DE19752719A1 - Katalytischer Reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, zu deren Durchführung für eine chemische Reaktion von einer Flüssigkeit und/oder in dieser gelösten und/oder emulgierten und/oder schwebenden Stoffen mit einem Gas, wobei diese Flüssigkeit mit dem Gas unter einem Druck in eine gesättigte Gaslösung überführt wird und diese dann durch eine Druckverminderung in eine übersättigte Lösung überführt wird, woraus sich beim Abbau der Übersättigung ein Gemisch aus Mikroblasen des Gases und der entlasteten Flüssigkeit bildet.

Ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung ist aus der DE 35 01 175 C2 bekannt. Die mit dem Injektor unter Druck gesättigte Flüssigkeit wird beim Entspannen übersättigt und scheidet dann Mikroblasen des Gases aus, das Luft, Chlor, Ozon, Kohlensäure oder dgl. sein kann und in der Mikroblasenform in feinster Verteilung mit der Flüssigkeit oder darin emulsionsartig enthaltenen Feststoffen intensiv reagiert und beispielsweise in schadstoffbelastetem Wasser Sauerstoff zum Schadstoffabbau zur Reaktion bringt.

Weiterhin ist es bekannt, daß chemische Reaktionen zwischen Gasen oder Flüssigkeiten an Oberflächen von Katalysatoren, z. B. Metalloberflächen, bei gleichen sonstigen Reaktionsbedingungen schneller ablaufen. Für die Wirkungsintensität des Katalysators kommt es dabei darauf an, daß die Reaktionspartner intensiven Kontakt zur Katalysatoroberfläche bekommen und das Reaktionsprodukt von dort möglichst rasch entfernt wird. Dieses Problem ist jedoch nur in Grenzen durch eine gesteuerte Anströmung des Katalysators zu beherrschen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren in seiner Reaktionsaktivität wesentlich zu steigern.

Die Lösung besteht darin, daß bei dem Verfahren eine chemische Reaktion von einer Flüssigkeit und/oder in dieser gelösten und/oder emulgierten und/oder schwebenden Stoffen mit einem Gas erfolgt, wobei diese Flüssigkeit mit dem Gas unter einem Druck in eine gesättigte Gaslösung überführt wird und diese dann durch eine Druckverminderung in eine übersättigte Lösung überführt wird, woraus sich beim Abbau der Übersättigung ein Gemisch aus Mikroblasen des Gases und der entlasteten Flüssigkeit bildet.

Es hat sich gezeigt, daß die über den Katalysator beschleunigte Reaktion der Komponenten durch die Mikroblasenaktivität zusätzlich erheblich beschleunigt wird. Die emulsionsartig verteilten Mikroblasen treiben zur Katalysatoroberfläche und transportieren so die Reaktionspartner dort in den katalytisch aktiven Bereich. Nach ihrer Ankunft dort akkumulieren die Gasbläschen sich zu größeren Einheiten, die aufsteigen und so die Reaktionsoberfläche schnell verlassen und die Reaktionsprodukte von dort mitschleppen. Es entsteht somit eine äußerst wirksame Dynamik im Reaktionsbereich. Versuche haben eine bis 50fach erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit gezeigt.

Die Reaktionspartner können feste und flüssige Komponenten, die in der Flüssigkeit enthalten sind, die Flüssigkeit selbst und auch das Gas sein. Die Flüssigkeit und/oder das Gas können also in bestimmten Fällen lediglich die Dynamik tragende Agentien sein, wenn sie nicht selbst reagieren.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des Verfahrens zur Aufoxydierung von organisch schadstoffhaltigen Abwässern oder sulfidischen und sulfitischen Industrieabwässern, wobei Luft, Sauerstoff oder Ozon vorzugsweise eingebracht wird.

Ebenso hat sich die Reduktion von nitrathaltigem Wasser für die Trink- und Brauchwasserverwendung mittels Wasserstoffgas vorteilhaft durchführen lassen.

Die hohen Reaktionsgeschwindigkeiten führen zur außerordentlichen Verkleinerung bekannter Anlagen bei gleicher Leistung oder entsprechender Durchsatzerhöhung bei vorhandenen Anlagen. Außerdem ist der spezifische Energieeinsatz mit den Sättigungsinjektoren, den Pumpen und Filtern, geringer als bei herkömmlichen Anlagen zur Oxydation der Reduktion.

