DE3855579T2

DE3855579T2 - Verfahren zum Dispergieren eines Gases

Info

Publication number: DE3855579T2
Application number: DE3855579T
Authority: DE
Inventors: Thomas John Bergman; Kazuo Kiyonaga; Lawrence Marvin Litz
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-30
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2008-12-31
Also published as: JPH01288323A; US4867918A; EP0322925A2; CA1283651C; KR890009457A; ES2091748T3; KR940007731B1; BR8807013A; DE3855579D1; EP0322925B1; EP0322925A3; MX165709B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Mischen von Gasen und Flüssigkeiten. Insbesondere bezieht sie sich auf das Verbessern des Dispergierens von Gasen in Flüssigkeiten.
Das Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten ist ein wichtiges Merkmal einer breiten Vielzahl von industriellen Vorgängen. Dabei werden Gase in Flüssigkeiten für zahlreiche Gaslösungsanwendungen, Gas-Flüssigkeits-Reaktionsanwendungen und Gasstripanwendungen von gelöstem Gas dispergiert. Wenn das Gas in Form sehr kleiner Gasblasen feiner in der Flüssigkeit dispergiert wird, wird die Grenzfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit im Vergleich zu der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der gleichen Gasmenge in Form größerer Gasblasen wesentlich erhöht. Eine Vergrößerung der Grenzfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vergrößert wiederum bekanntlich den Stoffübergang des Gases von den Gasblasen in die Flüssigkeit sowie den Übergang von gelöstem Gas von der Flüssigkeit in die Gasblasen. Auf diese Weise werden aufgrund der viel größeren Grenzfläche alle Gas-Flüssigkeitsprozesse, wie beispielsweise Gaslösung, Gasstrippen und Reaktionen zwischen der Gasphase und Substanzen in der Flüssigphase, verbessert.
Als Konsequenz eines Wechsels der Strömungsgeschwindigkeit eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs, welcher die Schallgeschwindigkeit in dem Gemisch kreuzt, werden Gasblasen in der Flüssigkeit mittels der dadurch erzeugten Schall-Schockwellen in ausgeprägter Weise aufgebrochen. Dieses Phänomen tritt bei einer Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Flüssigkeits-Gemischs von einer Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit zu einer die Schallgeschwindigkeit in dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch übersteigenden Geschwindigkeit und/oder wenn die Strömungsgeschwindigkeit von einer Überschallgeschwindigkeit zu einer Unterschallgeschwindigkeit verringert wird, auf. Als ein Ergebnis des Schockwelleneffekts werden feine Gasblasen mit Durchmessern im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,01 mm erzeugt. Für Gas-Flüssigkeits-Gemische, die anfänglich Gasblasen mit größerer Abmessung mit einem Durchmesser von typischerweise 2 mm aufweisen, entspricht die Bildung solch feiner Gasblasen einem Anstieg der Blasenoberfläche in der Größenordnung des 20- bis 200-fachen im Vergleich zu der Oberfläche der anfänglichen Gasblasen mit größerem Durchmesser.
Die Verwendung von Schall-Schockwellen zur Verringerung der Größe von in einer Flüssigkeit gelösten Gasblasen ist in dem US-Patent mit der Nr. 4 639 340 und der entsprechenden EP-A-0 152 202 von Garrett offenbart, wobei sich diese Schriften insbesondere mit der Lösung von Sauerstoff in Abwasser befassen. Sauerstoff wird von einem Seitenrohr in einen unter Druck stehenden Abwasserstrom eingebracht und wird in diesem Strom bei einer Strömungsgeschwindigkeit, die unterhalb der Schallgeschwindigkeit in dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch liegt, gleichförmig dispergiert. Zu diesem Zweck wird angegeben, daß eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens etwa 2 m/s verwendet werden sollte, um turbulente Strömungsbedingungen herzustellen, um ein gleichförmiges Dispergieren von Gasblasen in der Flüssigkeit, abgesehen von dem Sauerstoff, der in dem Abwasserstrom gelöst wird, direkt stromab der Stelle, an welcher das Seitenrohr zur Sauerstoffeinbringung mit der Leitung zusammentrifft, durch welche der unter Druck stehende Abwasserstrom geleitet wird, zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Typischerweise kann solch ein gleichförmiges Dispergieren von Gas in Flüssigkeit unter turbulenten Strömungsbedingungen in einem Abstand von mindestens etwa dreimal dem Durchmesser der Leitung entwickelt werden. Es versteht sich jedoch, daß der Abstand zwischen der Stelle der Einbringung von Sauerstoff und der Positionierung einer Anordnung zum Beschleunigen