Verfahren zur Behandlung von Gasen, ellipsoider Füllkörper und seine Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gaswäsche, insbesonder ein Verfahren zur Entfernung von unerwünschten Substanzen aus Gasen durch Waschen mit einer Waschflüssigkeit in einem Wasch¬ turm.

Heute ist sehr wichtig, daß bei jedem Verfahren, sei es ein Ver biennungsprozeß oder ein chemisches Verfahren, die Umweltbe¬ lastung auf ein Minimum beschränkt wird.

Es war viele Jahre üblich, die bei diesen Verfahren entstehende Gase in eine _* !. Waschturm zu reinigen, in dem die aufsteigenden Gase durch eine Berieselung von oben mittels Wasser oder einer geeigneten Lösung ge^ chen wurden. Dadurch wurden die Schad¬ stoffe im Gas herausgelöst oder abgeschieden und in der Wasch¬ lösung angereichert.

Zur Unterstützung des Waschvorgangs wurden die Türme vorher mit statischen Füllkörpern versehen, die gegenüber dem Gas und dem Wasser eine große Oberfläche aufweisen und zur Auswaschung der unerwünschten Partikel und Chemikalien aus dem Gas beitragen.

Um effizient zu sein, müssen die Waschtürme mit ruhenden Füll¬ körpern oft sehr hoch sein und ei große Menge an Füllkörpern enthalten, damit die ausströmenden Gase so gereinigt werden, daß ihr Schadstoffgehalt für die Umwelt unbedenklich ist.

Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, die Füllkörper durch Packungen aus Kugeln zu ersetzen, die durch die Geschwin¬ digkeit des zu reinigenden Gases in einem fluidisierten Zustand gehalten werden.

ERSATZB ATT

Die Vorteile bei der Verwendung dieser Kugeln, die aus einem chemisch inerten Material, wie beispielsweise Polypropylen bestehen, bestehen darin, daß die Kugeln ständig rotieren und sich bewegen. Daher haften die aus dem Gas ausgewaschenen Par¬ tikel nicht an ihnen und blockieren so nicht den Waschvorgang oder erhöhen den Druckabfall.

Die fluidisierten Kugeln haben jedoch den Nachteil, daß das fluidisierende Gas dazu neigt, die Kugeln vom Mittelpunkt des Turms an die Seiten zu bewegen. Dadurch bleibt in der Mitte des Turms ein Loch zurück, durch das das Gas hindurchströmen kann, ohne einem Waschvorgang außer der Berieselung durch Wasser ode durch eine andere Waschflüssigkeit zu unterliegen. Durchströmt das Gas die Kugelpackung, so entstehen Turbulenzen, durch die der Waschvorgang unterstützt wird.

Um dieses Problem zu lösen, wurde z. B. in der deutschen Patent schrift 36 13 151 vorgeschlagen, anstelle von Kugeln Ellipsoide in einem Fließbettwäscher zu verwenden.

Die Ellipsoide weisen eine regelmäßige Form auf und haben einen minimalen und einen maximalen Durchmesser, wobei sich eine Wandstärkenverdickung im Bereich des größeren Durchmesser der Kugel befindet. Die Ellipsoide werden vom Gasstrom schon bei niedrigen Anströmgeschwindigkeiten von 1 m/sec fluidisiert, wobei die einzelnen Ellipsoide gerichtete Querbewegungen inner¬ halb des Einzelbettes ausführen und gleichzeitig um die kurze Halbachse rotieren. Die Verwendung von Hohlkörper-Ellipsoiden i Gaswäschern ist besonders vorteilhaft, weil der Flussigkeitsfil auf der Ellipsoid-Oberflache durch die beschleunigte Drehbe¬ wegung häufig abreißt und durch Neubildung der Stoffaustausch aktiviert wird.

