Mehrphasenapparat, Blasenbildung, Dispersion, Strippen, Wasserreinigung, Bioreaktor, aerober Klärschlammabbau

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Stoffübergang in Drehscheibenapparaten 

Drehscheibenapparate (RDC-Apparate) sind seit ca. 5Jahren Stand der Technik bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion. Sie bestehen aus einem zylindrischen Gefäß, das an seiner Innenseite festangeordnete, kreisförmige Scheiben, sogenannte Statoren, trägt. Im Raum zwischen den Statoren dreht sich eine Welle, auf der ebenfalls Scheiben, sogenannte Rotoren, angebracht sind. Drehscheibenapparate sind auch für die Begasung von Flüssigkeiten geeignet. Versuche zeigen aber, dass die erwartete gute Dispersion von Gasblasen an den Scheibenrändern unterbleibt( Bild 1). Bei hinreichender Drehzahl der Welle sammelt sich das Gas in Form von Tromben unterhalb der sich drehenden Rotoren. Bei kontinuierlicher Gaszuführung strömt das Gas am Rande der rotierenden Scheiben in Form von großen Blasen von Trombe zu Trombe.  Dabei entsteht eine pulsierende Gasströmung, die für die meisten Anwendungsfälle unerwünscht ist. Auch bei hohen Drehzahlen konnten die Blasen nicht zerkleinert werden. Messungen zum Stofftransport ergaben enttäuschende Ergebnisse, da die den Stofftransport limitierende Phasengrenzfläche durch große Blasen relativ gering gehalten wird. Auch für Flüssig-Flüssig-Prozesse (z.B. Extraktion) sind ähnliche nachteilige Effekte zu erwarten, über die aber bisher noch nicht berichtet  worden ist. Die Blasenbildung zeigt aber, dass das Mixerprinzip nur unzureichend umgesetzt werden kann

2. Apparate mi perforierten Rändern                                                                                

Eine wesentliche Verbesserung der Stofftransportleistungen erreicht man,  indem man die Ränder der rotierenden Scheiben durch   Öffnungen verschiedener Form  (z.B. Bohrungen oder Schlitze)  perforiert. Auch hier sammelte sich das Gas unterhalb der Rotoren. Bei einer bestimmten Drehzahl strömt das Gas bei kontinuierlicher Gaszuführung durch die Öffnungen und wird dabei fein dispergiert. Der Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit wird durch diese Veränderung merklich erhöht.  Durch weitere Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, da die Statoren am zylindrischen Teil des klassischen RDC für die meisten Anwendungen ohne Vorteil auf die Arbeitsweise des Apparates sind Bild 1 zeigt die Prinzipskizze eines modifizierten Apparates.








Bild 1

Drehscheibenapparate mit perforierten Rändern eignen sich grundsätzlich für alle Mehrphasenprozesse, bei denen flüssige Phasen beteiligt sind. Besondere Vorteile ergeben sich, weil bei nicht mischbaren Phasen die spezifisch leichtere problemlos im Gegenstrom zur spezifisch schwereren geführt werden kann.  Für die Intensivierung der Vorgänge gibt es eine in  weiten Grenzen variable Größe - die Drehzahl-. Damit existiert eine Stellgröße zur Anpassung an veränderliche Prozeßbedingungen. Feststoffe lassen sich bei ausreichend geringer Korngröße (d < 10m) quasi homogen suspendieren.






 Bild 2  Turbulente Phasengrenzen im Gas-Flüssig-Betrieb                                                                                                                                                                 

Die Ränder der Tromben erreichen den Rand unterhalb der Trombe. Das Gas strömt durch die Schlitze am Rand der Scheiben und tritt in Form von feinen Blasen in die Flüssigkeit ein. Dabei entsteht an jeder Scheibe eine neue Phasengrenzfläche. Die Blasen werden nach ihrer Entstehung in die Trombe  oberhalb der Scheibe hineingezogen. Eine axiale Dispersion der Gasphase unterbleibt. Die Verweilzeitverteilung für die Gasphase ist eng.


