NL8702839A

NL8702839A - Werkwijze voor het in contact brengen van gassen met vloeistoffen.

Info

Publication number: NL8702839A
Application number: NL8702839A
Authority: NL
Original assignee: Innofinance Altalanos Innovaci
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1988-06-16
Also published as: DE3740345A1; FI875253A; JPS63141632A; CN87107997A; SE8704723L; GB2199259A; HUT46559A; GB8727821D0; DK622987D0; CH673780A5; BE1001231A3; FR2607404A1; HU205724B; IT1223173B; CA1332833C; FI875253A0; GB2199259B; DK622987A; FR2607404B1; US4840751A

Description

i

NL 34632-Kp/vD

<*

Werkwijze voor het in contact brengen van gassen met vloeistoffen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het in contact brengen van gassen met vloeistoffen, waarbij de in contact te brengen vloeistof door een mondstuk wordt afgegeven in de vorm van een vloeistofstraal 5 en wordt geleid door de ruimte, die het in contact te brengen gas bevat, in de in contact te brengen vloeistofmassa.

Het in contact brengen van gassen en vloeistoffen wordt als één van de meest belangrijke eenheidsbewerking bij diverse sectoren van de industrie beschouwd en bepaalt in 10 aanzienlijke mate de bruikbaarheid van de gehele technologie alsmede de technische parameters van de producten.

De doelmatigheid van het met elkaar in contact brengen van gassen en vloeistoffen speelt een beslissende rol bij de meeste aerobe processen in de fermentatie-industrie, 15 bij de aerobe biologische zuivering van afvalwater alsmede bij een aantal chemische processen.

De bekende systemen voor het met elkaar in contact brengen van gassen en vloeistoffen kunnen als volgt op grond van de wijze van energie-overdracht worden gegroepeerd: 20 - pneumatische systerren (bellenkolommen, lucht-lift- lusreactoren enz.) - mechanische systemen(oppervlaktebeluchters met horizontale of verticale as, zelfzuigende roer-ders) 25 ** combinatie van de bovengenoemde systemen (gas-door stroomde geroerde reactoren) - hydraulische systemen.

Met het oog op de doelmatigheid van de energie-overdracht bleken de hydraulische systemen de meest geschikte 30 technieken te zijn bij het met elkaar in contact brengen van gassen en vloeistoffen, hetgeen blijkt uit de toegenomen verspreiding van deze methode in de laatste jaren.

Een algemeen kenmerk van de hydraulische systemen is, dat het met elkaar in contact brengen van de gassen en 35 vloeistoffen plaatsvindt met behulp van vloeistofstralen van diverse vormen, geproduceerd door een pomp en een bepaald .8702839 - 2 - 4 v * mondstuk.

Afhankelijk van het karakter van de vloeistof-straal kunnen deze methoden worden onderscheiden als volgt: - processen, waarbij gebruik wordt gemaakt van 5 onderbroken vloeistofstralen (sproeitorens,

Venturi-wassers) - processen, waarbij gebruik wordt gemaakt van twee-fase vloeistofstralen (injectoren en ejec-toren) 10 - processen, waarbij gebruik wordt gemaakt van homogene, coherente, dompelvloeistofstralen.

Binnen de hydraulische systemen kan dit laatste type processen zowel de meest voordelige energiebewerking bieden als de hoogst mogelijke specifieke massa-overdrachts-15 snelheid (intensiteit van het met elkaar in contact brengen van gassen en vloeistoffen) verschaffen alsmede de laagste specifieke investeringskosten.

Een algemeen kenmerk van de dompelvloeistofstraal-processen is, dat de homogene, coherente vloeistofstraal, af-20 gegeven door het mondstuk boven het oppervlak van het vloei-stoflichaam zich verplaatst door de gasruimte boven het vloeistofoppervlak en terechtkomt in de massa van de vloeistof, daarbij een grote hoeveelheid van het gas uit de gasruimte boven het vloeistofoppervlak met zich meenemend. Het 25 meenemen van het gas vindt zodanig plaats, dat - tengevolge van de oppervlakteruwheid van de vloeistofstraal - een gasgrenslaag wordt ontwikkeld aan het oppervlak van de straal, terwijl deze door de gasruimte passeert en, bij het binnenkomen in het vloeistoflichaam te zamen met de vloeistof-30 straal zelf, wordt afgebroken tot fijne bellen onder invloed van afschuifkrachten tussen de straal en het vloeistoflichaam.

