Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Intensivierung von Transportvorgängen bei der chemischen oder physikalischen Behandlung von Medien, insbesondere bei der Behandlung von schwer oder nicht mischbaren Flüssigkeiten sowie auf eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens.
In der alltäglichen industriellen Praxis laufen physikalische und chemische Prozesse über Transportvorgänge ab.
Unter Transportvorgängen sollen hier zum Beispiel die Vorgänge verstanden werden, die sich beim Dispergieren, der Herstellung von Suspensionen, Emulsionen oder Schäumen, beim Zerstäuben oder Extrahieren, dem Absorbieren von Gas in Flüssigkeit, dem zur Beseitigung eines dispersen Systems vorgenommenen Koagulieren usw. abspielen.
Bei homogenen, besonders aber bei heterogenen chemischen Reaktionen sind die Komponenten- und Wärmetransporte besonders wichtig.
Für die Ausführung von Transportvorgängen sind zahllose technische Lösungen und Vorrichtungen entwickelt worden.
In der industriellen Praxis wird meistens das Mischen und Rühren zur Verwirklichung von Transportprozessen angewendet.
Zum Mischen und Rühren fester und flüssiger Substanzen werden zweiarmige Kneter, Schneckenmischer, Planetenmischer, Kolloidmühle, spezielle Kugelmühlentypen (Perlmühle), Schaufelmischer, Impeller, Ankermischer, Propeller-, Scheiben- und Turbinenmischer, MIG-Mischer (Mehrstufenimpuls-Gegenstrommischer), Bandmischer, spezielle Turbinenund Scheibenmischer (Dissolver, Supermischer) usw. verwendet. Alle diese Vorrichtungen sind mit solchen Mischorganen ausgerüstet, die drei- oder wenigstens zweidimensional sind, d. h. über Länge und Breite verfügen, die im Verhältnis zu den Massen des Mischraumes wesentlich, also nicht vernachlässigbar sind.
Es ist bekannt, dass bei den Schaufelmischern (Blattmischern) die Mischwirkung durch die an den Kanten der Schaufeln auftretenden Scherkräfte verursacht wird, während die Fläche der Schaufel gegenüber dem Widerstand der Flüssigkeit und deren innere Reibung Energie aufwenden und Arbeit verrichten muss. Als eine auf dieser Erkenntnis beruhende, durch winkeliges Verdrehen der Rührflächen entstandene Weiterentwicklung ist der Propellermischer zu betrachten, bei dem durch die erwähnte Verdrehung der Flügel der von der Flüssigkeit auf die Rührfläche ausgeübte Widerstand sinkt, die Länge der Scherkante jedoch praktisch die gleiche bleibt. Dies kommt auch darin zum Ausdruck, dass die Leistungsaufnahme der Propellermischer geringer ist als die der Schaufelmischer.
Bei den Turbinenmischern ist die Länge der Scherkanten, die relative Verringerung der Rührschaufelfläche noch stärker ausgeprägt, und zwar dadurch, dass an einem Scheibenelement X12 Schaufeln angebracht sind; dieser Effekt wird durch geneigte Anordnung der Schaufeln noch gesteigert.
Bei den Scheibenmischern, die keine Rührschaufeln enthalten, kann die Länge der Scherkanten also auch nicht im Verhältnis zur Schaufelfläche gesteigert werden. Wegen der waagrechten Rührfläche ist der Flüssigkeitswiderstand dieser Mischer jedoch gering. Trotzdem ist ihre Mischwirkung - obwohl die Umfangsgeschwindigkeit der Rührflächen ausserordentlich hoch ist - verhältnismässig gering, weil die Förderleistung des Mischers niedrig ist. Um die Länge der Scherkante weiter zu steigern, versieht man die Scheiben mit Einschnitten, und die eingeschnittenen Teile werden (wie bei Sägezähnen) in einem Winkel gleich oder kleiner 45" zur Ebene der Scheibe gebogen. Mit solchen Scheiben sind die sogenannten Zahnscheibenmischer, auch Supermischer (Dissolver) genannt, ausgerüstet.
Ein weiteres Kennzeichen der bekannten Mischer ist, dass die zwei- oder dreidimensionalen Mischorgane starr auf der Achse des Mischers befestigt sind.
Aus der zwei- beziehungsweise dreidimensionalen Ausdehnung sowie aus der starren Anordnung der Mischelemente ergibt sich, dass die Steigerung ihrer Umdrehungsgeschwindigkeit ausser durch den Flüssigkeitswiderstand auch von ihrer Masse bestimmt wird, die bei der Konstruktion in Form der kritischen Winkelgeschwindigkeit, die der Quadratwurzel aus der Masse des Mischelementes reziprok proportional ist, berücksichtigt werden muss.
Aus der Literatur ist zu ersehen, dass der Mischeffekt von der Winkelgeschwindigkeit des Mischelementes abhängig ist.
Beträgt die Winkelgeschwindigkeit 4 m/s, so ist der Mischeffekt nur schwach, bei 4-7 m/s tritt ein mittlerer Effekt auf, und bei 7-11 m/s handelt es sich um einen energischen Mischeffekt.
