DE3804179A1

DE3804179A1 - Vorrichtung und verfahren zum loesen von gas in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3804179A1
Application number: DE3804179A
Authority: DE
Inventors: Udo Schmitz
Original assignee: LAir Liquide GmbH; Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH; Air Liquide SA
Priority date: 1988-02-11
Filing date: 1988-02-11
Publication date: 1989-08-17
Also published as: EP0328444A2; PT89646A; DK50689A; AU2977889A; JPH01293125A; EP0328444A3; DK50689D0; BR8900535A; DE3804179C2; AU615257B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lösen von Gas in Flüssigkeiten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Lösen von Gas in Flüssigkeiten bekannt, insbesondere für die Neutralisation von alkalischen Flüssigkeiten mit Hilfe von Kohlendioxid. Solche Anlagen bestehen im wesentlichen aus einer Förderpumpe, einem CO₂-Mischsystem, einer Reaktionsstrecke oder einem entsprechenden Reaktionsbehälter und einer pH-Meßstelle. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von der CO₂-Menge. Aus der DE-PS 26 38 428 ist ein Verfahren zur Neutralisation von alkalischem Abwasser durch Beimischung eines neutralisierenden Gases bekannt, bei dem Abwasser und ein Gas getrennt einer speziell ausgestalteten Düse zugeführt werden. Ferner betrifft die DE-PS 26 27 880 ein Verfahren für die Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasen oder für die Zerteilung von Gasen in kleine Blasen mit Hilfe einer Flüssigkeit, wobei beide Phasen miteinander vermischt werden.

Alle bekannten Verfahren zum Lösen von Gasen in Flüssigkeiten haben jedoch Nachteile. So erfordern diese Verfahren aufwendige und große Anlagen und damit auch hohe Investitionskosten. Hinzu kommt, daß ein hoher Regelaufwand erforderlich ist, da hochwertige, teure Regelgeräte eingesetzt werden müssen. Ferner besteht die Gefahr, daß das Gas nicht vollständig gelöst wird und es so zu einer unverhältnismäßig hohen Ausgasung kommt. Ebenso sind die Verfahren für höhere Temperaturen ungeeignet. Außerdem können die bekannten Anlagen nur für den Batch-Betrieb und nicht für den Durchlauf eingesetzt werden. Schließlich müssen die Anlagen auf den spezifischen Anwendungsfall zugeschnitten werden, so daß eine Standardisierung nicht möglich ist. Die Neutralisierungsanlagen nach dem Stand der Technik haben zudem den Nachteil, daß starke Alkalitätsspitzen nicht neutralisiert werden können. Die Folge sind große Schwankungen des pH-Wertes im Auslauf. Bei niedrigen pH-Werten ist die CO₂-Umsetzung schlecht mit der Folge eines Minderlastbetriebes durch CO₂-Ausgasung.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Lösen von Gas in Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen, welche aus einem Zulauf, einer Förderpumpe, einer Reaktionszone, einer in die Reaktionszone führenden Gaszuleitung, einer hinter der Reaktionszone angebrachten Meßsonde und einem Ablauf besteht, um die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sich hinter der Meßsonde eine Rückführleitung befindet, durch die kontinuierlich ein Teilstrom des Reaktionsgemisches zur Pumpensaugseite vor die Reaktionszone zurückfließt, und hinter der Rückführleitung im Auslauf ein Stellglied angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der durch die Meßsonde ermittelten Regelgröße und einem vorgegebenen Sollwert geöffnet oder geschlossen wird. Je nach Stellung des Stellgliedes stellt sich ein Verhältnis von Rückführmenge zur Auslaufmenge ein, welches sich automatisch dem jeweiligen Reaktionsaufwand anpaßt.

Die Meßsonde ist vorzugsweise ein Gerät, mit dem der pH-, der pO₂-, pCO₂- und rH-Wert bestimmt werden können. Bei der Reaktionszone handelt es sich um nach dem Stand der Technik gebräuchliche Reaktoren. Beispielsweise kann die in der DE-PS 26 38 428 dargestellte Düse verwendet werden. Vor der Zuleitung kann ein Pufferbehälter mit einer Einrichtung zur Regelung der Flüssigkeitshöhe und einem Zulauf angeordnet werden. Im Auslauf können beliebige Stellglieder eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden jedoch Motorstellglieder.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Lösen von Gas in Flüssigkeiten durch Einbringen einer Flüssigkeit und eines Gases in eine Reaktionszone sowie Abführen der mit Gas gesättigten Flüssigkeit über einen Auslauf zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Flüssigkeit-Gas-Gemisch kontinuierlich über eine Rückführleitung zum Flüssigkeitszulauf zurückgeführt, durch eine Meßsonde, die zwischen Reaktionszone und Rückführleitung angeordnet ist, eine Regelgröße ermittelt und in Abhängigkeit von der Regelgröße und einem vorgegebenen Sollwert im Auslauf ein Stellglied geöffnet oder geschlossen wird.

