WO1997015383A2 - Verfahren zur feinstverteilung eines gases in einer flüssigkeit sowie anlage zur durchführung des verfahens - Google Patents

Verfahren zur feinstverteilung eines gases in einer flüssigkeit sowie anlage zur durchführung des verfahens Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for the very fine distribution of a gas in a liquid according to the preamble of claim 1. It ensures increased economy and can be used particularly advantageously for the hydrogenation of liquids.
  • a system for performing the method according to the preamble of claim 5 is specified. The designated plant and the method for its operation enable inexpensive water treatment without the generation of waste products to be disposed of.
  • DE-Al 38 30 850 discloses a continuously executable process for removing or reducing the nitrite and / or nitrate content in water, in which the contaminated water is gassed with hydrogen gas and contacted with a suitable metal catalyst.
  • Palladium and / or rhodium are proposed as catalyst materials and a metal of the copper group as an activator if nitrate and / or nitrite are present in the water.
  • Porous particles, preferably based on aluminum oxide, with a bimodal pore radius distribution with an at least 20% proportion based on the total pore volume of the macropores with a minimum radius of 2000 ⁇ are provided as catalyst supports.
  • the system provided for carrying out the method essentially consists of a pretreatment stage in which a filtration and - if necessary - dehumidification and pH adjustment of the water is carried out. This is followed by an H 2 gassing module connected to a hydrogen source. The water is then passed through one or more flow reactors connected in series, in which the catalytically active filling is located. It is disadvantageous that the proposed catalytic reactor filling has a comparatively high hydraulic resistance. In addition, precautions are necessary to ensure that the liquid flow does not rinse the catalyst supports, which are only dust particles, out of the system.
  • GB 1 531 918 describes a gassing device for liquids using wound wire mesh, which is arranged in different mesh sizes, in cascade-like system parts. When flowing through the wire mesh, the gas bubbles should be reduced as much as possible and evenly distributed. This mechanical method has the disadvantage that to produce very small gas bubbles, their diameter is less than one millimeter, a disproportionate use of energy and plant outlay is necessary.
  • the object of the invention is to provide a method for the very fine distribution of a gas in a liquid, preferably for the hydrogenation of liquids, which ensures efficient operation with minimal operating costs. Furthermore, a system for carrying out the method is to be developed which allows a substantial increase in performance with comparatively low technical expenditure. This should be ensured by the most homogeneous and bubble-free distribution of the gas in the liquid.
  • the invention is said to be particularly suitable for the hydrogenation of water his .
  • the essence of the invention consists in the use of an area with a directed capillary structure, which is arranged in a flow path and through which a blistered gas-liquid mixture flows, the capillary-structured area being at least on its surface a material with good absorption and Desorbability for the gas in question.
  • means are provided with which alternating process conditions can be set which bring about absorption or desorption of the gas.
  • means are suitable for generating sufficiently large temperature and / or pressure changes.
  • experiences gained from the so-called temperature or pressure change absorption and which are available in the relevant literature can be used.
  • the invention is based on a bubble-like gas-liquid mixture with comparatively large gas bubbles from, the gas first being fed to a capillary structure with a large surface suitable for absorption and desorption and bound there in the solid structure. With the desorption, the gas is then released into the liquid stream absolutely bubble-free; a perfect solution is created.
  • the capillary flow channels are aligned essentially parallel to the main flow path and their surfaces are as smooth as possible. At least these surfaces have a material with good absorption and desorption capacity for the gas to be distributed in the liquid.
  • the mode of operation of the system according to the invention is as follows:
  • the gas-liquid mixture hits the capillary structure along its flow path and penetrates into it.
  • the capillary structure acts like a shredder and mixer for larger gas bubbles. Due to the prevailing capillary forces and a speed of preferably more than 0.05 m / s (based on the viscosity of water at about 10 ° C.) there is an intimate contact between the Surface of the capillary structure and the gas of the gas bubbles. Despite its large inner surface, only a comparatively low hydraulic resistance is caused, so that relatively high flow velocities can be driven, which advantageously influence the dynamics in the interface area (Helmholtz layer) of the liquid phase and wall of the flow channel.
  • the process can be reversed.
  • the desorption of the gas just taken up is initiated by increasing the temperature and / or pressure.
  • the gas should be delivered to the liquid flow as evenly as possible so that the liquid is evenly loaded.
  • capillary channels designed as columns had an average width of 0.08 mm to 0.4 mm.
  • Similar capillary structures can also be created on the basis of ceramic materials, plastics or other materials, for example by extrusion. After coating them with materials suitable for the respective application for the absorption or desorption of the corresponding gas, such capillary structures can also be used for the purpose according to the invention.
  • the area according to the invention for alternating absorption and desorption of the gas in question, with its essentially unidirectionally directed flow channels can be designed in a variety of ways using a wide variety of materials.
  • the capillary columns can be formed by stacked film-like elements, the capillary columns being fixed by profiles that have at least every second film-like element.
  • Such profiles can be corrugations or embossings running transversely to the longitudinal axis of the film-like elements, but also material applications.
  • the materials can be almost any be selected, that is, a suitable material is used according to the specific application.
  • the surface of the capillary structure must be coated with a material suitable for the intended absorption and desorption process, provided that this material does not already serve as the base material for producing the capillary structure.
  • a cost-effective method for producing amorphous film-like tapes is to use the so-called melt-spinning process. This also allows alloys to be produced that would not be obtained in crystalline form. This applies both with regard to the possibilities of selecting the alloy partners and with regard to their proportionate composition.
  • the thickness of the strips produced in this way is generally between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • a plurality of capillary-structured areas are arranged one behind the other, the adjacent areas each being in the opposite process regime, that is to say if the one area is in the absorption phase, the adjacent area works in the phase of desorption. Gas bubbles that were able to pass through a preceding area are mixed with the liquid flow to the next capillary-structured area and at least partially absorbed there. In this way, a uniform loading of the liquid stream can be achieved. But also when using only one area according to the invention uniform loading can be achieved without discontinuous mode of operation if part of the liquid flow is circulated via a bypass.
  • the very finely divided gas released by desorption should be largely used on the way between two areas according to the invention for the intended reaction, so that the gas which is only present in gas bubbles is available for absorption.
  • a catalytically supported reaction it is expedient to fill the space between the areas with suitable reactor packings. If gaseous reaction products arise to a considerable extent, means for ejecting them can be provided in front of each capillary-structured area or in front of some of the areas.
  • the division of the system into individual intermediate frames receiving the reactor packing and capillary structured areas arranged therebetween permits a rational modular construction which can be adapted to a wide variety of requirements.
  • the residence time of the liquid flow can be influenced in a desired manner, it being possible for a plurality of absorbing / desorbing areas to be inserted between two adjacent intermediate frames. It is also possible to arrange several intermediate frames between two of these areas.
  • the area to be heated can be formed by two disc-shaped electrodes with a directed capillary structure, for example in the form of a spiral wound from thin band-like material, as has already been described in principle. If the pair of electrodes, which are briefly spaced apart, are connected to an alternating voltage source, they can be directly electrically heated, provided the liquid flowing through them is electrically conductive, for example water.
  • the AC voltage frequency must be sufficiently high that no electrolysis products are formed when the voltage is above the decomposition voltage.
  • An advantageous area of application for heatable areas constructed in this way is flow reactors for removing oxygen from the water in heating circuits and in particular from so-called boiler feed water, in order to counteract the corrosion of containers and pipelines.
  • the surface of the flow reactor is coated with a suitable catalyst material, preferably from the platinum group, and the water to be treated is loaded with hydrogen in a stochiometric ratio.
  • the catalyst enables the dissolved oxygen to be converted into water with the supplied hydrogen, so that there is no reaction product to be removed from the plant.
  • Another area of application is in systems for the catalytic reduction of nitrate and / or nitrite in water, in particular in drinking water, using Hydrogen to convert the nitrate / nitrite into water and nitrogen.
  • Methods that work on the basis of polar liquids, such as water, can also use microwaves as the energy source for the area to be heated. However, this would be indirect heating, since the liquid would first be heated, which in turn would then release part of the energy supplied to the capillary structure that was actually to be heated. This variant can rather be used economically for continuous processes in which the liquid flow is to experience a temperature increase anyway.
  • resistance heating systems which operate on the principle of a water boiler and are arranged in the flow direction in front of the area to be heated.
  • a more effective type of resistance heating is possible with an electrically conductive capillary structure if the heating current can be passed directly through it.
  • inductive heating should be provided, since the heating energy is generated directly in the material of the area to be heated and no physical intervention in the flow path of the system is necessary.
  • necessary cooling of the heatable area can be ensured by the liquid flow, which acts as a coolant.
  • Hydrogen-storing layers can be embedded in the capillary structure of the area to be heated, especially on the basis of nickel, aluminum and / or the metals of the platinum group. Which of the materials can be used depends not least on the particular process itself, that is to say, inter alia, on the aggressiveness of the liquid to be gassed and the temperature conditions.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a heatable, capillary-structured area with an inductive heating
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a heatable, capillary-structured area with a microwave heater for a polar liquid
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a heatable, capillary-structured area with a heating coil
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a heatable, capillary-structured area with a direct resistance heating
  • Figure 5 shows a schematic representation of a reactor
  • Figure 6 shows a schematic representation of a reactor
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a circuit variant of two reactors operated in parallel of the type shown in FIG. 6;
  • Figure 8 is a schematic representation of another
  • FIG. 9 cross section through a reactor with capillary-structured, heatable regions which are designed as paired electrodes and are connected to an AC voltage source;
  • FIG. 9a shows an enlarged section of the reactor of FIG. 9
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a cross section through part of an absorption / deformation region or a reactor packing constructed from film-like elements
  • FIG. 12 shows a greatly enlarged perspective representation of an individual film-like element with spacer bars
  • Figure 13 is a perspective view of a
  • Section of a reactor packing consisting of several packing units
  • the basis of the system according to the invention for the very fine distribution of a gas in a liquid is a capillary-structured area arranged in the flow path of a gas-liquid mixture, the surface of which at least partially consists of a material with good absorption and desorption capacity for the gas added to the liquid flow.
  • This area is periodically acted upon by means which alternately convert the material in question into an absorptive or desorptive phase with respect to the gas.
  • Suitable for this purpose are means for generating a sufficiently large temperature and / or pressure change.
  • the pressure in the left reactor 3001 during this phase is lower than the pressure in the right reactor 300r, in which the increased pressure leads to the desorption of the gas from the regions 1.
