Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stoff- und Ener¬ gieübertragung in fluiden Stoffsystemen, wobei die Verweil¬ zeiten der durchgesetzten Stoffströme innerhalb eines vor¬ bestimmten Verweilzeitbereichs liegen, und bei dem sich das fluide Stoffsystem in mehreren, strömungsmäßig hinter- einandergeschalteten und zu einer Kammerkaskade übereinan¬ der angeordneten Kammern befindet, in denen intern Umlauf- Strömungen erzeugt werden.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Stoff- und Energieübertragung in fluiden Stoffsystemen, wobei die Verweilzeiter. der durchgesetzten Stoffströme innerhalb ei¬ nes vorbestimmten Verweilzeitbereichs liegen, und bei dem sich das fluide Stoffsystem in mehreren, strömungsmäßig 'hintereinandergeschalteten und zu einer Kammerkaskade über¬ einander angeordneten Kammern befindet, wobei Strömungs¬ leiteinrichtungen zum Erzeugen von internen UmlaufStrömun¬ gen in den einzelnen Kammern vorgesehen sind.

Unter einem fluiden Stoffsystem soll hier nicht nur ein seiner Natur nach fluides Stoffsystem verstanden werden, wie beispielsweise ein Flüssigkeits-Flüssigkeits-System oder ein Flüssigkeits-Gas-System, sondern auch ein fluidi- siertes Stoffsystem, das wenigstens einen Stoff enthält, der seiner Natur nach nichtfluid ist, jedoch durch Fluidi- sierung fluid gemacht worden ist, wie beispielsweise ein Feststoff, der durch Dispergierung in einer Flüssigkeit oder in einem Gas fluid gemacht worden ist.

Weiterhin ist hier unter eine Stoff- und Energieübertra¬ gung insbesondere auch eine Durchmischung von gleichphasi¬ gen oder verschiedenphasigen Stoffen zu verstehen, wobei diese Durchmischung sowohl eine homogene Durchmischung

sein kann, wie beispielsweise die Durchmischung zweier in¬ einander löslicher Flüssigkeiten, als auch eine heterogene Durchmischung, wie beispielsweise die Dispergierung eines Gases in einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs in einer Flüssigkeit oder einem Gas oder auch die Dispergierung von nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten ineinander un¬ ter Emulsionsbildung. Weitere Beispiele einer Stoff- und Energieübertragung sind Gaswäsche, Absorption, Extraktion, Kristallisation sowie chemische und biochemische Reaktio- nen.

Außerdem sei darau hingewiesen, daß der Begriff der Stoff- und Energieübertragung hier in dem Sinn verwendet wird, daß hierbei die Energieübertragung, die beispielsweise ei- ne Wärmeübertragung sein kann, von untergeordneter Bedeu¬ tung sein kann oder daß umgekehrt auch die Stoffübertra¬ gung gegenüber der Energieübertragung von untergeordneter Bedeutung sein kann.

Besonders wichtig sind im Rahmen der vorliegenden Erfin¬ dung Gas-Flüssigkeits-Systeme, die in der Technik vielfäl¬ tige Anwendungen finden, zum Beispiel bei Gaswäschen, Naß- entstaubung, Trennung von Gasgemischen durch selektive Ab¬ sorption, Verdampfung und Kondensation sowie bei chemischen und biochemischen

Reaktionen. In den meisten Fällen ist die Gasphase hierbei selbst an den erwähnten Vorgängen durch Stoff- und Energie¬ übertragung zwischen der Gasphase und der Flüssigkeitsphase beteiligt. Die Gasphase kann aber auch als "Inertgas" le- diglich zur Durchmischung des Flüssigkeitssystems benutzt werden, während der eigentliche Vorgang, wie er beispiels¬ weise vorstehend angegeben ist, allein in der Flüssigkeits¬ phase stattfinden kann, wie beispielsweise bei der Solvent¬ extraktion oder der Kristallisation.

Unter einem Gas-Flüssigkeits-System sollen hier unter ande¬ rem auch solche Gas-Flüssigkeits-Systeme verstanden werden, die außer reinen oder molekulardurchmischten Gas- und Flüs¬ sigkeitsphasen auch unlösliche dispergierte Flüssigkeits- und/oder Feststoffphasen enthalten, wie beispielsweise Aerosole, Emulsionen oder Suspensionen.

Es seien zunächst anhand der Figuren la bis ld die beiden grundsätzlichen verfahrenstechnischen Möglichkeiten erör- tert, die nach dem Stande der Technik zur Verfügung stehen, um eine Stoff- und Energieübertragung in fluiden Stoffsyste¬ men zu bewirken, wobei es sich um zwei Grenzfälle von Ide¬ alapparaten handelt, nämlich dem sogenannten idealen Rühr¬ kesselreaktor, wie er schematisch in Figur la dargestellt ist, und den sogenannten idealen Rohrreaktor, wie er sche¬ matisch in Figur 1c veranschaulicht ist, wobei der Begriff "Reaktor" hier jede mögliche verfahrenstechnische Verwen¬ dung beinhaltet.

Der Rührkesselreaktor besteht im wesentlichen aus einem relativ großen Volumen, das zum Zwecke der Durσhmischung mit einer Rühreinrichtung versehen ist und in dem sich ein fluides Stoffsystem befindet. Wenn dieses Stoffsystem bei¬ spielsweise ein Gas-Flüssigkeits-System ist, dann wird zum Beispiel der zuzuführende Gasstrom V unten in den Rührkessel¬ reaktor eingeleitet und abzuführendes Gas oben aus dem Rührkesselreaktor abgeführt, wie durch die hellen Pfeile in Figur la veranschaulicht, während der zuzuführende Flüs¬ sigkeitsstrom V _τ zum Beispiel oben in den Rührkesselreaktor ein- geleitet und abzuführende Flüssigkeit unten aus dem Rühr- kesselreaktor entnommen wird, wie durch die dunklen Pfeile angedeutet.

Der ideale Rührkesselreaktor hat den Vorteil, daß eine in- tensiver Stoff- und Wärmeübertragung zwischen den Stoffpha¬ sen im Rührkesselreaktor stattfindet, also insbesondere

eine intensive Durchmischung, Dispergierung, Fluidisierung etc. Nachteilig an dem idealen Rührkesselreaktor ist es vor allem, daß die einzelnen Teilmengen der Stoffe, die das fluide Stoffsystem im Rührkesselreaktor durchströmen, ganz erzeblich unterschiedliche Verweilzeiten haben, die im Grenzfall zwischen Null und Unendlich liegen. Das ver¬ anschaulicht die Figur lb, in welcher die Häufigkeitsfunk ^¬ tion H(T) über den relativen Verweilzeiten X aufgetragen ist, welche die individuelle Verweilzeit t jeder Teilmenge auf die mittlere Verweilzeit t aller Teilmengen beziehen gemäß Z = t/t. Diese Häufigkeitsfunktion gibt an, welche Teilmenge des bei 'Z = 0 stoßartig dem Flüssigkeitsström V _τ zugesetzte Markierungssubstanz bei in einem infini- tesimalen Intervall df aus dem Rührkesselreaktor aus- tritt, also die relative Verweilzeit t hat.

Wie man aus Figur lb ersieht, ergeben sich die unter¬ schiedlichsten Verweilzeiten, wobei zu beachten ist, daß sich die Kurve H(T) in Figur lb mit wachsenden T-Werten tatsächlich der Abszisse nur asymptotisch nähert, also alle Verweilzeiten bis Unendlich möglich sind.

Diese außerordentlich unterschiedlichen Verweilzeiten der einzelnen Teilmengen der zugeführten Stoffe führen bei al¬ len zeitabhängigen Vorgängen, zum Beispiel bei chemischen und biochemischen Reaktionen, zu einer Uneinheitlichkeit der Teilmengen der aus dem Rührkesselreaktor austretenden Stoffe, beispielsweise hinsichtlich ihrer stofflichen Kon¬ zentrationen. Bei der im idealen Rührkesselreaktor vorhandenen vollkommenen Durchmischung ergibt sich im Rührkesselreak- tor die gleiche mittlere Konzentration der einzelnen Stoff¬ komponenten wie am Ausgang des Rührkesselreaktors. Aufgrund dieser Verhältnisse werden die Reaktionen verzögert, und der mittlere chemische oder biochemische Umsatz wird nach¬ teiligerweise begrenzt.

