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Reaktionsgefäß für umlaufende Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht
sich auf solche Reaktionsgefäße, in denen eine Flüssigkeit infolge des durch die
Einführung eines Gases erzielten Dichteunterschieds umläuft.
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Derartige Reaktionsgefäße bestehen im wesentlichen aus zwei senkrechten,
am Kopf und am Boden verbundenen Zonen. Ein Gas, welches eines der Reaktionsmittel
darstellen kann oder auch nicht, wird in die Flüssigkeit in feindispergiertem Zustand
am Boden der einen dieser Zonen eingeführt. Die Einführung des Gases verursacht
einen Unterschied in der Dichte zwischen den Flüssigkeitsinhalten der zwei Zonen
mit dem Ergebnis, daß ein Umlauf stattfindet, wobei die Strömungsrichtung aufwärts
in der Zone, in welche das Gas eingeführt wird, und abwärts in der anderen Zone
ist. Im folgenden werden die Zonen als Zone der Aufwärtsströmung und als Zone der
Abwärtsströmung bezeichnet. Am Kopf des Reaktionsgefäßes trennt sich das Gas von
der Flüssigkeit und wird aus dem Reaktionsgefäß abgelassen.
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Durch den Umlauf des Gefäßinhaltes wird eine gute Wärmeübertragung
und Mischung der Reaktionsteilnehmer erzielt. Derartige Reaktionsgefäße können benutzt
werden, wenn die Anordnung mechanischer Rühnnittel unerwünscht ist, z. B. wenn das
Reaktionsgemisch korrodierend ist oder der Reaktor unter erhöhten Drücken betrieben
wird.
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Bei den meisten derartigen Reaktionsgefäßen findet eine unvollständige
Trennung von Gas und Flüssigkeit am Kopf des Reaktionsgefäßes statt, so daß Gasblasen
mit nach unten in die Zone der Abwärtsströmung getragen werden. Infolgedessen ist
der Unterschied in der Dichte zwischen den flüssigen Inhalten der zwei Zonen nur
klein, und eine hohe Umlaufgeschwindigkeit wird nicht erzielt.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, ein derartiges Reaktionsgefäß zu schaffen,
worin die Trennung des Gases von der Flüssigkeit am Kopf des Reaktionsgefäßes verbessert
ist und worin wesentlich erhöhte Umlaufgeschwindigkeiten erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Trennwand einen oder mehrere von ihrem oberen Rand ausgehende senkrechte Schlitze
aufweist, hinter dem bzw. denen senkrechte Prallflächen liegen, die derart angeordnet
und ausgestaltet sind, daß die Flüssigkeit in eine waagerechte Strömung abgelenkt
wird, bevor das Abwärtsströmen beginnt.
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Dabei kann der Strömungswiderstand der Schlitze 50 bis 80°/o des
Gesamtströmungswiderstandes des Flüssigkeitsumlaufweges betragen. Die Trennwand
kann eben und so angeordnet sein, daß sie im Quer-
schnitt als Kreissehne erscheint.
Die Trennwand kann auch ein konzentrisch im Reaktionsgefäß angeordnetes Rohr sein,
das am oberen Ende Schlitze und dahinter angebrachte Prallfiächen aufweist.
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Offensichtlich würde die Einführung von großen Widerständen auf dem
Strömungsweg durch die Schlitze dazu führen, wenn die anderen Faktoren gleich bleiben,
die Strömung zu verringern. Die Größe der Schlitze muß darum so eingerichtet werden,
daß, während sie einen hohen Grad von Entlüftung ergeben, sie nicht einen Reibungswiderstand
für die Strömung herbeiführen, welcher außergewöhnlich groß im Verhältnis zu den
anderen Widerständen gegen die Strömung ist, wie sie an der Oberfläche innerhalb
des Gefäßes und aus Geschwindigkeitsdruckverlusten infolge Richtungswechsel entstehen.
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Es ist eine überraschende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Konstruktion,
daß der Widerstand, welcher durch die Schlitze hervorgerufen wird, mehrere Male
größer sein kann als derjenige, welcher aus allen anderen Faktoren längs des Strömungsweges
entsteht und dennoch zu einer Vergrößerung des Flüssigkeitsumlaufes führt.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert,
welche darstellen in Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung
in Verbindung mit einem Reaktor von verhältnismäßig kleinem Durchmesser, das ist
von etwa 30 cm,
Fig. 2 und 3 einen senkrechten Schnitt entlang der
Linie II-II von Fig. 1 und einen abgesetzten Schnitt entlang der Linie II 1-111
von Fig. 1, Fig. 4 eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungs form der Erfindung
in Verbindung mit einem Reaktor von verhältnismäßig großem Durchmesser, z. B. etwa
60 bis 600 cm, Fig. 5 einen seitlichen Aufriß dieser Ausführungsform, an der Spitze
weggeschnitten, Fig. 6 einen vergrößerten waagerechten Schnitt nach Linie VI-VI
von Fig. 5.