des Gas-Flüssigkeits-Gemischs auf eine Überschallgeschwindigkeit bei praktischen kommerziellen Anwendungen beträchtlich länger als dieser Abstand sein kann. In den obigen Patenten ist die Überleitung des gleichförmig dispergierten Gas-Flüssigkeits-Gemischs, das bei dieser Geschwindigkeit in dem unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegenden, jedoch turbulenten Strömungsbereich gebildet wird, zu einer Venturi-Anordnung zwecks des Beschleunigens der Strömungsgeschwindigkeit auf eine über der Schallgeschwindigkeit in diesem Gas-Flüssigkeits-Gemisch liegenden Geschwindigkeit offenbart. Ferner ist offenbart, daß in dem Bereich der Venturi-Anordnung zwischen deren stromaufwärtigem Ende und deren Halsabschnitt mit minimalem Durchmesser sich die Geschwindigkeit des gleichförmig dispergierten Gas-Flüssigkeits-Gemischs erhöht und eine oberhalb der Schallgeschwindigkeit in der Dispersion liegende Geschwindigkeit erreicht und daß eine Schall-Schockwelle innerhalb dieses Bereichs der Venturi-Anordnung erzeugt wird. Als ein Ergebnis werden die relativ groben Sauerstoffblasen in der Dispersion mittels der sich aus der Schockwelle ergebenden Turbulenz in kleinere oder feinere Blasen geschert. Nach dem Durchströmen des Halses der Venturi-Anordnung wird der unter Druck stehende Strom gebremst, wenn sich die Venturi-Anordnung aufweitet, bis er wieder auf eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit gebracht ist, welche nichtsdestotrotz ausreichend groß ist, um eine turbulente Strömung und das gleichförmige Dispergieren von Sauerstoffblasen in dem Abwasserstrom aufrecht zu erhalten. Es ist ferner offenbart, daß keine Schall-Schockwelle in dem stromaufwärtigen konvergierenden Abschnitt der Venturi-Anordnung erzeugt wird, falls Sauerstoff durch den Hals der Venturi-Anordnung in den Abwasserstrom eingebracht wird, wie dies bei gewissen Gas-Flüssigkeits-Mischvorgängen herkömmlicher Weise erreicht wird.
CA-A-1 033 078 offenbart ein Verfahren zum Belüften eines Flüssigkeitskörpers mit kleinen Blasen, wobei ein Flüssigkeitsstrom durch eine Röhre erzeugt wird; dieser Strom durch einen konvergierenden Venturi-Abschnitt eingeschnürt wird, wodurch dessen Geschwindigkeit erhöht wird; ein Gasstrom entweder unter Druck oder mittels natürlicher Ansaugung in den konvergierenden Venturi-Abschnitt genau in oder benachbart dem Bereich maximaler Einschnürung in hinreichender Menge zugesetzt wird, um eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit an der minimalen Einschnürung zu erzeugen; und der Bereich des sich ergebenden Zweiphasen-Stroms von dem Minimum des konvergierenden Venturi-Abschnitts bei einer Rate zwischen 0,5 und 3,5º pro Einheit des axialen Abstands entsprechend dem minimalen Durchmesser des konvergierenden Venturi-Abschnitts expandiert wird, wodurch über der Schallgeschwindigkeit liegende Strömungsgeschwindigkeiten stromab der minimalen Einschnürung sowie eine begleitende Schockwelle erzeugt werden, um die gasförmige Phase auf kleine Blasen zu verringern.
Trotz einer solchen vorteilhaften Verwendung von Venturi-Vorrichtungen zur Verbesserung des Dispergierens eines Gases in einer Flüssigkeit bleibt der Wunsch und die Notwendigkeit bestehen, das Verfahren des Dispergierens von Gasen in Flüssigkeiten weiter zu verbessern. Solche Anforderungen beziehen sich auf Gas-Flüssigkeits-Verarbeitungsvorgänge im allgemeinen und sie beziehen sich auf den andauernden Wunsch, industrielle Verarbeitungsvorgänge zu verbessern. Es besteht ferner ein allgemeiner Wunsch nach einer effizienteren Verwendung von Sauerstoff, Stickstoff und anderen industriellen Gasen bei einer breiten Vielzahl von kommerziellen Anwendungen, in welchen industrielle Gase gegenwärtig verwendet werden oder vorteilhaft werden könnten, um die gegenwärtige Praxis zu verbessern.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dispergieren von Gasen in Flüssigkeiten zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, für ein Verfahren zum Erhöhen der Grenzfläche zwischen einem Gas und der Flüssigkeit, in welcher es dispergiert wird, zu schaffen, um den Stoffübergang zwischen dem Gas und der Flüssigkeit zu erhöhen.
Es ist ferner einer Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches die Effizienz von Gas-Flüssigkeits-Dispergiervorgängen erhöht.
Im Hinblick auf diese und weitere Aufgaben wird die Erfindung im folgenden detailliert beschrieben, wobei deren neue Merkmale insbesondere in den anhängenden Ansprüchen hervorgehoben sind.