Die sonstigen zum Vermischen unterschiedlicher Phasen verwendeten Mischertypen, wie zum Beispiel die zweiarmigen Kneter (Z-Kneter), die Schneckenkneter, die Planmischer usw., sind mit dreidimensionalen Knet- beziehungsweise Rührelementen ausgerüstet, die im allgemeinen mit niedriger Umdrehungszahl rotieren.
Bei Homogenisatoren (Kolloidmühle, Hochdruckhomogenisator, spezielle Kugelmühlen, sog. Perlmühlen) erfolgt die Dispergierung der Phasen durch zwei zusammenwirkende Flächen, deren eine fest angeordnet ist, während die andere mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit dispergiert (bei der Kolloidmühle zum Beispiel zwei kegelförmige, glatte oder gerillte Flächen). Für die Wirksamkeit derartiger Vorrichtungen ist die Grösse des Spaltes zwischen diesen Flächen von ausschlaggebender Bedeutung. Im allgemeinen ist der Spalt 0,01 bis 3 mm breit.
Bei Perlmühlen ist der Mischraum zu ungefähr 60 % mit Kugeln unterschiedlicher Grösse (0,3-3 mm) gefüllt. Diese Kugeln werden mittels eines Mischorgans in dem zu dispergierenden Medium bewegt.
Für die durch Mischen erzielbare Dispergierung heterogener Phasen ist die Reynoldsche Zahl von Bedeutung. Liegt die Reynoldsche Zahl unter 2300, so tritt laminare Strömung auf, bei Reynoldschen Zahlen von oberhalb Rekrjt, d. h.
oberhalb 2300, wird die Strömung turbulent. Es ist bekannt, dass die Transportvorgänge vorteilhafter im turbulenten Bereich verwirklicht werden.
Der Wert von Re hängt ausser von der Flüssigkeitskonstante noch vom Widerstandsbeiwert c(Re) ab, welcher auch den Durchmesser des Mischers d und die Umdrehungszahl n (d. h. die Umfangsgeschwindigkeit) beinhaltet.
Um die Geschwindigkeit der Transportvorgänge zu steigern, muss die Umfangsgeschwindigkeit des Mischers gesteigert werden, indem man dessen Umdrehungszahl, seinen Durchmesser oder alle beide erhöht.
Bei den mit umlaufenden Rührelementen arbeitenden Mischern (Turbine, Propeller) sind der Steigerung der Umdrehungszahl durch die kritische Umfangsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Das günstigste Verhältnis zwischen dem Durchmesser d des Rührelementes und dem Durchmesser D des Apparates ist nach Konstruktionserfahrungen im allgemeinen D:d = 3.
Der Dispersionsgrad der in verschiedenen Phasen vorliegenden Reaktionspartner ist für den Ablauf heterogener chemischer Reaktionen von ausschlaggebender Bedeutung, da die Reaktion nur an den Grenzflächen der Phasen vor sich geht.
Die Reaktionspartner müssen zu diesen Grenzflächen hindiffundieren, das bei der Reaktion gebildete Produkt muss von der Grenzfläche fortdiffundieren.
Bekannterweise ist die Reaktionsgeschwindigkeit der eigentlichen chemischen Reaktion viel grösser als die Diffusionsgeschwindigkeit. Daher wird der Zeitbedarf des gesam ten Vorganges von der Diffusion und von der Grösse der Pha sengrenzfläche bestimmt. Von besonderer Bedeutung ist die Dispergierung bei exothermen heterogenen Reaktionen, weil sich bei diesen im System nicht nur ein Konzentrationsgradient, sondern auch ein Wärmegradient ausbildet, der in den meisten Fällen eine unerwünschte Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes und die Bildung von ausbeuteschmälernden Nebenprodukten verursacht.
Um die Geschwindigkeit des Stofftransportes (Komponententransportes) und der Wärmeübertragung (des Wärmetransportes) zu steigern und dadurch die Zeitdauer des Prozesses zu verringern, wird der Dispersionsgrad der Phasen und damit die Grösse der Grenzflächen gesteigert, der Diffusionsweg verkürzt.
Die Geschwindigkeit des Transportprozesses, die Steigerung von Impuls-, Komponenten- und Wärme stromdichte versucht man im allgemeinen durch deren Intensivierung zu erreichen. Im Sinne der modernen Thermodynamik (s. Päl Szolcsanyi: Vegyipari müveleti egysegek energetikai analizise [= Energetische Analyse von Funktionseinheiten in der chemischen Industrie], S. 296-324, Budapest 1972) ist unter Intensivierung meistens eine Geschwindigkeitssteigerung des Prozesses, die Steigerung von Impuls-, Komponenten- und Wärmetransport bei gegebenem Volumen beziehungsweise gegebener Oberfläche zu verstehen.
Gemäss der Analogie der grundlegenden Transportprozesse kann die Intensivierung von Komponenten- und Wärmetransport für den Fall konstanter Transportfläche nur um den Preis der Steigerung des Impulstransportes ereicht werden.
Weitere Möglichkeiten der Intensivierung sind: - Steigerung der Oberfläche, genauer: der auf eine Volum einheit entfallenden spezifischen Oberfläche, - künstliche Verstärkung der Turbulenz, - Verringerung der Dicke der Grenzschicht (genauer: der laminaren Unterschicht).
