DE2638428C3

DE2638428C3 - Verfahren zur Neutralisation von Abwasser

Info

Publication number: DE2638428C3
Application number: DE2638428A
Authority: DE
Inventors: Jogindar Mohan Dr.-Ing. 7505 Ettlingen Chawla
Original assignee: Agefko Kohlensaeure-Industrie 4000 Duesseldorf De GmbH; Agefko Kohlensaeure Industrie 4000 Duesseldorf GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 1976-08-26
Filing date: 1976-08-26
Publication date: 1982-12-23
Also published as: ATA259877A; JPS5392552A; AT347875B; DE2638428A1; DE2638428B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Neutralisation von stark alkalischem Abwasser durch Beimischung eines neutralisierenden Gases, insbesondere Kohlendioxid, wobei das Abwasser und ein Gas getrennt einer gemeinsamen Düse zugeführt werden.

Ein derartiges Verfahren wird in der DE-OS 22 32 341 und in der Zeitschrift »Brauwelt«, Jg. 112 (1972) Nr. 67, Seiten 1367 bis 1370 angesprochen.

Der Stoffumsatz, d. h. die Intensität der Neutralisationsreaktion, ist unter anderem von der Austauschfläche und der Reaktionszeit abhängig. Um die Abmessungen des Reaktors in vernünftigen Grenzen zu halten, strebt man eine möglichst hohe Austauschfläche zwischen beiden Phasen an. Dabei sollen insbesondere die Gasblasen sehr kleine Abmessungen haben, um innerhalb des Reaktors möglichst vollständig zu reagieren. Denn bei Gasblasen relativ großer Abmessungen kann der Blasenkern an der Neutralisationsreaktion keinen Anteil nehmen und ein Teil des Gases verläßt daher den Reaktor ungenützt. Daher wird bisher eine wesentlich größere Gasmenge benötigt, als es dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Entsprechend wird auch eine möglichst feine Verteilung der Abwasserflüssigkeit angestrebt, damit dieser Reaktionspartner ebenfalls möglichst vollständig an der Neutralisationsreaktion teilnimmt.

Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das eingangs beschriebene Neutralisationsverfahren dahingehend zu verbessern, daß man zur Erzielung des gleichen pH-Endwertes mit einer wesentlich geringeren Gasmenge als bisher auskommt. Außerdem soll die erforderliche Reaktionszeit verkürzt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zuströmgeschwindigkeiten und die Volumenströme der beiden einzelnen Phasen unter Berücksichtigung der übrigen Zustandsgrößen so im Hinblick auf den gemeinsamen Abströmquerschnitt aus der Düsen-Mischkammer gewählt sind, daß die Ausströmgeschwindigkeit gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wird.

Durch die mit der Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches übereinstimmende Ausströmgeschwindigkeit erfährt das Gemisch beim Austritt aus der Mischkammer eine sprunghafte Druckerniedrigung, die eine außerordentlich feine Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. Verteilung des Gases herbeiführt Je nachdem, welche der beiden Phasen die zusammenhängende Phase bildet, wird entweder das Gas in viele kleine Blasen oder die Flüssigkeit in viele kleine Tröpfchen zerteilt Messungen ergaben mittlere Tropfendurchmesser, die in Abhängigkeit von der Größe des Dmcksprunges am Ende der Düse zwischen 30 und 50 um lagen; dabei wiurde nur so viel Kohlensäuregas benötigt, wie

ίο ohnehin für die chemische Reaktion notwendig ist Im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahren erzeugt die Erfindung ein Vielfaches an Austauschfläche zwischen den beiden Reaktionspartnern, wobei der Gasbedarf und auch die Reaktionszeit stark verringert werden.

Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeits/Gasgemischen sei auf die Veröffentlichungen des Erfinders in »Chemie-Ingenieur-Technik«, Heft 20 (1971), Seiten 1106 bis 1108 und in »Brennstoff-Wärme-

Kraft«, 26 (1974), Nr. 2, Februar, Seiten 63 bis 67 verwiesen.

