190785. lajstromszámú szabadalom • Eljárás folyadékok érintkeztetésére gázokkal
1 190 785 2 Eng. Sei. 32, 889-897 [1977.]) az egységnyi energiával biztosítható anyagátadási együttható a folyadéksugár sebességének növelésével közel négyzetesen csökken, ami annak tulajdonítható, hogy bár az anyagátadási együttható a sugársebesség növelésével a sebesség &-ik hatványával arányosan nő, ugyanakkor a sugár energiája ennél jóval meredekebben, a sebesség 3. hatványával arányosan növekszik. Fenti vizsgálat, más mérésekkel is egybehangzóan, a folyadéksugár Reynolds-száma növelésének az anyagátadás energetikai hatékonyságát nagymértékben csökkentő hatását mutatta ki a vizsgált mérési tartományban. Ennek tulajdonítható, hogy a gyakorlatban megvalósított ilyen eljárások hatásfoka kisebb, mint a más típusú gáz-folyadék érintkeztetőké (Chem. Ing. Techn. 52. 951-965 (1980). 11. táblázat) Mindazoknál az eljárásoknál viszont, ahol a gázfolyadék közti anyagátadás kizárólag a gázrétegen áthaladó koherens folyadéksugár felületére van korlátozva (Coeuret, F. et. al.: Chem. Eng. Sei. 28, 315-318 [1973.]) az elérhető fajlagos anyagátadási együttható mintegy 2 nagyságrenddel kisebb az egyéb ismert folyadéksugaras eljárásokénál. A találmány célja az ismert megoldások hátrányainak kiküszöbölésével olyan eljárás kidolgozása, amely egyszerű és olcsó módon teszi lehetővé folyadékok érintkeztetését gázokkal megnövelt anyagátadási sebességgel és az eddig szükségesnél kisebb energiával. A találmány alapja az a felismerés, hogy a rendszer hatásfoka és tulajdonságai ugrásszerűen megjavulnak, ha a folyadéksugár-sebesség eléri vagy meghaladja a 20 m/s értéket és a folyadéksugár Reynolds száma a fúvókából való kilépéskor eléri vagy meghaladja a 400 000-es értéket. Ez a felismerés azért, meglepő, mert a folyadéksugár-sebesség és a fajlagos gázbeoldás ismert összefüggése alapján az volt várható, hogy a folyadéksugár-sebesség ilyen értékei mellett a beoldható gáz mennyisége nem növekedni, hanem csökkenni fog. A találmány további alapja az a felismerés, hogy az egységnyi energiával beoldható gáz mennyisége tovább növelhető, ha a koherens folyadéksugár szabad úthossza eléri vagy meghaladja a 15 folyadéksugár-átmérőt. A fentiek alapján a találmány eljárás folyadékok érintkeztetésére gázokkal, koherens folyadéksugárnak a fúvókával a gázrétegen keresztül nagy sebességgel a folyadékba való bevezetése útján. A találmány értelmében úgy járunk el, hogy a folyadéksugarat 20-38 m/s, előnyösen 24-28 m/s sebességgel és legalább 400 000-es Reynolds számmal vezetjük ki a fúvókából, és a folyadéksugár szabad úthoszszát legalább 15, előnyösen 20-25 folyadéksugárátmérő értéken tartjuk. A találmány szerinti eljárás rendkívül széles körben alkalmazható a legkülönbözőbb folyadékok, pl. oldatok vagy szuszpenziók és gázok vagy gázkeverékek intezív érintkeztetésére. Példaként említjük meg az aerob fermentációban, az aerob biológiai szennyvíztisztításban, halastavak levegőztetésében, katalitikus gáz-folyadék reakciókban, pl. katalitikus hidrogénezésben, továbbá gázok elnyeletéssel való tisztításában való felhasználás lehetőségét. A találmány szerinti eljárás főbb előnyei a következők a) Lehetővé teszi az ismert eljárásokhoz képest az anyagátadási sebesség jelentős növelését. Levegőből 30-35 kg 02/m3 óra gázmennyiség beoldását teszi lehetővé, ami többszöröse annak az oxigénmennyiségnek, amelyet az eddigi berendezésekkel be lehetett oldani. b) A nagy anyagátadási sebesség a reaktortérfogat jelentős csökkentését és a termek koncentrációjának arányos növelését teszi lehetővé. c) Kedvező fajlagos energiafelhasználást tesz lehetővé; 1 kg 02 beoldásához 0,2-0,4 kWh energiára van szükség. d) Az anyagátadás széles tartományban gyakorlatilag független a folyadék viszkozitásától. e) Rendkívül jó gázkihasználást tesz lehetővé, aminek révén azonos anyagátadási sebesség lényegesen kisebb gázvisszatartással és ennek megfelelően jobb térfogatkihasználással érhető el. f) Az eljárás rendkívül egyszerű berendezésben valósítható meg, alacsony beruházási és karbantartási költségekkel. A berendezés méretének növelése az anyagátadás fajlagos energiafelhasználásának egyidejű csökkenésével oldható meg. Az eljárásban alkalmazható a koherens folyadéksugár előállítására alkalmas bármilyen ismert típusú fúvóka. Az áramlási veszteségek csökkentése érdekében előnyös Pelton-turbináknál alkalmazott paraoloid-hiperboloid profilú úgynevezett „sugárcsövet” használni. A találmány szerinti eljárás foganatosítására az alábbi kiviteli példákat adjuk meg. 1. példa 0,45 m átmérőjű, 3 m magas tartályba 0,3 m3 0,5 M nátrium-szulfit oldatot vezetünk, és azt 0 001 mól/1 kobaltszulfát katalizátor jelenlétében 0,02 m átmérőjű fúvókán keresztül keringetjük. A nátrium-szulfit oldat hőmérséklete 30 °C, sűrűsége 1054,6 kg/m3, az oxigén telítési koncentrációja 5,08x 103 kg/m3). A 20,8 m/s sebességű (Re: 416 000), 0,4 szabad úthosszú folyadéksugár segítségével az oxigén beoldódási sebessége atmoszferikus nyomású levegőből 12,4 kg 02/m3 óra értéknek adódik a nátrium-szulfit oxidációján alapuló mérési módszerrel (Linek V. és Vacek V., Chem. Eng. Sei. 36 1747—68 [1981].) A folyadéksugár teljesítménye 1,42 kW. Ez 0,38 kWh/kg 02 fajlagos energiaigénynek felel meg. A fizikai abszorpcióra vonatkoztatott fajlagos anyagátadási együttható 6555,1 h 1 értéknek adódik. 2. példa Mindenben az 1. példa szerinti módon járunk el, azzal az eltéréssel, hogy 24,8 m/s (Re: 496 000) sebességű folyadéksugarat alkalmazunk. A folyadéksugár teljesitménye 2,4 kW. Az oxigénbeoldódás sebessége 33,3 kg 02/m3 óra, ami 0,24 kWh/kg 02 fajlagos energiaigénynek felel! meg. A fizikai abszorpcióra vonatkoztatott fajlagos anyagátadási együttható 6555,1 h 1 értéknek adódik. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
