Drehscheibenapparate
Stoffübergang in Drehscheibenapparaten
Stand 6.10.2019
1. Ein alter Hut?
Drehscheibenapparate (RDC-Apparate) sind seit ca. 70 Jahren Stand der Technik bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion. Sie bestehen aus einem zylindrischen Gefäß, das an seiner Innenseite fest angeordnete, 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 feine 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 können die Blasen nicht zerkleinert werden. Messungen zum Stoffübergang 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.
Drehscheibenapparate sind auch für die Begasung von Flüssigkeiten geeignet. Versuche zeigen aber, dass die erwartete feine 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 können die Blasen nicht zerkleinert werden. Messungen zum Stoffübergang 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 mit perforierten Rändern
Eine wesentliche Verbesserung des Stofftransportes 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.
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 < 10 mikro m) quasi homogen suspendieren.
Bild 2 Turbulente Phasengrenzen im Gas-Flüssig-Betrieb
Die Ränder der Tromben erreichen den Rand unterhalb der Scheibe. 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 für die flüssige Phase ist eine weitere günstige Eigenschaft des modifizierten Drehscheibenapparates. Die rotierenden Scheiben zwingen der Strömung eine Wirbelstruktur auf, die auch für die flüssige Phase in einem großen Drehzahlbereich 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 suspendierten 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.
Eine Weiterentwicklung ist 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 chemischen Technologie, Biotechnologie und Abwassertechnik. Besonders günstig sind Trägermaterialien auf der Basis von offenporigen Schaumstofflocken, weli diese sich in Flüssigkeiten gut suspendieren lassen und abriebfest sind. Sehr zu empfehlen sind Flocken aus PUR.
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 für die flüssige Phase ist eine weitere günstige Eigenschaft des modifizierten Drehscheibenapparates. Die rotierenden Scheiben zwingen der Strömung eine Wirbelstruktur auf, die auch für die flüssige Phase in einem großen Drehzahlbereich 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 suspendierten 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.
Eine Weiterentwicklung ist 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 chemischen Technologie, Biotechnologie und Abwassertechnik. Besonders günstig sind Trägermaterialien auf der Basis von offenporigen Schaumstofflocken, weli diese sich in Flüssigkeiten gut suspendieren lassen und abriebfest sind. Sehr zu empfehlen sind Flocken aus PUR.
3. Stoffübergang Gas/flüssig
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-Wert) bei einer bestimmten Drehzahl sprunghaft an steigt. Es handelt sich dabei um die Drehzahl, beider die Blasen durch die Perforationen an den Scheibenrändern hindurchtreten.
- 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-Wert) bei einer bestimmten Drehzahl sprunghaft an steigt. Es handelt sich dabei um die Drehzahl, beider die Blasen durch die Perforationen an den Scheibenrändern hindurchtreten.
Bild 4 Stoffübergang im System Wasser/Luft
Für den kla-Wert wurde aus den Messwerten folgende Beziehung abgeleitet:
Der Exponent für die Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeit (Uw0) ist von der Verweilzeitverteilung abhängig und hat deshalb nur eine begrenzte Gültigkeit.
4. Anwendungen
4.1 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 Strippanlage mit einem möglichst geringenLuft-Wasser-Verhältnis arbeiten. Für das Strippen von Abwasser und Deponiesickerwasser, die mit Benzen, Toluen oderChlorkohlenwasserstoffen (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 Luftvollständig 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.
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 Strippanlage mit einem möglichst geringenLuft-Wasser-Verhältnis arbeiten. Für das Strippen von Abwasser und Deponiesickerwasser, die mit Benzen, Toluen oderChlorkohlenwasserstoffen (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 Luftvollständig 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 Benzen/Toluen
4.2. 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. Füreine Verminderung der Menge an abbaubaren Inhaltsstoffen um 70% sind Verweilzeiten von 8...10 Stunden erforderlich.
- 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. Füreine Verminderung der Menge an abbaubaren Inhaltsstoffen um 70% sind Verweilzeiten von 8...10 Stunden erforderlich.
