-
-
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. FUr 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 Zufuhrung
der Komponenten und Abführung des Gemisches durch entsprechende Ausgestaltung des
Mischungsraums mit Leitkörpern insogenannten Schlaufen geführt wird. Der Schlaufen-
reaktor
nimmt daher eine Zwischenstellung zwischen Rührkessel 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 Flssigkeitseinlaß. 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 unerwUnschten 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
Strömung
durch Einbauten möglichst vermieden werden.
-
Während in einem Rührkessel eine ungeordnete Strömungs-.
-
form (starke RUckvermischung) 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 Verwelzeitverteilung
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, Zuführungs- und Abführungselementen
für das Komponentengemisch durchfUhren, bei dem die ZufUhrungs- und AbfUhrungselemente
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.
-
Als Zuführungselemente für das Komponentengemisch haben sich Lochdüsen'und
Schlitze bewährt, als Abfühmuigselemente Schlitze und Bohrungen.
-
Eine Rückvermischung der Mischungskomponenten kann durch den Einbau
von Leitwänden im Nischungsraum parallel 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 Zuftihrungs- und Abführungselemente so unterteilt wird,
daß sich eine Doppelschlaufe mit zwei gegenseitig verlaufenden Schlaufenströmungen
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 Leitkdrper (10, 11) parallel und mit Abstand
zueinander eingebaut. Die Zuführung der Komponenten erfolgt über Schlitze (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 kontinuierlich 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 lag.
-
Bei gleichem Druckverlust (Energieaufwand) konnte nahezu die doppelte
Menge durchs gleiche Reaktorvolumen durchgesetzt werden.
-
2. Bei aeroben Submersverfahren, wie sie bei vielen Fermentationen
und in der biologischen Abwasserklärung vorliegen, müssen die Mikroorganismen sowohl
ausreichend mit Sauerstoff als auch mit den nötigen Nahrsubstraten versorgt werden.
-
Ein energetisch günstiges Verfahren zur Einbringung des Luftsauerstoffs
besteht bekanntlich in der Verwendung von InJektoren zur Begasung.
-
In einer Versuchsreihe wurde das erfindungsgemäße Verfahren mit dem
Doppelschlaufenreaktor 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.
-
T A B E L L E Vergleich der Verweilzeitverteilung verschiedener Schlaufenreaktoren
W e c h s e 1 Durchs. Druck Zeit, bis zum Erreichen von 90 % des Endwertes von -
nach m5/h bar sec 1. Wasser-Säurezugabe Reaktor A 1,5 1,8 16,5 Reaktor B 1,5 0,5
14,0 n n 2,7 1,6 10 2. Säure-Wasserzugabe Reaktor A 1,5 1,8 370 Reaktor B 1,5 0,6
186 n n 2,7 1,6 35 3. Wasser-Laugezugabe Reaktor A 1,5 1,8 17,7 Reaktor B 1,5 0,5
17,5 4. Lauge-Wasserzugabe Reaktor A 1,5 1,8 223 Reaktor B 1,5 0,5 186