DE68908572T2 - Verfahren zum Verringern des Hysteresiseffectes in einem Gasliftschlaufenreaktor mit suspendierten, festen Teilchen. - Google Patents

Verfahren zum Verringern des Hysteresiseffectes in einem Gasliftschlaufenreaktor mit suspendierten, festen Teilchen.

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Description

  • Gaslift-Schleifenreaktoren mit in der Schwebe gehaltenen festen Teilchen werden in vielen chemischen und biotechnologischen Verfahren angewendet. Beispiele derartiger Verfahren sind die katalytische Methanisierung, die Umwandlung von Synthesegas in beispielsweise Kohlenwasserstoffe, die SO&sub2;-Oxidation, die katalytische Hydrierung, die mikrobische Desulfinierung von Kohle, die biologische Abwasserbehandlung und das Verfahren für die Herstellung von Verbindungen, die immobilisierte Mikro-Organismen, wie etwa Bakterien, Hefen, Pilze verwenden. Das letztere Verfahren kann beispielsweise gebildet weren durch (a) die anaerobe Produktion von Alkoholen, wie etwa Äthanol, Butanol, Isopropyl-Alkohol unter Verwendung eines Inertgases wie Stickstoff während des Startes und von Gasen, die während der Reaktion gebildet werden und später verwendet werden können oder (b) die aerobe Produktion von Verbindungen, wie Penicillin, Enzyme.
  • Während des Startens von Schaumsäulen und Gasliftreaktoren mit in der Schwebe gehaltenen festen Teilchen können schwierige Probleme auftreten bei der Herstellung eines Schwebezustandes der festen Teilchen. Es scheint, daß zur Herstellung eines Schwebezustandes der festen Teilchen in einem Dreiphasen-Gaslift-Generator eine wesentlich höhere Gasgeschwindigkeit notwendig ist als die Gasgeschwindigkeit, die anschließend notwendig ist zur Aufrechterhaltung dieses Schwebezustandes. Dieses Problem wird im einzelnen erläutert durch J. Heck und U. Onken (Chem.Ing. Techn. 58 (1986) Nr. 2, Seite 131-133 und Chemical Engineering Science 42 (1987) Nr. 5, Seite 1211-1212). In diesen Artikeln werden Hysterese-Effekte demonstriert, die während der Erzeugung und Aufrechterhaltung von vollständigen Festkörper- Suspensionen auftreten.
  • Fig. 1, die aus diesen Artikeln übernommen wurde, zeigt die Ergebnisse einer Messung eines Druckabfalles (Δ p) in einem System von Luft/Wasser/Glas- Teilchen ohne Saugrohr als Funktion der Gasoberflächengeschwindigkeit (Vsg). Dieser Schwebezustand wurde bestimmt durch Messung des Druckabfalles über eine Schaumsäule. Mit der Erhöhung der Gasgeschwindigkeit (A-> B in Fig. 1) nimmt der Druckabfall zu mit der Menge der festen Teilchen, die sich in der Schwebe befinden. Bei einem bestimmten Gasströmungsdurchsatz tritt eine stufenweise Erhöhung des Druckes (B-> C) auf. An diesem Punkt ist der Zustand einer vollständigen Suspension der festen Teilchen erreicht. Weitere Erhöhungen (C-> D) führen nicht zu einer wesentlichen Erhöhung des Druckabfalles. Wenn die Gasgeschwindigkeit gesenkt wird (D-> E), bleibt der Zustand einer vollständigen Suspension beibehalten. Nur am Punkt E erfährt der Druckabfall eine stufenweise Verringerung. Die Autoren der obigen Artikel zeigen deutlich, daß der Gasdurchsatz, der für die Herstellung einer vollständigen Suspension der festen Teilchen notwendig ist, wesentlich höher ist, als der Gasdurchsatz zur Aufrechterhaltung dieses Zustandes.