Auch bei chemischen Reaktionen zwischen heterogenen
Phasen wird durch diese Faktoren, also durch die Intensivie rung, ermöglicht, dass im Reaktionsraum der Konzentrations und Wärmegradient gegen Null abnimmt und auf diese Weise der Reaktionsraum praktisch frei von Konzentrations- und
Wärmeunterschieden ist. In Grenzfällen, wenn der Gradient praktisch gleich Null ist, kann der Prozess kontinuierlich aus geführt werden.
Die kontinuierliche Ausführung erfordert eine wesentlich kleinere Vorrichtung, ist wirtschaftlicher, produktiver und er gibt ein Produkt von einheitlicher Zusammensetzung und kon stanter Qualität, wobei weniger Nebenprodukte anfallen.
Durch eigene, zur Intensivierung von Transportvorgängen vorgenommene Experimente wurde nun gefunden, dass die
Intensivierung qualitativ in wirksamer Weise verbessert wer den kann.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren zur In tensivierung von Transportvorgängen bei der chemischen oder physikalischen Behandlung von Medien ist dadurch gekenn zeichnet, dass in den miteinander in Kontakt gebrachten Me dien ein Träger in Bewegung gesetzt wird, welcher linienartige
Behandlungsorgane aufweist, welche durch die Bewegung des
Trägers in Schwingung gebracht werden.
Die Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens eignet sich insbesondere zur Behandlung von schwer oder nicht misch baren Flüssigkeiten und ist dadurch gekennzeichnet, dass die selbe einen beweglichen Träger aufweist, welcher mit linien artigen Behandlungsorganen ausgerüstet ist, die eine Dicke von 10-5000,um aufweisen und deren Dicke/Längenver hältnis 1:5 bis 1:5000 beträgt.
Auf beiliegender Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines Erfindungsgegenstandes rein schematisch dargestellt.
In der Fig. 1 ist als rotierender Träger eine Welle f vorgesehen, welche an ihrer Oberfläche mit radial abstehenden, linienartigen Behandlungselementen W bestückt ist. Wesentlich ist die Dicke q der Elemente, welche zwischen 10 und 5000,um variiert und das Verhältnis der Länge 1 zur Dicke beträgt 1:5 bis 1:5000. Nach der Ausführung in der Fig. 2 sind die linienförmigen Elemente W bündelartig zusammengefasst, wobei die dargestellten Elemente W wellenförmig geformt sind. Eine spiralförmige Ausbildung der Elemente W ist aus der Fig. 3 ersichtlich. In der Fig. 4 ist eine ähnliche Ausbildung gezeigt, bei welcher die spiralförmigen, linienartigen Elemente mit ih- ren beiden Enden am Träger, d. h. an der Welle f festgemacht sind.
Die vorgeschlagenen Behandlungsorgane werden also aus linienartigen Elementen gebildet, die praktisch nur eine Längenausdehnung haben und somit als eindimensional angesehen werden können. Die linienartigen Elemente W wirken als aktive Agitatoren. Als solche werden solche Agitatoren bezeichnet, durch welche Energie aus einer äusseren Quelle in den zu behandelnden Medien gebracht wird. Die äussere Energie kann z. B. magnetische, elektrische, elektromagnetische oder mechanische Energie sein. Die als Träger dienende Welle gemäss den Ausführungen in den Fig. 1-4 führt eine Rotationsbewegung in gleicher oder veränderlicher Richtung, wobei die linienartigen Behandlungsorgane in Schwingung geraten. Anstelle einer Welle kann auch ein anderer Träger vorhanden sein, welcher beliebige Bewegungen ausführt.
Die Behandlungsorgane werden durch den Durchmesser q, durch die Länge 1, durch die Anzahl der Behandlungsorgane nach Anzahl sz sowie durch die genannte Länge der Behand lungsorgane charakterisiert.
Die Elemente Wa sind aus einem bezüglich der zu behandelnden Medien inertem Material, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, ausgeführt.
Weitere gemeinsame Charakteristika der Behandlungsorgane sind die Agitatorfläche F (die Summe der einzelnen Oberflächen der Elemente W) sowie das Agitatorvolumen Q (die Summe der Volumen der einzelnen Elemente W).
Das Agitatorvolumen Q ist, verglichen mit dem der bekannten Mischvorrichtungen, vier- bis zehnmal kleiner, die Agitatoroberfläche F jedoch wenigstens genau so gross wie die der bekannten Ausführungen, meistens jedoch grösser. Infolgedessen ist die auf eine Volumeinheit des Agitators entfallende Fläche, die spezifische Fläche F/Q, wesentlich grösser, als dies bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist. Demgegenüber ist das auf eine Flächeneinheit des Agitators entfallende Volumen Q/F wesentlich kleiner als bei den bekannten Agitatoren. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die Masse des Agitators, die auf eine Flächeneinheit entfallende Agitatormasse wesentlich kleiner ist. Die Unterschiede fallen noch mehr ins Auge, wenn die Gesamtlänge der Agitatorelemente ±1, die Länge der Scherkanten miteinander verglichen wird.
