DE69608563T2

DE69608563T2 - Gas-flüssigkeit-kontaktverfahren und vorrichtung

Info

Publication number: DE69608563T2
Application number: DE69608563T
Authority: DE
Inventors: Robert Ellis; Coley Moore
Original assignee: LAMMAS RESOURCES Ltd
Current assignee: LAMMAS RESOURCES Ltd
Priority date: 1995-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2016-07-16
Also published as: US6238912B1; GR3034255T3; CA2226976A1; WO1997003927A1; EP0839120B1; AU6465696A; EP0839120A1; GB9514541D0; DE69608563D1; DK0839120T3; PT839120E; ES2148780T3; ATE193277T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Kontaktieren von Gas und Flüssigkeit. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sie sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Initiieren und zumindest teilweisen Ausführen eines Fermentierungs- oder Bioreaktionsvorgangs, bei dem ein Gas, wie z. B. Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, in eine Flüssigkeit eingeleitet wird, in der eine Feststoffphase enthalten sein kann. Der Reaktor, in den das Gas und die Flüssigkeit eingeleitet werden, kann einen Mikroorganismus enthalten, der aerobisch ist, wenn das Gas Sauerstoffgas ist, was eine Reaktion der festen oder flüssigen Phase bewirkt.
Wie oben erwähnt wurde, ist das verwendete Gas vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Luft oder Sauerstoff beschränkt, und es können auch andere Gase im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ebenso sind die beteiligten Flüssigkeiten für gewöhnlich wäßrig, andere Flüssigkeiten fallen jedoch auch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wobei der Begriff Mischungen von Flüssigkeiten oder Emulsionen oder Dispersionen einschließt. In diesem Zusammenhang wird der Begriff Flüssigkeit hier der Einfachheit halber benutzt, um sich auf solche Flüssigkeiten und auf Feststoffe in der Form von Suspensionen oder Lösungen enthaltende Flüssigkeiten zu beziehen.
Es ist bekannt, solche Bioreaktionen in einem Rührgefäß auszuführen, wobei Luft mittels Sprinklerrohren (sparge pipes) in einen Tank eingeleitet wird, der Flüssigkeit (wie oben als möglicherweise Feststoffphasen einschließend definiert) enthält. Nach einer bestimmten Zeitspanne hat der gewählte Mikroorganismus eine ausreichende Reaktion durchlaufen, damit geklärte oder behandelte Flüssigkeit, möglicherweise nach einer Absetzstufe, abgelassen werden kann. Ein Nachteil dieses Prozesses ist die lange Zeit, die zur Durchführung der Reaktion gebraucht wird, die bis zu 24 Stunden dauern kann, und natürlich auch der benötigte Raumumfang, um das Volumen zu behandelnder Flüssigkeit/Feststoffe aufzunehmen. Es wäre von Vorteil, wenn eine derartige Reaktion in einer kürzeren Zeit und auch unter Verwendung einer ein geringeres Volumen einnehmenden Vorrichtung ausgeführt werden könnte. Es wäre in der Tat auch von Vorteil, den verbesserten Gas/Flüssigkeitskontakt in einer kurzen Zeit, möglicherweise von nur 20 Sekunden auszuführen, und dann eine Bioreaktion mit geringerer Geschwindigkeit in einem zweiten oder nachgeschalteten Reaktor stattfinden zu lassen. Der verbesserte Gas/Flüssigkeitskontakt und eine mögliche Rückleitung bzw. Umwälzung können eine erhebliche Reduzierung der Gesamtbehandlungszeiten, z. B. von 24 Stunden auf 2 Stunden, ermöglichen.
Es sind sogenannte Wasserfallsäulen (waterfall columns) bekannt, bei denen ein Flüssigkeitsstrahl in einen gasgefüllten Raum eingeleitet wird, wobei etwas Gas mitgerissen wird, um über der Flüssigkeit im Reaktor eine leichte Schaumkrone zu bilden.
Aus dem britischen Patent Nr. 1596738 ist bekannt, Gas und Flüssigkeiten durch gleichzeitiges Einleiten in einen Reaktor mit Abwärtsströmung effektiver zu durchmischen. Obwohl eine solche Durchmischung Gasblasen einer Größe erzeugen kann, daß die Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit erhöht wird, kann sie immer noch einen Gasraum über der Schaumkrone schaffen, wodurch das Kontaktverfahren verbessert wird. Die Verwendung solcher Vorrichtungen erzeugt jedoch eine Schaumzone und einen obersten Teil der Reaktorsäule, in dem der Gas/Flüssigkeitskontakt und der Stoffaustausch nicht am effektivsten ist.
Aus dem US-Patent Nr. 4834343 ist bekannt, den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit durch Einleiten mindestens eines Teils der Strömung in einer zur Längsachse des Reaktors tangentialen Richtung weiter zu erhöhen. Dieser Prozeß ist jedoch nur in Reaktorsäulen mit einer "Wirbel"-Zone von im wesentlichen konstantem Durchmesser und Volumen ausgeführt worden. Diese "Wirbel"-Zone wird durch die Mischung eines vertikal abwärts gerichteten Fluidstroms an der Oberseite der Säule mit einem tangentialen Einlaß unter diesem gebildet. Dies hat sich als unbefriedigend herausgestellt.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-41 38 599 offenbart einen Bioreaktor, der Feststoffe zum Fixieren von Mikroorganismen enthält. Die Feststoffe werden umgewälzt und an einer Ansammlung an der Basis des Reaktors gehindert, indem sie in einem zentralen Rohr durch Einströmen des Fluids, das an der Basis eingeleitet wird, um einen Wirbelstrom zu bilden, nach oben gedrängt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit (wie er oben optional einschließlich einer Feststoffphase definiert wurde) weiter zu verbessern und die Ausführung einer Bioreaktion in dem Reaktor und nach diesem zu ermöglichen. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für das Kontaktieren eines Gases und einer Flüssigkeit bereitgestellt, das umfaßt: den Einsatz eines in Längsrichtung im wesentlichen zylindrischen Reaktors mit einem Einlaßbereich neben einem ersten oberen Ende desselben mit Einleitung einer ersten Strömung in den Einlaßbereich in einer im wesentlichen tangential zur Längsachse des Reaktors verlaufenden Richtung, so daß die erste Strömung im ersten Einlaßbereich zu einer Kreisströmung wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, aus einem Gasstrom bestehende und wahlweise mit Flüssigkeit mischbare Strömung in einer im wesentlichen axial verlaufenden Richtung durch einen zweiten, in einem Zwischenbereich des Reaktors angrenzend an ein Ende des Einlaßbereichs liegenden Einlaß eingeleitet wird, daß die zweite Strömung eine nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente hat, der Einlaßbereich eine reduzierte Querschnittsfläche aufweist, und die erste Strömung wenigstens einen Teil der Flüssigkeit, die wahlweise einen Teil des Gases enthält, umfaßt, und die erste Strömung mit einer so hohen Geschwindigkeit eingeleitet wird, daß mögliche, sich im Einlaßbereich ansammelnde große Gasblasen wieder dispergiert werden.
