Synopse 1906

Auf s t iegs t ei 1- i riser) AbstrBmer ~~

Sorptionscharakteristik und Hydrodynamik in zwei- und dreiphasig betriebenen Airlift-Schlaufenreaktoren

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Mark Lindert, Winfried Hamschmidt und Dietmar C. Hempel*

Bei der aeroben Reinigung spezieller industrieller Abwasser bietet es sich in vielen Fallen an, auf Tragerpartikeln immobilisierte Biomasse in Airlift-Reaktoren einzusetzen [l, 21. Diese verbinden in denkbar einfacher Weise Sauerstoff-Versorgung und Durchmi- schung im Reaktor. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersu- chungen zur Auslegung technischer Reaktoren zur Abwasserbe- handlung wurden an einem 80-1- und einem 800-1-Airlift-Schlau- fenreaktor (ASR) durchgefuhrt. Abb. 1 zeigt eine Prinzipskiz- ze . Zunachst wurden iiber das Reaktorvolumen gemittelte Daten wie Umlaufgeschwindigkeit , Gasgehalt und Stoffiibergangskoeffizien- ten erfaat. Die in den Diagrammen hierfiir verwendeten dimen- sionslosen KenngroRen sind in Tab. 1 definiert. Abb. 2 verdeutlicht, daR der Fliissigphaseumlauf mit steigender Begasung zunimmt, mit steigender Widerstandszahl des Umlaufs dagegen fallt. Sehr deutlich ist der Unterschied zwischen den

r,' \/ I

Abb. 1. Prinzipskizze der Airlift-Schlaufenreaktoren (ASR). MFM Mass Flow Meter, p DruckmeRstellen, x LeitfahigkeitsmeR- stellen, 0 2 MeRstellen der Sauerstoff-Konzentration; V = 80 1: dl = 0,15 m, dz = 0,042 m, H = 2,9 m; V = 800 1: d l = 0,3 m, d2 = 0,l m, H = 7,9 m.

* Prof. Dr.-Ing. D. C. Hempel (Korrespondenzautor). Dipl.- Chem. M. Lindert und Dipl.-Ing. W Hamschmidt, Universitat- G H Paderborn, Technische Chemie und chemische Verfahrens- technik, Warburger Str. 100, 4790 Paderborn.

beiden Reaktoren: Der 800-1-Reaktor weist einen seiner Hohe entsprechend groReren Umlauf auf. Zur Beschreibung des Stoffiibergangsverhaltens in Abhangigkeit von den beiden HaupteinfluRgroRen Gaseintrag und Reaktor- geometrie wurden Reaktor-Kennlinienfelder erarbeitet, die das Auffinden sinnvoller Betriebspunkte ermoglichen. Dabei wurde der volumenbezogene Stoffiibergangskoeffizient k p durch die Antwortfunktion der Gelostsauerstoff-Konzentration auf eine Sauerstoff-Sprungfunktion in der Gasphase bestimmt (dynamische Methode, s. Weilund [5] ) . Abb. 3 zeigt die erhaltene Sorptionscharakteristik. Die Sorptionskennzahl gibt die Effektivitat der Begasung wieder, die mit zunehmender Gasleerrohrgeschwindigkeit sinkt, rnit wach- sender Widerstandszahl des Umlaufs dagegen zunimmt . Die Begrundung hierfur ist darin zu suchen, daR mit kleiner werden- dem Umlauf (Abb. 2) die Blasenverweilzeit im Reaktor groBer wird. Dies setzt naturlich voraus, daB im Laufe der Venveilzeit das Gleichgewicht zwischen Gas- und Flussigphase noch nicht erreicht wird. Zur Simulation von rnit Biomasse bewachsenen Tragermaterialien wurden unterschiedliche Kunststoffgranulate bzw. Sand in den Reaktor eingebracht. Der Fliissigkeitsumlauf reagiert deutlich auf Anderungen der Feststoffbeladung, der Gasgehalt und der Stoff- iibergangskoeffizient dagegen nur wenig oder gar nicht. In Abb. 4 ist die Umlauf-Reynolds-Zahl fur verschiedene Feststoff- systeme und fur zwei Gasleerrohrgeschwindigkeiten in Abhangig- keit von der Feststoffbeladung eingetragen. Die Aufspreizung der Kurven entspricht der Sinkgeschwindigkeit v, der Teilchen, die den Umlauf behindert.

Tabelle 1. Verwendete dimensionslose KenngroRen.