Die eigene Rotation erzeugt eine hohe Umfangsgeschwindigkeit in der Ebene der langen Halbachse. Das führt zu einer gerichteten Strömung der Waschflüssigkeit auf der Kontaktoberfläche mit intensiver Verteilung vom Rande auf benachbarte Kontaktelemente Insgesamt wird dadurch permanent eine neu beladbare Phasengrenz

ERSATZBLATT

fläche für den Stoffaustausch angeboten und damit die Absorp¬ tionsleistung sowie die Partikelabsc idung verbessert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Eigenschaften der ellipsoiden Füllkörper weiter zu verbessern und ein effizientes Verfahren zur Gaswäsche anzubieten, durch das fast alle unerwünschten, meist schädlichen Substanzen entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß das Gas durch ein Rohr mit einem Bett aus Ellipsoiden geleitet wird, wobei die Gasgeschwindigkeit, die Gasmenge und die Flüssigkeitsmenge so aufeinander abgestimmt werden, daß die Ellipsoide fluidisiert und zu einer taumelnden Bewegung angeregt werden. Entscheidend ist dabei, daß sich ein Druckgradient im Füllkörperbett von mehr als 1500 Pa/m einstellt. Eine Waschflüssigkeit in Form von Tropfen wird durch das Ellipsoidbett entgegen der Flußrichtung der Gase geleitet, wobei die Waschflüssigkeit ständig die Ober¬ flächen der Ellipsoide im Bett bedeckt, um dem Gas eine große Oberfläche zu bieten. Die schädlichen bzw. abzuscheidenden Substanzen gehen vom Gas in die Waschflüssigkeit über, die Waschflüssigkeit und die abgeschiedenen Substanzen werden zur Beseitigung gesammelt.

Die Gasgeschwindigkeit wird so gewählt, daß die Ellipsoide nicht aus dem durch den Gasstrom gebildeten Wirbelbett herausgetragen werden. Vorzugsweise liegt die Gasgeschwindigkeit 20 % bis 100 % über der maximal notwendigen Fluidisierungsgeschwindigkeit. Unter den gewählten Bedingungen vollzieht der ellipsoide Füll¬ körper eine taumelnde Bewegung, c . durch die exzentrische Schwerpunktläge verursacht wird. Genauer gesagt liegt das Schwerkraftzentrum des ellipsoiden Füllkörpers geringfügig außerhalb des Symmetriemittelpunktes.

Wenn die Verhältnisse der Radien (lange Achse zu kurzer Achse) richtig gewählt werden, stellt sich der ellipsoide Füllkörper im fluidisierten Zustand in eine überwiegend senkrechte Position, bezogen auf die lange Halbachse des Ellipsoids.

Beim vorliegenden Verfahren liegt das Verhältnis des minimalen Radius zum maximalen Radius der Ellipsoide zwischen 0,3 und 0,9. Ein weiteres bevorzugtes Verhältnis liegt zwischen 0,5 und 0,8. Die Ellipsoide werden vorzugsweise als hohle und nicht als massive Körper geformt, um ihre Masse zu reduzieren. Sie be¬ stehen vorzugsweise aus einem chemisch inerten Material wie z. B. Polypropylen.

Es ist zweckmäßig, die Ellipsoide in mit Öffnungen versehenen Einzelkästen im Waschturm zu halten. Dies verringert das Risiko, daß Ellipsoide im Gas mitgerissen und aus dem Bett heraus¬ getragen werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Druckgradient im Wirbel¬ bett größer als 1500 Pa/m ist. Der Druckgradient wird dabei bestimmt durch den Druckabfall im Wirbelbettwäscher und ist identisch mit dem Druckverlust in den Wirbelbetten bezogen auf die Packungshöhe im Ruhezustand des Wäschers. So ist z.B. bei einem mehrstufigen Wirbelbettwäscher der gesamte Druckabfall durch die Gesamthöhe der Packungen (Summe aller Einzelbetten) zu dividieren, wobei die Höhe der Packungen im ruhenden Zustand gemessen wird. Bei einem Druckgradienten im Wirbelbett von mehr als 1500 Pa/m wird erfindungsgemäß ein hoher Stoff- und/oder Wärmeübergangskoeffizient, sowie ein guter Staubabscheidegrad erzielt. Dies beruht auf intensiven Wechselwirkungen und dem guten Kontakt zwischen den Füllkörpern.