Bei der vorgeschlagenen Lösung ist die auf die Oberflächeneinheit beziehungsweise die Volumeinheit bezogene Gesamtlänge der Scherkanten zehn- bis hundertmal so gross wie bei den herkömmlichen Einrichtungen. Durch Bilden des Quotienten aus V, dem Volumen der zu behandelnden Medien und 5s 1 erhält man den Wert der Gesamtlängendichte, der bei den vorgeschlagenen Agitatoren zehn- bis tausendmal so hoch liegt wie bei den bekannten Lösungen.
Bei den zahlreichen, mit den vorgeschlagenen Agitatoren vorgenommenen Versuchen wurde festgestellt, dass die intensivierenden Eigenschaften der Agitatoren auf ihrer grossen spezifischen Oberfläche und der hohen Gesamtlängendichte beruhen.
Es wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeitssteigerung der Transportprozesse, die Intensivierung der Dispergierung um so günstiger ist, - je kleiner der Krümmungsradius q/2 der Elemente W ist.
je mehr sich diese submikroskopischen Massen annähern, - je grösser die spezifische Agitatorfläche F/Q ist, - je grösser die Gesamtlängendichte FI/V ist, - je länger der von den Agitatorelementen in der Zeiteinheit zurückgelegte Weg Z (Wegsumme) in den Phasen ist.
Die Länge der in der Zeiteinheit zurückgelegten Wegsumme Z hängt unter anderem von der Anzahl der Agitatorelemente, deren Massen, dem Durchmesser und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Agitators ab.
Im Sinne des Gesagten ist die intensivierende Wirkung der den Gegenstand der Erfindung bildenden linienförmigen Behandlungsorganen W auf eine hochgradige Steigerung der Impulsstromdichte zurückzuführen, die bekanntermassen die Voraussetzung für die Steigerung der Komponenten- und Wärmestromdichte ist. Es kann gesagt werden, dass die vorgeschlagenen Agitatoren die effektive Massestromdichte sprunghaft steigern. Durch Anwendung der eindimensionalen Linienagitatoren - wächst die spezifische Oberfläche der Medien, - wächst die Turbulenz und - verringert sich die Dicke der Grenzschicht, der sogenann ten laminaren Unterschicht.
Bei der Verwendung der aktiven Agitatoren ist durch deren geringe Masse eine höhere Umdrehungszahl erreichbar, wodurch auch die Reynoldsche Zahl grössere Werte annimmt.
Dies führt zu einer Verstärkung der Turbulenz. Ausserdem werden wegen der grossen Gesamtlängendichte viel mehr Turbulenzkerne gebildet, und die zwischen ihnen liegende laminare Unterschicht ist demzufolge dünner und wird durch das Schwingen der Agitatorelemente noch weiter geschwächt.
Zu der grossen spezifischen Oberfläche der neuen Agitatoren gehört - verglichen mit den bekannten Agitatoren eine um Grössenordnungen kleinere Masse, wodurch die Umdrehungszahl wesentlich gesteigert werden kann (in Flüssigkeiten wurden Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 30 m/s erreicht!), und dies bringt keine Schwingungsneigung der Agitatorwelle mit sich, da diese sich selbst zentriert, die Agitatorelemente sich in der Flüssigkeit deren inneren Reibungsverhältnissen entsprechend einstellen.
Eine Ausführungsform der vorgeschlagenen Agitatoren, und zwar ein mit Linienelementen Wa ausgerüsteter, umlaufender Agitator, wird mit einem bekannten Mischer, einem Turbinenmischer verglichen, indem mit beiden eine Öl-Wasser Emulsion hergestellt wird und die technischen Parameter verglichen werden. Von den neun durchgeführten Versuchsreihen wurden drei mit dem Turbinenmischer, sechs mit dem Linienagitator durchgeführt. Für die Versuche wurden konstante Bedingungen gewählt: 100 ml Öl und 1000 ml Wasser (V =
1100 ml) wurden in einem Becherglas von 130 mm Durchmesser (D) emulgiert. Bei sieben Versuchsreihen war der Durchmesser d beider Rührer gleich und betrug 43 mm, während bei zwei Versuchsreihen (Versuchsreihen 8 und 9) der Durchmesser d des Linienagitators 80 mm betrug.
Die Agitatoren tauchten so weit in die Flüssigkeit ein, dass sie vom Boden des Becherglases 30 mm entfernt waren (h). Für alle Versuchsreihen wurde der gleiche Elektromotor verwendet, dessen Umdrehungszahl n im Leerlauf 4200 sl betrug. Die Höhe der Turbinenschaufeln war identisch mit der Höhe, bis zu welcher auf der an der Mischerachse angebrachten Drehfläche Linienelemente Wa angebracht waren (M = 8 mm).
Die wirksame Mischzeit beim Emulgieren, r (in Sekunden) wurde in bekannter Weise (s. J. Burger: Magyar Kemikusok Lapja [= Zeitschrift der ungarischen Chemiker] 10, 466 [1962j) bestimmt, indem Licht durch das Mischgefäss gesandt und die Änderung der Lichtstärke mit der Zeit gemessen wurde. Die Zeit, die vergeht, bis keine Veränderung der Lichtstärke mehr eintritt, die Stärke des durchgelassenen Lichtes also konstant ist, wird als die zum wirksamen Mischen notwendige Zeit betrachtet. Die erhaltene Öl-Wasser-Emulsion wurde danach in einen Messzylinder gegossen und festgestellt, wieviel Zeit (t, in Minuten) zur völligen Entmischung der Phasen notwendig ist.
