CS222806B1

CS222806B1 - Equipment for intensive gas-liquid contact in heavily foamed systems

Info

Publication number: CS222806B1
Application number: CS421881A
Authority: CS
Inventors: Jan Kratochvil; Jindrich Zahradnik; Frantisek Kastanek; Milan Rylek; Jan Cermak
Original assignee: Jan Kratochvil; Jindrich Zahradnik; Frantisek Kastanek; Milan Rylek; Jan Cermak
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1983-07-29

Abstract

Předmětem vynálezu je zařízení pro intenzívní kontakt plynu s kapalinou v silně pěněných systémech založené na principu kombinace dvou režimů mezifázového kontaktu, tj. režimu probublávání a sprejového režimu v jedné kontaktní nádobě. Zařízení sestává z kontaktní nádoby, jejíž spodní část je naplněna plynokapalinovou směsí se spojitou kapalnou fází, z čerpadla pro cirkulaci kapaliny z kontaktní nádoby přes ejektor, zařazený do cirkulačního okruhu jako rozdělovač plynu, přičemž v horní části nádoby je nad plynokapalinovou vrstvou umístěn systém trysek pro rozstřikování části kapaliny odvětvené z hlavního cirkulačního okruhu. Konstrukce zařízení podle vynálezu je blíže vysvětlena v popisu s přihlédnutím k obrázku.The subject of the invention is a device for intensive contact of gas with liquid in strongly foamed systems based on the principle of combining two modes of interphase contact, i.e. the bubbling mode and the spray mode in one contact vessel. The device consists of a contact vessel, the lower part of which is filled with a gas-liquid mixture with a continuous liquid phase, a pump for circulating the liquid from the contact vessel through an ejector, included in the circulation circuit as a gas distributor, while in the upper part of the vessel a system of nozzles is placed above the gas-liquid layer for spraying a part of the liquid branched off from the main circulation circuit. The design of the device according to the invention is explained in more detail in the description with reference to the figure.

Description

Předmětem vynálezu je zařízení pro intenzívní kontakt plynu s kapalinou v silně pěněných systémech založené na principu kombinace dvou režimů mezifázového kontaktu, tj. režimu probublávání a sprejového režimu v jedné kontaktní nádobě. Zařízení sestává z kontaktní nádoby, jejíž spodní část je naplněna plynokapalinovou směsí se spojitou kapalnou fází, z čerpadla pro cirkulaci kapaliny z kontaktní nádoby přes ejektor, zařazený do cirkulačního okruhu jako rozdělovač plynu, přičemž v horní části nádoby je nad plynokapalinovou vrstvou umístěn systém trysek pro rozstřikování části kapaliny odvětvené z hlavního cirkulačního okruhu.The object of the invention is a device for intensive gas-liquid contact in heavily foamed systems based on the principle of a combination of two interfacial contact modes, ie the bubbling mode and the spray mode in a single contact vessel. The apparatus consists of a contact vessel the bottom of which is filled with a gas-liquid mixture with a continuous liquid phase, a pump for circulating the liquid from the contact vessel via an ejector connected to the circulation circuit as a gas distributor, with a nozzle system above the gas-liquid layer. spraying part of the liquid branched from the main circulation circuit.

Konstrukce zařízení podle vynálezu je blíže vysvětlena v popisu s přihlédnutím k obrázku.The construction of the device according to the invention is explained in more detail in the description with reference to the figure.

'·>·,.^3 ''·> ·. ^ 3'

Vynález se týká zařízení pro intenzívní kontakt plynu s kapalinou v silně pěnivých systémech.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for intensive contact of gas with liquid in highly foaming systems.

V probublávaných reaktorech, široce využívaných pro reakce v systémech plyn-kapalina, dochází ke kontaktu plynné a kapalné fáze v plynokapalinové disperzi, kde plynná fáze je rozptýlena ve formě bublin generovaných různým způsobem ve spodní části tělesa reaktoru. Tento druh reaktorů je vhodný zejména v případech, kdy je požadován velký účinný objem kapalné fáze, např. u chemických reakcí probíhajících jak v kapalném filmu, tak 1 v objemu kapaliny, nebo u fermentací, kdy je kromě intenzivního mezifázového kontaktu požadována současně velká zádrž kapalného substrátu v reaktoru. Účinnost těchto druhů zařízení, tj. dosažená intenzita mezifázového transportu hmoty je podmíněna volbou vhodného rozdělovače plynu, resp. zařízení vytvářejícího plynokapalinovou disperzi. V praxi se pracuje s různými druhy distributorů, jako jsou sítová patra, ejektory nebo injektory, popřípadě se velké mezifázové plochy, podmiňující intenzívní kontakt fází, dosahuje použitím různých typů mechanických míchadel. Velmi účinný druh distributoru představuje ejektorový rozdělovač podle čs. AO 193 229.In bubbled reactors, widely used for gas-liquid reactions, the gas and liquid phases are contacted in a gas-liquid dispersion, where the gas phase is dispersed in the form of bubbles generated in different ways at the bottom of the reactor body. This type of reactor is particularly suitable when a large effective liquid phase volume is required, for example in chemical reactions taking place in both liquid film and liquid volume, or in fermentations where, in addition to intensive interfacial contact, a large liquid retention is required. substrate in the reactor. The efficiency of these types of equipment, ie the achieved intensity of interfacial mass transport is conditioned by the selection of a suitable gas distributor, resp. a device forming a gas-liquid dispersion. In practice, different types of distributors are used, such as sieving trays, ejectors or injectors, or large interfacial surfaces, which require intensive phase contact, are achieved using different types of mechanical stirrers. A very effective type of distributor is the ejector distributor according to MS. AO 193 229.