Drehscheibenapparate verbinden die Vorteile von Rührkesseln und Apparaten mit Füllkörpern ohne deren Nachteile aufzuweisen.Für Füllkörpersäulen typische Nachteile,  wie Staupunkt, Flutpunkt,  Randgängigkeit und schwierige Maßstabsübertragung treten nicht auf. Der Druckverlust wird hauptsächlich von der Flüssigkeitshöhe bestimmt. Eine Schaumbildung läßt sich in gewissen Grenzen beherrschen. Die enge Verweilzeitverteilung ist eine  weitere günstige Eigenschaft des modifizierten Drehscheibenapparates. Die rotierenden Scheiben zwingen der Strömung eine Wirbelstruktur auf, die auch für die flüssige Phase eine quasi Pfropfenströmung ermöglicht. Dieser  Apparat ist im Labormaßstab erprobt für:

-  die Begasung (Belüftung) von Wasser,

-  die  Entfernung  flüchtiger  Schadstoffe  (Benzen, Toluen)  aus  Wasser   durch    Strippen,

-  die Flüssig-Flüssig-Extraktion,

-  den aeroben und anaeroben Abbau von Wasserinhaltsstoffen,

-  den aeroben Abbau von Klärschlamm,

-  die Oxidation von Styren,

-  die katalytische Alkylierung von Kresol mit Isobuten an einem suspendiertem Katalysator 

-  die Synthese einer Arzneimittelvorstufe in einer Emulsion

-  UV-Oxidation mit und ohne Begasung mit Luft

-  Abtrennung von Sand aus Klärschlamm

-  anaerobe Vergärung verschiedener Substrate zu Biogas

-  Neutralisation alkalischer Abwässer mit CO 2

-  Oxidation von Fe ++ zu Fe +++ in Wasser

Ein großes Anwendungspotential ist auch die Destillation. Dazu fehlen noch Versuche.

 3. Entwicklungspotential

Eine Weiterentwicklung ist uns durch die Kombination des Apparates mit festen Einbauten und Packungen  möglich Bild 3). Packungen erlauben die Immobilisierung von Katalysatoren insbesondere von Biokatalysatoren und eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für Stoffumsetzungen in der Biotechnologie und  Abwassertechnik .
























Bild 3 zeigt einen Apparat mit Packung.

3. Anwendungen

3.1Begasung von Flüssigkeiten

Bei der Begasung von Flüssigkeiten kommen die Vorteile des Drehscheibenapparates besonders zur Geltung:                                                                                                                                                                                                        - strenge Gegenstromführung von Gas und Flüssigkeit,                                                                             

- hoher, drehzahlabhängiger Stoffübergang und                                                                                        

- verhältnismäßig einfache Maßstabsübertragung.

Den Stoffübergang von Sauerstoff in Wasser zeigt (Bild 4) In der Darstellung ist erkennbar, daß der volumetrische Stoffübergangskoeffizient ( kla ) bei einer bestimmten Drehzahl sprunghaft an steigt. Es handelt sich dabei um die Drehzahl, bei der die Blasen durch die Perforationen an den Scheibenrändern hindurchtreten. Es wurde durch uns ein Modell erarbeitet, welches den kla-Wert in Abhängigkeit von der Apparategeometrie, der Drehzahl und dem Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz zuverlässig beschreibt.








Bild 4   Stoffübergang im System Wasser/Luft

 






3.2  Strippen kontaminierter Wässer

Zahlreiche verunreinigte Grundwässer und  Deponiesickerwässer enthalten leichtflüchtige Schadstoffe, die sich durch Strippen mit Luft entfernen lassen. Dabei fällt eine schadstoffbelastete Abluft an, deren Reinigung aus Umweltschutzgründen erforderlich ist. Um die Kosten für die Abluftreinigung in Grenzen zu halten, muß die Stripanlage mit einem möglichst geringen Luft-Wasser-Verhältnis arbeiten. Für das Strippen von Abwasser und Deponiesickerwasser, die mit Benzen, Toluen oder Chlorkohlenwasserstoffen (CKW) verschmutzt sind,  werden in der Praxis berieselte Schüttungen eingesetzt, wobei das Luft-Wasser-Verhältnis weit über 50:1 liegt. Der  Drehscheibenapparat wurde mit benzen- bzw. toluen- gesättigtem Wasser getestet(Bild 5). Bei einem Luft-Wasser-Verhältnis von 10:1 für Benzol bzw. 17:1 für Toluol wurden dabei die Nachweisgrenzen (UV-vis-Spektroskopie) für diese Schadstoffe erreicht. Das theoretische Luft- Wasser-Verhältnis, das erreicht wird, wenn die Luft vollständig mit dem Schadstoff gesättigt ist, beträgt für Benzol 8,6 :1 und für Toluol 15:1. Ähnlich günstige Ergebnisse erhält man bei der Entfernung von LHKW











 


Bild 5   Strippen von Benzolwasser

 













3.3. Aerober Klärschlammabbau

Klärschlämme bestehen zum großen Teil aus biologisch leicht abbaubaren Stoffen. Die aerobe Klärschlammbeseitigung ist seit langer Zeit bekannt. Der Vielzahl der erprobten Verfahren ist

       - eine Verweilzeit von mehreren Tagen und

       - ein geringer Klärschlammabbau (weniger als 15%)

gemeinsam.

