DE2328281A1 - Verfahren zur durchfuehrung von reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten reaktor und vorrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur durchfuehrung von reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten reaktor und vorrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens

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DE2328281A1 DE19732328281 DE2328281A DE2328281A1 DE 2328281 A1 DE2328281 A1 DE 2328281A1 DE 19732328281 DE19732328281 DE 19732328281 DE 2328281 A DE2328281 A DE 2328281A DE 2328281 A1 DE2328281 A1 DE 2328281A1
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Description

Anmelder:
Prof. Dr.-Ing. Franz Moser A 8010 Graz / Österreich Peinlichgasse 9
Stuttgart, den 1.6.1973 M P 002/73
Vertreter;
Patentanwalt
Dipl.-Ing. Andreas Peter Eule 7 Stuttgart - Riedenberg Melonenstraße L\2.
Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten Reaktor und Vorrichtung^ur Durchführung dieses
Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten langgestreckten Reaktor, der von einem nur am Eingang des
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Reaktors ständig zugeführten fließfähigen Medium in Längsrichtung durchflossen wird und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens«
Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung von Reaktionen in horizontal angeordneten langgestreckten Reaktoren sind an sich bekannt. So ist z«B« bei dem der Erfindung noch am nächsten kommenden Reaktor nach dem sogaannten INKA-System (vgl« Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, Band II; Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin, München 1969, Seiten ifT7 419) zur Abwasserreinigung ein langgestrecktes offenes Becken vorgesehen, bei dem in das das Becken durchfließende Abwasser mittels längs des Beckens verteilter, unter der Wasseroberfläche befindlicher flächenhaft angeordneter Öffnungen Luft in das Abwasser grobblasig eingeführt wird» Diese nicht weit unterhalb der Wasseroberfläche eingeführten Luftblasen erzeugen mittels einer in Längsrichtung des Beckens angeordneten Trennwand, deren obere Kante etwa in Höhe der Luftöffnungen liegt und deren untere Kante einen ausreichenden Abstand vom Beckenboden aufweist, in dem fließenden Abwasser einen über den ganzen Beckenquerschnitt wirkenden Rührvorgang, der das mit Sauerstoff durch die Lufteinblasung angereicherte Abwasser auch über die unterhalb der Einblasöffnungen gelegenen Teile des Beckens verteilt« Die baulichen Abmessungen des offenen Beckens bei diesem bekannten Verfahren sind jedoch nicht so gewählt, daß sich auch nur angenähert ein Fließen des Abwassers in der sogenannten Pfropfenströmung, d«h« ohne Rückvermischung, ergibt, 'noch ist die aus flächenhaft angeordneten öffnungen eingeblasene Luft dazu vorgesehen und auch nicht in der Lage, etwa zu einer Verbesserung der Pfropfenströmung beizutragen«
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen j das die Durchführung von Reaktionen in einem
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horizontal angeordneten langgestreckten Reaktor in möglichst guter Annäherung .an die ideale Pfropfenströmung und unter Anwendung möglichst einfacher Mittel ermöglicht.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem einen Betrieb mit angenäherter Pfropfenströmung ermöglichenden Reaktor, bei dem über die ganze Länge des Reaktors verteilte Einrichtungen vorgesehen sind, die das Einleiten eines zweiten ebenfalls fließfähigen Mediums in das den Reaktor durchströmende erste Medium ermöglichen und zwar derart, daß dabei in dem ersten Medium eine zusätzliche Strömung erzeugt wird, die walzenförmig um Achsen parallel zur Pfropfenströmung rotiert, das Einleiten des zweiten Mediums durch in Längsrichtung des Reaktors an bzw* über dessen Boden in Linie angeordnete Öffnungen vorgenommen wird.
Dadurch daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in Längsrichtung des Reaktors sowohl an dessen Boden als auch dort in Linie angeordnet sind, ergeben sich wesentliche Vorteile gegenüber dem Bekannten. Durch diese besondere Art der Einführung des zweiten Mediums in den Reaktor wird überraschenderweise eine erhebliche Steigerung der Peclet-Zahl, d.h. eine erhebliche Verminderung der Rückvermischung im Reaktor erreicht, was zur Folge hat, daß das Bauvolumen des Reaktors erheblich vermindert wird.
