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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Gasen mit Waschflüssigkeiten
Technische Gase sind vielfach durch Waschflüssigkeiten. von einzelnen Gasbestandteilen
zu befreien.Ieist handelt es sich hierbei um unerwünschte Beimengungen oder Verunreinigungen,
z. B. um Kohlendioxyd, Schwefeldioxyd, Schwefelwasserstoff oder um gasförmige Cyanverbindungen.
In anderen Fällen sind wertvolle, in nur geringer Iionz.entration vorhandene Bestandteile,
z. B. Ammoniak, Äthylen oder Acetylen, aus Gasmischungen zu entfernen. In manchen
Fällen sind auch chemische Umsetzungen zwischen Gasbestandteilen und Waschflüssigkeit
durchzuführen.
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Auch wenn eine trockene Gasbehandlung mit Aktivstoffen nicht möglich
oder unwirtschaftlich ist, pflegt man die davon zu reinigenden Gase mit flüssigen
Medien, z. B. mit Wasser oder alkalischen Lösungen, zu waschen, in denen die zu
isolierenden Gasbestandteile mehr oder weniger gut löslich sind. Hierbei wird teilweise
mit überatmosphärischem Druck gearbeitet, um die Löslichkeit der zu isolierenden
Gasbestandteile zu erhöhen und durch nachträgliche Druckverminderung eine einfache
Entgasung der Absorptionslösung zu erreichen.
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Zur Ausführung technischer Gaswaschungen dienen Waschtürme oder Waschkolonnen,
an deren Kopf die Waschlösung eintritt, und denen die zu behandelnden Gase von unten
her zugeführt werden. Diese Waschtürme haben meist eine bedeutende Höhe und sind
zur Verbesserung des Wascheffektes beispielsweise mit Füllkörpern, Siebblechen,
Glockenböden oder ähnlichen Einbauten gefüllt. Infolge ihrer Höhe und des erforderlichen
intensiven
Flüssigkeitsumlaufes verursachen sie einen verhältnismäßig hohen Energieverbrauch
für die Umwälzung der Absorptionsflüssigkeit.
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Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt, in denen die Flüssigkeitszirkulation
dadurch gesteigert wird, daß die von unten her eingeblasenen Gase oberhalb: der
Gaseintrittsöffnungen senkrechte Rohre durchströmen, die innerhalb des Flüssigkeitsbehälters
angeordnet sind. Auf diese Weise können die Gase sich nicht zu größeren Blasen vereinigen,
so daß eine innige Berührung zwischen der Waschflüssigkeit und den gasförmigen Medium
möglich ist. Derartige Gaswäscher erfordern jedoch umständliche- apparativ.e Einrichtungen
und einen hohen Energieaufwand.
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Für die Herausnahm.' von schwer löslichen Gasbestandteilen, z. B.
zur Herauslösung von Kohlensäure aus technischen Gasgemischen, benötigen die Waschflüssigkeiten
eine Berührungsdauer mit der Gasatmosphäre, die wesentlich größer ist als beispielsweise
die in Destillationskolonnen für den Austausch benötigte Zeit. Man verwendet hierfür
technisch bisher meist Absorptionstürme, in denen zwecks Erzielung einer langen
Aufenthaltszeit der flüssigen Phase die Absorptionsflüssigkeit über den ganzen --Turm
oder - über die einzelnen Turmabschnitte mehrfach umgewälzt und lediglich ein Teilstrom
der Flüssigkeit von Stufe zu Stufe dem Gasweg entgegengeführt wird.
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Bei der Absorption schwer löslicher Gase, beispielsweise bei der Auflösung
von Kohlendioxyd in alkalischen Flüssigkeiten, kann man trotzdem keine so langen
Flüssigkeitsaufenthaltszeiten im Turmraum erzielen, daß das flüssige Medium im erwünschten
Maße bis nahe zum Gleichgewichtszustand mit den zu entfernenden Gasbestandteilen
beladen ist. Meist bleibt man weit vom Sättigungspunkt entfernt, weil die Turmräume
sonst unwirtschaftlich große Abmessungen .erhalten. Auf diese Weise ergibt sich
ein höherer Wärmebedarf bei der Entgasung von größeren Mengen der Waschflüssigkeit.
Wegen des bisher angewandten Waschprinzips und der Bauart der üblichen Absorptionstürme,
bei denen weitaus der größte Teil des Turmvolumens aus Gasraum besteht, und die
Verweilzeit - der Flüssigkeit von ihrer Fallgeschwindigkeit im Füllkörperturm oder
vom Fassungsvolumen der Glockenböden abhängt, läßt sich dieser Nachteil nicht umgehen.
