Stoffübergang in einem Airlift-Schlaufenreaktor mit suspendiertem Feststoff page 1
Stoffübergang in einem Airlift-Schlaufenreaktor mit suspendiertem Feststoff page 2
Stoffübergang in einem Airlift-Schlaufenreaktor mit suspendiertem Feststoff page 3

Stoffübergang in einem Airlift-Schlaufenreaktor mit suspendiertem Feststoff

Embed Size (px)

Text of Stoffübergang in einem Airlift-Schlaufenreaktor mit suspendiertem Feststoff

  • Hohe nach den Gin. (8a) und (8b) berechnen sich dann damit und h , . Schnelle oder anaiytisch aufwendige (Genauigkeit, erforderliche Menge an Reaktionsmasse) Reaktionssysteme sollten mit variier- tern Einsatzverhaltnis AdBo < 2 bis zum A-Verbrauch umgesetzt, in Ruhe analysiert und wie beschrieben ausgewertet werden. Urn aus den Konstantenverhaltnissen x l , x2, hl und h2 die Konstantcn k l , k;, kz und k; nach den Gln. (4) zu bestimmen, ist die Summe k l + k; erforderlich. Diese ist aus dem zeitlichen 5-Verlauf uber GI. (1b) erhaltlich:

    a) durch UberschuBeinsatz von A, d.h. (Ad& %- 1) und Etablie- rung eines Reaktionssystems pseudo-erster Ordnung (A ( t ) = '40):

    B - (kl + k;)AoB , - In - = (kl + k;)A,,t ; dB - _ _ _

    dt Bo

    b) durch Prazisionsanalytik bzgl. A und B uber die Bestimmungs- gleichung

    kl + ki = - (dB/dt)/(AB)

    aus den KonzentrationslZeit-Verlaufen von A und B und genauer Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeiten rl + r2 = -dB/dt aus der ersten Ableitung des gemessenen B ( t ) - Verlaufes.

    Eingegangen am 26. Februar 1990 [K 11451

    Formelzeichen

    A, B, C1, C2, D [kmoVm3]

    I n d i c e s 0

    max m

    Literatur

    [m'/kmoi s]

    [kmoUm3 s]

    [-I [-I [-I

    molare Konzentration der betrof- fenen Komponente Geschwindigkeitskonstanten zweiter Ordnung Reaktionsgeschwindigkeiten, s. Abb. 1 punktuelle Selektivitat bzgl. CI, G1. (10) Umsatz an Komponente B, G1.

    Geschwindigkei tskonstantenver- haltnisse, GI. (4)

    (6)

    am Anfang der Reaktion ( t = 0) am Ende der Reaktion (t -+ m) am Maximum einer Zwischenpro- duktkonzentration

    Wu, R.: Diplomarbeit, Inst. fur Technische Chemie,TU Berlin 1990. Chao-Tung Chen: J. Phys. Chem. 62 (1958) S. 639. Kerber, R.; Gestrich, W : Chem.-1ng.-Tech. 38 (1966) S. 536. Hoffmann, U.; Hofmann, H.: Einfuhrung in die Optimierung, 1. Aufl.,VCH, Weinheim 1971. Szabo, Z. G. , in: Comprehensive Chemical Kinetics. Bd. 2, The Theory of Kinetics, Herausg. C. H. Bamford u. C. F: H. Tipper, Elsevier, Amsterdam 1969, S. 67f.

    Stoffubergang in einem Airlift-Schlaufen- reaktor mit suspendiertem Feststoff

    Michael Immich, Baotian Yu, Dirk Hollmann und Ulfert Onken*

    Herrn Professor Dr. Kurt Dialer zum 70. Geburtstag

    1 Problemstellung

    Airlift-Schlaufenreaktoren mit suspendiertem Feststoff werden in verschiedenen chemischen und biologischen Prozessen eingesetzt . Der suspendierte Feststoff kann beispielsweise Katalysator (kata- lytische Hydrierungen, Synthesegas-Umsetzungen), Biomasse (Fermentationen) oder Tragermaterial zur Immobilisierung von Mikroorganismen (biologische Abwasserreinigung) sein. Wie in vorangegangenen Arbeiten [1-31 gezeigt wurde, fuhrt die Anwesenheit suspendierter Feststoffpartikeln zu einer Verande- rung der fluiddynamischen Vorgange im Reaktor. Suspendierte Feststoffpartikeln beeinflussen beispielsweise lokale und integrale Gasgehalte und haben somit direkte Auswirkungen auf den Stoffaustausch zwischen Gas- und Flussigphase. In dieser Arbeit wurde der EinfluB suspendierter Aktivkohle- Partikeln auf den Stoffubergang GaslFlussigphase untersucht. In den wenigen bisher veroffentlichten Arbeiten wird widerspruch- lich uber den EinfluB suspendierter Aktivkohle-Partikeln auf den Stoffubergang Gas/Flussigphase berichtet. Quicker et al. [4] untersuchten in der Blasensaule das Stoffubergangsverhalten von COz in Salzlosungen (Na2C03, NaHC03). Sie berichten von einer