Während des Mischens wurde auch die Drehzahl des Mischers unter Last (n) mit einem Drehzahlmesser gemessen.
Die Ergebnisse der vergleichenden Versuche sind in der folgenden Tabelle enthalten. Jeder Wert ist der Durchschnittswert von 10 Messungen. In der Tabelle werden folgende Bezeichnungen verwendet: d: Durchmesser des Agitators, mm sz: Anzahl der Agitatorelemente in Stück Rührflügel/
Turbine bzw. Anzahl der Linienelemente F: Agitatoroberfläche in mm2 Q: Agitatorvolumen in mm3 nk: Drehzahl des Agitators unter Last, in min-l F/Q: Spezifische Oberfläche des Agitators, in mm2/mm3 Gesamtlänge der Agitatoren, mm 1/V: Die Gesamtlängendichte, d. h. die Gesamtlänge des
Agitators, bezogen auf das Volumen des Mischraumes, mm/ml z: Die zum wirksamen Mischen notwendige Zeit in s t: Die zur völligen Entmischung der Emulsion not wendige Zeit, min.
Die Länge 1 der Rührflügel beziehungsweise die der Linienelemente Wa betrug bei den Versuchsreihen 1-7 14 mm, bei den Versuchsreihen 8 und 9 32,5 mm. Die Dicke der Linienelemente (q) betrug 0,5 mm, das Verhältnis Durchmesser: Länge war bei den Versuchsreihen 4-7 1:28, bei den Versuchsreihen 8 und 9 1:65.
Tabelle Ver- Typ des d D/d nk sz F Q F/Q 1 1/V t suchs- Mischreihe elementes 1 Turbine 43 3,02 3300 2 252,0 176,4 1,428 28 0,0254 145 14 2 Turbine 43 3,02 3200 3 378,0 264,6 1,428 42 0,0508 141 14 3 Turbine 43 3,02 3100 4 504,0 352,8 1,428 56 0,0762 135 12 4 Linienele. Wa 43 3,02 3700 8 87,4 22,1 3,950 112 0,1010 80 97 5 Linienele. Wa 43 3,02 3700 16 174,8 44,2 3,950 224 0,2036 78 100 6 Linienele. Wa 43 3,02 3600 24 262,2 66,3 3,950 336 0,3054 74 105 7 Linienele. Wa 43 3,02 3600 40 437,0 110,5 3,950 560 0,5090 70 130 8 Linienele. Wa 80 1,62 2950 24 616,2 153,0 4,000 780 0,7090 65 210 9 Linienele. Wa 80 1,62 2900 40 1020,4 255,0 4,000 1300 1,1818 60 232
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bei den Versuchsreihen 1-3 die Drehzahl bei Belastung um 22-26 % sinkt.
Die Mischzeit kann durch Vergrösserung der Anzahl der Turbinenflügel nur um ein weniges verringert werden. Die zur völligen Entmischung der Emulsion notwendige Zeit ist ausserordentlich kurz (12-14 min).
Bei den Versuchsreihen 4-7 wurden Linienelemente gleicher Länge verwendet, die mit einem Ende auf der an der Achse befindlichen Drehfläche J befestigt waren, während sich ihr anderes Ende frei bewegen konnte. Es ist ersichtlich, dass bei unverändertem Durchmesserverhältnis D/d die Umdrehungszahl bei Belastung nur um 13-14% sinkt, die zum Mischen notwendige Zeit z um die Hälfte kürzer ist, die zum Entmischen der Emulsion notwendige Zeit t jedoch auf das Achtbis Zehnfache wächst.
Unter identischen Versuchsbedingungen ist also die Leistungsaufnahme des vorgeschlagenen Linienagitators Wa ungefähr 3040% geringer, die zum wirksamen Mischen notwendige Zeit sinkt auf die Hälfte und die Emulsion ist acht- bis zehnmal so lange stabil. Dies kann auch so ausgedrückt werden, dass der neue Agitator W bei geringerer Energieaufnahme wirksamer dispergiert, dass in kürzerer Zeit mehr Arbeit gegen die Oberflächenspannung geleistet wird, und die technisch nutzbare Energie, bezogen auf die aufgewendete Energie, also der Wirkungsgrad, wächst. Bei den Versuchsreihen 8 und 9 wurde die Länge 1 der Elemente geändert, das Verhältnis D/d betrug 1,62. Die Mischzeit z sank weiter ab, die zur vollständigen Entmischung der Emulsion notwendige Zeit t stieg auf einen noch wesentlich höheren Wert.