In einem Drehscheibenreaktor ist es möglich, bei relativ geringen Verweilzeiten die Klärschlammenge um ca. 70%zu  reduzieren. ( Bild 8) Wenn der Anfangsschlammgehalt 17...25 kg TS/m³ beträgt, können je m³ Schlamm ca. 2 kg OTS/h abgebaut werden. Für eine Verminderung der Menge an abbaubaren Inhaltsstoffen um 70% sind Verweilzeiten von 8...10 Stunden erforderlich.










Bild 6 aerober Klärschlammabbau






Bild 7 aerober Abbau von Seeschlamm

























3.4 Aerobe Abwasser und Grundwasserreinigung

Bei der Wasseraufbereitung ist die Belüftung eine wichtige Prozeßstufe. Besonders für die aerobe Aufbereitung hochbelasteter Abwässer ist die Zuführung von Sauerstoff eine entscheidende Größe für die Effektivität des Verfahrens. Gleichzeitig ist es wünschenswert, die Abluftmenge zu minimieren, um eine effektive Abluftreinigung zu ermöglichen.Wegen ihrer hohen Stoffübergangsleistungen für Sauerstoff in Wasser empfehlen sich Drehscheibenapparate auch für die aerobe Abwasserreinigung. Mit auf einer Packung immobilisierten Bakterien konnte im kontinuierlichen Betrieb in einem Klärwerk Abbauleistungen von 4000 mg CSB/l*h erreicht werden. Die Verweilzeit des Abwassers betrug nur 14 min. Diese hohen Abbauleistungen sind auch bei Abwässern möglich, die zum Schäumen neigen (z.B.Zentrat).









Bild 8 aerobe Grundwasserreinigung



Nachstehende Vorteile prädestinieren den Drehscheibenreaktor als aeroben Reaktor für die Abwasserreinigung:

- hoher Stoffübergang für Sauerstoff - erreichbar sind 3...6 kg  O2/kWh,                                                  

- intensive Mischung,                                                                                                                                

- geringe Scherspannungsbelastungen auch bei hohen   Sauerstoffeintragsraten,                                                                                                                                                                              - einfache Möglichkeiten zur Immobilisierung der Mikroorganismen                                                                                                                                                                                         -enge Verweilzeitverteilung                                                                                                                         

-geringer Raum- und Flächenbedarf                                                                                                       

-geringer Luftbedarf    


4. Berechnung von Drehzylinderapparaten

Stoffübergang für Wasser-Luft:

 














Für die Berechnung der Rührerleistung benötigt man den Reibungsbeiwert Cp der Scheiben.









Bild 9 Cp- Wert einer einzelnen Scheibe







Der Cp-Wert bei einer Zahl vn "n" Scheiben Cp(n)=n x Cp. Im Gas/Flüssigbetrieb vermindert sich der Cp-Wert. Diese Änderung darf vernachlässigt werden.

5. Apparate mi horizontaler Welle

Apparate mit horizontaler Welle bieten eine große Anzahl von Variationsmöglichkeiten. Mit dem Durchmesserverhältnis von Scheiben und Gehäuse, der Geometrie der Scheiben und der Drehzahl kann man eine Vielzahl von Zuständen bei der Dispersion im Mehrphasenbetrieb erreichen. Stoffübergang, Verweilzeitverteilung und Tropfen/Blasengröße sind gut zu beherrschen. Der Druckverlust im Gas/Flüssigbetrieb kann sehr gering sein. Apparat in horizontaler Ausführung eignen sich gut für die Dispersion von Gas in Flüssigkeit. Solange keine vollständige Dispersion des Gases erfolgt,  können beide Phasen im Gegenstrom geführt werden. Der horizontale Apparat ist für die Gasphase selbstansaugend. Für Flüssig-Flüssig-Prozesse ist der Apparat sehr interessant, weil Mixer und Settler ohne Einbauten übereinander liegen. Zahlreiche Variationsmöglchkeiten hat man durch die Höhe des Flüssgkeitsstandes und die Anordnung der Welle

 





 

 





Bild 10  Cp-Wert für quadratische Scheiben, horizontale Bauart




 

Der Ingenieur braucht viel Fachwissen, etwas Fantasie und eine übergeordnete Leitung mit ein wenig Risikobereitschaft und Geduld.

Was die Ingenieure betrifft, bin ich sehr optimistisch !