    * Dipl.-lng. M . Immich, Dipl.-Ing. B. Yu, Dip].-lng. D. Hollmann und Prof. Dr. U. Onken, Lehrstuhl fur Technische Chemie B, Univ. Dortmund, Postfach 500500, 4600 Dortmund SO.

    Erhohung des kLa-Wertes bei Zugabe von Y g/l Aktivkohle- Partikeln (dp = 4 pm, ep = 1,8 kgll). Smith et al. [S] fuhrten Stoffubergangsmessungen in einem Airlift- Schlaufenreaktor mit innerem Umlauf durch. Sie venvendeten Kohle-Partikeln ( d p = 74 pm, pp = 1.4 kg/l) im Bereich von 0 bis 40 Gew.-%. Dabei stellten sie eine Abnahme des kLa-Wertes mit steigender Feststoffkonzentration fest. Lediglich bei Feststoffkon- zentrationen unter 3,s Gew.-% ermittelten sie eine geringfugige Erhohung des kLa-Wertes gegenuber dem feststoff-freien System. Lindner et al. [6] untersuchten den Stoffubergang bei der Desorp- tion von 0 2 aus 02-gesattigter Salzlosung (H3PO4, KN03) in H2. Sie fanden in der Blasensaule eine Erhohung des kLa-Wertes bei Zugabe von Aktivkohle-Partikeln ( d p = 40 pm, ep = 1,s kgll) im Bereich von 0 bis SO g/l. Wie dieser Uberblick zeigt, beschranken sich vorhergehende Arbeiten auf die Verwendung von Aktivkohle mit kleinen Parti- keldurchmessern. In dieser Arbeit erfolgten Stoffubergangsunter- suchungen im Airlift-Schlaufenreaktor unter Verwendung von Aktivkohle-Partikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2 bis 3 mm.

    2 Experimentelles

    Bei den in dieser Arbeit verwendeten Reaktoren (Abb. 1) handelt es sich um Airlift-Schlaufenreaktoren mit innerem Umlauf. Die Querschnittsflachen von Einsteckrohr und Ringraum sind gleich. Das Leitrohr wird am konisch zulaufenden Reaktorboden uber eine Lochplatte begast. Die technischen Daten der Reaktoren sind in Tab. 1 zusammengefaBt. Der Reaktorkopf ist zur Verbesserung des Entgasungsverhaltens mit einem erweiterten Innendurchmes- ser ausgelegt. Das Leitrohr endet in der Entgasungszone. Als Begaser dienten Lochplatten (Lochdurchmesser ( 2 1 , = 1 mm (Re-

    Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 11, S. 945-947 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1990 945 0009-286X/90/1111-0945 $ 03.50 + .25/0

  • Tabelle 1. Technische Daten der Versuchsreaktoren').

    Reaktor 1 Reaktor 2

    Abgas

    t

    t Zuluft

    Abb. 1. Airlift-Schlaufenreaktor mit innerem Umlauf.

    aktor 1) bzw. dL = 1,5 mm (Reaktor 2), rnit einer relativen freien Querschnittsflache von rp = 0,5%). Die Untersuchungen zum Stoffubergang GasElussigphase wurden im Stoffsystem Was- ser/Luft/Aktivkohle-Partikeln durchgefuhrt. Die Ermittlung des integralen kLa-Wertes erfolgte mittels der dynamischen MeBme- thode. Dabei wurde der kLa-Wert uber die zeitliche Anderung der Gelostsauerstoff-Konzentration nach Umschaltung von Stickstoff- auf Luftbegasung bestimmt. Zur Variation der Koaleszenz-Eigenschaften der Flussigphase wurden vergleichende Messungen mit vollstandig koaleszenzge- hemmter Flussigphase durchgefuhrt. Als koaleszenzhemmender Zusatzstoff wurde Isopropanol (1,2 g/l [7]) verwendet. Zusatzlich wurde der integrale Gasgehalt aus der Volumenanderung von unbegastem zu begastem Reaktorinhalt bestimmt. Bei der Aktivkohle (Typ D45/2, DMT GmbH, Essen) handelte es sich um zylindrische Pellets mit einem mittleren Partikeldurchmes- ser von 2 bis 3 mm und einer Schuttdichte von 450 g/l. Die Dichte der nassen Aktivkohle betrug 1,3 kgll.