Mit Hilfe der Meßsonde können beispielsweise der pH-, pO₂-, pCO₂- und/oder rH-Wert bestimmt werden. Bei den eingesetzten Gasen handelt es sich insbesondere um Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasserstoff.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für die Neutralisation von Flüssigkeiten mit Hilfe von Kohlendioxid anwendbar. Ganz besonders ist die Anlage zur Neutralisierung von stark alkalischen Flüssigkeiten geeignet. Der pH-Wert der zugeführten Flüssigkeiten kann über 12 liegen. Ein besonders bevorzugter Bereich ist ein pH-Wert zwischen 12 und 14. Als Gas für die Neutralisation wird vorzugsweise Kohlendioxid eingesetzt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, bei einer Neutralisierung auf aufwendige Reaktionszonen zu verzichten. Infolge dessen sind raum- und kostenintensive Nachreaktionszonen nicht mehr nötig. Durch den Rückführmechanismus kann nämlich die Flüssigkeit so lange im Kreis geführt werden und mit Kohlendioxid versetzt werden, bis die Neutralisierung eingetreten ist. Durch eine Meßsonde wird fortwährend der pH-Wert bestimmt. Bei Erreichen eines bestimmten pH-Wertes wird über eine Regeleinrichtung ein Ventil im Auslauf geöffnet, so daß die neutralisierte Flüssigkeit die Anlage verläßt. Der pH-Wert der ausfließenden Flüssigkeit liegt zwischen 6,5 und 9,0, vorzugsweise bei 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheiden sich wesentlich vom bisherigen Stand der Technik, insbesondere durch die Rückführung eines Teilstromes zum Reaktionsort und die durchlaufmengenabhängige Regelung. Es handelt sich um eine neue Verfahrenskonzeption, die alle bisherigen Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Damit ergibt sich eine einfache und kostengünstige Alternative zum bisherigen Stand der Technik.

Das Verfahren ist universell überall dort einsetzbar, wo schwer lösliche Gase, wie H₂ und O₂ bis nahezu Sättigungsgrenze in einer Flüssigkeit gelöst werden sollen. Weiterhin ist das Verfahren geeignet, chemische Flüssigkeit-Gasreaktionen bei einem stofflichen, technischen und wirtschaftlichen Optimum zu realisieren. Schließlich ermöglicht das Verfahren auch das Ausstrippen von Gasen aus kontaminierten Flüssigkeiten.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vor allem bei der Neutralisierung erhebliche Vorteile gegenüber dem bisherigen Stand der Technik auf. Mit seiner Hilfe ist es möglich, daß entsprechend den behördlichen Auflagen tatsächlich nur neutralisiertes Abwasser abgegeben wird. Das neutralisierte Ablaufwasser und die Rückführwassermenge stellen sich automatisch und dynamisch nach dem jeweiligen Neutralisationsaufwand ein. Darüber hinaus können Abwässer mit einem beliebig hohen pH-Wert neutralisiert werden. Das heißt, auch sehr hohe Alkalitätswerte, die nach dem bisherigen Stand der Technik nicht befriedigend beseitigt werden konnten, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens einer Neutralisierung zugeführt werden. Ferner läßt sich die erfindungsgemäße Anlage sowohl für den Durchlauf- als auch für den Batchbetrieb verwenden. Das Verhältnis der Gasmenge zur Abwassermenge wird jeweils konstant eingestellt. Die Folge ist, daß das Reaktionssystem jeweils am optimalen Betriebspunkt mit höchstem Wirkungsgrad arbeitet. Insbesondere kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Düse gemäß der DE-PS 26 38 428 einen bisher nicht bekannten Wirkungsgrad erreichen. Die Rückführung hat auch den Vorteil, daß selbst bei höheren Temperaturen, bei denen die Neutralisation bisher Schwierigkeiten bereitet, neutralisiert werden kann. Die Neutralisation erfordert in diesem Fall keine besonderen Reaktionsbehälter.

In der folgenden Tabelle sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik, der ohne Rückführung arbeitet, dargestellt:

Vergleich zwischen einem Verfahren zur Neutralisierung einer Flüssigkeit und dem erfindungsgemäßen Verfahren

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

In Fig. 1 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In Fig. 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform abgebildet, die sich vorzugsweise für die Neutralisation von stark alkalischen Flüssigkeiten mit Hilfe von Kohlendioxid eignet.

In Fig. 1 wird die Flüssigkeit über den Zulauf 1 der Anlage zugeführt. Die Flüssigkeit wird über die Pumpe 2 der Reaktionszone 3 zugeführt. Dieser Reaktionszone wird über eine Leitung 4 auch das Gas zugeführt, das in der Flüssigkeit gelöst werden soll. Das Flüssigkeits-Gas- Gemisch wird über die Meßsonde 5 ständig kontrolliert. Je nach zugeführtem Gas bzw. Reaktion kann es sich um eine pH-, pO₂-, pCO₂- oder rH-Sonde handeln. In Abhängigkeit von den gemessenen Werten öffnet oder schließt im Auslauf das Ventil 8, welches über die Regeleinrichtung 9 betätigt wird. Je nach Stellung des Ventils 8 wird ein Teilstrom der Reaktionslösung über die Leitung 7 zurückgeführt und über die Pumpe 2 erneut in die Reaktionszone 3 eingebracht, wo wiederum über die Leitung 4 Gas eingegeben wird. Die Differenzmenge von Zulauf und Teilstrom verläßt die Anlage über den Auslauf 6. Gleichzeitig tritt die entsprechende Flüssigkeitsmenge erneut über den Zulauf 1 in die Anlage ein. Ein Verhältnis von zurückgeführtem Teilstrom zur Auslaufmenge stellt sich automatisch, je nach Sollwertvorgabe, ein. Dadurch wird erreicht, daß nur Flüssigkeit entsprechend der Sollwertvorgabe über den Auslauf 6 abgeleitet wird. Durch geeignete Wahl des Rückführverhältnisses lassen sich Flüssigkeiten bis nahe an ihre Sättigungsgrenze mit Gas anreichern.