Ein Verfahren zum Dispergieren eines Gases in einer Flüssigkeit, die durch eine Strömungsleitung geleitet wird, bei dem
(a) das Gas in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird, um ein Gasblasen/Flüssigkeits-Gemisch zu erzeugen; und
(b) das Gasblasen/Flüssigkeits-Gemisch durch den Halsabschnitt einer Venturi-Anordnung geleitet wird;
ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
- der Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitung stromauf der Venturi-Anordnung mit einer Geschwindigkeit geleitet wird, die unter der zum Erzeugen und Aufrechterhalten turbulenter Strömungsbedingungen stromauf der Venturi-Anordnung erforderlichen Geschwindigkeit liegt, die jedoch ausreichend ist, um eine gleichförmige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit zu erreichen;
- das Gas in die Flüssigkeit an einer Injektionsstelle injiziert wird, die in der Strömungsleitung an der stromaufwärtigen Seite des konvergierenden Abschnitts bis zu einer Stelle angeordnet ist, die in einem Abstand mit einer Länge von etwa einem Durchmesser, basierend auf dem Durchmesser der Strömungsleitung, zu dem stromauf liegenden Einlaßende des konvergierenden Abschnitts angeordnet ist, um dadurch ein Gasblasen/Flüssigkeits-Gemisch mit einer Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen, die unter der Schallgeschwindigkeit in dem Gas/Flüssigkeits-Gemisch liegt;
- die Strömungsgeschwindigkeit des Gas/Flüssigkeits-Gemisches von der unter der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit in einem stromauf liegenden konvergierenden Abschnitt der Venturi-Anordnung erhöht wird; und nachfolgend
- die Strömungsgeschwindigkeit des Gas/Flüssigkeits-Gemisches von der über der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit in dem stromab liegenden divergierenden Abschnitt der Venturi- Anordnung gesenkt wird.
Überraschenderweise müssen das Gas und die Flüssigkeit vor der Beschleunigung des Gas- Flüssigkeits-Gemischs auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit und das nachfolgende Abbremsen auf eine unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit nicht gleichförmig dispergiert werden, um ein erhöhtes Dispergieren des Gases in der Flüssigkeit zu erreichen.
Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt dargestellt, eines Gas-Flüssigkeits-Dispergiersystems darstellt, welches zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist; und
Fig. 2 eine Auftragung ist, welche den Effekt des Abstands der Sauerstoff-Injektionsstelle von dem Hals einer Venturi-Anordnung auf die Stoffübergangsrate des Sauerstoffs in einen Wasserstrom veranschaulicht.
Bei dem vorliegenden Gas-Flüssigkeits-Dispergierverfahren werden das Gas und die Flüssigkeit nahe einer Venturi-Anordnung gemischt, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Gas- Flüssigkeits-Gemischs von einer unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigen kann, und nachfolgend auf eine unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Gas-Flüssigkeits-Gemischs liegende Geschwindigkeit abbremsen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs vor einer solchen Beschleunigung muß nicht ausreichend hoch gehalten werden, um für turbulente Strömungsbedingungen zu sorgen, und das Gas muß vor einer solchen Beschleunigung nicht gleichförmig in der Flüssigkeit dispergiert sein. Nichtsdestotrotz ist die Stoffübergangsrate zwischen dem Gas und der Flüssigkeit wesentlich und überraschenderweise gegenüber derjenigen erhöht, welche mittels der oben beschriebenen herkömmlichen Praxis erzielbar ist, bei welcher die Strömungsgeschwindigkeit groß genug gehalten wird, um turbulente Strömungsbedingungen zu erzeugen und auftechtzuerhalten, wobei folglich das Gas gleichförmig in der Flüssigkeit in relativ großem Abstand stromaufwärts einer zum Beschleunigen des Gemischs auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit verwendeten Venturi-Anordnung dispergiert wird.
In der Praxis verschiedener praktischer kommerzieller Ausführungsformen der Erfindung wird das in der Flüssigkeit zu dispergierende Gas mit einem Flüssigkeitsstrom injiziert, wenn der Flüssigkeitsstrom nahe der zum Erhöhen der Stromgeschwindigkeit des Gas-Flüssigkeits-Gemischs von einer unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit mit nachfolgendem Abbremsen auf eine unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit verwendeten Venturi- Anordnung strömt. Die Beschleunigung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs von einer unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit mit nachfolgendem Abbremsen auf eine unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit mit dem daraus resultierenden Schall-Schockwelleneffekt auf das Gas-Flüssigkeits-Gemisch wird mittels einer Venturi-Anordnung erzielt. Die Venturi-Anordnung erzielt die erwünschte Beschleunigung/Abbremsung über oder unter die Schallgeschwindigkeit in dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch bei den vorherrschenden Druckbedingungen, während sie dazu neigt, den begleitenden Druckabfall in der Strömungsleitung zu minimieren.