    3 Ergebnisse und Diskussion

    Sowohl im koaleszierenden als auch im vollstandig koaleszenzge- hemmten Stoffsystem konnte die in Abb. 2 dargestellte Abhangigkeit des kLa-Wertes vom Feststoffgehalt beobachtet werden: Der kLa-Wert wird durch Zugabe von Aktivkohle-Partikeln gegenuber dem feststoff-freien System zunachst erhoht. Dabei wird, unabhangig von den Betriebsbedingungen, die maximale Erhohung des

    1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am SchluR des Beitrags.

    kLa-Wertes bei einem Feststoffgehalt von ca. 3 bis 4 Vo1.-% erzielt. Eine weitere Steigerung des Feststoffgehalts bewirkt wieder eine Abnahme des kLa-Wertes. Die Messungen im vollstandig koales- zenzgehemmten System erbrachten in allen Fallen hohere kLa- Werte als in reinem Wasser. Diese Erhohung wird bei dem in Abb. 2 aufgetragenen relativen kLa-Wert nicht bestatigt. Der in Abb. 2 dargestellte Kurvenverlauf wird qualitativ auch bei Betrachtung des integralen Gasgehalts beobachtet (s. Abb. 3).

    I I 1 1 I I I 0 1 2 3 6 5 6 7

    ES [VOk%I

    Abb. 2. kLa-Wert bezogen auf den im feststoff-freien System erhaltenen kLa-Wert in Abhangigkeit vom Feststoffgehalt; Abso- lutwerte s. Tab. 2.

    I 0.9

    0 1 2 3 4 5 6 7 EsIVOl%1

    Abb. 3. Integraler Gasgehalt bezogen auf den Gasgehalt im feststoff-freien System in Abhangigkeit vom Feststoffgehalt; Absolutwerte s. Tab. 2.

    Analog zu den ermittelten kLa-Werten wird eine maximale Erhohung des integralen Gasgehalts bei einem Feststoffgehalt von etwa 4 Val.-% festgestellt. Lediglich im koaleszierenden Stoffsy- stem in Reaktor 2 wird ein nahezu linearer Anstieg des EG-Wertes mit dem Feststoffgehalt beobachtet. Offenbar wird die Steigerung des kLa-Wertes bei Feststoffzugabe durch eine VergroBerung der Phasengrenzflache erzeugt. Der in den Abb. 2 und 3 gezeigte Kurvenverlauf rnit einem Maximum bei 3 bis 4 Vo1.-YO Feststoff- gehalt 1aBt gegenlaufige Effekte bezuglich der Beeinflussung der Phasengrenzflache durch suspendierte Feststoffpartikeln vermu- ten: Nach einer Modellvorstellung von Rubiger [8] existiert ein optimales GroBenverhaltnis von Partikeldurchmesser zum Mikro- maB der Turbulenz, bei dem eine Intensivierung der uber den

    Tabelle 2. Absolutwerte des Stoffubergangskoeffizienten und des Gasgehalts im feststoff-freien System ( E ~ = 0).

    Reaktor 1 Reaktor 2 Wasser Wasserl Wasser Wasser/

    Isopropanol Isopropanol -

    k ~ a [US] 0,047 0,047 0,041 0,044 G [Yo] 9,9 11,o 9,o 13,7

    946 Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 11, S. 945-947

  • Reaktorquerschnitt gemittelten Turbulenz-Intensitat der Fliissig- keit uber die Turbulenz-Intensitat im feststoff-freien System hinaus

    Formelzeichen

    moglich ist. Diese erhohte Energie-Dissipation bewirkt eine Steigerung der Gasphasendispergierung. Mit zunehmendem Fest- stoffgehalt und damit abnehmenden Abstand der Partikeln unter- einander setzt eine Dampfung der Turbulenz-Intensitat ein, da die Ausdehnung der Turbulenz-Ballen auf den Zwischenraum der Partikeln beschrankt ist. Die Abnahme dieser zur Dispergierung der Gasphas