Der bezüglich des idealen Rührkesselreaktors entgegenge¬ setzte Extremfall ist der in Figur lc schematisch darge¬ stellte ideale Rohrreaktor, der durch eine Pfropfenströ¬ mung der durchlaufenden Stoffe, zum Beispiel des Flüssig- keitsstroms V _τ J-l und des G.asstroms Vt-_,t eines Gas-Flüssigkeits-

Systems charakterisiert ist. Hier haben alle Teilmengen der durchströmenden Stoffe die gleiche Verweilzeit. Das hat den Vorteil, daß sich für alle zeit¬ abhängigen Vorgänge eine vollkommene Einheitlichkeit aller Teilmengen, beispielsweise hinsichtlich ihrer Konzentra¬ tion, an den beteiligten Stoffen ergibt. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Umsatz aller am Verfahren betei¬ ligten Stoffe erzielt, und zwar von ihren Eintrittskonzen¬ trationen bis hin zu ihren Austrittskonzentrationen, die sich aus der Kinetik und der Verweilzeit ergeben und be¬ trächtlich günstiger als bei den jeweils mittleren Konzentra¬ tionen im Rührkesselreaktor sind. Insbesondere wird ein Reaktionsprodukt größtmöglicher Einheitlichkeit erhalten. Der ideale Rohrreaktor hat insbesondere den Nachteil, daß er die geringstmögliche Stoff- und Energieübertragung zwi¬ schen den beteiligten Stoffen hat, da keine Durchmischung Dispergierung und Fluidisierung im idealen Rohrreaktor er¬ folgt, also eine Stoff- und Energieübertragung nur durch Diffusion möglich ist.

Die einheitliche, für alle beteiligten Stoffe gleiche Ver¬ weilzeit im idealen Rohrreaktor ist in Figur ld bei = 1 veranschaulicht.

Durch eine Reihenschaltung von mehreren Rührkesselreakto¬ ren zu einer sogenannten Rührkesselkaskade, wie sie in Fi¬ gur 2a angedeutet ist, lassen sich die Vorteile des Rühr¬ kesselreaktors mit denjenigen des Rohrreaktors vereinigen. Es ergibt sich so eine größtmögliche Stoff- und Energie- Übertragung bei Verweilzeiten, die innerhalb begrenzter Verweilzeitbereiche liegen, die _„ m so kleiner

sind, je größer die Anzahl n der hintereinandergeschalte- ten Rührkesselreaktoren ist. In Figur 2b ist die Häufig- keitsfunktion E (X) für drei verschiedene Rührkesselkaska¬ den dargestellt, bei denen die Anzahl n der hintereinander- geschalteten Rührkesselreaktoren 2, 10 und 33 beträgt. Man sieht aus Figur 2b, daß das Verweilzeitspektrum sich mit steigender Anzahl n der hintereinandergeschalteten Rührkesselreaktoren sehr stark verengt.

Nachteilig an Rührkesselkaskaden ist, daß sie einen hohen bis unvertretbaren Bau- und Betriebskostenaufwand erfor¬ dern, sofern sie aus der zur Erzielung eines einigermaßen engen Verweilzeitspektrums erforderlichen Anzahl von 10 und mehr Rührkesseln bestehen.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer gegenüber der Verfahrensweise und dem Aufbau der Rührkesselkaska¬ de im Bau- und Betriebskostenaufwand wesentlich günstige¬ ren Verfahrensweise und Vorrichtung zum Bewirken eines Stoff- und Energieaustauschs zwischen einem fluiden Stoff¬ system und einem demselben zugeführten Stoff, bei dem die Verweilzeiten der einzelnen Teilmengen des dem Stoffsystem zugeführten Stoffes innerhalb eines vorbestimmten, be¬ schränkten Verweilzeitbereichs liegen.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung, die von der eingangs genannten Art sind, jedoch nur eine sehr be¬ schränkte Anwendbarkeit haben, sind aus dem Artikel "Mehr¬ stufige selbstfluidisierende Wirbelzellenkolonne" von G. Schreiber aus der Zeitschrift "Die chemische Produktion" , 9. Jahrgang (1980) , Heft 9, Seite 3 bis 12 bekannt. Dieses bekannte Verfahren und diese bekannte Vorrichtung sind nur bei fluiden Stoffsystemen anwendbar, die entweder aus rei¬ nen Flüssigkeiten bestehen, wobei eine Entmischbarkeit dieser Flüssigkeiten gegeben sein muß, oder aus Suspensio¬ nen. In diesem Verfahren und in dieser Vorrichtung ist das

jeweilige Flüssigkeitssystem oder Flüssigkeits-Feststoff- System in mehreren, strömungsmäßig hintereinandergeschalte- ten und zu einer Wirbelkaskade übereinander angeordneten Kam¬ mern untergebracht, und in den einzelnen Kammern wird durch herabsinkende schwerere Stoffe, insbesondere durch Partikel einer Suspension, eine WirbelStrömung bewirkt. Die Energie zum Erzeugen der Wirbelströmung wird aus¬ schließlich durch die Bewegungsenergie der sich nach ab¬ wärts bewegenden schwereren Stoffe aufgebracht, und zwar im wesentlichen direkt sowie in einem Beispielsfall zu einem geringen Anteil dadurch, daß der herabsinkende schwe¬ rere Stoff einen geringen Anteil einer leichteren Flüssig¬ keit um einen relativ kleinen Steigbetrag nach oben drückt. In jedem Falle muß die schwerere Stoffphase immer von oben nach unten geleitet werden, weil es genau diese schwerere

Stoffphase ist, welche, wie erwähnt, die Energie zum Erzeu¬ gen der Wirbelströmung liefert.

Abgesehen von der nur sehr beschränkten Anwendbarkeit die- ser bekannten Wirbelzellenkolonne auf Flüssigkeits-Systeme und Flüssigkeits-Feststoff-Systeme ergeben sich in den meisten Fällen wegen der relativ großen Sinkgeschwindigkeiten der beteiligten Flüssigkeiten und Feststoffe zwangsweise verhältnismäßig hohe, in vielen Fällen nicht erwünschte, Durchsatzgeschwindigkeiten, wenn man eine für eine gute Stoff- und Energieübertragung genügend starke Wirbelströmung in den Kammern erzeugen will. Um die Reaktionszeiten, ins¬ besondere bei langsam ablaufenden chemischen und biochemi¬ schen Reaktionen zu verlängern, kann man zwar die Bauhöhen derartiger Wirbelzellenkolonnen vergrößern, aber einer¬ seits sind die maximal erreichbaren Bauhöhen beschränkt und andererseits ergibt sich dadurch ein verhältnismäßig hoher baulicher Aufwand.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Stoff-

und Energieübertragung in fluiden Stoffsystemen, wobei die Verweilzeiten der durchgesetzten Stoffströme innerhalb ei¬ nes vorbestimmten Verweilzeitbereichs liegen, zur Verfü¬ gung gestellt werden, die in. wesentlich weiterem Umfang, insbesondere auch für gashaltige StoffSysteme, anwendbar und betriebsgünstiger sind.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die internen Um- laufströmungen ausschließlich oder hauptsächlich durch wenigstens einen Stoff erzeugt werden, der aufgrund seines Auftriebs in dem fluiden Stoffsystem aufsteigt oder durch mindestens einen Stoffstrom, der lokal in wenigstens einer Kammer injiziert wird.

Dieses Verfahren ist in vorteilhafter Weise auf praktisch alle überhaupt in Frage kommenden fluiden, also auch fluidisier- ten,- Ein- und MehrphasenstoffSysteme anwendbar und in ver¬ hältnismäßig einfacher Weise so steuerbar, daß bei relativ beschränktem Bau- und Betriebskostenaufwand ein weiter Be¬ reich von Durchsatzgeschwindigkeiten, die den jeweiligen Erfordernissen des Stoff- und Energieaustauschs, beispiels¬ weise einer chemischen oder biochemischen Reaktion, opti¬ mal angepaßt sind, zur Verfügung steht.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung zum Durchfüh¬ ren des Verfahrens nach der Erfindung, welche den eingangs genannten grundsätzlichen Aufbau hat, zeichnet sich erfin¬ dungsgemäß dadurch aus, daß die Strömungsleiteinrichtungen schräg nach oben gerichtete und zu den die Kammern für den hauptsächlichen Stoffdurchsatz durch die Kammerkaskade ver¬ bindenden Strömungsdurchtrittsöffnungen verlaufende Strö¬ mungsleitflächen sind.

Diese vorstehend genannten Strömungsleitflächen führen den die interne WirbelumlaufStrömung erzeugenden Stoff zu der

jeweils nächsthöherliegenden Kammer, und zwar jeweils zu der Durchtrittsöffnung, durchweiche das in den Kammern be¬ findliche fluide Stoffsystem einschließlich des diesem zur Stoff- und Energieübertragung zugeführten Stoffs von je- weils einer Kammer zur nächsten Kammer strömt.