Eine spezielle Ausführungsform des Gas-Flüssigkeits-Dispergier-Systems, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird und eine Venturi-Anordnung zur Beschleunigung bzw. zum Abbremsen des Gas-Flüssigkeits-Gemischs aufweist, ist in Fig. 1 veranschaulicht, wobei das Bezugszeichen 1 einen Gas-Flüssigkeits-Dispergier-Körper bezeichnet, in welchen der Venturi-Abschnitt für die unten beschriebene Verwendung eingearbeitet ist. Die Venturi-Anordnung weist einen Halsabschnitt 2 mit minimalem Durchmesser, einen stromauf angeordneten konvergierenden Abschnitt 3 und einen stromab angeordneten divergierenden Abschnitt 4 auf. An dem stromaufwärtigen Ende des Dispergierkörpers list eine Einlaßleitung 5 zum Einbringen eines Flüssigkeitsstroms in den Dispergierkörper 1 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform steht die Richtung dieses Flüssigkeitsstroms senkrecht zu der stromaufwärtigen Flüssigkeitsströmungsleitung 6, durch welche die Flüssigkeit zu dem stromauf angeordneten konvergierenden Abschnitt 3 der Venturi-Anordnung geleitet wird, obschon es sich für den Fachmann versteht, daß andere Konfigurationen des Flüssigkeitsstroms verwendet werden können, um den Druckabfall in dem System zu minimieren. Das von der Venturi-Anordnung durch den stromab angeordneten divergierenden Abschnitt 4 ausgestoßene Gas-Flüssigkeits- Gemisch gelangt zwecks Überleitung von dem Dispergierkörper 1 durch eine Gas-Flüssigkeits- Auslaßleitung 8 in eine stromabwärtige Strömungsleitung 7.
Zum Einbringen von Gas in den Flüssigkeitsstrom, welcher durch den Dispergierkörper 1 strömt, ist ein Gaseinlaßrohr 9 innerhalb der stromaufwärtigen Flüssigkeitsströmungsleitung 6 angeordnet und erstreckt sich bis zu einer Injektionsstelle hinauf, welche innerhalb der Strömungsleitung 6 an der stromaufwärtigen Seite des konvergierenden Abschnitts 3 bis zu einer Stelle hinauf angeordnet ist, welche von dem stromaufwärtigen Einlaßende des konvergierenden Abschnitts um eine Strecke von etwa einem Durchmesser entfernt bezogen auf den Durchmesser der Strömungsleitung angeordnet ist. Eine Gasinjektionsspitze 10 ist vorgesehen, um das Injizieren von Gas in die Flüssigkeit zu erleichtern. Das stromaufwärtige Ende des Gaseinlaßrohrs 9 erstreckt sich durch eine Flüssigkeitskammer 11, in welche Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseinlaß 5 gelangt, um in die stromaufwärtige Flüssigkeitsströmungsleitung 6 ausgeleitet zu werden, und eine Einlaß-Abdeckplatte 12 zwecks Verbindung mit einer Vorratsquelle für dieses Gas. O-Ringe 13 sind zwischen der Abdeckplatte 12 und dem stromaufwärtigen Endabschnitt des Dispergierkörpers 1 angeordnet, um für eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu sorgen. Auf ähnliche Weise sind O-Ringe 14 vorgesehen, um für eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem Gaseinlaßrohr 9 und der Abdeckplatte 12 zu sorgen. Dichtplatten 15 und 16 sind an dem stromabwärtigen Ende der Abdeckplatte 12 jeweils vorgesehen, um für eine ordnungsgemäße Deformation der O-Ringe 14 in eine fluiddichte Stellung zu sorgen. Geeignete Befestigungsanordnungen 17 und 18 werden verwendet, um die Endplatte 12 mit den Dichtplatten 15 und 16 und dem Dispergierkörper 1 fest zu verbinden. Für den Fachmann versteht sich, daß das Gaseinlaßrohr auf jegliche geeignete Art und Weise, d.h. manuell, mechanisch oder anderweitig, in jede gewünschte Stellung relativ zu der Stellung der Venturi-Anordnung verschoben werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, wies der Halsabschnitt 2 der Venturi-Anordnung einen Innendurchmesser von 4,8 mm (0,19 inch) und eine Länge von 9,1 mm (0,36 inch) auf. Die Innendurchmesser der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Strömungsleitungen 6 bzw. 7 betrugen 16,0 mm (0,63 inch) bzw. 21,1 mm (0,83 inch). Der konvergierende Abschnitt 3 wies eine Länge von 18,3 mm (0,72 inch) und der divergierende Abschnitt 4 eine Länge von 25,4 mm (1 inch) auf. Es versteht sich somit, daß der konvergierende und der divergierende Abschnitt der Venturi-Anordnung nicht die gleiche Abmessung aufweisen müssen. Der eingeschlossene Winkel des divergierenden Abschnitts 4 der Venturi-Anordnung beträgt bei dieser Ausführungsform 34º. Der eingeschlossene Winkel des konvergierenden Abschnitts 3 beträgt 35º, wobei das Gaseinlaßrohr 9 einen Innendurchmesser von 6,35 mm (1/4 inch) und die Gasinjektionsspitze 10 einen Innendurchmesser von 1,59 mm (1/16 inch) aufweisen.
Wie oben erwähnt, wird die Injektion von Gas in einen Flüssigkeitsstrom nahe bei der Venturi- Anordnung ausgeführt, um eine Beschleunigung auf über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeiten und eine Abbremsung auf unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeiten zu erzeugen. Für die Zwecke der Erfindung soll "nahe der Venturi-Anordnung" bedeuten, daß die Injektionsstelle von Gas in Flüssigkeit in der Strömungsleitung an der stromaufwärtigen Seite des konvergierenden Abschnitts 3 der Venturi-Anordnung bis zu einer Stelle angeordnet sein sollte, die in einem Abstand in Längsrichtung von dem stromaufwärtigen Einlaßende des konvergierenden Abschnitts von etwa einem Durchmesser, bezogen auf den Durchmesser der Strömungsleitung, liegt, in welcher die Venturi-Anordnung angeordnet ist.