  • the most suitable pressure regimes are best determined experimentally; they are essentially dependent on the absorption material used in the capillary structure and on the prevailing temperature level in the reactor or in the absorption area.
  • FIGS. 1 to 4 show heatable capillary-structured areas la, lb, lc, ld through which a gas-liquid mixture consisting of the liquid 2 and the gas bubbles 3 flows. It is indicated that the gas bubbles are ideally completely absorbed by the capillary structure of the region la, lb, lc, ld during an absorption phase and that the gas is released to the liquid in a finest distribution during a desorption phase, so that the gas is then in Fluid flow 2 'is largely in dissolved, that is, in molecular form. All of the variants shown are designed for temperature change absorption; however, they use different physical principles for heating the capillary area 1. In FIG.
  • an inductive heating 10a of the well electrically conductive area la is indicated.
  • the area la is heated. Since the depth of penetration of the eddy currents and thus the depth of the heated layer is frequency-dependent, rapid heating of the layer near the surface in which the absorption and desorption processes take place can be achieved if necessary.
  • a microwave heater 10b is provided for heating the area 1b, the liquid 2 initially being heated, which in turn emits part of the heat to the area 1b when it passes along the flow path 20.
  • This is an indirect heating of the area lb, which is suitable for heating poorly or non-conductive footings (such as water) with polar molecules based on dielectric losses that occur.
  • poorly or non-conductive footings such as water
  • polar molecules based on dielectric losses that occur.
  • the area lc in FIG. 3 is also heated indirectly.
  • a conventional heating coil 10c is periodically supplied with energy and thus heats the water flowing past. After each heating phase has ended, the area lc is cooled due to the colder fluid flow , so that a new absorption of gas can take place. Since no separate means for cooling the areas 1a, 1b, 1c, 1d are provided, the fluid flow also takes on this task in the other exemplary embodiments.
  • a direct resistance heater 10d is indicated in FIG. 4, with the direct involvement of the electrically conductive material as the capillary region 1d. Heating therefore occurs as a result of ohmic power losses.
  • the heatable absorption areas of the reactor shown in cross section in FIG. 9 are each formed by two disk-shaped electrodes le ', le' 'with a directed capillary structure, the flow channels of which extend essentially parallel to the main flow direction.
  • the electrodes le ', le' 'can have a structure such as that shown in FIG. 14 and described further below.
  • the electrodes le ', le' ' are fed by an AC voltage source which is connected to a control device.
  • the alternating voltage frequency and the level of the voltage are selected such that no electrolysis products are formed if water or another electrolytically decomposable liquid is used.
  • the reactor essentially consists of a plurality of intermediate frames 3, between which the heatable areas le ', le' 'are arranged. At the ends, the reactor is delimited by an inlet frame 31 or an outlet frame 32. If the reactor is to be used for a catalytic process, it makes sense to fill the space in the intermediate frames 3 with a catalytic packing which, like the absorption / de-absorption areas la, lb, lc, ld, already described, le ', le' ', have a directed capillary structure.
  • le ', le''are both between the capillary gap electrodes and spacers 11, 12 are also arranged between the adjacent (not shown) reactor packs in the intermediate frames 3.
  • This is shown in an enlarged detail in FIG. 9a.
  • Design variant consists in the parallel arrangement of a multiplicity of film-like elements 4a, 4b, with straight elements 4a alternating with elements 4b profiled by corrugations 11.
  • Figure 11 shows a greatly enlarged section of the arrangement described, forming between elements 4a, 4b Capillary flow channels 40a, the cross-section of which depends on the height of the corrugations
  • a metallic capillary structure in many cases this can be produced particularly favorably by means of ribbon-shaped film elements 4a, 4b, which were produced by the so-called melt-spinning process.
  • the desired alloy optionally with the addition of catalyst and activator material, is placed in the liquid state from a mold onto a rotating, cooled drum, where the melt is quenched at a rate of approx. 1 million ° K per second and the amorphous Condition of the melt is frozen.
  • the material has a comparatively smooth surface. It can currently be manufactured with a thickness of approx. 10 ⁇ m to 120 ⁇ m and a width of up to approx. 0.5 m.
  • FIG. 12 shows an example from a multitude of possibilities for the shaping of profile elements, which ensure the capillary distance between the adjacent film-like elements.
  • the spacer webs 41 of the element 4c represent material elevations running across their width 42.
  • the height of the spacer elements 41 which defines the capillary distance, corresponds approximately to the thickness 43 of the element 4c.
  • the geometrical dimensions of the elements essentially depend on the choice of the material and the manufacturing process of the film elements. In addition to metallic materials, plastic and ceramic materials can also be used. If an extrusion or extrusion process is used, for example in which a molding tool is used, the spacer webs 41 should already be formed during the original shaping process, so that the spacer webs 41 run along the longitudinal extent of the strip. In the case of an element produced by rolling, the profile-producing die of the roll surface could also be such that the spacing webs 41 extend transversely to the longitudinal axis of the strip.
  • FIG. 13 schematically shows a reactor packing consisting of four packing units 44, the capillary structure of which was constructed from the previously described film-like elements 4a, 4b or 1c or similar elements.
  • Their profiles corrugations or distance steps that ensure the capillary distance 40 between adjacent elements 4 ge) extend parallel to the flow direction 20 of the reactants and thus transversely to the longitudinal extension of the band-shaped elements 4.
  • the stacked packing units 44 are rotated by 90 degrees to the neighboring ones, so that the individual elements 4 cross.
  • FIG. 14 shows a further possibility for producing a capillary structure on the basis of film-like elements 4a, 4b. Accordingly, the straight, non-profiled band-shaped element 4a and the corrugated element 4b are wound together to form a spiral packing unit 44a, which due to its circular outer contour particularly suitable for use in a cylindrical reactor.
  • FIG. 15 shows a reactor packing constructed from a plurality of wound packing units 44a.
  • the capillary flow channels 40a can be dimensioned by more or less tight winding and can thus be adapted to the prevailing conditions.
  • absorption / de-absorption areas consisting of electrode pairs le ', le''are used, the capillary structure of which corresponded to that of FIG. 14.
  • Amorphous ribbons with a width of approximately 5 mm were used as the starting material. Cycles with a duration of approximately 30 seconds were successfully tested under the given conditions, one cycle comprising the absorption and desorption phase. Depending on the dimensioning of the plant and the process conditions, shorter cycles, approximately 10 seconds in duration, or significantly longer cycles with a duration of a few minutes may also be useful. In any case, you should make sure that a sufficiently high flow rate is half of the directed capillary flow channels 40, 40a prevail in order to ensure optimal hydraulic material exchange conditions.
  • the cycle duration for absorption and desorption of the gas in question is coordinated with the residence time of the liquid in such a way that the liquid flow during the cycle duration approximately the distance between two areas 1, 1 ', 1' ', 1' ' ', la, lb, lc, ld, le', le '', which are in the same working phase, i.e. absorption or desorption phase.
  • This ensures that the liquid is evenly enriched with finely divided, molecularly desorbed gas.
  • FIG. 5 shows the schematic representation of a reactor for a plant for the denitrification of drinking water. He consists of several intermediate frames 3, which are preceded by heatable areas 1, 1 ', 1''. A line 310 for raw water contaminated with nitrate, to which hydrogen gas has been mixed, is connected to the lower inlet frame 31. The upper end of the reactor is formed by an outlet frame 32, via which the prepared water is drained off.
  • the lower region 1 is in the desorption phase since it is being heated, which is indicated by the direction of the heat flow Q.
  • the heat can be supplied, for example, according to one of the methods already described.
  • the most advantageous methods are those which heat the capillary-structured material directly, preferably only in a limited surface area, and thus cause only an inevitable heating of the fluid flow.
  • the temperature increase of the material of area 1 reduces its storage capacity for hydrogen.
  • the desorbed hydrogen is released from the capillary structure of area 1 to the water flowing past in the finest, bubble-free form.
  • For the dissolved nitrate it forms a much larger reaction area than the same amount of hydrogen in the form of gas bubbles, even if these had a diameter of only a few micrometers.
  • water and nitrogen are formed.
  • region 1 Since region 1 is by definition in the desorption phase, it can of course not absorb any hydrogen gas from the vesicles and must allow it to pass.
  • the overlying area 1 ' is to this Time in the opposite phase, namely in the absorption phase, which is to be clarified by the heat flow Q indicated accordingly.
  • the material of this area 1 ' is cooled by the liquid flow, which in turn enables it to absorb part of the hydrogen from the rising gas bubbles, so that the gas-liquid mixture 2''between areas 1' and 1 '' contains a reduced amount of gaseous hydrogen. If possible, gaseous hydrogen (in the form of gas bubbles) should no longer be present in the gas-liquid mixture 2 ′′ ′′ after the region 1 ′′.
  • the dimensioning of the reactor should take place in such a way that the desorbed hydrogen substance present in dissolved form is largely converted within an intermediate frame 3 so that it is not available for absorption when the next (absorbing) region 1 'is reached.
  • catalyst packings which - like the absorption / de-absorption areas 1, 1 ', 1' '- have a directed capillary structure.
  • the variant of the invention according to FIG. 6 also relates to a reactor for treating drinking water, in which, however, raw water and hydrogen are supplied separately.
  • the reactor is fed with raw water via the inlet frame 31 and passes several absorption / de-absorption areas 1, 1 ', 1'',1''', between which intermediate frames 3 are also not shown, on the way to the outlet frame 32 ) catalytic reactor packings are arranged.
  • the hydrogen gas is introduced separately into the reactor, specifically directly below the regions 1, 1 ', 1 ", 1"' of gas distributors 5, 5 ', 5 ", 5'".
  • the gas supply to the individual areas 1, 1 ', 1'',1''' is controlled via the valves 50, 50 ', 50'',50''' in such a way that only those areas 1 ', 1''' are supplied with hydrogen which are in the absorption phase.
  • the desorbing regions 1, 1 ′′ are heated in this phase and release molecular hydrogen into the fluid stream. This reacts with the dissolved nitrate under the action of the catalyst provided in the intermediate frames to form water and nitrogen gas.
  • the nitrogen formed is concentrated in the upper part of the intermediate frame 3 and should be removed from the reactor immediately below the gas distributors 5, 5 ', 5'',5''' by means of gas detectors 6, 6 ', 6''. to avoid negative effects on the effectiveness of the absorption process in the areas 1, 1 ', 1'',1''.
