DE69505081T2

DE69505081T2 - Verbesserte Gasregelung in Gas-Flüssigkeit-Systemen

Info

Publication number: DE69505081T2
Application number: DE69505081T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Paul Newburgh Kingsley (12530) New York
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2015-08-08
Also published as: CN1124176A; DE69505081D1; ES2123878T3; JP3177129B2; CN1085104C; EP0704238B1; US5451349A; BR9503571A; KR960006990A; CA2155599C; EP0704238A1; CA2155599A1; KR100225199B1; JPH0857283A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten. Genauer bezieht sie sich auf die Einschließung und das Entweichen von Gasen während den Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgängen.

Beschreibung des Stands der Technik

Eine große Vielzahl von Verfahren und Systemen sind beim Stand der Technik für das Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten bekannt. So sind auch Umrührtankreaktoren einschließlich des "Advanced Gas Reactor"-Systems (AGR) aus US-A-4 454 077, Litz, für derartige Vermischungsvorgänge verwendet worden.
Jedoch ist es in einigen Fällen wie z. B. bei der Oxidation organischer Flüssigkeiten, notwendig, zu verhindern, daß sich ein potentiell explosives oder entflammbares Dampf-Gasphasengemisch in der Überkopfgasphase entwickelt. Zu diesem Zweck werden Oxidationsreaktionen ausgeführt, um zu verhindern, daß der Sauerstoff in der Gasphase die untere Entflammbarkeitsgrenze eines spezifischen Vorgangs nicht überschreitet. In anderen Fällen kann es notwendig oder erwünscht sein, eine nicht-oxidierende Operation, beispielsweise eine Hydrierung, Chlorinierung oder andere Gas/Flüssigkeits-Vermischungsreaktionen auszuführen, um den Gasverlust zu der Überkopfgasphase zu minimieren. Für solche Zwecke wurde ein sogenanntes "Liquid Organic Reactor"-(LOR)-Verfahren und -system, wie in US-A- 4 900 480, Litz et al. beschrieben und beansprucht, entwickelt. Das LOR-Verfahren und -System ermöglicht das Vermischen von Gasen und Flüssigkeiten zwecks Auflösung, Reaktionsvorgängen oder anderer Vermischungszwecke ohne einen nennenswerten Gasverlust zu der Überkopfgasphase.
Der LOR-Ansatz verwendet in seiner gängigsten Ausführungsform ein Vermischungslaufrad und ein Saugrohr, die jeweils zur Dispersion und Zirkulation von Sauerstoffblasen in der Flüssigphase angeordnet sind. Bei Verwendung der Blasen für eine sichere Reaktion von gasförmigem Sauerstoff mit entflammbaren Flüssigkeiten enthalten diese ein Gemisch aus dem Sauerstoff, dem entflammbaren organischen Dampf und Nebenproduktgasen. Wird das Gas in der Form kleiner Blasen durch die Flüssigphase dispergiert, wird die mit dem Sauerstoff und dem organischen Gasgemisch verbundene Entflammbarkeitsgefährdung zum einen durch die Wärmekapazität der Umgebungsflüssigkeit abgemildert, welche die Reaktionswärme im Falle einer Blasenzündung absorbiert, und zum anderen, weil sich die Flamme von einer einzigen Blase nicht durch die Flüssigphase fortpflanzen kann.
In dem wie in US-A-4 900 480 beschriebenen LOR-System wird eine umgewälzte Flüssigkeitsreaktionszone von einer in Kontakt mit der Überkopfgasphase stehenden ruhigen Zone getrennt, aber verbleibt mit dieser in Fluidverbindung, wie typischerweise in der Fig. 1 dieses Patents dargestellt. Eine Leitwand zwischen den Zonen dient dazu, die von der Flüssigkeit in der umgewälzten Flüssigkeitszone mitgeführten Gasblasen im wesentlichen daran zu hindern, aufgrund ihres Auftriebs von der Flüssigkeit zu entwei chen, und sicherzustellen, daß die Blasen mit der Flüssigkeit umgewälzt und effizient durch die Reaktion verbraucht werden. Jegliche Gasblasen, die von der umgewälzten Flüssigkeitszone unter der Leitwand entweichen und nach oben durch die ruhige Zone strömen, werden in dem Gasraum über der ruhigen Zone aufgesammelt und dort durch das Hinzufügen von inertem Gas in diesem Gasraum nichtentflammbar gemacht.
Für LOR-Systeme in einer Laborgröße, z. B. 3,791 (1 Gallone), ist eine flache Leitwand über dem Saugrohr angeordnet, um den umgewälzten Teil des Körpers einer Flüssigkeit von der ruhigen Zone abzutrennen, während die Fluidverbindung zwischen diesen aufrechterhalten wird. Die Leitwand fungiert zum Hinführen von unreagiertem Gas in die Laufradansaugung, wo es zusammen mit der Flüssigphase von dem Vermischungslaufrad wieder dispergiert und umgewälzt wird. Implizit muß eine hohe Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit in dem oberen Teil des Reaktionsbehälters und der Saugrohr/Laufradansaugung vorliegen, da die LOR-Einheit relativ klein ausfällt, der Durchmesser des Saugrohrs relativ zu dem Durchmesser des Behälters in den typischen Laborausführungsformem des LOR- Systems jedoch groß ist. Der Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrom dient dazu, die Gasblasen schneller in das Saugrohr zu ziehen und damit den Auftriebseffekten, die ein Ansammeln solcher Gasblasen an der Unterseite der Leitwand oder eine Blasenströmung in die ruhige Zone bewirken, zuvorzukommen. Zusätzlich wird jedes Gas, welches die Unterseite der Leitwand erreicht, durch die umgewälzte Flüssigkeit in das Saugrohr gezogen, wo, es, nachdem es in diesem nach unten geströmt ist, dispergiert wird, bevor es eine Blase in einer gefährlichen Größe ausbilden kann.