De doelmatigheid van deze processen wordt tegelijkertijd bepaald door de oppervlakteruwheid en de coherentie van de vloeistofstraal en wel op de volgende manier: 35 - hoe groter de oppervlakteruwheid van de vloei stofstraal is des te hoger kan de gasmeevoer-snelheid zijn, hetgeen betekent, dat de hoeveelheid van het op te lossen gas zal toenemen - hoe coherenter de vloeistofstraal is des te fij- 40 nere gasdispersie en diepere bellenpenetratie .8702839

V

- 3 - « diepte kan worden verkregen (des te langer zal de verblijfstijd van de bellen zijn), hetgeen betekent, dat de intensiteit van het met elkaar in contact brengen toeneemt.

5 In het algemeen kan worden gesteld, dat geen van de bekende dompelstraalgas-vloeistofcontactinrichtingen op bevredigende wijze tegelijkertijd voldoet aan de bovengenoemde twee vereisten, d.w.z. dat de bekende technieken echter slechts de oppervlakteruwheid van de straal kunnen vergro- .

10 ten door gelijktijdige verlaging van de coherentie van de vloeistofstraal of omgekeerd.

Teneinde de oppervlakteruwheid van de vloeistof-straal te doen toenemen wordt één of de combinatie van de volgende methoden zonder uitzondering toegepast bij alle 15 bekende processen (bijv. Chem. Eng. Sci, 3j5, 1161 /1981/;

Chem. Eng. Commun. 1_5, 367 /1982/? de gepubliceerde Hongaarse octrooiaanvrage nr. 3901/81); - er wordt gebruik gemaakt van een mondstuk met een vorm, die verschilt van het hydraulische op- 20 timum - opvoeren van de snelheid van de vloeistofstraal - opvoeren van het turbulentieniveau van de vloeistofstraal - opvoeren van de vrije lengte van de vloeistof- 25 straal.

Het algemene nadeel van deze methoden is, dat enerzijds, deze gepaard gaan met aanzienlijke hydraulische verliezen, waardoor de energiebenutting van het met elkaar in contact brengen afneemt, en anderzijds resulteren al deze 30 methoden in de afname van de coherentie van de straal, hetgeen leidt tot afname van de intensiteit van het met elkaar in contact brengen.

Het doel van de uitvinding is het opheffen van de bovengenoemde nadelen door de gelijktijdige doch onafhanke-35 lijke optimalisering van deze twee parameters mogelijk te maken, die verantwoordelijk zijn voor de doelmatigheid van het proces, namelijk de oppervlakteruwheid en de coherentie van de straal, teneinde te voldoen aan de specifieke vereisten van elke gas- vloeistofcontactmethode.

40 De uitvinding is gebaseerd op het inzicht, dat 8702739 * - 4 - t· het oppervlak van de vloeistofstraal direct kan worden geruwd zonder aanzienlijke afname van de coherentie van de vloeistofstraal, indien het met elkaar in contact te brengen gas of een deel van het gas en/of de vloeistof geblazen wordt tegen het 5 oppervlak van de straal.

Zo omvat de uitvinding derhalve een werkwijze voor het met elkaar in contact brengen van gassen en vloeistoffen, waarbij de in contact te brengen vloeistof in de vorm van een centrale vloeistofstraal, die een mondstuk ver-10 laat, wordt geleid door de ruimte, die het in contact te brengen gas bevat, in de in contact te brengen vloeistof.

Volgens de werkwijze van de uitvinding wordt een deel van het in contact te brengen gas en/of de vloeistof, of de totale hoeveelheid van het gas, of een deel van de vloei-15 stof en de totale hoeveelheid van het gas geleid naar het oppervlak van de centrale vloeistofstraal in de vorm van gasof vloeistofstralen, gericht naar het oppervlak van de centrale vloeistofstraal.