Der Grad der Rückvermischung kann mit Hilfe einer Verweilzeitverteilungsfunktion und dimensionslosen Kenngrößen, der sogenannten Peclet-Zahl des Stoffüberganges beschrieben werden. So gibt z#B# Levenspiel
(Chemical Reaction Engng.; J. Wiley, N.Y. 1962, S. 264) für die vollständige, ideale Rückvermischung, wie dies in einem Rührkessel auftritt, eine Peclet-Zahl von 0 und für die ideale
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Pfropfenströmung eine Peclet-Zahl von unendlich an (bei Levenspiel wird der Reziprokwert dieser Peclet-Zahl angegeben).
Der übergang von der idealen Pfropfenströmung zum idealen Rührkessel in einem realen Apparat ist nun kontinuierlich, so daß der Peclet-Wert zwischen 0 und unendlich vorkommen kann.
Kramers (Kramers + Westerterp; Elements of chemical Reaction, Design + Operation; Neth. Univ. Press 1963, S. 91) gibt eine Korrelation zwischen der Zahl der äquivalenten Rührkessel N1 und der Peclet-Zahl Pe wie folgt
2 d
wobei L die Länge und d der Durchmesser des Reaktors ist.
Daraus folgt, je größer die Peclet-Zahl ist, desto größer ist die Zahl N* der äquivalenten Rührkessel, d.h. desto mehr nähert sich das System der idealen Pfropfenströmung«
H; die Peclet-Zahl nun in der Größenordnung von etwa 2, so ergibt sich für ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Rohres von 50 ein N' von 50, d.h., ein Rohr von einer Länge von 50 m und einem Durchmesser von 1 m würde einer Anzahl von 50 Rührkesseln in Kaskade entsprechen. Für dasselbe Längen-Dur chmess erverhaltnis von 50 ergibt sich aber bei einer Peclet-Zahl von 10 eine äquivalente Zahl an Rührkesseln von 250. Daraus wird ersichtlich, daß die Peclet-Zahl einen wesentlichen Einfluß auf die Qualität der Rohrströmung hat und durch die Erhöhung der Peclet-Zahl z.B. von 2 auf 20 und darüber, wie sie durch die erfindungsgemäße Belüftung erreichbar ist, eine wesentliche Verbesserung erzielt werden kann.
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Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt hinzu, daß durch die erfindungsgemäße Art der Einführung des zweiten Mediums die bei der bekannten Ausführung erforderlichen durch den ganzen Reaktor sich erstreckenden Trennwände sich erübrigen·
Ferner ergibt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung dadurch, daß durch die besondere Art der Einleitung des zweiten Mediums in den Reaktor sich die Strömungsgeschwindigkeit des· Reaktorinhalts erhöht, weil die resultierende Geschwindigkeit für die einzelnen Teilchen sich aus ihrer Längsrichtungsgeschwindigkeit und aus der Rotationsgeschwindigkeit der Walze vektoriell zusammensetzt. Die Strömungsgeschwindigkeit in Längsrichtung des Reaktors kann daher geringer sein, als bei den üblichen Reaktoren, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich ein vorhandenes bzw» entstehendes Sediment absetzt.
Gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in einer Reihe in der Mitte des Reaktorbodens bzw. darüber oder aber z.B. bei einem Reaktor mit rechteckigem Querschnitt in den Ecken des Bodens bzw. darüber angeordnet sein. Wenn, die Möglichkeit der Sedimentation eines Feststoffes besteht, können die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums über dem Boden in der unteren Hälfte des Belüftungsraumes angebracht werden. Dabei können diese Öffnungen als Düsen oder Löcher ausgebildet sein, die es ermöglichen, ein fließfähiges Medium in den Reaktor einzubringen, ohne daß hierbei der Impuls des eintretenden Mediums von entscheidender Bedeutung ist, d.h. das zweite Medium steigt, z.B. als Gas, als Blasen zur Oberfläche des ersten Mediums auf. Die Öffnungen können aber auch als sogenannte Strahldüsen ausgebildet sein, die durch höheren Druck oder aber durch Injektorwirkung das zweite Medium in das erste Medium unter Ausübung eines gerichtet wirkenden Impulses einleiten.