Die Geschwindigkeit sollte derart sein, daß die Strömung etwaige große Gasblasen, die sich an der Oberseite der Säule ansammeln könnten, wieder dispergiert. Auch reduziert die Geschwindigkeit der abwärts gerichteten Ausgangsströmung um den Durchmesser des Einsatzes herum, die größer ist als die Abwärtsströmungsgeschwindigkeit unterhalb des Einsatzes, die Tendenz des Aufsteigens größerer Blasen zum oberen Teil der Säule.
Die Einleitung des Gas/Flüssigkeitsgemischs mit hoher Einlaßgeschwindigkeit in einen relativ begrenzten Bereich fördert die Durchmischung des Gases und der Flüssigkeit und minimiert die Loslösung von Gas von dem Gemisch.
Das Gas und die Flüssigkeit können anfänglich an oder stromauf einer Venturi-Verengung oder einer Lochplatte kombiniert werden, die sich an dem oder stromauf von dem Reaktoreinlaßbereich befindet.
Die Verengung oder die Mündung kann vorzugsweise am Punkt des tangentialen Eingangs gelegen sein und dient dadurch dazu, das Gas zu dispergieren und nur kleine Blasen zu erzeugen.
In diesem Fall kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases/der Flüssigkeit an der Verengung wahlweise größer als 150 cms/sec. sein.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann der erste Einlaß für Flüssigkeit, wie sie hier definiert ist, vorgesehen sein, welche von einem zweiten Reaktor umgewälzt wird, der vom Auslaß des ersten Reaktors versorgt wird, und der zweite Einlaß kann für frische, zu behandelnde Flüssigkeit, wahlweise mit Gas, vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das frische Material durch den zweiten Einlaß mit einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit eingeleitet werden.
Der zweite Einlaß für Flüssigkeit und/oder Gas zum Reaktor kann eine Leitung umfassen, die sich in den Zwischenbereich des Reaktors erstreckt und eingerichtet ist, um dadurch eine Drehbewegung des Materialeinlasses entweder in einem gleichgerichteten oder gegengerichteten Sinn bezüglich der Richtung der Drehbewegung des Gas/Flüssigkeits- Feststoff-Inhalts derselben zu bewirken, die infolge des anfänglichen tangentialen Einlaufs induziert wird.
Die den zweiten Einlaß umfassende Leitung kann sich in Längsrichtung in den Reaktor erstrecken.
Alternativ kann die den zweiten Einlaß umfassende Leitung sich in Querrichtung in den Reaktor erstrecken. Das Verfahren kann ein Erwärmen des durch den ersten oder zweiten Einlaß eingeleiteten Gases und/oder der Flüssigkeit umfassen, um die Gesamttemperatur der Flüssigkeit innerhalb des Reaktors anzuheben.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren die Einleitung zusätzlicher Flüssigkeiten und/oder Gase mittels eines dritten Einlasses der Flüssigkeit umfassen, der in einem Zwischenbereich des Reaktors vorgesehen sein kann.
Der dritte Einlaß kann so angeordnet sein, daß die durch diesen eingeleitete Flüssigkeit tangential zur Längsachse des Reaktors abgerichtet ist.
In diesem Fall kann die so eingeleitete Flüssigkeit so gerichtet sein, daß sie mit der vorher erzeugten Kreisströmung gleichgerichtet ist.
Alternativ kann die so eingeleitete Flüssigkeit so gerichtet sein, daß sie im Gegenstrom zu der vorher erzeugten Kreisströmung gerichtet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung für das Kontaktieren eines Gases mit einer Flüssigkeit vorgesehen, bestehend aus einem länglichen Reaktor, Einlaßmitteln neben seinem ersten oberen Ende und Auslaßmitteln neben seinem zweiten Ende, wobei die Einlaßmittel einen Einlaß für eine Gas enthaltende Flüssigkeit aufweisen, so daß die ankommende Flüssigkeit tangential zur Längsachse des Reaktors und in eine Einlaßzone desselben eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßmittel Vorrichtungen für das Mitreißen des Gases durch die Flüssigkeit aufweisen, daß die Einlaßzone einen kleineren Öffnungsquerschnitt als der des größeren Teils des Reaktors hat, daß ein zweiter Einlaß angrenzend an ein in Längsrichtung stromabwärts angeordnetes Ende des Reaktors angeordnet ist, über den Gas oder wahlweise Flüssigkeit in einer im wesentlichen axial nach unter verlaufenden Richtung eingeleitet werden kann, und daß die Einlaßzone eine Querschnittsfläche aufweist, die sich entweder progressiv oder stufenweise mit der Entfernung von den Einlaßmitteln vergrößert.
Die Einlaßzone kann einen Ringraum neben dem ersten Ende des Reaktors aufweisen, wobei der Ringraum einen Außendurchmesser hat, der im wesentlichen dem des Reaktors entspricht, und einen Innendurchmesser, der durch einen im wesentlichen zylindrischen, kegeligen oder kegelstumpfförmigen Einsatz oder einen Einsatz gebildet wird, der diese Merkmale kombiniert.
Der Einsatz kann eine Oberfläche aufweisen, die mit Vorsprüngen oder Wellungen bzw. Riffelungen versehen ist, um eine erhöhte Turbulenz zu fördern.
Ein zweiter Einlaß kann vorgesehen sein, um Flüssigkeit und/oder Gas an einen radial neben oder stromauf eines in Längsrichtung stromab gelegenen Abschnitts des Einsatzes zu liefern.
Eine solche Einleitung von Sekundärgas/-flüssigkeit kann eine etwaige Wirbelströmung minimieren, die durch die Kreisströmung des ursprünglich eingeleiteten Flüssigkeits- Gasgemischs verursacht werden könnte, oder kann die Geschwindigkeit der Kreisströmung erhöhen oder aufrechterhalten.
Der zweite Einlaß kann eine Leitung aufweisen, die sich quer in den Reaktor von einer Seitenwand desselben erstreckt. Alternativ kann sie eine Leitung umfassen, welche sich in Längsrichtung in den Reaktor erstreckt und durch den Einsatz verläuft.
Eine weitere Alternative bestünde darin, einen Einlaß in das Innere des Einsatzes vorzusehen, der in diesem Fall mit einer Öffnung am stromabseitigen Ende versehen sein würde, um ein Einströmen des eingeleiteten Fluids in den Reaktor zu ermöglichen.
Die Öffnung kann sich an der Basis des Einsatzes oder an einem Zwischenpunkt befinden.
Die Öffnung kann alternativ eine Leitung umfassen, die von dem und in Längsrichtung über den Einsatz oder über einen radial größeren Abschnitt desselben hinaus verläuft.
In all diesen Fällen kann der zweite Einlaß so eingerichtet sein, daß er Fluid im Gleichlauf mit der bestehenden Kreisströmung einleitet und diese dadurch aufrechterhält oder ergänzt, oder in Gegenströmung zu der bestehenden Kreisströmung.
Der Einsatz kann eine zylindrische, konische oder kegelstumpfartige Form oder eine Kombination der beiden aufweisen.
