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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der
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mechanischen Schaumzerstörung Bei vielen Operationen, bei denen eine
flüssige Phase mit einem Gas in Kontakt gebracht wird, ist eine Schaumbildung nicht
zu vermeiden. Zur Beherrschung des Schaumes werden häufig mechanische Schaumzerstörer
eingesetzt.
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In der DE-OS 30 08 589 ist beispielsweise ein rotierender Schaumzerstörer
beschrieben, der im Gasraum von chemischen Reaktoren oder biologischen Fermentern
angeordnet wird und welcher den gebildeten Schaum durch Zenfti fugalwirkung zerstört
oder verdichtet. Der verdichtete Schaum bildet eine mehr oder weniger sämige Dispersion
Gas/Flüssigkeit mit einer Dichte um 0,5 g/cm3, die entlang der Reaktorwand in die
begaste Flüssigkeit zurückfließt.
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Bei besonders hartnäckigen Schäumen, die insbesondere beim Belüften
von biologischen Nährmedien (z.B. Baumwollsaatmehl, Sojamehl usw.) entstehen, zeigt
es sich, daß das ansonsten gut fließfähige Schaumkonzentrat
wegen
seiner niedrigen Dichte und erhöhten Viskosität nicht in die begaste Flüssigkeit
einmischen will. Der Schaum sammelt sich im Gasraum und wird dadurch vom mechanischen
Schaumzerstörer immer wieder erfaßt und erneut behandelt, bis schließlich der ganze
Gasraum des Behälters mit der sahnigen Flüssigkeit ausgefüllt ist und eine weitere
Begasung des Reaktorinhalts unmöglich wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der geschilderten Mißstände;
es soll die Wirkungsweise mechanischer Schaumzerstörer verbessert werden.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der vom rotierenden
Schaumzerstörer abgeschleuderte und vom Behälterdeckel und der Innenwand ablaufende
Schaum in einem an der Innenwand anliegenden, oben offenen Ringraum aufgefangen
wird, und vom Ringraum aus in die Flüssigkeit eingetragen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß im
Behälter ein oben offener Ringraum vorhanden ist, dessen Rand höher als der Flüssigkeitsspiegel
liegt, und daß Rohre vom Boden des Ringraums ausgehen, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
im Behälter münden. Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß das
vom Schaumzerstörer ausgeschleuderte Schaumkonzentrat zunächst in einen Ringraum
gelangt und dadurch von der Flüssigkeitsoberfläche separiert ist und, je nach Länge
der Rohre, gezielt in die Flüssigkeit gebracht werden kann. In besonders hartnäckigen
Fällen kann dazu eine Pumpe erforderlich sein.
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Die Erfindung ist beispielhaft in der Zeichnung dargestellt und im
folgenden weiter erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 Längsschnitt durch einen Behälter mit Schaumzerstörer
und Einspeisung des Gases in der Nähe des Rührers; Fig. 2 Querschnitt durch einen
Behälter gemäß Fig. 1; Fig. 3 Einsatz in perspektivischer Ansicht, durch den ein
Behälter einfach umgerüstet werden kann; Fig. 4 Diagramm über Meßergebnisse mit
Mersolat~#H als intensiv schäumendes Mittel; Fig. 5 Diagramm über Meßergebnisse
mit Baumwollsaatmehl.
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Zum Beleg der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
Versuche mit stark
schäumenden Stoffen beschrieben, die mit einem als effizient bekannten mechanischen
Schaumzerstörer gemäß der DE-OS 3 008 589 mit und ohne Ringkanal gewonnen wurden.