Bei LOR-Systemen in größeren kommerziellen Abmessungen funktioniert die typische flache Leitwand zur Vermeidung des Ausbildens von Gastaschen unter der Leitwand nicht so zufriendstellend wie bei LOR-Systemen in Laborgröße. Des öfteren existieren hier Bereiche mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, oder tote Zonen, in dem oberen Teil der umgewälzten Flüssigkeitszone unter der Leitwand, wodurch die Fähigkeit des Systems zur Beibehaltung des erwünschten Gasdispersionspegels herabgesetzt wird. Somit werden die Fähigkeit der Strömung der umgewälzten Flüssigkeit, ein Ansammeln von Gas in Taschen an der Unterseite der Leitwand zu vermeiden, und die Fähigkeit des Flüssigkeitsstroms, sämtliches Gas von der Unterseite der Leitwand zu entfernen, wenn sich das Gas dort einmal angesammelt hat, in größer dimensionierten LOR-Systemen deutlich abgesenkt. Da die radiale Strömungsgeschwindigkeit mit dem Radialabstand von dem in dem Reaktionsbehälter zentrierten Saugrohr abnimmt, und da die absoluten Abstände eine Funktion der Abmessung sind, nimmt das Problem der toten Zonen unter der Leitwand und folglich die Möglichkeit des Ausbildens gefährlicher Gastaschen mit dem Abmessungen des Systems zu, wenn eine flache Leitwand zur Abtrennung des umgewälzten Teils eines Körpers einer Flüssigkeit von dem ruhigen Bereich dieses Flüssigkeitskörpers in einem LOR-System verwendet wird.
In größeren LOR-Systemen ist die Pumprate an der Laufradspitze am höchsten und nahe der Laufradwelle am niedrigsten. Somit wird eine tote Zone in der Nähe der Saugrohrmitte, an der das Laufrad angeordnet ist, ausgebildet, und namentlich dort, wo die nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit nicht hoch genug ausfällt, um das Gas nach unten durch das Saugrohr zu ziehen. Infolgedessen neigt das Gas zur Ansammlung an der Unterseite der Leitwand in der toten Zone. Dies ist jedoch unerwünscht, weil es zur Ausbildung einer entflammbaren Blase von gefährlicher Größe in dem Reaktionsbehälter führen kann.
Es ist vorgeschlagen worden, eine solche Ausbildung großer entflammbarer Gasblasen unter der Leitwand einfach dadurch zu vermeiden, daß eine poröse Leitwand verwendet wird, was ermöglichen würde, daß sämtliches Gas, das sich andernfalls entlang der Unterseite der flachen Leitwand ansammeln würde, über die Leitwand zu der ruhigen Zone hin entlüftet und von dort in den Inertgasraum über der Leitwand entlüftet werden könnte. Allerdings würde sich ein derartiger Ansatz als ineffizient erweisen, da das unter der Leitwand entweichende Reaktionsgas wie beispielsweise Sauerstoff, Wasserstoff oder Chlor verschwendet werden und im Fall von Sauerstoff zu einem entflammbaren oder explosiven Zustand in dem Gasraum führen würde, solange ihm keine geeignete Menge an Stickstoff oder einem anderen inerten Gas zugeführt werden würde.
In bestimmten Fällen und insbesondere dann, wenn keine geeignete Gasdispersion in der Flüssigkeit aufrechterhalten werden kann, kann sich die Verwendung einer derartigen porösen flachen Leitwand dennoch als nützlich oder als notwendig erweisen, weil das angesammelte Gas über die Leitwand zu dem Inertgasraum entlüftet werden muß, um die Ausbildung einer entflammbaren Gastasche in dem Reaktionsbehälter zu verhindern. Diese wäre beispielsweise unter gestörten Zuständen der Fall, wenn in den Reaktionsbehälter zu viel Sauerstoff eingespeist werden würde, oder in dem Fall, wenn der Laufradantrieb ausfiele, und es erwünscht wäre, den Austritt des Gases zu dem inerten Überkopfgasraum zu ermöglichen, weil das Gas, z. B. Sauerstoff, nicht in einer dispergierten Phase in dem Körper einer Flüssigkeit in der Reaktionszone beibehalten werden kann.
Beim Stand der Technik besteht daher Bedarf nach der Bereitstellung eines LOR-Systems zur effektiven Aufnahme von Gas während des normalen Systembetriebs, daß die Ausbildung der Ansammlung gefährlicher Gasblasen und deren Anwachsen in der umgewälzten Flüssigkeitszone vermieden werden. Ein solches LOR-System muß fortgesetzt für eine effiziente Verwendung des Einsatzgases während des normalen Betriebs sorgen und sollte eine sichere Entlüftung des Gases aus der Flüssigphase in dem Fall gestatten, wenn die Anordnung zur Aufrechterhaltung der erwünschten Gasdispersion unterbrochen wird oder ausfällt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines verbesserten LOR-Systems.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines LOR-Systems zur Erweiterung der Dispersion von Einsatzgas in der Flüssigphase unter normalen Betriebsbedingungen, um eine im wesentlichen vollständige Reaktion von Gas und Flüssigkeit zu bewerkstelligen und um die Ausbildung jeglicher großer entflammbarer Gasblasen oder Gastaschen in dem Reaktionsbehälter auszuschließen.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines LOR-Systems, das es gestattet, daß das Einsatzgas in einen inerten Überkopfgasraum entweichen kann, wenn gestörte Zustände auftreten und es nicht möglich ist, das Einsatzgas als eine dispergierte Phase in dem Körper einer Flüssigkeit in einem Reaktionsbehälter aufrechtzuerhalten.