  • the adjacent areas 1, 1 ', 1' ', 1' '' are each located in the opposite process regime, which changes in a fixed cycle, so that, despite the discontinuous elements of the process, the overall process in the reactor runs virtually continuously, since the regions 1, 1 ', 1' ', 1' '' of the reactor practically continuously absorb or desorb the same amount of hydrogen.
  • the flow rate of the water is preferably set such that during an absorption / desorption cycle the distance between two areas 1, 1 ', 1' ', 1' '' is covered, which occurs in the same process regime, that is to say in the desorption or are in the absorption phase.
  • FIG. 6 A parallel connection of the reactor construction described above with the reactors 3001, 300r is shown in FIG. These are on a common gas feed line 500 Gas distributor 5, 5 ⁇ , 5 '', 5 '''of both reactors 3001, 300r connected. Otherwise, the description for FIG. 6 applies analogously.
  • all areas 1 of one of the two reactors 3001, 300r connected in parallel are in the same process regime, with one reactor 3001 in the absorption phase and the corresponding areas 1 being gassed with hydrogen gas, while the areas 1 of the other reactor 300r desorb hydrogen at the same time.
  • the system is preferably designed such that the fluid flow covers the distance between two adjacent areas 1 during the time of a process cycle of areas 1. This ensures uniform loading of the liquid stream with hydrogen with simple process control and a small apparatus structure.
  • FIG. 8 is particularly suitable for pressure swing absorption, the pressure in the reactors 3001, 300r fluctuating between two pressure levels and the reactors 3001, 300r each in the opposite direction Process or pressure regimes are.
  • packing unit 44 packing unit 44a packing unit 5 gas distributors 5 'gas distributors 5''gas distributors 5'' gas distributors 5''' gas distributors

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüssigkeit sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren arbeitet auf der Basis eines blasigen Gas-Flüssigkeitsgemisches, welches durch wenigstens einen Bereich mit gerichteter kapillarer Struktur hindurchgeleitet wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der kapillarstrukturierte Bereich (1, 1', 1'', 1''', 1a, 1b, 1c, 1d, 1e', 1e'') zumindest an seiner Oberfläche ein Material mit guter Absorptions- und Desorptionsfähigkeit für das betreffende Gas aufweist, und daß alternierend Prozeßbedingungen eingestellt werden, die eine Absorption beziehungsweise Desorption des Gases bewirken. Die erfindungsgemäße Anlage basiert auf einem rohrartigen Strömungsweg mit Einbauten mit gerichteter kapillarer Struktur, die von einem blasigen Gas-Flüssigkeitsgemisch durchströmt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Bereich (1, 1', 1'', 1''', 1a, 1b, 1c, 1d, 1e', 1e'') der Oberfläche der kapillarstrukturierten Einbauten ein Material mit guter Absorptions- und Desorptionsfähigkeit für das betreffende Gas aufweist, und daß Mittel (10a, 10b, 10c, 10d, 10e', 10e'') vorgesehen sind, die bezüglich des Gases (zum Beispiel H2) altenierend Prozeßbedingungen zur Einstellung eines absorptiven beziehungsweise desorptiven Verhaltens des kapillarstrukturierten Bereichs ermöglichen.

Description

Verfahren zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüssig¬ keit sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Es gewährleistet eine erhöhte Wirtschaft¬ lichkeit und ist besondes vorteilhaft zur Hydrierung von Flüssigkeiten einsetzbar. Darüber hinaus wird eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegeben. Die bezeichnete Anlage sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb ermöglichen eine kostengün¬ stige Wasserbehandlung ohne das Entstehen zu entsorgender Abfallprodukte.
Technische Gase spielen bei vielen Prozessen eine wichtige Rolle und werden oft als Reaktionspartner zusammen mit einer flüssigen Phase angewendet. Im allgemeinen strebt man eine möglichst feine Verteilung des Gases an; ideal wäre die vollkommene Lösung des Gases in der Flüssigkeit. Zur Verteilung von Gasen in Flüssigkeiten sind mechanisch arbeitende Verfahren allgemein bekannt, die im wesentlichen auf die Erzeugung möglichst großer Turbulenzen gerichtet sind. Gebräuchlich sind zum Beispiel Rührvorrichtungen und statische Rohrmischer, in denen eine Vielzahl von Schikanen eingesetzt sind. Andere Anlagen arbeiten unter Ausnutzung des sogenannten Ejektorprinzips, bei dem die Strömungsener¬ gie einer Flüssigkeit Gas aus einer im spitzen Winkel angeschlossenen Rohrleitung mitreißt. Der Nachteil dieser mechanisch arbeitenden Verfahren besteht einerseits in ihrem hohen Energiebedarf, was sich negativ auf die Wirt¬ schaftlichkeit der Anlage auswirkt, und andererseits in einer begrenzten Wirksamkeit. Das heißt, die Gasblasen können nicht beliebig zerteilt werden, da die eingesetzte turbulenzerzeugende Energie stets begrenzt ist.
Aus der DE-Al 38 30 850 ist ein kontinuierlich durchführba¬ res Verfahren zur Entfernung oder Verminderung des Nitrit- und/oder Nitratgehaltes in Wasser bekannt, bei dem das belastete Wasser mit Wasserstoffgas begast und mit einem geeigneten Metallkatalysator kontaktiert wird. Als Katalysa¬ tormaterialien werden Paladium und/oder Rhodium und als Aktivator ein Metall der Kupfergruppe, sofern Nitrat und/o¬ der Nitrit im Wasser vorkommen, vorgeschlagen. Als Katalysa¬ torträger sind poröse Teilchen, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumoxid, mit einer bimodalen Porenradienvertei- lung mit einem mindestens 20 %igen Anteil bezogen auf das Gesamtporenvolumen an den Makroporen mit einem Mindestradi¬ us von 2000 Ä vorgesehen. Alternativ dazu wird vorgeschla¬ gen, Teilchen kleiner 20 μm zu verwenden, wobei das Metall auf der Oberfläche konzentriert sein soll.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Anlage besteht im wesentlichen aus einer Vorbehandlungsstufe, in der eine Filtration und - soweit erforderlich - eine Entkei¬ mung und pH-Werteinstellung des Wassers vorgenommen wird. Daran schließt sich ein mit einer Wasserstoffquelle verbun¬ denes H2-Begasungsmodul an. Anschließend wird das Wasser durch einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Strö¬ mungsreaktoren geleitet, in denen sich die katalytisch wirkende Füllung befindet. Von Nachteil ist, daß die vorge¬ schlagene katalytisch wirkende Reaktorfüllung einen ver¬ gleichsweise hohen hydraulischen Widerstand aufweist. Außerdem sind Vorkehrungen erforderlich, die sicherstellen, daß der Flüssigkeitsstrom die nur staubkorngroßen Katalysa¬ torträger nicht aus der Anlage ausspült.
Darüber hinaus wird ein relativ großer Aufwand zur Vertei¬ lung des Wasserstoffs im H2-Begasungsmodul betrieben, um eine möglichst große Reaktionsfläche zu erzeugen. Unter anderem wird zur Erzielung eines blasenfreien Wasserstof¬ feintrags vorgeschlagen, eine Permeationsbegasung, bei¬ spielsweise mittels Silikonschläuchen, vorzunehmen. Um große Mengen Wasserstoff durchzusetzen, ist es jedoch erforderlich, eine vergleichsweise große Membranoberfläche zur Verfügung zu stellen oder mit hohen Drücken zu arbei¬ ten, da der Gastransport ausschließlich auf der Grundlage der Diffusion erfolgt und die transportierte Gasmenge von den äußeren Triebkräften (Konzentrationgefälle, Druckgra¬ dient) abhängt.
Die GB 1 531 918 beschreibt eine Begasungseinrichtung für Flüssigkeiten unter Verwendung von gewickeltem Drahtgewebe, das in unterschiedlichen Maschenweiten, in kaskadenartig hintereinandergeschalteten Anlagenteilen angeordnet ist. Beim Durchströmen des Drahtgewebes sollen die Gasblasen möglichst stark verkleinert und gleichmäßig verteilt wer¬ den. Dieses mechanische Verfahren besitzt den Nachteil, daß zur Erzeugung sehr kleiner Gasblasen, deren Durchmesser unter einem Millimeter liegt, ein überproportionaler Ener¬ gieeinsatz und Anlagenaufwand notwendig ist.
Ein biegsames poröses Gewebe aus Kunst-, Natur- oder Metall¬ fasern zur Flüssigkeitsbegasung beschreibt die DE 1 052 364. Die dargestellte technische Lösung ist zwar sehr einfach und von nur geringem Aufwand, sie eignet sich jedoch nicht für Prozesse, die eine Feinstverteilung von Gasen im Sinne ihrer Auflösung in der Flüssigkeit verlan¬ gen.
Neben keramischen Materialien, z.B. in Form von Platten oder Kerzen, ist auch die Begasung von Flüssigkeiten durch poröse Sintermetalle aus Chem.-Ing.-Techn. 28 (1956) Nr. 12, Seiten 783 bis 786 bekannt. In Abhängigkeit von der Porengröße, dem Gasdurchsatz und der Strömungsgeschwindig¬ keit der zu begasenden Flüssigkeit bilden sich unterschied¬ lich große Blasendurchmesser. Eine blasenfreie Begasung kann mit dieser Technologie nicht erreicht werden. Außerdem verursacht die unregelmäßige Porenstruktur einen relativ großen Druckverlust.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüssigkeit, vorzugs¬ weise zur Hydrierung von Flüssigkeiten, zur Verfügung zu stellen, das einen effizienten Betrieb bei minimalen Be¬ triebskosten gewährleistet. Des weiteren soll eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens entwickelt werden, die bei vergleichsweise geringen technischen Aufwendungen eine wesentliche Leistungssteigerung erlaubt. Dies soll durch eine möglichst homogene und blasenfreie Verteilung des Gases in der Flüssigkeit gewährleistet werden. Die Erfin¬ dung soll insbesondere zur Hydrierung von Wasser geeignet sein .
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Die übrigen Ansprüche geben Vorzugsvarianten der Erfindung wieder.