Grundsätzlich ist es möglich, das Volumenverhältnis zwischen Waschflüssigkeit und zu behandelndem Gas im Bereich zwischen 0,001 bis 0,01 zu halten. Bei einer Gasgeschwindigkeit von mehr als 2,0 m/sec befinden sich die Füllkörper in einem fluidisier- ten Zustand, wobei die Füllkörper eine zirkulierende Bewegung über den zur Verfügung stehenden Raum des Wirbelbettwäschers ausführen. Dabei ist es nicht möglich einem einzelnen Füllkörper einen definierten Platz zuzuordnen.

Um den Wascheffekt der Flüssigkeit zu maximieren, können mehrere Betten im Turm übereinander angeordnet werden, so daß das Gas hintereinander durch die Wirbelbetten geleitet wird. Das Ver-

ERSATZBL

fahren kann auch darin bestehen, daß das Gas verschiedenen Waschflüssigkeiten oder Lösungsmitteln unterschiedlicher Konz tration in den einzelnen Betten ausgesetzt wird. Die Flüssig¬ keit, durch die das Gas gewaschen wird, wird vorzugsweise am des Turms gesammelt und so verarbeitet, daß die angereicherte Verunreinigungen abgetrennt oder zurückgewonnen werden, bevor die Flüssigkeit in den Kreislauf rückgeführt wird.

Es wird nun Bezug auf die Zeichnung (Fig. 1) genommen, die für Vergleichszwecke zwei Türme des bekannten Stands der Technik zeigt und einen Turm, in dem Ellipsoide verwendet werden und Verfahren der Erfindung angewendet wird.

Der erste Turm 1 ist mit einer Festpackung 2, die eine Packung höhe von 6 m aufweist, versehen. Die Festpackung besteht aus 50 mm Ringen. Der Turmdurchmesser beträgt 5,5 m. Ein zu rei¬ nigendes Gas wird am Boden des Turms durch eine Öffnung 3 ein¬ gespeist und eine Waschflüssigkeit wird am oberen Rand des Tur durch die Einlaßöffnung 4 eingespeist.

Der zweite Turm 10 hat drei Reinigungsstufen, die die 3 Betten 11, 12 und 13 umfassen. Die Betten sind jeweils mit Kugeln von 38 mm Durchmesser bestückt, die in mit Öffnungen versehenen Einzelkästen gehalten werden. Die Kästen sind waagerecht im Tu angeordnet und die gesamte Packungshöhe der drei Betten beträg 1,3 m. Der Turmdurchmesser beträgt 4,9 m. Ein zu reinigendes G wird durch die Öffnung 14 eingeleitet und eine Reinigungsflüs¬ sigkeit wird durch das Rohr 15 am oberen Rand des Turms einge¬ führt und über Düsen gleichmäßig auf das gesamte Bett verteilt

Der dritte Turm 20 hat nur ein 2-stufiges Reinigungselement mi den Betten 21 und 22. Diese Betten werden aus Ellipsoiden mit einem minimalen Durchmesser von 38 mm und einem maximalen Durc messer von 50 mm gebildet. Die Höhe der ein ?lnen Betten im Ruhezustand beträgt 0,43 m. Der Turm weist einen Durchmesser v 4,6 m auf. Zu reinigendes Gas wird durch die Einlaßöffnung 23 eingeleitet, und die Reinigungsflüssigkeit wird bei 24 einge¬ speist und durch Düsen auf das Füllkörperbett gleichmäßig ver¬ teilt.

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Überraschenderweise können alle Türme 1, 10 und 20 die gleiche

Gasmenge bei entsprechender Gasgeschwindigkeit reinigen. Bei

3 einem speziellen Beispiel wurden 100 000 pro Stunde gerei¬ nigt. Das Gas wurde durch die entsprechenden Einlaßöffnungen 3, 14 und 23 eingeleitet und die geeignet Waschflüssigkeit in die in die jeweiligen Einlaßöffnungen 4, 15 und 24 eingespeist. Do wurde die Waschflüssigkeit mittels Düsen auf die einzelnen Betten in Form von Tropfen gesprüht, wobei die Geschwindigkeit in den Türmen 10 und 20 so gewählt wurde, daß die Elemente des Betts, d. h. die Kugeln und Ellipsoide, in einem Fluidisierung zustand innerhalb der Kästen gehalten wurden.