Bezüglich dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden ausführlich beschrieben werden, wobei deren neue Merkmale in den beiliegenden Ansprüchen herausgearbeitet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein LOR-System wird mit geneigten inneren und äußeren konischen Leitwänden über dem Saugrohr und einem Flüssigkeitsumwälzungsstrommuster betrieben, um den Flüssigkeitsstrom und das dispergierte Gas mit einer minimalen Gasansammlung unter der Leitwand zu einer Laufradansaugung hin zu richten, um die tote Zone nahe der Laufradwelle zu beseitigen und um das Entlüften von Gas zu einem inerten Gasraum über der ruhigen Zone während gestörter Zustände zu erleichtern, während in normalen Betriebszeiträumen die Überleitung von Gas in den Gasraum minimiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben werden, die eine schematische Seitenansicht eines eine Ausführungsform der Erfindung darstellenden LOR- Systems ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden durch das Betreiben eines LOR-Systems bewerkstelligt, welches ausgelegt ist, (1) eine Hochgeschwindigkeits-Strömung über den Durchmesser des Saugrohrs in der Laufradansaugzone aufrechtzuerhalten, wodurch eine tote Zone in der Mitte des Saugrohrs ausgeschlossen wird; (2) die Gasströmung durch den Gasabzug während normaler Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgänge zu minimieren; (3) die Strömung eines großen Gasvolumens durch den Gasabzug zu ermöglichen, wenn der umgewälzte Flüssigkeitsstrom in dem Reaktionsbehälter reduziert oder angehalten wird; und (4) tote Zonen in dem oberen Bereich des Reaktionsbehälters unter der Leitwand, die den umgewälzten Teil des Körpers einer Flüssigkeit in dem Reaktionsbehälter von der ruhigen Zone abtrennt, zu eliminieren. Die Erfindung bezieht sich somit auf in dem Betrieb der hocherwünschten LOR-Verfahren und -Systeme auftretende praktische Betriebsprobleme, wodurch die LOR-Technologie bezüglich des Einsatzes in einer großen Vielzahl bedeutender industrieller Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgänge einfacher handhabbar und vorteilhafter ausfällt.
Das Wesen der Erfindung beruht auf der Verwendung geneigter innerer und äußerer konischer Leitwände, einhergehend mit der Anpassung des Flüssigkkeitsströmungsfeldes in der Laufradansaugung, damit diese erwünschten Vorteile erzielt werden können. Erstens ist die innere konische Leitwand derart aufgebaut, daß ein Hochgeschwindigkeits-Strömungsfeld über den Durchmesser des Saugrohrs in der Laufradansaugzone aufrechterhalten wird. Die Neigung zu der Laufradwelle hin beseitigt auf effektive Weise die tote Zone in der Mitte des Saugrohrs. Somit wird ein nach unten gerichteter Flüssigkeitsstrom mit einer ausreichenden Geschwindigkeit über den Durchmesser des Saugrohrs beibehalten, um das Gas in das Saugrohr hinunterzuziehen. Zweitens ist der Gasabzug derart angeordnet, daß, wie oben erwähnt, die hindurchfließende Gasströmung während des normalen Betriebs, d. h. unter normalen Flüssigkeitsströmungszuständen, minimiert und es zugleich ermöglicht wird, daß ein großes Gasvolumen hindurchströmen kann, wenn der Flüssigkeitsstrom reduziert oder angehalten wird. Und drittens verhindert die Neigung der äußeren konischen Leitwand die Gasansammlung unter der Leitwand. Auf die Unterseite der äußeren Leitwand auftreffendes Gas wird mittels der Auftriebseffekte in die Laufradansaugzone unter der inneren Leitwand gerichtet, wodurch tote Zonen außerhalb des Saugrohrs beseitigt werden.
Mit Bezug auf die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Erfindung weist ein durch das Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Körper einer Flüssigkeit, der in einem Reaktionsbehälter 2 enthalten ist, einen Hauptbereich 3 auf, der durch die nachfolgend beschriebene Leitwandanordnung von einem relativ ruhigen Bereich 4, der eine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche 5 mit einem Überkopfgasraum 6 auf weist, abgetrennt ist, mit diesem jedoch in Fluidverbindung steht. Mittels einer Laufradanordnung 7, die eine Antriebswelle 8 aufweist, welche sich nach oben durch eine nachfolgend beschriebene innere Leitwand erstreckt, um mit einer nicht dargestellten geeigneten Antriebsanordnung verbunden zu werden, wird der Hauptbereich 3 in einem Umwälzungsströmungszustand gehalten. Die Laufradanordnung 7, die innerhalb eines hohlen Saugrohrs 9 angeordnet dargestellt ist, ist ausgelegt, das erwähnte vertikale Strömungsmuster bereitzustellen, in dem die dispergiertes Gas enthaltende Flüssigkeit in dem Saugrohr 9 nach unten und in einem ringförmigen Raum 10 zwischen dem Saugrohr 9 und einer vertikalen Wand 11 des Reaktionsbehälters 2 nach oben strömt.