Das Wesen der Erfindung besteht in der Verwendung eines Bereichs mit gerichteter kapillarer Struktur, der in einem Strömungsweg angeordnet ist und von einem blasigen Gas-Flüs¬ sigkeitsgemisch durchströmt wird, wobei der kapillarstruktu¬ rierte Bereich zumindest an seiner Oberfläche ein Material mit guter Absorptions- und Desorptionsfähigkeit für das betreffende Gas aufweist. Des weiteren sind Mittel vorgese¬ hen, mit denen alternierende Prozeßbedingungen eingestellt werden können, die eine Absorption beziehungsweise Desorpti¬ on des Gases bewirken. Hierfür eignen sich Mittel zur Erzeugung hinreichend großer Temperatur- und/oder Druckwech¬ sel. Für den erfindungsgemäßen Zweck lassen sich Erfahrun¬ gen verwerten, die bei der sogenannten Temperatur- bzw. Druckwechselabsorption gewonnen wurden und in der einschlä¬ gigen Literatur zur Verfügung stehen.
In Abweichung zu allen bekannten Verfahren, die eine direk¬ te (meist unvollkommene) Lösung des Gases durch immer feinere Verteilung der Gasblasen, z.B. durch engmaschige oder kapillare Trennwände, anstreben, geht die Erfindung von einem blasigen Gas-Flüssigkeitsgemisch mit vergleichs¬ weise großen Gasblasen aus, wobei das Gas zunächst einer kapillaren Struktur mit einer großen zur Absorption und Desorption geeigneten Oberfläche zugeführt und dort in der Festkörperstruktur gebunden wird. Mit der Desorption wird dann das Gas absolut blasenfrei an den Flüssigkeitsstrom abgegeben; es entsteht eine vollkommene Lösung. Da aufgrund des zwischen Absorption und Desorption wechseln¬ den Prozeßregims diskontinuierliche Grundbedingungen gege¬ ben sind, ist es zur Schaffung kontinuierlicher Verfahrens¬ bedingungen vorteilhaft, die benachbarten (beheizbaren) Bereiche jeweils im entgegengesetzt gerichteten Prozeßregim zu fahren, das heißt, wenn der eine beheizbare Bereich beheizt wird, dann werden die benachbarten Bereiche gerade abgekühlt und umgekehrt. Einen vergleichbaren Effekt kann man erreichen, wenn zwei Reaktoren mit jeweils mehreren Absorptions-/Desorptionsbereichen parallel betrieben wer¬ den, wobei sich die Reaktoren jeweils im entgegengesetzt gerichteten Prozeßregim befinden, das heißt, wenn sich zum Beispiel alle Bereiche des einen Reaktors in der Absorpti¬ onsphase befinden und begast werden, befinden sich alle Bereiche des anderen Reaktors in der Desorptionsphase und werden entgast.
Zur Minimierung des hydraulischen Druckverlustes sind die kapillaren Strömungskanäle im wesentlichen parallel zum Hauptströmungsweg ausgerichtet und ihre Oberflächen mög¬ lichst glatt. Zumindest diese Oberflächen weisen ein Materi¬ al mit guter Absorptions- und Desorptionsfähigkeit für das in der Flüssigkeit zu verteilende Gas auf. Die Wirkungswei¬ se der erfindungsgemäßen Anlage ist folgende:
Das Gas-Flüssigkeitsgemisch trifft entlang seines Strömungs¬ weges auf die Kapillarstruktur und dringt darin ein. Dabei wirkt die Kapillarstruktur wie ein Zerkleinerer und Mischer für größere Gasblasen. Aufgrund der herrschenden Kapillar¬ kräfte und einer Geschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 0,05 m/s (bezogen auf die Viskosität von Wasser bei etwa 10 °C) kommt es zu einem innigen Kontakt zwischen der Oberfläche der Kapillarstruktur und dem Gas der Gasbläschen. Trotz seiner großen inneren Oberfläche wird nur ein vergleichsweise geringer hydraulischer Widerstand verursacht, so daß relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten gefahren werden können, die die Dynamik im Grenzflächenbe¬ reich (Helmholtz-Schicht) von Flüssigphase und Wandung des Strömungskanals vorteilhaft beeinflussen. Die sogenannte Nernstsche Schichtdicke verringert sich erheblich, was zu einer bedeutenden Beschleunigung des Reaktionsablaufs führt. So bilden hohe Strömungsgeschwindigkeiten eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Absorptionsrate, das heißt, sie gewährleisten einen schnellen Einbau einer möglichst großen Gasmenge in das Kristallgefüge der Kapil¬ larstruktur.
Nachdem eine hinreichende Menge des Gases auf einem unteren Temperatur- und/oder Druckniveau in das Material der Kapil¬ larstruktur absorbiert ist, kann der Prozeß umgekehrt werden. Durch Erhöhung von Temperatur und/oder Druck wird die Desorption des soeben aufgenommenen Gases eingeleitet. Dabei sollte eine möglichst gleichmäßige Abgabe des Gases an den Flüssigkeitsstrom gewährleistet werden, damit eine gleichmäßige Beladung der Flüssigkeit erfolgt.
Während das absorbierte Gas vor der Kapillarstruktur noch in der gasförmigen Phase (also in From von Bläschen) vor¬ lag, ist das desorbierte Gas nach der Kapillarstruktur weitestgehend molekular und in klusterartigen Verbänden in der Flüssigkeit gelöst. Hierdurch wird die Reaktionsflache zwischen Gas und Flüssigkeit um mehrere Größenordnungen vergrößert, was die notwendige Verweilzeit in einem Reaktor drastisch verringert und zu einer stark verbesserten Ausnut¬ zung nachgeschalteter katalytischer Reaktoren führt. Mithin können erhebliche Mengen teuren Katalysatormaterials einge¬ spart und die Größe der Anlage reduziert werden. Alternativ ist natürlich auch eine Steigerung des Anlagendurchsatzes möglich.
Untersuchungen an Strömungsreaktoren, aufgebaut aus einer Vielzahl aneinander-gestapelter folienartiger Elemente auf der Basis eines sehr glatten glasmetallischen, amorphen Werkstoffs, haben ergeben, daß etwa ab einer Strömungsge¬ schwindigkeit von 0,05 m/s in den kapillaren Kanälen optima¬ le Reaktionsbedingungen erreicht werden. Die als Spalten ausgebildeten kapillaren Kanäle wiesen eine mittlere Weite von 0,08 mm bis 0,4 mm auf. Ähnliche Kapillarstrukturen können auch auf der Basis von keramischen Werkstoffen, Kunststoffen oder anderen Werkstoffen erzeugt werden, zum Beispiel durch Extrusion. Nach ihrer Beschichtung mit für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Materialien für die Absorption bzw. Desorption des entsprechenden Gases, sind auch derartige Kapillarstrukturen für den erfindungsge¬ mäßen Zweck einsetzbar.
Der erfindungsgemäße Bereich zur alternierenden Absorption und Desorption des betreffenden Gases mit seinen im wesent¬ lichen unidirektional gerichteten Strömungskanälen kann unter Anwendung verschiedenster Materialien auf unterschied¬ liche Weise gestaltet sein. Beispielsweise können die kapillaren Spalten von aufeinandergestapelten folienartigen Elementen gebildet sein, wobei die kapillaren Spalten von Profilierungen fixiert werden, die wenigstenε jedes zweite der folienartigen Elemente aufweist. Solche Profilierungen können quer zur Längsachse der folienartigen Elemente verlaufende Wellungen oder Prägungen, aber auch Materialauf- tragungen sein. Die Materialien können nahezu beliebig gewählt werden, das heißt, entsprechend des konkreten Anwendungsfalls wird ein geeignetes Material eingesetzt. Natürlich muß die Oberfläche der Kapillarstruktur mit einer für den vorgesehenen Absorptions- und Desorptionsprozeß geeigneten Werkstoff beschichtet werden, soweit dieses Material nicht schon als Grundwerkstoff zur Herstellung der Kapillarstruktur dient.
Eine kostengünstige Methode zur Erzeugung amorpher folienar¬ tiger Bänder besteht in der Anwendung deε sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahrens. Hierdurch können auch Legierungen erzeugt werden, die man in kristalliner Form nicht erhalten würde. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Möglichkeiten der Auswahl der Legierungspartner als auch hinsichtlich ihrer anteilmäßigen Zusammensetzung. Die Dicke derart erzeugter Bänder liegt im allgemeinen zwischen 10 μm und 100 μm. Durch das Wickeln der beschriebenen, mit Profilierungen zur kapillaren Beabεtandung versehenen folienartigen Elemente zu einer Spirale entsteht eine Vielzahl quer zur Spiralebe¬ ne verlaufender kapillarer Spalten.
Gemäß einer vorteilhaften Erfindungsvariante sind in einem Gehäuse mehrere kapillarεtrukturierte Bereiche hintereinan¬ der angeordnet, wobei εich die benachbarten Bereiche je¬ weilε im entgegengeεetzten Prozeßregim befinden, daε heißt, wenn εich der eine Bereich in der Phaεe der Abεorption befindet, so arbeitet der benachbarte Bereich in der Phase der Desorption. Gasblasen, die einen vorangehenden Bereich passieren konnten, werden mit dem Flüssigkeitsstrom dem nächsten kapillarstrukturierten Bereich zugefrüht und dort zumindest teilweise absorbiert. Hierdurch kann eine gleich¬ mäßige Beladung des Flüssigkeitsstromeε erreicht werden. Aber auch beim Einsatz nur eines erfindungsgemäßen Bereichs kann eine gleichmäßige Beladung ohne diskontinuierliche Betriebsweise erreicht werden, wenn ein Teil des Flüssig¬ keitsstroms über einen Bypass im Kreis gefahren wird.
Das durch Desorption freigesetzte feinstverteilte Gas sollte auf seinem Weg zwischen zwei erfindungsgemäßen Bereichen weitestgehend für die vorgeεehene Reaktion ver¬ braucht werden, damit möglichεt nur in Gasblasen auftreten¬ des Gas zur Absorption zur Verfügung εteht. Soweit eε sich um eine katalytiεch unterstützte Reaktion handelt, ist es zweckmäßig, den Raum zwischen den Bereichen mit geeigneten Reaktorpackungen auεzufüllen. Sollten gaεformige Reaktionε- produkte in erheblichem Maße entstehen, so können vor jedem kapillarstrukturiertem Bereiche oder vor einem Teil der Bereiche Mittel zu deren Ausεchleusung vorgesehen sein.
