DE2752662A1

DE2752662A1 - Verfahren zur kontaktbehandlung von gasen und fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2752662A1
Application number: DE19772752662
Authority: DE
Inventors: Adrian Philip Boyes; Stephen Robert Mercer Ellis
Original assignee: LINKROSE Ltd
Current assignee: LINKROSE Ltd
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1978-06-01
Also published as: FR2371948A1; JPS5373473A; FR2371948B1; CA1092788A

Description

DR. SOLF & ZAPF PATENTANWÄLTE

DR.-ING. DIPL.-ING. A. SOLF (f- DIPL.-ING. CHR. ZAPF

Wall 27/29 56OO Wuppertal 1 Postfach 13O219

II/p/896

Linkrose Limited, 17 Chedworth Close, Selly Oak, Birmingham B29 4LS, Großbritannien

Verfahren zur Kontaktbehandlung von Gasen und Flüssigkeiten

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontaktbehandlung von Gasen und Flüssigkeiten.

Dabei sind die Ausdrücke Gas und Flüssigkeit, wie sie im folgenden benutzt werden, sehr umfassend gemeint, und sie schließen gasförmige Mischungen von Gasen und flüssige Mischungen von Flüssigkeiten ein_;wie auch unter Gasen Dämpfe und unter Flüssigkeiten Lösungen von Gasen und/oder Flüssigkeiten und/oder Feststoffen in Flüssigkeiten und Dispersionen von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen in Flüssigkeiten verstanden werden. Der Ausdruck Gase schließt ebenfalls Suspensionsflüssigkeiten von Feststoffen in einem Gas oder in Dampf ein.

Es besteht ein weites industrielles Anwendungsgebiet, wo (U r enge Kontakt eines Gases und einer Flüssigkeit gewünscht wird. Eine sehr bedeutende Anwendung liegt in

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der Lösung von Gasen in Flüssigkeiten, aber eine große Vielfalt anderer Gas-Flüssigkeitskontaktierungsverfahren wird im industriellen Bereich benutzt, um physikalische, physikalisch-chemische, chemische, Fermentierungs- oder biologische Reaktionen zu erzeugen, die oftmals mit einer Hitzeförderung verbunden sind.

Ein anderes wichtiges technisches Gebiet der Gas-Flüssigkeit-Kontaktbehandlung ist das Gas-Waschen und das Abziehen und ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Ausfällen von Feststoffen, die in einem Gasstrom suspendiert sind. Auf dem Gebiet der Lösung von Gasen in Flüssigkeiten ist eine Vielzahl von Versuchen unternommen worden, um einfache, wirkungsvolle und robuste Geräte zu schaffen, mit denen dies bewirkt werden kann. Anwendungsbeispiele für das Lösen von Gas sind das Lösen von Luft oder von Sauerstoff in Wasser bei beispielsweise Ablaufwasserbehandlungsprozessen und/oder Flotationsprozessen. Zusätzlich ist es in vielen Fällen besser, eine Gasreaktion durchzuführen, wenn das Gas zuerst in einem flüssigen Träger gelöst ist und der flüssige Träger mit dem gelösten Gas dann in einen Absorber, einen katalytischen Reaktor oder einen ähnlichen Apparat eingeführt wird. Absorptions- und Ionenaustauschprozesse, eingeschlossen Prozesse für Flüssigkeit, Festkörper- Kontaktbehandlung erfordern in vielen Fällen die Versorgung mit Flüssigkeiten mit darin gelöstem Gas.

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Vielerlei Geräte für das Lösen von Gasen in Flüssigkeiten sind bereits bekennt. Z. B. enthalten die britischen Patente 461 439, 684 782, 1326457 und 1446402 und die US-Patente 3 092 678, 3 476 366, 3 804 255 und 3 926 588 verschiedene Geräte zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten.

Ein bei den bekannten Geräten bestehendes Problem ist der Verlust von Gas, das durch die Bildung von Blasen gelöst werden soll, wobei diese zur Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen und dort in die Atmosphäre entweichen oder aber mit dem Flüssigkeitsstrom geführt werden oder von der Vorrichtung abgeleitet werden. Dies kann toleriert werden, obwohl es ekonomisch nachteilig ist, wo das Gas Luft oder Sauerstoff ist. Es kann jedoch nicht toleriert werden in solchen Fällen, wo teure oder reaktionsfreudige Gase verwendet werden.

Der Verlust von Gas kann dann verhindert werden, wenn das Gas-FlUssigkiits-Verhältnis unterhalb den Löslichkeitsgrenzen liegt, indem die Gas/Flüssigkeits-Kontaktbehandlung in einer oben geschlossenen Säule mit einem Flüssigkeitsfluß von oben nach unten durchgeführt wird. Jedoch besteht in diesen Fällen die Tendenz, daß sich ein gasgefüllter Raum oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels bildet. Um die Säule mit der Flüssigkeit und der Dispersion gefüllt zu halten, muß das Gas abgeführt werden, und zwar entweder kontinuierlich oder in regelmäßigen Intervallen

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aus dem gasgefüllten Raum. Das Vorhandensein eines solchen gasgefüllten Raumes und das Abführen des Gases verringert erheblich den Wirkungsgrad des Kontaktbehandlungsverfahrens. Zusätzlich macht das Abführen und wieder Einführen Kontrollgeräte erforderlich, welche kostenaufwendig und störanfällig sind.