In der dargestellten Ausführungsform ist die vertikale Wand 11 des Reaktionsbehälters 2 als sich nach oben von einem Boden 12 des Behälters zu einem Punkt hin erstreckend dargestellt, bei dem sich die Wand nach oben und nach innen neigt, um eine äußere konische Leitwand 13 auszubilden. Die äußere konische Leitwand 13 ist mit einer im allgemeinen vertikalen Wand 14 eines oberen kegelförmigen und bei einem Dach 15 endenden Bereichs des Reaktionsbehälters verbunden, der einen umschlossenen Raum für den relativ ruhigen Bereich 4 des Körpers einer Flüssigkeit und für den Überkopfgasraum 6 ausbildet. Inertes Gas kann durch eine Leitung 16 in den Überkopfgasraum 6 geleitet werden, um die Verhinderung des Entstehens entflammbarer Zustände in dem Überkopfgasraum 6 sicherzustellen, wobei von diesem Gase durch eine Leitung 17 entlüftet werden.
Eine innere konische Leitwand 18 ist über der Laufradanordnung 7 und in der dargestellten Ausführungsform über dem Saugrohr 9 angeordnet und interagiert mit der äußeren konischen Leitwand 13, um die bei dem Betrieb des LOR-Systems der Erfindung oben genannten erwünschten Vorzüge zu bewerkstelligen. Die innere konische Leitwand 18 ist nach unten und nach innen hin zu der Laufradwelle 8 von einem Punkt nahe des äußeren Bereichs der Wand des Reaktionsbehälters 2 und erwünschterweise in dem Bereich nahe des oberen Endes der äußeren konischen Leitwand 13 geneigt. Somit wird in dem Raum zwischen dem oberen Ende der inneren konischen Leitwand 18 und dem oberen Ende der äußeren konischen Leitwand 13 eine Lüftungsöffnung 19 bereitgestellt.
Damit eine Gasblase von unterhalb der inneren konischen Leitwand 18 austreten kann, muß sie mit einem Loch in der Leitwand oder um diese herum, d. h. mit der Lüftungsöffnung 19 in Kontakt kommen. Somit ist die Menge an austretendem Gas proportional zu der Wahrscheinlichkeit, mit der eine Gasblase auf ein Loch auftrifft. Wenn die Gasblase in dem Flüssigkkeitsströmungsfeld verbleibt, dargestellt durch ein Strömungsmuster A in dem unteren Bereich des Reaktionsbehälters 2 und durch ein Strömungsmuster B in dessen oberem Bereich, so daß sie bei dem Kontakt mit der inneren konischen Leitwand 18 nach unten in das Saugrohr 9 fließt, kann die Gasblase nicht aus dem umgewälzten Körper einer Flüssigkeit austreten und in die ruhige Zone 4 bzw. den Überkopfgasraum 6 weiterströmen. Somit dient die nach unten gerichtete Neigung der inneren konischen Leitwand 18 dazu, die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit unter der Leitwand zu maximieren, die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Blase mit einem Loch in der Leitwand oder um diese herum, d. h. der Lüftungsöffnung 19, in Kontakt kommt, unter normalen Betriebsbedingungen zu minimieren, und die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Blase mit einem Loch, d. h. der Lüftungsöffnung 19, in Kontakt kommt, in dem Fall zu maximieren, daß ein gestörter Zustand auftritt, bei dem es erforderlich oder erwünscht ist, sämtliches Gas unter der inneren konischen Leitwand 18 oder einen wesentlichen Teil davon zu entlüften.
Unter normalen Strömungszuständen ist die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit an der Unterseite der inneren konischen Leitwand 18 radial nach innen und nach unten zu der Laufradwelle 8 und zu der Laufradanordnung 7 hin und weg von der Lüftungsöffnung 19 gerichtet. Dieser nach unten und nach innen gerichtete Flüssigkeitsstrom zieht das meiste Gas, das mit der Unterseite der inneren konischen Leitwand 18 in Kontakt kommt, in die nach unten gerichtete Laufradansaugung hinein und weg von der Lüftungsöffnung 19. Wird der umgewälzte Flüssigkeitsstrom angehalten, beispielsweise bei einem Ausfall des Antriebsmotors für das Laufrad, steigen Gasblasen durch den Hauptbereich 3 des Körpers der Flüssigkeit 1 zu der Unterseite der inneren konischen Leitwand 18 auf. Die Neigung der inneren Leitwand führt die Gasblasen zu der Lüftungsöffnung 19, durch welche die Gasblasen in den ruhigen Bereich 4 des Körpers der Flüssigkeit und in den inerten Überkopfgasraum 6 weiterfließen.
Es versteht sich, daß bezüglich der Einzelheiten der Erfindung verschiedene Veränderungen und Modifikationen erfolgen können, ohne den in den beiliegenden Ansprüchen genannten Rahmen der Erfindung zu verlassen. So weist die äußere konische Leitwand 13 erwünschterweise einen sich nach innen und praktischerweise horizontal erstreckenden Wulstabschnitt 13A auf, um den Strom der Flüssigkeit und der dispergierten Gasblasen weg von der Lüftungsöffnung 19 zu erleichtern. Die äußere konische Leitwandverlängerung 13A erstreckt sich praktischerweise von dem oberen Ende der äußeren konischen Leitwand 13 nach innen zu einer Stelle unter der inneren konischen Leitwand 18 und vorzugsweise zu ihrem äußeren oberen Ende. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, dient eine derartige Anordnung der äußeren konischen Leitwandverlängerung 13A dazu, die Lüftungsöffnung 19 zu einem entfernt von dem im allgemeinen nach innen und nach unten gerichteten Flüssigkeitsstrom unter der inneren konischen Leitwand 18 angeordneten Schlitz werden zu lassen, wodurch die Gasentlüftungsmenge durch die Lüftungsöffnung 19 unter normalen Betriebsbedingungen in dem Reaktionsbehälter 2 minimiert wird.
Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß die äußere konische Leitwand 13, die nach oben geneigt ist und dazu dient, tote Stellen außerhalb des Saugrohrs 9 zu beseitigen, da sich unter dem Rohr kein Gas ansammeln kann, praktischerweise der sich neigende Bereich der Wand des Reaktionsbehälters 2 ist, welcher sich von der Oberseite der vertikalen Wand 11 des Reaktionsbehälters 2 aus nach oben und nach innen erstreckt. Es sei darauf hingewiesen, daß, obgleich die hier gezeigte Ausführungsform praktisch und bevorzugt ist, es ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegt, daß sich die vertikale Wand 11 zu dem oberen Teil des Reaktionsbehälters 2 erstrecken kann, wobei eine getrennte, äußere konische Leitwand 13 angeordnet wird, um den erwünschten, nach oben und nach innen gerichteten Flüssigkeitsstromweg zu der inneren konischen Leitwand 18 hin zu erzeugen, wobei der Strömungsweg der Flüssigkeit an der Unterseite der inneren Leitwand 18 nach unten und nach innen in Richtung der Laufradansaugung über und in dem Saugrohr 9 gerichtet wird. Diesbezüglich wird darauf verwiesen, daß der obere Bereich des Reaktionsbehälters 2, in dem der ruhige Bereich 4 und der Überkopfgasraum 6 enthalten sind, nicht notwendigerweise einen kleineren Durchmesser als der untere Bereich des Reaktionsbehälters 2 aufweisen muß, obwohl die dargestellte Ausführungsform praktisch aufzubauen und hinsichtlich der vorliegenden Gas/Flüssigkeits-Vermischungszwecke der Erfindung einfach zu betrieben ist.
Im folgenden sei auf den sich nach unten erstreckenden Bereich 18A der inneren konischen Leitwand 18 hingewiesen. Ein solcher Bereich 18A, der sich im allgemeinen in der Mitte des Reaktionsbehälters 2 über dem Saugrohr 9 befindet, wird als weitere Unterstützung betrachtet, die nach unten und nach innen strömende Flüssigkeit unter der inneren konischen Leitwand 18 nach unten in die Ansaugung der Laufradanordnung 7 für den erwünschten nach unten gerichteten Strom des umgewälzten Bereichs 3 des Körpers der Flüssigkeit durch das Saugrohr 9 zu richten. Die Antriebswelle 8 für die Laufradanordnung 7 erstreckt sich nach oben durch die von der Verlängerung 18A der inneren konischen Leitwand 18 bestimmten Öffnung 20, um mit einer geeigneten Antriebsanordnung für die Laufradanordnung 7 in Verbindung zu stehen. Aufgrund des nach unten gerichteten Flüssigkeitsstroms über dem Saugrohr 9 und der Laufradanordnung 7 wird diejenige Gasmenge, die nach oben durch die Öffnung 19 austritt, während des Betriebs des Gas/Flüssigkeits-Mischungssystems vernachlässigbar sein.
Der Einsatzgasstrom wird in den Reaktionsbehälter 2 durch die Leitungsanordnung 20 direkt in den umgewälzten Teil des Körpers der Flüssigkeit, d. h. den Hauptbereich 3 eingeleitet, so daß die ausgebildeten Gasblasen im wesentlichen in dispergierter Form in dem Hauptbereich 3 des Körpers der Flüssigkeit gehalten werden. Zu diesem Zweck erstreckt sich die Leitungsanordnung 20 in den Hauptkörper der Flüssigkeit vorzugsweise in der Nähe des Flüssigkeitsstrommusters B nahe der Oberseite des Hauptbereichs 3 des Körpers der Flüssigkeit, um eine erweiterte Vermischung unter dem Einfluß der Konfiguration der Saugrohr-Laufradanordnung entsprechend der Erweiterung durch die inneren und äußeren konischen Leitwände der Erfindung zu bewerkstelligen. Jedoch liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, den Einsatzgasstrom für den Reaktionsbehälter an jeder anderen geeigneten Stelle, z. B. wie im Flüssigkeitsstrommuster A nahe des Bodens des Reaktionsbehälters, oder an anderen Stellen in dem umgewälzten Flüssigkeitsstrom einzuleiten.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das hohle Saugrohr 9 einen konisch aufgeweiteten Bereich 9A an dessen oberem Ende aufweist. Dies ist im allgemeinen bevorzugt, jedoch kein wesentliches Merkmal, und dient dazu, die Strömung des Gasblasen-Flüssigkeits-Gemisches in das hohle Saugrohr 9 hinein und den nach unten strömenden Durchfluß in dem Rohr weiter zu erleichtern. Die innerhalb des hohlen Saugrohrs 9 angeordnete Laufradanordnung 7 ist als eine einfache Laufradschaufelanordnung dargestellt, die ausgelegt ist, Flüssigkeit hinunter durch das Saugrohr 9 und nach oben in den ringförmigen Raum zwischen dem Saugrohr 9 und der äußeren Wand 11 des Reaktionsbehälters 2 sowie in dessen äußeren Bereich der konischen Leitwand 13 zu pumpen. Für den Fachmann versteht sich, daß auch andere Laufradanordnungen bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden können, wie z. B. eine kommerziell verfügbare wendelförmige Axialstrom-Laufradanordnung, um den erwünschten Flüssigkeitspumpvorgang und die bei der Anwendung der Erfindung erreichte gesamte Gas/Flüssigkeits-Vermischung zu erweitern. Weiterhin versteht sich für den Fachmann, daß die Saugrohr-Laufradanordnung auch so lange an anderen Stellen innerhalb des Reaktionsbehälters 2, d. h. in anderen Abständen von der Unterseite des Saugrohrs 9 zu dem Boden 12 des Reaktionsbehälters 2 bereitgestellt werden kann, wie das erwünschte umgewälzte Flüssigkeitsstrommuster aufrechterhalten wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Strömungsmuster A in dem unteren Bereich des Reaktionsbehälters 2 dazu dienen, Wirbelzonen mit erweiterter Turbulenz auszubilden, die den erwünschten Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgang weiter erleichtern.
