CH507734A - Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärmeaustauschvorgängen zwischen Gasen und Flüssigkeiten - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärmeaustauschvorgängen zwischen Gasen und Flüssigkeiten
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärme übergangsvorgängen zwischen Gasen und Flüssigkeiten in Blasensäulen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die in der Blasensäule aufsteigenden Gasblasen an der Unterseite von waagrechten, porösen, den gesamten Säulenquerschnitt bedeckenden Einbauten, wie Siebplatten, Siebe, Streckmetall, Fritten oder anderen Körpern mit offener Porosität, zu je einem geschlossenen Gaspolster vereinigt und mit Hilfe der Einbauten in die darüberliegende Flüssigkeitsschicht neu dispergiert, wobei die Förderung der gasförmigen und flüssigen Phase durch die Blasensäule mit Hilfe von periodisch aufeinanderfolgenden Druckstössen, die dem Säuleninhalt mitgeteilt werden, erfolgt.



   Die von einem Einbauelement entbundenen Gasblasen können ungehindert in der - zwischen je zwei Einbauelementen vorhandenen - Flüssigkeitsschicht aufsteigen und werden an der Unterseite des nächsten Einbauelementes gesammelt und zu einem geschlossenen Gaspolster vereinigt. Dieses Gaspolster wird dann zufolge eines Druckstosses durch das Einbauelement gepresst und dadurch zu Blasen zerteilt, worauf es in die darüber liegende Flüssigkeitsschichte eintritt.



   Das erfindungsgemässe Verfahren bedient sich einer modifizierten Blasensäule, um durch eine besondere, für Gas-Flüssig-Systeme neuartige Betriebsweise desselben einen im Vergleich zu den bisher bekannten Bauarten wesentlich verbesserten Kontakt zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase zu ermöglichen.



   In den beiliegenden Zeichnungen ist in Fig. 1 eine konventionelle Blasensäule, in Fig. 2 eine Blasensäule nach dem Mehrstufenprinzip zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt. Die Fig. 3 und 4 erläutern die Betriebsweise bei alternierendem Durchsatz von Gas und Flüssigkeit, die Fig. 5 bis 9 die Betriebsweise bei Wechsel zwischen zwei Druckniveaus mittels gesteuerter Ventile. Schliesslich sind in den Fig. 10 bis 13 weitere, im Mehrstufenblasenreaktor mögliche Betriebszustände dargestellt.



   Blasensäulen der konventionellen Bauart (Fig. 1) sind vertikale, meist zylindrische Behälter 1, welche zum Teil mit einem flüssigen Medium 2 gefüllt sind.



  Am Boden dieser Apparate wird die gasförmige Phase 3, in der Folge als Gas bezeichnet, in das fluide Medium, in der Folge als Flüssigkeit bezeichnet, eingedüst und steigt dann in Form einzelner Gasblasen 4 in dem mit Flüssigkeit erfüllten vertikalen Reaktorraum ungehindert auf, solcher Art die Blasensäule ausbildend. Die angestrebte feine Verteilung des Gases wird bei seinem Eintritt in die Flüssigkeit durch die Verwendung eines Verteilers 5 wie etwa Düsen, Siebplatten, Sieben, Filterkerzen, Glasfritten, Sintermetallplatten oder anderen Körpern mit offener Porosität erreicht.



  An der Flüssigkeitsoberfläche 6 verlassen die Gasblasen die Flüssigkeit und werden wieder als geschlossene Gasphase aus der Säule abgezogen 7. Die Flüssigkeit wird bei 8 der Säule zugeführt und bei 9 abgezogen.



   Da, wie bekannt, Wärme- und Stoffaustauschvorgänge zwischen Gas- und Flüssigkeit nur an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen vorsichgehen können, ist man bestrebt, Phasengrenzfläche pro Einheit Säulenvolumen möglichst gross zu halten. Zu diesem Zweck wird der durchgesetzte Gasstrom in der Säule zu Blasen verteilt. Die Summe aller Blasenoberflächen ergibt die für die Austauschvorgänge zur Verfügung stehende Phasengrenzfläche. Je kleiner die Gasblasen sind, umso grösser wird die pro Volumeinheit Säule vorliegende Phasengrenzfläche, in der Folge  spezifische Oberfläche  genannt.