Es wurde nun herausgefunden, daß unter bestimmten Bedingungen es möglich ist, eine Gas/Flüssigkeits-Kontaktbehandlung durchzuführen, und zwar auf einem weiten Anwendungsfeld bei einem annehmbaren Energieverbrauch.einer guten Annäherung an den Gleichgewichtszustand mit einem hohen Absorptions- und Reaktionswirkungsgrad, mit einer nahezu %-igen Auswertung des Gases und mit relativ einfachem Gerät.

Erfindungsgemäß wird dies nun dadurch erreicht, daß das Gas und die Flüssigkeit in einen Absorber und/oder eine Reaktorsäule eingeführt werden, wobei die Flüssigkeit in die Säulenspitze mittels eines Flüssigkeitsstromes von hoher Geschwindigkeit eingeführt wird, der ausreichend ist, um in der oberen Region der Säule einen im wesentlichen einheitlichen Schaum zu erzeugen. Dabei ist die Geometrie der Säule und die Geschwindigkeit des Einlaßstromes der Flüssigkeit derart eingestellt, daß der eintretende Flüssigkeitsstrom die Tendenz besitzt, ineinandergeflossene, koaleszierte Blasen y.u dispergieren

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und wieder einzuführen, wobei Gas und größere Blasen in der Säulenspitze in Schaum aufgeteilt werden.

Auf diese Weise ist e;: möglich, ein sehr stabiles Verfahren zu erreichen, das sich durch einen hohen Kontakt-Wirkungsgrad auszeichnet. Die sehr hohe Geschwindigkeit des eintretenden Flüssigkeitsstromes verursacht eine sehr hohe Turbulenz und eine Rückmischung im Schaum, der hierbei erzeugt wird und sich von der Säulenspitze nach unten bis zu einem entsprechenden Niveau erstreckt. Das Gas kann in die Säule zusammen mit dem einströmenden Flüssigkeitsstrom eingeführt werden oder es kann an jedem anderen Punkt der Säule ebenfalls eingeleitet werden. Es ist nicht erforderlich, daß dafür gesorgt wird, daß das Gas in feiner Dispersion eingeleitet wird, denn sogar, wenn das Gas als kontinuierlicher Strom eingeführt wird, wird es sehr schnell in Schaum aufgebrochen bzw. gelöst durch den mit hoher Geschwindigkeit eintretenden Flüssigkeitsstrom.

Es besteht in der Tat ein grundsätzlicher Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Verfahrensweise und derjenigen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Beim Stand der Technik wird versucht, das Gas in eine große Anzahl kleiner Blasen zu dispergieren, um sicherzustellen, z.B. bei entsprechenden Strömungen, dan die Blasen innerhalb des Behandlungsraumes oder Behälters fUr eine ausreichende

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Zeit gehalten werden, um zu ermöglichen, daß sie nahezu vollständig in der Flüssigkeit gelöst werden. Im Gegensatz 7\\ diesem Verfahren wird erfindungsgemäß ein Gas dadurch in einer Flüssigkeit gelöst, daß ein kontinuierlicher Schaum in der Säule gebildet wird, der eine relativ einheitliche Blasengröße besitzt. Die Blasen in dem Schaum erfahren eine konstante, leichte Reduzierung ihrer Größe durch teilweise Lösung ihres Inhaltes in der Flüssigkeit des Schaumes und werden konstant wieder aufgefüllt und neu gebildet durch das Einführen und Dispergieren von eingeleitetem Gas und durch die Zurückführung größerer Blasen, die sich durch Zusammenfluß bilden und die zur Schaumspitze aufsteigen. Das Zurückführen in die normale Schaumblasengröße verhindert die Bildung irgendwelchen freien Raums über dem Schaum. Innerhalb des Schaums bewegen sich die Blasen in allen Richtungen. Überr ischenderweise wurde gefunden, daß keine starke Tendenz der kleineren Blasen besteht, sich in ^ r Säule nach unten zu bewegen und mit dem Ausgangsstrom nach außen zu entweichen; vielmehr besteht die Neigung der kleineren Blasen, sich zu größeren Blasen "zu vereinigen, welche in der Säule nach obm steigen. Das Phänomen der Dispersion, der Lösung und des Zusammenfließens (Koaleszierens) erfolgt. gleichzeitig und kontinuierlich, während das erfindungs-Verfahren angewendet wird.