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Es wurde gefunden, daß man -einen wesentlich besseren Wascheffekt
und überraschend große Einsparungen sowohl an Wärme- und Energieaufwand als auch
an Anlagekosten erzielen kann, wenn das mehrstufige Waschprinzip bei langsam löslichen
Gasen derart geändert wird, daß die Aufenthaltszeiten des Gases und der Flüssigkeit
bei inniger Durchmischung beider Medien in jeder Stufe angenähert proportional dem
Absorptions- oder Reaktionswiderstand des Gases und der Flüssigkeit sind. Ein nennenswertes
Turmvolumen für den Gasraum ist dann nicht mehr erforderlich, so daß die cinzelnen
Waschstufen wesentlich verkleinert werden können. Wenn in großem Umfange lösliche
Gasbestandteile von langsamer Lösegeschwindigkeit aus einem Gasstrom herauszunehmen
sind, bei denen je Einheit Gasvolumen eine relativ geringe Flüssigkeitsmenge zur
Behandlung ausreicht, dann zeigt sich, daß bereits die kinetische Energie des in
die Flüssigkeit eingespeisten Gases fast ausreicht, um bei .geeigneter Apparaturausbildung
.eine innige Durchmischung und ausreichende Umwälzung der Flüssigkeit zu gewährleisten.
Eine weiter..' Verbesserung' des Wascheffektes wird erzielt, wenn man durch Einbau
von Rührorganen eine zwangsmäßige Umwälzung der Flüssigkeit verursacht.
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Handelt es sich dagegen um Absorptionsflüssigkeiten, welche die betreffenden
Gasbestandteile nicht nur schwer, sondern auch nur in geringem Umfange lösen, bei
denen also je Einheit Gasvolumen eine große Flüssigkeitsmenge zur Behandlung erforderlich
ist, dann bewirkt die kinetische Energie des eingedüsten Gases bei einer wirtschaftlich
tragbaren Tauchung der Gaseinspeisung keine ausreichend wirksame Umwälzung und Oberflächenausbildung
innerhalb der Flüssigkeit. In diesem Fall wird ein besserer Effekt erzielt, wenn
man die kinetische Energie der abwärts strömenden Flüssigkeit zum Mitreißen des
eingedüsten Gases ausnutzt, um für den Austauschprozeß eine ausreichende Berührungsdauer
und Oberflächenausbildung zwischen beiden Medien zu erwirken.
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Bei der Auswaschung stark löslicher Gasbestandteile, beispielsweise
bei der CO.-Auswaschung durch alkalische Flüssigkeiten, erzielt das erfindungsgemäße
Verfahren eine wesentlich höhere Anreicherung der Flüssigkeit, so daß bei der nachgeschalteten
Entgasung des Kohlendioxyds eine erhebliche Dampfersparnis eintritt. Bei der Auswaschung
von Kohlendioxyd durch Wasser, wo unter atmosphärischem Druck nur etwa i Volumen
CO, je Volumen Wasser gelöst wird, ermöglicht erst das neue Verfahren -eine
wirtschaftliche Durchführung der drucklosen Kohlensäurewäsche.
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Bei der technischen Auswaschung von Kohlendioxyd aus Gasen unter Verwendung
von Wasser verwendet man bisher bekanntlich Drucke von mindestens S bis io Atmosphären.
Hierbei sind erhebliche Energiemengen für die Verdichtung der Gase und der Wassermengen
aufzuwenden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich Kohlendioxyd bei nur
sehr geringem Gasüberdruck durch entsprechend größere Wassermengen mit außerordentlich
geringem Energieaufwand auswaschen. Das Waschwasser braucht lediglich -auf eine
solche Höhe gefördert zu werden, daß es im freien Überlauf über eingebaute Wehre
von Stufe zu Stufe dem hineingedüsten Gas entgegenströmt. Die Wirtschaftlichkeit
dieser Arbeitsweise wird noch weiter dadurch erhöht, daß durch Gegenstromeindüsung
von Luft im mehrstufigen Betrieb anschließend das beladene Wasser wieder vom Kohlendioxyd
befreit werden kann, wobei das Absorptionswasser über eine Höhendifferenz von nur
etwa 1,2 m gefördert zu werden braucht.
G@enüber d,:- heute üblichen
CO; Druckwasser-«-äsche sinkt der Energiebedarf des neuen Verfahrens auf annähernd
15 bis roo/o.