Die Auftragung von Fig. 2 veranschaulicht den Effekt des Anordnens der Spitze 10 des Gaseinlaßrohrs 9 auf den Sauerstoffstoffübertrag beim Dispergieren von Sauerstoff in Wasser, was in einem Gas-Flüssigkeits-Dispergiersystem ausgeführt wurde, welches im wesentlichen dem in Fig. 1 gezeigten entspricht. Der Sauerstoffstoffübertrag wird in Mol/(l x h) und der Abstand der Spitze des Gaseinlaßrohrs 9 von dem Hals der Venturi-Anordnung wird in mm (inches) ausgedrückt. Der Abstand von dem stromaufwärtigen Anfang des Halses 2 zu dem stromaufwärtigen Ende des konvergierenden Abschnitts 3 betrug 46,0 mm (1,81 inch). Der Innendurchmesser der Strömungsleitung stromauf des konvergierenden Abschnitts 3 betrug 21,1 mm (0,83 inch). Das Positionieren der Spitze 10 des Gaseinlaßrohrs 9 kann in der Praxis der Erfindung etwa 21,1 mm (0,83 inch) von dem stromaufwärtigen Ende des konvergierenden Abschnitts 3, d.h. etwa 66,0 mm (2,6 inch) stromauf von dem Anfang des Halsabschnitts 2, entfernt erfolgen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der 21,1 mm (0,83 inch) großen Leitung 6 betrug 0,73 m/s. Der Betrieb fand bei einem Druck von 205 kPa (15 psig) stromab der Venturi-Anordnung statt, wobei etwa 320 mg Sauerstoff pro kg Wasser hinzugegeben wurden. Es ergibt sich aus den in Fig. 2 veranschaulichten Ergebnissen, daß es hinsichtlich des Stoffübertrags wünschenswert ist, die Gasinjektionsanordnung so nahe wie möglich an dem Hals der Venturi-Anordnung anzubringen. Wenn die Gasinjektionsanordnung weiter von dem Hals entfernt angeordnet wird, jedoch innerhalb des konvergierenden Abschnitts der Venturi-Anordnung bleibt, nimmt die Stoffübergangsrate ab, bleibt jedoch relativ hoch. Eine Verschiebung der Gasinjektionsanordnung aus dem konvergierenden Abschnitt der Venturi- Anordnung heraus, jedoch in solcher Nähe, daß ein Abstand von etwa einem Durchmesser der Flüssigkeitsströmungsleitung nicht überschritten wird, führt zu geringeren Stoffübergangsraten. Eine weitere stromaufwärtige Verschiebung der Gasinjektionsanordnung führt jedoch zu noch niedrigeren Sauerstoffstoffübergangsraten.
Es sei angemerkt, daß die eingeschlossenen Winkel des konvergierenden und des divergierenden Abschnitts der Venturi-Anordnung, die manchmal als Konus-Winkel bezeichnet werden, in der Praxis der Erfindung stark variieren können. Für den Fachmann versteht es sich, daß kleinere, oder flachere, eingeschlossene Winkel auf der konvergierenden Seite der Venturi-Anordnung zu einem geringeren Druckabfall führen, als wenn ein großerer oder weiterer eingeschlossener Winkel verwendet wird. Solche Venturi-Abschnitte mit kleineren Winkeln entsprechen jedoch einer größeren Gesamtlänge und erfordern somit eine komplexere und kostspieligere Bearbeitung bei ihrer Herstellung. Ferner kann die Gasinjektionsanordnung bei Venturi-Abschnitten mit kleineren Winkeln nicht so nahe zu dem Halsabschnitt der Venturi-Anordnung angeordnet werden, wie dies hinsichtlich des Stoffübertrags wünschenswert wäre, da die Anordnung der Gasinjektionsanordnung nahe bei dem Hals der Venturi-Anordnung dazu neigen würde, den Fluidstrom zu dem Venturi-Hals abzuschneiden oder stark zu verringern. Es versteht sich, daß solch eine Anordnung auch zu einem wesentlichen Druckabfall innerhalb der Venturi-Anordnung und zu erhöhten Betriebskosten des Systems führen würde. Eine solche Anordnung der Gasinjektionsanordnung auf einer Venturi-Anordnung mit größeren Winkeln führt zu einem geringeren Druckabfall, als wenn die gleiche Gasinjektionsanordnung nahe bei dem Hals einer Venturi-Anordnung mit kleineren Winkeln angeordnet würde.