Der kritische Schritt der vorliegenden Erfindung ist, wie

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oben ausgeführt, die Einführung des Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitustromes in die Säulenspitze. Dies erfordert eine passende Geometrie sowohl der Säulenspitze als auch des Flüssigkeitseinlasses, aber es besteht keine spezielle Schwierigkeit in einer passenden Wahl der richtigen Geometrie. So genügt allgemein gesagt eine einfache Verengung am Ende des Einlaßrohres, um die einströmende Flüssigkeit auf eine passende hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen und für spezifische Anwendungen und für einen optimalen Wirkungsgrad kann es allerdings zweckmäßig sein, eine hydrodynamisch geformte Düse vorzusehen. Insbesondere kann durch den Gebrauch einer entsprechend gestalteten Düse der Energiebedarf, um die erforderliche Rückführung zu erreichen, auf ein Minimum reduziert werden. Bei Anwendungen, wo Luft oder Sauerstoff mit Wasser gelöst wird, ist als zweckmäßig herausgefunden worden, wenn die Flüssigkeitseinlaßgeschwindigkeit des Stromes größer als 200 cm/s, ist, um eine zufriedenstellende Funktion zu erreichen.

Die Geometrie der Säulenspilze ist in einem weiten Bereich passend,ohne entscheidend den Wiedereinführungsmöglichkeiten entgegenzuwirken. Im Falle einer einfachen Säule, d.h. einer zylindrischen Säule, kann das obere Ende als flache Platte rechtwinklig zur Zylinderachse ausgebildet sein. Wenn der Zylinder der Säule einen größeren Durchmesser besitzt, kann eine Mehrzahl von Einlassen oder von Einlaßdüsen in der Platte vorgesehen sein, so daß eine Mehr-

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zahl von mit Hochgeschwindigkeit eingespritzten Flüssigkeitsströmen vorhanden ist. Anstelle einer flachen Platte kann das obere Ende der Säule auch domförmig oder kegelstumpfförmig ausgestaltet sein. Der Flüssigkeitsstrom kann senkrecht und tangential eingeleitet werden. Die Säule kann auch einen anderen als einen runden Querschnitt aufweisen, z. B.einen rechteckigen, einen quadratischen oder ringförmigen und in diesem Fall kann eine Vielzahl von Einlassen über den Querschnitt verteilt sein oder um die Spitze der Säule herum.

In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, das Gas in den Aufwärtsflüssigkeitsstrom der eingeführten Flüssigkeit in die Säule einzuleiten, aber es besteht keine bestimmte Vor schrift darüber, wie das Gas in den Zuleitungsstrom der Flüssigkeit eingeführt wird. Z. B. kann ein einfacher T-förmiger Anschluß verwendet werden, der mit einer Druckgasversorgung verbunden ist. Alternativ kann das Gas auch in den Strom mittels eines Einspritzrohres eingespeist wer den, das stromaufwärts oder stromabwärts ausgerichtet sein kann in Relation zum Fluß der Flüssigkeit. Alternativ kann auch eine bekannte Einspritzvorrichtung, z. B. ein Venturi-Injektor oder ähnliches, verwendet werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Einspeisung des Gases, sofern diese in den eintretenden Einlaßflüssigkeitsstrom vorgenommen wird, gerade dort stattfindet, bevor der Strom in die Säule eintritt, denn es hat sich herausgestellt, daß das Gas-

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Flüssigkeitsverhältnis dann konstanter und fähiger ist,

koalesziertes

irgendwelche Blasen oder ineinandergeflossenes^üas an der Spitze der Säule mitzuführ\?n und zu redispergiuren. Alternativ kann das Gas auch in die Ansaugseite einer passenden Pumpe eingeleitet werden. Bei diesem Verfahren kann der zum Einführen des Gases erforderliche Druck wesentlich reduziert werden.

Während des Verfahrens ist der obere Teil der Uuule mit zusammenhängendem Schaum gefüllt, der sich in einem Stadium starker Bewegung und Turbulenz befindet. Es kann angenommen werden, daß eineständige Blasenverschmelzung und ein ständiger Zusammenfall vorhanden ist, was von einer ständigen Redispersion begleitet wird, die durch die eintretenden Flüssigkeitsströme verursacht wird. Große Blasen, die zur Säulenspitze aufsteigen, neigen dazu, zu verschmelzen, jedoch werden diese durch den eintretenden Strom oder die Ströme aufgebrochen und das in ihnen befindliche Gas wird unter Zuführung von weiterem Gas, das durch den Einlaßstrom oder auf andere Weise in die Säule eingeführt wird, redispergiert. Der eintretende Flüssigkeitsstrom verursacht diesen Dispersionseffekt und bewirkt zusätzlich den turbulenten Fluß und das KUckmischen, wodurch die äußerst enge Gas/Flüssigkeits-Kontaktierung erfolgt.

Wenn eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der Gas/ Flüssigkeits-Kontaktierung gewünscht wird, kann die SHuIe

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ganz, oder teilweise mit einer passenden Packung gefüllt werden.