Beim Eintreten des Wassers in die Betten der Waschtürme wird e dünner Flüssigkeitsfilm auf den Füllkörpern gebildet, wodurch eine hohe Austauschfläche zwischen Gas und Flüssigkeit entsteh Das Gas konnte gewaschen und H-S entfernt werden. H~S wurde unter Zugabe eines geeigneten Oxidationsmittels im Wasser gelöst.

Tabelle I zeigt den Wirkungsgrad der verschiedenen Türme.

Pa/m

Gasgeschwindig¬ keit m/s 1,2

Packungshöhe m 6,0

3 Bettvolumen m 142

Turmdurchmesser m 5,5

ERSATZBLATT

Tabelle I zeigt, daß der Wirkungsgrad des Turms 20 unter Ver- "endung der Ellipsoide fast 100 % bei der Reinigung des Gases

.-trägt und höher ist als der der Türme 1 und 10. Zur Erzielun dieses hohen Wirkungsgrades ist ein kompakter Turm erforderlic und, wie die Zahl zeigt, weniger Füllkörper. Die Aufgabe der Füllkörper im Turm 20 besteht darin, eine wesentlich höhere Geschwindigkeit des zu behandelnden Gases zu ermöglichen. Dies bedeutet, daß die Betriebs- und Kapitalkosten geringer si als beim Turm 1 und 10, in denen statische oder kugelförmige Füllkörper verwendet werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bietet daher wesentliche Vorteile gegenüber dem be¬ kannten Stand der Technik.

Zieht man die in Tabelle II gegebenen Daten in Betracht, wird die Erhöhung des Wirkungsgrades deutlich.

Tabelle II

Fluidisierungs- Gewicht wirksame Stückzahl annähernd element Oberfläche Beispiel min. Flui disierung m 2//m3 geschwin- digkeit

Tabelle II zeigt, daß bei Verwendung von Ellipsoiden eine viel geringere minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit bei der ty¬ pischen Anwendung benötigt wird als dies bei Verwendung der anderen verschiedenen Größen der Fall ist. Außerdem können die Ellipsoide eine ausreichend große wirksame Oberfläche bei einem relativ geringen Gewicht und einer geringen Zahl von Elementen aufweisen. Es ist bemerkenswert, daß auf den benetzten Ellip¬ soiden eine sehr innige Durchmischung des Gases mit dem Flüs¬ sigkeitsfilm stattfindet der über die Ellipsoide fließt. Durch diese Mischung des Gases mit der Flüssigkeit entsteht ein Maximum an Kontakoberfläche und an Abscheideleistung.

Die Ellipsoide selbst ändern ständig ihre Orientierung gegenübe dem Fluß des Gasstromes und reiben in verschiedenen Bereichen aneinander.

Wegen ihrer Form neigen sie nicht dazu, an die Seiten des Betts gedrängt zu werden, wie dies bei den Kugeln der Fall ist. Dies bedeutet, daß der größte StoffÜbergangskoeffizient erzielt werden kann. Als ein Beispiel hierfür zeigt Tabelle III die Absorption von H_S in einem Eisenchelat-Lösungsmittel bei verschiedenen Gasgeschwindigkeiten.

Tabelle III

H_S Absorption in Fe 3+ Nitπlo Acetic Acid in einem zylin¬ drischen turbulenten Absorber mit einem Durchmesser von 60 cm.