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Die Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 besteht aus einem rohrförmigen
Reaktor 1, unterteilt in eine Zone der Aufwärtsströmung2 und eine Zone der Abwärtsströmung
3 mittels einer Trennwand 4. Gasverteiler 5 sind am Boden der Zone 2 für die Einführung
eines Gases vorgesehen, und ein Gasauslaß 6 ist am Kopf des Reaktionsgefäßes angeordnet.
Das Reaktionsgefäß ist auch mit Ein- und Auslaß 20 für die Flüssigkeit versehen.
Die Trennwand 4 enthält einen senkrechten Schlitz 7. Im Betrieb wird die wirksame
Fläche des Schlitzes 7, welche durch die Breite des Schlitzes und durch die Höhe
der Flüssigkeit während des Umlaufs in Zone 2 über dem Boden des Schlitzes bestimmt
ist, so geregelt, daß der Widerstand des Schlitzes gegen die Strömung im wesentlichen
nicht mehr als 80 °/o des gesamten theoretischen Widerstandes gegen die Strömung
in dem Reaktionsgefäß ist, und zwar durch eine entsprechende Füllung des Gefäßes
mit Flüssigkeit und durch Einstellen der Geschwindigkeit des durch VerteilerS eingeführten
Gasstromes. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die innere Wand des Gefäßes bei 8
das Ablenken der Flüssigkeit in die waagerechte Ebene. Infolge des Aufpralls auf
die Wand 8 wird die flüssige Phase in der Richtung des Pfeils in Fig. 1 abgelenkt
und strömt in waagerechter Richtung, bevor das Abwärtsströmen der Flüssigkeit beginnt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 besteht aus einem rohrförmigen
Reaktor 9, unterteilt in eine Zone für Aufwärtsströmung 10 und eine Zone für Abwärts
strömung 11 mittels einer rohrförmigen Trennwand 12, welche innerhalb des Reaktors
in beliebiger Weise abgestützt sein kann. Ein Gasverteiler 13 ist am Boden der Zone
10 für das Einführen eines Gases und ein Auslaß 14 am Kopf des Reaktionsgefäßes
für das Abziehen des Gases vorgesehen. Das Reaktionsgefäß ist auch mit einem Ein-
und Auslaß 21 für die flüssige Phase ausgerüstet. Am oberen Ende der rohrförmigen
Trennwand 12 ist ein Labyrinth 15 aus sechs Prellplatten angebracht, die von der
Achse des Labyrinths radial ausgehen, welches auch die Achse der rohrförmigen Trennwand
12 ist. Jede Prellplatte besteht aus drei Abschnitten, einem radialen Abschnitt
16, einem Sehnen abschnitt 17 und einem Kreisabschnitt 18. Der senkrechte äußere
Rand jeder Prellplatte begrenzt einen senkrechten Schlitz 19 mit der benachbarten
Prellplatte. Beim Eintreten in das Labyrinth durch die Schlitze wird die Flüssigkeit
in der Richtung des Pfeils (Fig. 6) abgelenkt und strömt waagerecht in dieser Richtung,
bevor das Abwärtsströmen beginnt.
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Beim Betrieb werden die vereinten wirksamen Flächen der Schlitze
19, welche durch die Breite der Schlitze und durch die Höhe der Flüssigkeit in Zone
10 über die Spitze der Trennwand 12 während des
Umlaufs bestimmt werden, so geregelt,
daß der gesamte Widerstand der Schlitze gegen die Strömung nicht mehr als 80 /o
des gesamten theoretischen Widerstandes gegen die Strömung in dem Reaktionsgefäß
ist.
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Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen können in
mancher Hinsicht abgeändert werden, ohne aus dem Bereich der Erfindung herauszukommen.
So besteht das Labyrinth der Fig. 4 bis 6 vorzugsweise aus sechs Prellplatten, es
könnte aber auch eine kleinere oder größere Anzahl gewünschtenfalls enthalten. In
gleicher Weise könnten die Prellplatten in Uhrzeigerrichtung von der Mitte abgebogen
sein statt in der entgegengesetzten Richtung, wie in Fig. 4 und 6 gezeigt, und sie
können auch gekrümmt anstatt winklig sein.
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Die mit dem Reaktionsgefäß der Erfindung erzielte Wirkung wird ferner
noch unter Bezugnahme auf die folgenden vergleichenden Beispiele erläutert.