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Bei dem in diesem Beispiel eingesetzten mechanischen Schaumzerstörer
wird der Schaum durch Ansaugstutzen angesaugt und auf die Steigrohre gleichmäßig
verteilt. Er wird dabei in jedem Rohr der Coriolis-Kraft (Uberlagerung der Rotations-
und der Zentrifugalkraft) unterworfen, dabei verdrillt, gewalkt und auf diese Weise
wirkungsvoll komprimiert; er verläßt den mechanischen Schaumzerstörer als ein bis
zum fließfähigen Zustand verdichtetes Gemisch Gas/Flüssigkeit. Durch die Seitenwand
des Ringraumes ist er der Rührwirkung des Schaumzerstörers im Gasraum entzogen.
Er kann gezielt in die Flüssigkeit eingespeist werden. Die Maße der in Fig. 1 dargestellten
Laborapparatur können Richtwerte für die Ausführung einer technischen Anlage sein.
Der Behälter 1 hat einen Durchmesser D = 0,4 m. Er ist mit vier Strombrechern 2,
(Breite D/10) und einem Turbinenrührer 3 (Durchmesser d = D/3) ausgestattet. Der
Turbinenrührer 3 befindet sich im Abstand h = d über dem Behälterboden. In die Flüssigkeit
4 wird über eine Ringdüse 5 Luft eingeblasen.
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Der Luftdurchsatz q/m3n/h/ wird gemessen. Der Behälter 1 ist zu etwa
zwei Drittel mit Flüssigkeit 4 gefüllt; im Gasraum dicht unterhalb des Deckels ist
ein mechanischer Schaumzerstörer (Durchmesser D/2) angebracht, der mit der Drehzahl
n (min 1) rotiert, dabei Schaum ansaugt, verdichtet und das gebildete Schaumkonzentrat
im stumpfen Winkel gegen den Behälterdeckel 7
schleudert, so daß
dieses an ihm umgelenkt wird und entlang der Behälterinnenwand herunterläuft. Im
Gasraum des Behälters (etwa ein Drittel der Behälterhöhe H) ist der erfindungsgemäße
Ringraum 8 vorhanden, dessen Höhe etwa zwei Drittel bis drei Viertel der Ga#raumhöhe
und dessen Durchmesser 0,75 bis 0,90 D beträgt. Der oben offene und nach unten geschlossene
Ringraum 8 bildet eine Rinne für den verdichteten Schaum, welcher diese über vier
Leitrohre 9, die etwa bis in die Höhe des Rührers in die Flüssigkeit ragen, verlassen
kann. Der Durchmesser eines Leitrohres 9 beträgt D/10 bis D/15.
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Es ist zweckmäßig, diese Rohre 9 in Anströmrichtung hinter den Strombrechern
2 anzuordnen; sie enden in einer Entfernung d oberhalb des Turbinenrührers 3. Auf
diese Weise gelangt das Schaumkonzentrat schnell in den Einzugsbereich des Rührers
3 und wird von ihm in die Flüssigkeit 4 eingemischt. Werden die Rohre 9 an ihren
Enden in Anströmrichtung nach hinten schräg abgeschnitten (z.B. 450) und die Strombrecher
in ihrer Nähe ausgespart, so entsteht infolge der Flüssigkeitsumströmung der Rohrenden
ein Sog, welcher das Abfließen des Schaumes aus dem Ringraum beschleunigt. In Fig.
2 ist die Anordnung leicht zu erkennen.
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In besonders schwierigen Fällen kann es erforderlich sein, die Leitrohre
außerhalb des Behälters zu verlegen und sie in eine Verdrängerpumpe einmünden zu
lassen, die das Schaumkonzentrat zurück in die Flüssigkeit drückt.
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Mit einem Einsatz gemäß Fig. 3 kann ein Behälter sehr einfach nachgerüstet
werden.
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Die mit dieser Apparatur erzielbaren Verbesserungen sind in den Diagrammen
in Fig. 4 und 5 zu erkennen. Destilliertem Wasser wurde ein intensiv schäumendes
Mittel (Mersolat) in verschiedenen Konzentrationen (c = 10 bis 200 ppm) beigemischt.