Die Gliederung der Anlage in einzelne, die Reaktorpackung aufnehmende Zwischenzargen und dazwischen angeordnete kapillarstrukturierte Bereiche gestattet eine rationelle und an unterschiedlichεte Anforderungen anpaßbare Modulbau¬ weise. Mit der Aneinanderreihung der Zwischenzargen und der erfindungsgemäßen Bereiche kann in gewünschter Weise auf die Verweilzeit des Flüssigkeitsstromes Einfluß genommen werden, wobei zwischen zwei benachbarten Zwischenzargen auch mehrere absorbierende/desorbierende Bereiche einge¬ setzt sein können. Ebenso ist es möglich, mehrere Zwischen¬ zargen zwischen zwei dieser Bereiche anzuordnen.
Soweit die durchzuführende Reaktion nicht ohnehin unter erhöhtem Druck erfolgen soll und deshalb entsprechende Druckbehälter und zugehörige Vorrichtungen (Kompressoren, Druckminderungsventile und anderes) zur Verfügung εtehen, wird die Temperaturwechselabsorption in der Regel mit weniger Aufwand anwendbar sein. Für diesen Fall sind Ener¬ giequellen zur Beheizung der betreffenden Bereiche vorzuse¬ hen, die an den Aufbau dieser Bereiche angepaßt sein müs¬ sen.
Beispielsweise kann der zu beheizende Bereich von zwei scheibenförmigen Elektroden mit gerichteter kapillarer Struktur gebildet sein, zum Beispiel in Form einer aus dünnem bandartigen Material gewickelten Spirale, wie εie dem Prinzip nach bereits beεchrieben wurde. Verbindet man daε kurzbeabεtandete Elektrodenpaar mit einer Wechselspan¬ nungsquelle, so können diese direkt elektrisch beheizt werden, vorausgeεetzt, die durchεtrömende Flüssigkeit ist elektriεch leitend, zum Beiεpiel Waεεer. Die Wechεelspan- nungsfrequenz muß so ausreichend hoch sein, daß keine Elektrolyεeprodukte entεtehen, wenn die Spannung über der Zersetzungsspannung liegt.
Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet für derart aufgebaute beheizbare Bereiche sind Strömungsreaktoren zur Entfernung von Sauerstoff aus dem Wasser von Heizkreisläufen und insbesondere aus εogenanntem Kesselεpeisewasser, um der Korrosion von Behältern und Rohrleitungen entgegenzuwirken. Zu dieεem Zweck wird die Oberfläche des Strömungsreaktors mit einem geeigneten Katalysatormaterial, vorzugsweise aus der Platingruppe, beschichtet und das zu behandelnde Wasser im stochiometrischen Verhältnis mit Wasserεtoff beladen. Der Katalysator ermöglicht die Umεetzung deε gelöεten Sauerεtoffε mit dem zugeführten Wasεerstoff zu Wasser, so daß kein auε der Anlage auεzuεchleuεendes Reaktionsprodukt entsteht. Ein weitereε Einsatzgebiet beεteht in Anlagen zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in Wasser, insbeεondere in Trinkwasser, unter Einsatz von Wasserstoff zur Umwandlung des Nitrats/Nitritε in Waεser und Stickstoff.
Verfahren, die auf der Basis polarer Flüsεigkeiten, wie Wasser, arbeiten, können als Energiequelle für den zu beheizenden Bereich auch Mikrowellen einsetzen. Dies wäre jedoch eine indirekte Beheizung, da zunächst die Flüssig¬ keit erhitzt würde, die ihrerseits anschließend einen Teil der zugeführten Energie an die eigentlich zu beheizende KapillarStruktur abgibt. Diese Variante iεt eher für diεkon- tinuierliehe Verfahren wirtεchaftlich einεetzbar, bei denen der Flüεεigkeitsstrom ohnehin eine Temperaturerhöhung erfahren soll.
Ähnlicheε gilt für Widerstandsheizungen, die nach dem Prinzip eines Wasεerboilers arbeiten und in Strömungsrich¬ tung vor dem zu beheizenden Bereich angeordnet εind. Eine effektivere Art der Widerstandsheizung ist bei einer elek¬ trisch leitenden Kapillarεtruktur möglich, wenn der Heiz- εtrom direkt durch diese hindurch geleitet werden kann.
Sofern eε die verwendeten Materialien und die konεtruktiven Gegebenheiten der Anlage zulaεεen, sollte eine induktive Heizung vorgesehen werden, da die Heizenergie unmittelbar im Material des zu beheizenden Bereichs entsteht und kein körperlicher Eingriff in den Strömungsweg der Anlage erfor¬ derlich ist. Für die sich anschließende Absorptionsphase notwendige Abkühlung des beheizbaren Bereichs kann durch den Flüssigkeitsεtrom gewährleistet werden, der quasi als Kühlmittel fungiert.
Zur Speicherung von Wasserstoff wurde bereits eine größere Anzahl von Materialien entwickelt, wie zum Beispiel Magneεi- um-Eisen-Hydrid. Wasserstoffspeichernde Schichten lassen sich vor allem auf der Basis von Nickel, Aluminium und/oder den Metallen der Platingruppe in die kapillare Struktur des zu beheizenden Bereichs einlagern. Welches der Materialien zum Einsatz kommen kann hängt nicht zuletzt vom jeweiligen Prozeß εelbst ab, das heißt, unter anderem von der Aggressi¬ vität der zu begasenden Flüssigkeit und den Temperaturbedin¬ gungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungεbei- spielen sowie der dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematiεche Darεtellung eineε beheizba¬ ren, kapillarstrukturierten Bereichs mit einer induktiven Heizung;
Figur 2 schematische Darstellung eines beheizba¬ ren, kapillarεtrukturierten Bereichs mit einer Mikrowellenheizung für eine polare Flüεεigkeit;
Figur 3 schematische Darstellung eines beheizbaren, kapillarstrukturierten Bereichs mit einer Heizschlange;
Figur 4 schematiεche Darεtellung eineε beheizba¬ ren, kapillarεtrukturierten Bereichε mit einer direkten Widerεtandsheizung; Figur 5 schematische Darstellung eines Reaktors zur
Beladung deε mit Nitrat verunreinigten Was¬ sers mit Wasserstoff, wobei das Gas-Flüssig¬ keitsgemisch gemeinsam dem Reaktoreinlauf zugeführt wird;
Figur 6 schematische Darstellung eines Reaktors zur
Beladung des mit Nitrat verunreinigten Waε- sers mit Waεserstoff, wobei Gaε und Wasser dem Reaktor getrennt zugeführt werden;
Figur 7 schematiεche Darεtellung einer Verεchal- tungsvariante von zwei parallel betriebenen Reaktoren deε in Figur 6 dargeεtellten Typs;
Figur 8 schematische Darstellung einer weiteren
Verschaltungεvariante von zwei parallel be¬ triebenen Reaktoren;
Figur 9 Querεchnitt durch einen Reaktor mit kapil¬ larstrukturierten, beheizbaren Bereichen, die als paarige Elektroden ausgebildet und mit einer Wechselεpannungsquelle verbunden sind;
Figur 9a einen vergrößerten Ausschnitt des Reaktors der Figur 9;
Figur 11 schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teil eines aus folienartigen Elementen aufgebauten Absorptions-/Deεorpti- onsbereichs bzw. einer Reaktorpackung; Figur 12 stark vergrößerte perspektivische Darstel¬ lung eines einzelnen folienartigen Elements mit Distanzstegen;
Figur 13 perspektivische Darstellung eines
Ausεchnittε einer auε mehreren Packungεein- heiten beεtehenden Reaktorpackung;
Figur 14 aus zwei folienartigen Bändern zu einer
Spirale gewickelte Packungseinheit;
Figur 15 aus mehreren spiralförmig gewickelten
Packungseinheiten beεtehende Reaktorpackung.
Grundlage der erfindungsgemäßen Anlage zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüsεigkeit iεt ein im Strömungsweg eines Gas-Flüssigkeitsgemisches angeordneter kapillarstruk¬ turierter Bereich, dessen Oberfläche zumindest teilweise aus einem Material mit guter Absorptions- und Desorptionsfä¬ higkeit für das dem Flüssigkeitsεtrom zugegebene Gas be¬ steht. Auf diesen Bereich wirken periodisch Mittel ein, die das betreffende Material bezüglich des Gases abwechselnd in eine absorptive beziehungsweise desorptive Phase überfüh¬ ren. Geeignet hierfür sind Mittel zur Erzeugung eineε hinreichend großen Temperatur- und/oder Druckwechsels.
In den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung werden aus¬ schließlich Varianten unter Ausnutzung der Temperaturwech¬ selabsorption beschrieben. Die Prinzipien der allgemeinbe¬ kannten Druckwechselabsorption können bei geeigneter Gestal¬ tung der Anlage natürlich ebenfalls für den erfindungsgemä¬ ßen Zweck eingesetzt werden. In dieεem Zuεammenhang εei auf das Anlagenschema von Figur 8 hingewieεen, das in einfacher Weise auch für die Druckwechselabsorption Anwendung finden kann. Dazu wäre lediglich sicherzustellen, daß die beiden parallel betriebenen Reaktoren 3001, 300r mit ihren kapil¬ larstrukturierten absorptiven/desorptiven Bereichen alter¬ nierend einem erhöhten Druck ausgesetzt werden. Bezogen auf Figur 8 befindet sich der Reaktor 3001 gerade in der Absorp¬ tionsphase, wobei über die Gasverteiler 5 den Bereichen 1 Wasserstoffgas H2 zugeführt wird. Deshalb ist der Druck im linken Reaktor 3001 während dieser Phaεe niedriger alε der Druck im rechten Reaktor 300r, in dem der erhöhte Druck zur Deεorption des Gases aus den Bereichen 1 führt. Die geeig¬ netsten Druckregims werden am besten experimentell ermit¬ telt; sie sind im wesentlichen abhängig vom eingeεetzten Abεorptionsmaterial in der Kapillarstruktur und vom vorherr¬ schenden Temperaturniveau im Reaktor bzw. im Absorptionsbe¬ reich.