Auf diese Weise ergibt sich ein verhältnismäßig einfacher und trotzdem sehr wirkungsvoller Aufbau der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtungen. Durch die leicht und definiert ein- stellbare Antriebsleistung der eingedüsten Stoffströme oder der längs der schräg nach oben gerichteten Strömungs¬ leitflächen aufsteigenden leichten Stoffphase sowie noch andere bauliche und verfahrensmäßige Parameter, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, läßt sich die Stärke der UmlaufStrömungen in einem weiten Bereich steu¬ ern.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden eine definierte Annäherung des Verweilzeitverhaltens aller Stoffphasen an das Verweilzeit¬ verhalten des idealen Rohrreaktors und damit insbesondere eine Verbesserung des Umsatzes und eine hohe Einheitlich¬ keit des Umsatzes bei verfahrenstechnischen Vorgängen durch eine mehr- bzw. vielstufige Kammerkaskade erreicht, die sich auch mit einem großen Volumen und vielen Stufen, d.h. Kammern, technisch-wirtschaftlich günstig verwirkli¬ chen läßt.

Weiterhin ist durch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung mit an¬ deren Reaktortypen und verfahrensmäßigen Vorrichtungen ei¬ ne gezielte optimale Anpassung des Verfahrens und der Vor¬ richtung nach der Erfindung an verschiedenartige Anforde¬ rungen von Verfahrensabschnitten unterschiedlicher Prozes- se erzielbar. Hierbei kann die erfindungsgemäße Vorrich-

tung mit anderen Reaktortypen, Apparaten oder verfahrens¬ mäßigen Vorrichtungen in einem einzigen Gesamtapparat oder in miteinander verbundenen Einzelapparaten oder -aggrega- ten kombiniert werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß man als Stoff zum Erzeugen einer internen UmlaufStrömung ein Gas verwendet. Dieses Gas kann ein inertes, also an den sonstigen Vorgängen, wie beispielsweise chemischen oder biochemischen Reaktionen, im fluiden Stoffsystem nichtbeteiligtes Gas sein, oder das Gas kann, was besonders vorteilhaft ist, als Reaktionspro¬ dukt in den Kammern der Kammerkaskade entstehen, oder es kann ein Stoff sein, der dem fluiden Stoffsystem sowieso zur Durchführung des betreffenden Verfahrens zugeführt wer¬ den muß. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß unter einem dem fluiden Stoffsystem zum Zwecke der Stoff- und Energieübertragung zugeführten Stoff im Sinne der Er¬ findung auch mehrere einzelne Stoffe, zum Beispiel ein Gas und eine Flüssigkeit, verstanden werden können.

Ganz allgemein kann der die interne UmlaufStrömung erzeu¬ gende Stoff, gleichgültig ob es sich dabei um ein Gas oder einen anderen Stoff handelt, ein bezüglich der sonstigen Verfahrensvorgänge in der Kammerkaskade inerter Stoff oder an dem Verfahren in dem fluiden Stoffsystem beteiligter, entstehender oder verbrauchter Stoff sein.

Wenn der die interne UmlaufStrömung erzeugende, aufstei- gende, leichtere S roffström, insbesondere Gas, von außen zugeführt wird, dann erfolgt das vorteilhafterweise in der untersten Kammer der Kammerkaskade. Abgeführt wird der leichtere Stoff vorteilhafterweise aus der obersten Kammer, sofern er nicht innerhalb der Kammern mit einem oder mehre- ren anderen Stoffen des fluiden Stoffsystems reagiert oder

in sonstiger Weise davon gebunden wird, beispielsweise durch Absorption und/oder biologische und/oder chemische Reaktionen.

In vielen Fällen ist es aber möglich, daß man den die in¬ terne UmlaufStrömung erzeugenden Stoff, insbesondere ein Gas, ganz oder zusätzlich im Kreislauf durch die Kammerkas¬ kade führt. Das empfiehlt sich vor allem dann, wenn ein bezüglich der sonstigen Vorgänge in dem fluiden Stoffsy- stem inerter Stoff zum Erzeugen der internen Umlaufströ¬ mung in den Kammern, beispielsweise ein inertes Gas, ver¬ wendet wird.

Bevorzugt werden koaleszierte oder agglomerierte Stoffe im fluiden Stoffsystem redispergiert, wodurch insbesondere der Stoffumsatz gefördert wird.

Weiterhin kann es günstig sein, wenn in der Kammerkaskade durch Einbauten, vorzugsweise Strömungsleiteinrichtungen, Verfahrensfördernde Stoffe zugeführt und/oder verfahrens¬ hemmende Stoffe abgeführt und/oder biologische oder chemi¬ sche Katalysatoren fixiert und/oder dem Stoffsystem zusätz¬ lich Wärme zugeführt oder entzogen wird.

Auch kann es vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzu¬ führen, daß man dem in der Kammerkaskade durchzuführenden Verfahren einen den aufsteigenden Stoff erzeugenden Verfah¬ rensschritt vorschaltet.

Schließlich ist es möglich, daß mittels der Umlaufströmun¬ gen in den Kammern Wirbelschichten aus Partikeln, die als Katalysatoren, Reaktionspartner oder als Träger zur Fixie¬ rung von chemischen oder biologischen Katalysatoren verwen¬ det werden, erzeugt werden, wobei die Partikel durch die Kammerkaskade durchlaufen gelassen oder in den Kammern aus¬ tauschbar zurückgehalten werden.

Die in der Vorrichtung nach der Erfindung vorgesehenen Strömungsleitflächen zum Erzeugen einer internen Umlauf¬ strömung in den einzelnen Kammern können eben, bogenförmig verlaufend oder konisch ausgebildet sein.

Die Strömungsdurchtrittsöffnungen, durch welche der die Umlaufströmung antreibende Stoff in die nächsthöhere Kam¬ mer steigt und durch welche gleichzeitig der hauptsächli¬ che Stoffdurchsatz der Kammerkaskade hindurchströmt, kön- nen vertikal fluchtend angeordnet oder horizon¬ tal gegeneinander versetzt sein, wobei sie in jedem Falle so angeordnet sind, daß die erwähnte UmlaufStrömung durch das Aufsteigen des leichteren Stoffes oder die Injektion fluider Stoffströme in den einzelnen Kammern der Kammerkas- kade erzeugt wird.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeich¬ net sich dadurch aus, daß innerhalb der Kammern zusätzli¬ che Strömungsleitflächen vorgesehen sind. Diese zusätzli- chen Strömungsleitflächen können vertikale Leitflächen, insbesondere vom Platten- oder Rohrtyp sein, welche die UmlaufStrömung definiert, insbesondere im Sinner einer Schlaufenströmung innerhalb der Kammern, lenken. As zusätz¬ liche Strömungsleitflächen können auch solche Leitflächen, insbesondere in Form von Sieben oder perforierten Lenkflä¬ chen, verwendet werden, welche die Führung des die Umlauf- Strömung bewirkenden Stoffes in die Strömungsdurchtritts- öffnung zur nächsthöheren Kammer verbessern und das Hinein¬ ziehen des die UmlaufStrömung bewirkenden Stoffes, bei- spielsweise von Gasblasen, in die UmlaufStrömung mindern.In den Strömungsdurchtrittsöffnungen können Siebe oder Loch¬ platten oder sonstige selektive Sperrvorrichtungen vorge¬ sehen sein, durch die suspendierte Feststoffe, wie bei¬ spielsweise Katalysatoren, Adsorbentien oder Partikel mit fixierten Zellen oder Enzymen in den einzelnen Kammern zurückgehalten werden. Diese Siebe, Lochplatten oder son-

stigen selektiven Sperrvorrichtungen können außerdem zur Redispergierung koaleszierter Gasblasen und Tropfen sowie agglomerierter Partikel beitragen.

Als Stoff zum Erzeugen der UmlaufStrömung können auch Auf¬ triebskörper vorgesehen sein, zum Beispiel Kapseln, in de¬ nen Gas eingeschlossen ist, welche der- Kammerkaskade unten, vorzugsweise der untersten Kammer, über eine Zuführungsvor¬ richtung zugeführt und der Kammerkaskade oben, vorzugswei- se der obersten Kammer, über eine Abführungsvorrichtung ent¬ nommen werden, wobei zwischen beiden eine Rückführeinrich¬ tung zur Rezirkulation der Auftriebskörper vorgesehen sein kann. Diese Rückführeinrichtung kann beispielsweise eine Pumpe sein, welche die Auftriebskörper nicht beschädigt, zum Beispiel eine Schnecken- oder Mohnopumpe, auch Moineau- pumpe genannt.