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Im Hinblick darauf, daß der Bedarf an dem zweiten Medium in der Höhe des Zulaufes des ersten Mediums in den Reaktor wegen der dort herrschenden höchsten Konzentration an umzusetzenden Medium am größten sein kann, kann es vorteilhaft sein, den gegenseitigen Abstand der einzelnen öffnungen zur Zuführung des zweiten Mediums voneinander zunächst klein zu wählen und dann zum Auslauf-Ende des Reaktors immer größer werden zu lassen.
Es kann auch vorteilhaft sein, in den Zwischenräumen zwischen je zwei Strahldüsen, die insbesondere zur Anregung der walzenförmig rotierenden Strömung dienen, eine oder mehrere zur feinblasigen Begasung dienende öffnungen (Fritten) vorzusehen. Es soll jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die Breitenausdehnung dieser Fritten so gering bleiben muß, daß sie in der Wirkung praktisch einer in Linie angeordneten Lochreihe entspricht, weil eine Fritte oder eine gelochte Fläche mit größerer Breitenerstreckung am Boden des Reaktors bzw. darüber die gewünschte walzenförmig rotierende Strömung nicht erzeugt, sondern stört.
Es kann auch vorteilhaft sein, den Reaktor als geschlossenen Behälter z.B. als Rohr, auszubilden, damit das Verfahren in dem Reaktor unter Druck durchgeführt werden kann.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden anhand der Ausführungsbeispiele erörtert. Es zeigen:
■ Fig. 1 und 2 ein Rohr bzw. ein langgestrecktes offenes
Becken im Querschnitt mit einer in der Mitte des Bodens in Längsrichtung des Rohres angeordneten Düsenreihe zum Einleiten des zweiten Mediums,
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Fig· 3 und l± ein Rohr bzw· ein langgestrecktes offenes Becken im Querschnitt mit einer am Boden seitlich angeordneten Düsenreihe,
Fig· 5 eiE- Rohr im Querschnitt mit einer in der Mitte des Bodens angeordneten, aber seitlich wirkenden Strahldüsenreihe,
Fig. 6 ein Rohr im Längsschnitt mit am Boden in Linie angeordneten Strahldüsen und dazwischen liegenden Begasungsdüsen,
Fig. 7 ein langgestrecktes offenes Becken mit etwa rechteckigem Querschnitt mit in den Ecken am Boden angeordneten Düsenreihen,
Fig« 8 ein langgestrecktes offenes sehr breites
Becken mit etwa rechteckigem Querschnitt mit am Boden' in der Mitte und an den Ecken angeordneten Düsenreihenβ
Die in den Figuren im Querschnitt gezeichneten Rohre 6 bzw» Becken 7, 8 sind bis zur Höhe der Flüssigkeitsspiegel S3 10 bzw· 11 mit dem jeweiligen ersten Medium gefüllt, das den Reaktor durchströmt· Die zur Einleitung des jeweiligen zweiten Mediums dienenden Düsenreihen 1 bzw, 2 können je nach Bedarf als Reihen von einfachen Öffnungen oder von Strahldüsen ausgebildet sein; die Zuführung des zweiten Mediums zu den Düsen erfolgt über eine gemeinsame Zuleitung 5j wie sie ζ·Β· in Fig. 6 im Ausschnitt gezeigt ist· Die in den Figuren eingezeichneten langen Pfeile deuten den ungefähren Verlauf der walzenförmig rotierenden Strömung an·
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Das erfin&ungsgemäße Verfahren ist anwendbar bei allen Gas-Flüssigkeit-Reaktoren bzw. sinngemäß Flüssigkeit-Flüssigkeit-Reaktoren· Als solche kommen z.B. die Abwasserbelüftung, die Chlorierung von Kohlenwasserstoffen, die Alkylierung von Kohlenwasserstoffen mit Fluorwasserstoffsäure, die Gewinnung von Eiweiß aus Kohlenwasserstoffen sowie die Absorption von SOp in Wasser und auch Polymerisationsreaktionen infrage. Dabei kann sich der Vorteil ergeben, daß ein Eeaktionspartner, der zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor sowieso benötigt wird (z.B. ein gasförmiger oder flüssiger Reaktionspartner oder aber Heizdampf), zum Erzeugen der walzenförmig rotierenden Strömung verwendet wird.
Nachstehend sind einige Ausführungsformen beispielsweise näher erläutert.