Der zweite Einlaß kann nahe einem unteren Abschnitt des Einsatzes angeordnet sein.
Der Einsatz kann eine gewellte bzw. geriffelte oder aufgerauhte Oberfläche aufweisen.
Die Einlaßzone kann alternativ eine Zone eines geringeren Durchmessers als der allgemeine Durchmesser des Reaktors stromab desselben umfassen.
Eine zusätzliche Leitung kann noch weiter stromabwärts vorgesehen und eingerichtet sein, um weiteres Gas- /Flüssigkeitsgemisch in eine Mittelzone des Reaktors einzuleiten.
Die dritte Leitung kann so konfiguriert sein, daß sie die Flüssigkeit in einer tangentialen Richtung einleitet, um eine Kreisströmung der eingeleiteten Flüssigkeit zu bewirken.
Die Strömung kann entweder im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu der durch die anfängliche Einleitung des Gas- /Flüssigkeitsgemischs erzeugten Kreisströmung sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausführen einer Bioreaktion mit Gas und Flüssigkeit, wie sie vorher definiert wurde, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ein erstes Reaktorgefäß mit einer Einlaßzone an einem Ende desselben aufweist, die im Vergleich zum allgemeinen Durchmesser des ersten Reaktors eine reduzierte Querschnittsfläche aufweist, Einlaßmittel in die Einlaßzone zum Einführen der Gas/Flüssigkeitsmischung in einer Tangentialrichtung zur Längsachse des Reaktors sowie Auslaßmittel an einem entgegengesetzen Ende des Reaktors, wobei ein zweiter Reaktor ein mit dem Auslaßmittel des ersten Reaktors verbundenes Einlaßmittel, Rührmittel in diesem und Auslaßmittel von diesem aufweist.
Flüssigkeit von dem zweiten Reaktor kann an einen Einlaß des ersten Reaktors zurückgeführt werden.
Flüssigkeit vom zweiten Reaktor kann im Primäreinlaß des ersten Reaktors zugeführt werden, oder es kann an einem oder mehreren zusätzlichen Einlässen dem ersten Reaktor zugeführt werden.
Es können Mittel zum Einleiten zusätzlichen Gases in etwaige solche umgewälzte Einspeisungen vorgesehen sein.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Behandeln von Klärschlamm oder anderem organischem Abfall vorgesehen, die eine Vorrichtung, wie sie gemäß dem zweiten oder dritten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde, verwendet.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln von Klärschlamm oder anderem organischen Abfall gemäß den oben beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren vorgesehen. Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Reaktors, der die vorliegende Erfindung verkörpert,
Fig. 1A eine Schnittansicht desselben nach unten,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Reaktors mit einem vergrößerten Basis-Reaktionszonenvolumen,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Reaktors mit einem dritten Einlaß,
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Variante der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform mit Umwälzzuführung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine tertiäre Strömung in einer Längsrichtung eingeleitet wird,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform, bei der eine tertiäre Strömung eingeleitet wird, um in Gegenrichtung zu strömen, wie Fig. 6A zeigt, und bei der ein vierter Einlaß in Gegenströmung zu diesem gerichtet ist,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zweite und dritte Einlässe zum Reaktor in Längsrichtung ausgerichtet sind, während der Primäreinlaß eine Tangentialströmung liefert, wobei Fig. 7A ein Querschnitt des Einsatzes ist, der zwei diesen durchsetzende Einlaßleitungen aufweist,
Fig. 8 ein System, bei dem der tangentiale Primäreinlaß von dem Hauptreaktorkörper losgetrennt ist, jedoch in diesen durch eine Öffnung mit begrenzter Querschnittsfläche einfließt, und
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform, bei der Flüssigkeit nur in einen oberen Teil der Säule eingespritzt wird und Gas-/Flüssigkeitsmischungen an unteren Punkten derselben eingeleitet werden, die eine Reaktionszone größeren Volumens als am Primäreinlaß aufweisen,
Fig. 10 ein die vorliegende Erfindung verkörperndes Abwärtsströmungs-Kontaktelement in Zusammenhang mit einem zweiten Rührwerkreaktor, wobei Fluid von dem zweiten Reaktor zu Einlässen des Primärreaktors umgewälzt wird,
Fig. 11 eine ähnliche Ausführungsform wie bei Fig. 10, mit dem Unterschied, daß der Primärreaktor eine Absetzzone großen Durchmessers an seiner Basis aufweist, in die ein Rührwerk eingesetzt werden kann, und
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Primärreaktor durch umgewälztes Fluid mit zusätzlichem Gas von einem sekundären
Rührwerkreaktor gespeist wird, der seinerseits von einem tertiären Reaktor gespeist wird.
Es wird nun auf die Zeichnungen eingegangen, wobei in Fig. 1 ein länglicher Reaktor 1 mit einem Einlaß 2 und einem Auslaß 3 gezeigt ist, die nahe gegenüberliegenden Enden des Reaktors 1 angeordnet sind. Der Reaktor 1 weist einen im wesentlichen einheitlichen Durchmesser auf, an der Einlaßzone 4 nahe dem Einlaß 2 jedoch ist ein konzentrischer innerer Einsatz 5 vorgesehen, um eine Innenwand zu bilden, die mit der Reaktorwand eine ringförmige Einlaßzone 4 bildet. Der Einsatz 5 kann eine zylindrische Form, eine konische Form und eine kegelstumpfartige Form aufweisen, oder gemäß Fig. 1 eine Kombination von beiden. Andere Formen sind natürlich möglich, einschließlich einer Form, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist, und die in der Abwärtsrichtung einen Zylinder, einen Kegelstumpf mit einem maximalen Durchmesser gleich dem des Zylinders und eine längliche Erstreckung bzw. Verlängerung 15 jenseits des nach unten weisenden Scheitels des Kegelstumpfs aufweist. Die Verlängerung 15 kann zwischen 5 und 30 Prozent der Querschnittsfläche des Reaktors einnehmen. Diese Verlängerung 15 hilft, die Bildung eines Wirbelstroms zu vermeiden, und erhöht die Durchmischung und Turbulenz unabhängig davon, ob der zweite Einlaß am Zentrum der Säule Fluid in einer gleichen oder einer entgegengesetzten Richtung einleitet. Eine solche Verlängerung kann jedoch bei gegebenen bevorzugten Fluidströmungsmustern nicht notwendig sein.
Die zu behandelnde Flüssigkeit, wie sie oben als möglicherweise feste Bestandteile enthaltend definiert wurde, wird mit Sauerstoff entweder in reiner Form oder als Luft durchmischt und strömt über den Einlaß 2 in die ringförmige Einlaßzone 4. Das Gemisch kann durch eine Venturi-Verengung oder eine Lochplatte zur Verbesserung der Aufnahme des Gases durch die zu behandelnde Flüssigkeit passieren. Die Geschwindigkeit des Flüssigkeits-/Gasgemischs an dem Venturi oder der Lochplatte ist vorzugsweise größer als 150 cms/sec. Die tatsächliche Geschwindigkeit des Fluidgemischs bei Eintritt in den Reaktor hängt von dem Abstand zwischen dem Venturi oder der Lochplatte und dem Reaktor ab. Die Einlaßleitung 2 ist so angeordnet, daß der sich ergebende Strom von Flüssigkeits-/Gasgemisch in den Reaktor 1 in einer zur Längsachse des Reaktors 1 tangentialen Richtung eintritt. Das tangentiale Einströmen kann klarer aus Fig. 14 ersehen werden.