Bei näherer Betrachtung der in der Tabelle angegebenen kennzeichnenden Parameter für die Agitatorelemente beziehungsweise die Agitatoren wird augenfällig, dass bei ungefähr gleicher Agitatoroberfläche F (Versuchsreihen 1 und 6) das Volumen des Linienagitators kaum mehr als ein Drittel des Volumens des herkömmlichen Turbinenmischers beträgt. Dies kommt auch darin gut zum Ausdruck, dass, während bei dem Turbinenmischer die spezifische Agitatoroberfläche F/Q
1,428 beträgt, dieser Wert bei dem Linienagitator mehr als das
Zweieinhalbfache davon, nämlich 3,95, ausmacht. Noch auffälliger wird der Unterschied, wenn man die Längen der bei den verschiedenen Agitatoren, die Zl-Werte miteinander ver- gleicht.
Bei identischer Agitatorfläche (Versuchsreihen 1 und 6) ist der Wert s l für die Linienagitatoren Wa zwölfmal so hoch, bei identischem Agitatorvolumen (Versuchsreihen 1 und 8) achtundzwanzigmal so hoch wie die des herkömmlichen Agita tors. Die Erklärung für die Wirksamkeit des neuen Agiators ist in dem Verhältnis IIIV (Gesamtlängendichte) d. h. dem
Verhältnis der Längensumme zu dem zu vermischenden Vo lumen zu suchen. Dieses Verhältnis nimmt im Vergleich zu den bekannten Agitatoren einen 10-50mal so hohen Wert an.
Ausser den im Vorangegangenen beschriebenen Emul sionsversuchen wurden noch zahlreiche Experimente vorgenommen, um die Einsatzmöglichkeiten der neuen Agitatoren für die Intensivierung der verschiedenen Transportprozesse zu erproben.
So wurde zum Beispiel untersucht, in welcher Weise die neuen Agitatoren die Solventextraktion bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten intensivieren (Beispiel 3). Dabei wurde festgestellt, dass bei der wässrigen Extraktion von in einem höheren Alkohol gelöst vorliegender Essigsäure - gleiche Rührzeit und gleiche Umdrehungszahl vorausgesetzt - bei der Verwendung des Propellermischers fünfzigmal so viel
Essigsäure in der organischen Phase zurückblieb wie bei der Verwendung des Linienagitators Wa.
Ferner wurde die auf die Dispergierung fester Stoffe in
Flüssigkeiten auftretende intensivierende Wirkung untersucht (Beispiel 2), indem bei gleicher Mischzeit und gleicher Um drehungsgeschwindigkeit und gleichem Durchmesser Natriumbentonit in Wasser einmal mit dem Propellermischer, zum anderen mit dem Linienagitator Wa dispergiert wurde. Während bei der mit dem Propellermischer hergestellten Dispersion zwei Stunden nach Beendigung des Dispergierens das Absetzen begann, blieb die mit dem Linienagitator hergestellte Dispersion zwei Wochen lang stabil und begann sich erst danach abzusetzen.
Werden die neuen Agitatoren als Mischer verwendet, so kann nicht nur die Umfangsgeschwindigkeit im Verhältnis zu bekannten Rührern wesentlich gesteigert werden, sondern ausserdem ist das Verhältnis D/d in den Grenzen 1,2-3,5 frei wählbar und die Entfernung des Mischers vom Boden des Behälters kann innerhalb eines verhältnismässig breiten Bereiches geändert werden.
Mit den in der Tabelle bei den Versuchsserien 2 und 8 beschriebenen Mischern wurden weitere Emulgierexperimente durchgeführt, und zwar wurden 500 ml Öl mit 500 ml Wasser emulgiert, wobei h = 65 mm, also etwa 75 % von H = 87 mm war, d. h. der Mischer tauchte nur zu etwa 25 % in die Flüssigkeit ein. Während der Turbinenmischer unter diesen Bedingungen praktisch nicht emulgierte, wurde mit dem neuen Agitator Wa innerhalb von 90 Sekunden eine Emulsion erzielt, zu deren Entmischung 170 Minuten erforderlich waren.
Bei den bekannten Mischertypen ist es zur Erreichung einer Mischwirkung notwendig, dass der Agitator in dem Mischraum, in die Grenzfläche der beiden Phasen hineinragt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass der Rotationslinienagitator auch dann noch im Stande ist zu dispergieren, wenn er über dem Mischraum (Gesamthöhe beider Phasen = H) angebracht ist. Diese überraschende Wirkung kommt offensichtlich dadurch zustande, dass die aus der äusseren Energiequelle stammende Energie durch das über den Phasen befindliche Gaspolster in das zu dispergierende Medium übertragen wird. Für die Agitatoren ist dies von grosser Bedeutung, da auf diese Weise der Angriff korrosiver Phasen vermieden werden kann, indem als Energieüberträger ein indifferentes Gas dient.
Mit den vorgeschlagenen, den Gegenstand der Erfindung bildenden, eindimensionalen linienartigen Agitatoren wurden ausserordentlich viele Experimente durchgeführt: Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkeiten, von Flüssigkeiten in Flüssigkeiten, von Gasen in Flüssigkeiten, von Feststoffen in Gasen, von Flüssigkeiten in Gasen sowie von Feststoffen und Flüssigkeiten in Gasen.
Diese Experimente können hier nicht alle beschrieben werden, lediglich einige sollen zur Veranschaulichung der Anwendungsmöglichkeiten im Rahmen der Beispiele gezeigt werden.