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In der Zeichnung sind verschiedene zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Vorrichtungen in Form von schematischen Vertikalschnitten dargestellt.
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Gemäß Fig. i erfolgt die erfindungsgemäß-. Gaswaschung in flachen
Behältern r, denen die Waschfli.issigl:eit am Boden durch eine Leiturig 2 zuläuft,
tun durch ein Llberlaufrolir 3 wieder abzufließen, das eine bestimmte Behälterfüllung
gewährleistet. Gleichartige Behälter 1 werden in der für den jeweiligen Gaswaschprozeß
erforderlichen Anzahl nebeneinandergestellt,wobei zwischen den einzelnen Behältern
nur sehr geringe livdrostatische Unters@hiede -erforderlich sind, da zu der °rfiiidungsgemäßeii
Gaswaschung im allgemeinen Flüssigheitsgeschwindigkeiten von nur etwa 0,3 bis r,o
m/sec ausreichen. Innerhalb des Behälters i sind zahlreich.-. Querwände 4. angeordnet,
deren Unterkante nicht his zum Behälterboden, und deren Oberkante nicht bis zum
Flüssigkeitsspiegel reicht. Die Zwischenwände .I teilen den Behälter r in einzelne
schmale Abschnitte.
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Die Gase werden durch ein Sammelrohr 5 zugeführt, von dem zahlreiche
Blasrohre 6 ausgehen, die nur wenig in die Waschflüssigkeit eintauchen. Hierbei
wird nur jede zweite der von den Zwischenwänden .I gebildeten Behälterabteilungen
mit einem Gaseinblasrohr 6 versehen. Die Strömungsenergie d"er eingeblasenen Gase
verursacht auf diese Weise eine Zirkulation der Waschflüssigkeit, die in den itiit
Einblasdüsen 6 versehenen Behälterabschnitten nach oben fließt, um in benachbarten,
nicht mit einer Gaseinblasung versehenen Abschnitten @vied-er nach unten zu strömen.
Durch eine Rohrlitung 8 verlassen die behandelten Gase das Waschgefäß 1, um in analoger
Weise in nachgeschalteten Waschbehältern behandelt zu werden.
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Wenn die Bewegung der Waschflüssigkeit durch mechanische Hilfsmittel
unterstützt «-erden soll, darin ordnet man gemäß Fig. 3 zweckmäßig in der Mitte
des Waschbehälters ein Rohr 9 an, das weder bis zum Behälterboden noch bis zur Oberkante
des 1#lüssiglceitsinlialtes reicht. Im Innern dieses Rohres 9 dreht sich mit passender
Geschwindigkeit ein Rührflügel ro, der beispielsweise durch einen 1-1ektroniotor
r 1 seinen Antrieb erhält. Die Gaszuführungsleitung 12 verzweigt sich in die erforderliche
Anzahl von Einblasleitungen 13, die von Rohren rd. umgeben sind, die man zweckmäßig
er-'Wich kürzer hält als das die Rührvorrichtung umgebende Rohr 9, das ebenfalls
nicht bis zur ):lüssigkeitsoberfläche reicht.
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Die Bewegung des Rührflügels io kann so ein-"-stellt werden, daß sich
die Waschflüssigkeit sowohl von oben nach unten als auch von unten nach oben durch
das Rohr o bewegt. Auf diese Weise kann man die Behandlungsflüssigkeit im Gleichstrom
oder im Gegenstrom zu den eingeblasenen Gasen umwälzen. In Fig. 3 wird in den Rohren
i.I beispielsweise mit einer der Gaseinströrnungsrichtung entgegengesetzten Umwälzung
der Behandlungsflüssigkeit gearbeitet, um auf diese Weise eine besonders intensive
Waschwirkung zu erreichen.
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Gemäß Fig..I wird zur Einblasung der zu waschenden Gase ein Rohr r;
verwendet, das zu einem ringförmigen Blechgehäuse 15 führt, das auf seiner Unterseite
zahlreiche Gasdüsen 16 besitzt. Mit Hilfe der Düsenöffnungen 16 verteilen sich die
Gase intensiv innerhalb der Waschflüssigkeit, die durch Rohrleitung 18 gegenüber
der zentralen Üffnung des Blechgehäuses r 5 eintritt und durch ein L'berlaufrohr
r9 wieder abgeführt wird. Innerhalb des kreisförmigen Ausschnittes, den das Blechgehäuse
15 besitzt, und zwar zweckmäßig etwas unterhalb der unterenGehäusebegrenzungsfläche,
ist eine Rührvorrichtung 2o, z. B. ein Zellenrad, angeordnet, das durch die Antriebsvorrichtung
21 in Umdrehung versetzt wird. Die Strömungsenergie der aus den Düsen 16 austretenden
Gase und die Rotation zwischen der Waschflüssigkeit und den zu behandelnden Gasen
führt eine besonders vort-ei.lhafte und weitgehende Auswaschung der zu isolierenden
Gasbestandteile herbei. Die behandelten Gase verlassen den Behandlungsbehälter 22
durch eine Rohrleitung 23.
