DE3804179A1 - Vorrichtung und verfahren zum loesen von gas in fluessigkeiten - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zum loesen von gas in fluessigkeitenInfo
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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:
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 (11)
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.
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