Das Einleiten des Gas-/Flüssigkeitsgemischs mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in den vergleichsweise begrenzten Raum der ringförmigen Einlaßzone 4 stellt sicher, daß die Gas-/Flüssigkeitsmischung fortgesetzt und maximiert wird, und daß der obere Teil des Reaktors dadurch eine stabile Schaumkrone aufweist. Bei weiterer Einleitung von Flüssigkeit/Gas bewegt sich der Schaum mit einer Geschwindigkeit nach unten, die im Bereich von 10 cm/sec. oder mehr liegen kann. Wenn sich das innige Gemisch von Gas und Flüssigkeit nach unten bewegt, tritt es in die Zone größeren Durchmessers des Reaktors ein, weist jedoch immer noch eine hohe Drehkomponente der Geschwindigkeit auf, wobei das Strömen in einer im wesentlichen schraubenförmigen Abwärtsrichtung erfolgt.
Die Rotations-Umwälzströmung von Fluid in der Säule, die durch die tangentiale Einleitung bewirkt wird, kann zur Bildung eines Wirbelstroms im Zentrum der Reaktorsäule unmittelbar unter dem Einsatz 5 führen. Wenn eine Verlängerung 15 vorhanden ist, wird dieser Effekt durch die Präsenz der eingesetzten Verlängerung 15 minimiert, deren Querschnittsfläche geringer als die Fläche des Einsatzes nahe dem ersten Einlaß ist. Angrenzend an diese Verlängerung 15 kann ein zweiter Einlaß 6 vorgesehen sein, um zusätzliche Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Gas einzuleiten.
Ein zweiter Einlaß 6 kann von der Seite des Reaktors 1 eingeführt werden, oder er kann in Längsrichtung durch die Leitung 6 eingeführt werden. In Fig. 1 verläuft die Leitung 6 durch den Einsatz 5 in den "Wirbelstrom"-Bereich des Reaktors. In Fig. 2 ist der Sekundäreinlaß direkt ins Innere des Einsatzes 5 vorgesehen und verläuft über eine nach unten weisende Öffnung 37 direkt in einen solchen Bereich. Die Wirkung einer solchen nach unten gerichteten Längsströmung ist im wesentlichen dieselbe, wie sie durch die Einlaßleitung 6 erzielt würde.
Jedoch besteht bei einer Einleitung des eingeleiteten Fluids im Gleichstrom oder bei einer Einleitung von der Oberseite des Reaktors oder einer Einleitung des Fluids in Längsrichtung von der Oberseite des Reaktors eine Tendenz dahingehend, daß ein solcher "Wirbelstrom" weiter reduziert und die Drehgeschwindigkeit erhöht wird, und es dadurch zu einer weniger starken Blasenbildung kommt. Ein Einleiten des Fluids im Gegenstrom an diesem zweiten Einlaß füllt den "Wirbelstrom" mit größerer Wahrscheinlichkeit und bewirkt eine höhere Turbulenz, die unter solchen Umständen erwünscht sein kann. Die Reduzierung in der Gesamtdrehung, die durch den gegenströmenden Einlaßstrom bewirkt wird, kann durch Vorsehen eines Rührwerks mit einer relativ geringen Drehgeschwindigkeit kompensiert werden. In der Tat kann ein solches Rührwerk Vorteile beim Dispergieren von Feststoffen aufweisen, wenn diese in irgendeinem oder mehreren der Einlaßströmungen vorhanden sind.
Die durch einen solchen Sekundäreinlaß 6 eingeleitete Flüssigkeitsmenge kann zwischen 5 und 30 Vol.-% der gesamten eingeleiteten Flüssigkeit liegen, obwohl auf dieser Stufe größere oder geringere Mengen hinzugefügt werden können. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise ist das durch die Sekundärleitung 6 eingeleitete flüssige Material identisch mit dem durch den Primäreinlaß 2 eingeleiteten und kann auf eine ähnliche Weise mit Sauerstoff oder Gas angereichert werden.
In Fig. 3 ist eine Alternative zu Fig. 2 dargestellt, bei der der Sekundäreinlaß 6 durch den Einlaß 5 nach unten gerichtet ist. Der Zweck hiervon ist jedoch ähnlich dem der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Die Flüssigkeit und/oder das Gas, die/das an diesem Punkt eingeleitet wird, kann erwärmt werden, um die Flüssigkeit insgesamt im Reaktor zu erwärmen und dadurch die Reaktionsbedingungen in diesem zu optimieren. Als weitere Entwicklung dieses Prinzips kann ein hohler Einsatz 5 einen Raum aufweisen, in den der Sekundäreinlaß 6 mündet, wobei in dem Fall, bei dem dieser Einlaß erwärmt wird, es zu einer Wärmeübertragung auf das Gas/Flüssigkeitsgemisch kommt, das über den Einlaß 2 während seiner stärksten Durchmischungsphase eingeleitet wird. Die durch den Einlaß 6 eingeleitete Flüssigkeit kann dann in den Reaktor über ein Öffnung 37 in der Basis des Einsatzes 5 austreten.
Es wird nun auf Fig. 3 eingegangen, in der ein Tertiäreinlaß 8 gezeigt ist, der dazu dienen kann, Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-/Gasgemisch an einem weiter stromab im Reaktor gelegenen Punkt einzuleiten. Der Tertiäreinlaß 8 umfaßt eine sich zu einem Punkt nahe der Längsachse des Reaktors 1 erstreckende Leitung und ist so konfiguriert, daß er die Flüssigkeit von sich in einer Tangentialrichtung freigibt, um so eine Drehströmung derselben innerhalb der von dem Primäreinlaß 2 und dem Sekundäreinlaß 6 nach unten strömenden Flüssigkeit zu bewirken. Je nach den Erfordernissen des im Reaktor ausgeführten Prozesses kann der Teritäreinlaß 8 so angeordnet sein, daß die Flüssigkeit in einer Richtung eingeleitet wird, die im Gleichstrom oder im Gegenstrom zur Drehströmung der bereits im Reaktor vorhandenen Flüssigkeit eingeleitet wird. Der Zweck dieses Tertiäreinlasses 8 besteht darin, den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit an einem Punkt am unteren Pegel der Schaumbildung zu erhöhen. Die eingeleitete Flüssigkeit kann Wasser oder die zu behandelnde Flüssigkeit oder eine Mischung von Flüssigkeit/Gas oder der zu behandelnden Flüssigkeit sein. Eine alternative Ausführungsform gemäß Fig. 7 weist sowohl Sekundär- als auch Tertiärströmungen in einer Längsrichtung auf.