Die mit dem fluiden Stoffsystem in Strömungskontakt be¬ findlichen Bauteile, wie beispielsweise die zu den Strö- mungsdurchtrittsöffnungen verlaufenden Strömungsleitflä¬ chen, die zusätzlichen Strömungsleitflächen oder Kammer¬ wände oder sonstige Kammereinbauten können doppelwandig ausgebildet und mit einer Zu- und/oder Abführungsvorrich¬ tung für Stoffe versehen sein. Auf diese Weise kann in die doppelwandigen Bauteile ein fluides Heiz- oder Kühlmittel zum Erwärmen oder Kühlen des fluiden StoffSystems, das sich in den Kammern der Kammerkaskade befindet, zu- und abgeführt werden. Es ist auch möglich, daß im Falle dieser doppelwandigen Ausbildung die Zu- oder Abführungsvorrich- tung im Strömungskontaktbereich mit dem fluiden Stoffsy¬ stem vorgesehen ist, und insbesondere kann die Zu- oder Ab¬ führungsvorrichtung als Doppelmembran oder als Membranträ¬ ger oder als perforierte Wand ausgebildet sein, so daß mit einer solchen selektiven Zu- oder Abführungsvorrichtung Stoffe, wie beispielsweise Substrate für Bioreaktionen

in die Kammern zugeführt oder selektiv Stoffe, die zum Beispiel zur Produktinhibierung führen, wie EtOH bei alko¬ holischer Gärung, aus den Kammern abgeführt werden können. Die erwähnten eventuellen zusätzlichen Einbauten und die verschiedenen möglichen Strömungsleitflächen können auch zur Katalysator-, Zeil- und Enzymfixierung an ihren mit dem fluiden Stoffsystem in Kontakt befindlichen Oberflä¬ chen dienen. Dafür lassen sich vorteilhafterweise auch Par¬ tikel verwenden, die als Festbetten in zwangsdurchströmten Teilräumen der Kammern angeordnet werden oder die von der UmlaufStrömung als Wirbelschicht fluidisiert werden.

Schließlich ist es möglich, daß der Kammerkaskade eine Misch- und/oder Rekatoreinrichtung, welche den die Umlauf- Strömung bewirkenden Stoff zuführt und/oder erzeugt, vor¬ geschaltet ist, und eine solche Misch- und/oder Reaktor¬ einrichtung kann beispielsweise ein Schlaufenreaktor sein.

Endlich können mehrere Kammerkaskaden baulich zu einer Kas- kadeneinheit vereinigt sein. Hierbei können die einzelnen Kammerkaskaden konzentrisch umeinander oder auch nebenein¬ ander angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, daß eine solche Kaskadeneinheit eine den gemeinsamen Druck der fluiden Stoffsysteme in den einzelnen Kammerkaskaden auf- nehmende Außenwand aufweist, während die im Inneren der Kaskadeneinheit befindlichen Trennwände, die benachbarten Kammerkaskaden gemeinsam sind, weniger druckfest als die Außenwand ausgebildet sein können, weil sie, wenn die einzelnen Kammern gleichzeitig und in gleichem Maße ge- füllt sind, nur geringe Differenzdrücke aufzunehmen brau¬ chen, so daß nur die Außenwand den eigentlichen seitlichen Druck des fluiden StoffSystems aufnehmen muß.

Die Erfindung sei nachstehend anhand einiger in den Figu-- ren 3 bis 9 der Zeichnung dargestellter, besonders bevor-

zugter Ausführungsformen näher erläutert, auf welche die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist; es zeigen:

Figur la einen Rührkesselreaktor nach dem Stande der Technik;

Figur lb eine Kurvendarstellung, welche das Verweilzeit¬ verhalten der dem Rührkesselreaktor nach Figur la zugeführten Teilstoffmengen veranschaulicht;

Figur lc einen Ausschnitt aus einen Rohrreaktor;

Figur ld eine Kurvendarstellung, die das Verweilzeitver¬ halten der dem Rohrreaktor nach Figur lc zuge- führten Teilstoffmengen veranschaulicht;

Figur 2a eine Rührkesselkaskade, die durch Hintereinander- schalten von mehreren Rührkesseln gebildet ist;

Figur 2b eine Kurvendarstellung, die das Verweilzeitver¬ halten der der Rührkesselkaskade nach Figur 2a zugeführten Teilstoffmengen veranschaulicht;

Figur 3 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchfüh¬ ren einer Stoff- und Energieübertragung;

Figur 4 eine Kurvendarstellung des berechneten Verweil¬ zeitverhaltens der zugeführten Teilstoffmengen in einer 4stufigen idealen Rührkesselkaskade

(Kurve A) und des gemessenen Verweilzeitverhal¬ tens in einer gemäß Figur 3 dargestellten 4stufi- gen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor¬ richtung (Kurve B) ;

Figur 5 eine Fotografie einer Flüssigkeits-Umlauf- strömung in einer Kammer einer erfindungsgemäßen Kammerkaskade, die auch als Turmkaskade bezeichnet wird, wobei auch die aufsteigende Gasströmύng sichtbar ist, welche die FlüssigkeitsumlaufStrö¬ mung erzeugt;

Figuren 6a, 6b und 6c drei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen;

Figuren 7a und 7b Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die mit zusätzlichen Strömungs¬ leitflächen innerhalb der Kammern zum Zwecke des Führens der UmlaufStrömung in den Kammern im Sinne einer Schlaufenströmung versehen sind;

Figur 8 eine Vorrichtung, bei der ein Schlaufenreaktor, der den untersten Teil dieser Vorrichtung bildet, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kombi- niert und zu einer baulichen Einheit vereinigt ist; und

Figur 9 einen Vertikalschnitt durch zwei im Querschnitt runde und konzentrisch uneinander angeordnete so- wie zu einer baulichen Einheit vereinigte erfin¬ dungsgemäße Vorrichtungen.

Es sei zunächst eine erste Ausführungsform einer Vorrich¬ tung zum Durchführen einer Stoff- und Energieübertragung erläutert, die in Figur 3 dargestellt ist:

In dieser Vorrichtung befindet sich ein fluides Stoffsystem 1, das im vorliegenden Beispielsfall- ein Flüssigkeits-Gas- System ist, in mehreren, strömungsmäßig hintereinanderge- schalteten und zu einer Kammerkaskade 2 übereinander ange-

ordneten Kammern 3. Diese Vorrichtung umfaßt im einzelnen weiter eine Zuführungsvorrichtung 4 und/oder eine Zufüh¬ rungsvorrichtung 5 zum Einspeisen des Flüssigkeitsstroms V-. , wobei von diesen beiden Zuführungsvorrichtungen 4 und 5 wahlweise eine benutzt wird, so daß der Flüssigkeits¬ strom V-. zu dem immer unten bei 8 zugeführten Gasstrom V_ im Gleich- oder Gegenstrom durch die Kammerkaskade 2 geführt wird.

Weiter umfaßt die Vorrichtung nach Figur 3 eine Abführungs- vorichtung 6 und ggf. eine Abführungsvorrichtung 7 zum Entneh¬ men von Stoff aus dem fluiden StoffSystem 1. Wenn der Flüs- sigkeitsstrom V im Gleichstrom zu dem Gasstrom V-, durch die Kammerkaskade 2 geleitet, also am unteren Ende der unte- ren Kammer 3 über die Zuführungsvorrichtung 4 zugeführt wird, dann kann die Abführungsvorrichtung 6 am oberen Ende der oberen Kammer ^* 3 gemeinsam für den austretenden Gas- ström V-, , und den austretenden Flüssigkeitsstrom V /,ver¬ wendet werden. Wenn hingegen der Flüssigkeitsstrom V_. im Gegenstrom zum Gasstrom V _r durch die Kammersäule 2 gelei¬ tet, also über die Zuführungsvorrichtung 5 am oberen Ende der oberen Kammer 3 zugeführt wird, dann wird für den abzu¬ führenden Flüssigkeitsstrom V ,. die am unteren Ende der un¬ teren Kammer befindliche Abführungsvorrichtung 7 benutzt, während die Abführungsvorrichtung 6 dann nur zum Abführen des Gasstroms V .dient.