Bei weiteren, bezüglich der Anwendbarkeit der erfindungsgemässen Agitatoren durchgeführten Experimenten wurde die kontinuierliche Ausführung heterogener Reaktionen untersucht.
Bekannt ist zum Beispiel, dass die Verseifung von pflanzlichen Ölen mit Alkalilauge eine endotherme Zeitreaktion ist.
In der industriellen Praxis wird das Seifekochen bei 80-100 C durchgeführt und dauert 5-6 Stunden. Mit dem Linienagitator Wa wurden Pflanzenöl und Natronlauge in dem beim Seifekochen üblichen Verhältnis bei Zimmertemperatur emulgiert: Der Fettsäuregehalt des Reaktionsgemisches sank innerhalb von zwei Stunden auf 0,5 Gew. %, was die Beendigung des Verseifungsvorganges bedeutet (Beispiel 10).
Dieses Experiment wurde mit vor dem Vermischen auf 60 C vorgewärmtem Pflanzenöl und Natronlauge wiederholt.
Der Fettsäuregehalt des Reaktionsgemisches sank innerhalb einer halben Stunde auf unter 0,5 Gew. %.
Es ist bekannt (s. ungarische Patentschrift Nr. 146 818 sowie G. M. Schwab: Katalyse an flüssigen Metallen, Dechema Monographien 38, 205 [1960]), dass organisch-chemische Reaktionen in der Dampfphase vorteilhaft so ausgeführt werden können, dass man die Dämpfe der Reaktanten durch eine Metallschmelze leitet (z. B. die Decarbonylierung oder oxydative Decarboxylierung von Furfurol, die thermische Spaltung von Pentam mit Wasserdampf, die Herstellung von Paraffinkohlenwasserstoffen, Cracken und Kohlenwasserstoffen usw.).
In der Metallschmelze, deren spezifische Wärme um drei Grössenordnungen grösser ist als die der Gase und Dämpfe, kann das Verfahren unter isothermen Bedingungen ausgeführt werden, und die Gasblasen des Reaktionsgemisches verhalten sich in der Art von Elementarreaktoren. Die Ausführung des Verfahrens wird jedoch dadurch erschwert, dass das spezifische Gewicht der Dämpfe um zwei Grössenordnungen geringer ist als das der Schmelze, so dass die Dämpfe in dieser schnell nach oben steigen, wobei sich die Gasblasen zu grösseren Blasen vereinigen.
Unter Verwendung der beschriebenen Behandlungsorgane, die als Agitatoren wirken, werden die Dämpfe der Reaktanten in der Metall- oder Salzschmelze derart dispergiert, dass die entstehenden Blasen um Grössenordnungen kleiner sind; ausserdem wird die Vereinigung der Blasen verhindert und dar über hinaus die Schmelze durch die grosse Turbulenz intensiv gemischt. Die intensive Turbulenz der Schmelze ist von besonderer Wichtigkeit bei Metall-Metalloxyd-Schmelzen , da bei diesen das Oxyd die Neigung hat, auf der Oberfläche eine Haut zu bilden (zum Beispiel Bleioxyd), die das Entweichen der bereits umgesetzten Dämpfe verhindert. Bei Anwendung des Linienagitators W wird die Zeit des in der Schmelze vor sich gehenden Prozesses verkürzt, die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung steigt wesentlich.
Die Oxydation in der Dampfphase kann vorzugsweise in zwei miteinander verbundenen Reaktoren vorgenommen werden, in denen sich je ein aktiver Linienagitator befindet und die Agitatoren die Schmelze auch zwischen den Reaktoren in Umlauf halten. In dem ersten Reaktor wird ein Teil des in Schmelze vorliegenden Metalls durch Eindispergieren von Luft oxydiert.
Durch die Zirkulation gelangt das Metalloxyd in den zweiten Reaktor, wo es seinen Sauerstoff an den dampfförmigen Reaktionspartner abgibt und diesen dadurch oxydiert. Danach gelangt das Metall wieder in den ersten Reaktor zurück, wo ein Teil der Schmelze erneut oxydiert wird (z. B. Blei-Bleioxyd System).
Die den Gegenstand der Erfindung bildenden eindimensionalen Agitatoren werden in den folgenden Beispielen näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf die in den Beispielen gezeigten Lösungen beschränkt bliebe.
Beispiel 1
In einem zylindrischen Metallbehälter von 2 Liter Volumen arbeitet ein Rotationslinienagitator mit einer Umdrehungszahl von 2500 U./min. Der Durchmesser des Agitators beträgt 330 mm, die Länge der Linienelemente W 125 mm, ihre Anzahl 3500, ihre Dicke 0,8 mm. Die Drehfläche, an der die Elemente an einem Ende befestigt sind, beträgt 8740 cm2. Der Apparat hat zwei Metalleinfüllstutzen und einen Ablaufstutzen. Die zum Einführen des Materials dienenden Rohrstutzen leiten das eingefüllte Material parallel zur Achse des Agitators auf die Agitatorelemente. Das aus dem Reaktionsgefäss abgezogene Material gelangt in einen Behälter von 10 Liter Volumen, der 5 Liter Wasser einer Temperatur von 5" C enthält.