Der Begriff Packung ist weit zu verstehen und beinhaltet jegliche Strukturen derart, daß ein hohes freies Volumen vorhanden ist und sich eine große Anzahl von Zwischenräumen über die Säule erstreckt. So kann z. H. die Packung einfach aus einer oder mehreren Schichten aus Maschenoder perforiertem Material bestehen. Alternativ kann die Packung auch aus einem Bett aus beliebig gleichmäßig angeordneten Packungselementen mit hohem freien Volumen bestehen, z. B. aus Pall-Ringen, Raschig-Ringen oder parallelen Schichten und Dauermischpackungen. Im letzteren Fall

kann das Bett mit der Flüssigkeit zusammenwirken und eventuell mit dem Gas ebenso, und zwar auf physikalische Weise oder in einer physikalisch-chemischen Weise z.B., wenn die Packung ein Katalysator ist oder einen Katalysator trägt. Die Anordnung der Packung innerhalb der Säule kann variieren und kann in einem Abschnitt hoher Rückmischung und Turbulenz des Schaumes nahe der Säulenspitze angeordnet werden oder weiter Unten in -der Säule in Abschnitten geringerer Turbulenz oder sogar in Abschnitten, in denen im wesentlichen keine RUckmischung mehr erfolgt und nur geringe Turbulenz vorhanden ist. Es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß das Einsetzen von Packungen mit hohem freien Volumen in die Säule, die entsprechend der vorliegenden Erfindung betrieben wird, zu keinem wesentlichen Anstieg des Koaleszierens der dispergierten Gasphase

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in dem Schaum führt oder zu einer Instabilität des gesamten Prozesses.

Weiterhin kann die Säule eine bewegliche Packung enthalten, z. B. eine Vielzahl von Körpern von einer Dichte und Konfiguration, daß sie sich in dem Schaum und der Flüssigkeit in der Säule umherbewegen und den Massenübergang oder die stattfindende Reaktion begünstigen. Eine solche Packung kann aus Körpern bestehen, die nur mechanisch wirken oder z. B. mit einem Katalysator überzogen sind oder mit biologisch aktivem Material, z. B. mit Enzymen. Kleine Plastikkugeln oder andere Partikel niederer Dichte, z. B. mit einer Dichte, die etwa der der in der Säule verwendeten Flüssigkeit entspricht, können benutzt werden. Natürlich muß dafür gesorgt werden, daß eine bewegliche Packung in der Säule zurückgehalten wird. Mobile Packungen mit geringer Dichte sind insbesondere bei biologischer Filtrierung wertvoll und bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung bei Enzymreaktoren.

Die verschiedensten Geräte können bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein derartiges Gerät kann einfach und unkompliziert sein und kann grundsätzlich aus einem Absorber und/oder einer Reaktionssäule bestehen, die Mittel zum Einführen der Flüssigkeit als Hochgeschwindigkeitsstrom in der Spitze aufweisen und Mittel, um das Gas in die Säule entweder über diesen Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsstrom einzuleiten oder mittels eines

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passenden Einlasses in der Säule. Die Säule muß natürlich mit entsprechenden Rohrleitungen ausgestattet sein, und eine Pumpe ist im Normalfall das bestgeeignete Mittel, um die Flüssigkeit durch die Säule hindurch zu bewegen.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren normalerweise in einer außerordentlich stabilen Weise abläuft, so ist es in der Verfahrenstechnik allgemein üblich, bekannte passen de Kontrollsysteme vorzusehen. In dieser Hinsicht ist es besonders zweckmäßig, parallel zur Säule, die das zu behandelnde Gas und die zu behandelnde Flüssigkeit enthält, eine davon getrennte Säule anzuschließen, die als sogenanntestotes Bein wirkt, d.h. als eine Säule, in welcher kein Durchfluß stattfindet, aber in welcher ein Flüssigkeitsstand aufgebaut wird, der äquivalent zu dem ruhenden Flüssigkeitsstand ist, der sich in der Säule selbst aufbauen würde, wenn nicht die dynamischen Bedingungen vorhanden wären, die die Dispersionsgasphase erzeugen. Der Flüssigkeitsstand in der parallelen Säule kann z. B. mittels eines entsprechenden Sensors dazu benutzt werden, beispielsweise die Gas- und Flüssigkeitszufuhrraten zum Hauptabsorber und/oder zur Reaktionssäule zu kontrollieren. Das tatsächlich verwendete Kontrollsystem kann ein sehr kompliziertes Kontrollsystem mit Rückführung und mit stufenlos verstellbaren Ventilen sein oder bis zu einfachen Systemen reichen, die das Verfahren unterbrechen, wenn eine radikale Abkehr von den Standard-

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bedingungen auftritt, die manuell eingestellt sind,und wobei zur gleichen Zeit beispielsweise durch ein Alarmsignal angezeigt wird, daß die Vorrichtung zu kontrollieren ist.