Außerdem sind Strömungsleiteinrichtungen 9 zum Erzeugen einer internen UmlaufStrömung 10 in den Kammern 3 vorgesehen. Bevorzugt sind diese Strömungsleiteinrichtun¬ gen 9, wie in Figur 2 und anderen Figuren dargestellt, als Zwischenböden ausgebildet, welche den türm- bzw. säulenar¬ tigen Behälter 11, der in der Ausführungsform nach Figur 3 vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt hat, in _d ie einzelnen Kammern 3 zu der Kammerkaskade 2 unterteilen, wo¬ bei sie jedoch Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 freilassen,

welche die jeweils untere Kammer mit der darüberliegenden Kammer verbinden, so daß die Kammern 3 strömungsmäßig hin- tereinandergeschaltet sind. Diese Strömungsdurchtritts¬ öffnungen sind für den hauptsächlichen Stoffdurchsatz, der durch die Kammerkaskade 2 hindurchgeleitet wird, vorge¬ sehen. Die Strömungsleiteinrichtungen 9 sind Strömungs¬ leitflächen, welche schräg nach oben gerichtet sind und zu den Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 verlaufen. In der Ausführungsform nach Figur 3, in welcher die Kammer- kaskade 2 vorzugsweise einen rechteckigen Horizontal¬ querschnitt hat, sind die Strömungsleiteinrichtungen 9 rechteckige Platten, welche an drei der vier Kammerwänden befestigt, beispielsweise angeschweißt, sind, wie bei 13 angedeutet, und welche in einem Abstand von der vierten Kammerwand enden, so daß sich schlitzartige Strömungsdurch¬ trittsöffnungen 12 ergeben. Die Strömungsdurchtrittsöffnun¬ gen 12 sind alternierend von Kammer zu Kammer einmal im Be¬ reich der einen Seitenwand und dann im Bereich der entge¬ gengesetzten Seitenwand angeordnet, so daß sich eine mäan- derförmige Gasströmung, wie durch die Blasen und die hel¬ len Pfeile angedeutet, ergibt.

Die Wirkungsweise der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung ist folgende:

Der Gasstrom V C-j,CC wird durch die als Gaseintrittsstutzen ausgebildete Zuführungsvorrichtung 8 außermittig am unte¬ ren Ende der untersten Kammer 3 auf derjenigen Seite die¬ ser Kammer, von der die unterste Strömungsleiteinrichtung 9 ausgeht, zugeführt. Der Gasstrom steigt durch seinen Auf¬ trieb zunächst steil aufwärts und wird dann von der unter¬ sten Strömungsleiteinrichtung 9 zu der untersten Strömungs- durchtrittsöffnung 12 geführt. Die in der untersten Kammer 3 auf der einen Seite, also einseitig, aufsteigende Gas- Strömung verursacht auf der anderen Seite dieser Kammer eine durch einen dunklen Pfeil angedeutete Abwärtsströmung

der Flüssigkeitsphase, die auch sehr kleine Gasblasen mit¬ nehmen kann. So bildet sich durch Airlift- oder Mammut¬ pumpenwirkung eine Umlaufströmung 10 der Flüssigkeitsphase in der untersten Kammer 3 der Kammerkaskade 2 aus. Diese Umlaufströmung 10 bewirkt eine Durchmischung insbe¬ sondere der Flüssigkeitsphase, so daß sich diesbezüglich in der Kammer eine Rührkesselcharakteristik ergibt. Die Gasströmung hingegen durchströmt die Kammer überwiegend mit Rohrcharakteristik.

Der gleiche Vorgang wie in der untersten Kammer 3 wieder¬ holt sich mit alternierendem Seitenwechsel in allen dar¬ über befindlichen Kammern 3. Auf diese Weise entsteht eine n-stufige innere Wirbelkaskade in einem rechteckigen turm- artigen Apparat, wobei die UmlaufStrömung in jeder

Kammer 3 durch den natürlichen Aufstieg der Gasphase, die als Airlift wirkt, angetrieben wird. Eine Rückmischung von einer Kammer zur anderen findet weder für die Flüssigkeits- noch für die Gasphase statt. Das führt mit zunehmender Stufen- bzw. Kammerzahl der Wirbelkaskade zu der beabsich¬ tigten Annäherung an das Idealrohr (Figur lc) , das gekenn¬ zeichnet ist durch n — ^• - _* _. , wobei n die Anzahl der Stufen bzw. übereinanderliegenden Kammern ist.

Das Gas kann innerhalb einer Kammer 3 mehr oder weniger an der UmlaufStrömung teilnehmen, je nachdem, ob mehr Stoff¬ übertragung oder mehr UmlaufStrömungsantrieb angestrebt wird. In jedem Fall wird durch die Kaskadenwirkung weit¬ gehende Annäherung an Rohrcharakteristik bewirkt.

Für die Flüssigkeitsphase ist in der Regel eine intensive Durchmischung in den Kammern 3 erwünscht, um hier durch Tur¬ bulenz höchstmögliche Stoff- und Energieübertragung zu be¬ wirken.

Hinsichtlich der Zuführung und Abführung der Flüssigkeits¬ phase sei darauf hingewiesen, daß diese der Flüssigkeitsbe¬ wegung in der jeweiligen Kammer 3 fördernd angepaßt-ist, denn der jeweils zugeführte Flüssigkeitsstrom ist gleich- sinnig mit der UmlaufStrömung sowohl an den Zu- und

Abführungsvorrichtungen 4 bis 7 wie auch an den Strömungs¬ durchtrittsöffnungen 12.

In den Figuren 6a, 6b und 6c sind Ausführungsformen im Vertikalschnitt dargestellt, mit denen sich das gleiche Verfahren wie in der Vorrichtung nach Figur 5 ausführen läßt, wobei hier jedoch die säulenartigen Behälter 11 einen runden Horizontalquerschnitt haben und die Strömungsleit¬ einrichtungen 9 konische Bleche oder Formkörper sind, wel- ehe den säulenartigen Behälter 11 als Zwischenböden in die einzelnen Kammern 3 unterteilen, und wobei sie oben entsprechende Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 freilassen. Die Ausfüh¬ rungsformen der Figuren 6a, 6b und 6c unterscheiden sich voneinander im wesentlichen durch die Anordnung der Strö- mungsdurchtrittsöffnungen 12 für den hauptsächlichen Stoff¬ durchsatz durch die Kammerkaskade 2:

In der Ausführungsform nach Figur 6a sind die Strömungs¬ durchtrittsöffnungen 12 abwechselnd als Öffnung in der Mit- te der konischen Strömungsleitfläche 9 und am Außenumfang dieser konischen Strömungsleitfläche 9 vorgesehen, so daß der Gasstrom, der durch die hellen Pfeile und die Gasbla- sen angedeutet ist, abwechselnd im mittigen und im äußeren, seitlichen Umfangsbereich der Kammern 3 aufsteigt. Auf die- se Weise wird eine torusförmige Flüssigkeits-Umlauf- strömung 10 aufgrund des in Verbindung mit Figur 3 be¬ schriebenen Mechanismus erzeugt.

Bei der Ausführungsform nach Figur 6b sind die konischen Strömungsleitflachen 9 alle in der Mitte mit Strömungs-

durchtrittsöffnungen 12 versehen, so daß der Gasstrom nur im mittleren Bereich der Kammern 3 aufsteigt, jedoch auch eine torusförmige UmlaufStrömung 10 in jeder der Kammern erzeugt.

Schließlich sind in der Ausführungsform nach Figur 6c die

Strömungsdurchtrittsöffnungen als Ringspalte nur zwischen den U fangsrändern der konischen Strömungsleitflächen 9 und der Seitenwand der Kammerkaskade 2 vorgesehen, wodurch ebenfalls eine torusförmige Umlaufströmung 10 erzeugt wird.

Diese Bauweisen nach Fig. 6a bis 6c lassen sich auch bei im Horizontalquerschnitt rechteckigen oder quadratischen Kam¬ merkas a en gemäß Fig. 3 anwenden.

Je nach Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz , Viskosität und Koa- leszenzverhalten kann die optimal entsprechende Ausführungs¬ form ausgewählt werden. Es sei noch ergänzt, daß die koni¬ schen Strömungsleitflächen 9 jeweils so angeordnet sind, daß sie in der Kammer 3, deren oberen Abschluß sie bilden, nach der jeweiligen Strömungsdurchtrittsöffnung 12 hin an¬ steigen, so daß sie die Gasströmung zu dieser Strömungs¬ durchtrittsöffnunσ leiten.

Zur Redispergierung koaleszierter Gasblasen und Tropfen sowie agglomerierter Partikel können Siebe, Lochplatten oder Strahldüsen o.dgl. jeweils in der Zuführungsvorrich¬ tung 8 und in den einzelnen Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 beitragen. Zusätzliche Strömungsleitflächen 14 (siehe Figur 3) in Form von Sieben oder perforierten Lenkblechen bzw. -platten können die Gasführung zur Strömungsdurch¬ trittsöffnung 12 in die nächsthöhere Kammer 3 verbessern und das Einziehen von Gasblasen in die Flüssigkeits-Umlauf- strömung 10 vermindern.