  • In den Artikeln wurde der Hysterese-Effekt ebenfalls überprüft in Schaumsäulen mit suspendierten festen Teilchen mit Hilfe eines Saugrohres. Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, daß die minimale Gasgeschwindigkeit zur Aufrechterhaltung des vollständigen Schwebezustandes wesentlich kleiner ist in einer Schaumsäule mit Saugrohr als in einer einfachen Schaumsäule. Im übrigen ist der Gasdurchsatz zur Erzeugung des vollständigen Schwebezustandes in einer Schaumsäule mit einem Saugrohr wesentlich höher als in der Schaumsäule ohne Saugrohr. Der Hysterese-Effekt in einer Schaumsäule mit Saugrohr ist daher signifikanter als die Effekte bei einer einfachen Schaumsäule, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich in einem Gaslift-Schleifenreaktor mit einem Saugrohr, in dem kein Gasstrom stattfindet, die festen Teilchen am Boden des Reaktors absetzen. Diese festen Teilchen wirken als Stopfen in dem Gaslift-Reaktor, wenn der Gasstrom eingeschaltet wird. Die festen Teilchen, die nicht Teil des Stopfens sind, werden in dem Reaktor suspendiert. In dieser Startperiode können kaum andere feste Teilchen in dem Raum oberhalb des Stopfens der festen Teilchen gefunden werden. Der Start tritt nicht ordnungsgemäß ein, da die festen Teilchen, die von einer Seite des Stopfens aus festen Teilchen in Schwebe debracht worden sind, sich auf dem anderen Teil des Stopfens absetzen. Beispielsweise werden bei Verwendung eines Gaslift-Reaktors mit Saugrohr, bei dem ein aufwärts gerichteter Strom existiert, ein Teil der festen Teilchen auf der Oberseite des Stopfens in dem Saugrohr in Schwebe gebracht, aber diese festen Teilchen setzen sich leicht außerhalb des Saugrohres ab. Die festen Teilchen in dem Stopfen bewegen sich nur gering, so daß sie die Kontur des Stopfens erhalten.
  • Das Problem der Notwendigkeit einer sehr hohen Gasgeschwindigkeit zur vollständigen Suspendierung der festen Teilchen, die sehr viel höher ist als die Gasgeschwindigkeit, die notwendig ist zum anschließenden Erhalten des Schwebezustandes, spielt keine wichtige Rolle bei Experimenten im kleineren Labormaßstab. Durch Erhöhung der Gasgeschwindigkeit kann leicht ein Schwebezustand erreicht werden. Bisher ist nur die Erhöhung der Gasgeschwindigkeit zur Erzeugung des Schwebezustands erwähnt worden, aber eine ausreichende Vergrößerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit führt ebenfalls zu diesem Zustand. Tatsächlich muß eine bestimmte Energie in das System eingebracht werden, bevor dieses System den Schwebezustand der festen Teilchen erreicht. Diese Anfangsenergie ist höher als die Energie, die zum Halten des Systems im Schwebezustands hinzugefügt werden muß.
  • In einem größeren Labormaßstab oder Pilotanlagen-Maßstab muß die Anlage angepaßt werden, damit sichergestellt ist, daß ausreichend hohe Gas- und/oder Flüssigkeitsgeschwindigkeiten möglich sind, während es bei kommerziellen Reaktoren voller Größe unwirtschaftlich ist, da nicht nur die Einlässe für Flüssigkeit und Gas überdimensioniert werden müssen, sondern auch die Dimensionen von Pumpen und Kompressoren sehr groß sein müssen, oder die Mengen an Gas oder Hüssigkeit, die notwendig sind zur Überwindung des Hysterese-Effekts, müssen außernrdentlich erhöht werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Hysterese-Effekte in einem Gaslift-Reaktor mit Saudrohr erheblich zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß wird ein Saugrohr verwendet, das Öffnungen zur Herstellung eines zusätzlichen Zirkulationsstromes während der Startphase zur Stimulierung der Suspension der festen Teilchen aufweist, die sich am Boden des Reaktors abgesetzt haben, bevor das Verfahren an läuft, wobei wenigstens 50 g/l Reaktorvolumen schwebende feste Teilchen in dem Reaktor vorhanden sind.
