mm) mit einem scheinbaren spezifischen Gewicht zwischen 0,155 und 0,655 g/cm³. Das Füllkörpervolumen betrug 8,3%. Für diese Füllkörper gilt das untere Diagramm der F i g. 4. Daraus ergibt sich, daß bei einem Durchsatz der flüssigen Phase von 30,56 l/s · m² vor dem überfluten auf Gasgeschwindigkeiten bis 7,9 m/sec gegangen werden kann. Bei einem Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 6,79 bis 13,58 l/s · m² kann man mit der Gasgeschwindigkeit auf 9,1 m/s gehen, bevor es zu einem überfluten kommt. Bekanntlich genügen Gasgeschwindigkeiten von mehr als 8,1 bis 9,1 m/s, um Wassertropfen in einem offenen Rohr in Schwebe zu halten (»The Meterological Glossary« von Meteorological Office of the Air Ministry, Verlag Chemical Publishing Co., 1940, S. 156). Aus den folgenden Versuchen ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren man mit viel größeren Geschwindigkeiten für die beiden strömenden Medien arbeiten kann, als nach bekannten Verfahren, bei denen ein überfluten bereits bei Gasgeschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 2 m/s in Verbindung mit Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von nicht mehr als 2,5 l/s eintritt. Auch läßt sich erkennen, daß die erfindungsgemäß angewandten Strömungsgeschwindigkeiten, die übertreffen, wie sie allgemein in der Wirbelschicht auftreten.

Infolge der höheren Strömungsgeschwindigkeiten ist auch die Leistungsfähigkeit des Kontaktturms höher. Neben dieser Leistungssteigerung ist jedoch auch die Absorptionswirkung beim erfindungsgemäßen Verfahren besser als bei bekannten, wie noch im folgenden näher ausgeführt wird.

Beispiel 1

Ein wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kohlendioxidabscheidung aus Gasen mit Hilfe von alkalischen Lösungen. Wird ein Abgas mit einem Gehalt von etwa 16 Volumprozent CO₂ der erfindungsgemäßen Behandlung zugeführt, so fällt der pH-Wert der Waschlauge von anfänglich 11 bis 12,5 auf 9 bis 9,2. Als Waschlauge diente im wesentlichen eine Lösung von Natriumhydroxid und Natriumcarbonat, die gegebenenfalls noch etwas »elöste organische Substanzen enthält.

Bei diesen Versuchen war es nicht die Aufgabe, eine vollständige CO₂-Abscheidung aus dem Abgas zu erreichen. Hingegen werden normalerweise überschüssige Mengen an Abgas, je nach Größe des Reaktionsraumes und Ausstattung der Anlage angewandt, um einen ausreichenden CO₂-Partialdruck aufrechtzuerhalten und damit die Leistungsfähigkeit des Absorptionsturms zu verbessern.

Der Reaktionsturm hatte eine Querschnittfläche von 9 dm² und eine Höhe von etwa 3,05 m. Innerhalb des Turms war der Reaktionsraum durch zwei Gitter, die 1,5 m voneinander entfernt waren, begrenzt. Die Füllkörper waren Polyäthylenkugeln, Durchmesser 38,1 mm, Dichte zwischen 0,16 und 0,65 g/cm³, das Füllkörpervolumen wurde als Variable gehalten. Das CO₂-haltige Abgas wurde von unten eingeführt und von oben die Waschlauge eingespritzt. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Anlage wurde

der Absorptionskoeffizient K_ga = herangezogen, worin M der Anteil an gelöstem Gas in mMol/h, V das Füllkörpervolumen in Kubikmeter und AP den mittleren Partialdruck bedeutet. Daraus ergibt sich eine Dimension des Absorptionskoeffizienten von mMol/h · m³ · at.

