Fakten zum Anfassen: Gasdispersion in Flüssigkeiten

1. September 2022 | Von Scott Jenkins, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen

Das Einspritzen von Gasen durch einen Diffusor in eine Flüssigkeit ist ein wichtiger Aspekt vieler Vorgänge in der chemischen Prozessindustrie (CPI). Wichtige Anwendungen umfassen das Auflösen von Reaktandengasen in einer flüssigen Phase zur weiteren Reaktion (z. B. bei der Hydrierung, Oxidation, Ozonierung) sowie die Karbonisierung von Getränken, die Stimulierung von Fermentationsprozessen (Abbildung 1), die Belüftung von Abwasser zur Behandlung, das Strippen von Luft usw Sauerstoff aus Chemikalien, Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) aus flüssigen Chemikalien, Entfernung von Feuchtigkeit aus Kraftstoffen und anderen. Diese einseitige Referenz bietet Informationen zu Schlüsselaspekten der Gasdiffusion in Flüssigkeiten, einschließlich Stoffübergangsrate, Rühreffekten und Geräteauswahl.

ABBILDUNG 1. In einem Beispiel einer Gasbegasungsanwendung gibt ein Diffusorstab am Boden des Tanks Sauerstoff ab, um einen Fermentationsprozess anzuregen

Der Hauptzweck eines Durchblassystems besteht darin, die Effizienz des Stoffübergangs von Gas zu Flüssigkeit zu erhöhen (ein Verhältnis der Menge der in der Flüssigkeit gelösten aktiven Gaskomponente zur Menge des injizierten Gases). Eine geringe Effizienz des Massentransports führt zu einer erhöhten Gasinjektionsrate. In diesem Fall erhöht das erhöhte Gasvolumen die Kosten, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Die Effizienz des Stoffübergangs von Gas zu Flüssigkeit wird hauptsächlich durch den Stoffübergangswiderstand der flüssigen Phase gesteuert.

Ein schneller und effizienter Stoffaustausch geht mit der Ausbreitung feiner Blasen einher, wodurch die Gasoberfläche im Kontakt mit der Flüssigkeit vergrößert wird.

Technische poröse Metall- oder Keramikmaterialien erzeugen je nach Anwendungsanforderungen feine Blasen. Poröse Materialien ermöglichen die Durchleitung großer Gasmengen mit sehr großer spezifischer Fläche. Beispielsweise hätten 1-mm-Blasen bei gleichen Gasvolumina eine 6,35-mal größere Gas-Flüssigkeits-Kontaktoberfläche als 6,35-mm-Blasen (1/4 Zoll) [2].

Die Stoffübergangsrate von Gas zu Flüssigkeit pro Volumeneinheit wird berechnet mit: KLa(C* – C), wobei KL der Stoffübergangskoeffizient der flüssigen Phase ist, der von Diffusionsfähigkeit, Flüssigkeitsviskosität, Temperatur und Mischung abhängt ; a ist die Grenzflächenfläche von Gasblasen in Kontakt mit Flüssigkeit; C* ist die Sättigungskonzentration des Gases in der Flüssigkeit; und C ist die Konzentration in der Hauptflüssigkeit.

Durch das Einblasen kleiner Gasblasen mit hohem Oberfläche-Volumen-Verhältnis in die Flüssigkeit wird die Grenzflächenfläche a vergrößert und die Gasstoffübertragungsrate verbessert. Die treibende Kraft des Stofftransfers (C* – C) hat auch einen großen Einfluss auf die Gasauflösungsrate, da das hochreine Gas anstelle des Gases mit geringerer Reinheit verwendet wird. Beispielsweise ist die gesättigte Sauerstoffkonzentration in Wasser aus reinem Sauerstoff fünfmal höher als die aus Luft, was zu einem starken Anstieg der Sauerstoffauflösungsrate bei reinem Sauerstoff führt.

