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 Gasphase zur Verfiigung stehenden Energie fuhrt somit zur erhohten Koaleszenz der Blasen und damit zur Abnahme der Phasengrenzflache. Der beschriebene Zusammenhang wird offensichtlich in koales- zenzgehemmten Systemen abgeschwacht, da schon eine einseitige Beeinflussung. und zwar eine Vergroljerung der Phasengrenzfla- che. vorliegt. Der Einflulj der Adsorptionskapazitat der Aktivkohle-Partikeln und der EinfluD des in Airlift-Schlaufenreaktoren zirkulierenden Kleinblasenanteils auf den Stoffiibergang konnte bei der Berech- nung des integralen kLa-Wertes nicht beriicksichtigt werden. Der dabei entstehende Fehler resultiert in einer Unterschatzung des ermittelten Stoffiibergangskoeffizienten, so dalj man wegen der in dieser Arbeit beobachteten Erhohung des kLa-Wertes durch suspendierte Feststoffpartikeln bei der Reaktorauslegung in jedem Fall auf der sicheren Seite liegt.

Die Untersuchungen wurden im Zusammenhang mit einem Pro- jekt des BMFT (DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Essen) durchgefiihrt. Der Max-Buchner-Forschungsstiftung danken wir fur ein Doktoranden-Stipendium.

Eingegangen am 20. August 1990 [K 11911

111 Deckwer, W 591.

Innendurchmesser der Entgasungszone Innendurchmesser des Einsteckrohres mittlerer Partikeldurchmesser Reaktorinnendurchmesser Fullhohe des Reaktors Hohe des Einsteckrohres integraler Stoffiibergangskoeffizient Reaktorfullvolumen Gasleerrohrgeschwindigkeit integraler Gasgehalt integraler Feststoffgehalt Feststoffdichte

D.; Schumpe, A,: Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) S.

[2] Heck, J.; Onken, U : Chem. Eng. Technol. I 1 (1988) S. 335. [3] Muroyamu, K.; Fan, L.-S.: AIChE 1. 31 (1985) S. 1. [4] Quicker, G.; Alper, E.; Deckwer, W-D.: AIChE J. 33 (1987) S.

[S] Smith, B. C.; Skidmore, D. R.: Biotechnol. Bioeng. 35 (1990)

[6] Lindner, D.; Werner, M.; Schumpe, A,: AIChE J. 34 (1988) S.

[7] Keitel, G.; Onken, U.: Chem.-1ng.-Tech. 54 (1982) S. 2621263,

871.

S. 483.

1691.

MS 982182. [8] Riibiger, N . : Chem.-1ng.-Tech. 57 (1985) S. 2481249, MS

1328l85.

Bubble Formation and Liquid Weeping at an Orifice Submerged in a Liquid

D. F. Che and J. J. J. Chen*

1 Introduction

Distillation columns with perforated plates are widely used in the chemical industry. However, their use is often accompanied by liquid weeping and this affects the efficiency of the process. Many studies of the formation of gas bubbles from single orifices have failed to examine the liquid weeping phenomenon although this may be strongly related to the bubble forming process. In their studies of gas bubble formation, some investigators (for example, Kumur et al. [ l , 21) observed that at low gas flow rates liquid can pass through the orifice into the chamber below once the bubble has become detached. However,very few investigators have undertaken specific studies on this phenomenon. This paper reports studies on the liquid weeping associated with bubble formation from an orifice. Influences of orifice diameter, orifice plate thickness and gas flow rate upon the liquid weeping have been examined.

2 Previous Work

Jumeson & Kupferberg (31 studied bubble formation in an inviscid liquid,with special attention being paid to the pressure field behind

* D. I! Che'I,?) and Dr. J. J. J. Chen') (Author for correspondence), 1) Chemical & Materials Engineering Department,The Univer- sity o f Auckland, Private Bag, Auckland, New Zealand, 2) Energy & Power Engineering Department, Xi'an Jiaotong University. Xi'an, China.

the bubble. They showed that, in its wake, the bubble leaves a distinct pressure field, which may be of sufficient magnitude to cause liquid weeping or dumping. However, no further investiga- tion was undertaken. When studying bubble formation, McCann and Prince [4] also examined liquid weeping. They argued that the liquid weeping through the orifice after bubble detachment is a result of the pressure behind the rising bubble becoming greater than the chamber pressue. Potential flow analysis was used to develop equations which describe the flow of gas from the chamber beneath the plate into an expanding, rising, spherical bubble growing at the orifice. It has been shown that after detachment of the bubble a pressure difference causing liquid flow develops across the orifice, and this was used to estimate the weeping rate. Akagi et al. [5] investigated in detail the weeping phenomena at submerged orifices on the basis of pictures taken by a high-speed camera and pressure fluctuation data in the gas chamber. The effects of orifice diameter, orifice number, pitch. chamber volume, physical properties of liquid, and gas flow rate on the weeping ranges and weeping rates were examined. They found that the chamber pressure decreases excessively on formation of a large bubble; weeping occurs immediately after the detachment of a bubble from the orifice.

3 Experimental Apparatus

The experimental apparatus is shown schematically in Fig. 1. Air from the main supply passes through a pressure regulator before being saturated by an air presaturator.The saturated air enters the bottom of the chamber underneath the orifice plate after its volumetric flow rate has been measured. The liquid weeping through the single orifice was collected via a filter funnel situated directly beneath the orifice plate and led to a graduated cylinder

Chem.-1ng.-Tech. 62 (1990) Nr. 11, S. 947-949 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1990 0009-286X19011111-0947 $ 03.50 + .25/0

947