Es ist bekannt (»Absorption and Extraktion« von Sherwood Pig ford, Verl McGraw Hill Book Co., Aufl. 1952, S. 364), daß die Absorption von Kohlendioxid von einer Natriumcarbonatlösung innerhalb einer normalen gepackten Füllkörperkolonne ein über einen Flüssigkeitsfilm geregeltes System ist, d. h. ein System, indem zunehmende Flüssigkeitsgeschwindigkeiten eine Steigerung des Absorptionskoeffizienten hervorrufen, wohingegen Änderungen der Gasgeschwindigkeiten auf diesen keinen oder nur einen geringen Einfluß haben. Bei solchen Vorgängen sind jedoch hohe Gasgeschwindigkeiten noch immer vorteilhaft, um einen hohen Partialdruck der zu lösenden Gaskomponente hervorzurufen, die ihrerseits wieder zu einer Verbesserung der Absorptionsleistung der Anlage führt. In so einem Fall läßt sich auch der Absorptionskoeffizient darstellen durch die Gleichung K_ga = CU, worin L der Flüssigkeitsdurchsatz über dem Querschnitt in kg/h · m² bedeutet und C und χ Konstanten der Füllkörper sind, die experimentell zu bestimmen sind. Der Absorptionskoeffizient wird darüber hinaus auch noch durch andere Faktoren und Arbeitsbedingungen, wie Temperatur (proportional) der Carbonatkonzentration und dem Anteil an Bicarbonat (umgekehrt proportional) beeinflußt.

In der folgenden Tabelle I sind die Verfahrensbedingungen und der Absorptionskoeffizient zusammengefaßt, und zwar nicht nur für die erfindungsgemäßen Versuche 1 bis 8, sondern auch für Vergleichsversuche 9 bis 11 an Hand eines Turms mit einem Schwimmbett im Sinne der französischen Patentschrift 12 34 396 sowie den Versuch 12 mit einer üblichen Füllkörperkolonne mit einer Kokspackung. In diesem Fall hatte der Reaktor eine Querschnittsfläche von 1,17 m², die Füllkörperhöhe betrug 11,28 m.

Tabelle I

Füllkörper
Versuch
(ruhend)

Höhe
(cm)

Vol.
(m³)

Scheinbares
Volumen
des Reaktionsraums

Gasgeschwin
digkeit

(m/s)

Flüssigkeitsdurchsatz

(l/s ■ m² Druckabfall

(cm WS)

(kg/h · m²)

(kg/h·
n²-cmWS)

Absorpt.
KoefT. Kga

(mMol/h ·
m³ · at)

	12,7	0,0119	8,3	Erfindungsgemäß	0,429	5,08	0,877	65,50	63,08	12,42	112,3
1	12,7	0,0119	8,3	5,08	0,877	6,35	0,877	72,39	85,58	13,53	152,4
2	12,7	0,0119	8,3	5,08	0,877	5,08	0,839	88,90	85,58	16,89	152,4
3	25,4	0,0235	16,7	2,03	0,877	7,62		105,14	13,84	94,6
4	38,1	0,0354	25,0	2,03	0,877	10,02	127,14	12,55	75,4
5	50,8	0,0473	33,4	2,03	0,877	17,78	156,48	8,82	69,0
6	63,5	0,0590	41,7	2,03	0,877	20,32	176,04	8,69	62,6
7	76,2	0,0708	50,0	2,03	0,877	25,40	200,49	7,91	49,7
8			Vergleich	2,03		Schwimmbett (z. B. FR-PS 12 34	396)
	91,4	0,0850	60,0	2,03	92,91	1,47	22,5
9	122,0	0,113	80,0	2,03	112,47	1,56	20,9
10	147,0	0,137	96,7	1,02	127,14	1,43	19,2
11

Vergleich: Füllkörperkolonne
I 0,27 I 0,076 I 25.40

40,59

0,83

0,66

Es wird auf F i g. 5A bis 5 C verwiesen, wo die abfall von etwa 8 bis 50% des von den Füllkörpern Ergebnisse bei den Strömungsverhültnissen im Sinne 65 eingenommenen Volumens des Reaktionsraums von der erfindungsgemäßen Versuche 1 bis 8 graphisch 5,08 auf 25.4 cm WS ansteigt. Nimmt das Füllkörperdargestellt sind. volumen jedoch bis 60% zu, so sammeln sich die

Aus eier F i g. 5A entnimmt man, daß der Druck- Füllkörper bereits im oberen Teil des Rcaktions-

509 515/354

ίο

raumes, gleichbedeutend mit einem rapiden Anstieg des Strömungswiderstands, und zwar auf einen Druckabfall von 63,5 cm WS. Innerhalb des Bereichs von 60 bis 80% Füllkörper im Reaktionsvolumen entsprechen die Verhältnisse in etwa üblichen Wirbelschichtverfahren (Versuch 11 zeigt, daß bei einer freien Raumhöhe von nur 7,6 cm die Gasgeschwindigkeit von 2,03 auf 1,02 m/s sinkt, da die Kapazität der Gebläse nicht höher ist; dies ist im Diagramm der F i g. 5 A durch einen kleinen aufwärtsgerichteten Pfeil angedeutet, womit ausgesagt werden soll, daß bei einer Gasgeschwindigkeit von 2,03 m/s der Druckabfall wesentlich größer sein würde.

