DE2542656A1 - Verfahren zum eindispergieren von gasen in eine zusammenhaengende fluessigkeitsphase - Google Patents

Description

HOFFMANN · EITLE & PAKTNER

PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN . DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMAN N · DIPL.-ING. W. LEH N D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

Magyar Asvänyolaj es Földgäz Kiserleti Intezet, Veszprem

UNGARN

Verfahren zum Eindispergieren von Gasen in eine zusammenhängende Flüssigkeitsphase

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindispergieren (Feinverteilen) von Gasen in eine zusammenhängende Flüssigkeitsphase.

Bei den in Flüssigkeiten stattfindenden Vorgängen ist es sehr oft erforderlich, die zusammenhängende Flüssigkeitsphase und die Gase - meistens Luft - miteinander wirksam in Berührung zu bringen, um die Transportvorgänge zwischen den beiden Phasen zu beschleunigen. Dies ist erforderlich z.B. für die Flotation

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von in Abwässern emulgierten Ölen oder Fetten und anderen suspendierten Stoffen, die intensive biologische Abwasserreinigung, die verschiedenen großindustriellen Fermentationsverfahren, die Auslüftung von Abwässern bzw. die Oxydation der in ihnen befindlichen Verunreinigungen usw..

Die oben erwähnte Berührung der Phasen ist im allgemeinen bei den in einer großen Masse von Flüssigkeitsmenge stattfindenden, mindestens einige Minuten lang, aber eher mehrere Stunden lang dauernden, langsamen Vorgängen nötig, wobei auch ein Rühren der Flüssigkeit vorteilhaft bzw. oft sogar unerläßlich ist. Die Stoff- oder Energieübertragung ist der Phasenoberfläche proportional und sie kann demgemäß durch Verminderung der Größe der Gasblasen erhöht werden. Die Gase werden - abgesehen von den bei der biologischen Reinigung angewendeten Oberflächenbelüftern - am Boden der Flüssigkeit eingeführt, wovon dann die Gase infolge ihrer potentiellen Energie nach aufwärts strömen, wobei sie mit der Flüssigkeit in Berührung treten.

Bei einer Art der bekannten Verfahren wird die Größe der am Boden der Flüssigkeit eingeführten Gasblasen durch die mit mechanischen Rührern entwickelten Abscherkräfte vermindert, wobei die Flüssigkeit auch gerührt wird. Dieses Verfahren wird im allgemeinen bei Tankreaktoren geringerer Dimension oder bei einer Reihe solcher Reaktoren, und hauptsächlich dann verwendet, wenn auch ein intensives Rühren der Flüssigkeit benötigt wird. Ein gemeinsamer Nachteil der mit einem Rührer versehenen Tankreaktoren besteht darin, daß - hauptsächlich im Fall größerer Volumina - die Investitionskosten für die Rühreinrichtung hoch sind und der Energieverbrauch für das Rühren groß ist.

Zur Vermeidung der Rührgeräte werden in größeren Einrichtungen am Boden der Flüssigkeit untergebrachte, poröse Körper aus Metall oder Keramik verwendet, unter denen die Gase bei Überdruck

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eingeleitet werden. Diese Geräte liefern jedoch trotz ihres hohen Druckbedarfs bei einem Druckverlust von 0,2 - 0,5 atm keine genügend kleine Blasen. Die in den Poren gebildeten kleinen Blasen vereinigen sich nämlich schon vor dem Verlassen der Körper an deren Oberfläche und treten als Blasen von einem Durchmesser von 2-6 mm aus (Magyar Kemikusok Lapja Bd. XXIX, Nr. 5-6, S. 309) . Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß zwecks einer gleichmäßigen Belüftung der Flüssigkeit die porösen Verteiler auf einer großen Oberfläche angeordnet werden müssen und daß die kleinen Poren sich leicht verstopfen. Für Zwecke, bei welchen auch ein wirksames Rühren der Flüssigkeit erforderlich ist, ist diese Anordnung nicht geeignet, weil die Flüssigkeit durch die aufsteigenden Gase nur in geringem Maß gerührt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezweckt die Beseitigung der oben erwähnten Nachteile und ergibt sich aus dem Anspruch 1. Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden in der Flüssigkeit in der Nähe des Bodens derselben, nämlich in einem Abstand von 50 bis 500 mm, vorzugsweise von 100 bis 300 mm vom Boden, in einer horizontalen, höchstens 50 % des horizontalen Querschnittes der Flüssigkeit entsprechenden Ebene, von dieser um höchstens 60°, vorzugsweise um 30°, nach unten und/oder oben gerichtete Gasstrahlen erzeugt. Diese Gasstrahlen zerstäuben beim Zusammenstoß mit der Flüssigkeit und strömen dann als Blasen - infolge der Auftriebkraft - an die Oberfläche der Flüssigkeit. So entstehen über den durch die Gasstrahlen durchgedrungenen Querschnitte Gas-Flüssigkeit Säulen, deren spezifisches Gewicht niedriger ist als das der Flüssigkeit, und aufgrund der Einwirkung der benachbarten Flussigkeitssäulen von einem höheren spezifischen Gewicht strömt die Flüssigkeit in den durch die Gasstrahlen durchgedrungenen Querschnitten nach oben, während in den anderen Querschnitten die Flüssigkeit nach unten strömt. Die Geschwindigkeit dieser

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Strömung ist vom spezifischen Gewicht der durch die Gase durchgedrungenen Flüssigkeitssäulen - d.h. von der Menge der in den Säulen anwesenden Gasblasen - abhängig. Unter Berücksichtigung der in der Praxis angewendeten spezifischen Gasmengen und
Flüssigkeitstiefen ist in der Nähe der Gaseinführung sogar
eine Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 0,5 - 2,0 m/s erreichbar. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die vertikale Strömung der Flüssigkeit neben einem wirksamen Rühren auch zur Zerstäubung der eingeführten Gasstrahlen verwendet. Der in bezug auf die Gasstrahlen beinahe senkrecht fließende turbulente Flüssigkeitsstrom zersetzt bzw. zerstäubt nämlich die Gasstrahlen auf die gleiche Weise wie die mechanischen Rührer.