Abwasserreinigung
In einer Abwasserreinigungsanlage nach dem Belebtschlammverfahren soHsn 3600 m-yh Abwasser mit einem biologischen Sauerstoffbedarf (BSB1-) von 250 mg/1 auf einen Endsauerstoffbedarf von 20 mg/1 gereinigt werden.
Das Belebungsbecken dieser Anlage wird als Rohrreaktor mit kreisförmigem Querschnitt von 3 m Durchmesser und 7OO m Länge ausgeführt, wobei in der praktischen Ausführung 7 Rohre mit je 100 m Länge hintereinandergeschaltet werden. Der Wasserstand im Reaktor beträgt 2,5m. Die Luft (100 000 NmVh), die sowohl zur Sauerstoffzufuhr für das Belebtschlammverfahren als auch zur Verbesserung der Pfropfenströmung im Reaktor dient, wird durch Bohrungen von etwa 5 nua Durchmesser in einem am Boden bzw. in Bodennähe des Reaktors liegenden Rohr eingebracht ·
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Da der Luftbedarf zu Beginn des Abbauvorganges der Schmutzstoffe höher ist, werden am Anfang des Reaktors 50 Bohrungen/m Rohr ausgeführt, am Ende des Reaktors nur mehr 10»
2. Beisgiel^ Absorption von S02~haltigen Gasen
Aus einem Abgas mit 6000 ppm SO2, das in einer Menge von 4000 Nm-5A anfällt, soll das SO2 bis auf einen Restgehalt von 500 ppm entfernt werden. Als Absorptionsmedium steht 0,1 η Natronlauge zur Verfügung. . ■ .
AIs Absorptionsapparat wird ein liegender Zylinder von 1 m Durchmesser und 11 m Länge gewählt, in dem die Lauge 60 cm hoch steht« Das Gas wird über, ein am Boden des Apparates liegendes Rohr, das pro m ifOO Düsen mit je 2 mm Durchmesser aufweist, eingebracht und im Durchtritt durch die Lauge gereinigt. Der Durchfluß an Lauge beträgt 50 nr/h.
Styrol-Butadien Polymerisation
Die Polymerisation von Styrol und Butadien zu synthetischem Kautschuk wird derzeit meist in Kaskaden von ca. 10 Rührkesseln durchgeführt.
Wenn die Reaktion in einem Rohrreaktor entsprechend der Erfindung durchgeführt wird, so erhält dieser für eine Anlage von 25000 jato einen Durchmesser von 2 m und eine Lange von 65 m·
In diesem Reaktor werden folgende Mengen eingebracht:
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Monomer 3300 kg/h
Wasser ΙφΟΟ kg/h
Aktivatorlösung 1500 kg/h
Emulgierlösung 3500 kg/h
Katalysator 10 kg/h
Zur Erzielung einer guten radialen Vermischung der Reaktionsmasse und gleichzeitig zur Verbesserung der Pfropfenströmung im Reaktor, was zur Ausbildung einer gleichmäßigen Molekülgröße erforderlich ist, werden stündlich 2000 Nm^ Stickstoff durch ein am Boden bzw. in Bodennähe des Reaktors liegendes Rohr, das pro m 25 Bohrungen von je 3 mm Durchmesser aufweist, eingebracht. Der Flüssigkeitsstand im Rohr beträgt 1,6m.
Der Stickstoff wird nach Durchtritt durch die Reaktionsmasse aufgefangen und über einen Verdichter wieder in den Reaktor rückgeführt. Zur Abführung der Reaktionswärme von 10 kcal/h sind im Reaktor Kühlflächen eingebaut.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    · Verfahren zur Durchführung von Reaktionen in einem im wesentlichen horizontal angeordneten langgestreckten Eeaktor, der von einem nur am Eingang des Reaktors ständig zugeführ— ten fließfähigen Medium in Längsrichtung durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen Betrieb mit angenäherter Pfropfenströmung ermöglichenden Reaktor, bei dem über die ganze Länge des Reaktors verteilte Einrichtungen vorgesehen sind, die das Einleiten eines zweiten ebenfalls fließfähigen Mediums in das den Reaktor durchströmende erste Medium ermöglichen und zwar derart, daß dabei in dem ersten Medium eine zusätzliche Strömung erzeugt wird, die walzenförmig um Achsen parallel zur Pfropfenströmung rotiert, das Einleiten des zweiten Mediums durch in Längsrichtung des Reaktors an bzw· über dessen Boden in Linie angeordnete öffnungen vorgenommen wird.