Während die Stoffübertragseigenschaften eines gewünschten Gas-Flüssigkeits-Mischvorgangs somit mittels der Anordnung der Gasinjektionsanordnung näher zu dem Venturi-Hals zunehmend verbessert werden, führt eine Gesamtbetrachtung des Stoffübertrags und des Druckabfalls zu der Anordnung der Gasinjektionsanordnung nahe der Venturi-Anordnung, jedoch in einem größeren Abstand von dem Hals, als dies aus einer Betrachtung der Stoffübertragseffekte allein resultieren würde. Es versteht sich, daß die optimale Positionierung der Gasinjektionsanordnung gemäß der Praxis der Erfindung von einer breiten Vielzahl von wichtigen Betriebsfaktoren abhängt, wie beispielsweise der Art der Gase und der Flüssigkeiten, welche gemischt werden sollen, den verwendeten Betriebstemperaturen und -drücken, der gewünschten Durchflußraten, der gewünschten Venturi-Konfiguration, der Art des Gas-Dispergiervorgangs, der ökonomischen Gesamtbetrachtung bei einem gegebenen Gas-Dispergiervorgang und ähnlichem.
Während die Gasinjektionsanordnung als Gaseinlaßrohr mit einer geeigneten Gasinjektionsspitze veranschaulicht wurde, liegt es im Rahmen der Erfindung, ein einfaches Gasinjektionsrohr ohne Verwendung einer Auslaßspitze oder -düse an dem Endabschnitt zu verwenden. Bezüglich der obigen Offenbarung hinsichtlich der Strömungserschwernis und der Druckeffekte der Gasinjektionsanordnung, insbesondere bezüglich der Verlagerung der Gasinjektionsanordnung nahe zu dem Venturi-Hals zwecks verbessertem Stoffübertrag, sei angemerkt, daß es wünschenswert ist, das Gasinjektionsrohr so klein und stromlinienförmig wie moglich zu machen, um die Druckeffekte zu verringern, die sich aus seiner Anordnung in geringerem Abstand zu dem Hals der Venturi-Anordnung ergeben. Mittels der Verwendung einer Injektionsdüse mit einem kleinen Spitzenabschnitt ist es möglich, die Düse an einer optimalen Stelle näher bei dem Venturi-Hals anzuordnen, wobei der sich daraus ergebende Anstieg des Druckabfalls hinreichend durch die verbesserten Stoffübertragseigenschaften kompensiert wird, die man mittels einer solchen vorteilhaften Anordnung der Injektionsdüse nahe des Venturi-Halses erhält. Soweit dies hinsichtlich der betreffenden Strömungserfordernisse eines vorgegebenen Gas/Flüssigkeits-Dispergiervorgangs möglich ist, wäre es wünschenswert, ein Gasinjektionsrohr mit einem verlängerten Nadelabschnitt an dessen stromabwärtigen Ende zu verwenden.
Hohe Sauerstoffstoffübertragsraten wurden mittels der Verwendung einer Venturi-Anordnung zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit von einer unterhalb der Schallgeschwindigkeit in dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch auf eine über dieser Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit erzielt, wodurch die Sauerstoffblasen in großem Ausmaß durch den Schall- Schockwelleneffekt aufgebrochen werden können, welcher die Beschleunigungs-Abbremsungs-Sequenz auf eine Überschallgeschwindigkeit und zurück auf eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit begleiten. Die Geschwindigkeit des Wassers betrug etwa 0,73 Meter pro Sekunde stromauf der Venturi-Anordnung, was eine beträchtlich geringere Geschwindigkeit ist als diejenige, die für turbulente Strömungsbedingungen erforderlich ist, die zum gleichförmigen Dispergieren des Sauerstoffs in dem Wasser hinreichend sind. Solch eine relativ geringe Wassergeschwindigkeit ist jedoch hinsichtlich einer Gesamtbetrachtung der Verarbeitung wünschenswert. Eine gleichförmige Dispersion von Sauerstoff in Wasser bildete sich nicht, ehe das Sauerstoff-Wassergemisch auf eine Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wurde, als es zu dem Halsabschnitt der Venturi-Anordnung geleitet wurde.