In der DE-OS 15 57 018 wird ein Verfahren zum Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten mit einer Flüssigkeit durch Eindüsen von Gasen und Flüssigkeiten

in ein flüssiges Medium beschrieben, wobei Flüssigkeit und Gas getrennt einer Düse zugeführt werden und die Zuströmgeschwindigkeiten für die Flüssigkeit etwa 5 bis 100 nVsec, vorzugsweise 10 bis 30m/sec, für das Gas etwa 3 bis 30 m/sec betragen. Für das Verhältnis des zugeführten Flüssigkeitsvolumens zum zugeführten Gasvolumen werden dort Werte zwischen 0,1 und 10 angegeben. Diese Zahlenwerte, die teilweise auch den Geschwindigkeitsbereich abdecken, in dem das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet, führen aber keines-

wegs zu einer Ausströmgeschwindigkeit, die der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches entspricht. Denn während in der Entgegenhaltung beliebige Luftgeschwindigkeiten mit beliebigen Gasgeschwindigkeiten innerhalb des jeweils ange-

gebenen Geschwindigkeitsbereiches variiert werden können, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren nur die Geschwindigkeit der einen Phase vorgegeben werden und auch dies nur in einem sehr schmalen Bereich, wohingegen die Geschwindigkeit der anderen

Phase dann bereits zwangsläufig feststeht. Anderenfalls erhält man am Austritt aus der Mischkammer nicht die erwünschte Schallgeschwindigkeit. Eine weitere Einschränkung beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß bei einer bestimmten vorgegebenen Geschwindigkeit der einen Phase nicht nur die Geschwindigkeit der anderen Phase festliegt, sondern daß darüber hinaus auch das Mischungsverhältnis nicht mehr variiert werden kann, da man sonst die Schallgeschwindigkeit wieder verlassen würde. Des

weiteren müssen Druck und Temperatur der beiden Phasen berücksichtigt werden, um die Schallgeschwindigkeit zu ermitteln. Die Erfindung beruht also auf einer scharfen Zuordnung bestimmter Geschwindigkeiten zueinander in Abhängigkeit von mehreren weiteren Zustandsgrößen.

Demgegenüber geben die bekannten pauschalen Geschwindigkeitsangaben mit ihrer Fülle von Kombinationsmöglichkeiten keinerlei Hinweise oder Anregungen, die Geschwindigkeiten beider Phasen in Abhängig-

keit von den übrigen Zustandsgrößen gerade so zu wählen, daß die Mischung mit Schallgeschwindigkeit ausströmt und am Austritt der für die- Zerstäubung wesentliche Druckabfall stattfindet. Im übrigen wird in

der Entgegenhaltung der Begriff der Schallgeschwindigkeit überhaupt nicht erwähnt, es geht dort vor allem um eine spezielle Bemessung des Impulsaustauschraumes, um durch intensiven Impulsaustausch zu einer möglichst guten Vermischung zu kommen.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann es auch zweckmäßig sein, daß das Abwasser mit Luft oder Wasserdampf in der Düse zusammengeführt wird und die Mischung in eine Rauchgasatmosphäre ausströmt. Das für die Düse verwendete Gas braucht in diesem Fall nicht selbst neutralisierend zu wirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben; dabei zeigt

F i g. 1 ein Fließschema;

Fig.2 eine vergrößerte Darstellung der Düse mit dem dazugehörigen Druckverlauf längs der Flüssigkeits- bzw. der Gemischströmung und

Fig.3 ein Fließschema bei der Verwendung von Rauchgas.

Bei 1 anfallendes alkalisches Abwauer mit einem pH-Wert von etwa 14 wird mitte's einer Pumpe 2 durch einen Wärmeaustauscher 3 hindurch zu einer Düse 4 geführt, die am Deckel eines Reaktors 5 sitzt.

Zur Verringerung des pH-Wertes auf etwa 7,5 oder 8 dient Kohlendioxid, das in einem Flüssigkeitstank 6 bei etwa —40°C und 20 bar gelagert ist. Es strömt zunächst in den Wärmeaustauscher 3, wo es unter Wärmeaufnahme aus dem Abwasser in den gasförmigen Zustand übergeht. Das Kohlensäuregas strömt nun über ein Druckminderventil 7, an dem sein Druck auf etwa 5 bar reduziert wird, zu der Düse 4, in der es sich mit dem Abwasser vereinigt und mit diesem zusammen in den Reaktor 5 gesprüht wird. Wird das Gemisch nach dem Düsenaustritt in eine zusammenhängende Gasphase expandiert, so bilden sich feine Tropfen, dagegen bilden sich kleine Gasblasen, wenn das Gemisch in eine zusammenhängende Flüssigkeitsphase expandiert wird.

Der Ablauf aus dem Reaktor 5 ist mit 8 bezeichnet. Er kann selbstverständlich noch zu dem Wärmeaustauscher 3 geleitet werden, um die Aufheizung des Flüssiggases zu begünstigen.

Der Aufbau der Düse ist in Fig.2 näher erläutert. Eine Rohrleitung 11 für das Abwasser ist an ihrem Ende von einer ringförmigen Kammer 12 umgeben, in welche die Leitung 13 für das Kohlendioxidgas mündet. Die ringförmige Kammer 12 steht über mehrere Querbohrungen 14 mit dem Inneren der Rohrleitung 11 in Verbindung, so daß deren Endbereich als Mischkammer 15 fungiert.