    2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in das erste Medium in einer Reihe in der Mitte des Bodens des Reaktors angeordnet sind (Fig. 1, 2, 5).
    3* Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in das erste Medium bei einem im Querschnitt etwa rechteckigen Reaktor an bzw. über den Längsseitenkanten des Bodens des Reaktors angeordnet sind (Fig. 3, if, 7, 8)·
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    if« Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als Düsen ausgebildet sind, die es ermöglichen, ein fließfähiges Medium in den Reaktor einzubringen, ohne daß hierbei der Impuls des eintretenden Mediums von entscheidender Bedeutung ist.
    5. Vorrichtung nach Patentanspruch if, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als Löcher in einem am bzw» über dem Boden des Reaktors verlegten Rohr ausgebildet sind.
    6. Vorrichtung nach Patentanspruch if, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als ein feinblasiges Ausströmen des zweiten Mediums ermöglichende Fritten ausgebildet sind.
    7. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums als Strahldüsen ausgebildet sind, die es ermöglichen, ein fließfähiges Medium in den Reaktor einzubringen (durch höheren Druck, durch Injektorwirkung) derart, daß der Impuls des eintretenden Mediums entscheidend zur Wirkung kommt.
    8. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenräumen zwischen je zwei in Linie angeordneten Strahldüsen eine oder mehrere eine feinblasige Begasung ermöglichende Düsen (Fritten) angeordnet sind.
    9. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand (A) der Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums in der Nähe des Zulaufes
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    des ersten Mediums in den Reaktor klein ist, z.B. etwa 100 mm, und bis zum Auslauf des Reaktors wesentlich größer ist, z.B. etwa 1000 mm.
    10. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Medium mit einem solchen Druck in den Reaktor eingebracht wird, daß es bis zur Oberfläche des den Querschnitt des Reaktors nicht vollständig ausfüllenden ersten Mediums aufsteigt.
    11. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des in das erste Medium eingebrachten zweiten Mediums abhängig ist
    a) von der pro Stunde benötigten Menp pro m der auf die Horizontalebene projizierten Grundfläche des Reaktors, z.B. 10 bis 500 m-5 pro m2 und Std.
    b) von der im Reaktor durchgesetzten Flüssigkeitsmenge, z.B. 0,1 bis 50 m des zweiten Mediums pro m des ersten Mediums und pro Stunde.
    c) von der im Reaktor ablaufenden Reaktion (z.B. Abwasserreinigung, SO2-AbSOrPtIOn, Styrol-Butadien Polymerisation)·
    12. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Möglichkeit der Sedimentation eines Feststoffes die Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums über dem Boden in der unteren Hälfte des Belüftungsraumes angebracht sind.
    13· Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der walzenförmig rotierenden Strömung ein Medium verwendet wird, das zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor sowieso benötigt wird (z.B. Reaktionsgas, ein flüssiger Reaktionspartner oder Heizdampf).
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    lif. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der walzenförmig rotierenden Strömung z.B. ein inertes Hilfsgas verwendet wird, das zur Behandlung des ersten Mediums im Reaktor nicht benötigt wird.
    15· Vorrichtung nach den Patentansprüchen 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß an denjenigen Stellen, an denen am bzw. über dem Boden des Reaktors Öffnungen zum Einleiten des zweiten Mediums vorgesehen sind, Leitflächen senkrecht zur Reaktorachse angeordnet sind.
    16. Vorrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Reaktorachse angeordneten Leitflächen nur so hoch bemessen sind, daß die Strömung des Reaktorinhaltes in Reaktor-Längsrichtung nicht gestört wird.
    17· Vorrichtung nach den Patentansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen am Boden des Reaktors Durchbrechungen aufweisen, die das Weiterströmen von sich am Reaktorboden absetzenden Festkörpern in Reaktorlängsrichtung ermöglichen.
    18. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor als geschlossener Behälter, z.B. als Rohr ausgebildet ist.
    19. Verfahren nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unter Druck in dem Reaktor durchgeführt wird.
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