Das vorbeschriebene Kontrollsystem ist aus einer Vielzahl von Gründen vorteilhaft. Insbesondere kann das üystem dafür verwendet werden, den äquivalenten Flüssigkeitsstand innerhalb enger Grenzen konstant zu halten und dementsprechend dient es dazu, das Volumen der Gasblasen in der Säule, in welcher die Absorption und/oder Reaktion erfolgt, sehr konstant zu halten und auch den Massentransport. Dies ermöglicht die Kontrolle z. B. von der gewünschten Endkonzentration des gelösten Gases auf eine einfache, effektive und elegante Weise und ermöglicht Einstellungen im Hinblick auf sich ändernde Bedingungen sehr schnell vorzunehmen .

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise bei vielerlei in der Praxis vorkommenden Prozessen anzuwenden. Besondere Vorteile beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Methode bestehen in der Möglichkeit, Gase vollständig in Flüssigkeiten mit einem äußerst geringen Energieaufwand zu lösen, und zwar bei einem hohen Kontaktierungswirkungsgrad. Dies ist besonders von Weit beispielsweise bei der Kohlensäuresaturation von Wasser bei der Herstellung von karbonisierten Getränken. Ein anderer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Unempfind-

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lichkeit gegenüber dem Vorhandensein von Schwebstoffen in zugeführten Gas-Flüssigkeitsströmen. In vielen früheren Vorschlägen erzeugte das Vorhandensein solcher Schwebstoffe erhebliche Probleme in der Praxis. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Anteil der Schwebestoffe relativ hoch sein und kann im Laufe der Zeit variieren, ohne daß sich eine wesentliche Auswirkung auf die Gas-Flüssigkeitswechselwirkung ergibt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine Verschmutzung in der Säule wirksam ausgeschlossen wird. Denn wegen der hohen Turbulenz in der Säule können sich keine Ablagerungen von Feststoffen aufbauen, und zwar weder in der Säule selbst noch in einer festen oder mobilen Packung und dies sogar, wenn der eingeleitete Gasstrom erhebliche Mengen von Schwebstoffen enthält.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der außerordentlich guten Annäherung an den Gleichgewichtszustand. Bei vielen Gasabsonptionsger.äten wird ein hoher Überdruck im Gas benötigt, um die gewünschte Konzentration zu erzielen, um das Gas in die AuslaßflUssigkeit hineinzuzwingen. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bereits eine zufriedenstellende Absorption bei geringem Überdruck über dem flir den Gleichgewichtszustand

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erforderlichen Druck erzielt werden. Z. B. ist ein Druck von 2,4 kg/cm normal, um Sauerstoff in Wasser bei 10 C mit einer Konzentration von 50 ppm w/w zu lösen, aber mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Drücke von ungefähr 1,8 kg/cm benutzt werden, wobei der Druck

ρ für den Gleichgewichtszustand bei ungefähr 1,75 kg/cm liegt.

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Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer einfachen Behandlungssäule,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Behandlungssäule mit einem Niederschlagsabschnitt,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer Behandlungssäule mit einem Zwischenabführpunkt zum Gebrauch, wenn das Gas/Flüssigkeitsverhältnis oberhalb des Löslichkeitsverhaltnisses liegt,

Fig. 6 eine Seitenansicht ähnlich gemäß der· Fig. 5 einer alternativen AusfUhrungsform,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform in schematischer Seitenansicht,

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer gefüllten Säule zum Gebrauch bei einem Gaslösungsverfahren,

Fig. 9 eine Ansicht der Säulenbasis gemäß Fig. 8, jedoch leicht geändert,

Fig.10 eine schematische Seitenansicht einer Reaktionssäule mit katalytischem Bett und

Fig.11 eine schematische Seitenansicht eines zweipha-

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sigen katalytischen Reaktors mit einer ersten Säule, die innerhalb einer zweiten Säule angeordnet ist.

In jeder der Zeichnungen sind Blasen schematisch und verteilt eingezeichnet. In der Praxis während des Betriebs wird eine kontinuierliche Schaumphase ausgebildet,und zwar insbesondere in der Nähe der Säulenspitze, wobei die Blasen dicht aneinander liegen, so daß sich der Anblick eines weißen, festen und dichten, gleichmäßig strukturierten Schaums in einem Stadium von heftiger Bewegung ergibt.

In den Fig. 1,2,3,4 und 7 sind Absorptions- und/oder Reaktionssäulen dargestellt, die beispielsweise mit Wasser als Flüssigkeit betrieben werden können,wobei die Flüssigkeitseintrittsgeschwindigkeit 200 cm/s, überschreiten und eine durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit durch die Säule von 3 bis 15 cm/s, in Abhängigkeit von der Blasengröße vorliegen kann. Unter diesen Bedingungen bleibt die Säule vollständig gefüllt mit Flüssigkeit und Gasblasen und es tritt keine Trennung auf, wodurch irgendein Freiraum an der Spitze der Säule entstehen würde. Solche Anordnungen weisen eine hohe Effektivität in bezug auf die Auflösung von Gasen in Flüssigkeiten auf, so daß alle Blasen, die zur Spitze emporstei-

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gen, durch den eintretenden Hochgeschwindigkeitsstrom von Flüssigkeit und Gas wieder eingeführt werden, so daß dort eine totale Lösung des gesamten, in die Säule eingeführten Gases erreicht wird.