  • Die Reduzierung der Hysterese basiert auf einer erheblichen Reduzierung der Energie, die notwendig ist zur Erzielung des Schwebezustands. Dies kann beispielsweise dazu führen, daß eine niedrigere Gas- und/oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Startphase des Gaslift-Reaktors notwendig ist.
  • Vorzugsweise ist ein Teil der gesamten Fläche der Öffnungen zur Bildung des zusätzlichen Zirkulationsstroms während der Startphase oberhalb des oberen Niveaus der im Reaktor abgelagerten festen Teilchen gelegen, wobei das Gas Luft und das Verfahren ein chemisches oder biotechnologisches Verfahren sein kann.
  • Es ist festgestellt worden, daß die EP-A-31258 eine Flaschensäule offenbart, die in einem Verfahren verwendet wurde, bei dem Gas und Flüssigkeit gemischt werden müssen, wie bei der Fermentation.
  • Die Säule ist mit einem Saugrohr versehen, das aus einer Anzahl von senkrechten Platten besteht, die koaxial derart angeordnet sind, daß jede Platte eine vertikale Kante in einer nach außen versetzten überlappenden Beziehung zu einer vertikalen Kante einer angrenzenden Platte aufweist und mit der anderen vertikalen Kante in einer nach innen versetzten überlappenden Beziehung zu einer vertikalen Kante der anderen angrenzenden Platte liegt. Diese Veröffentlichung befaßt sich nicht mit der Reduzierung des Hysterese-Effekts, während in dem Beispiel die Konzentration der Zellen etwa 20 g/l beträgt, welches erheblich weniger ist als das Minimum von 50 g/l der in der Schwebe befindlichen festen Teilchen bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. In der EP-A-31258 werden die Platten verwendet zur Erzeugung eines Wirbelvorganges, der auf die Blasen einwirkt und diese auflöst. Es wird nicht über die Herstellung eines zusätzlichen Zirkulationsstromes während der Startphase zur Stimulierung der Suspension der festen Teilchen gesprochen, die sich am Boden des Reaktors abgesetzt haben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt den Hysterese-Effekt in einem Gaslift-Reaktor.
  • Fig. 2 zeigt kreisförmige Öffnungen in dem Saugrohr.
  • Fig. 3 zeigt eine langgestreckte Öffnung in Axialrichtung.
  • Fig. 4 zeigt eine langgestreckte Öffnung, die senkrecht zur Axialrichtung liegt.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine oder sind mehrere Startöffnungen 1 in dem Saugrohr 4 zur Verwendung in einem Gaslift-Reaktor 3 angeordnet (siehe Fig. 2). Die Startöffnungen gemäß der Erfindung sind gesondert hergestellt und umfassen nicht die normalen Einlässe und Auslässe 2 in einem Rohr. Die Gesamtfläche dieser Öffnungen ist vorzugsweise 0,001 bis 20% der kleineren der Flächen A oder B. Die Fläche A ist die Querschnittsfläche des Saugrohres und die Fläche B ist die Querschnittsfläche des Reaktors minus die Querschnittsfläche des Saugrohres. Vorzugsweise ist die Gesamtfläche dieser Öffnungen 0,1 bis 10% der kleineren der Flächen A oder B, vorteilhafterweise 0,5 bis 7%.
  • Die Startöffnungen können jede Form haben. In der Praxis können beispielsweise kreisförmide Öffnungen (Fig. 2) oder langgestreckte Öffnungen verwendet werden. Langgestreckte Öffnungen in dem Saugrohr können sich in Axialrichtung des Saugrohres (Fig. 3) erstrecken oder schräg zu dieser Axialrichtung oder vorzugsweise senkrecht zu der Axialrichtung des Saugrohres (Fig. 4). Wenn eine langgestreckte Öffnung verwendet wird, die sich in Axialrichtung des Saugrohres erstreckt, müssen gelegentlich Maßnahmen ergriffen werden, durch die verhindert wird, daß sich diese Öffnung unter Betriebsbedingungen schließt.