Die Auswahl der Begasungsgeräte richtet sich nach der Konstruktion und den Betriebsbedingungen des Prozesses. Der Typ und die Konfiguration des verwendeten Begasungsgeräts hängen von Faktoren ab, z. B. ob es sich bei einem Prozess um einen kontinuierlichen Prozess oder einen Chargenprozess handelt, sowie von der Gasdurchflussrate, der Tankgröße, der mechanischen Bewegung und dem Betrieb Druck und Temperatur.

Baumaterialien. Begaser aus Metall werden bei hohen Temperaturen, korrosiven oder oxidierenden Bedingungen eingesetzt, während Begaser aus Keramik für milde Bedingungen ausreichend sind.

Gasaustrittsgeschwindigkeit. Die Gasaustrittsgeschwindigkeit an der Begasungsoberfläche ist ein wichtiges Designkriterium für die Auswahl des Begasungsgeräts. Der tatsächliche Gasvolumenstrom für die Austrittsgeschwindigkeit wird anhand des Drucks (P) berechnet, der sich aus der Summe aus Tank-Kopfraumdruck (PHeadspace), Flüssigkeitskopfdruck am Begaser (PLiquid) und Druckabfall über dem Begasungselement (ΔP) zusammensetzt. Die minimale Einblasfläche basiert auf der Grenze der Gasaustrittsgeschwindigkeit für den Prozess.

Die Austrittsgeschwindigkeitsgrenze ist für den statischen Durchblasvorgang am niedrigsten, wenn keine mechanische Bewegung der flüssigen Phase erfolgt. Beim Begasen von Rührtanks und beim dynamischen Begasen, bei dem die Flüssigkeit entlang der Oberfläche des Begasungsgeräts eine hohe erzwungene Geschwindigkeit aufweist, sind die Grenzen der Gasaustrittsgeschwindigkeit deutlich höher, sodass für den gleichen Gasfluss kleinere Begasungsgeräte erforderlich sind. Die Austrittsgeschwindigkeitsgrenze für die Begasung von Rührtanks und die dynamische Begasung hängt von der Laufradgeschwindigkeit bzw. der Flüssigkeitsgeschwindigkeit ab.

Agitationseffekte. Neben der Verwendung eines ordnungsgemäß konstruierten Begasungsgeräts ist es wichtig, sich auf die Vermischung von Gas und Flüssigkeit zu konzentrieren. Bei chemischen Prozessanwendungen ist der Reaktorbehälter häufig geschlossen, sodass nicht umgesetzte hochreine Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff nicht durch das System entweichen können. Bei diesen Anwendungen kommen je nach Betriebsbedingungen des Reaktors speziell ausgelegte Mischflügelräder zum Einsatz. Typischerweise befindet sich eine Laufradturbine über dem Zerstäuber, um die Gasblasen abzuscheren und zu verteilen. Es kann auch eine Bewegung an der Flüssigkeitsoberfläche erforderlich sein, um das Gas im Kopfraum in die flüssige Phase mitzureißen.

Diffusorgröße. Die Größe eines Einblasrohrs hängt weitgehend von der oberflächlichen Gasaustrittsgeschwindigkeit aus der porösen Einblasrohroberfläche ab. Dieser Wert wird aus den tatsächlichen Kubikfuß pro Minute (ACFM) pro Quadratfuß der Begasungsoberfläche (ACFM/ft2) berechnet. Der ACFM wird anhand des Flüssigkeitsdrucks und der Flüssigkeitstemperatur am Einblasrohr berechnet (der ACFM basiert nicht auf dem Gasdruck)*.

Anmerkung der Redaktion : Teile des Textes in dieser Spalte wurden aus dem folgenden Artikel übernommen: Air Products Inc., Gas Sparging, Chem. Eng., September 2012, S. 21.

*Eine zusätzliche Referenz ist die folgende Veröffentlichung: Mott Corp., Gas-liquid Contacting Part Selector and Design Guide, www.mottcorp.com.