Wat betreft de ruwheid van het oppervlak van de 20 vloeistofstraal kan een praktisch identiek effect worden bereikt door hetzij het gas, hetzij de vloeistof te blazen tegen het oppervlak van de straal. In het algemeen verdient de toepassing van de gasstraal de voorkeur, wanneer het met elkaar in contact brengen van gas-vloeistof plaatsvindt in een ge-25 sloten reactor, waarbij het in contact te brengen gas in elk geval onder druk dient te worden geïntroduceerd.

De ruwing, uitgevoerd tegelijkertijd door gas en vloeistofstralen verdient in het algemeen de voorkeur wanneer de hoeveelheid of de druk van het in contact te 30 brengen gas niet voldoende is voor het verschaffen van een vereiste oppervlakteruwheid.

De ruwing met behulp van een vloeistofstraal verdient in het algemeen de voorkeur, wanneer het met elkaar in contact brengen wordt uitgevoerd in een open systeem, ter-35 wijl het in contact te brengen gas de atmosferische lucht zelf is, zoals bijvoorbeeld in geval van biologische afvalwaterbehandeling, beluchting van oppervlaktewateren of visvijvers.

De gas- of de vloeistofstralen, die toegepast worden voor het ruwen, worden uit openingen aangevoerd, bij voor- .870203» i* - 5 - keur met clrkelvormige doorsneden en gelijkmatig gerangschikt rondom de coherente vloeistofstraal, of uit een spleet, die de vloeistofstraal omgeeft.

Wat betreft het resultaat van de ruwing kunnen 5 de gas- en/of de vloeistofstralen naar het oppervlak van de coherente vloeistofstraal worden geleid ergens tussen de mond-stukuitgang en het dompelpunt. Het verdient echter de voorkeur de ruwing te doen plaatsvinden zo dicht mogelijk bij de mondstukuitgang, aangezien op die manier de vrije lengte van 10 de vloeistofstraal aanzienlijk kan worden verlaagd.

De gas- of de vloeistofstraal, die gebruikt wordt voor ruwing kan hetzij stroomafwaarts of stroomopwaarts gericht worden ten opzichte van de stroming van de centrale straal. Voor het bereiken van de geschikte ruwing wordt aan-15 bevolen een hoek van tenminste 5° te handhaven tussen deze gas- en/of vloeistofstralen en de centrale straal.

Pig. 1 en 2 illustreren de respectievelijk in Voorbeelden I en II toegepaste mondstukken.

De belangrijkste voordelen van het proces volgens 20 de onderhavige uitvinding vergeleken met de bekende oplossingen, kunnen als volgt worden samengevat; a) de energiebenutting van het met elkaar in contact brengen wordt aanzienlijk verhoogd, met ca. 30 - 60%.

25 b) Het toepassingsgebied kan aanzienlijk worden uitgebreid.

c) De betrouwbaarheid van het ontwerp en de op-schaling worden verbeterd.

d) Het gebied van de controleparameters wordt aan- 30 zienlijk uitgebreid, zelfs binnen hetzelfde proces.

e) De vrije lengte van de vloeistofstraal kan aanzienlijk worden verkleind, hetgeen resulteert in een betere benutting van het reactor- 35 volume.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de volgende niet-beperkende Voorbeelden.

VOORBEELD I

« 8 ? 0 c i- 3 $ * - 6 - if 3 0,3 m oplossing wordt gecirculeerd door een pomp in een open rechthoekig vat met een breedte van 0,5 m en een hoogte van 2 m via een mondstuk met een diameter van 20 mm.

3 5 De oplossing bevat 0,5 kmol/m natriumsulfiet en 3 0,001 kmol/m kobaltsulfaat. De temperatuur van de oplossing wordt op 30°C gehandhaafd. De vrije lengte van de vloeistof-straal is 0,3 m.

De stroomsnelheid van de door de pomp gecircu-10 leerde vloeistof bedraagt 20,4 m /h. 4% van de gecirculeerde vloeistof wordt loodrecht op het oppervlak van de vloeistof-straal geleid (fig. 1) via de openingen 3, die zijn aangebracht op een ring 2, die uit een koperpijp met een diameter van 10 mm is vervaardigd, die rond de vloeistofstraal is 15 aangebracht, die mondstuk 1 verlaat. Hierbij zijn 12 openingen elk met een diameter van 1,2 mm op de ring aangebracht en wel op gelijke onderlinge afstanden van elkaar. De afstand tussen de openingen en het oppervlak van de vloeistof-straal is 40 mm, de afstand tussen de ring en de mondstukuit-20 gang is 10 mm.