Bei jeder der Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, nur Flüssigkeit (wie hier und vorher definiert) durch die Leitung 2 in einer Tangentialrichtung in den Einlaßraum 4 mit reduziertem Volumen einzuleiten. Sodann kann Gas, wie z. B. Sauerstoff, wahlweise mit Beimischung einer Flüssigkeit, die eine zu behandelnde Flüssigkeit sein kann, durch das Sekundär-Einlaßsystem über eine Leitung 6 oder über die Öffnung 37 im Einsatz 5 eingeleitet werden. Eine solche Anordnung kann eine weitere Durchmischung von Gas und Flüssigkeit fördern.
Wie aus Fig. 6 und Fig. 6A ersichtlich ist, bei denen die Primäreinleitung über ein Leitungsrohr 2 erfolgt, sind eine Sekundäreinleitung in einer Längsrichtung über eine Einleitung 6 und zwei weitere Einleitungen vorgesehen, und zwar eine dritte bei 8 und eine vierte bei 28. In der gezeigten Ausführungsform ist die dritte Einleitung 8 so eingerichtet, daß sie Fluid in einer Gegenrichtung zur allgemein abwärtsgerichteten Strömung des Reaktors einläßt, während die vierte Einleitung 28 so eingerichtet ist, daß sie eine Einleitung von Fluid in einer Tangentialrichtung ermöglicht, die gegenläufig zu derjenigen der tertiären Einleitung, jedoch gleichläufig mit der der primären Einleitung 2 ist. In beiden Fällen kann zusätzliches Gas durch eine Leitung 38 eingeleitet werden.
Es wird nun auf Fig. 4 eingegangen, in der ein Reaktor gezeigt ist, bei dem eine unterste Zone des Reaktors nahe bei dem Auslaß 3 einen vergrößerten Durchmesser aufweist, um eine Absetzzone 39 zu ergeben. Fluid aus einer solchen Absetzzone 39 kann durch eine Pumpe 40 über ein Leitungsrohr 41 zurückgepumpt und in die Säule an einem beliebigen gewünschten Punkt derselben wieder eingeleitet werden. Fig. 4 zeigt die Wiedereinleitung als einen Einlaß einer vierten Stufe, andere Einlaßpositionen sind jedoch ohne weiteres möglich.
Es wird nun auf Fig. 10 eingegangen, in der eine Vorrichtung zur Behandlung von Klärschlamm oder anderem organischen Abfall dargestellt ist. Der Ausgang 3 des Reaktors 1 führt zu einem zweiten Reaktor in Form eines Tanks 11 mit Rührwerk, in dem der Abfall bzw. das Abwasser eine längere Verweilzeit hat und der bestimmte Gas- Sprinklerstangen bzw. -rohre aufweisen kann, die dazu dienen, die Flüssigkeit mit Gas anzureichern und sie in Bewegung zu halten.
Die auf diese Weise behandelte Flüssigkeit im zweiten Reaktor 11 wird dann über eine Leitung 16 wieder zum Primäreinlaß des ersten Reaktors 1 zurückgeführt.
Zusätzliches Gas kann der einströmenden Flüssigkeit bei Punkt 38 und möglicherweise bei anderen Einlässen hinzugefügt werden. Das zurückgeführte Fluid kann in zwei Fluidströme aufgeteilt werden, von denen einer die zurückgeführte Flüssigkeit tangential mit relativ hoher Geschwindigkeit fördert, und von denen der zweite eine größere Menge zurückgeführter Flüssigkeit ebenfalls tangential, jedoch in den durch den Primäreinlaß erzeugten Kreisstrom fördert.
In einen unteren Teil des Ringraums, der zwischen der Wand des Reaktors und der Einsatz Verlängerung 15 festgelegt ist, kann frische zu behandelnde Flüssigkeit, wahlweise mit der Beimengung von Gas, eingeleitet werden.
Bei dieser Ausführungsform weist die Basiszone 39 des Reaktors nahe dem Auslaß 30 einen vergrößerten Durchmesser auf, um einen Absetzzone bereitzustellen. Das organische Material kann in Lösung oder einer wäßrigen Suspension einer Verbindungsstelle mit einer Einlaßleitung 38 für Gas/Sauerstoff oder Luft zugeführt werden, welche die Einleitung des Gases in die zugeführte Flüssigkeit bei einer Venturi-Verengung oder Lochplatte oder unmittelbar stromauf von dieser ermöglicht, welche dazu dient, das Gas in die Flüssigkeit hineinzuziehen, mit den Durchmischungs/Dispersionsprozeß zu beginnen um sicherzustellen, daß das Gemisch mit der gewünschten Geschwindigkeit in den Reaktor 1 eingeleitet wird. Das Venturi oder die Lochplatte können einen Teil einer verengten Einlaßdüse am Zuführpunkt zur Säule umfassen.
Es ist möglich, zwei oder mehrere solcher Reaktoren in Reihe zu kombinieren, wobei der Auslaß 3 eines ersten Reaktors zu mindestens einem Einlaß eines zweiten ähnlichen Reaktors führt. Dies ist in den Fig. 10 bis 12 dargestellt.
Zusätzlicher Sauerstoff oder zusätzliches Gas können an jedem Punkt zwischen dem Auslaß 3 des ersten Reaktors und dem Einlaß des zweiten Reaktors eingeleitet werden.
Der Auslaß 3 des zweiten Reaktors kann dann in einen Fermentierer übergehen, der die Form eines Tanks 11 mit Rührwerk annehmen kann. Flüssigkeit vom Fermentierer 11 kann zu den Primäreinlässen 2 des ersten Reaktors 1 oder über zweite Einlässe 6 oder dritte Einlässe 8 zu diesem zurückgepumpt werden. In jedem Fall kann zusätzlicher Sauerstoff oder zusätzliche Luft in den Flüssigkeitsstrom vor dem Einleiten durch die zweiten oder dritten Einlässe mittels Gaseinlässen 38 eingeleitet werden.
Bei einer Variante des zweiten Einlasses gibt es einen dritten Einlaß 8, der in der Form teilweise so angepaßt ist, daß er eine Einlaßstrecke 15 umgreift und dadurch seine nachfolgende Einspeisung in einer Tangentialrichtung entweder im Gleichstrom oder im Gegenstrom fördert.
In Fig. 7 ist ein Reaktor dargestellt, der die Merkmale vieler der Ausführungsformen kombiniert, einschließlich dem. Rührwerk, der Einsatzstrecke 15, dem Plenum 39, einer Primäreinspeisung 2 (vorzugsweise aus einer Rcycling-Quelle), die einen Ejektor passiert, um das im Plenum 39 entlüftete Gas mitzureißen, und die daher ein Tertiäreinlaß zum Reaktor an einem unteren Punkt desselben bildet. Bei dieser Ausführungsform ist auch ein Sekundäreinlaß 6 vorgesehen. Der Auslaß 3 kann in einen Rückhaltetank mit Rührwerk übergehen und von diesem nach obiger Beschreibung zurückgeführt werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 8 dargestellt, wobei statt eines ringförmigen Rahmens an der Oberseite eines Reaktors mit im wesentlichen konstantem Durchmesser eine Einlaßzone 14 vorgesehen ist, die durch eine Zone des Reaktors gebildet wird, die einen verengten Außendurchmesser aufweist. Dies dient einem ähnlichen Zweck wie dem des Ringraums der vorausgehenden Ausführungsformen insofern, als es eine Zone mit verengter Querschnittsfläche ist, in der eine stärkere Durchmischung zwischen Gas und Flüssigkeit stattfinden kann. Sekundär- und/oder Tertiäreinlässe, wie sie bei 6 und 8 gezeigt sind, können bei einer solchen Ausführungsform vorgesehen sein.