Während die Erfindung durch eine Ausführungsform dargestellt worden ist, die eine erwünschte und vorteilhafte Konfiguration aus einer hohlen Saugrohr-Laufradanordnung verwendet, sei darauf hingewiesen, daß der Einbezug eines hohlen Saugrohrs, obgleich äußerst bevorzugt, in verschiedenen Ausfüh rungsformen unter der Voraussetzung auch weggelassen werden kann, daß der erwünschte Umwälzungsströmungszustand in ausreichendem Maß auch ohne die bevorzugte Verwendung des hohlen Saugrohrs aufrechterhalten werden kann.
Für den Fachmann versteht sich, daß der ruhige Bereich des Körpers der Flüssigkeit in jeder geeigneten Größe vorliegen kann, um die erwünschte Abtrennung des umgewälzten Teils der Flüssigkeit von der Überkopfgasphase zu bewerkstelligen und einen Wechsel im Flüssigkeitspegel in Ansprechen auf eine Volumenänderung des Körpers der Flüssigkeit zwischen dem Zustand, bei dem sich keine Gasblasen in dem Körper der Flüssigkeit befinden und dem Zustand anzupassen der vorliegt, wenn sich darin eine erwünschte Gasblasenkonzentration entwickelt hat.
Die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit in den Saugrohrabschnitt des Systems sollte im allgemeinen etwa 0,46 m/s (1,5 Fuß/s) oder mehr betragen und vorzugsweise größer als etwa 0,61 m/s (2,0 Fuß/s) für den umgewälzten Flüssigkeitsstrom ausfallen, um die Gasblasen in die Laufradanordnung ohne ein nennenswertes Entweichen der Gasblasen von der Flüssigkeit zu führen. Bei einer gegebenen Gesamtströmungsrate kann die erwünschte Strömungsgeschwindigkeit in der Saugrohr-Laufradansaugung angepaßt werden, indem der Freiraum zwischen dem Saugrohr und der inneren und äußeren konischen Leitwand der Erfindung auf geeignete Weise eingestellt wird, d. h. indem der Leitwandfreiraum derart eingestellt wird, daß die radiale Strömungsgeschwindigkeit über die Oberseite des Saugrohrs zu dessen Mitte hin erwünschterweise größer als etwa 0,61 m/s (2,0 Fuß/s) ist.
Für eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung sollte der Außendurchmesser der inneren konischen Leitwand 18 im allgemeinen das 0,75 bis 2,0-Fache des Durchmessers des oberen Eintrittes des Saugrohrs 9 betragen. Die Neigung der inneren konischen Leitwand 18 sollte im allgemeinen von etwa 5º bis etwa 35º und vorzugsweise etwa 15º bezüglich der Horizontalen betragen. Die äußere konische Leitwand 13 sollte im allgemeinen von etwa 45º bis etwa 75º bezüglich der Horizontalen und vorzugsweise etwa 60º bezüglich der Horizontalen geneigt sein.
Die Verlängerung 13A der äußeren konischen Leitwand 13 ist als eine Wulst ausgelegt, die die Öffnung der Lüftungsöffnung 19 überlappt, so daß keine unbedeckte Fläche unter der inneren konischen Leitwand 18 in dem Umwälzungsströmungsweg vorhanden ist. Die Verlängerung 13A und die Lüftungsöffnung 19 bilden einen Lüftungsschlitz, wobei sich eine Gasblase gegen das Flüssigkkeitsströmungsfeld bewegen muß, um den Lüftungsschlitz zu durchqueren. Die Lüftungsöffnung und der Lüftungsschlitz in der dargestellten Ausführungsform sollten erwünschterweise an dem höchsten Punkt der innere konischen Leitwand 18 angeordnet werden.
Für den Fachmann versteht sich, daß jede Leitwandanordnung, die die oben genannten Kriterien, d. h. die Minimierung der in der Praxis der LOR-Technologie in jüngerer Zeit auftretenden toten Zonen sowie die Erleichterung eines hohen Flüssigkeitsstroms in der Laufradansaugzone des Systems erfüllt, bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden kann. Im allgemeinen wären Leitwände mit sanften Konturen, die den Strömungslinien des Flüssigkkeitsströmungsfeldes in der Laufradansaugzone enger folgen könnten als dies bei der Verwendung flacher Leitwandoberflächen der Fall ist, in hydrodynamischer Hinsicht erwünscht. Allerdings müssen die Herstellungskosten einer solchen komplexeren Form gegen die daraus entstehenden zusätzlichen Vorteilen abgewogen werden.
Es versteht sich, daß jeder erwünschte Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgang, für welchen der LOR- Ansatz notwendig oder erwünscht ist, durch die Anwendung der Erfindung einen Nutzen ziehen kann. Die Oxidation eines aliphatischen Aldehyds ist ein illustratives Beispiel für den Typ einer Reaktion, der unter Verwendung eines LOR-Systems mit der hier beschriebenen und beanspruchten Leitwandanordnung vorteilhaft durchgeführt werden kann. Die Erfindung stellt ebenfalls eine sehr erwünschte Verbesserung für LOR-Systeme in anderen Sauerstoffanwendungen bereit, bei denen keine entflammbaren Gemische in der Gasphase potentiell vorhanden sind, und in weiteren Anwendungen wie der wertvollen Hydrierung, Chlorinierung und anderen praktischen Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgängen. Indem verschiedene praktische Betriebsprobleme beseitigt werden, die bei der Anwendung der höchst erwünschten und vorteilhaften Technologie von LOR-Systemen auftreten, stellt die Erfindung eine signifikante Verbesserung bereit, die die Fähigkeiten der LOR-Technologie erweitert, um den Bedarf nach effizienten, effektiven und ökonomischen Gas/Flüssigkeits-Vermischungsvorgängen für eine große Vielzahl von erwünschten LOR-Anwendungen zu befriedigen.