Gebaseerd op de bekende methode van meten van de oxidatie van natriumsulfiet /V. Linck en V. Vacek, Chem. Eng. Sci. 3j5, 174 7 (1981)_/, bleek de volumetrische zuurstofover- ” 3 dracht 27,2 kg C>2/m h te zijn, hetgeen overeenkomt met een 25 zuurstofinvoersnelheid van 8,16 kg 02/h. Het hydraulische invoervermogen van de pomp is 0,91 kW, hetgeen betekent, dat de energiebenutting van de zuurstofinvoer 8,97 kg 02/kWh bedraagt.

Vergelijkingsvoorbeeld van Voorbeeld I 30 Het in Voorbeeld I beschreven proces werd her haald, behalve dat tegen de vloeistofstraal geen vloeistof werd geleid. In dit geval bedraagt de volumetrische zuurstof- 3 overdracht 16,8 kg 02/m h, de zuurstofinvoersnelheid 5,04 kg 02/h en de energiebenutting van de zuurstofinvoer was 5,54 kg 35 O2/kWh.

Gebaseerd op deze vergelijking kon een verbetering van 61,9% worden bereikt zowel ten aanzien van de volumetrische zuurstofoverdrachtssnelheid, d.w.z. in de intensiteit van de gas-vloeistofcontact, alsmede in de energiebenutting door ge- .8702639 n - 7 - bruik te maken van de werkwijze volgens de uitvinding.

VOORBEELD II

Het proces van Voorbeeld I werd herhaald, met de volgende uitzonderingen: 5 De stroomsnelheid van de gecirculeerde vloeistof- 3 hoeveelheden bedroeg 18,9 m /h, terwijl het hydraulische invoer vermogen van de pomp 0,74 kW was.

In dit geval werd in plaats van de vloeistof, zoals in Voorbeeld I, lucht ingeleid via een ring, die was ver-10 vaardigd uit een koperpijp met een diameter van 10 mm en die zich bevond rondom de vloeistofstraal. Op de ring zijn 6 ope-ningen aangebracht elk met een diameter van 1,5 mm en wel op gelijke afstanden van elkaar. Ten opzichte van de horizontale richting zijn de openingen aangebracht zodanig, dat ze naar 15 beneden gericht zijn onder een hoek van 15°. De afstand tussen de openingen en de vloeistofstraal is 21 mm, de afstand tussen de ring en de mondstukuitgang bedraagt 50 mm. De stroom- 3 snelheid van de lucht door de openingen is 4,5 Nm /h, hetgeen overeenkomt met een extra invoervermogen van 0,1 kW 20 over het hydraulische invoervermogen van de pomp.

Gebaseerd op de meetmethode uit Voorbeeld I werd een volumetrische zuurstofoverdrachtssnelheid verkregen van 3 21,7 kg C^/m h, zuurstofinvoersnelheid van 6,52 kg C^/h en een energiebenutting van 7,82 kg C^/kWh.

25 Vergelijkingsvoorbeeld van Voorbeeld II

Het proces van Voorbeeld II werd herhaald, maar zonder inblazen van lucht. Op die manier werden 12,03 kg 3 h, 3,61 kg C^/h en 4,92 kg 02/kWh waarden gemeten.

Gebaseerd op deze vergelijking werd een verbete- 30 ring in de contactintensiteit van 80,7% verkregen, terwijl de energiebenutting verbeterd was met 58,9%.

VOORBEELD III 3 0,1 m van een oplossing met de in Voorbeeld I beschreven samenstelling werd door een pomp gecirculeerd via 35 een mondstuk met een diameter van 10 mm in een gesloten vat met een diameter van 0,45 mm en een hoogte van 1,5 m. De stroomsnelheid van de door de pomp gecirculeerde vloeistof was 6,84 m /h, terwijl het hydraulische invoervermogen van de pomp 0,56 kW was.