Wenn die Säulen mit einer viel größeren Wassereintrittsgeschwindigkeit als 200 cm/s, und einer größeren Durchflußgeschwindigkeit im Säulenkörper als kO cm/s, betrieben werden, weist das System nach wie vor eine bemerkenswerte Stabilität mit einem sehr turbulenten Strömungsmuster auf, das in den oberen Abschnitten der Säule sichtbar ist. Dabei kann beobachtet werden, daß sich die Gasblasen nach unten und oben in einer Serie von zirkulierenden, wechselnden, sich rückmischenden Strömungsmustern bewegen und dieses trotz der Tatsache, daß eine durchschnittliche Durchströmungsgeschwindigkeit in der Säule vorhanden ist, die 40 cm/s, oder mehr betragen kann, während normalerweise die Aufstiegsgeschwindigkeit einer Blase in der Flüssigkeit der Säule nur etwa 30 cm/s, beträgt. Dabei ist es überraschend, daß die Blasen während des Betriebes nicht durch den Ausgang an der Säulenbasis abgeführt werden, und zwar wegen des zirkulierenden und sich rückmischenden Strömungsmusters, das sich einstellt. In den Fig. 1 und 2 ist eine Säule mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Höhe von ungefähr 90 cm dargestellt. Diese kann entsprechend der Erfindung mit einer Durchflußrate von etwa 9000 1 Wasser pro Stunde und einem

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Überdruck von 0,3 bis 2,0 kg/cm gelösten Sauerstoff im Wasser betrieben werden. Mit einer Sauerstoffkonzentration des am Eingang eingespeisten Wassers von 11 ppm w/w, einer Stickstoffkonzentration von 19 ppm w/w, einem Überdruck von 0,9 bis 1,5 kg/cm und bei einer Temperatur von 10 C wird eine Auslaßkonzentration von 50 bis 75 ppm w/w erreicht, und zwar mit einem fast hundertprozentigen Verbrauch des eingeleiteten Sauerstoffs.

Die Einlaß-Wassergeschwindigkeit in der 2,54 cm-Leitung 1 war ungefähr 490 cm/s, und der Sauerstoff wurde durch ein 5 mm Kupferrohr 3 eingeführt, das in Strömungsrichtung gebogen ist.

Die hohe Wassergeschwindigkeit beim Eintritt in die Säule

rzeugt ein starkes örtliches zirkulierendes und sich rückmischendes Strömungsmuster mit einer niedrigen Lösung von Sauerstoff oder Gas in den zirkulierenden, sich rückmischenden Strömungen an der Spitze der Säule. Dieses Strömungsmuster verhindert eine Anhäufung des Sauerstoffs oder Gases in der Säulenspitze,' da alle'koaleszj erenden, größeren Blasen, die von unten emporsteigen und sich der Säulenspitze nähern, wieder eingeführt und redispergiert werden.

In Fig. 2 besitzt die Basis der Säule 2 einen Abschnitt 5 mit einem Durchmesser von 22,5 cm. Dadurch wird der Ein-

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tritt von kleinsten Blasen in den Ausgangs-Wasserstrom auf ein Mindestmaß herabgemindert. Der Entzug der Blasen aus dem Ausgangsstrom kann weiterhin erreicht werden, indem an einem oder mehreren Punkten tangential von der Seite der Säule aus in der Nähe der Säulenbasis der Ausgangsstrom abgezogen wird. Die resultierende Zirkulationsbewegung der Flüssigkeit in der Säulenbasis verhält sich dabei wie eine Zentrifuge oder ein Zyklonen-Separator,
so daß die Blasen in die Säulenmitte gezwungen werden
und ihr Eintritt und ihre Abfuhr in dem Ausgangsstrom
verhindert wird.

In der Säulenbasis kann zusätzlich ein Gasverteilungseinlaß 9 angeordnet sein.

In den Fig. 3 und 4 sind Einheiten wie in den Fig. 1 und dargestellt, bei denen jedoch das Wasser zunächst über einen Konus 6 in die Säule eintritt. Konen, deren Wände 3 , 5°,15° und 25 geneigt sein können, können alle benutzt werden, wobei sich nur eine gerinne Differenz bei den unterschiedlichen Typen in der Säulenfunktion ergibt. Es hat sich herausgestellt, daß bei größeren Säulen, d.h. mit einem größeren Durchmesser als 7,5 cm, eine Einlaßgeschwindigkeit größer als 200 cm/s, erforderlich ist, um gemäß der Erfindung zu arbeiten. Bei kleineren Säulen kann die Wassergeschwindigkeit niedriger als 200 cm/s, sein,

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wenn der Neigungswinkel klein ist, z. B. 3 bis 5° beträgt.