Wenn sich in den Ein- und Auslaßöffnungen der Kammern 3, insbesondere in den Strömungsdurchtrittsöffnungen 12, Sie¬ be, Lochplatten o.dgl. befinden, dann können hier auch suspendierte Feststoffe, zum Beispiel Katalysatoren, Ad- sorbentien oder Partikel mit fixierten Zellen oder Enzymen, zurückgehalten werden. Bei nachlassender Aktivität können sie zum Beispiel über Abführungsvorrichtungen 15, die in der Seitenwand der Kammerkaskade 2 vorgesehen sind, ausge¬ wechselt werden. Die dargestellte Abführungsvorrichtung 15 (Figur 6a) ist ein Stutzen mit einem darin befindlichen

Verdrängerkörper, der den Stutzenhohlraum ausfüllt und bün¬ dig mit der inneren Kammerwand ist.

Alle festen Partikel oder Tropfen, die in dem Gas-Flüssig- keits-System dispergiert sind, können die Kammerkaskade auch entsprechend ihrer Dichtedifferenz zur Flüssigkeitsphase durchlaufen, beispielsweise aufwärts durch die Strömungs¬ durchtrittsöffnungen 12 oder abwärts über gesonderte, bei¬ spielsweise spaltförmige, Durchtrittsöffnungen 16 (siehe Figur 6a) .

Falls Gas nur oder zusätzlich zum Erzeugen der Umlaufströ¬ mung dienen soll, zum Beispiel Inertgas zusätzlich zu sich bildendem Gas bei anaeroben Bioreaktionen, so kann es auch in kleine elastische Kapseln definierter Größe einge¬ schlossen sein, die Auftriebskörper bilden, wobei Koales- zenz und Einziehen von kleinen Blasen in den Flüssigkeits- umlauf verhindert werden.

Die Kapseln können zusätzlich außen einen "bio¬ logischen Rasen" zur Zeil- oder Enzymfixierung bilden. Die Maschenweiten bzw. Durchtrittsöffnungen der Siebe, Loch¬ platten o.dgl., die in den Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 vorgesehen sind, werden natürlich darauf abgestimmt. Die ^" Kapseln, beispielsweise in der angegeben

Form von Gaskapseln, können in einem Fallrohr wieder an den Eingang der Kanτrterkaskade zurückgeführt und zum Beispiel über Schnecken- oder Mohnopumpen bzw. Moineaupumpen wieder eingebracht werden.

Anstelle solcher kleinen Gaskapseln können auch nicht¬ mischbare spezifisch leichtere Flüssigkeiten oder Fest¬ stoffe oder einstellbare Kombinationen aller Stoffphasen frei oder in Umhüllungen aufsteigen und die Umlauf- Strömung in den Kammern erzeugen bzw. antreiben.

In der Ausführungsform nach Figur 6a ist eine nach aufwärts gerichtete Düse 18 gezeigt, die ebenfalls allein oder im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Verbindung mit dem Gasstrom zum Erzeugen bzw. Antreiben der Umlaufströ¬ mung 10 vorgesehen sein kann. Insbesondere kann mittels dieser Düse, mit der sich zusätzlich Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit, zum Beispiel mit einer Geschwindig¬ keit von 20 m/sec, injizieren lassen, der Flüssigkeitsum- lauf und/oder die Gasdispergierung sowie gegebenenfalls auch die Dispergierung von Feststoffagglomeraten oder koa- leszierten nichtlöslichen Flüssigkeitstropfen in der Kam¬ mer bzw. Kammersäule erhöht werden. Derartige Düsen 18 können auch im Bereich jeder der Strömungsdurchtrittsöff- nungen 12 angeordnet sein, wobei natürlich im Falle von ringförmigen Strömungsdurchtrittsöffnungen 12 Ringdüsen bzw. eine ringförmige Anordnung von Düsen und im Falle von schlitzförmigen Durchtrittsöffnungen 12 (Figur 3) eine Spaltdüse bzw. eine lineare Düsenanordnungverwendet werden. Die Düsen 18 können auch innerhalb der Kammern 3 vorgesehen sein. Diese aufwärts oder auch anders gerichteten Düsen können grundsätzlich einen fluiden Stoff beliebiger Dichte injizieren, da diese Stoffströme nur hydrodynamisch durch Impulsübertragung, jedoch nicht hydrostatisch durch Auf- trieb, die UmlaufStrömung antreiben. Beide Antriebsarten

lassen sich je nach System und Aufgabenstellung einander ergänzend koppeln.

Die Figuren 7a und 7b zeigen Ausführungsformen der vorge- schlagenen Vorrichtung, in denen als zusätzliche Strömungs¬ leitflächen 17 solche Strömungsleitflächen innerhalb der Kammern vorgesehen sind, welche die Umlaufströmung 10 de¬ finiert lenken. So ist in der Vorrichtung nach Figur 7a, in der die Kammerkaskade einen runden Horizontalquerschnitt hat, jede Kammer 3 mit einem konzentrischen Leitrohr als zusätzlicher Strömungsfläche 17 versehen, das die Umlauf¬ strömung, wie durch die dunklen Pfeile angedeutet, defi¬ niert lenkt. In der Ausführungsform nach Figur 7b, in der eine Kammerkaskade mit rechteckigem Horizontalquerschnitt dargestellt ist, wie sie anhand der

Figur Z in näheren Einzelheiten erläutert wurde, sind als zusätzliche Strömungsleitflächen 17 Leitbleche bzw. -plat¬ ten, beispielsweise senkrecht, angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Ausführungsform nach Figur 7a nicht nur ein Leitrohr konzentrisch in der jeweiligen Kam¬ mer angeordnet sein kann, sondern daß auch mehrere konzen¬ trische Leitrohre als zusätzliche Strömungsleitflächen 17 vorgesehen sein können. In beiden Ausführungsformen nach Figur 7a und 7b erhält man Schlaufenkaskaden mit definiert gelenkter Umlaufströmung in jeder Kammer, die durch das aufsteigende Gas, wie durch helle Pfeile angedeutet, angetrieben werden.

Die zusätzlichen Strömungsleitflächen 17 können ebenso wie die Seitenwände der Kammern, die Strömungsleitflächen 9 und/oder die zusätzlichen Strömungsleitflächen 14 oder son¬ stige Einbauten doppelwandig ausgeführt werden und als zu¬ sätzliche Heiz- oder Kühleinrichtungen dienen. Sie können aber auch als Doppelmembran oder als Membranträger oder mit perforierten Wänden zu feinverteilter Zufuhr von Stof¬ fen, zum Beispiel Substrat bei Bioreaktionen, dienen oder

zum selektiven Abzug von Stoffen, die beispielsweise zur Produktinhibierung führen Außerdem eignen sich die vor¬ stehend erwähnten Bauelemente der Vorrichtung, beispiels¬ weise die genannten Leitrohre, auch zur Zeil- und Enzy - fixierung an ihren Oberflächen oder zum Beispiel als Trä¬ ger von Festbetten in den von ihnen gebildeten zwangsdurch- strömten Teilräumen der Kammern.

Als Beispiel für eine Kombination einer Kammerkaskde der in Figur 6a dargestellten Art mit anderen Apparatetypen zeigt Figur 8 eine Schlaufeneinrichtung im unteren Teil, auf die eine Kammerkaskade der in Figur 6a gezeigten Art aufgesetzt ist. Der konische Übergang wirkt als "Entgasungs¬ kopf" und vermindert den Einzug von Gasblasen in die Ab- wärtsströmung der Schlaufenapparatur und verstärkt damit den Umlaufströmungsantrieb im Schlaufenteil.

Für die Vergrößerung jeder Kammerkaskade als geschlossene Baueinheit gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich Vergröße rung der Höhe und/oder des Querschnitts. Für jede einzelne Kammer lassen sich abhängig von Stoff- und Betriebsparame¬ tern optimale Formen und Abmessungen bestimmen, die zum Beispiel für die benötigte UmlaufStrömungsintensität den kleinsten Leistungsauwand erfordern. Höhe und Querschnitt einer Wirbelkammer erreichen ihre Grenzwerte, wenn die Um¬ laufströmung nicht mehr das gesamte Kammervolumen erfaßt.

Geht man von den optimalen Proportionen und den Grenzgrößen der einzelnen Kammern aus, so ist es vorteilhaft, eine Ver- größerung der Kammerkaskade zunächst über größere Höhe, d.h. mehr übereinander angeordnete Kammern, zu realisieren. So erhöht sich die Zahl der "hintereinandergeschalteten" Einheiten der Kammerkaskade und damit eine Annäherung ihres Verweilzeitverhaltens an das der idealen Rohrströmung (Propfenströmung) .