Auch aus den Kurven der Diagramme 5 B und 5 C ergibt sich deutlich der Unterschied der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Wirbelschichtverfahren (Vergleich der Versuche 3 mit 10). Die überragende Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch besonders deutlich aus der Fig. 5D an Hand des Absorptionskoeffizienten, der bei geringem Füllkörpergehalt des Reaktionsraumes extrem hoch ist im Vergleich zu Wirbelschichtverfahren.

Bei Betrieb der üblichen Vorrichtungen mit Füllkörperkolonnen ist es häufig eine Preisfrage, mit welchen Gasgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Bei höherer Gasgeschwindigkeit kann der Kolonnendurchmesser geringer sein, bei gleichem Durchsatz jedoch kompensieren die zunehmenden Kosten für die Pumpen zur Überwindung des Druckabfalls den Gewinn aus den kleiner dimensionierten Kolonnen. Im Hinblick auf die Gefahr einer Überflutung der Kolonne wird jedoch in der Praxis meistens bei kontinuierlichem Betrieb nicht über 40 bis 50% der Uberflutungsgeschv/indigkeiten gegangen. Dies zeigt deutlich die Tabelle II.

Tabelle II

Geschw. d. fl. Phase	(l/s · nr)	»Uberflutungs«- Geschwindigkeit der Gasphase	(m/s)	Druckabfall beim »Uber- flutungspunkt«, cm WS/m Füll	Empfohlene Gasgeschwindigkeiten	(m/s)	Druckabfall bei den empfohlenen Gasgeschwin digkeiten cm WS/m
(kg/h · m²)	1,70	(kg/h · nr)	1,84	körperhöhe	(kg/h · nr)	0,925	Füllkörperhöhe
6 103	2,88	6846	1,64	15,8	3418	0,818	3,33
10 009	9,78	6064	1,07	15,0	3027	0,533	3,17
35 155	13,51	3961	0,87	13,3	1977	0,437	2,33
48 582	16,98	3227	0,71	12,5	1614	0,356	2,33
61 033	2641	11,7	1318	2,92

Bei diesen Versuchen handelte es sich um eine Füllkörperkolonne mit Rasching-Ringen, Durchmesser 25,4 mm, zur Abscheidung von Kohlendioxid aus einem Gas, enthaltend 16% CO₂, bei einer Arbeitstemperatur von 57,2°C. Die Werte aus der Tabelle II sind in der F i g. 6 graphisch dargestellt (Kurve A). Zum Vergleich dient Kurve B, betreffend das erfindungsgemäße Verfahren mit Polyäthylen-Kugeln, spezifisches Gewicht zwischen 0,16 und 0,66 g/ccm, Schütthöhe 12,7 cm. Aus diesem Diagramm ergibt sich mit besonderer Deutlichkeit, mit wie hohen Geschwindigkeiten man beim erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten kann, ohne der Gefahr der Überflutung. Solche Arbeitsbedingungen wären für normale mit Rasching-Ringen gefüllte Kolonnen völlig unbrauchbar. So kann man z. B. Polyäthylen-Kugeln (Durchmesser 38,1 mm, spezifisches Gewicht 0,16 bis 0,66 g/ccm, Schütthöhe 16,7%) mit Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von 2,52 l/s und Gasgeschwindigkeiten von 5,8 m/s anwenden, wobei nur ein Druckabfall von 24,6 cm WS eintritt. Werden gleich große Polystyrol-Kugeln (spezifisches Gewicht 0,023 g/ccm) unter den sonst gleichen Bedingungen angewandt, so betraut der Druckabfall überhaupt nur 12,2 cm WS.

In folgender Tabelle III werden die erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen mit üblichen Füllkörperkolonnen (Raschig-Ring45,4 mm Durchmesser) gegenübergestellt, und zwar unter solchen Arbeitsbedingungen, daß gleicher Druckabfall und gleiche CO,-Aufnahme je Zeiteinheit stattfindet.