Neben dem Zusammenstoß der vertikal strömenden Flüssigkeit mit den beinahe horizontalen Gasstrahlen - der kleine Blasen liefert spielt auch die gleichmäßige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit eine bedeutende Rolle. Während des Strömens vereinigen sich nämlich die miteinander berührenden Blasen, wodurch die
zu den Transportvorgängen benötigte Phasenoberfläche vermindert wird. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Gase werden gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Gasstrahlen von voneinander abweichender Richtung erzeugt, deren Richtungen hauptsächlich bei größeren spezifischen Gasmengen - von der
horizontalen Ebene nach unten und/oder oben um höchstens 60°
abweichen, so daß die Vereinigung der Gasblasen im wesentlichen verhindert werden kann. Der Durchmesser der Gasstrahlen beträgt bei ihrem Eintritt in die Flüssigkeit zwischen 0,2 und 3,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,7 und 1,5 mm, während die Geschwindigkeit der Gasstrahlen auf einen Wert zwischen 5 und 150 m/s,
vorzugsweise zwischen 40 und 80 m/s eingestellt wird. Bei Einhaltung dieser Werte ist es möglich, bei einem geringen Druckverlust von 70 - 1500 mm Wassersäule bei der Gaseinführung
kleine, im allgemeinen einen Durchmesser von unter 1 mm aufweisende Blasen betriebssicher in der Flüssigkeit zu erzeugen.

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Zur Herstellung größerer Phasenoberfläche muß man mehr Gas durch die Flüssigkeit durchleiten, was zu einem stärkeren Rühren der Flüssigkeit und zu kleineren Blasen führt. Das Rühren kann auf solche Weise noch weiter verstärkt werden, indem die über den von den Gasstrahlen durchgedrungenen Querschnitten liegenden Flüssigkeitssäulen mit festen Wänden - z.B. mit vertikalen Rohren - von den anderen Flüssigkeitssäulen abgeteilt werden. Die Länge dieser Rohre hängt vom Zweck des Rührens ab. Im allgemeinen befindet sich das obere Ende der Rohre in der Nähe der Oberfläche der Flüssigkeit. Mit diesen Rohren wird das über ein geringeres spezifisches Gewicht verfügende Gas-Flüssigkeit-Gemisch von der ein größeres spezifisches Gewicht aufweisenden Flüssigkeit abgetrennt, wodurch sich die Auftriebkraft und damit auch die vertikale Flüssigkeitsströmung erhält. Zur Kennzeichnung der Größe dieser Strömung kann erwähnt werden, daß die Flüssigkeit - in Abhängigkeit von den Umständen des Betriebs - bis zu 2 bis 8-mal in der Minute umgerührt wird. Dies bedeutet, daß die Flüssigkeit 2 bis 8-mal in der Minute in die Umgebung der Gaseinführung gelangt, und die dort entstandenen Blasen in einer solchen Frequenz in der ganzen Flüssigkeitsmenge verteilt werden.

Als Ergebnis der oben erwähnten Wirkungen wurde bei durch eine Natriumsulfitlösung hindurchgeführter Luft in einem Bereich von

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0,2 - 5,0 kg 0₂/m h der Sauerstoffeintragungsgeschwindigkeit

ein spezifischer Energieaufwand von 0,3 - 0,4 kWh/kg 0„ gemessen. Verglichen mit den bekannten Verfahren ist dieser Wert äußerst günstig. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mit demselben Energieaufwand eine mindestens zweimal so große Sauerstoffmenge in die Flüssigkeit eingebracht werden als mit den die porösen Verteiler benutzenden, unter Überdruck arbeitenden Belüftern.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Ι/ Verfahren zum Eindispergieren von Gasen in eine zusammenhängende Flüssigkeitsphase, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit in einem Abstand von 50 bis 500 mm, vorzugsweise von 100 bis 300 mm, vom Boden derselben und in einer horizontalen, höchstens 50 % des horizontalen Querschnittes der Flüssigkeit entsprechenden Ebene, von dieser um höchstens 60 nach unten und/oder oben gerichtete Gasstrahlen erzeugt werden, deren Durchmesser an ihrer Eintrittsstelle in die Flüssigkeit zwischen 0,2 und 3,0 mm und deren Geschwindigkeit zwischen 5 und 150 m/s beträgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Durchmesser der Gasstrahlen an ihrer Eintrittsstelle in die Flüssigkeit zwischen 0,7 und 1,5 mm beträgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Geschwindigkeit der Gasstrahlen an ihrer Eintrittsstelle in die Flüssigkeit zwischen 40 und 80 m/s beträgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Richtung der Gasstrahlen höchstens 30 von der horizontalen Ebene abweicht.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die über den durch die Gasstrahlen durchdrungenen Querschnitte liegenden Flüssigkeitssäulen durch feste Wände - vorzugsweise durch vertikale Rohre - von den anderen Flüssigkeitssäulen abgeteilt werden.

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