Die schematischen Darstellungen der Figuren 1 bis 4 zeigen beheizbare kapillarstrukturierte Bereiche la, lb, lc, ld, die von einem Gas-Flüssigkeitεgemiεch, beεtehend auε der Flüssigkeit 2 und den Gasbläschen 3, durchströmt werden. Dabei ist angedeutet, daß die Gasbläschen idealerweise während einer Absorptionsphase vollständig von der Kapillar- struktur des Bereichs la, lb, lc, ld absorbiert werden und daß das Gas während einer Deεorptionεphaεe in feinεter Verteilung an die Flüεεigkeit abgegeben wird, εo daß daε Gaε dann im Fluidstrom 2' weitestgehend in gelöster, daε heißt, in molekularer Form vorliegt. Alle dargeεtellten Varianten sind auf eine Temperaturwechεelabsorption ausge¬ richtet; sie verwenden jedoch unterschiedliche phyεikali- sche Prinzipien zur Beheizung des kapillaren Bereichs 1. In Figur 1 ist eine induktive Beheizung 10a des gut elek¬ trisch leitenden Bereichs la angedeutet. Mit Hilfe magneti¬ scher Wechselfelder, die kräftige Wirbelströme hervorrufen, erfolgt die Erwärmung des Bereichs la. Da die Eindringtiefe der Wirbelströme und somit die Tiefe der erwärmten Schicht frequenzabhängig ist, kann bei Bedarf eine rasche Erwärmung der oberflächennahen Schicht, in der die Absorptionε- und Desorptionsvorgänge ablaufen, erreicht werden.
Gemäß Figur 2 iεt zur Beheizung des Bereichs lb eine Mikro¬ wellenheizung 10b vorgesehen, wobei zunächεt die Flüssig¬ keit 2 erwärmt wird, die ihrerseits einen Teil der Wärme an den Bereich lb abgibt, wenn sie diesen entlang des Strö- mungswegeε 20 paεsiert. Es handelt sich hierbei um eine indirekte Beheizung des Bereichs lb, die sich zur Erwärmung von schlecht oder nicht leitenden Fussigkeiten ( wie zum Beispiel Wasεer) mit polaren Molekülen auf der Baεiε auftre¬ tender dielektrischer Verluste eignet. Bei der Dimenεionie- rung derartiger Heizungen iεt zu berücksichtigen, daß die Eindringtiefe von der Wellenlänge des Mikrowellenfeldes abhängt.
Ebenfalls indirekt erfolgt die Erwärmung des Bereichs lc in Figur 3. Eine konventionelle Heizschlange 10c wird peri¬ odisch mit Energie versorgt und erwärmt so das vorbeiströ¬ mende Wasser 2. Nach Beendigung jeder einzelnen Heizphaεe kommt es aufgrund der kälteren Fluidströmung zu einer Abkühlung des Bereichs lc, so daß eine neuerliche Absorpti¬ on von Gaε erfolgen kann. Da keine εeparaten Mittel zur Kühlung der Bereiche la, lb, lc, ld vorgeεehen sind, über¬ nimmt die Fluidströmung diese Aufgabe auch in den anderen Ausführungεbeispielen. In Figur 4 ist eine direkte Widerstandsheizung lOd unter unmittelbarer Einbeziehung des elektrisch leitenden Materi¬ als des kapillaren Bereichs ld angedeutet. Eine Erwärmung tritt also auf infolge ohmscher Leistungsverluεte.
Die beheizbaren Absorptionsbereiche des im Querεchnitt in Figur 9 dargestellten Reaktors sind von jeweils zwei schei¬ benförmigen Elektroden le', le'' mit einer gerichteten Kapillarstruktur gebildet, deren Strömungskanäle sich im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung erstrek- ken. Die Elektroden le' , le' ' können einen Aufbau besitzen, wie er beispielsweise in Figur 14 dargetellt und weiter unten beschrieben ist. Während der Heiz- bzw. Desorpti- onsphase werden die Elektroden le', le'' von einer Wech- εelεpannungεquelle gespeist, die mit einer Steuerungsein¬ richtung in Verbindung steht. Die Wechselεpannungsfrequenz und Höhe der Spannung sind so gewählt, daß keine Elektroly¬ seprodukte entεtehen, falls Wasεer oder eine andere elektro- lytiεch zersetzbare Flüsεigkeit zum Einεatz kommt.
Der Reaktor beεteht im weεentlichen auε mehreren Zwiεchen- zargen 3, zwiεchen denen die beheizbaren Bereiche le', le'' angeordnet εind. An den Enden iεt der Reaktor von einer Einlaufzarge 31 bzw. einer Auslaufzarge 32 begrenzt. Falls der Reaktor für einen katalytischen Prozeß eingesetzt werden εoll, ist es sinnvoll, den Raum in den Zwischenzar¬ gen 3 mit einer katalytischen Packung auszufüllen, die, ebenso wie die schon beschriebenen Abεorptionε-/Deεorptionε- bereiche la, lb, lc, ld, le', le' ' , eine gerichtete Kapil¬ larεtruktur aufweisen.
Um elektrische Kurzschlüεse zu vermeiden, sind sowohl zwischen den Kapillarεpaltelektroden le', le'' εelbst, als auch zwischen den angrenzenden (nicht dargeεtellten) Reak¬ torpackungen in den Zwiεchenzargen 3 Abstandshalter 11, 12 angeordnet. Zur Verdeutlichung ist dies in einem vergrößer¬ ten Ausεchnitt in Figur 9a dargestellt. Die Stromversorgung der Elektroden le', le'' erfolgt über die am Umfang anlie¬ genden Elektrodenringe 10e', 10e''.
Nachfolgend werden Möglichkeiten zum Aufbau der kapillar¬ strukturierten Absorptions-/De-εorptionεbereiche 1, 1', 1", 1"', la, lb, lc, ld, le', le" εowie der bei Bedarf einzuεetzenden Reaktorpackungen angegeben. Eine erεte Gestaltungsvariante besteht in der parallelen Anordnung einer Vielzahl von folienartigen Elementen 4a, 4b, wobei sich gerade Elemente 4a und durch Wellungen profilierte Elemente 4b abwechseln. Figur 11 zeigt einen stark vergrö¬ ßerten Ausschnitt der beschriebenen Anordnung. Hierbei bilden sich zwischen den Elementen 4a, 4b kapillare Strö¬ mungskanäle 40a, deren Querschnitt von der Höhe der Wellun¬ gen abhängig ist. Durch Zusammendrücken der aneinandergela- gerten folienartigen Elemente kann der Querschnitt der kapillaren Strömungskanäle 40a praktisch beliebig reduziert und so optimal an die jeweils herrschenden Bedingungen angepaßt werden.
Soweit eine metallische Kapillarstruktur vorgesehen ist, läßt εich dieεe in vielen Fällen besonderε günεtig durch bandförmige Folien-Elemente 4a, 4b herεtellen, die nach dem sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahren erzeugt wurden. Dabei wird die gewünschte Legierung, gegebenenfalls unter Zuεatz von Katalyεator- und Aktivatormaterial, im flüεεigen Zu¬ stand aus einer Kokille auf eine rotierende, gekühlte Trommel gegeben, wo die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 Mio °K pro Sekunde abgeschreckt und der amorphe Zustand der Schmelze eingefroren wird. Das Material weist eine vergleichsweise glatte Oberfläche auf. Derzeit kann es mit einer Dicke von ca. 10 μm bis 120 μm und einer Breite bis zu ca. 0,5 m hergestellt werden.
Figur 12 zeigt ein Beispiel aus einer Vielzahl von Möglich¬ keiten zur Anformung von Profilelementen, die den kapilla¬ ren Abstand zwischen den benachbarten folienartigen Elemen¬ ten gewährleisten. Danach stellen die Distanzεtege 41 deε Elementε 4c quer über deεεen Breite 42 verlaufende Materia¬ lerhebungen dar. In dieεem Ausführungsbeispiel entspricht die Höhe der Distanzelemente 41, welche den kapillaren Abεtand definiert, etwa der Dicke 43 deε Elementε 4c. Die geometriεchen Abmessungen der Elemente sind im wesentlichen von der Wahl deε Werkεtoffε und dem Herεtellungεverfahren der Folienelemente abhängig. Neben metalliεchen Werkεtoffen können auch Kunεtεtoffe und keramische Werkstoffe zum Einsatz kommen. Bei Anwendung eines Extrusions- oder Strang¬ preßverfahrens, beispielsweise bei dem ein Formwerkzeug zum Einsatz kommt, sollten die Distanzstege 41 schon während des urformgebenden Prozesses angeformt werden, so daß die Distanzstege 41 entlang der Längserstreckung des Bandes verlaufen. Bei einem durch Walzen hergestellten Element könnte die profilerzeugende Matrize der Walzenoberfläche auch so beschaffen sein, daß sich die Distanzstege 41 quer zur Längsachse des Bandes erstrecken.
Figur 13 zeigt schematisch eine aus vier Packungseinheiten 44 bestehende Reaktorpackung, deren kapillare Struktur aus den voranbeschriebenen folienartigen Elementen 4a, 4b oder lc oder ähnlichen Elementen aufgebaut wurde. Ihre, den kapillaren Abstand 40 zwischen benachbarten Elementen 4 gewährleistenden Profilierungen (Wellungen oder Distanzεte- ge) erstrecken sich parallel zur Strömungsrichtung 20 der Reaktanten und damit quer zur Längserstreckung der bandför¬ migen Elemente 4. Die übereinander gestapelten Packungsein¬ heiten 44 sind zu den benachbarten jeweils um 90 Grad verdreht, so daß sich die einzelnen Elemente 4 kreuzen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer kapillaren Struktur auf der Basis folienartiger Elemente 4a, 4b zeigt Figur 14. Dementεprechend werden das gerade, unprofilierte bandförmige Element 4a und das gewellte Element 4b gemein¬ sam zu einer spiralförmigen Packungεeinheit 44a gewickelt, die aufgrund ihrer kreiεrunden äußeren Kontur besonders für den Einsatz in einem zylindriεchen Reaktor geeignet iεt. Figur 15 stellt eine aus mehreren gewickelten Packungsein¬ heiten 44a aufgebaute Reaktorpackung dar. Auch hier können die kapillaren Strömungskanäle 40a durch mehr oder weniger straffes Wickeln dimensioniert und so an die herrschenden Bedingungen angepaßt werden.
Beim Einsatz eines Reaktors gemäß den Figuren 9 und 9a zur Denitrifizierung von Trinkwasser kommen aus Elektrodenpaa¬ ren le', le'' bestehende Absorptions-/Deεorptionεbereiche zur Anwendung, deren Kapillarstruktur der von Figur 14 entsprach. Als Ausgangsmaterial dienten amorphe Bänder mit einer Breite von etwa 5 mm. Unter den gegebenen Bedingungen wurden Zyklen mit einer Dauer von etwa 30 Sekunden erfolg¬ reich getestet, wobei ein Zyklus die Absorptionε- und Desorptionεphaεe umfaßt. In Abhängigkeit von der Dimensio¬ nierung der Anlage und den Prozeßbedingungen können auch kürzere Zyklen, etwa von 10 Sekunden Dauer, oder deutlich längere Zyklen mit einer Dauer von einigen Minuten zweck¬ dienlich sein. In jedem Falle sollte man aber dafür sorgen, daß eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit inner- halb der gerichteten kapillaren Strömungskanäle 40, 40a herrscht, um optimale hydraulische Stoffaustauεchbedingun- gen zu gewährleisten.
