DE3331993C2 - - Google Patents

Description

Viele (bio-)chemische Reaktionen und verfahrenstechnische Grundoperationen werden in Gas-Liquid-Systemen (G-L-Systemen) durchgeführt. Das Gas ist in der Regel in möglichst kleine Blasen zerteilt (dispergiert), um große G-L-Phasengrenzfläche für die Stoffübertragung zwischen G- und L-Phase zu schaffen. Dabei kann es sich um den Eintrag einer Gaskomponente (z. B. O₂) von der G- in die L-Phase, um den Austrag einer Gaskomponente (z. B. CO₂) aus der L- in die G-Phase oder auch um den Übergang von Staubpartikeln aus der G- in die L-Phase (z. B. bei Gas-Naßwäschern) handeln. Blenke, H.: Loop Reactors; Advances in Biochemical Engineering. Springer-Verlag, Bd. 13 (1979) 121-214.

Je nach Gehalt an grenzflächenaktiven Substanzen (Tensiden) bildet sich an freien Oberflächen der G-L-Systeme beim Gasaustritt Schaum. Das kann erwünscht sein, wenn z. B. suspendierte Partikel aus der L-Phase ausgetragen werden sollen nach dem Prinzip der Flotation. Zlokarnik, M.: Neue Wege bei der flotativen Aufbereitung und Abwasserreinigung in der chemischen Industrie. CIT 53 (1981) Nr. 8, 600-606. In den meisten Fällen ist die Schaumbildung jedoch unerwünscht, oft sogar sehr nachteilig; denn im Schaum stellen sich völlig andere Bedingungen ein als im G-L- System. So kann z. B. bei Bioreaktoren unzureichende Substratversorgung aerober Mikroorganismen in den Lamellen auftreten; oder bei Chemiereaktoren können suspendierte Reaktanden, Katalysatoren oder Adsorbentien im stagnierenden Schaum festgehalten werden. In jedem Fall bilden sich im Schaum andere Stoffverteilungen und es finden andere physikalisch-chemische Vorgänge statt als unter den im G-L-System eingestellten Betriebsbedingungen. Hinzu kommt, daß der von Schaum erfüllte Raum dem G-L-System und damit den gewollten verfahrenstechnischen Vorgängen entzogen wird.

Bisher erfolgte die Bekämpfung des Schaums entweder durch mechanische Schaumzerstörer, die aber Wellendurchführungen erfordern (Giftigkeit, Explosionsgefahr, Sterilität) oder durch Zusatz chemischer Antischaummittel, die sich aber auf die Phasengrenzflächenbildung im G-L-System und auch auf die (bio-)chemischen Vorgänge ungünstig auswirken können.

Es ist ferner bekannt, zur Gasabscheidung aus G-L-Systemen Schwerkraftabscheider oder Zyklonabscheider zu verwenden.

Schwerkraftabscheider bewirken im Gravitationskraftfeld nur weitgehende Entgasung bei sehr kleinen abwärts gerichteten L-Geschwindigkeiten, wie z. B. Fig. 1 zeigt Muschelknautz, E.: Zyklone als Blasenabscheider; Verfahrenstechnisches Kolloquium für Prof. Dr.-Ing. H. Blenke (1980); herausgegeben von Universität Stuttgart, Institut für Chemische Verfahrenstechnik. Allerdings führen sie nur zu geringen Druckverlusten.

Zyklonabscheider gemäß Fig. 2 erreichen unter der Wirkung eines Zentrifugalkraftfeldes, das in der Regel mindestens 50mal stärker ist als das Gravitationskraftfeld - oft auch noch verstärkt im Fallrohr F (auch "Drallrohr" genannt) - eine wesentlich bessere Entgasung. Infolge der großen Dichtedifferenz werden dabei die Gasblasen B mit der Relativgeschwindigkeit w_r in der Drallströmung nach innen und oben gedrängt. Auf diese Weise werden beispielsweise aus wässerigen Systemen Gasblasen mit Durchmessern d_B≈0,15 bis 0,3 mm praktisch vollständig abgeschieden bei Druckverlusten von Δp≈0,025 bis 0,05 bar.

Bisher ist es üblich, Zyklonabscheider zur Entgasung von G-L- Systemen gemäß Fig. 3 anzuordnen. Hier tritt von dem unten zugeführten Gasstrom 1 bei Reaktor R 1 der Gasstrom 2 aus, und zwar teils über die freie Oberfläche O im Reaktor, teils aus dem Zyklon Z. Dieser soll restliche Gasblasen aus dem abgehenden Liquidstrom 2 austreiben. Aufgabe des Zyklons ist dabei eindeutig verbesserte Gasabscheidung, nicht aber Verhütung von Schaumbildung. Sollte nämlich das System zum Schäumen neigen, so könnte sich Schaum ungehindert an der freien Oberfläche O im Reaktor bilden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist hingegen, Entgasungen von G-L-Systemen so durchzuführen, daß dabei kein Schaum entstehen kann. Das Prinzip dieses Verfahrens und der zu seiner Durchführung geeigneten Vorrichtung wird anhand von Fig. 4 beschrieben. Die (bio-)chemische Reaktion oder verfahrenstechnische Operation in einem G-L-System, das auch suspendierte Partikel oder sonstige disperse Phasen enthalten kann, findet hier als Beispiel in einem Schlaufenreaktor R statt. Er besteht aus dem zylindrischen Mantel 1 mit beliebig geformtem Boden 2 und einem konischen Kopf 3, der sich nach oben zum Austrittsstutzen 4 hin verengt. Im Schlaufenreaktor R befindet sich ein konzentrisches Leitrohr 5, um das ein Umlauf - insbesondere der L-Phase - stattfindet. Blenke, H.: Loop Reactors; Advances in Biochemical Engineering. Springer-Verlag, Bd. 13 (1979) 121-214.