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Bei der Anordnung gemäß Fig.-I kommt man mit einer sehr geringen Bauhöhe
des Gaswaschgefäßes aus, so daß auch bei Hintereinanderschaltung von zahlreichen
Einzelaggregaten für den Umlauf der Waschflüssigkeit nur geringe Energie aufzuwenden
ist.
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Wenn Kohlensäure mit Hilfe von Wasser aus Gasen ausgewaschen werden
muß, dann verwendet man zweckmäßig die in Fig. 5 bis ; schematisch dargestellte
Waschvorrichtung. Sie besteht aus einem zusammenhängenden Behälter 2d, der durch
Zwischenwände 25 und 26 in einzelne nebeneinanderliegende Behälterabschnitte geteilt
ist. Auf verhältnismäßig schmale Behälterabschnitte 28a bis 281, in welche die zu
behandelnden Gase eingeblasen werden, folgen jeweils größere Behälterabschnitte
29d bis 291, wo die Gase sich von der Waschlösung wieder trennen, um in die nächste
Waschstufe überzugehen.
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Die Zwischenwände 26 reichen bis zur Oberkante des Behälters 24, besitzen
aber in der Nähe der Behälteroberkante jedesmal einen Schlitz 31a bis 3111 für den
Durchgang der Waschflüssigkeit. Die Zwischenwände 25 reichen nicht bis zum Behälterboden,
sondern besitzen in ihrem unteren Teil jedesmal eine Durchgangsöffnung 32a bis 32`
für die Waschflüssigkeit. Die oberen Ablauföffnungen 3,a bis 31d werden derart in
ihrer -Niveauhöh-e bemessen, daß die durch Öffnung 31" eintretend-,-Flüssigkeit
alle Behälterabschnitte nacheinander bis zur Auslauföffnung 31d durchfließen kann.
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In den schmalen zwischen den Querwänden 25 und 26 befindlichen Behälterräumen
sind die Gaseinblasdüsen 33 angeordnet. Mit Rücksicht auf das große Volumen der
zu waschenden Gase besitzen die Gasdüsen 33 eine langgestreckte Schlitzform (Fig.6)
oder es werden gemäß Fig.7 zahlreiche
quer liegende Düsen 3@q. nebeneinanderliegend
angeordnet.
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Die Gase werden mit Hilfe einer Rohrleitung 354 den Eintrittsdüsen
33 zugeleitet. Sie sprudeln durch die im Behälterraum 28r befindliche Flüssigkeit
und treten durch die Öffnung 32c in den Behälterraum 29° über. Von hier aus werden
sie durch eine Gasleitung 35b mit Hilfe entsprechender Düsen in den. Behälterabschnitt
28b eingeleitet. Die Anzahl der Düsenräume 284 bis 28' und der anschließenden Gasabführungsräume
294 bis 29c muß dem durchzuführenden Waschprozeß und- der gewünschten Waschwirkung
angepaßt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfah Aren und die zu seiner Durchführung bestimmten
Vorrichtungen lassen sich nicht nur zur Herauslösung von Gasbestandteilen, sondern
auch zur Entgasung von durch Gaswaschung erschöpften Absorptionslösungen benutzen.
In diesem, Fall werden die Waschlösungen mit inerten Gasen durchblasen, um auf Grund
von Lösungsgleichgewichten die aufgenommenen Gase wieder auszutreiben. Eine derartige
Arbeitsweise kann man beispielsweise verwenden, um mit Kohlensäure beladene Lösungen
von ihrem Kohlensäuregehalt wieder zu befreien, bevor sie in den Verfahrenskreislauf
zurückkehren.. Bei der Entgasung von Waschlösungen kann man mit Gastemperaturen
arbeiten, die höher liegen als die Temperatur der ausgewaschenen Gase.
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Für das- erfindungsgemäße Verfahren sind zahlreiche Waschflüssigkeiten
geeignet. Außer mit Wasser kann man. Gase auch mit sauren oder alkalischen Lösungen
behandeln. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn große
Gasmengen auf einfache Weise von ihrem Gehalt an C02 befreit werden sollen.