Bei jedem eingestellten Luftdurchsatz q (q = 0,5 bis 5 mn3/h) wurde diejenige Mindestdrehzahl
n des Schaumzerstörers ermittelt, bei der der entstandene Schaum gerade noch so
weit zerstört wurde, daß die Luft den Behälter ungestört über den Stutzen 10 verlassen
konnte. In Einklang mit der Dimensionsanalyse dieses physikalisch-technischen Problems
(vgl. M. Zlokarnik, Chem.-Ing.-Techn. 55 (1983) 5, 363-372) wurden die Versuchsergebnisse
im Raum # nd³/q, q2/d5, c3 ausgewertet.
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Fig. 4 zeigt sie in dieser Darstellung, wobei die Größe q2/d5 (mit
der Dimension einer Beschleunigung) die Abszisse und die beiden dimensionslosen
Ausdrücke nd³/q und c in dem empirisch gefundenen Zusammenhang die Ordinate bilden.
Sieht man sich zunächst die Meßwerte bei der Anordnung ohne Ringkanal an (Abstand
zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der Unterkante Stutzen des Schaumzerstörers
x = 0,5 d; Meßreiehen mit Zeichen in der Spalte A), so erkennt man, daß sich der
Schaum bei c = 10 und 20 ppm problemlos zerstören läßt, wobei der höchste in der
Versuchsapparatur einstellbare Luftdurchsatz q = 5,5 m3/h betrug. Bei 50 und 100
ppm 2 wird jedoch bereits bei q²/d5 = 1,6.10-2ms -2 Mersolat -H wird jedoch bereits
bei q2/d5 = 1,6.10 ms der höchste noch beherrschbare Luftdurchsatz q erreicht
(hier
q = 2,0 m3/h). Er ist im Diagramm als höchster beherrschbarer Luftdurchsatz mit
dem Zeichen r am Meßpunkt gekennzeichnet. Bei einer weiteren Steigerung von q läßt
sich der Schaum nicht mehr bändigen.
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Wird diese Apparatur mit dem erfindungsgemäßen Ringraum versehen,
so läßt sich der Schaum auch bei c = 100 ppm problemlos bis zum höchsten bei den
Versuchen einstellbaren Luftdurchsatz von q = 5,5 m3/h zerstören (Meßreihen mit
vollen Zeichen in Spalte B). Durch einen Einbau des Ringraumes mußte der Abstand
x gegenüber den Vergleichsversuchen verdreifacht werden (x = 1,5 d). Sogar 25 bei
c = 200 ppm läßt sich das System bis zu einem q2/d5-Wert von 1,1.10 2 (in diesem
Fall q = 1,5 m3/h) noch begasen.
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Fig. 5 zeigt Ergebnisse entsprechender Messungen an einer biologischen
Nährlösung (Baumwollsaatmehl, 60 % Protein, in einer 10 Gew.-%igen Anschlämmung
in destilliertem Wasser). Vor den Versuchen, die bei 200C durchgeführt wurden, wurde
diese Lösung 30 Min. lang bei 1200C sterilisiert. Dieses Stoff system läßt sich
in der vorgestellten Apparatur ohne Ringraum überhaupt nicht begasen. Wie die Versuchsergebnisse
in Fig. 5 zeigen, verhält es sich in bezug auf die Schaumentwicklung in etwa wie
die Lösung mit 200 ppm Mersolat -~-H, deren Begasung ohne Schaumzerstörung und Ringraum
ebenfalls nicht möglich gewesen wäre. Die "Sternchen" in Fig. 5 beziehen sich auf
Baumwollsaatmehl, die Vierecke auf die Mersolat #LH-I;ösung. Im ersten Fall betrug
der Abstand x = 2 d; im zweiten Fall war x = 1,5 d. Der
Behälterdurchmesser
D war wie im ersten Beispiel 0,4 m; der Durchmesser des Turbinenrührers d 200 mm.