Die Anordnung der Gaseinleitungsanordnung nahe der zur Erzeugung von Überschallströmungsgeschwindigkeiten verwendeten Venturi-Anordnung ermöglicht eine Erhöhung der Gasstoffübertragsrate sowie das Erzielen eines höchst vorteilhaften Stoffübertrags/Energiebedarf-Verhältnisses in der Praxis der Erfindung. Die in der Praxis der Erfindung erhältlichen verbesserten Ergebnisse werden als überraschend erachtet, insbesondere, da ein gleichförmiges Dispergieren des Gases in der Flüssigkeit vor der Beschleunigung des Gas-Flüssigkeitsgemischs auf eine Überschallgeschwindigkeit in der Praxis der Erfindung nicht erforderlich ist, und typischerweise auch nicht erreicht wird. Die vorteilhaften Ergebnisse der Erfindung sind nichtsdestotrotz mit dem Überschall-Schockwelleneffekt verbunden, der als Ergebnis des Durchleitens des Gas-Flüssigkeitsgemischs bei einer Geschwindigkeit erzielt wird, die in dem stromabwärtigen divergierenden Abschnitt der Venturi-Anordnung von einer Überschallgeschwindigkeit auf eine Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird und/oder von einer unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine Überschallgeschwindigkeit in dem stromauf angeordneten konvergierenden Abschnitt der Venturi-Anordnung beschleunigt wird, in welchem das Gas und die Flüssigkeit gemischt werden. Es versteht sich, daß in Abhängigkeit von den für einen vorgegebenen Gas-Flüssigkeits-Mischvorgang relevanten Gesamtbedingungen ein doppelter Schall-Schockwelleneffekt, d.h. bei dem Abbremsen und bei dem anfänglichen Beschleunigen der Gas-Flüssigkeits-Dispersion in der zum Erzeugen von Überschallströmungsgeschwindigkeiten verwendeten Venturi-Anordnung, möglicherweise rea- lisiert werden kann, und jeglicher solcher Doppelschockeffekt liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Für den Fachmann versteht es sich, daß verschiedene Abänderungen und Modifikationen bei den Einzelheiten der Erfindung vorgenommen werden können, ohne daß von dem Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abgewichen wird. Es versteht sich, daß beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch von den Komponenten des Gemischs und den verwendeten Betriebsbedingungen abhängt. Im allgemeinen jedoch liegt die Schallgeschwindigkeit eines Gemischs wesentlich unter der Schallgeschwindigkeit in entweder der Flüssigkeit oder dem Gas allein. Diese Eigenschaft der Schallgeschwindigkeit ermöglicht die Erfindung und bekannte Vorgänge, welche auf der Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeiten und nachfolgender Abbremsung unter praktischen kommerziellen Betriebsbedingungen basieren. In Kieffer, "Sound Speed in Liquid-Gas Mixtures: Water-Air and Water-Steam", Journal of Geophysical Research, Band 82, No. 20, 10. Juli 1977, Seiten 2895 bis 2903, ist dieser Effekt bestätigt, der vorteilhaft bei praktischen kommerziellen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
In Abhängigkeit von dem verwendeten besonderen Gas/Flüssigkeitsverhältnis kann die Schallgeschwindigkeit in einem Luft/Wasser-Gemisch in der Größenordnung von etwa 20 Meter pro Sekunde liegen. Die stromaufwärtige Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um die in dem oben erwähnten Patent von Garrett gewünschten Ergebnisse zu erzielen, d.h. geringer als die Schallgeschwindigkeit in der Gas/Flüssigkeitsdispersion, jedoch hinreichend, um es zu ermöglichen, daß die Gasblasen mittels der Turbulenzen gleichförmig dispergiert bleiben, um eine verzögerte Strömung oder eine Schichtung zu vermeiden, liegt allgemein mindestens in der Größenordnung von etwa 2 Meter pro Sekunde. Für den Fachmann versteht es sich, daß eine verzögerte Strömung nachteilig ist und zu einer unerwünschten Diskontinuität des Betriebs und der Ergebnisse führen würde. Hinsichtlich der überraschenden Verbesserung des Stoffübertrags und der Stoffübertrags/Druck-Ergebnisse, die in der Praxis der Erfindung ohne die Notwendigkeit des Sicherstellens von turbulenten Strömungsbedingungen, die hinreichend sind, um das Gas vor der Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit gleichförmig in der Flüssigkeit zu dispergieren, erzielt werden können, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers oder einer anderen Flüssigkeit stromauf der Venturi-Anordnung bei einem beträchtlich niedrigerem Wert gehalten werden, als dies bei dem bekannten Ansatz gemäß des Patents von Garrett erforderlich ist. Somit können Wasserströmungsgeschwindigkeiten von etwa 0,3 bis 1 Meter pro Sekunde zweckmäßigerweise verwendet werden, obwohl höhere oder niedrigere Geschwindigkeiten ebenfalls verwendet werden können. Auf keinen Fall ist es jedoch nötig, turbulente Strömungsbedingungen stromauf der Venturi-Anordnung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, die für das Erreichen einer gleichförmigen Dispersion hinreichend sind. In der Praxis der Erfindung hat das injizierte, in dem Flüssigkeitsstrom jedoch nicht vollständig dispergierte Gas keine Möglichkeit, zu großen Blasen anzuwachsen, welche schwieriger gleichförmig zu dispergieren sind. Solch ein Blasenwachstum würde bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen auftreten, bei welchen das Gas in einem größerem Abstand stromauf der Venturi-Anordnung in die Flüssigkeit injiziert wird, insbesondere falls relativ niedrige Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten verwendet werden. Für den Fachmann versteht es sich, daß Gas bei einem Druck in die Flüssigkeit injiziert wird, der größer als der Druck der Flüssigkeit in der Strömungsleitung ist, um für das gewünschte Gas-zu-Flüssigkeit-Verhältnis zu sorgen.