   In den üblichen Blasensäulen ist die Blasengrösse - und damit die spezifische Oberfläche - vom Gasdurchsatz abhängig; die spezifische Oberfläche nimmt mit steigendem Durchsatz ab (Kölbl et al., Chemie Ing. Technik 33, 668-675  [ 1961 ] ). Der Wirkungs  grad ist somit von der Gasbelastung abhängig. Im Bereich hoher Blasendichte bilden sich in der Blasensäule sogenannte Aufwärtsschläuche, in welchen das Gas auf dem Wege des geringeren Widerstandes fast ohne Kontakt die Flüssigkeit durchtritt. Solche Inhomogenitäten in Gasverteilung und Aufstiegsgeschwindigkeit erfassen bei hohen   Gasdurchsätzen    bald den gesamten   Säulenquerschnitt    und vermindern den Wirkungsgrad der Anordnung erheblich.



   Grosse Blasen führen weiterhin dauernd Flüssigkeit in Form von Totwasser von der Bodenfläche zur Oberfläche, es kommt zu einer Flüssigkeitszirkulation in der ganzen Säule, die dem Gasdurchsatz proportional ist. Eine Gegenstrom-Gas-Flüssigkeit lässt sich in solchen Säulen nur bedingt realisieren.



   Die im folgenden beschriebene, der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende  Mehrstufenblasensäule  (Fig. 2) enthält Einbauten 10, durch welche die aufsteigenden Gasblasen 4 zu einem geschlossenen Gaspolster 11 gesammelt werden und aus diesem wieder neu dispergiert in die darüberliegende Flüssigkeit 2 entlassen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die über die Höhe der Säule verteilten Einbauten 10, wie z. B. Siebplatten, Siebe, Streckmetall, Fritten und andere Körper mit offener Porosität, den aufsteigenden Gasblasen 4 so viel Widerstand entge   gesetzen,    dass diese sich unterhalb des jeweiligen Einbauelementes 10 zu einem Gaspolster 11 vereinigen, der durch periodisch abfolgende Druckstösse durch die darüberliegenden Einbauelemente 10 gepresst wird, wodurch die Gasphase neu dispergiert wird.

  Dieser Vorgang wird über die Höhe der Säule gesehen mehrfach wiederholt.



   Die oben erwähnten Druckstösse können entweder erzeugt werden durch eine Auf- und Abwärtsbewegung der Einbauelemente, was durch eine gemeinsame mechanische Führung und Bewegung durch beispielsweise eine Nockenwelle bewirkt wird, wobei die Einbauelemente, wie perforierte Stempel eines Kolbenverdichters wirken ferner durch eine Auf- und Abwärts   bewegung    der Flüssigkeitssäule, die dadurch zustande kommt, dass der Flüssigkeitsinhalt beispielsweise mit einer ventillosen Membran- oder Flüssigkeitspumpe in Verbindung steht, die den Kolonneninhalt hebt und senkt, oder schliesslich durch ein alternierendes Durchsetzen von Gas und Flüssigkeit (Fig. 3 und 4).

  Die letztgenannte Betriebsweise ist dadurch charakterisiert, dass einmal die beiden Steuerventile (Fig. 3: 12, 13) für die Gasphase kurzzeitig geöffnet werden, wodurch das Gas durch die Flüssigkeit aufwärtsströmt (Betriebszustand   Fig. 11)    und anschliessend daran die beiden Steuerventile für die   Flüssigkeit    (Fig. 4: 14, 15) geöffnet werden, wobei die bei 14 eingepresste Flüssigkeit einen in Fig. 13 charakterisierten Betriebszustand erzeugt und eine gleiche Menge Flüssigkeit am unteren Kolonnenende wie in Fig. 4 dargestellt bei 15 austritt.



   Auch ein periodischer Wechsel zwischen zwei, den Betriebsbedingungen angepassten Druckniveaus in der Blasensäule kann mittels gesteuerter Ventile verwirklicht werden (Fig. 5 bis 9). Dieser Wechsel wird durch ein Einpressen des Gases durch das Steuerventil 12 beim Druck des höheren Druckniveaus (P5) am unteren Säulenende   (Fig.    5) hervorgerufen. Nach erfolgtem Druckausgleich   (P.    bis P) innerhalb der   Mehrstufen    blasensäule   (Fig.    6) erfolgt ein Entspannen durch kurzes Öffnen des Gasauslasssteuerventils 13 (Fig. 7) am Kopf der Säule. Nach Schliessen von 13 erfolgt abermals Druckausgleich (Fig. 8) zum niederen Druckniveau   (P.s    bis P) Fig. 9. Es ist somit in Fig. 9 der Ausgangszustand für den bereits in Fig. 5 beschriebenen Schritt wiederhergestellt.

  Die Druckdifferenz zwischen den genannten Druckniveaus kann ein Vielfaches des blossen Druckabfalles über die Kolonnenhöhe ausmachen.   Zwi    schen der Entspannungs- und Kompressionsphase (Fig. 5 und 7) kann ein Transport der Flüssigkeit über die Steuerventile 14 und 15 stattfinden.