Bei bestimmten Prozessen kann es wünschenswert sein, einen Überschuß an Gasmischung oder Gas zu erreichen, der über dem Betrag liegt, der bei einer teilweisen und/oder vollständigen Lösung erforderlich ist. Solche Prozesse schließen die Oxydation, chemische Reaktionen und Abziehprozesse
ein, wobei Luft, ionisierte Luft, Sauerstoff, Ozon in
Luft oder Ozon in Sauerstoff verwendet wird. In solchen Fällen kann ein Teil der Blasendisptrsion oder des Schaums zu einem Separator 7 geleitet werden und die Flüssigkeit kann rückgeführt werden, wenn es erforderlich ist. Dies ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Das Ableiten eines Teils des Schaums kann von jeder passenden Stelle der
Säule erfolgen, dabei ist darauf zu achten, daß eine
Abfuhr von Schaum erfolgt und nicht eine Abfuhr von Gas aus der Säule, so daß es in manchen Fällen erforderlich ist, einen Separator zu benutzen oder aber eine andere
Anordnung, die eine Abtrennung des abgezogenen Schaums
ermöglicht. Nach der Abtrennung kann das Gas zurückgeführt werden, z. B.'durch Einführung in jeden passenden Abschnitt der oäule, und zwar zweckmäßigerweise mittels einer Pumpe.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, können eine oder mehrere Blasensäulen auf einem gemeinsamen Separator-Behälter 8 montiert werden.

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Der in der Säule 2 herrschende Druck kann von nahezu Atmosphärendruck bis zu einigen Atmosphären Überdruck variieren. Bei vielen Betriebsbedingungen wird ein Überdruck von 0,35 kg/cm bis 3,5 kg/cm gewählt werden.

Die im obigen beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beziehen sich auf einen Flüssigkeitsstrom, wobei Wasser als Flüssigkeit verwendet wird. Insbesondere bei chemischen Reaktionsprozessen, wobei die vorliegende Erfindung angewendet wird, wird eine andere Flüssigkeit verwendet werden, die andere Eigenschaften als Wasser besitzt. Durch einfache Versuche kann dann bestimmt werden, mit welcher Strömungsgeschwindigkeit eine Säule gemäß der Erfindung betrieben werden muß.

In Fig. 8 ist eine Säule 11 dargestellt, die einen Flüssigkeitseinlaß 12 an ihrem Säulenkopf besitzt. Im Einlaß 12 ist ein Rohr oder eine Düse 13 eingesetzt, in welche das Gas von einer Quelle 14 aus eingespritzt werden kann. Das Zentrum der Säule ist mit einer Packung 16 aus 25 mm PaIl-Ringen innerhalb von 15 cm oder mehr von der Säulenspitze aus gefüllt. Wird eine Einlaßgeschwindigkeit des Wassers von größer als 200 cm/s, gewählt, so ist es möglich, Gase im Flüssigkeitsstrom derart zu lösen, daß der Gleichgewichtszustand nahezu erreicht wird mit einer fast 100%-igen Ausnutzung des verwendeten Gases. Es hat sich herausgestellt, daß das Vorhandensein von einer Packung mit gro-

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ßem freien Volumen z. B. an Pall-Ringen oder anderen Pakkungselementen, in dem Schaum das Lösungsverhältnis des Gases in der Flüssigkeit erhöht, und zwar verglichen mit derselben Säule, wenn diese unter denselben Strömungsbedingungen, aber ohne Packung arbeitet. Steigerungen von 15 bis 30 % der Lösungsrate können dadurch erreicht werden, wenn Sauerstoff in Wasser gelöst wird.

Die Packung wird von einem Tragegitter 18 gehalten. Dieses Gitter sollte eine hohe freie Durchlässigkeit aufweisen,

(Koaleszieren) wenn das Ineinanderfließen/irgendwelcher Blasen 17, die durch das Gitter hindurchtreten, vermieden werden soll. Wenn das Tragegitter in gewissen Arbeitsbedingungen in diese Richtung den Verfahrensablauf beeinflußt, dann muß die Basis der Säule modifiziert werden, wie dies in Fig.9 dargestellt ist, um zu ermöglichen, das Gas, welches sich angesammelt hat, über ein Abfuhrrohr 9 abzuleiten. Die Anwesenheit der Packung erhöht im Schaum die Turbulenz in der Säule und verursacht beispielsweise eine erhöhte Lösung des Gases in der Flüssigkeit bei einem bestimmten Schaumvolumen. Jedoch sollte die Packung sich nicht über die ganze Schaumregion erstrecken, so sollte die Spitze der Säule frei von der Packung bleiben, so daß der eintretende HochgeschwindigkeitsflUssigkeitsstrom zyklische Strömungsmuster erzeugen kann, die dazu dienen, jegliche Gasblasen zu redispergieren, die anderweitig zusammenfließen (koaleszieren) und sich als ein freier Raum in der Säulenspitze ansammeln würden/