Das erfindungsgemäße Gas-Flüssigkeits-Dispergierverfahren kann auf eine breite Vielzahl von Gas-Flüssigkeits-Mischvorgängen angewandt werden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei der oben beschriebenen Lösung von Sauerstoff in Wasser angewandt werden, sondern bei einer Vielzahl von Vorgängen, bei welchen es wünschenswert sein kann, Luft oder Sauerstoff, Stickstoff, Chlor oder andere industrielle Gase in einer Vielzahl von anorganischen oder organischen Flüssigkeiten zu lösen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für Gas-Flüssigkeits-Reaktionsvorgänge, wie beispielsweise für die Oxidation von in wäßrigen Lösungen enthaltenem Eisen oder für die Oxidation von organischen Flüssigkeiten verwendet werden. Die Erfindung kann auch für wünschenswerte Stripvorgänge von gelöstem Gas, wie beispielsweise für das Strippen von gelöstem Sauerstoff oder anderen flüchtigen Stoffen von Flüssigkeiten mittels der Injektion von Stickstoff in diese gemäß der Praxis der Erfindung verwendet werden.
Die Erfindung stellt somit einen sehr wünschenswerten und vorteilhaften Fortschritt auf dem Gebiet des Dispergierens von Gasen in Flüssigkeiten dar. Dadurch, daß sie eine Verbesserung der Stoffübertragseigenschaften des Dispergiervorgangs ermöglicht, ermöglicht die Erfindung eine vollständigere Ausnutzung der Vorteile des Einsatzes einer Venturi-Anordnung, als dies bisher möglich war. Dadurch, daß sie eine wesentliche Verbesserung des Stoffübertrags in vorteilhaftem Ausgleich mit dem Energiebedarf des Gas-Flüssigkeits-Dispergiervorgangs ermöglicht, trägt die Erfindung mittels des Schaffens einer wünschenswerten Verarbeitungsflexibilität, welche eine vollständigere Verknüpfung der Gesamtvorteile der Erfindung mit den praktischen Anforderungen einer bestimmten kommerziellen Anwendung ermöglicht, zu einer Verbesserung auf dem Gebiet des Dispergierens von Gas in Flüssigkeit bei. Da die in Verbindung mit der Verwendung der Venturi-Anordnung verwendeten Strömungsgeschwindigkeiten bei einem beträchtlich geringeren Wert als bisher gehalten werden können, wo turbulente Strömungsbedingungen erforderlich waren, wird die praktische kommerzielle Einsetzbarkeit der Erfindung sowie ihre Vorteile in einem weiten Bereich von wichtigen kommerziellen Gas- Flüssigkeits-Dispergiervorgängen erhöht. Die Erfindung dient somit dazu, die Zukunftsaussichten für den Einsatz von industriellen Gasen bei einer breiten Vielzahl von industriellen Aktivitäten bedeutend zu verbessern, bei welchen das mittels der Praxis der Erfindung erzielte verbesserte Dispergieren für einen erforderlichen Anstoß zur wünschenswerterweise erhöhten Verwendung solcher Gase bei solchen industriellen Aktivitäten sorgt.

Claims

1.Verfahren zum Dispergieren eines Gases in einer Flüssigkeit, die durch eine Strömungsleitung (6) geleitet wird, bei dem

(a) das Gas in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird, um ein Gasblasen/Flüssigkeits- Gemisch zu erzeugen; und

(b) das Gasblasen/Flüssigkeits-Gemisch durch den Halsabschnitt (2) einer Venturi-Anordnung geleitet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Flüssigkeitsstrom durch die Strömungsleitung (6) stromauf der Venturi-Anordnung mit einer Geschwindigkeit geleitet wird, die unter der zum Erzeugen und Aufrechterhalten turbulenter Strömungsbedingungen stromauf der Venturi-Anordnung erforderlichen Geschwindigkeit liegt, die jedoch ausreichend ist, um eine gleichförmige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit zu erreichen;

- das Gas in die Flüssigkeit an einer Injektionsstelle injiziert wird, die in der Strömungsleitung an der stromaufwärtigen Seite des konvergierenden Abschnitts bis zu einer Stelle angeordnet ist, die in einem Abstand mit einer Länge von etwa einem Durchmesser, basierend auf dem Durchmesser der Strömungsleitung, zu dem stromauf liegenden Einlaßende des konvergierenden Abschnitts angeordnet ist, um dadurch ein Gasblasen/Flüssigkeits-Gemisch mit einer Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen, die unter der Schallgeschwindigkeit in dem Gas/Flüssigkeits-Gemisch liegt;

- die Strömungsgeschwindigkeit des Gas/Flüssigkeits-Gemisches von der unter der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine über der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit in einem stromauf liegenden konvergierenden Abschnitt (3) der Venturi-Anordnung erhöht wird; und nachfolgend

- die Strömungsgeschwindigkeit des Gas/Flüssigkeits-Gemisches von der über der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit auf eine unter der Schallgeschwindigkeit liegende Geschwindigkeit in dem stromab liegenden divergierenden Abschnitt (4) der Venturi-Anordnung gesenkt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Lösung des Gases in der Flüssigkeit.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2, wobei Sauerstoff als das Gas und Wasser als die Flüssigkeit benutzt werden.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Reaktion des Gases und der Flüssigkeit.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Gas benutzt wird, um gelöstes Gas von der Flüssigkeit zu strippen.