In Fig. 2 wird alkalisches Abwasser 17 zunächst einem Sammelbehälter 16 zugeführt. Sobald ein oberer Niveaupunkt erreicht ist, wird über die Niveaukontrolle 15, die Schaltstelle 10, den Regler 11 und den Motor 12 die Pumpe 2 in Betrieb gesetzt. Diese fördert das Abwasser über die Reaktionszone 3 zur pH-Meßstelle 5. Solange pH-Werte oberhalb des Sollwertes, der vorzugsweise im Bereich von pH=6,5-9 liegt, angezeigt werden, bleibt das über den Motor 13 getriebene Stellventil 8 geschlossen. Das Kohlendioxiddosierungsventil 14 wird geöffnet, so daß über die Leitungen 15 bzw. 4 das Gas in die Reaktionszone fließen kann. Gleichzeitig wird das Abwasser über die Rückführleitung 7 wieder der Reaktionszone 3 zugeführt. Erreicht das Abwasser an der Meßstelle 5 den eingestellten Sollwert, so öffnet das Stellventil 8 und ein Teil des Abwassers gelangt in den Auslauf. Gleichzeitig gelangt ein gleich großer Teil unbehandeltes Abwasser in den Zulauf 1 und tritt vermischt mit dem Rückführstrom 7 in die Reaktionszone 3 ein. In dieser wird das Gemisch erneut mit Kohlendioxidgas 4 versetzt. Weicht der nunmehr gemessene Wert an der pH-Meßstelle 5 vom Sollwert des Reglers 11 ab, so korrigiert das Stellglied 8 folgerichtig die Auslaufmenge, somit die Zulaufmenge und die Rückführmenge, so daß nur Abwasser entsprechend dem gemessenen Sollwert abgeführt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Lösen von Gas in Flüssigkeiten, bestehend aus

a) einem Zulauf (1),
b) einer Förderpumpe (2),
c) einer Reaktionszone (3),
d) einer in die Reaktionszone (3) führenden Gaszuleitung (4),
e) einer hinter der Reaktionszone (3) angebrachten Meßsonde (5) und
f) einem Auslauf (6),

dadurch gekennzeichnet, daß

g) sich hinter der Meßsonde (5) eine Rückführleitung (7) befindet, durch die kontinuierlich ein Teilstrom des Gas-Flüssigkeits-Gemisches vor die Reaktionszone (3) zurückfließt, befindet, und
h) hinter der Rückführleitung (7) im Auslauf (6) ein Stellglied (8) angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der durch die Meßsonde ermittelten Regelgröße und einem vorgegebenen Sollwert geöffnet und geschlossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde ein Gerät zur Bestimmung des pH-, pO₂-, pCO₂- und/oder rH-Werts ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor der Zuleitung ein Pufferbehälter (16) mit einer Einrichtung (15) zur Regelung der Flüssigkeitshöhe und einem Zulauf (17) befindet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (8) ein Motorstellglied ist.

5. Verfahren zum Lösen von Gas in Flüssigkeit durch Einbringen einer Flüssigkeit und eines Gases in eine Reaktionszone (3), dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Teilstrom des Reaktionsgemisches kontinuierlich über eine Rückführleitung (7) zur Pumpensaugseite (2) rückgeführt wird,
b) durch eine Meßsonde (5), die zwischen Reaktionszone (3) und Rückführleitung (7) angeordnet ist, eine Regelgröße ermittelt und
c) in Abhängigkeit von der Regelgröße und einem vorgegebenen Sollwert ein Stellglied (8) im Auslauf (6) geöffnet oder geschlossen wird, und
d) sich je nach Stellung des Stellgliedes automatisch ein Verhältnis von Rückführmenge zur Auslaufmenge einstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Meßsonde (5) der pH-, pO₂-, pCO₂- und/oder rH-Wert bestimmt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückflußmenge durch das Stellglied (8) gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Gase CO₂, O₂ oder H₂ eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Neutralisation von Flüssigkeit CO₂ zugeführt und bei einem pH-Wert zwischen 6,5 und 9,0, vorzugsweise von 8, das Stellglied (8) geöffnet wird, um neutralisierte Flüssigkeit abzulassen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß alkalische Flüssigkeiten mit einem pH-Wert zwischen 10 und 14 neutralisiert werden.