Claims

1. Verbessertes System zum Mischen eines Gases mit einem Körper einer Flüssigkeit ohne nennenswerte Verluste von Gas in eine Überkopfgasphase, versehen mit:

(a) einem Mischbehälter (2) für einen Körper einer Flüssigkeit, in die ein Gas eingemischt werden soll, wobei ein Teil (3) des Körpers der Flüssigkeit in einem Umwälzströmungszustand gehalten werden soll, wobei dieser Teil keine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche mit einer Überkopfgasphase hat:

(b) einer im wesentlichen mittig in dem Mischbehälter angeordneten Laufradanordnung (7) mit einer sich nach oben erstreckenden Antriebswelle (8), wobei die Laufradanordnung ausgelegt ist, um für einen Umwälzströmungszustand innerhalb des umgewälzten Teils des Körpers der Flüssigkeit zu sorgen, wobei der Flüssigkeitsstrom in dessen innerem Bereich nach unten gerichtet ist und in dessen äußerem Bereich nach oben;

(c) einer Leitungsanordnung (21) zum Einbringen eines Einsatzgasstromes direkt in den umgewälzten Teil des Körpers der Flüssigkeit; und

(d)einer Leitwandanordnung, welche den umgewälzten Teil (3) des Körpers der Flüssigkeit von einem relativ ruhigen Bereich (4) derselben trennt, während zwischen diesen eine Fluidverbindung auf rechterhalten bleibt, wobei der ruhige Teil des Körpers der Flüssigkeit über eine Gas/Flüssigkeits- Grenzfläche (5) und eine Überkopfgasphase verfügt und ausgelegt ist, eine Änderung des Flüssigkeitspegels in Antwort auf eine Volumenänderung des Körpers der Flüssigkeit zwischen dem Zustand, in welchem keine Gasblasen in dem Körper der Flüssigkeit vorhanden sind, und jenem Zustand, der vorherrscht, wenn eine gewünschte Gasblasenkonzentration in diesem entwickelt wird, auszugleichen, wobei die Leitwandanordnung versehen ist mit (a) einer äußeren konischen Leitwand (13), die nach oben und innen geneigt ist, um so den nach oben gerichteten Strom der Flüssigkeit und begleitendes Gas von dem äußeren Bereich des Körpers der Flüssigkeit in Richtung auf die nach unten gerichtete Ansaugung der Laufradanordnung zu richten, wobei die Neigung der äußeren konischen Leitwand verhindert, daß sich Gas in toten Zonen darunter sammelt, und (b) einer inneren konischen Leitwand (18), die nach unten und innen in Richtung auf die Antriebswelle der Laufradanordnung geneigt ist, um so den Strom der Flüssigkeit und das begleitende Gas in die nach unten gerichtete Ansaugung der Laufradanordnung zu richten, wobei die Neigung der inneren konischen Leitwand in effektiver Weise eine Ansammlung von Gas in toten Zonen in der Mitte des Körpers der Flüssigkeit verhindert, wobei die innere konische Leitwand so angeordnet ist, daß ihr oberes äußerstes Ende oberhalb und in Abstand von dem obersten Ende der äußeren konischen Leitwand angeordnet ist, um so eine Lüftungsöffnung (19) zwischen diesen zu erzeugen, um für eine Kommunikation zwischen dem umgewälzten Teil des Körpers der Flüssigkeit und dem ruhigen Teil zu sorgen, wobei die Lüftungsanordnung in Abstand von dem oberen und inneren Strömungsweg, der von der äußeren konischen Leitwand herbeigeführt wird, angeordnet ist,

wodurch das gewünschte Mischen von Gas und Flüssigkeit in effektiver Weise erreicht wird, wobei die innere und die äußere konische Leitwand tote Zonen nahe der Antriebswelle des Laufrads und unter der Leitwandanordnung eliminieren, wobei die Gasgeschwindigkeit während normalen Vorgängen minimiert und ein Lüften von Gas während gestörten Zuständen erleichtert wird.

