DE3203386A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen und reagieren von fluessiger mit fluessigen, gasfoermigen oder festen komponenten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum mischen und reagieren von fluessiger mit fluessigen, gasfoermigen oder festen komponenten

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DE3203386A1
DE3203386A1 DE19823203386 DE3203386A DE3203386A1 DE 3203386 A1 DE3203386 A1 DE 3203386A1 DE 19823203386 DE19823203386 DE 19823203386 DE 3203386 A DE3203386 A DE 3203386A DE 3203386 A1 DE3203386 A1 DE 3203386A1
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
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Description

·~> ~ 82 109 VT
Degussa Aktiengesellschaft 6000 Frankfurt am Main, Weißfrauenstraße 9
IQ Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen oder festen Komponenten.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen und/oder festen Komponenten auf Schlaufenbahnen im Mischungsraum eines Schlaufenreaktors.
In der chemischen Industrie, der Abwassertechnik, der Abgasreinigung als auch in der Biotechnologie besteht oftmals die Aufgabe, eine flüssige Phase mit Phasen, die gasförmig, flüssig oder fest sein können, zu mischen, wobei diese Phasen bzw. die Komponenten dieser Phasen miteinander reagieren sollen. Für einen günstigen Reaktionsablauf sowie für die regelungstechnische Handhabung des Systems ist meist eine enge Verweilzeitverteilung der Phasen im Reaktor notwendig.
Zur Durchmischung und Reaktion solcher Phasen sind Schlaufenreaktoren bekannt, bei denen das Phasengemisch innerhalb des Mischungsraums zwischen Zuführung der Komponenten und Abführung des Gemisches durch entsprechende Ausgestaltung des Mischungsraums mit Leitkörpern in sogenannten Schlaufen geführt wird. Der Schlaufen-
reaktor nimmt daher eine Zwischenstellung zwischen Rühr kessel und Reaktionsrohr ein, wobei die Strömungsvorgän ge im Reaktor wichtig sind für die Reaktionsgeschwindig keit, Umsatz, Durchsatz, Ausbeute und Einheitlichkeit des Produktes.
Im Normalfall besteht ein solcher Schlaufenreaktor aus einem zylindrischen Reaktorgehäuse, in dem konzentrisch ein Leitrohr befestigt ist.(DE-PS 25 16 284). Er enthält weiterhin Mittel zum Umwälzen der zu mischenden Komponenten sowie einen konzentrisch zum Leitrohr angeordneten Flüssigkeitseinlaß. Der Flüssigkeitsstrom mit den zu mischenden Komponenten tritt in das Leitrohr ein und wird an dessen oberem und unterem Ende um 180 umgelenkt. Um einen mehrmaligen Umlauf und damit eine gute Durchmischung zu erreichen, erfolgt die Abführung des Gemisches über einen Hohlring im Leitrohr, der sowohl mit dem Mischungsraum als auch mit einem Abflußrohr verbunden ist. Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß die Schlaufenströmung durch die Abflußrohre, durch die die Flüssigkeit vom konzentrischen Hohlring nach außen geleitet wird, gestört wird und dies zu einer unerwünschten Rückvermischung führt. Außerdem ist der gewünschte mehrmalige Umlauf der Flüssigkeit nicht in ausreichendem Maße gewährleistet.
Um eine möglichst homogene Vermischung der Phasen bzw. Komponenten und damit eine optimale Reaktionsführung zu erreichen, ist ein enges Verweilzeitspektrum der Komponenten im Reaktor erforderlich. Ein enges Verweilzeitspektrum bzw. eine enge Verweilzeitverteilung bedeutet, daß die Verweilzeit jedes einzelnen Partikels nahe bei der mittleren Verweilzeit liegt. Hierzu ist eine definierte Strömung nötig, ebenso müssen Störungen der
Strömiong durch Einbauten möglichst vermieden werden.
Während in einem Rührkessel eine ungeordnete Strömungsform (starke Rückvermischung) vorliegt, wird in den bekannten Schlaufenreaktoren eine definierte Hauptströmung aufgeprägt, die die Rückvermischung einschränkt. Trotz des verbesserten Verweilzeitverhaltens, sind die bekannten Schlaufenreaktoren nicht für alle Anwendungen ausreichend.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen und/oder festen Komponenten auf Schlaufenbahnen im Mischungsraum eines Schlaufenreaktors zu finden, bei dem trotz guter homogener .Vermischung der Komponenten eine enge Verweilzeitverteilung der einzelnen Komponenten vorliegt. Außerdem bestand die Aufgabe, eine Vorrichtung zu finden, bei der nicht durch Einbauten, wie Abflußrohre, eine Störung der Schlaufenbahnen erfolgt.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die Zuführung und Abführung des Komponentengemisches an räumlich getrennten Stellen innerhalb des Mischungsraums senkrecht zur Schlaufenebene das Komponentengemisch auf eine spiralförmige Schlaufenbahn senkrecht zur Schlaufenebene gezwungen wird.
Durch die Überlagerung einer zusätzlichen Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur normalen Schlaufenebene erhält man bei optimaler Durchmischung der Phasen und Komponenten überraschenderweise eine sehr enge Verweilzeitverteilung. Während bei den bisher bekannten rota-