Der Katalysator besteht jeweils aus einem geeigneten Netz oder Filz oder Schwamm, das/der entweder selbst vollständig aus dem Katalysatormaterial besteht oder mit diesem beschichtet ist. Als Katalysatormaterial ist in vielen Fällen ein geeignetes Metall zu nutzen. Für die Nitratreduktion ist z. B. Kobalt gut geeignet.

Eine beispielhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigen Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild der Reaktionsvorrichtung. Kern der neuartigen Vorrichtung ist ein Injektor (X), in dem aus Gas (G, G1, G2) und Flüssigkeit (F) eine unter einem Druck (P) stehende gesättigte Lösung (GL) erzeugt wird, die nach Passieren eines Entspannungsventiles (VS) zu einer übersättigten Lösung (ÜL) wird, die in Flüssigkeit (F) und Mikroblasen (MB) zerfällt, die dem Katalysator (K2) zugeführt werden. Auch in der gesättigten Lösung (GL) treten Gasblasen bis zur Kleinheit der Mikroblasen auf, so daß auch in dieser ein Katalysator (K1) vorteilhaft angeordnet ist.

Die gesamte Vorrichtung arbeitet kontinuierlich, und Gas (G) und die Reaktionsprodukte (F, RP) verlassen den Entspannungsraum (ER) mit dem Katalysator (K2), wonach bedarfsweise eine Separation der Phasen und/oder der Reaktionsprodukte erfolgt.

Bevorzugt ist dem Katalysator (K2) eine Entgasungszone (B400) nachgeordnet, aus der oben aus dem Dom (401) das Gas (G) über ein von dem Niveauwächter (403) niveaugesteuertes Ventil (VE402) und die Flüssigkeit (F) ggf. mit dem Reaktionsprodukt (RP) unterhalb des Niveaus durch ein durch den Druck (P1) gesteuertes Ventil (V404) abgegeben werden. Es können auch mehrere katalysatorbestückte Entspannungs- und Entgasungsräume paarweise hintereinander angeordnet sein, wobei die Übergabeventile jeweils entsprechend verschiedener Druckstufen gesteuert sind.

Vorteilhaft wird bei bestimmten, aus der Flüssigkeit zu entfernenden Reaktionsprodukten, z. B. Sulfaten, ein Fällungsmittel (FM), z. B. Kalkmilch, in den letzten Entgasungsraum (B400) eindosiert und von dort das Fällungsprodukt (FP) mit der Flüssigkeit (F) ausgetragen.

Die Dosiervorrichtung besteht beispielsweise aus einem Mengenregelventil (MR033), das mit einer Pumpe (P013) aus einem Vorratsbehälter (B023) gespeist wird.

Die durch das Ventil (VE404) abgeführte Flüssigkeit (F) wird bevorzugt in einem Mikrofilter (B500) von festen Stoffen, also festen Reaktionsprodukten (RP) bzw. Fällungsprodukten, z. B. Gips, getrennt. Als Mikrofilter wird bevorzugt eine durch einen Querstrom zu reinigende Plattenfilteranordnung gewählt. Der Querstrom wird durch eine Speisepumpe (K505) erzeugt und über eine Sammelleitung über ein Ventil (VS504) abgeführt und entsorgt. Während der Spülzeit sind das eingangseitige Ventil (VE404) und ein ausgangsseitiges Ventil (V506) geschlossen. Die Ventilplatten sind vorzugsweise vertikal gestellt, so daß dort noch bei einer abschließenden Entgasung aufsteigendes Restgas aufsteigt und zusätzlich eine reinigende Wirkung auf die Filteroberfläche entfaltet. Das Restgas wird in einem Dom (501) gesammelt und über ein mit dem Niveauwächter (503) gesteuertes Ventil (VE502) abgegeben.

Der Injektor (X) wird ausgangsseitig über eine Pumpe (P010, P011) aus einem Vorratsbehälter (B020, B021) gespeist, wobei bevorzugt die dargestellten zwei Behälter und Pumpen wechselweise oder parallel zum Vermengen verschiedener Ausgangsflüssigkeiten betrieben werden. Sofern Schwebstoffe sich in der Ausgangsflüssigkeit befinden, empfiehlt es sich, diese in einem Separator (FS) abzutrennen, da diese u. U. die Katalysatoren (K1, K2) verstopfen und durch die Flotationswirkung der Mikroblasen aufsteigen und verklumpen, so daß sie den Prozeß stören können.

Als Filter empfiehlt sich ein Schlitzblechfilter (2) mit einer motorisch getriebenen rotierenden Räumvorrichtung (3), aus der unten periodisch über ein Ablaßventil (V120) der Filterschlamm (SS) abgezogen wird.