  • Wenn gestartet wird aus der Situation mit abgelagerten festen Teilchen, ist ein Saugrohr mit einer beträchtlichen Fläche notwendig während des Startes des Gaslift-Schleifenverfahrens, damit eine anfängliche Zirkulation erreicht wird. Bei Verwendung eines Schlitzes in Axialrichtung des Saugrohres wird die Öffnungsfläche bestimmt durch die Breite des Schlitzes. Wenn der Schlitz so lang wie das Rohr ist, kann die gesamte Öffnungsfläche zu groß sein, während die stationären Bedingungen zu einem Kurzschluß führen, oder kann dazu führen, daß nur ein Teil des Verfahrens startet.
  • Wie für den Fachmann erkennbar ist, können selbstverständlich auch zwei oder mehrere Saugrohre in dem Reaktor vorgesehen sein. In diesem Falle kann wenigstens eines der Saugrohre mit den Startöffnungen 1 versehen sein, wie sie zuvor beschrieben wurden. Das Saugrohr hat im allgemeinen eine zylindrische Form. Andere Formen des Saugrohres, wie ein Kegelstumpf oder zwei oder mehr Rohre unterschiedlichen Durchmessers, die miteinander verbunden sind, werden durch die Erfindung auch eingeschlossen.
  • Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der Gesamtfläche der Öffnung(en) oberhalb des Niveaus der abgelagerten festen Teilchen oder nur sehr wenig unterhalb dieses Niveaus angeordnet.
  • Die Gesamtfläche der Öffnung(en) und das Niveau des Endes der Öffnungen wird bestimmt beispielsweise durch das Verhältnis von Höhe und Querschnittsfläche der abgesunkenen festen Teilchen und durch die Schüttdichte der festen Teilchen.
  • Die geeignete Dimension der Startöffnungen kann leicht durch den Fachmann bestimmt werden.
  • Der vorteilhafte Effekt der Startöffnung(en) in dem Saugrohr kann erklärt werden durch die Anwesenheit einer Zirkulation durch die Öffnung(en) im oberen Teil um das Saugrohr, so daß mehr feste Teilchen Gelegenheit erhalten, suspendiert zu werden. Diese zusätzliche Zirkulation erfolgt insbesondere während der Startphase, damit die Suspendierung der festen Teilchen stimuliert wird. Wenn dieser zusätzliche Zirkulationsstrom ausreichend ist, kann die Oberflächengeschwindigkeit im Steig- oder Senkbereich ansteigen, welche oberhalb der Ablagerungsgeschwindigkeit der Teilchen liegt. Die Menge der festen Teilchen, die durch das Gas oder die Flüssigkeit, die zugeführt werden, aufgewirbelt wird, wird im Schwebezustand gehalten. Die mögliche Gesamtmenge der festen Teilchen, die auf diese Weise suspendiert wird, hängt hauptsächlich ab von der Gas- oder Flüssigkeitszufuhr, der Öffnungsfläche, der Größe der Zirkulation durch diese Öffnung. Nach dem Start verschwindet der Stopfen der festen Teilchen am Boden des Reaktors, die Zirkulation wird dann möglich unterhalb der Unterseite des Saugrohres und die oben erwähnte Zirkulation wird beschleunigt. Der Dreiphasen-Gaslift-Reaktor ist jetzt physikalisch gestartet.
  • Die obige Erklärung wird lediglich angeboten, um die unerwartete Art der Lösung des Problems zu zeigen, das der Erfindung unterliegt und soll daher die Erfindung nicht in irgendeiner Weise begrenzen oder limitieren.
  • Die Erfindung umfaßt die Verwendung des Saugrohres als Hebel- oder Senkeinrichtung in einem Dreiphasen-Gaslift-Reaktor.
  • Die folgenden experimentellen Daten werden zur Veranschaulichung der Erfindung wiedergegeben, jedoch ohne den Bereich der Erfindung einzuschränken.
    • Beispiel 1
  • Einem 2 Liter-Glasreaktor mit einem Durchmesser von 5 cm wurden 400 g Sand hinzugefügt und der Reaktor wurde mit Wasser gefüllt. In dem Reaktor befand sich ein Saugrohr von 3 cm Durchmesser und 74 cm Länge im Mittelbereich des Reaktors 1,2 cm oberhalb des Bodens des Reaktors (siehe Fig. 2).