tionssymmetrischen Schlaufenreaktoren die Zufuhr und Abfuhr der Komponenten in jeder einzelnen Schlaufenebene erfolgt, liegen die Zuführungen und Abführungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren räumlich getrennt beispielsweise im vorderen (Zuführungen) und hinteren Teil (Abführungen) des Mischungsraums.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen und/oder festen Komponenten läßt sich vorteilhafterweise in einem Schlaufenreaktor mit Mischungsraum, Leitkörpern, Zuführungsund Abführungselementen für das Komponentengemisch durchführen, bei dem die Zuführungs- und Abführungselemente räumlich getrennt an verschiedenen Stellen der Mischungsraumachse senkrecht zur Schlaufenebene angeordnet sind und die eben ausgebildeten Leitkörper über zwei Stirnwände parallel zur Schleifenebene mit -_ den Reaktorwänden in Verbindung stehen. Vorzugsweise sind die Zuführungs- und Abführungselemente in den Leitkörpern und/oder in den Wandungen des Reaktors angeordnet, so daß sie die Schlaufenströmung nicht behindern.
Vorteilhafterweise bildet man den Mischungsraum so aus, daß er sich in Länge : Höhe : Breite wie 2:2:1 verhält. Er kann jedoch auch andere Abmessungen besitzen.
,Jn Als Zuführungselemente für das Komponentengemisch haben sich Lochdüsen und Schlitze bewährt, als Abführungselemente Schlitze und Bohrungen.
Eine Rückvermischung der Mischungskomponenten kann ^c durch den Einbau von Leitwänden im Mischungsraum paral-IeI zu den Schlaufenebenen noch zusätzlich vermindert
werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist der sogenannte Doppelschlaufenreaktor, bei dem der Mischungsraum durch den Einbau zweier paralleler Leitkörper und die entsprechende Anordnung der Zuführungs- und Abführungselemente so unterteilt wird, daß sich eine Doppelschlaufe mit zwei gegenseitig verlaufenden Schiaufenströmungen ausbilden kann. Die Zuführung der Komponenten erfolgt dabei vorzugsweise über Düsen oder Schlitze in der Reaktorwand in der Berührungsebene beider Schlaufen, die Abführung über öffnungen ebenfalls in der Reaktorwand oder in den Leitkörpern.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß man die erfindungsgemäßen Schlaufenreaktoren mit einem wesentlich geringeren Energieaufwand betreiben kann, als er bei den bekannten Schlaufenreaktoren benötigt wird.
Die Abbildungen I und II zeigen schematisch in beispielhafter Ausführungsform das Innere zweier Schlaufenreaktoren in Ansicht von schräg vorne. Der Mischungsraum (2) des Schlaufenreaktors (1) enthält einen ebenen Leitkörper (3), dessen beiden Stirnwände (4) parallel zur Schleifenebene mit den Reaktorwänden (5) in Verbindung stehen und daran befestigt sind. Die Zuführungsleitung (6) ist räumlich getrennt von der Abführungsleitung (7) und zwar auf einer Achse senkrecht zur Schlaufenebene. Dadurch wird das Komponentengemisch auf eine spiralförmige Schlaufenbahn (8) senkrecht zur Schlaufenebene gezwungen.
Die Abbildung II zeigt einen sogenannten Doppelschlau-
fenreaktor. In den Mischungsraum (9) sind zwei Leitkörper (10, 11) parallel und mit Abstand zueinander eingebaut. Die Zuführung der Komponenten erfolgt über Schlit j. ze (13) im Reaktorboden.
Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern.
1.In der Abwassertechnik besteht die Aufgabe, einem saueren bzw. basischen Abwasser Base bzw. Säure so zuzumischen, daß eine Neutralisation stattfindet. Die genaue Regelung der Neutralisation bei wechselnder Abwasserzusammensetzung setzt eine definierte, enge Verweilzeitverteilung der Komponenten voraus.
Es wurden Vergleichmessungen in zwei Reaktoren mit gleichen Füllvolumen durchgeführt. Reaktor A bestand aus einem herkömmlichen Reaktor nach DE-PS 2516284, während Reaktor B einem erfindungsgemäßen Doppelschlaufenreaktor nach Abbildung II entsprach.
Bei den Messungen wurden die Reaktoren kontinuierlieh mit Wasser durchströmt. Nach dem Einschalten der Säure bzw. Laugendosierung wurde die Zeit gemessen, die erforderlich war, um 90 % der Endkonzentration nach Reaktoraustritt zu erreichen. Die gleiche Messung wurde umgekehrt auch bei Abschalten der Zudosierung vorgenommen. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, konnten die charakteristischen Zeiten (90 % Wert) bei gleichem Durchsatz bei dem erfindungsgemäßen Reaktor drastisch reduziert werden, wobei der Druckverlust um ca. den Faktor 3 niedriger 35
lag.
Bei gleichem Druckverlust (Energieaufwand) konnte nahezu die doppelte Menge durchs gleiche Reaktorvolumen durchgesetzt werden.
2. Bei aeroben Submersverfahren, wie sie bei vielen Fer mentationen und in der biologischen Abwasserklärung vorliegen, müssen die Mikroorganismen sowohl ausreichend mit Sauerstoff als auch mit den nötigen IQ Nährsubstraten versorgt werden.
Ein energetisch günstiges Verfahren zur Einbringung des Luftsauerstoffs besteht bekanntlich in der Verwendung von Injektoren zur Begasung. 15
In einer Versuchsreihe wurde das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Doppel schlaufenjrleaktor bei der biologischen Abwasserbehandlung eingesetzt, wobei im Einlauf Injektoren eingesetzt wurden. Neben einem
energetisch günstigen Betrieb konnte aufgrund der günstigen Verweilzeitverteilung eine außergewöhnlich gute Regelbarheit des Prozesses bezüglich Biomasse, Nährstoffgehalt, pH-Wert, etc., erhalten werden.
TABELLE
Vergleich der Verweilzeitverteilung verschiedener Schlaufenreaktoren
Wechsel
von - nach		 Wasser-Säurezugabe Durchs.
m3/h		 Druck
bar		 Zeit, bis zum Er
reichen von 90 %
des Endwertes
see
1. Reaktor A
Reaktor B
η n
Säure-Wasserzugabe 1,5
1,5
2,7		 1,8
0,5
1,6		 16,5
14,0
10
2. Reaktor A
Reaktor B
η π
Wasser-Laugezugabe 1,5
1,5
2,7		 1,8
0,6
1,6		 370
186
35
3. Reaktor A
Reaktor B
Lauge-Wasserzugabe 1,5
1,5		 1,8
0,5		 17,7
17,5
4. Reaktor A
Reaktor B
1,5
1,5		 1,8
0,5		 223
186
15.01.1982 PAT/Dr.Br-sb