Die obige Erfindung ist anhand eines vertikalen Gleichlaufreaktors mit abwärts gerichteter Strömung beschrieben worden. Es ist natürlich möglich, einen horizontalen oder im wesentlichen horizontalen Reaktor zu verwenden, wobei in diesem Fall der Reaktor im wesentlichen horizontal ist und ein Einlaß tangential in einen zwischen einer Wand und einem Einsatz 5 gebildeten Ringraum einspeist. Ein Rührwerk kann am stromabseitigen Ende des Reaktors vorgesehen sein, da eine Tendenz besteht, daß sich das Gas- /Flüssigkeitsgemisch trennt, wenn es horizontal durch den Reaktor hindurchläuft. Die Ausführungsform umfaßt eine Sammelzone 25 für solches nicht mitgeführtes Gas, das vorzugsweise über einen Ejektor wieder in den Prozeß zurückgeführt wird.
Wie zu ersehen ist, ermöglicht die Anwendung der vorliegenden Erfindung die Durchführung einer Bioreaktion in einem vergleichsweise geringen Volumen und auf einer im wesentlichen kontinuierlichen Basis mit einem hohen und schnellen Durchsatz. Die vorliegende Erfindung kann natürlich mit anderen herkömmlichen Prozessen zu einem Mehrstufen- Behandlungsprozeß kombiniert werden. In solchen Fällen ist die Umwälzung einiger oder aller Fluide ratsam.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich im wesentlichen, aber nicht notwendigerweise mit der Durchmischung von Gas und Flüssigkeit in einem beschränkten Bereich an einem Ende einer Reaktorsäule. Dies kann eine Blasenzone an diesem Ende der Säule erzeugen, die 0,914 bis 1,219 m (3 bis 4 Fuß) in Tiefe oder Länge aufweisen kann. Diese Blasenzone in dem beschränkten Volumen fördert die gegenseitige Reaktion zwischen dem Gas und der Flüssigkeit aufgrund des großen Grenzflächenbereichs zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, der durch die tangentiale Einlaßströmung gefördert wird.
Im folgenden werden Beispiele der Erfindung gegeben:

UNTERSUCHUNGEN DES STOFFAUSTAUSCHS

Es wurden Untersuchungen des Stoffaustauschs unter Anwendung eines Entwurfs ausgeführt, bei dem die Dispergierung von Blasen über die volle Länge der Säule ausgedehnt werden konnte. Als Angabe des Grades des Gas- Flüssigkeits-Stoffaustauschs wurde der volumetrische Gas- Flüssigkeits-Stoffaustauschkoeffizient (kLa) berechnet.
Zwei klassische Modelle wurden zur Berechnung von kLa verwendet, das Modell der idealen Strömung (plugflow model) und das Modell der vollständigen Durchmischung (completely mixed = (STR) model). Diese sind in den nachstehenden Gleichungen 1 und 2 dargestellt.
Modell der idealen Strömung
Modell der vollständigen Durchmischung
wobei:
K&sub1;a = Volumetrische Gas-Flüssigkeits-Stoffaustauschkoeffizienten (S')
Q = volumetrische Strömungsrate durch den Reaktor (m3S&supmin;¹)
V = Reaktorvolumen (m³)
C* = Gleichgewichtskonzentration von in Flüssigkeit aufgelöstem Gas (mol/l)
Ci = Initialkonzentration von in Flüssigkeit aufgelöstem Gas (mol/l)
Cf = Konzentration von in Flüssigkeit aufgelöstem Gas, das den Reaktor verläßt (mol/l)
Der Reaktor wurde auf einer Basis des einmaligen Durchsatzes betrieben, und die folgenden Betriebsbedingungen wurden für alle Läufe angewandt.
Reaktionstemperatur 10,8-12,5ºC
Reaktionsdruck 89631, 9-165472,2 N/m²(13, 0-24,0 psig)
Säulen-Strömungsrate 3,0-20,0 l/min
Obere Wirbelstromrate 6,0-17,0 l/min
Gas-Füllmenge 35-50%
Zum Vergleich wurde ein herkömmlicher CDC-Reaktor aufgestellt, und die Gas-Flüssigkeits- Stoffaustauschkoeffizienten wurden für den CDC berechnet und verglichen.
Die Ergebnisse sind nachstehend dargestellt.
Es wurden bei der Anwendung beider Modelle sehr hohe Werte von kLa berechnet, was die gute Gas-Flüssigkeits- Kontaktnahme und den effektiven, im Reaktor erzielten Gas- /Flüssigkeits-Stoffaustausch anzeigt.
Im allgemeinen wurden bei Verwendung des Reaktoreinlasses mit breitem Einsatz (Erzielung höherer Rotationsströmungsgeschwindigkeiten) insgesamt im Durchschnitt leicht höhere Werte von kLa ermittelt, wenn man sie mit den berechneten Werten bei Verwendung des Reaktoreinlasses mit einem Einsatz mittlerer Größe vergleicht. Beide dimensionierten Reaktoreinlässe des Entwurfs ergaben bessere Werte von kLa als der herkömmliche CDC, was anzeigt, daß für die Absorption von Sauerstoff in Wasser bei diesem Reaktor ein besserer Gas-Flüssigkeits- Stoffaustausch als bei dem CDC-Reaktor erzielt wurde.
Es ist auch anzumerken, daß es schwerlich zu einem Kollabieren der Dispergierung und zu einer Bildung von Gastaschen kam. Falls jedoch Gastaschen gebildet wurden, war es sehr leicht, die stabile Blasendispergierung durch Erhöhen entweder der longitudinalen Flüssigkeits-Strömungsrate oder der tangentialen Strömungsrate zurückzugewinnen.
In einem Versuch, die Stoffaustauschfähigkeiten des Reaktors weiter zu verbessern, wurde eine "Wirbel"-Strömung an einem unteren Punkt des Reaktors in das Reaktorsystem über einen tangentialen Einlaß von 3 mm eingegliedert. Der durch den tangentialen Einlaß geschaffene Strahl erlaubte ein höheres Maß an Blasenschub und Turbulenz im unteren Bereich der Säule und folglich eine Erhöhung des Grades an Gas-Flüssigkeits-Stoffaustausch weiter unten in der Säule.
Infolge der Beschränkungen der Reaktor-Systempumpe wurden die Rotationsströmungsraten am Boden des Reaktors von zwei bis vier 1/min variiert.