  • Luft wurde in der Mitte des Bodens des Reaktors zugeführt. Flüssigkeit wurde nicht zugeführt. A. Saugrohr ohne Startöffnungen. Gaszufuhr (l/h) Ergebnisse nach 15 Std. noch keine Zirkulation nach 10 min. noch keine Zirkulation Vsg = Oberflächengasgeschwindigkeit in dem Reaktor, berechnet auf die Gesamtquerschnittsfläche des Reaktors. B. Saugrohr mit drei Startöffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 0,6 cm im Abstand von 3, 6 und 9 cm oberhalb des Bodens des Saugrohres. Gaszufuhr (l/h) Ergebnisse nach 72 min. keine vollständige Zirkulation, nur Zirkulation um den oberen Teil des Rohres nach unten zu der am tiefsten gelegenen Öffnung. nach 2 min. vollständiger Schwebezustand. C. Gasrohr mit fünf Startöffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 0,6 cm in folgender Anordnung: zwei bei 3 cm vom Boden und drei bei 6,5 cm vom Boden des Saugrohres. Gaszufuhr (l/h) Ergebnisse nach 13 min. vollständiger Schwebezustand. nach 1 min. vollständiger Schwebezustand.
  • Wie oben gezeigt wurde, bestimmen der Abstand der Öffnungen vom Boden des Saugrohres und die Gesamtfläche der Öffnung die Reduktion des Gasstromes, der notwendig ist zur Erzielung einer vollständigen Suspension.
    • Beispiel 2
  • Einem 25 Liter-Glasreaktor mit einem Durchmesser von 10 cm wurden 2,5 kg Sand hinzugefügt, und der Reaktor wurde mit Waser gefüllt. In dem Reaktor befand sich ein Saugrohr mit 7,4 cm Durchmesser und 200 cm Länge im Mittelbereich des Reaktors 2 cm oberhalb des Bodens des Reaktors (siehe Fig. 2).
  • Luft wurde in der Mitte und am Boden des Reaktors zugeführt. Keine Flüssigkeit wurde zugeführt. A. Saugrohr ohne Startöffnungen Gaszufuhr Ergebnisse kein vollständiger Schwebezustand nur teilweiser Schwebezustand B. Saugrohr mit neun Startöffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 1 cm in folgender Anordnung: drei Sätze von drei Öffnungen in einem Abstand von 15, 30 und 45 cm vom Boden des Saugrohres. In diesem Experiment wurde die Menge des Sandes, der dem Reaktor hinzugefügt wurde, variiert. Gaszufuhr (l/h) zugefügter Sand (kg) Ergebnisse vollständiger Schwebezustand nur teilweiser Schwebezustand
  • Dieses Experiment zeigt den Effekt der Öffnungen in dem Saugrohr in bezug auf die Reduktion des Gasstromes, der notwendig ist zur Erzielung des vollständigen Schwebezustandes.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reduzierung der Hysterese-Effekte in einem Gaslift-Schleifenreaktor mit in der Schwebe gehaltenen festen Teilchen, bei dem ein Zugrohr verwendet wird, das Öffnungen zur Bildung eines zusätzlichen Zirkulationsstromes während der Startphase zur Stimulierung des Schwebezustands der festen Teilchen aufweist, die sich vor dem Start des Verfahrens am Boden des Reaktors abgelagert haben, wobei wenigstens 50 gr./ltr. Reaktorvolumen schwebende feste Teilchen in dem Reaktor vorhanden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der gesamten Fläche der Öffnungen zur Bildung des zusätzlichen Zirkulationsstromes während der Startphase oberhalb des oberen Niveaus der im Reaktor abgelagerten festen Teilchen liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gas Luft ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ein chemisches oder biotechnologisches Verfahren ist.
DE89200118T 1988-01-20 1989-01-19 Verfahren zum Verringern des Hysteresiseffectes in einem Gasliftschlaufenreaktor mit suspendierten, festen Teilchen. Expired - Fee Related DE68908572T2 (de)

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