Das Verhältnis von Gasstrom zu Flüssigkeitsstrom ist im allgemeinen so bemessen, daß kurz vor dem Austritt aus der Mischkammer 15 der vom Gas eingenommene Strömungsquerschnitt etwa 30 bis 80% des Gesamtströmungsquerschnittes einnimmt, weiterhin sind beide Strömungen hinsichtlich ihrer relevanten Zustandsgrö-Ben, insbesondere hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit, ihres Druckes und auch ihrer Temperatur so zu bemessen, daß am Ende der Mischkammer 15, also beim

Austritt aus der Düse, die charakteristische Schallgeschwindigkeit des Zweiphasen-Gemisches vorliegt

Am Ende der Mischkammer 15 expandiert das Gemisch in den Reaktor 5, wo ein niedrigerer Druck p_o herrscht Der Drucksprung Ap₅ führt zu der erwünschten fei.ien Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. Zerteilung des Gases, so daß den Reaktionspartnern eine große Austauschfläche zur Verfügung steht. Der Druckverlauf ist in dem Diagramm in F i g. 2 wiedergegeben; mit Δ p_R und Δ pe sind der Reibungsdrackverlust bzw. der Beschleunigungsdruckverlust bezeichnet.

Die in Fig.2 dargestellte Zerstäubungseinrichtung dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips. Je nach den konstruktiven und verfahrensmäßigen Forderungen kann die Zerstäubungsdüse auch anders ausgelegt und gebaut werden. Insbesondere ist es möglich, am Ende der Mischkammer konvergente oder aber auch divergente Rohrstrecken einzubauen.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, durch ständige pH-Wertmessung auf zumindest eines der beiden Drosselventile 9 und 10 einzuwirken, damit die beiden Strömungen stets in dem für den gewünschten pH-Endwert richtigen Verhältnis zusammengeführt werden.

Anstelle von reinem Kohlensäuregas kann selbstverständlich auch die in Rauchgasen enthaltene Kohlensäure zur Abwasser-Neutralisation verwendet werden. Da Rauchgas-Kompressoren relativ teuer sind, empfiehlt sich, das Abwasser mit Hilfe eines Druckgases wie Luft oder Wasserdampf zu zerstäuben und es erst dann mit dem Rauchgas in Verbindung zu bringen, so daß sich dessen Kompression erübrigt. Ein derartiges Fließschema ist in F i g. 3 dargestellt.

Eine Abwasserleitung 16 und eine Druckluftleitung 17 münden in die bereits beschriebene Düse 4, die am oberen Ende des Reaktors 5 sitzt. Von unten wird dem Reaktor 5 mittels einer Leitung 18 Rauchgas zugeführt, dessen Kohlendioxid- und Schwefeldioxidanteile die Neutralisation des Abwassers bewirken. Die übrigen Bestandteile des Rauchgases entweichen über eine Leitung 19 zu einem nicht dargestellten Kamin. Der Ablauf des neutralisierten Abwassers ist mit 20 bezeichnet.

Sind starke Schwankungen im Rauchgasanfall zu befürchten, so empfiehlt es sich, einen Reservetank mit flüssiger Kohlensäure vorzusehen. Dieser Tank 21 steht über eine Leitung 22 mit der Düse 4 in Verbindung, damit bei zu geringem Rauchgasanfall die Druckluft mehr oder weniger durch reines Kohlendioxidgas aus dem Reservetank ersetzt werden kann.

Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß man aufgrund der Schallgeschwindigkeitsströmung beim Austritt aus der Düse eine sprunghafte Druckerniedrigung herbeiführen kann, die eine intensive Zerstäubung bzw. Zerteilung bewirkt. Das neutralisierende Gas wird daher wesentlich besser ausgenützt als bisher und die Neutralisationszeit verkürzt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Neutralisation von stark alkalischem Abwasser durch Beimischung eines neutralisierenden Gases, insbesondere Kohlendioxid, wobei das Abwasser und ein Gas getrennt einer gemeinsamen Düse zugeführt werden, dadurchgeken^izeichnet, daß die Zuströmgeschwindigkeiten und die Volumenströme der beiden einzelnen Phasen unter Berücksichtigung der übrigen Zustandsgrößen so im Hinblick auf den gemeinsamen Abströmquerschnitt aus der Düsen-Mischkammer gewählt sind, daß die Ausströmgeschwindigkeit gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser mit Luft oder Wasserdampf in der Düse zusammengeführt wird und die Mischung in eine Rauchgas-Atmosphäre ausströmt