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Wie sich aus Fig. 10 ergibt, weist eine Säule 20 einen Flüssigkeitseinlaß 21 an ihrem Kopf auf und einen Gaseinlaß 22 an einer Seite. Der Gaseinlaß 22 endet in einem Sprühkopf 23. Unterhalb des Kopfes 23 ist ein Bett aus katalytischem Material 24 angeordnet, das auf einem Gitter 25 ruht. Unterhalb des Gitters 25 ist an der Seite der Säule eine Gasabfuhrleitung 26 angeordnet,und die Basis der Säule weist einen Flüsüigkeitsauslaß 27 auf. Im Betrieb dieser Säule wird das Gas über den Kopf 23 eingeführt und wird, nachdem es in der Säule aufgestiegen ist, durch den eintretenden HochgeschwindigkeitsflUssigkeitsstrom aus dem Einlaß 21 schnell dispergiert, so daß die Säule oberhalb des katalytischen Bettes mit einer turbulenten Schaummischung von Flüssigkeit und Gas angefüllt ist. Nach dem Durchlaufen des katalytischen Bettes 24 und des Tragegitters 25 (mit einem niedrigen freien Volumen) jedoch, wenn erhöhte Gasanreicherung benutzt wird, die überhalb der für teilweise oder vollständige Lösung liegt, bildet sich eine zusammengeflossene (koaleszierte) Gasphase, die über die Abzugleitung 26 abgeleitet wird und die verflüssigte Phase wird über den Auslaß 27 rückgefUhrt.

Fig. 11 zeigt ein System, bei welchem eine erste Säule teilweise oder vollständig innerhalb einer zweiten Säule 31 angeordnet ist. Die Flüssigkeit kann in die Säule 30 mittels eines Einlaßrohrs 32 eingeführt werden

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und das Gas kann mittels einer Düse 33, die von einer Quelle 34 versorgt wird, eingeleitet werden. An der Basis der Säule 30 ist ein erstes katalytisches Bett 35 vorgesehen. Nach dem Austritt aus der Basis der Säule 30 durchläuft das Gas und die Flüssigkeit den ringförmigen Raum zwischen df r Säule 30 und der Säule 31 und steigt hoch durch ein zweites ringförmiges katalytisches Bett 36. Gas, das sich ansammelt wegen des Gebrauchs eines Gasüberschusses, über der Gasmenge, die für eine Teil- oder vollständige Lösung benötigt wird, wird von der Spitze der Säule 31 abgeleitet mittels einer Abfuhrleitung 37, und die Flüssigkeit mittels eines Rohres 38, das direkt überhalb des katalytischen Bettes 36 angeordnet ist. Wenn es gewünscht wird, kann weiteres Gas und/ oder weitere Flüssigkeit zur Basis der Säule 31 geführt werden mittels eines Rohres 39.

Weiterhin ist es möglich, die Basis der Säule 30 oberhalb des Bettes 35 zu perforieren, so daß gewisse Mengen Flüssigkeit und Gas das Bett umgehen können.

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Claims

DR. SOLF & ZAPF F³ATENTANWaLTE

DR.-ING. DIPL.-DIPL.-ING. CHR. ZAPF

Wall 27/29 5βΟΟ Wuppertal 1 Postfach 130219

II/p/896

Linkrose Limited, 17 Chedworth Close, Selly Oak, Birmingham B 29 4LS, Großbritannien

Ansprüche

flj Verfahren zum Kontaktieren von Gasen und Flüssigkeiten, wobei ein Gas und eine Flüssigkeit in eine Säule eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in die Säulenspitze als Flüssigkeitsstrom mit hinreichender Geschwindigkeit eingeleitet wird, um im oberen Säulenabschnitt einen im wesentlichen gleichmäßigen Schaum zu erzeugen, wobei die Geometrie der Säule und die Geschwindigkeit des Einlaßstromes der Flüssigkeit derart gewählt werden, daß der eintretende Flüssigkeitsstrom bewirkt, ineinandergeflossene (koaleszierte) Blasen zu dispergieren und wieder rückzuführen, indem Gas oder größere Blasen in der Säulenspitze in Schaum wieder aufgeteilt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zusammen mit dem eintretenden Flüssigkeitsstrom eingeführt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch geke η η ze ichnet, daß das Gas getrennt von dem eintretenden Flüssigkeitsstrom in die Säule eingeführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Säule eine Packung eingebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung aus einer beweglichen Packung besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung einen Katalysator, eine biologisch wirkende Masse oder ein Enzym umfaßt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser und als Gas Sauerstoff oder Luft verwendet wird. ■
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eintretende Wasserstrom eine Geschwindigkeit von mindestens 200 cm/s, besitzt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

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bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas und die Flüssigkeit in einem solchen Verhältnis eingeführt werden, daß nahezu 100 % des Gases in der Flüssigkeitsphase aufgenommen werden.

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