.8702830 - 8 - 4 f

In het vat werd lucht geïntroduceerd bij een 3 stroomsnelheid van 16 Nm /h via een spleet 3 met een breedte van 0,5 mm gevormd door een polyamideprofiel 2, dat geschroefd is qp het lichaam van het mondstuk 1, hetgeen eveneens 5 van polyamide is vervaardigd (fig. 2). De afstand van de spleet van het oppervlak van de vloeistofstraal bedroeg 5 mm, terwijl er een hoek van 15° was tussen de uitstromende lucht en de vloeistofstraal. De introductie van lucht vereist een invoervermogen van 0,18 kW. De lucht verlaat de top van het 10 vat via een opening met een diameter van 20 mm, die zich bevindt op een afstand van 200 mm van de as. De vrije lengte van de vloeistofstraal is 0,4 m.

In dit geval bleek de volumetrische zuurstofover-drachtssnelheid 41,2 kg h te zijn. Dienovereenkomstig 15 bedraagt de zuurstofinvoersnelheid 4,12 kg C^/h, terwijl de energiebenutting van de zuurstofinvoer 5,57 kg C^kWh was.

Vergelijkingsvoorbeeld van Voorbeeld III

Het in Voorbeeld III beschreven proces werd herhaald met dit verschil, dat de in contact te brengen lucht 20 verticaal in benedenwaartse richting werd geïntroduceerd en wel via de top van het vat via een opening met een diameter van 20 mm, die zich bevindt op een afstand van 200 mm van de as, terwijl de gebruikte lucht het vat verlaat via een opening van dezelfde afmeting echter tegengesteld aangebracht 25 op dezelfde afstand. Dit betekent, dat dezelfde hoeveelheid lucht als boven in het systeem werd geïntroduceerd zonder deze te richten op de vloeistofstraal. De volumetrische zuur-stofoverdrachtssnelheid bedroeg 29,0 kg h hetgeen equi valent is met een zuurstofinvoersnelheid van 2,9 kg C^/h 30 en overeenkomt met een efficiëntie van zuurstof invoer van 3,92 kg C^/kWh.

Gebaseerd op deze vergelijking bleek een verbetering zowel in de intensiteit van de zuurstofoverdracht als in de efficiëntie daarvan 42,1% te bedragen.

35 VOORBEELD IV

De werkwijze van Voorbeeld I werd herhaald, behalve dat een ring wordt gebruikt voor het geleiden van de lucht beneden de vloeistofgeleidingsring volgens Voorbeeld II. Dit betekent, dat de ruwing van de vloeistofstraal gelijktij- .8702839 -9-- dig wordt uitgevoerd door vloeistof en lucht tegen het oppervlak van de straal te leiden.

De volumetrische zuurstofoverdrachtssnelheid bleek 3 30,9 kg 02/m h te zijn, hetgeen overeenkwam met een invoer 5 van 9,27 kg C^/h, d.w.z. dat dit overeenkomt met een energie-efficiëntie van 9,18 kg C^/kWh.

Vergelijkingsvoorbeeld van Voorbeeld IV Het in Voorbeeld IV beschreven proces werd herhaald, met dit verschil, dat noch lucht noch vloeistof wor-10 den ingeleid, d.w.z. dat het vergelijkingsvoorbeeld van voorbeeld I werd gevolgd. Hierbij werd een toename van 83,9% in de intensiteit verkregen en een toename van 65,7% in de ener-giebenutting onder toepassing van het proces volgens de uitvinding .

87 0 2 8 3 &

Claims

- 10 - Werkwijze voor het in contact brengen van gassen met vloeistoffen, waarbij de in contact te brengen vloeistof in de vorm van een centrale vloeistofstraal, die een mondstuk verlaat, wordt geleid door de ruimte, welke het in cöntact te 5 brengen gas bevat, in de in contact te brengen vloeistof, met het kenmerk, dat een deel van het in contact te brengen gas en/of vloeistof, of de totale hoeveelheid van het gas, of een deel van de vloeistof en de totale hoeveelheid van het gas wordt geleid naar het oppervlak van de centrale 10 vloeistofstraal in de vorm van gas- of vloeistofstralen, gericht op het oppervlak van de centrale vloeistofstraal. 8702839