   Das Prinzip des Gegenstromes von Gas und   Flüssig-    keit kann auch in einer Mehrstufenblasensäule in der Weise aufrechterhalten werden, dass die periodisch abfolgenden Druckstösse je nach Auf- oder   Abwärtsbewe-    gung eine Phase bevorzugt fördern (Fig. 10 bis 13), wobei jedoch der Mengenstrom der zweiten Phase nicht völlig zum Erliegen kommen muss: Fig.   10      Stationär-    zustand, Fig. 11 Druckstoss aufwärts, bewirkt Förderung des Gases, Fig. 12 Stationärzustand, Fig. 13 Druckstoss abwärts bewirkt Förderung der Flüssigkeit.



   Durch das Neudispergieren der Gasphase an jedem Einbauelement werden jeweils Blasen mit neuer Oberfläche gebildet, d. h. dass jeder Säulenstufe eine frische Phasengrenzfläche für Stoff- oder Wärmeaustausch zur Verfügung steht. Die mehrmalige Neubildung der Gasblasen auf ihrem Weg durch die Säule verstärkt jene den   Stoffaustansdl    positiv beeinflussenden Effekte, die im Moment der Bildung einer Gasblase und unmittelbar danach auftreten (Blasenoszillation, Status nascens-Aktivität).



   In konventionellen Blasensäulen (Fig. 1) werden die aufsteigenden Gasblasen zufolge der Abnahme des hydrostatischen Druckes stetig grösser. Grosse Blasen sind jedoch unerwünscht. Wie bekannt, wächst die Oberfläche einer Blase (Kugel) nur proportional dem Quadrat, das Volumen jedoch mit der 3. Potenz des Durchmessers. Daraus ist ersichtlich. dass die in einer grossen Blase eingeschlossene Gasmenge mit wesent   lich    weniger Oberfläche ausgestattet ist, als dies der Fall wäre,   wenn dieselbe    Gasmenge auf mehrere kleine Blasen verteilt sein sollte. Es gilt daher auch das Grösserwerden der einzelnen Blasen zu unterbinden.



  Dies wird in der Mehrstufenblasensäule (Fig. 2) dadurch erreicht, dass die durch die Abnahme des hydrostatischen Druckes bedingte Volumzunahme der Gasphase in einer Vermehrung der kleinen Blasen und nicht in ihrer Vergrösserung untergebracht wird. Dadurch bleibt die mittlere Blasengrösse in allen   Flüssig-    keitsstufen gleich, da der relativ geringe hydrostatische Druckabfall innerhalb einer Stufe die Blasengrösse und damit die spezifische Oberfläche nicht nachteilig beeinflusst.



   Aus dem bisher Erläuterten folgt, dass durch das Mehrstufenprinzip ein verbesserter Stoff- und Wärmeaustausch erzielt wird, der in weiterer Folge dazu führt, dass sich bei gleichem Säulenvolumen eine   grö-      ssere    Leistung oder für gleiche Leistung ein kleineres Säulenvolumen ergibt.



   Der Wirkungsgrad der Mehrstufenblasensäule ist von der Gasbelastung in weiten Grenzen unabhängig, da die Abfolge der Druckstösse dem Durchsatz so angepasst werden kann, dass auf jeder Stufe stets eine gleichbleibende mittlere Blasengrösse erzeugt werden kann.



   Bei grösseren Gasbelastungen verhindern die Einbauelemente eine Bildung von Strömungen grosser Blasendichte, sogenannten  Aufwärtsschläuchen , welche  in konventionellen Blasensäulen auch zu einer Wirkungsgradverminderung führen.



   Die Mehrstufenblasensäule gestattet auch eine Beeinflussung der Reaktionsführung durch Massnahmen, welche der konventionellen Blasensäule verschlossen sind:
1. Möglichkeit der Einstellung eines Rückmischungsgrades, bzw. Ausschaltung desselben dadurch, dass das pro Druckstoss geförderte Volumen entweder grösser als das Gaspolstervolumen - rückmischungsfördernd oder kleiner - rückmischungshemmend - gewählt wird.



   2. Möglichkeit des Einbaues einer Gas- und/oder Flüssigkeitsinjektion in jede beliebige Stufe der Säule, wobei bereits in der nächstfolgenden Stufe eine Durchmischung des Haupt- und des Teilstromes gewährleistet ist.



   3. Einfluss auf die Art der Druckstösse, durch Wahl ihrer Frequenz, Amplitude sowie der Zeitfunktion der Amplitude.



   Die beschriebene Mehrstufen-Betriebsweise, sowie die zu ihrer Durchführung nötigen apparativen Einrichtungen können auch dann angewendet werden, wenn die flüssige Phase fein dispergierte Feststoffe, wie etwa Katalysatorteilchen, enthält.



   Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch bei erhöhtem oder vermindertem Druck, resp. unter Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr durchgeführt werden.



   Beispiel I
In eine Blasensäule von 100 mm Innendurchmesser und einem Flüssigkeitssatz von 20 1 wurde eine 0,2molare Natriumsulfit-Lösung unter Beigabe einer 0,002molaren Kupfer-(II)-Sulfatlösung, die katalytische Wirkung hat, bei Raumtemperatur mit atmosphärischer Luft bei einer querschnittsbezogenen Gasbelastung von 2,7 cm/sec oxydiert.



   Die Reaktion war nach 215 Minuten praktisch beendet.



   Beispiel 2
Oxydation von Natriumsulfit wie in Beispiel 1; die Säule ist mit 5 Lochplatten von etwa 9   %    freier Querschnittsfläche ausgestattet, wobei im Reaktionsrohr auf diese Weise Stufen von je 620 mm entstehen. Die erforderlichen Druckstösse wurden mit einer Frequenz 60 Takten/Minute und einer Hubhöhe von 4 cm im Säuleninneren aufgebracht. Durch diese   erfindungsge-    mässen Massnahmen verkürzte sich die Reaktionszeit für die gesamte Einsatzmenge sowie im Beispiel 1, auf weniger als 50 Minuten.



   Im folgenden werden einige Beispiele von technischen Verfahren angeführt, die mit Hilfe von Blasen säulen durchgeführt werden können:
Oxydation von Athylen mit Luft zu Acetaldehyd in salzsaurer Palladium-Kupferchlorid-Lösung der Farbwerke Hoechst AG.,
Oxydation von Butan mit Sauerstoff angereicherter
Luft in flüssiger Phase zu einem Gemisch von Säuren, Ketonen und Estern,
Oxydation von Cyclohexan mit Luft in flüssiger Phase zu Cyclohexanol und Cyclohexanon,
Fischer-Tropschsynthese in der Flüssigphase mit suspendierten festen Katalysatoren,
Synthese von Paraffinen, Olefinen und sauerstoffhaltigen Verbindungen aus Kohlenmonoxyd und Wasserdampf, katalytische Gasphasenoxydation von Butenen zu Essigsäure,
Hydrierung pflanzlicher Öle,  Frischen  von Stahl, Oxydation von Bitumen und Naphthalin, Halogenierung von Kohlenwasserstoffen, oxidative Behandlung von Abwässern und andere mehr.



   Ausserdem können noch Absorptionsvorgänge in solchen Säulen durchgeführt werden, wie sie bei Salpetersäureherstellung und der Entschwefelung von Gasen auftreten.



   Für jeden Prozess der in einer konventionellen Blasensäule durchgeführt werden kann, ist auch das Mohrstufenprinzip vorteilhaft anwendbar. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Verfahren zur Durchführung von Stoff- und/oder Wärmeaustauschvorgängen zwischen Gasen und Flüssigkeiten in Blasensäulen, dadurch gekennzeichnet, dass man die in der Blasensäule aufsteigenden Gasblasen an der Unterseite von waagrechten, porösen, den gesamten Säulenquerschnitt bedeckenden Einbauten zu je einem geschlossenen Gaspolster vereinigt und mit Hilfe der Einbauten in die darüberliegende Flüssigkeitsschicht neu dispergiert, wobei die Förderung der gasförmigen und der flüssigen Phase durch die Blasensäule durch periodisch aufeinanderfolgende Druckstösse erfolgt, die dem Säuleninhalt mitgeteilt werden.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass man als poröse Einbauten Siebplatten, Siebe, Streckmetallkörper, Fritten oder andere Körper mit offener Porosität verwendet.

   2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstösse durch eine Auf- und Abwärtsbewegung der Flüssigkeitssäule oder der Einbauten oder durch ein alternierendes Durchsetzen von Gas und Flüssigkeit erzeugt werden.

   3. Verfahren nach Patentanspruch oder Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung der beiden Phasen durch die Säule auf Grund eines periodischen Wechsels zwischen zwei Druckniveaus durch alternierendes Einpressen der Gasphase am unteren Ende der Säule und Entspannen am oberen Säulenende erfolgt, wobei die Förderung der flüssigen Phase während der Schliesszeiten der Steuerventile für die Gasphase vorgenommen werden kann.

   4. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Beeinflussung der Reaktionsführung Gas bzw. Flüssigkeit in beliebigen Stufen der Säule eingeführt und/oder abgezogen wird.