2. System nach Anspruch 1, ferner versehen mit einem hohlen Saugrohr (9), welches im wesentlichen zentrisch innerhalb des Mischbehälters im Bereich des Körpers der Flüssigkeit angeordnet ist, der in einem Flüssigkeitsströmungszustand gehalten wird, und welches offene Enden an der Ober- und der Unterseite aufweist, wobei die Laufradanordnung darin angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1, versehen mit einem sich am oberen Ende der äußeren konischen Leitwand (13) nach innen erstreckenden Wulstabschnitt (13A), der die Lüftungsöffnung so überlappt, daß jegliche sich weg von der Lüftungsöffnung nach oben bewegende Flüssigkeit in Richtung auf die innere konische Leitwand abgelenkt wird, wobei der Wulstabschnitt und die Lüftungsöffnung einen Lüftungsschlitz bilden, der entgegen der Richtung des Flüssigkeitsstromes in Richtung auf die innere konische Leitwand angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 1, versehen mit einem sich nach unten erstreckenden Abschnitt (18A) der inneren konischen Leitwand (18), welcher den nach unten gerichteten Strom von Flüssigkeit von unter der inneren konischen Leitwand zu der Ansaugung der Laufradanordnung erleichtert.

5. System nach Anspruch 2, bei welchem der Außendurchmesser der inneren konischen Leitwand zwischen dem 0,75- und 2,0-fachen des Durchmessers des hohlen Saugrohrs an dessen oberem Ende liegt.

6. System nach Anspruch 5, bei welchem der Außendurchmesser der inneren konischen Leitwand zwischen etwa dem 1,0- und 1,2-fachen des Durchmessers des hohlen Saugrohrs an dessen oberem Ende liegt.

7. System nach Anspruch 1, bei welchem die Neigung der inneren konischen Leitwand zwischen etwa 5º und etwa 35º bezüglichen der Horizontalen beträgt.

8. System nach Anspruch 7, bei welchem die Neigung etwa 150 bezüglich der Horizontalen beträgt.

9. System nach Anspruch 1, bei welchem die Neigung der äußeren konischen Leitwand zwischen etwa 45º und etwa 75º bezüglich der Horizontalen liegt.

10. System nach Anspruch 9, bei welchem die Neigung der äußeren konischen Leitwand etwa 60º bezüglich der Horizontalen beträgt.

11. System nach Anspruch 2, bei welchem der Freiraum zwischen dem hohlen Saugrohr und der Leitwandanordnung so bemessen ist, daß die radiale Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die zu der Ansaugung der Laufradanordnung geleitet wird, größer als etwa 0,46 m/s (1,5 Fuß/s) ist.

12. System nach Anspruch 11, bei welchem der Freiraum so bemessen ist, daß die besagte radiale Strömungsgeschwindigkeit größer als etwa 0,61 m/s (2,0 Fuß/s) ist.

13. System nach Anspruch 1, bei welchem die Laufradanordnung eine nach unten pumpende Axialstromlaufradanordnung ist.

14. System nach Anspruch 2, versehen mit einem am oberen Ende der äußeren konischen Leitwand (13) angeordneten und sich nach innen erstreckenden Wulstsystem, welches die Lüftungsöffnung so über lappt, daß jegliche sich nach oben bewegende Flüssigkeit weg von der Lüftungsöffnung in Richtung auf die innere konische Leitwand abgelenkt wird, wobei die innere konische Leitwand (18) einen sich nach unten erstreckenden Abschnitt aufweist, welcher einen nach unten gerichteten Flüssigkeitsstrom sowie begleitenden Gasstrom von unter der inneren konischen Leitwand zu der Ansaugung der Lauf radanordnung erleichtert, wobei der Außendurchmesser der inneren konischen Leitwand zwischen dem etwa 0,75- und etwa 2,0-fachen des Durchmessers des hohlen Saugrohrs (9) an dessen oberen Ende liegt, wobei die Neigung der inneren konischen Leitwand zwischen etwa 5º und etwa 35º bezüglich der Horizontalen liegt, und wobei die Neigung der äußeren konischen Leitwand zwischen etwa 45º und etwa 75º bezüglich der Horizontalen liegt.

15. System nach Anspruch 14, bei welchem der Außendurchmesser der inneren konischen Leitwand zwischen dem etwa 1,0- und 1,2-fachen des Durchmessers des hohlen Saugrohrs an dessen oberem Ende liegt, wobei die Neigung der inneren konischen Leitwand etwa 15º bezüglich der Horizontalen beträgt, und wobei die Neigung der äußeren konischen Leitwand etwa 60º bezüglich der Horizontalen beträgt.