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Beispiel 1 Ein rohrförmiger Reaktor von der in Fig. 1 bis 3 gezeigten
Art mit einem Durchmesser von 28 cm und einer Höhe von etwa 660 cm ist in eine Zone
der Aufwärtsströmung und eine Zone der Abwärtsströmung durch eine Trennwand unterteilt,
welche eine Sehne des Querschnitts des Reaktors einnimmt, wobei die Querschnittsfläche
der Zone der Abwärtsströmung etwa 18 0/o der gesamten inneren Querschnittsfläche
des Reaktors darstellt. Die Breite der Trennwand beträgt 24 cm. In der Trennwand
war oben, nahe an der Reaktorwand ein senkrechter Schlitz von etwa 5 cm Breite angeordnet.
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Umlaufgeschwindigkeiten in dem Reaktor wurden unter Verwendung von
Strömungsmessern mit Wasser als Flüssigkeit und Luft als Gas bei Atmosphärendruck
und Raumtemperatur gemessen. Luft wurde in dispergiertem Zustand in den Boden der
Zone der Aufwärtsströmung mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,71 cbm pro Stunde
eingeführt, wobei das Niveau der flüssigen Phase etwa 25,4 cm oberhalb der Basis
des Schlitzes war. Unter diesen Bedingungen wurden Umlaufgeschwindigkeiten von etwa
19 600 kg pro Stunde erhalten.
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Im Vergleich mit diesem Reaktor gemäß der Erfindung war, wenn der
Schlitz entfernt wurde, bei gleicher Luftzuführung die Umlaufgeschwindigkeit nur
etwa 10 000 bis 10 400 kg pro Stunde. In diesem Fall war das Niveau der flüssigen
Phase wiederum etwa 25,4 cm oberhalb der Trennwand während des Umlaufs.
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Beispiel 2 Der rohrförmige Reaktor war gleich dem im Beispiel 1 beschriebenen,
außer daß die Trennwand so gelegen war, daß die Querschnittsfläche der Zone der
Abwärts strömung etwa 8 <>/ der gesamten inneren Querschnittsfläche des Reaktors
ausmachte. Die Breite der Trennwand war 19 cm, und es war ein Schlitz von 3,5 cm
Breite in der Trennwand an der Reaktorwand vorhanden. Dispergierte Luft wurde mit
einer Geschwindigkeit von etwa 0,71 cbm pro Stunde in den Boden der Zone der Aufwärts
strömung eingeführt, wobei das Niveau der flüssigen Phase in dem Reaktor etwa 25,4
cm über der Basis des Schlitzes war. Die flüssige Phase lief in dem Reaktor mit
einer Geschwindigkeit von etwa 10000kg pro Stunde um.
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Nach Entfernen des Schlitzes, so daß die flüssige Phase über die
Spitze der Trennwand überströmte, war die Umlaufgeschwindigkeit nur etwa 7200 kg
pro Stunde für die gleiche Luftzuführgeschwindigkeit. In diesem Fall wurde das Niveau
der flüssigen Phase wiederum auf etwa 25,4 cm über der Spitze der Trennwand aufrechterhalten.
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Beispiel 3 Ein rohrförmiger Reaktor, von der Art wie in Fig. 4 bis
6 gezeigt, hatte eine Höhe von 540 cm und einen inneren Durchmesser von 210 cm.
Die Zone der Abwärtsströmung wurde durch ein mittleres zylindrisches Rohr, 390cm
hoch und von 69 cm innerem Durchmesser, gebildet. Es nahm 108/o der gesamten Querschnittsfläche
des Reaktors ein. An der Spitze des mittleren zylindrischen Rohrs wurde ein Labyrinth
aufgesetzt, wie in Fig. 6 mit sechs senkrechten Schlitzen, jeder 11,5 cm breit.
Bei einer Luftzuführung am Boden der Zone der Aufwärtsströmung zwischen etwa 280
und 560 cbm pro Stunde, wobei die Tiefe der Flüssigkeit (Wasser) über der Basis
der Schlitze in dem Labyrinth 38 cm war, wurden Umlaufgeschwindigkeiten zwischen
540000 und 780 000 kg pro Stunde erhalten. Wenn die Tiefe der Flüssigkeitsphase
über der Basis der Schlitze in dem Labyrinth auf 64 cm vergrößert und die Luftzuführung
auf 560 cbm pro Stunde gehalten wurde, ergab sich eine Umlaufgeschwindigkeit von
1000000 kg pro Stunde.
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Zum Vergleich mit dem Reaktor gemäß der Erfindung wurde das Labyrinth
entfernt; bei einerLuftzuführung von 560 cbm pro Stunde und einem
Niveau der flüssigen
Phase von etwa 38 cm über dem mittleren zylindrischen Rohr war die Umlauf geschwindigkeit
nur 230 000 kg pro Stunde.