Der folgende Bereich von kLa-Werten wurde für den "Wirbelstrom"-Betrieb berechnet:
Wiederum wurden hohe Werte von kLa sowohl unter Verwendung von STR- als auch Idealströmungsmodellen ermittelt, was ein gutes Gas-/Flüssigkeitsgemisch und einen wirksamen Gas-/Flüssigkeitsaustausch anzeigt, ebenso wie sich hohe Werte von kLa ergeben. Eine "Wirbel"-Strömung im unteren Bereich der Säule weist auch den zusätzlichen Vorteil auf, das Gas im Reaktor zurückzuhalten und eine 100%ige Verwendung des Gases selbst bei hohen Säulen-Strömungsraten zu ermöglichen.
Wie im Fall der vorangehenden Untersuchungen ist ersichtlich, daß bei Verwendung des Reaktoreinlasses mit breitem Einsatz geringfügig bessere Werte von kLa erhalten wurden.
Beispiele werden nachstehend gegeben.

Berechnung von KLa

(Erläuterungen zu den nachstehenden Tabellen)
C* - Gleichgewichtskonzentration von Sauerstoff in Wasser
Ci = Konzentration von Sauerstoff in Wasser am Reaktoreinlaß
Cf = Konzentration von Sauerstoff in Wasser am Reaktorauslaß
Fc = Strömungsrate von abwärtsgerichtetem Flüssigkeitsstrom
Fst = "Wirbelstrom"-Rate an Reaktoroberseite
Fsb = "Wirbelstrom"-Rate an Reaktorunterseite
Hd = Höhe der Blasendispergierung
Eg = Gas-Füllmenge
Q = gesamte Flüssigkeitsströmung in den und aus dem Reaktor
Vr = Volumen des Reaktors
kLa(pf) = Gas-Flüssigkeits-Stoffaustauschkoeffizient, berechnet bei klassischem Idealströmungsmodell
kLa(str) = Gas-Flüssigkeits-Stoffaustauschkoeffizient, berechnet bei klassischem Str-Modell
Läufe ag - aj: Klassischer CDC
Läufe ak - no: Verwendung von Boden-Wirbelströmung und breitem Einsatz
Läufe ap - au: Verwendung von Boden-Wirbelströmung und Einsatz mittlerer Größe
Wegen der vergleichsweise hohen Einlaßgeschwindigkeit in einen verengten Bereich erfolgt eine erhöhte Durchmischung der Komponenten, eine größere Turbulenz und dadurch eine höhere Lösungsrate von Sauerstoff/Luft/Gas in der Flüssigkeit. Da sich das Blasengemisch von der Einlaßzone nach unten oder nach außen bewegt, ist seine Abwärtsströmungsrate größer als die Abwärtsströmungsrate an einer mittleren Zone der Säule. Dies schränkt die Rate des Aufstiegs von Blasen im Einlaßabschnitt mit verengtem Bereich ein und wirkt dadurch jeglicher fortlaufender Ansammlung von Gas an der Oberseite oder am Einlaßende der Säule entgegen.
Um die Blasenentwicklung im Gemisch zu steuern, hat sich herausgestellt, daß es in einigen Fällen von Vorteil sein kann, nur am Primäreinlaß 2 Flüssigkeit einzulassen und Gas oder Gas und Flüssigkeit am Sekundäreinlaß 6 einzulassen.
Weiteres Gas und/oder Flüssigkeit kann an dem dritten und weiteren Einlässen 8 eingeleitet werden.
Bei Abwesenheit des verengten Bereichs der Einlaßzone der vorliegenden Erfindung könnte man erwarten, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder der Flüssigkeit/des Gases nach unten in der Größenordnung von 10 cm/sec. liegen würde. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, daß aufgrund des verengten Bereichs an der Oberseite der Säule die Strömungsgeschwindigkeit nach unten mindestens doppelt so groß sein kann. Da davon ausgegangen wird, daß Blasen von 3 bis 5 mm in Wasser mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/sec. aufsteigen, ist es sehr unwahrscheinlich, daß solche Blasen in und durch den verengten Bereich der Einlaßzone aufsteigen. Größere Blasen können in Wasser mit einer geringfügig größeren Geschwindigkeit, z. B. 20 bis 30 cm/sec., aufsteigen, ein Vorteil der Erfindung besteht jedoch darin, daß die Bildung großer Blasen durch die Einleitgeschwindigkeit des Fluidgemischs und möglicherweise auch das Vorhandensein von Säulenwand-Oberflächenwirkungen vermieden wird. Die Viskosität der Mischung wird natürlich durch jegliche Präsenz festen Materials in dieser sowie durch die Rotationsströmungsrate der Einlaßfluidströmung erhöht.
Die hohe Geschwindigkeit des Fluidumlaufs in der Einlaßzone mit einem verengten Bereich zusammen mit dem Bereitstellen einer aufgerauhten Oberfläche redispergiert erwartungsgemäß etwaige große Blasen, z. B. einer Größe von mehr als 5,0 mm. Daher besteht, wie oben beschrieben, eine geringere Tendenz, daß das Gas durch die Säule aufsteigt.
Bei Systemen, bei denen größere Blasen zu erwarten sind, kann es von Vorteil sein, nur einen Sekundärstrom von Flüssigkeit in den anfänglichen verengten Raum der Einlaßzone einzuspeisen, und das Gas-/Flüssigkeitsgemisch in den verengten Raum an einem niedrigeren oder stromabwärtigen Punkt desselben einzuspeisen.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist ein unteres oder stromabwärtiges Ende der Säule vorgesehen, das einen größeren Durchmesser und daher ein größeres Volumen aufweist. Dieses oder die Präsenz eines Rührwerks in diesem Raum kann bewirken, daß kleine, abwärtsströmende Blasen von z. B. 1 mm Durchmesser sich zusammenballen, wobei in diesem Fall die größeren, zusammengeballten Blasen, die, wie oben erwähnt, leichter aufsteigen, in der Tat aufsteigen und mit weiterer, an einem mittleren Punkt des Reaktors eingeleiteter Flüssigkeit reagieren.
Der Verlängerungsteil 15 des Einsatzes wirkt jeder Tendenz der Wirbelstrombildung über die gesamte Blasenformstruktur hinweg entgegen, die eine Tiefe von etwa 0,914 bis 1,219 m (3 und 4 Fuß) haben kann. Ferner kann ein solcher Einsatz die Turbulenz und das Durchmischen im Zentrum der Säule verstärken. Dieser letztere Effekt kann weiter verstärkt werden, indem der Einsatz mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen wird. Damit füllt die Präsenz der eingesetzten Verlängerung 15 jede Leere, die durch die Umlaufströmung des Fluids verursacht werden könnte, und gestattet eine höhere Umlaufrate in der Säule.
Falls eine höhere Gas-Lösefähigkeit erforderlich ist, kann die vorliegende Erfindung bei einem Druck betrieben werden, der höher als der atmosphärische Druck liegt. Die Energieanforderungen des Prozesses sind geringer als die bei einer herkömmlichen Vorrichtung des Typs mit einem oder mehreren größeren Haltereaktoren mit Gasverteilung. Dies ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, daß der Prozeß in einer kürzeren Gesamtreaktionszeit ausgeführt werden kann und der Rührvorgang in den Haltereaktoren weniger stark sein muß.