Hohe Strömungsgeschwindigkeiten beeinflusεen die Dynamik im Grenzflächenbereich (Helmholtz-Schicht) von Flüssigphase und Wandung des Strömungskanals vorteilhaft. Die sogenannte Nernstsche Schichtdicke verringert sich erheblich, was inεbesondere bei katalytischen Prozessen zu einer erhebli¬ chen Beschleunigung des Reaktionεablaufε führt. Untersuchun¬ gen haben ergeben, daß etwa ab einer Strömungsgeεchwindig- keit von 0,05 m/ε in den kapillaren Kanälen optimale Reakti- onεbedingungen erreicht werden. Die alε Spalten ausgebilde¬ ten kapillaren Kanäle wiesen eine mittlere Weite von 0,08 mm bis 0,4 mm auf. Eε verεteht sich von selbst, daß die genannte Strömungsgeεchwindigkeit nur einen Richtwert darstellen kann. Die jeweils optimale Strömungsgeschwindig¬ keit sollte unter realen Prozeßbedingungen und unter Ein- εatz des vorgesehenen Reaktors ermittelt werden.
Nach einer Vorzugsvariante der Erfindung ist die Zyklusdau¬ er zur Absorption und Desorption des betreffenden Gases derart mit der Verweilzeit der Flüsεigkeit abgestimmt, daß der Flüssigkeitsstrom während der Zyklusdauer in etwa die Distanz zwischen zwei Bereichen 1, 1', 1'', 1''', la, lb, lc, ld, le', le' ' überbrückt, die sich in der gleichen Arbeitsphase, alεo Absorptions- oder Desorptionsphase, befinden. Dadurch wird sichergestellt, daß die Flüssigkeit gleichmäßig mit feinstverteiltem, molekular desorbiertem Gas angereichert wird.
Figur 5 zeigt die schematische Darstellung eines Reaktorε für eine Anlage zur Denitrifizierung von Trinkwaεεer. Er besteht auε mehreren Zwischenzargen 3, denen beheizbare Bereiche 1, 1', 1'' vorgeschaltet sind. An die untere Einlaufzarge 31 ist eine Leitung 310 für daε mit Nitrat belaεtete Rohwasser angeschlossen, dem Wasserstoffgas zugemischt wurde. Das obere Ende des Reaktors wird von einer Auslaufzarge 32 gebildet, über die daε aufbereitete Waεser abgeleitet wird.
Gemäß dieser Darstellung befindet sich der untere Bereich 1 in der Desorptionsphase, da er aufgeheizt wird, was durch die Richtung des Wärmestromε Q angedeutet ist. Die Wärmezu¬ fuhr kann beispielsweiεe nach einer der bereits beεchriebe- nen Methoden erfolgen. Am vorteilhaftesten sind jedoch diejenigen Methoden, welche daε kapillarεtrukturierte Material direkt, vorzugεweise nur in einem begrenzten Oberflächenbereich erwärnen und somit eine nur unweεentli- che Erhitzung der Fluidεtrömung verursachen.
Durch die Temperaturerhöhung des Materials des Bereichs 1 verringert sich dessen Speicherkapazität für Wasεerstoff. Der desorbierte Wasserstoff wird von der Kapillarstruktur des Bereichs 1 an das vorbeiströmende Wasser in feinster, blasenfreier Form abgegeben. Er bildet für das gelöste Nitrat eine weitaus größere Reaktionsfläche als die gleiche Menge Wasserstoff in Form von Gasbläschen, auch wenn diese einen Durchmeεer von nur wenigen Mikrometern aufweiεen würden. Bei der Reaktion des Waεεerstoffs mit Nitrat an einem Katalyεator entεtehen Waεεer und Stickεtoff.
Da εich der Bereich 1 definitionsgemäß in der Desorpti¬ onsphase befindet, kann er natürlich kein Wasεerεtoffgaε auε den Bläεchen aufnehmen und muß dieεe paεεieren lassen. Der darüberliegende Bereich 1' befindet sich zu diesem Zeitpunk in der entgegengesetzten, nämlich in der Absorpti¬ onsphase, was durch den entsprechend angedeuteten Wärmestrom Q verdeutlicht werden soll. Das Material dieses Bereichs 1' wird durch den Flüssigkeitsstrom abgekühlt, wodurch dieser wieder in die Lage versetzt wird, einen Teil des Wasserstoffε auε den aufεteigenden Gasbläschen zu absorbieren, so daß daε Gaε-Flüεsigkeitsgemiεch 2'' zwi¬ schen den Bereichen 1' und 1'' eine verringerte Menge gasförmigen Wasεerεtoffs enthält. In dem Gas-Flüεεigkeitεge- misch 2' ' ' nach dem Bereich 1'' sollte nach Möglichkeit kein gasförmiger Wasserεtoff (in Form von Gaεbläεchen) mehr vorkommen.
Die Dimenεionierung deε Reaktorε εollte εo erfolgen, daß der deεorbierte, in gelöster Form vorliegende Wasεerεtoff weiteεtgehend innerhalb einer Zwiεchenzarge 3 umgeεetzt wird, damit er bei Erreichen deε nächsten (absorbierenden) Bereichs 1' nicht zur Absorption zur Verfügung steht. Besonders geeignet sind Katalysatorpackungen, die - ebenso wie die Abεorptions-/Deεorptionεbereiche 1, 1', 1'' - eine gerichtete Kapillarstruktur aufweisen.
Auch die Erfindungεvariante gemäß Figur 6 bezieht εich auf einen Reaktor zur Trinkwaεseraufbereitung, bei der jedoch Rohwasser und Wasεerεtoff getrennt zugeführt werden. Über die Einlaufzarge 31 wird der Reaktor mit Rohwasser gespeist und pasεiert auf εeinem Weg zur Auslaufzarge 32 nacheinan¬ der mehrere Abεorptionε-/Deεorptionεbereiche 1, 1', 1'', 1''', zwischen denen Zwischenzargen 3 mit (nicht dargestell¬ ten) katalytisch wirkenden Reaktorpackungen angeordnet sind. Das Wasεerstoffgas wird in den Reaktor εeparat einge¬ leitet, und zwar direkt mittelε unterhalb der Bereiche 1, 1', 1", 1"' angeordneter Gaεverteiler 5, 5', 5", 5'". Die Gaszufuhr zu den einzelnen Bereichen 1, 1', 1'', 1' ' ' ist über die Ventile 50, 50', 50'', 50''' derart gesteuert, daß nur diejenigen Bereiche 1', 1''' mit Wasεerstoff ver¬ sorgt werden, die sich in der Absorptionεphase befinden. Die desorbierenden Bereiche 1, 1'' werden in dieεer Phase erhitzt und geben molekularen Wasserstoff an den Fluidstrom ab. Dieser reagiert unter Einwirkung des in den Zwischenzar¬ gen vorgesehenen Katalyεators unter Bildung von Wasser und Stickstoffgaε mit dem gelöεten Nitrat. Der gebildete Stick- εtoff konzentriert εich im oberen Teil der Zwiεchenzarge 3 und εollte unmittelbar unterhalb der Gaεverteiler 5, 5', 5'', 5''' mittelε Gaεausschleuser 6, 6', 6'' aus dem Reak¬ tor entfernt werden, um negative Auswirkungen auf die Effektivität des Absorptionsprozeεεeε in den Bereichen 1, 1', 1'', 1' ' ' zu vermeiden.
Die benachbarten Bereiche 1, 1', 1'', 1''' befinden εich jeweilε im entgegengesetzten Prozeßregim, das in einem festgelegten Zyklus wechselt, so daß trotz der diskontinu¬ ierlichen Elemente des Prozesses der Gesamtprozeß im Reak¬ tor quasi kontinuierlich abläuft, da von den Bereichen 1, 1', 1'', 1''' des Reaktors praktisch stetε die gleiche Menge Wasserstoff absorbiert beziehungsweise desorbiert wird. Vorzugsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers so eingestellt, daß während eines Absorptions-/Desorptionszykluε' die Diεtanz zwischen zwei Bereichen 1, 1', 1'', 1''' zurückgelegt wird, die sich im selben Prozeßregim, also in der Desorptions- oder in der Absorptionsphase befinden.
Eine Parallelschaltung des voran beschriebenen Reaktorauf¬ baus mit den Reaktoren 3001, 300r ist in Figur 7 darge¬ stellt. An einer gemeinsamen Gaεzuleitung 500 εind die Gasverteiler 5, 5λ, 5'', 5''' beider Reaktoren 3001, 300r angeschlossen. Im übrigen gilt die Beschreibung zu Figur 6 analog.
Im Unterschied zur voran beschriebenen Auεführungεvariante befinden sich gemäß Figur 8 sämtliche Bereiche 1 eines der beiden parallelgeεchalteten Reaktoren 3001, 300r im εelben Prozeßregim, wobei sich jeweils der eine Reaktor 3001 in der Absorptionsphase befindet und die entsprechenden Berei¬ che 1 mit Wasserstoffgas begast werden, während die Berei¬ che 1 des anderen Reaktors 300r zur selben Zeit Wasεerstoff desorbieren. Vorzugsweiεe iεt die Anlage so auεgelegt, daß während der Zeit eines Prozeßzyklus' der Bereiche 1 der Fluidstrom die Distanz zwischen zwei benachbarten Bereichen 1 zurücklegt. So wird bei einfacher Prozeßführung und geringem apparativen Aufbau eine gleichmäßige Beladung deε Flüssigkeitsεtroms mit Wasεerεtoff gewährleistet.
An dieser Stelle sei noch darauf hingewieεen, daß die Ausführungεvariante von Figur 8, wie εchon weiter vorne beschrieben, besonders für Druckwechselabεorption geeignet iεt, wobei der Druck in den Reaktoren 3001, 300r zwiεchen zwei Druckniveaus schwankt und sich die Reaktoren 3001, 300r jeweils im entgegengesetzten Prozeß- bzw. Druckregim befinden.