ERSATΣBLATT

Tabelle IIIA

Flussigkeitsgeschwindigkeit: 0,000589 ms -1 (10,0 dm3min-1)

Packung: 37,5 mm Hohlkugeln

Gasgeschwindigkeit Stoffubergangskoeffizient

0,9 1,4x10

0,9 l,9xl0~ ⁷

1,2 2,7xl0 ^~7

,4 2,8xlθ ^"7

,5 2,9xl0 ^~7

,7 2,9x10 ⁷

ERSATZBLATf

Tabelle IIIB

Flussigkeitsgeschwindigkeit: 0,000590 ms -1 (10,0 dm3 mm-1)

Packung: 48 mm x 35 mm Ellipsoide

Gasgeschwindigkeit Stoffubergangskoeffizient

0,702 34,0xl0 ^~7

1,16 220,79xl0 ^~7

2,30 493,0xl0 ^~7

Die Versuche zeigen, daß der Stoffubergangskoeffizient bei vergleichbaren Gasgeschwindigkeiten fast hundertmal höher ist als der für die Hohlkugeln. Bei noch höheren Gasgeschwindig¬ keiten, die mit Hohlkugeln nicht mehr erreichbar sind, ist der Stoffubergangskoeffizient fast 200fach höher.

Dies zeigt, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung ein wesentlich effizienteres und kostengünstigeres Verfahren zur Betrieb eines Waschturm bietet, als dies bisher möglich war. Die Ellipsoide, die jetzt unter dem Warenzeichen "Scrubber-fill" erhältlich sind, können von den Abmessungen und Gewichten, die in den Beispielen angeführt wurden, abweichen. Das bevorzugte Verhältnis des minimalen zum maximalen Durchmesser liegt jedoch zwischen 0,5 und 0,8.

ERSATZBLATT

Beispiel 1 für die Entfernung von partikelförmigen Verun¬ reinigungen aus Gasen (Staubabscheidung)

Die Höhe der Füllkörperpackung betrug 0,28 m, das Mengenver¬ hältnis von Flüssigkeit : Gas lag in einem Bereich von 0,003 0,004. Es wurden mehr als 70 % oder mehr der teilchenförmige Verunreinigungen mit einer Teilchengröße von mehr als 1 um m der Waschflüssigkeit aus dem Gas abgeschieden.

Bei einer Fullkorperpackungshohe von 0.28 m und einem Mengen hältnis von Flüssigkeit : Gas zwischen 0,003 bis 0,04 wurden % oder mehr der im Gas enthaltenen teilchenförmigen Verunrei gungen mit einer Teilchengröße von weniger als 1 um mit der Waschflüssigkeit abgeschieden.

Beispiel 2

In einem Wäscher mit 1 m Durchmesser und 0,3 Betthöhe wurd bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Gase von 3 m/sec und einem Volumenverhältnis von Flüssigkeit : Gas von 0,005 der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt. Die Anzahl der Füllkörper betrug 3000. Für den Wärmeaustausch zwischen Luft mit 6 % S0 ₂ und Wasser betrug der Wärmeübergangskoeffizient 645 354 kcal m -3 h-1°C-1 und lag damit um einen Faktor von etwa 150 hoher bei einer Festbettpackung aus Pall-Ringen mit einem Durchmess von 2 inch.

Der Druckgradient betrug 4230 Pas/m.

Beispiel 3

Ein HF-haltiges, staubbelastetes Abgas aus der Aluminium- Schmelzflußelektrolyse wurde nach dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren unter den folgenden Betriebsparametern mit Wasser be¬ handelt:

2

Querschnitt des Waschers : 7 m x 4 m = 28 m

Betthöhe im Ruhezustand : 0.28 m

Anzahl der Stufen ( beds ) : 4

Druckabfall : 820 Pa

Füllkörperabmessungen: 38/50 mm

Füllkörperanzahl pro Bett: 21 000 Scrubberfills

Gasgeschwindigkeit: 2,2 m/sec

Volumenverhältnis

Füssigkeit/Gas L:G = 0,004 - 0,006 = 4 - 6 dm ³ /m ³

Druckgradient: ca. 2940 Pa/m

3 Betriebsergebnisse - HF: Rohgas: 40 mg/m

3 Reingas: 0,4 mg/m

Abscheideleistung: 99%

3 - Staub: Rohgas: 200 mg/m

3 Reingas: 28 mg/m

Abscheideleistung: 86 %

Unter diesen Bedingunen stellt sich ein Druckgradient von etwa 3000 Pa/m ein. Die Effizienz der HF-Absorption liegt in diesem Fall bei 99 %, wobei der abgeschiedene Staubanteil etwa 86 % beträgt.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurde ein NH^-haltiges Abgas nach dem erfi dungsgemäßen Verfahren mit Wasser bei folgenden Versuchspara¬ metern behandelt:

Bettdurchmesser: 0,6 m

Betthöhe im Ruhezustand: 0,16 m Füllkörperabmessungen: 50 x 38 mm

Füllkörperanzahl: 500 Füllkörper Flüssigkeitsdurchsatz: 10 dm 3 mm. -1

Volumenverhältnis

Gas/Flüssigkeit: 0,001 - 0,004

Der Stoffübergangskoeffizient für die Absorption von NH in Wasser wurde bei verschiedenen Druckgradienten bestimmt. Fig.

ERSATZBLATT

zeigt die Abhängigkeit des Stoffübergangskoeffizienten vom Druckgradienten. Oberhalb eines Druckgradienten von 1500 Pa/m ergeben sich danach sehr hohe Stoffübergangskoeffizienten, di zu einer Erhöhung der Absorptionsausbeute führen.

Beispiel 5

Ein H-S-haltiges Syngas wurde mit einer Sulphanol-Lösung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den folgenden Versuchspar metern behandelt:

Querschnitt des Wäschers: 1 m

Betthöhe im Ruhezustand: 0,5 m

Anzahl der Stufen: 2

Füllkörperabmessungen = 50 x 38 mm

Anzahl Füllkörper pro Stufe: 1500

Gasgeschwindigkeit: 0,6 - 2,1 m/sec

Volumenverhältnis

Flüssigkeit/Gas: 0,0025 - 0,008

Fig. 3 zeigt die in diesem Beispiel ermittelte Abhängigkeit d

Stoffübergangskoeffizienten vom Druckg adienten für einen kon- stanten Flussigkeitsdurchsatz von 10 dm 3min-1. Oberhalb eines

Druckgradienten von etwa 1500 Pa/m steigt der Stoffübergangsk effizient steil an. Das Volumenverhältnis Flüssigkeit:Gas (L/G sinkt dabei von 0,008 auf 0,0025, bedingt durch den konstanten Flussigkeitsdurchsatz bei ansteigender Gasgeschwindigkeit. Im Vergleich zu diesem Beispiel wurden analoge Versuche mit einer statischen Füllkörperpackung und einem Wirbelbett mit Hohlkuge (φ: 20 inches) durchgeführt. Fig. 4 zeigt im Vergleich die Abhängigkeit des Stoffübergangskoeffizienten von der Gasge¬ schwindigkeit für die verschiedenen Verfahren. Die Stoffüber¬ gangskoeffizienten in einem Wäscher mit ellipsoiden Füllkörper

ERSATZBLATΓ

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen demnach bei höher Gasgeschwindigkeiten deutlich über den Werten für Festpackung und Wirbelbetten mit Hohlkugeln. Oberhalb eines Druckgradient von etwa 1500 Pa/m, entsprechend einer Gasgeschwindigkeit in diesem Anwendungsfall von etwa 1,3 m/sec, nimmt der Stoffuber gangskoeffizient für ellipsoide Füllkörper im Vergleich mit d beiden anderen Füllkörperarten überproportional zu.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit zwischen Druckgradient und Strö

3 mungsgeschwindigkeit bei konstanter Wassermenge von 10 dm /mi

Am unteren Ende der dargestellten Kurve sind die Bedingungen entnehmen, unter denen die ellipsoiden Füllkörper gerade in d fluidisierten Zustand übergehen. Mit zunehmender Gasgeschwind keit fällt daher auch das Flüssigkeit/Gasverhältnis von 0,006 auf 0,0015.

Aus Fig. 6 ist nun bei verschiedenen Flüssigkeit/Gas-Verhält¬ nissen eine Proportionalität zwischen Druckgradient und Gas¬ geschwindigkeit zu erkennen. Der Druckgradient steigt oder fä mit steigendem oder fallenden L/G-Verhältnis. Bevorzugterweis beträgt das L/G-Verhältnis 0,001 - 0,01; in Fig. 6 ist der Bereich zwischen 0,004 und 0,005 dargestellt.

ERSATZBLATT