Nevýhodou běžných typů probublávaných reaktorů je jejich omezená použitelnost pro systémy, v nichž dochází k pěnění, tj. v systémech, obsahujících povrchově aktivní látky. Přítomnost těchto látek má zásadní vliv na charakter plynokapalinové vrstvy a ovlivňuje dynamiku koalescence bublin takovým způsobem, že se v horní části probublávané vrstvy vytváří stabilní pěna o vysokém obsahu plynné fáze, v níž nedochází k obnovování mezifázového povrchu, a která tedy prakticky nepřispívá k přestupu hmoty v plynokapalinové vrstvě. Tato situace je obvyklá např. u fermentačních procesů, kdy vzniklá vrstva stabilní pěny vyplňuje horní část kontaktního zařízení (která může představovat podstatnou část jeho celkového objemu], jež tak představuje z hlediska probíhajícího procesu neúčinný objem, v němž nedochází k přestupu hmoty a tedy ani k příslušné reakci. Při konstrukci kontaktorů pro tyto systémy by bylo obecně nutno předem brát ohled na tvorbu pěny a zařízení předimensovat, což je z ekonomického hlediska nevýhodné. V praxi je proto snaha pěnu odstraňovat, resp. zabraňovat její tvorbě. K tomu se používá jednak různých mechanických systémů, jež jsou poměrně málo účinné a energeticky náročné, jednak odpěňovacích látek, jejichž použití ve větším měřítku ovšem představuje další ovlivnění vlastností systému. Jejich přítomnost ve vrstvě snižuje;rychlost mezifázového přestupu hmoty a v ^případě fermentací nepříznivě ovlivňuje vlastnosti mikrobiálních kultur.A disadvantage of the conventional types of bubbled reactors is their limited applicability for foamed systems, i.e. systems containing surfactants. The presence of these substances has a major influence on the character of the gas-liquid layer and affects the coalescence dynamics of the bubbles in such a way that a stable high-gaseous foam is formed in the upper part of the bubbling layer. in the gas-liquid layer. This situation is common, for example, in fermentation processes, where the layer of stable foam formed fills the upper part of the contact device (which may represent a substantial part of its total volume), thus representing an inefficient volume in terms of the ongoing process. In the construction of contactors for these systems, it would generally be necessary to take into account the formation of foam and to oversize the device, which is economically disadvantageous, and in practice there is an effort to remove or prevent foam formation. of various mechanical systems, which are relatively inefficient and energy-intensive, on the other hand, antifoams, but their use on a larger scale represents a further influence on the properties of the system. affects microbial culture properties.

Z těchto skutečností se vycházelo při návrhu uspořádání reaktoru, jež je předmětem vynálezu. Cílem bylo navrhnout zařízení, v němž by při zachování probublávané plynokapalinové vrstvy byly omezeny negativní důsledky zvýšené pěnivostí reakčních systémů a bylo dosaženo co největšího využití reakčního prostoru. Podstatou vynálezu je kombinace režimu probublávání se sprejovým režimem v jediném reaktoru, v němž pro tvorbu plynokapalinové disperze je použito ejektorového rozdělovače typu Venturiho trubice. Čerpadlo cirkulující kapalinu přes ejektorový rozdělovač zajišťuje rovněž přívod části kapalného proudu do horní části reaktoru, v níž je systémem trysek rozptylována nad probublávanou vrstvou a u vaděna do styku s plynem opouštějícím vrstvu. V této horní sprejové části reaktoru dochází k účinnému mezifázovému kontaktu, což přispívá ke zvýšení účinnosti zařízení. Současně dochází působením proudů rozstřikované kapaliny k mechanickému narušování statické pěny tvořící se v horní části probublávané vrstvy, což zabraňuje jejímu nekontrolovatelnému narůstání. Množství kapaliny pro vytvoření sprejového režimu, jakož i způsob jejího rozptylování, se řídí povahou (vlastnostmi] tvořící se pěny. V závislosti na množství rozptylované kapaliny a konstrukčních parametrech trysek lze charakter sprejové disperze měnit v širokém rozmezí od sprchového režimu, kdy kapalina tvoří souvislé proudy, až k režimu, kdy je kapalina plně segregovaná ve formě jemných kapek.Based on these facts, the design of the reactor arrangement of the present invention was based. The aim was to design a device in which, while maintaining the bubbled gas-liquid layer, the negative consequences of increased foaming of the reaction systems would be reduced and the maximum utilization of the reaction space would be achieved. It is an object of the invention to combine a bubbling mode with a spray mode in a single reactor in which an ejector manifold of the venturi type is used to form a gas-liquid dispersion. The pump circulating liquid through the ejector manifold also provides a portion of the liquid stream to the top of the reactor, where it is dispersed above the bubbled bed by the nozzle system and is in contact with the gas leaving the bed. In this upper spray part of the reactor effective interfacial contact occurs, which contributes to an increase in the efficiency of the device. At the same time, the spraying liquid streams mechanically disrupt the static foam formed in the upper part of the bubbled layer, preventing it from growing uncontrollably. Depending on the amount of liquid dispersed and the design parameters of the nozzles, the nature of the spray dispersion can vary widely from the spray mode, where the liquid forms continuous streams. , to a mode where the liquid is fully segregated in the form of fine drops.