Wird die maximal zulässige Höhe der Kammerkaskade erreicht, so ist ihre weitere Vergrößerung nur noch durch Erhöhung des Querschnitts möglich. Wie die Abbildung 9 zeigt, er¬ folgt das vorteilhafterweise bei einer runden Kammerkaska- de mit dem Durchmesser D-., indem man sie mit einer konzen¬ trischen ringförmigen Kammerkaskade umgibt, wodurch sich der Durchmesser der so gebildeten Kaskadeneinheit (Gesamt¬ kaskade) auf D _ττ vergrößert. Für die Kammern dieser ring¬ förmigen Kammerkaskade lassen sich ebenfalls optimale Pro- portionen Δ ^D _TT ^{= D} _ττ ~ ^D _τ und Höhe H sowie Grenzgrößen erzielen.

Die Anordnung der Strömungsleitflächen 9 in der ringförmi¬ gen Kammerkaskade der Figur 9 erfolgt vorteilhafterweise gemäß Figur 3, sie kann jedoch im Prinzip auch in anderer Weise, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt, ausgeführt sein, ebenso wie die Ausführung sonstiger Einbauten.

Erreicht diese Ausführung mit dem optimalen bzw. maximalen Durchmesser D _τ _ die maximale Höhe, so kann eine weitere

Vergrößerung des Volumens durch eine weitere konzentrische ringförmige Kammerkaskade erfolgen, für die das gleiche gilt wir für die erste ringförmige Kammerkaskade. Auf die¬ se Weise lassen sich sehr große Volumina von Kammerkaskad- den durch weitere ringförmige Kammerkaskaden verwirklichen.

Bei rechteckigen Kammerkaskaden, wie beispielsweise in Fi¬ gur 3 dargestellt, erfolgt die Querschnittserweiterung vor¬ teilhaft durch Nebeneinander- oder Umeinanderanordnen von weiteren rechteckigen Kammerkaskaden. Auch wabenförmige Anordnungen von Kammerkaskaden ergeben baulich günstige Ausführungen.

In allen Fällen der Kombination mehrerer Kammerkaskaden in einem Apparat ergibt sich der Vorteil, daß gemeinsame Trenn-

wände der einzelnen Kammerkaskaden bei gleicher Füllung praktisch völligen Druckausgleich ergeben und infolgedes¬ sen geringe Wanddicke erfordern. In dieser Hinsicht ist die runde Ausführung mit umeinander angeordneten ringfδrmi- gen Kammerkaskaden am günstigsten.

Die Stoffströme können die einzelnen Kammerkaskaden, die zu einer Baueinheit zusammengefügt sind, parallel und/oder hin- teinenandergeschaltet durchfließen. Eine Hintereinander- Schaltung vergrößert die Zahl n der Kammern in der Kaska¬ de und damit die Annäherung an ideale Rohrcharakteristik. Grundsätzlich gilt für die leichte Phase, beispielsweise Gas, daß sie am Boden jeder einzelnen Kammerkaskade zuge¬ führt wird, damit sie mit ihrem natürlichen Aufsteigen die Umlaufs-txöπung in den Kammern antreibt. Die schwere Phase, zum Bei¬ spiel eine Flüssigkeitsphase in einem Gas-Flüssigkeits- System, kann am Boden oder am Kopf oder in beliebiger Höhe jeder Kammerkaskade zugeführt werden und so im Gegen- und/ oder Gleichstrom zur leichteren Stoffphase innerhalb jeder einzelnen Kammerkaskade und der Gesamtkaskade in verfah¬ rensgünstiger Kombination geführt werden. Es ergeben sich viele Anpassungsmöglichkeiten an die sehr verschiedenarti¬ gen chemischen und biochemischen Systeme sowie durch Modul¬ bauweise an alle Größen.

Es sei abschließend noch auf die Figuren 4 und 5 hingewie¬ sen, von denen die Figur 4 zeigt, daß die Häufigkeitsfunk¬ tion einer 4stufigen Kammerkaskade mit Gasantrieb der Um¬ laufströmung in den Kammern (Kurve B) mit hoher Annäherung der Häufigkeitsfunktion einer idealen 4stufigen Rührkessel¬ kaskade (Kurve A) entspricht, was eine gute Annäherung der Mischwirkung durch die UmlaufStrömung in jeder Kammer an die des Idealkessels bedeutet. Das zeigt auch Figur 5 mit der fotografischen Wiedergabe der UmlaufStrömung in einer Kammer der 4stufigen Kammerkaskade, welche allein durch die

aufsteigende Gasströmung erzeugt wird, wobei helle Bereiche die Gasphase veranschaulichen, während die dunklen Bereiche die Flüssigkeitsp'hase wiedergeben.

Die Kammerkaskaden nach der Erfindung haben insbesondere folgende Vorteile:

1. Erzeugung von FlüssigkeitsumlaufStrömungen (Durchmi¬ schung) in allen Kammern der Kaskade durch aufsteigende Gase oder spezifisch leichtere Teilchen, jedenfalls ohne bewegte Teile (Rührer) und Wellendichtungen: Dichtigkeit, Sterilität; geringe Energiekosten.

2. Vielstufige Kammerkaskade mit übereinander angeordneten Kammern in hohen turmartigen Apparaten oder mit neben¬ einander angeordneten Kammern oder Teilkaskaden belie¬ biger Form mit einfachen festen Leiteinrichtungen: geringe Investitions- und Wartungskosten.

3. Weitgehende Annäherung aller Stoffströme an Rohrcharak¬ teristik durch sehr vielstufige Kaskade (n , 10) : hoher und vg-leichmäßiger "Umsatz" bei zeitabhängigen verfahrenstechnischen Prozessen.

4. Nutzung des zur Durchführung des verfahrenstechnischen Vorgangs erforderlichen aufsteigenden Gases oder spezi¬ fisch leichterer Flüssigkeit und von Feststoffen in der Flüssigkeitsphase: Die UmlaufStrömung ergibt sich als kostenloser Neben- effekt, da Gas oder spezifisch leichtere Stoffe sowieso unten zugeführt werden müssen und von selbst aufsteigen oder sich im Stoffsystem bilden (Biogas bei anaerober Bioreaktion) .

5. Nutzung aller Bauteile für zusätzliche Wärme- und Stoff¬ übertragung (zum Beispiel selektiver Produktabzug) sowie für Fixierung von Zellen und Enzymen:

Verbesserung von Umsatz und Selektivität; größere Aus- führungen; besseres Stabilitätsverhalten.

6. Zurückhalten partikelfixierter Zellen und Enzyme in den Kammern durch deren Abgrenzung mit Sieben oder ähnli¬ chem: Ermöglichung und Verbesserung enzymatisch katalysierter Reaktionen bei kontinuierlichem Betrieb.

7. Gleich- oder Gegenstrombetrieb insbesonder für Gas- und Flüssigkeitsphase: Anpassung an geforderte Konzentrationsdifferenzen.

8. Kombination mit beliebigen anderen Apparatetypen: Gezielte Anpassung des Verfahrens und der Vorrichtung an geforderte Betriebsbedingungen.

Nachstehend seien einige Anwendungsbeispiele für das Ver¬ fahren und die Vorrichtung nach der Erfindung angegeben, auf welche die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist:

A n w e n d u n σ s b e i s o i e l 1

Homogenes Flüssigreaktionssystem, zum Beispiel Acetather- stellung aus Essigsäure und Methanol/Ethanol/Propanol. Als Antrieb zum Erzeugen der UmlaufStrömung in den Kammern kann die Eingabe von Inertgas (hydrostatisch) und/oder das Umpumpen eines Teilstromes und Eindüsen als Treibstrahl (hydrodynamisch) am Boden der Kammerkaskade und eventuell zusätzlich in einzelne Kammern dienen. Weiterhin kann das Einbringen von Hohlkapseln als Auftriebskörper, die über

einen Kreislauf oben abgezogen und unten wieder zugeführt werden, einen hydrostatischen Antrieb der UmlaufStrömun¬ gen bewirken. Gegenüber herkömmlichen Reaktoren ergeben die gleichbleibend hohe Mischgüte in den einzelnen Kammern sowie die Erhöhung von Umsatz und Ausbeute durch Rohrcharak¬ teristik der erfindungsgemäßen Kammerkaskaden Vorteile.

A n w e n d u n g s b e i s p i e l 2

Heterogene Gas-Feststoff-Reaktion, zum Beispiel Kohlever¬ gasung, oder Gas-Feststoffkatalyse, zum Beispiel Ammoniak¬ synthese.