U dimensionslose Gasgeschwindigkeit : (Gaseintrag, Zlokurnik [4]) g E

(Reaktorgeometrie, vgl. z.B. [l, 31)

(Hydrodynamik) YI

u' = -22.-

Widerstandszahl des Umlaufs: 2 g H E~

Umlauf-Reynolds-Zahl:

6loop = ~

U:krop

d i s e r Re = ___

Sorptionskennzahl: (Stoffiibergang , Zlokurnik [4])

RellOOO

I

50 -

4 0 -

30 -

20 -

10 -

x 800-I-Reakt.:Xi-3.8

0 800-I-Reakt.:Xi-B.O

A 800-l-Reakt.:X1.11.5

X 800-I-Reakt.:Xi-27.8 - 80-I-Reakt.:Xi-3.3

-k 80-I-Reakt.:Xi*5.2

#C 8O-l-Reakt.:Xi.ll.7

[7 80-I-Reakt.:Xi-30.3

0 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

";I Abb. 2. losen Geschwindigkeit ui und der Widerstandszahl Xi = 6loOp.

Umlauf-Reynolds-Zahl Re als Funktion der dimensions-

1048 Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 12, S. 1048-1049 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1990 0009-286X19011212-1048 $ 03.50 + .25/0

Y.100 000 5

u g [ c m / s l u g PA PB PC S

2 0,933 . + * 0

2 ' I I I I

"b 0 0 3 1 1,s 2 23

, 4 1 8 6 7

1 I 80-1-Reaktor I 800-1-Reaktor I

x 0 x

3.8 6 . 0 1 1 . 5 2 7 . 8

x o n x

Abb. 3. Gasgeschwindigkeit und der Widerstandszahl.

Sorptionskennzahl als Funktion der dimensionslosen

RellOOO 14 1

Abb. 4. Umlauf-Reynolds-Zahl als Funktion des Feststoffgehal- tes t, = E, im 80-I-Reaktor. PA Polyamid, ps = 1202 kg/m3, d, = 2,s mm. n\ = 0,061 mls; PB Polybutylenterephthalat, ps = 1381 kg/mi, d, = 2.9 mm, n, = 0,129 m/s; PC Polycarbonat, ps = 1241 kg/m'. d, = 2.7 mm, v, = 0,070 d s ; S Sand, ps = 2780 kg/m'. d, = 0.2 mm. w , = 0.220 m/s.

Die Messung der axialenverteilung der oben genannten Parameter zeigt, daB der relative Gasgehalt kings der Reaktorachse nach oben im ASR ansteigt. was in erster Linie auf die Anderung des hydrostatischcn Druckes zuruckzufuhren ist. Die axiale Feststoffverteilung im Dreiphasensystem zeigt wie erwartet cbenfalls eine deutliche Abhangigkeit vom Gaseintrag (Abb. S). Dargestellt ist der Quotient aus dem gemessenen lokalen

\ 2 -

MeBebene 1

+ MeSebene 2

x MeBebsne 3

0' I I I

0 2 4 6 8 10 ug (cm/s)

Abb. 5 . Relative Feststoffprofile im Aufstrdmer; Fcststoffparti- keln: 40 g/l Polycarbonat. MeBebenen: vgl. Abb. 1; E,, = mittlerer Feststoffgehalt.

Feststoffgehalt und dem mittleren gemessenen Feststoffgehalt im Aufstromer des Reaktors. Bei niedrigen Gasdurchsatzen ist der Feststoffgehalt im unteren Teil des Reaktoraufstromers (Ebene 4) am groBtcn, weil die eingetragene Energie nicht ausreicht, um eine annahernd gleich- maBige Durchmischung zu erreichen. Bei hoheren Gasgeschwin- digkeiten bildet sich jedoch ein Verteilungsprofil aus. das im Aufstromer von unten nach oben leicht anstcigt. Dieser auf den ersten Blick uberraschende Effekt begrundet sich durch die Konstruktion des Reaktorkopfes, in dem eine interne Ruckstro- mung der Flussigphase zu einer Aufkonzentrierung von Partikeln im oberen Aufstrombereich fuhrt.

Dieses Projekt wurde durch das Ministerium Fur Umwelt, Raum- ordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein- Westfalen unterstutzt, wofur wir an dieser Stelle unseren Dank aussprechen mochten.

Eingegangen am 2. Juli 1990

Literatur

[ l ] Becker, R. J.; Huppe, F1; Wagner, K.; Hempel, D. C.: Chem.-

[2] Gerdes-Kiihn, M.; Diekrnann, R.; Hernpel. D. C.: Korrespon-

[3] Verlaan, fl: Dissertation, Landbouwuniversiteit Wageningen

[4] Zlokarnik, M.: Chem. Eng. Sci. 34 (1979) S. 1265/1271. [5] Weiland, fl: Dissertation, Univ. Dortmund 1978.

Schlusselworte: Airlift-Schlaufenreaktor, Stoffubergang, Sorpti- onscharakteristik, Hydrodynamik. Dreiphasensysteme, Feststoff- verteilung.

1ng.-Tech. 59 (1987) S. 486/489.

denz Abwasser 36 (1989) S. 7761784.

1987.

Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 12, S. 1048-1049 1049