Wie beschrieben wurde, besteht eine ziemlich starke Differenz in den Strömungsmustern zwischen dem Reaktor der vorliegenden Erfindung und den im UK Patent Nr. 1596738 und dem US Patenten Nr. 4834343 beschriebenen. Bei der vorliegenden Anmeldung wird der nach unten strömende Strahl dispergierten Gases als kleine Blasen durch einen abwärts gerichteten Strom vergleichsweise geringen Sauerstoffgehalts umgeben. In den beiden oben genannten Patenten jedoch ist der nach unten strömende Strahl dispergierten Gases durch eine Umwälzströmung von unten in der Säule umgeben, der eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist. Daher ist bei der vorliegenden Erfindung der Sauerstoff-Konzentrationsgradient von dem Strahl zu der umgebenden Flüssigkeit größer als bei den vorgenannten Patenten, womit er einen Stoffaustausch unterstützt, insbesondere oben an der Säule, wo der Gesamt- Sauerstoffkonzentrationspegel geringer ist. Bei der die Erfindung verkörpernden Vorrichtung trägt die Drehung des abwärtsströmenden, langsamen Sauerstoffstroms, welcher den Strahlstrom umgibt, zur Stabilität der Säule bei.

Claims

1. Verfahren für das Kontaktieren eines Gases mit einer Flüssigkeit unter Einsatz eines in Längsrichtung im wesentlichen zylindrischen Reaktors mit einem Einlaßbereich neben einem ersten oberen Ende desselben mit Einleitung einer ersten Strömung in den besagten Einlaßbereich in einer im wesentlichen tangential zur Längsachse des Reaktors verlaufenden Richtung, so daß die besagte erste Strömung im besagten ersten Einlaßbereich eine Kreisströmung wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, aus einem Gasstrom bestehende und als Option mit Flüssigkeit mischbare Strömung in einer im wesentlich axial verlaufenden Richtung durch einen zweiten, in einem Zwischenbereich des besagten Reaktors angrenzend an einem Ende der Einlaßregion liegenden Einlaß eingeleitet wird, daß die besagte zweite Strömung eine nach unten weisende Geschwindigkeitskomponente hat, der Einlaßbereich einen reduzierten Querschnittsbereich aufweist, und daß die besagte erste Strömung wenigstens einen Teil der Flüssigkeit, als Option mit einem Teil des Gases, enthält, und dadurch, daß die erste Strömung mit einer so hohen Geschwindigkeit eingeleitet wird, daß mögliche, sich im Einlaßbereich ansammelnde große Gasblasen wieder dispergiert werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strömung gegenüber der ersten Strömung entweder im wesentlichen in Längsrichtung des Reaktors oder als Parallel-Kreisströmung oder Gegenströmung geführt wird und an dem Punkt eingeleitet wird, an dem der erste Kreisstrom in dem Reaktor mittig die Bildung eines Wirbels bewirken würde.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strömung aus Gas und Flüssigkeit besteht, die anfänglich an einer Venturiverengung oder eine Blende kombiniert werden, die sich an oder stromaufwärts von der Einlaßregion befindet und so die Dispergierung des Gases und die Bildung nur von kleinen Blasen bewirkt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases/der Flüssigkeit an der Verengung höher als 150 cm/s ist.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den zweiten Einlaß eingeführte Gas bzw. die Flüssigkeit so erwärmt wird, daß die Gesamttemperatur der Flüssigkeit im Reaktor ansteigt.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß durch einen dritten Einlaß in einem Mittelbereich des besagten Reaktors zusätzliche Flüssigkeiten bzw. Gase tangential zur Längsachse des Reaktors entweder als Parallelstrom zu dem bereits erzeugten Kreisstrom oder im Gegenstrom zu dem bereits erzeugten Kreisstrom eingeleitet werden.

7. Verfahre gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Reaktor eingesetzt wird und ein Ausgangsstrom aus dem ersten Reaktor in den zweiten Reaktor eingeleitet wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strömung aus dem zweiten Reaktor rezirkulierte Flüssigkeit wie hier definiert enthält, und daß die zweite Strömung Gas und frische, zu behandelnde Flüssigkeit enthält.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strömung aus dem zweiten Reaktor rezirkuliertes, mit Flüssigkeit gemischtes Gas wie hier definiert enthält, und daß die erste Strömung frische, zu behandelnde Flüssigkeit enthält,

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Flüssigkeit um organische Abfälle wie z. B. Klärschlamm handelt,

11. Vorrichtung für das Kontaktieren eines Gases mit einer Flüssigkeit, bestehend aus einem länglichen Reaktor (1), Einlaßmitteln (2) neben seinem ersten oberen Ende und Auslaßmitteln (3) neben seinem zweiten Ende, wobei die Einlaßmittel einen Einlaß für eine Gas enthaltende Flüssigkeit aufweisen, so daß die ankommende Flüssigkeit tangential zur Längsachse des Reaktors und in eine Einlaßzone (4) desselben eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßmittel Vorrichtungen für das Mitreißen des Gases durch die Flüssigkeit aufweisen, daß die Einlaßzone (4) einen kleineren Öffnungsquerschnitt als den des größeren Teiles des Reaktors (1) hat, daß ein zweiter Einlaß (6) angrenzend an einem in Längsrichtung stromabwärts angeordneten Ende des Reaktors angeordnet ist, über den Gas, oder als Option Flüssigkeit in einer im wesentlichen axial nach unten verlaufenden Richtung eingeleitet werden kann, und daß die Einlaßzone eine Querschnittsfläche aufweist, die sich entweder allmählich oder stufenweise mit der Entfernung von den Einlaßmitteln (2) vergrößert.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßzone (4) einen Ringraum neben dem ersten Ende des Reaktors aufweist, wobei besagter Ringraum einen Außendurchmesser hat, der im wesentlich dem des Reaktors entspricht, und einen Innendurchmesser, der durch einen im wesentlichen zylindrischen, kegeligen oder kegelstumpfartigen Einsatz (5) oder einen Einsatz (5), gebildet wird, der diese Merkmale kombiniert.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (5) eine wellige Oberfläche oder eine Oberfläche mit Protuberanzen aufweist, die die Turbulenz steigern sollen.

14. Vorrichtung gemäß Ansprüch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Einlaß (6) in Längsrichtung in den Reaktor erstreckt und durch den Einsatz (5) hindurchgeht.

15. Vorrichtung zur Durchführung einer Bioreaktion unter Beteiligung eines Gases und einer Flüssigkeit gemäß der vorigen Definition, bestehend aus einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen zweiten Reaktor (11) mit Einlaßmitteln aufweist, die an die Auslaßmittel (3) des besagten ersten Reaktors angeschlossen sind, wobei der besagte zweite Reaktor mit einem internen Rührwerk und einem Auslaß ausgestattet ist.