DE3247266C2

DE3247266C2 -

Info

Publication number: DE3247266C2
Application number: DE3247266A
Authority: DE
Inventors: Istvan Kenyeres; Lehel Budapest Hu Koch
Original assignee: KOEZPONTI VALTO- ES HITELBANK RT INNOVACIOS ALAP BUDAPEST HU
Current assignee: KOEZPONTI VALTO- ES HITELBANK RT INNOVACIOS ALAP BUDAPEST HU
Priority date: 1981-12-22
Filing date: 1982-12-21
Publication date: 1987-06-19
Also published as: JPS58150426A; IT1155435B; GB2111844A; ES8401728A1; JPS632210B2; IT8224898A1; SE444119B; SE8207341D0; SE8207341L; AU555183B2; HU190785B; BE895384A; GB2111844B; FR2518419B1; IT8224898A0; DE3247266A1; ES518485A0; CA1201873A; AU9181982A; FR2518419A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begasen einer Flüssigkeit, bei dem ein kohärenter Flüssigkeitsstrahl aus einer Düse mit hoher Geschwindigkeit austritt, durch eine Schicht des zu lösenden Gases hindurchtritt und in die Oberfläche der zu begasenden Flüssigkeit eintritt.

In den letzten Jahren nahm, in erster Linie infolge der zunehmenden Abwasserreinigungsaufgaben und der Entwicklung der biologischen Verfahrenstechnik, die Nachfrage nach Verfahren zum Begasen einer Flüssigkeit, welche im Gegensatz zur früher allgemeinen Verwendung von Mischreaktionsvorrichtungen die Anforderungen an die Zunahme des Volumens der für sie verwendeten Einrichtungen sowie die Verringerung des spezifischen Einrichtungs- und Energieaufwandes und der Reaktions- bzw. Verweilzeit wirtschaftlich erfüllen, außerordentlich zu.

Schügerl, K., (Chem.-Ing. Tech. 52 [1980], S. 951 bis 965) gibt einen guten Überblick über die bekannten Lösungen. Danach können die bekannten Einrichtungen zum Begasen von Flüssigkeiten nach der Art der Energiezufuhr in folgende Gruppen unterteilt werden:

- Mechanische Systeme,
- Kompressorsysteme und
- Pumpensysteme

sowie deren Kombinationen.

Der Vergleich der verschiedenen Systeme zum Begasen von Flüssigkeiten erfolgt in der Praxis aufgrund der Stofftransportgeschwindigkeit, des spezifischen Energiebedarfes, der Stofftransport- und der Viskositätsabhängigkeit dieser beiden Faktoren. Über die bekannten Systeme kann allgemein gesagt werden, daß sie bei Flüssigkeiten hoher Viskosität nicht geeignet sind, den Anforderungen an eine hohe Stofftransportgeschwindigkeit und an einen minimalen Energiebedarf gleichzeitig zu genügen.

Bei den meisten der auf dem Begasen von Flüssigkeiten beruhenden Systeme ist die Geschwindigkeit des Stofftransports zwischen der Gasphase und der Flüssigkeitsphase der langsamste Vorgang und von diesem wird auch die Zeitdauer der übrigen Reaktion bestimmt. Die Erhöhung der Stofftransportgeschwindigkeit ermöglicht ein bedeutendes Verringern der Reaktionszeit, in zahlreichen Fällen zusammen mit einer Verminderung des Betriebsvolumens. Wenn die durch das Erhöhen der Stofftransportgeschwindigkeit ermöglichte Konzentrationserhöhung mit einer Viskositätsvergrößerung einhergeht, ist es sehr wichtig, daß der Betrieb des Systems nur in geringem Maße von der Viskosität der Flüssigkeitsphase abhängt. Dieser Anforderung genügen die bekannten Systeme im allgemeinen nicht.

Innerhalb der mit einer Pumpe arbeitenden bekannten Systeme wird immer häufiger ein eintauchender Flüssigkeitsstrahl (Tauchstrahl) oder auftreffender Flüssigkeitsstrahl eingesetzt. Charakteristisch für die Systeme, bei welchen diese Lösung angewandt wird, ist, daß das Gas mit Hilfe eines von oben in die Flüssigkeit eintretenden Flüssigkeitsstrahles durch das Zirkulieren der Flüssigkeit eingebracht wird. Es sind 2 Arten von solchen Systemen bekannt:

a) Das Einsaugen des Gases erfolgt mit einer Flüssigkeitsstrahlpumpe; in diesem Falle wird das Gas im Flüssigkeitsstrahl noch vor dem Auftreffen auf die Flüssigkeit dispergiert (DDR-Patentschrift 56 763).
b) Das Gas wird infolge der Oberflächenrauhigkeit des durch die Gasschicht geleiteten freien kohärenten Flüssigkeitsstrahles auf mechanischem Weg in die Flüssigkeit eingebracht; in diesem Falle erfolgt das primäre Dispergieren des Gases nach dem Auftreffen auf die Flüssigkeit (Schüger, K., Chem.-Ing. Tech. 52 [1980], S. 956).