Zařízení pro intenzívní kontakt plynu s kapalinou v silně pěnivých systémech, založené na principu kombinace dvou režimů mezifázového kontaktu, tj. režimu probublávání a. sprejového režimu v jedné kontaktní nádobě podle vynálezu, sestává tědy z kontaktní nádoby 3, jejíž spodní část je naplněna plynokapalinovou směsí se spojitou kapalnou fází, z čerpadla 1 pro cirkulaci kapaliny z kontaktní nádoby 3 přes ejektor 2, zařazený do cirkulačního okruhu jako rozdělovač plynu, přičemž v horní části nádoby je nad plynokapalinovou vrstvou umístěn systém trysek 6 pro rozstřikování části kapaliny odvětvené z hlavního cirkulačního okruhu.The apparatus for intensive gas-liquid contact in strongly foaming systems, based on the principle of a combination of two interfacial contact modes, ie the bubbling mode and the spray mode in one contact vessel according to the invention, consists of a contact vessel 3 whose bottom is filled with a gas liquid mixture. with a continuous liquid phase, from a pump 1 for circulating liquid from a contact vessel 3 through an ejector 2, arranged in the circulation circuit as a gas distributor, with a nozzle system 6 above the gas-liquid layer disposed over the gas liquid layer.

Vlastní uspořádání zařízení podle vynálezu je znázorněno na obrázku. Kapalina popř. suspense se odebírá ze spodní části reaktoru 3 a je čerpána čerpadlem 1 přes ejektorový rozdělovač 2. Podtlakem vytvořeným v ejektoru se do jeho mísicí komory přlsává plyn 7 a vzniklá dvoufázová směs se pak uvádí do reaktoru, kde se vytváří plynokapalinová disperze bublin ve spojité kapalné fázi o velké mezifázové ploše. Část čerpané kapaliny se odvádí do horní části reaktoru, kde se systémem trysek 6 rozptyluje a ve formě spreje 5 se uvádí do protiproudého styku s plynem opouštějícím probublávanou vrstvu. Současně je vlivem mechanického působení rozstřikované kapaliny na stabilní pěnu tvořící se v horní části probublávané vrstvy narušována dynamika tvorby této pěny, čímž lze do značné míry eliminovat její výskyt v zařízení. Přívod čerstvé kapalné reakční směsi 10 je situován do prostoru probublávané vrstvy. Zreagovaná kapalina je odváděna přepadem 11, rovněž z prostoru probublávané vrstvy. Poloha přepadu fixuje výšku čisté kapaliny v probublávané vrstvě a určuje tak poměr objemů probublávané a sprejové části reaktoru. Alternativně lze kapalinu odvádět ze dna reaktoru přes vnější přepad 8.The actual arrangement of the device according to the invention is shown in the figure. Liquid or. the slurry is withdrawn from the bottom of the reactor 3 and is pumped by pump 1 through the ejector manifold 2. A vacuum 7 is injected into its mixing chamber by gas 7 and the resulting biphasic mixture is then fed to the reactor to form a gas-liquid dispersion of bubbles in a continuous liquid phase. with a large interfacial area. A portion of the pumped liquid is discharged to the top of the reactor, where it is dispersed through the nozzle system 6 and in the form of a spray 5 brought into countercurrent contact with the gas leaving the bubbling layer. At the same time, due to the mechanical action of the spray liquid on the stable foam forming in the upper part of the bubbling layer, the dynamics of the formation of this foam is disrupted, whereby its occurrence in the apparatus can be largely eliminated. The supply of fresh liquid reaction mixture 10 is situated in the bubble space. The reacted liquid is discharged via the overflow 11, also from the bubble area. The overflow position fixes the height of the clean liquid in the bubbled bed to determine the volume ratio of the bubbled to the spray part of the reactor. Alternatively, the liquid can be drained from the bottom of the reactor via an external overflow 8.

Claims

Device for intensive gas-liquid contact in highly foaming systems based on the principle of a combination of two interfacial contact modes, ie the bubbling mode and the spray mode in a single contact vessel, characterized in that it consists of a contact vessel (3) whose bottom is filled gas-liquid mixture with continuous

OUT of a liquid phase, from a pump (1) for circulating liquid from a contact vessel (3) through an ejector (2J) arranged in the circulation circuit as a gas distributor, with a nozzle system (6) above the gas-liquid layer. branched from the main circulation circuit.

1 sheet of drawings

222808