Claims (7)

82 109 VT Degussa Aktiengesellschaft 6000 Frankfurt am Main, Weißfrauenstraße 9 TO Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen oder festen Komponenten ■J5 Patentansprüche
1. Verfahren zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen und/oder festen Komponenten auf Schlaufenbahnen im Mischungsraum eines
Schlaufenreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß durch
die Zuführung und Abführung des Komponentengemisches an räumlich getrennten Stellen Innerhalb des Mischungsraums senkrecht zur Schlaufenebene das Kompo-„_ nentengemisch auf eine spiralförmige Schlaufenbahn senkrecht zur Schlaufenebene gezwungen wird.
2. Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von flüssigen mit flüssigen, gasförmigen und/oder festen Komponenten nach Anspruch 1 in einem Schlaufenreaktor mit Mischungsraum, Leitkörpern, Zuführungs- und Abführung sei ement en für das Komponentengemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungs- (6) und Abführungselemente (7) räumlich getrennt an verschiedenen Stellen der Mischungsraumachse senkrecht zur Schlaufenebene angeordnet sind und die eben ausgebildeten Leitkörper (3) über zwei Stirnwände (4)
parallel zur Schlaufenebene ait den Reaktorwänden
(5) in Verbindung stehen.
_
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungs- (6) und Abführungselemente (7) in den Leitkörpern (3) und/oder in den Wandungen des Reaktors (1) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Mischungsraums (2) sich in Länge : Höhe : Breite wie 2:2:1 verhalten.
^ 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungselemente (6) als Lochdüsen oder Schlitze, die Abführungselemente (7) als Schlitze oder Bohrungen ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Mischungsraum (2) parallel zu den Schlaufenebenen Leitwände eingebaut sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischungsraum (9) durch Einbau zweier paralleler Leitkörper (10, 11) und die entsprechende Anordnung der Zuführungs- (12) und Abführungselemente (13) als Doppelschlaufenreaktor ausgebildet ist.
DE19823203386 1982-02-02 1982-02-02 Verfahren und vorrichtung zum mischen und reagieren von fluessiger mit fluessigen, gasfoermigen oder festen komponenten Withdrawn DE3203386A1 (de)

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