Der grundlegende Mangel der das letztere Prinzip anwendenden bekannten Verfahren besteht darin, daß durch die Erhöhung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles die Menge des mit 1 Energieeinheit in der Flüssigkeit lösbaren Gases stark abnimmt (van de Sande, E., und Smith, J. M.: Chem. Eng. J. 10 [1975], S. 225 bis 233, Abbildung 6), die Eindringtiefe des Flüssigkeitsstrahles im Bereich der energetisch günstigen niedrigen Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeiten (unter 5 m/s) hingegen so klein ist, daß dadurch die praktische, insbesondere großtechnische bzw. großindustrielle Verwendung stark eingeschränkt wird (Chem. Eng. J. 10 [1975], S. 231). Dieser Tatsache ist zuzuschreiben, daß der Wirkungsgrad solcher in der Praxis verwirklichten Verfahren niedriger als der mit Einrichtungen zum Begasen von Flüssigkeiten von anderem Typ arbeitenden ist (Chem. Ing. Tech. 52 [1980], S. 951 bis 965, Tabelle 11).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Behebung der Nachteile der Verfahren des Standes der Technik ein Verfahren zum Begasen von Flüssigkeiten durch Einleiten eines kohärenten Flüssigkeitsstrahles mit hoher Geschwindigkeit über eine Düse durch die Gasschicht in die Flüssigkeit zu schaffen, durch welches das Begasen von Flüssigkeiten einfach und mit wenig Aufwand mit erhöhter Stofftransportgeschwindigkeit und weniger Energie als bisher erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im engsten Querschnitt der Düse 20 bis 38 m/s beträgt, daß die Reynolds-Zahl in der Düse mindestens 400 000 beträgt, und daß der Abstand der Düse von der Oberfläche der zu begasenden Flüssigkeit einen Wert von mindestens dem 15fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles hat.

Diese Feststellung ist überraschend, weil aufgrund des bekannten Zusammenhanges zwischen der Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeit und dem spezifischen Gaslösen zu erwarten war, daß bei solchen Werten der Flüssigkeitsstrahlgeschwindigkeit die Menge des lösbaren Gases nicht zunehmen, sondern abnehmen würde.

Die Reynolds-Zahl Re ergibt sich aus mit
d= Durchmesser der Düse im engsten Querschnitt [m], v= durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit im engsten Querschnitt der Düse [m/s], ρ= Dichte der Flüssigkeit [kg/m³], und μ= dynamische Viskosität der Flüssigkeit [kg/m · s]. Im Falle von nicht-newtonischen Flüssigkeiten soll bei der dynamischen Viskosität die scheinbare Viskosität berücksichtigt werden (H. Blenke: Advances in Biochemical Engineering, Vol. 13, Springer Verlag, Heidelberg, 1979, S. 138).

Vorteilhaft wird das Herausleiten des Flüssigkeitsstrahles aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 24 bis 28 m/s durchgeführt.

Ferner ist es vorteilhaft, die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles auf einem Wert vom 20fachen bis 25fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem außerordentlich weiten Bereich zum intensiven Begasen der unterschiedlichsten Flüssigkeiten, z. B. Lösungen oder Suspensionen, angewandt werden. Als Beispiele seien die Anwendung bei der aeroben Gärung bzw. Fermentation, bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung, beim Belüften von Fischteichen, bei katalytischen Gas/Flüssigkeits-Reaktionen, wie bei der katalytischen Hydrierung, sowie bei der Reinigung durch Gasabsorption erwähnt.

Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

A) Im Vergleich zu den bekannten Verfahren kann eine bedeutende Erhöhung der Stofftransportgeschwindigkeit erzielt werden. Aus der Luft wird das Lösen einer Gasmenge von etwa 50 bis 55 kgO₂/m³h ermöglicht, was das Mehrfache der Sauerstoffmenge ist, die mit den bisherigen Verfahren gelöst werden konnte.
B) Die hohe Stofftransportgeschwindigkeit ermöglicht eine bedeutende Verringerung des Volumens der Reaktionsvorrichtung und eine proportionale Erhöhung der Konzentration des Produktes.
C) Ein vorteilhafter spezifischer Energieverbrauch wird ermöglicht; zum Lösen von 1 kg O₂ sind 0,17 bis 0,38 kWh Energie erforderlich.
D) Der Stofftransport ist in einem weiten Bereich von der Viskosität der Flüssigkeit praktisch unabhängig.
E) Eine außerordentlich gute Gasausnutzung wird ermöglicht, wodurch die gleiche Stofftransportgeschwindigkeit mit wesentlich geringerem Gasrückhalten und dementsprechend besserer Volumenausnutzung erreicht werden kann.
F) Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer außerordentlich einfachen Einrichtung mit niedrigem Investitions- und Wartungsaufwand durchgeführt werden. Eine Vergrößerung der Abmessungen der Einrichtung kann durch gleichzeitiges Senken des spezifischen Energieverbrauchs der Materialabgabe gelöst werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann jeder für die Herstellung eines kohärenten Flüssigkeitsstrahles geeignete bekannte Düsentyp verwendet werden. Um die Strömungsverluste zu senken, ist es vorteilhaft, ein bei Pelton-Turbinen angewandtes sog. "Strahlrohr" mit Paraboloid/Hyperboloid-Profil zu verwenden.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurde in einen 2,5 m hohen Behälter mit einem Durchmesser von 0,45 m ein Volumen von 0,2 m³ einer 0,5 m Natriumsulfitlösung eingeleitet und in Gegenwart von 0,001 Mol/l Kobaltsulfat- Katalysator durch eine Düse mit einem Durchmesser von 0,02 m zirkulieren gelassen. Mit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahles mit einer Geschwindigkeit von 22,5 m/Sekunde (Reynoldsche Zahl: 450 000) und einer freien Weglänge von 0,4 m ergab sich für die Lösungsgeschwindigkeit des Sauerstoffes aus Luft unter Atmosphärendruck mit der auf der Oxydation von Natriumsulfit beruhenden Meßverfahrensweise (Linek V. und Vacek V., Chem. Eng. Sci. 36 [1981], So 1747 bis 1768) ein Wert von 49,2 kgO₂/m³h. Dies entspricht einem spezifischen Energiebedarf von 0,18 kWh/kgO₂.

Beispiel 2

Es wurde wie im Beispiel 1 beschrieben vorgegangen, jedoch mit dem Unterschied, daß ein Flüssigkeitsstrahl mit einer Geschwindigkeit von 34,8 m/Sekunde (Reynoldsche Zahl: 556 000) und eine Düse mit einem Durchmesser von 0,016 m verwendet wurden. Die Geschwindigkeit des Sauerstofflösens betrug 55,0 kgO₂/m³h, was einem spezifischen Energiebedarf von 0,38 kWh/kgO₂ entspricht.

Beispiel 3

Es wurden 2,5 m³ einer 0,5 m Natriumsulfitlösung, die sich in einem 6,5 m hohen Behälter mit einem Durchmesser von 1 m befand, in Gegenwart von 0,001 Mol/l Kobaltsulfat- Katalysator wie im Beispiel 1 durch eine Düse mit einem Durchmesser von 0,06 m zirkulieren gelassen. Die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles betrug 0,9 m und seine Geschwindigkeit war 25,4 m/Sekunde (Reynoldsche Zahl: 1 524 000). Die Geschwindigkeit des Sauerstofflösens betrug 54,5 kgO₂/m³h, was einem spezifischen Energiebedarf von 0,17 kWh/kgO₂ entspricht.

Claims

1. Verfahren zum Begasen einer Flüssigkeit, bei dem ein kohärenter Flüssigkeitsstrahl aus einer Düse mit hoher Geschwindigkeit austritt, durch eine Schicht des zu lösenden Gases hindurchtritt und in die Oberfläche der zu begasenden Flüssigkeit eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im engsten Querschnitt der Düse 20 bis 38 m/s beträgt, daß die Reynolds-Zahl in der Düse mindestens 400 000 beträgt, und daß der Abstand der Düse von der Oberfläche der zu begasenden Flüssigkeit einen Wert von mindestens dem 15fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Herausleiten des Flüssigkeitsstrahles aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von 24 bis 28 m/s durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die freie Weglänge des Flüssigkeitsstrahles auf einem Wert vom 20fachen bis 25fachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahles hält.