Tabelle III

Kolonne

Querschnitt, m²

Durchmesser, m

Gasphase

m³/s

m/s

kg/m² · h

Flüssige Phase kg/h · m²

'f·™²

l/s

CO₂-Aufnahme

kg/h

mMol/h

Pci),«!

Absorptions-Koeffizient

Erforderliches Füll-_ή körpervolumen, rrr³ . Ergibt Füllkörperhöhe.

m

Druckabfall, cm WS ..

Erfindungsgemäß

0,0929 0,344

0,4717 5,08 19316

33740 9,37 0,871

7,2

0,16

0,100

57,8

0,0283

0.5—1,5 12,7

Füllkörperkolonne

0,5110 0,8077

0,4717 0,925 3423

61125 1,70 0,871

7,2 0,16 0,100 0,882

1,98

3.66

12,7

Aus der Tabelle III ergibt sich eindeutig die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens, da man in der Füllkörperkolonne für die gleichen Bedingungen (C O₂-Aufnahme und Druckabfall) einen 5,5mal so großen Kolonnenquerschnitt und eine 12mal so große Füllkörperhöhe, entsprechend einem 65mal so großen Schüttgewicht des Füllkörpers benötigt.

Beispiel 2

Ein weiteres besonderes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Abscheidung von Schwefeldioxid mit Hilfe von Natronlauge aus Gasen, wodurch eine Natriumhydrogensulfitlauge anfällt, die sich bei der Sulfitzellstoffherstellung anwenden läßt.

Bei diesem System handelt es sich um eines, welches sowohl von Flüssigkeitsfilmen als auch von Gasfilmen beeinflußt wird, so daß Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der beiden Medien zu einer Erhöhung des Absorptionskoeffizienten führt. Erfindungsgemäß lassen sich Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von bis zu 2,84 m/s bei Gasgeschwindigkeiten zwischen 6,1 und 6,6 m/s ohne Überfluten oder einem übermäßigen Druckabfall mit hohem Wirkungsgrad durchführen. Um die Brauchbarkeit zu zeigen, wurde eine Anzahl von Versuchen (A bis K) durchgeführt, wobei die Flüssigkeiten zwei oder mehrere in Serie geschaltete Kontaktzonen passieren. Dies ist besonders im Hinblick auf die Absorptionsleistung und den Druckabfall günstig. Die Verfahrensbedingungen und die Ergebnisse sind in den Tabellen IVA und IV B zusammengefaßt.

Für die Versuche A bis E wurden Polyäthylen-Kugeln mit einem Durchmesser von 38,1 mm und einem spezifischen Gewicht zwischen 0,16 und 0,66 g/ ecm und für die Versuche F und G Polystyrol-Kugeln, Durchmesser 76,2 mm, spezifisches Gewicht 0,023 g/ ecm angewandt. Die Versuche H bis J wurden zweistufig und der Versuch K dreistufig durchgeführt.

Tabelle IVA

Versuch

	Füllkörper-Schütt-	nv>	Strömungsge	fl. Phase	Druck
Reaktions	Volumen		schwindigkeit	(l/m² ■ s)	abfall
raum,	% des
Höhe	Reaktions	Gasph.	(cm WS)
(m)	raumes	(m/s)

Schwefeldioxid
bei Eintritt bei Austritt

Abs.-Koeff.K_ga

(mMol/h ·
m³ · at)

Polyäthylen-Kugeln

1,5	16,7	0,0236	2,90	19,0	10,4	17,0	8,0	57,6	240
1,5	16,7	0,0236	4,27	19,0	11,7	17,3	7,0	63,7	390
1,5	16,7	0,0236	5,84	27,1	24,6	.16,6	2,4	85,6	798
■1,5	25,0	0,0354	4,72	19,0	14,0	16,2	3,7	80,6	508
1,5	25,0	0,0354	5,54	30,6	22,9	14,2	0,2	99,0	667

	16,7	0,0236	4,93	Polystyrol-Kugeln	8,1	16,6	6,6	60,2	490
1,5	16,7	0,0236	5,33	27,1	9,9	16,9	5,7	66,3	590
1,5			25,8