Dieser Umlauf wird bewirkt durch Einblasen des Gasstromes 1 über die G-Düse 6 am Boden des Reaktors hier in den Innenraum (Gaslift-Antrieb), und/oder durch Injizieren des Liquidstroms 1 über die L-Düse 7 mit hoher Geschwindigkeit von w_L1≳20 m/s (Strahlantrieb) und/oder durch einen (hier nicht dargestellten) axialfördernden Rührer im Innenraum (Propellerantrieb). Die Antriebsarten können variiert werden z. B. durch Einblasen des Gases unten in den äußeren Ringraum oder Injizieren des L-Strahls von oben nach unten in den Innenraum; sie können aber auch miteinander kombiniert werden.

Entscheidend ist, daß der Reaktor voll erfüllt ist vom G-L- System, in ihm also keine freie Oberfläche vorhanden ist. Aus dem Reaktor R wird der G-L-Strom, bestehend aus 2+ 2 über den Austrittsstutzen 4 und eine vorzugsweise ansteigende Leitung 8 dem Zyklon Z (oder auch mehreren parallel geschalteten Zyklonen) zugeför­ dert.

Im Zyklon Z - und gegebenenfalls auch noch im Fallrohr F - bildet sich die einzige freie Oberfläche O des G-L-Systems in der gesamten Anlage, über die allein der Gasstrom 2 austreten kann, und zwar unter der Wirkung eines Zentrifugalkraftfeldes. Dieses kann erzeugt werden durch Tangentialeinlauf des G-L-Systems in den Zyklon, gegebenenfalls verstärkt durch Tangentialzufuhr eines schnellen L-Stroms, und/oder durch einen schnellaufenden mechanischen Rührer im Zyklon. In jedem Fall darf Gasaustritt aus dem G-L-System nur unter Einwirkung von Zentrifugalkraftfeldern stattfinden.

Bläht austretendes Gas eine Flüssigkeitslamelle auf, so wird diese durch Zentrifugal- und Scherkräfte der Drallströmung in statu nascendi wieder zerstört und in das rotierende G-L-System zurückgedrückt. Es kann sich also kein Schaum bilden oder gar aufbauen.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise ermöglicht aber auch z. B. in Verbindung mit einem "Entgasungskopf" K gemäß Fig. 5 den Gasstrom _r, der von dem abwärts gerichteten L-Strom _r in den Ringraum des Schlaufenreaktors R eingezogen wird, zu verringern und zugleich den Gasaustrag aus dem G-L-System im Zyklon Z wie zuvor ohne Schaumbildung durchzuführen.

Entsprechend läßt sich die erfindungsgemäße Betriebsweise verbinden mit allen Apparaturtypen, in denen G-L-Systeme behandelt werden, wie Begasungsrührkessel, Blasensäulen, modifizierte Schlaufenreaktoren, z. B. gemäß Fig. 6. Hier wird in einem rechteckigen Schlaufenreaktorteil SR nur der Liquidstrom 3 rezirkuliert, während der Gasstrom 3 in einem nachgeschalteten Blasensäulenteil BS aufsteigt. Das am Kopf des SR-Teils austretende G-L-Gemisch 4+ 4 wird, z. B. mit einer G-L- Pumpe, dem BS-Teil unten zugeführt. Am Kopf des BS-Teils verläßt das Gemisch _ab+_ab den voll vom G-L-System erfüllten Reaktor SR+BS über den Zyklon Z. Hier besteht unter starkem Zentrifugalkraftfeld die einzige freie Oberfläche des Systems, an der ohne Schaumbildung - wie zuvor erläutert - _ab und _ab voneinander getrennt werden. Ein Teilstrom _r kann ggf. rezirkuliert und mit 1 dem SR wieder zugeführt werden, z. B. um eine erforderliche L-Strahlleistung für Dispergierung und Umwälzung einzubringen, wie das z. B. die G-L-Düse in Bild 4 und 5 zeigt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verhütung von Schaumbildung bei der Entgasung von Gas(G)-Liquid(L)- Systemen, dadurch gekennzeichnet, daß bei vollständig gefüllter Apparatur freie Oberfläche ausschließlich im Bereich hoher Scher- und Zentrifugalkräfte im Entgasungszyklon entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrifugalkraftfeld auch hydro- und/oder aerodynamische Kräfte und/oder mechanische Kräfte auf die Oberfläche des G-L-Systems einwirken.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bestehend, aus einer Apparatur in Kombination mit mindestens einem Zyklon mit tangentialem Einlauf für das G-L-System, gegebenenfalls verstärkt durch Tangentialzufuhr mindestens eines schnellen L-Stroms und/oder durch eine schnellaufende mechanische Rühreinrichtung im Zyklon.