Bild 6 Aerober Klärschlammabbau
Bild 7
4.2 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).
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 (ehemaliges Teerwerk Erkner)
Nachstehende Vorteile prädestinieren den Drehscheibenreaktor als aeroben Reaktor für die Abwasserreinigung:
- hoher Stoffübergang für Sauerstoff - erreichbar sind 3...6 kg O2/kWh,
- intensive Mischung,
- geringer Luftbedarf
- enge Verweilzeitverteilung
- geringer Raum- und Flächenbedarf
- geringe Scherspannungsbelastungen auch bei hohen Sauerstoffeintragsraten,
- einfache Möglichkeiten zur Immobilisierung der Mikroorganismen
5. Berechnung von Drehscheibenapparaten
Für die Berechnung der Rührerleistung benötigt man den Reibungsbeiwert Cp der Scheiben.
Bild 9 Cp- Wert einer einzelnen Scheibe (Literaturwerte)
Der Cp-Wert bei einer Zahl von "n" Scheiben:
Cp(n)=n x Cp.
6. 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,der Eintauchtiefe und der Drehzahl kann man eine Vielzahl von Zuständen bei der Dispersion im Mehrphasenbetrieb erreichen.Stoffübergang, Verweilzeitverteilung und Tropfen/Blasengröße sind gut zubeherrschen. 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.
Auch für Flüssig-Flüssig-Prozesse ist der Apparat sehr interessant, weil Mixer und Settler ohne Einbauten über einander liegen.
Zahlfeiche Variationsmöglichkeiten hat man durch die Höhe des Flüssigkeitsstandes und die Anordnung der Welle.
In einem Laborapparat mit Da=150mm quadratische Scheiben mit einer Diagonale von 120 mm erprobt. Die Ergebnisse Bild 10 sind die Cp-Werte für eine Scheibe.
Der Übergangsbereich ist instabil. Bei jeder neuen Messkurve erhält man andere Ergebnisse. In diesem Bereich kann kein Appararat zuverläsig arbeiten.Im Gas/Flüssigbetrieb vermindert sich der Cp-Wert in Abhängigkeit von der Gasmenge.
Für eine optimale Geometrie des Apparates sollte das Verhältnis von Innen - und Scheibendurchmesser einen Wert von 0,75 nicht übersteigen.
6. 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,der Eintauchtiefe und der Drehzahl kann man eine Vielzahl von Zuständen bei der Dispersion im Mehrphasenbetrieb erreichen.Stoffübergang, Verweilzeitverteilung und Tropfen/Blasengröße sind gut zubeherrschen. 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.
Auch für Flüssig-Flüssig-Prozesse ist der Apparat sehr interessant, weil Mixer und Settler ohne Einbauten über einander liegen.
Zahlfeiche Variationsmöglichkeiten hat man durch die Höhe des Flüssigkeitsstandes und die Anordnung der Welle.
In einem Laborapparat mit Da=150mm quadratische Scheiben mit einer Diagonale von 120 mm erprobt. Die Ergebnisse Bild 10 sind die Cp-Werte für eine Scheibe.
Cp-Wert für quadratische Scheiben, horizontale Bauart ( Wasserfüllung 100 %)
Bild 10 Cp-Wert für quadratische Scheiben, horizontale Bauart ( Wasserfüllung 55 %)
In einem weiteren Versuch wurde Ein Apparat Da=150 mm mit 17 runden Scheiben 120 mm, Abstand 22 mm, Füllung 50% verwendet.
Den Cp-wert des Apparates zeigt Bild 11.
Ein solcher Apparat ist als Gaswascher sehr aussichtsreich. Der Druckverlust gasseitig war sehr gering. Die Messdaten für den Druckverlust gingen leider verloren.
Den Cp-wert des Apparates zeigt Bild 11.
Ein solcher Apparat ist als Gaswascher sehr aussichtsreich. Der Druckverlust gasseitig war sehr gering. Die Messdaten für den Druckverlust gingen leider verloren.
Bild 11 Cp-Wert horizontaler Apparat, runde Scheiben
Bild 12 horzontaler Apparat, runde Scheiben