Außer dem Hauptflüssigkeitsstrom (F) können über Dosierer (MR032) Additive, insbesondere Reaktionspartner, dem Injektor (X) zugeleitet sein. Der Dosierer (MR032) ist eingangsseitig über eine Pumpe (P012) mit einem Additivbehälter (B022) verbunden.

Falls das Aktions- und/oder Reaktionsgas (G) Luft ist, ist ein Kompressor (K43) über ein niveaugesteuertes Ventil (53) mit dem Injektorraum (IR) verbunden. Falls Gase (G1, G2), wie Sauerstoff, Ozon, Wasserstoff, Kohlensäure oder dgl., eingebracht werden sollen, werden diese jeweils aus einer Gasflasche (B041, B042) über ein niveaugesteuertes Ventil (51, 52) in den Injektionsraum (IR) eingespeist.

Der Injektor (X) hat eine Injektionskammer, in die die Flüssigkeit (F) durch Düsen axial einströmt und das Gas (G, G1, G2) durch Zuströmbohrungen (Z) seitlich aus dem Injektorraum (IR) in die Injektionszone (IZ) zuströmt und das dort entstehende Gemisch und die Gaslösung (GL) an einer Prallwand gebremst seitlich aus Austrittsbohrungen (A) abströmt. Das Flüssigkeitsniveau im Injektorraum (IR) wird gesteuert so gehalten, daß es zwischen den Zuström- und Austrittsbohrungen (Z, A) liegt. Das Niveau wird durch einen Niveausensor (NS) überwacht, mit dessen Signal eine Niveausteuervorrichtung (LIC) das/die Gaszuführventil/e (51-53) steuert.

Der Druck im Injektionsraum (IR) wird von einem Druckwächter (P) überwacht und steuert das ausgangsseitige Entspannungsventil (VS).

An den Injektorraum (IR) schließt sich nach unten die Trennstufe (TS) an, in der überschüssiges Gas (G) sich von der gesättigten Lösung (GL) trennt, von wo es zu den Gaszutrittsbohrungen (Z) zurückkehrt. In der Trennstufe (TS) ist vorteilhaft auch einer der Katalysatoren (K1) angeordnet.

Statt der gezeigten kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung läßt sich auch eine mit Chargen arbeitende Vorrichtung für das Verfahren verwenden, wobei verschiedene Prozeßstufen auch in den gleichen Behältnissen ausgeführt werden können.

Außerdem lassen sich die einzelnen Prozeßstufen parallel anordnen und durch Schaltventile im Tandem oder wechselweise oder kaskadiert betreiben, so daß abhängig von der Komplexität des durchzuführenden Prozesses jeweils ein optimales Gesamtergebnis in möglichst kurzer Prozeßzeit erreicht wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine kaskadierte Anordnung zweier Injektoren (X1, X), wobei dem vorbeschriebenen Vielstrahlinjektor (X) ein Einstrahlinjektor (X1) vorgeschaltet ist, der axial mit der Flüssigkeit (F) und seitlich in bekannter Weise mit dem Gas (G) beaufschlagt wird. Die Gas-Flüssigkeitsmischung tritt dann bei weiterem Druckabfall durch die Düsenplatte (DP) des nachfolgenden Injektors (X).

Claims (26)

1. Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion von einer Flüssigkeit (F) und/oder in dieser gelösten und/oder emulgierten und/oder schwebenden Stoffen mit einem Gas (G), wobei diese Flüssigkeit (F) mit dem Gas (G) unter einem Druck (P) in eine gesättigte Gaslösung (GL) überführt wird und diese dann durch eine Druckverminderung in eine übersättigte Lösung (ÜL) überführt wird, woraus sich beim Abbau der Übersättigung ein Gemisch (M) aus Mikroblasen (MB) des Gases (G) und der entlasteten Flüssigkeit (F) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein für die beabsichtigte Reaktion förderlicher Katalysator (K1, K2) mit dem Mikroblasen- Flüssigkeitsgemisch (MB, F) beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (F) vorab von groben Schwebstoffen (SS) befreit wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (G) mit einem Injektor (X) in die Flüssigkeit eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dem Injektor (X) nachgeordneten Trennstufe (TS) aus der Gaslösung (GL) freiwerdendes, aufsteigendes Gas (G) wiederholt einer Injektionszone (IZ) des Injektors (X) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennstufen-Katalysator (K1) in der Trennstufe (TS) so angeordnet wird, daß er von der von der Gaslösung (GL) und dem freiwerdenden Gas (G) durchströmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der gesättigten Gaslösung (GL) über ein Entspannungsventil (VS) ein Strom der übersättigten Lösung (ÜL) erzeugt wird, der durch einen Entspannungsraum (ER) geleitet wird, in dem das Mikroblasen-Flüssigkeitsgemisch (MB, F) den dortigen Reaktions-Katalysator (K2) beaufschlagt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Entspannungsraum (ER) die Flüssigkeit (F) mit den katalytisch entstehenden Reaktionsprodukten (RP) laufend abgeführt und dann in eine gasförmige, flüssige und ggf. feste Phase separiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit den Reaktionsprodukten (RP) mit einem Fällungsmittel (FM) versetzt wird und die dabei entstehenden Fällungsprodukte (FP) von der Flüssigkeit weitgehend separiert und entsorgt werden.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (F) mit sauerstoffbindenden Schadstoffen, insbesondere Sulfiden und/oder Sulfiten, belastet ist und das Gas (G) zwei- oder dreiatomiger Sauerstoff oder Luft ist und der Katalysator (K1, K2) aus dünnen Metalldrähten oder einem metallisierten schwammigen, geflecht-, gewebe- oder filzartigen Träger besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsprodukt entstehendes Sulfat mit Kalkmilch oder Kalkschlamm ausgefällt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (F) nitrathaltiges Wasser ist, das Gas (G) Wasserstoff ist und der Katalysator (K1, K2) aus dünnen Metalldrähten oder einem metallisierten, schwammigen, geflecht-, gewebe- oder filzartigen Träger besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (K1, K2) aus Kobalt besteht oder damit metallisiert ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsbehälter (B020) über eine Flüssigkeitspumpe (P010) mit einem Injektor (X) eingangsseitig verbunden ist, der ausgangsseitig mit mindestens einer Quelle (B041, B042; K043) komprimierten Gases (G1, G2, G) verbunden ist und ausgangsseitig mit mindestens einer Trennstufe (TS) oder einem Entspannungsraum (ER) verbunden ist, in der und/oder dem ein Katalysator (K1, K2) enthalten ist und hinter und/oder vor der oder dem mindestens ein Entspannungsventil (VS, VE402, VE404) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe (P010) eingangsseitig an einen Schwebstoffseparator (FS) angeschlossen ist, der ausgangsseitig mit dem Injektor (X) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebstoffseparator (FS) ein Filter (2) mit einer mechanischen Reinigungsvorrichtung (3) ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (X) eingangsseitig über mindestens einen Mengenregler (MR032) jeweils mit einer Additivstoffversorgungsvorrichtung (P012, B022) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen (B041, B042) komprimierten Gases (G1, G2) Gasflaschen oder Gastanks mit gesteuerten Ventilen (51, 52) sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (K043) des Gases (G) ein Luftkompressor mit einem gesteuerten Ventil (53) ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (X) von der Trennstufe (TS) umgeben ist, an der ein Niveausensor (NS) angeordnet ist, der mit einer Niveau- und Drucksteuervorrichtung (LIC) verbunden ist, die die Ventile (51-53) steuert, so daß das Niveau der erzeugten Gaslösung (GL) im Bereich einer Injektionszone (IZ) des Injektors (X) liegt, unterhalb welcher Flüssigkeitsaustrittsöffnungen (A) und oberhalb welcher Gaszutrittsöffnungen (Z) angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß an die Trennstufen (TS) unten das Entspannungsventil (VS) angeschlossen ist, mit dem ausgangsseitig der Entspannungsraum (ER) verbunden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Entspannungsraum (ER) ein Gastrennraum (B400) angeordnet ist, an den oben ein niveaugesteuertes Gasabführventil (VE402) und unten einem Steuerniveau ein Abführventil (VE404) für Flüssigkeit und Reaktionsprodukte (RP) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastrennraum (B400) über einen Dosierer (MR033) mit einer Fällungsmittelspeisevorrichtung (P013, B023) verbunden ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß an das Abführventil (VE404) ein Feststoff-Separator (B500) angeschlossen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffseparator mindestens ein ein rückspulbares Mikrofilter ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-24, dadurch gekennzeichnet, daß dem Injektor (X) ein Strahlinjektor als ein weiterer Injektor (X1) vorgeschaltet ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrfach ein Entspannungsraum (ER), der einen Katalysator (K2) enthält, mit einem Entgasungsraum (B400) jeweils über eine druckstufensteuernde Druckminderventilanordnung (VE404) hintereinandergeschaltet ist.