1364
2246
7219

3209
8982

3048
4332

Tabelle IVB

	Reaktionsraum Höhe, m	1.	2.	3.	Füllkörper-Schütt- Volumen, %	2.	3.	m³	Strömungs-	indigkeit rl. Phase	Druck abfall	Schwef bei	ildioxid bei	Absorption	kg/h	Abs.- Koeff. K_ga (mMol/h ·
Ver such	0,91	0,46	—	1.	16,7			geschw Gasph.	(l/m²-s)	(cm WS)	Eintritt	Austritt	%	612	m^J ■ at)
	1,52	1,22	—	13,9	9,3	—	0,0190	(m/s)	30,6	15,5	15,7	1,6	90,0	726	8 182
H	1,52	1,22	—	16,7	9,3	—	0,0354	5,59	27,2		14,2	0	100,0	862	9 626
I	0,91	0,61	2,44	16,7	12,5	5,2	0,0354	5,33	25,1	25,2	15,4	1,0	93,6	908	7 540
J		22,2		0,0377	6,20	32,6	30,5	15,0	0	100,0		15 720
K		7,11

Beispiel 3

Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemüßen Verfahrens liegt in der Absorption von Schwefeldioxid an einem Magnesiumhydroxidschlamm. Dafür eignen sich Flüssigkeitsgeschwindigkeiten über 4,73 1 bei Gasgeschwindigkeiten von 5.08 m/s.

Beispiel 4

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, feuchtwarme Luft abzukühlen und zu entwässern, indem man diese im Gegenstrom zu Kühlwasser durch die Reaktionszone führt. Turmquerschnitt 9,3 dm², im wesentlichen obiger Konstruktion mit drei übereinander angeordneten Reaktionszonen, jeweils 1,22 m hoch, in jeder eine Füllkörperschüttung von 12,7 cm. Die Füllkörper waren Polyäthylenkugeln, Durchmesser 38,1 mm, spezifisches Gewicht zwischen 0,16 und 0,66 g/ccm. Die Versuchsbedingungen und Ergebnisse sind in der Tabelle V zusammengefaßt und in der F i g. 7 A bis D graphisch dargestellt.

Tabelle V

Eintretende	Gas	Druck abfall	Wassertemperatur, C	aus	Lufttemperatur, C	aus	Kondensat	Wärme	K_ga	Wärme übergang,
Wasser geschwin	geschwin digkeit			23,3		2,8		austausch	(Mol/h ·	bez. auf Druckabfall
digkeit		(cm WS)	ein	27,8	ein	3,3	(kg/h)	(kcal/h ■	m³ · at)	(kcal/h · m³ ·
(1/s-m²)	(m/s)	15,2		32,8	75,5	4,4	327	m³ ■ grd)	8 450	grd-cm WS)
27,52	4,013	16,7		37,8	75,0	4,7	390	46400	9 900	10 180
	4,928	18,5		12,2	75,0	3,9	462	72000	11620	11 530
	5,944	20,6		15,6	76,1	1,7	544	83 200	13 060	12 100
	6,552	17,2		17,8	88,9	1,1	318	113 600	4 780	13 270
59,76	2,337	19,8		20,0	81,1	1,1	426	25 600	10070	5 572
	4,166	22,1			79,5		513	76 800	14810	11 340
	5,385	24,9			78,9		581	136000	17210	18 830
	6,248		,1					168 000	—	19 980
	2,540		,1					1600	—
4,08	2,540		,1					1408	—
1,36	2,540		Μ				560	960
0,88—2,45	1,168		,1
		,1
,1
,1

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren für den Gegenstromkontakt zwischen einer abwärtsströmenden flüssigen und einer aufwärtsströmenden gasförmigen Phase unter Verwendung inerter Füllkörper mit einer größeren Dichte als die Gasphase und einer kleineren Dichte als die flüssige Phase, die von der Gasphase in Schwebe gehalten werden, dadurch ge-io kennzeichnet, daß man das Füllkörper-Gesamtvolumen sowie die Strömungsgeschwindigkeiten der Gas- und der flüssigen Phase derart wählt, daß die Füllkörper weitgehend im gesamten Kontaktraum verteilt eine ständige regellose Bewegung mit einer den Durchmesser der Füllkörper mehrfach übersteigenden freien Weglänge ausführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 1,5 bis 9,1 m/s, vorzugsweise etwa 2,8 bis 8,6 m/s, und einen Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 3,4 bis 67,9 l/s " m² einhält.