Der Katalysator oder der zu reagierende Feststoff wird durch das Reaktionsgas, das am Boden der Kammerkaskade und eventuell zusätzlich in einzelne Kammern eingebracht wird, verwirbelt. In den einzelnen Kammern bilden sich so Wirbel¬ schichten. Gegenüber herkömmlichen Wirbelschichten wird eine bessere Einheitlichkeit des Endproduktes durch die Kaskadenschaltung bei gleichbleibend hoher Mischgüte in den einzelnen Kammern sowie Erhöhung von Umsatz und Aus¬ beute erreicht.

A n w e n d u n g s b e i s p i e l 3

Heterogenes Gas-Flüssig-Feststoff-System, zum Beispiel Pro¬ duktion von Einzeller-Eiweiß (Single Cell Protein = SCP) durch Mikroorganismen mit Luft als Reaktionsteilnehmer.

Es handelt sich dabei um eine aerobe Fermentation, die zum Beispiel mit dem Bakterium Methylomonoas clara auf Metha¬ nolbasis durchgeführt werden kann.

Bei einer technisch realisierbaren Zellkonzentration von 1,6 % liegt - für optimale Betriebsbedingungen - die spe-

zifische Wachstumsrate bei 0,25 kg/(kg*h) , was einer spe¬ zifischen Produktivität von 4 kg/(m ³ *h) entspricht. Um diese Produktivität zu erreichen, müssen je m ³ Kulturbrühe 8 kg/(m ^3« h) Methanol, 1,2 kg/(m ^3« h) Ammoniak und 8 kg/(m ³ *h) Sauerstoff zugeführt werden.

Der Zufuhr und Durchmischung dieser Stoffe kommt besondere Bedeutung zu, da die Methanolkonzentration in der Kultur¬ brühe zwischen 1 °/oo und 1 % liegen muß und die flüssig- keitsseitige Sauerstoffkonzentration 1 ppm nicht unter¬ schreiten darf.

Durch die in der erfindungsgemäßen Kammerkaskade gewährlei¬ stete gute Durchmischung innerhalb der Kammern und durch Substratzufuhr in einzelne Kammern können die aufgeführten Grenzwerte sicher eingehalten werden.

Die in der Flüssigphase notwendige Sauerstoffkonzentration muß durch Absorption von Luftsauerstoff aus der antreiben- den Gasphase (Gas ≡ Luft) bei einer ausreichend großen Pha¬ sengrenzfläche von etwa 2000 m ² /m ³ gesichert sein. Diese Phasengrenflache wird durch Dispergierung des antreibenden Luftstrcmes, der am Kammerkaskadenboden und eventuell zusätz¬ lich in einzelne Kammern eingebracht wird, und durche des- sen wiederholte Redispergierung zwischen den Kammern ge¬ schaffen.

A n w e n d u n g s b e i s p i e l 4

Biochemische Reaktion im Gas-Flüssigkeits-Feststoff-System mit bei der Reaktion entstehendem Gas (anaerobe Abwasser¬ aufarbeitung) .

Am Beispiel der anaeroben Aufarbeitung von Abwässern aus lebensmitteltechnischen Betrieben soll die besondere Eiα-

nung der Erfindung für Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Systeme gezeigt werden. Die Reinigung solcher Abwässer erfolgt vor¬ zugweise mit anaeroben Mikroorganismen.

Vorteile gegenüber aeroben Mikroorganismen:

- keine Belüftung zur Versorgung der Mikroorganismen mit 0_ notwendig (Betriebskosten) ;

- Produktion von Biogas (fe50 bis 70 % CH.; ~30 bis 50 % ^C0 ₂ ^ (Energieträger) ;

- nur «5 % der Abwasserinhaltsstoffe werden als Zellmasse aufgebaut (Aerobier -^50 %) ; kein Schlammproblem (Abtren¬ nung, Trocknung, Entsorgung des Schlammes) .

Der letztgenannte Vorteil ist zugleich auch eines der größten Probleme:

Hohe Konzentration frei im Reaktor suspendierter Zellen läßt sich bei anaeroben Systemen infolge des bei konti- nuierlichem Betrieb auftretenden Fließgleichgewichts zwi¬ schen Zellmasseprodution und Auswaschung nicht erreichen. Biomasse muß im Reaktor angereichert werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Immobilisieren (Aufwachsen) der anaero¬ ben Mikroorganismen auf inerten Trägerpartikeln von zum Beispiel 0,1 bis 0,2 mm Durchmesser. Dadurch können Bio¬ massekonzentrationen >, 10 kg Trockensubstanz/m ³ erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen anaeroben Gärfermen¬ tern ohne Immobilisierung ergibt sich dadurch eine Verrin¬ gerung des Reaktorvolumens auf etwa 1/20.

Die anaerobe Abwasserreinigung mit der erfindungsgemäßen Kammerkaskade erfolgt in nachstehender Weise:

Das über Puffertanks (Vereinheitlichung, Neutralisierung) geleitete Abwasser (V ) durchströmt die Kammerkaskade bei-

spielweise von unten nach oben (vergleiche Figur 3 oder 5) .

Dabei entsteht durch den anaeroben Abbau der Abwasserin- haltsstoffe Biogas, so daß der Gasvolumenstrom V _r von Kam- mer zu Kammer zunimmt. Bei ausreichendem Gasström V-, kann

G dieses zum Beispiel allein zum Antrieb und zur Fluidisie- rung der Wirbelschichten aus inerten Trägerpartikeln ver¬ wendet werden. Anstelle der Wirbelschichten könnten auch Festbetten (zum Beispiel mit porösen Glaskugeln) zur Fixie¬ rung der anaeroben Mikroorganismen dienen. In den untersten Kammern reicht das gebildete Biogas noch nicht zum Antrieb der UmlaufStrömung und zur Fluidisierung aus. Hier bieten sich dre Möglichkeiten an:

(a) hydrodynamischer Antrieb mit Flüssigkeitsstrahl über Düse (Bezugszeichen 18 in Figur 6a) zum Beispiel durch

Ausnützen der hydrostatischen Druckhöhe zwischen Puf¬ fertanks und Kammerkaskade; oder

(b) Rezirkulation eines Teils des gebildeten Biogases vom Kopf der Kammerkaskade in die unterste Kammer; oder

(c) Kombination von Schlaufenapparat mit Kammerkaskade (Figur 8) , so daß im Schlaufenapparat gebildetes Biogas schon zum Antrieb und zur Fluidisierung der inerten Trägerpartikel in der untersten Kammer der Kammerkaska¬ de ausreicht.

Die besondere Eignung der erfindungsgemäßen Kammerkaskade für die beschriebene anaerobe Abwasserreinigung mit fixier- ten Mikroorganismen besteht nicht nur in der Möglichkeit der individuellen Anpassung der Vorrichtung an den Prozeß, sondern in besonderem Maße auch im praktisch "kostenlosen" Antrieb der UmlaufStrömungen in den Kammern durch das aus den zu beseitigenden Abwasserinhaltsstoffen entstehende Biogas.

Insgesamt sei darauf hingewiesen, daß die Ausführungsfor¬ men der Vorrichtung nach der Erfindung und des erfi. iungs- gemäßen Verfahrens, die unter Bezugnahme auf die Zeichnun¬ gen erläutert wurden, zwar anhand eines Gas-Flüssigkeits-Systems beschrieben worden sind, daß' jedoch ein solches Gas-Flüs¬ sigkeits-System nur als Beispiel gewählt wurde und die Er¬ findung, wie im allgemeinen Beschreibungsteil und in den Patentansprüchen angegeben, praktisch auf alle fluiden StoffSysteme, einschließlich fluidisierter Stoffsyseme, an- wendbar ist. Außerdem gelten Merkmale, die anhand bestimm¬ ter Ausführungsformen beschrieben wurden, auch für alle an¬ deren Ausführungsformen, sofern sie darauf übertragbar sind. Beispielsweise können die ebenen Strömungsleitflächen 9 der Figur 3 auch in Kammerkaskaden mit rundem Horizontal- querschnitt vorgesehen sein etc. Außerdem ist zu beachten, daß der zur Stoff- und Energieübertragung zugeführte Stoff¬ strom auch aus mehreren Einzelstoffen von gleichem oder un¬ terschiedlichem Aggegatzustand bestehen kann, die an glei¬ chen oder unterschiedlichen Stellen zu- und abgeführt wer- den können. Es erscheint im übrigen überflüssig, darauf hinzuweisen, daß die Erzeugung der UmlaufStrömungen in den einzelnen Kammern ein solches Aufsteigen des aufgrund sei¬ nes Auftriebs aufsteigenden Stoffes erfordert, das lokal auf einen horizontalen Querschnittsbereich der Kammern begrenzt ist.