Bezugszeicheniiste
I beheizbarer Bereich la beheizbarer Bereich lb beheizbarer Bereich lc beheizbarer Bereich ld beheizbarer Bereich le' Teil des beheizbaren Bereichs, Elektrode le'' Teil des beheizbaren Bereichs, Elektrode
1' beheizbarer Bereich
1'' beheizbarer Bereich
1''' beheizbarer Bereich
10a induktive Heizung
10b Mikrowellenheizung
10c Heizschlange lOd direkte Widerstandsheizung
10e' Elektrodenring
10e'' Elektrodenring
II Abstandshalter
12 Abstandshalter
13 Lochdeckel
14 Lochdeckel
Flüssigkeit vor einem beheizbaren Bereich ' Gas-Flüssigkeitsgemisch nach bzw. zwischen zwei beheizbaren Bereichen '' Gaε-Flüssigkeitsgemisch zwiεchen zwei beheiz¬ baren Bereichen ' ' ' Gas-Flüsεigkeitεgemisch zwischen zwei beheiz¬ baren Bereichen
20 Strömungsrichtung
3 Zwischenzarge
31 Einlaufzarge
32 Auslaufzarge
300 Reaktor
3001 (linker) Reaktor
300r (rechter) Reaktor
4 folienartiges Element 4a folienartigeε Element 4b folienartigeε Element 4c folienartiges Element
40 kapillare Strömungskanäle, Spalten 40a kapillare Strömungskanäle, Spalten 40b kapillare Strömungεkanäle, Spalten
41 Distanzsteg
42 Breite des folienartigen Elementε
43 Dicke deε folienartigen Elementε
44 Packungεeinheit 44a Packungεeinheit 5 Gasverteiler 5' Gasverteiler 5'' Gasverteiler 5''' Gaεverteiler
50 Ventil vor dem Gasverteiler
50' Ventil vor dem Gasverteiler
50'' Ventil vor dem Gasverteiler
50''' Ventil vor dem Gasverteiler
501 Ventil
50r Ventil
500 Gaszuleitung
5001 Gaεzuleitung
500r Gaεzuleitung
6 Gasausεchleuεung (für Reaktionεprodukte) 6' Gaεausschleusung (für Reaktionεprodukte) 6'' Gaεauεschleusung (für Reaktionsprodukte) 6''' Gasausschleusung (für Reaktionsprodukte) 60 Ventil nach Gasausεchleusung
60' Ventil nach Gasausεchleusung
60'' Ventil nach Gasauεεchleusung
60''' Ventil nach Gasausschleusung
600 Ableitung für gasförmige Reaktionεprodukte
H2 Wasserstoff
H2O Wasser
N2 Stickstoff
N03 Nitrat
Q Wämeεtrom

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Feinstverteilung eines Gases in einer Flüssigkeit, vorzugsweise zur Hydrierung von Flüssigkeiten, wobei das Gas zunächst einem Flüssigkeitsstrom derart zugeführt wird, daß ein blasiges Gas-Flüssigkeitsgemisch entsteht, welches anschließend durch wenigstens einen Bereich mit gerichteter kapillarer Struktur hindurchgelei¬ tet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kapillarstrukturierte Bereich (1, 1', 1'', 1' ' ' , la, lb, lc, ld, le' , le'') zumindest an εeiner Oberfläche ein Material mit guter Absorptions- und Desorptionεfähig¬ keit für daε betreffende Gaε aufweiεt, und daß alternierend Prozeßbedingungen eingeεtellt werden, die eine Abεorption beziehungεweiεe Deεorption deε Gases bewirken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Tempera¬ tur- und/oder Druckwechεelabεorption in einem Reaktor mit Mitteln zur Beheizung bzw. Druckveränderung.
3. Verfahren nach Anεpruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß εich die benachbarten (beheizbaren) Bereiche (1, 1', 1'', 1"', la, lb, lc, ld, le' , le'') jeweils im entgegenge¬ setzt gerichteten Prozeßregim befinden, das heißt, wenn der eine beheizbare Bereich (1, 1', 1'', 1''', la, lb, lc, ld, le', le'') beheizt wird, dann werden die benachbarten Bereiche (1, 1', 1", 1'", la, lb, lc, ld, le', le'') gerade abgekühlt und umgekehrt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstenε zwei Reaktoren (3001, 300r) mit jeweils mehreren Absorptions-/Desorptionsb- ereichen (1, 1', 1'', 1''') parallel betrieben werden, wobei sich die Reaktoren (3001, 300r) jeweils im entgegenge¬ setzt gerichteten Prozeßregim befinden, das heißt, wenn sich zum Beispiel alle Bereiche (1, 1', 1'', 1''') des einen Reaktors (3001) in der Absorptionsphaεe befinden und begast werden, befinden sich alle Bereiche (1, 1', 1'', 1/ /') deε anderen Reaktorε (300r) in der Deεorptionεphase und werden entgast.
5. Anlage zur Feinεtverteilung eineε Gases in einer Flüεεig- keit, unter Verwendung eineε einen Strömungsweg bildenden rohrartigen Elements mit Einbauten mit gerichteter kapilla¬ rer Struktur, die von einem blasigen Gaε-Flüεεigkeitεge- misch durchstömt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindeεt ein Bereich (1, 1', 1'', 1''', la, lb, lc, ld, le', le'') der Oberfläche der kapillarεtrukturierten Einbauten ein Material mit guter Absorptions- und Desorpti¬ onsfähigkeit für das betreffende Gas aufweist, und daß Mittel (10a, 10b, 10c, lOd, 10e' , 10e'') vorgesehen sind, die bezüglich des Gases (zum Beispiel H2) alternierend Prozeßbedingungen zur Einstellung eines absorptiven bezie- hungsweise desorptiven Verhaltenε des kapillarstrukturier¬ ten Bereichs (1, 1', 1", 1"', la, lb, lc, ld, le' , le") ermöglichen.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strömungsweg der Flüssigkeit eine Zuführung für Wasser¬ stoff vorgesehen ist, und daß die Oberfläche wenigstens eines kapillarstrukturierte Bereich (1, 1', 1", 1//', la, lb, lc, ld, le', le") hinter dieser Zuführung in gleichmä¬ ßiger Verteilung ein Material mit guter Hydrierbarkeit beziehungsweise Dehydrierbarkeit aufweist, und daß Mittel (10a, 10b, 10c, lOd, 10e' , 10e") zur periodischen Erhit¬ zung dieses Bereichs (1, 1', 1", 1'", la, lb, lc, ld, le', le'') vorgesehen sind.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erhitzbaren Bereiche (1, 1', 1", 1'", la, lb, lc, ld, le', le") in Strömungsrichtung hintereinander innerhalb eines Reaktorgehäuseε angeordnet εind.
8. Anlage nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste erhitzbare Bereich (1) unmittelbar vor der katalytiεchen Reaktorpackung angeordnet iεt.
9. Anlage nach wenigεtenε einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzbare Bereich von zwei scheibenförmigen Elektroden (10e', lOe") mit gerichteter kapillarer Struktur gebildet ist, deren Strömungskanäle im Form kapillarer Spalten von einer Vielzahl aneinandergesta- pelter folienartiger Elemente (4a, 4b, 4c) begrenzt sind, wobei zum Fixieren der kapillaren Spalten wenigstens jedes zweite folienartige Element (4b, 4c) Profilierungen auf¬ weist.
10. Anlage nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen, zum Beispiel in Form von Materialwellungen, eine quer zur Längsachεe der folienartigen Elemente (4b) verlaufende Struktur aufweisen und daß ein folienartigeε Element - oder mehrere aneinandergestapelte folienartige Elemente (4a, 4b) gleichzeitig - zu einer Spirale (44a) gewickelt εind, εo daß die Spirale (44a) eine Vielzahl quer zur Spiralebene verlaufende kapillare Strömungεkanäle (Spalten 40a) bildet.
11. Anlage nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Elektroden (10e', lOe") eines beheizbaren Bereichs mit den Polen einer Wechεelεpannungεquelle in Verbindung εtehen, wobei die Wechεelεpannungεquelle ihrerεeitε mit einer Steuerungseinrichtung verbunden ist.
12. Anlage nach wenigstens einem der voranstehenden Anεprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwiεchen den Elektroden (10e', 10e") εelbst und den angrenzenden Reaktorpackungen elektrisch isolierende Abstandshalter (11, 12) angeordnet sind.
13. Anlage nach wenigεtenε einem der voranstehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor auε mehreren, die Reaktorpackungen (44, 44a) aufnehmenden Zwiεchenzargen (3) aufgebaut ist, zwischen denen die beheizbaren Bereich (1, 1', 1", 1'", la, lb, lc, ld, le', le") angeordnet sind, und daß die äußeren Zwischenzargen jeweilε von einem Lochboden (14) sowie einer Einauf- bzw. Auslaufzarge (31, 32) begrenzt sind.
14. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 6 biε 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem beheizbaren Bereich (la) eine Vorrichtung zur induktiven Beheizung (10a) als Energie¬ quelle zugeordnet ist.
15. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem beheizbaren Bereich (lb) eine Vorrichtung (10b) zur Erzeugung von Mikowellen als Energiequelle zugeordnet ist.
16. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem beheizbaren Bereich eine Widerεtandsheizung zugeordnet iεt.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der beheizbare Bereich (ld) elektrisch leitend und Bestand¬ teil der Widerεtandεheizung iεt, wobei der Heizstrom den Bereich zwischen zwei Polen durchfließt und aufgrund des ohmschen Widerεtands eine temperaturerhöhende Verluεtwärme erzeugt.
18. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizung alε Wasεererhitzer (Heizschlange 10c) auεgebildet und vor dem beheizbaren Bereich (lc) angeordnet iεt, so daß das erwärmte Wasser den Bereich (lc) beheizt.
19. Anlage nach wenigstenε einem der voranεtehenden Anεprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufzarge (31) des Reaktors (300) mit einem Waεεerelektrolyεeur (7) vom SPE-Typ in Verbindung εteht, der zur Begaεung deε zu behan¬ delnden Wassers mit Wasserstoff vorgesehen ist.
20. Anlage nach wenigstenε einem der voranεtehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Oberfläche der kapillaren Struktur des beheizbaren Bereichs (1, 1', 1", 1'", la, lb, lc, ld, le' , le") auε Nickel, Aluminium und/oder einem Metall der Platingruppe beεteht.
PCT/DE1996/002021 1995-10-27 1996-10-18 Verfahren zur feinstverteilung eines gases in einer flüssigkeit sowie anlage zur durchführung des verfahens WO1997015383A2 (de)

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