Durch den einen Einfüllstutzen wird auf 90" C erhitztes, geschmolzenes Paraffin in einer Menge von 200 g eingeleitet, während durch den anderen Stutzen 800 g Wasser von 900 C zugegeben werden. Die Paraffin-Wasser-Emulsion gelangt aus dem Apparat in den Kaltwasserbehälter, in dem das Paraffin erstarrt. Durch mikroskopische Untersuchung der erhaltenen Paraffinemulsion wird festgestellt, dass ihre Teilchengrösse 0,5-llum beträgt.
Beispiel 2
In einem zylinderförmigen Apparat von 5 Liter Volumen wird ein dem Beispiel 1 entsprechender Rotationslinienagitator angebracht und mit diesem 180 g Natriumbentonit in 3450 ml Wasser von 60 C suspendiert. Das Experiment wird mit einem Propellermischer wiederholt, wobei die Umdrehungszahlen (5000 min-1) und die Mischzeit (10 min) in beiden Fällen gleich waren.
Die beiden auf diese Weise erhaltenen Suspensionen werden in je einen Glaszylinder gegossen und ihr Absetzverhalten beobachtet. Bei der mit dem Propellermischer hergestellten Suspension begann das Absetzen nach zwei Stunden, und nach zwei Tagen war die Entmischung vollständig.
Bei der mit dem Linienagitator hergestellten Suspension begann der Absetzvorgang erst nach zwei Wochen.
Beispiel 3
Untersuchung der wässrigen Extraktion von Essigsäure aus einem mit Wasser nicht mischbaren organischen Lösungsmittel. Es wird ein laboratoriumsmässiger Mischermotor mit einer Drehzahl von 5000 U./min verwendet, der einmal mit einem Propellermischer von 37 mm Durchmesser, zum anderen mit einem Rotationslinienagitator vergleichbaren Durchmessers ausgerüstet wird. Die Länge der Linienelemente Wa beträgt 14 mm, ihre Dicke 0,2 mm, ihre Anzahl 10 000.
In ein 250-ml-Becherglas werden 50 ml destilliertes Wasser und 50 ml einer Lösung eingefüllt, die auf 100 g n-Octylalkohol 5,2 g Essigsäure enthält. Mit beiden Mischern werden die Phasen je eine Minute gerührt. Danach wird die organische Phase abgetrennt und ihr Restgehalt an Essigsäure untersucht.
Als Durchschnittswerte von je 10 Messungen werden folgende Ergebnisse erhalten:
Essigsäuregehalt des Octylalkohols vor der Extraktion: 5,2 g/100 g; nach der Extraktion mit dem Propellermischer: 0,548 g/100 g; nach der Extraktion mit dem Linienagitator: 0,010 g/100 g.
Aus den Zahlenwerten des Experimentes ist ersichtlich, dass bei gleicher Mischzeit der Linienagitator W um ein Fünfzigfaches wirksamer dispergiert als der herkömmliche Mischer.
Beispiel 4
Versuch zur Intensivierung der Gasabsorption mit dem Linienagitator.
2,25 g elementarer Schwefel werden in Luftüberschuss verbrannt, und die Absorption der beim Verbrennen gebildeten 4,5 g Schwefeldioxyd in Wasser wird bei Zimmertemperatur untersucht.
Im Falle des ersten Versuches wurde das gebildete Gas innerhalb von 5 Minuten durch 800 ml Wasser durchgeleitet (in Form von Blasen).
In einem zweiten Versuch wurde in einem Glaszylinder von 200 m Durchmesser ein Rotationslinienagitator betrieben, dessen Durchmesser 190 mm, dessen Drehzahl 300 min-1 betrug.
Die Länge der Agitatorelemente Wa betrug 50 mm, ihre Dicke 0,3 mm, ihre Anzahl 10 000. Auf die Agitatorelemente wurden innerhalb von 5 Minuten von oben 800 ml Wasser geleitet und gleichzeitig das Schwefeldioxyd im Gegenstrom ebenfalls in den Glaszylinder eingebracht.
In beiden Fällen wurde hinterher untersucht, wie hoch der Gehalt des Wassers an schwefliger Säure war. Für den ersten Versuch wurden 1,393 g/800 ml Wasser, für den zweiten 2,88 g/800 ml Wasser gefunden.
Bei dem in Form von Blasen geschehenden Durchleiten des Schwefeldioxyds wurden demnach 24,3 % der Gesamtmenge, bei der mit dem Linienagitator vorgenommenen Absorption 50,1% absorbiert.
Beispiel 5
Aufgrund der bei der Gasabsorption erreichten Ergebnisse wurde untersucht, in welchem Masse mit dem Linienagitator die Luftaufnahme von Wasser gesteigert werden kann. Dieses Problem ist für die biologische Reinigung der Abwässer von grosser Bedeutung.
Zu den Versuchen wurde ein auf einer waagrechten Achse angebrachter Linienagitator W mit einem Durchmesser von 360 mm verwendet. Die daran angebrachten 1650 Stück Linienelemente waren 0,4 mm dick und 145 mm lang. Im Ruhezustand des Agitators tauchten die Elemente ins Wasser ein.
Die Temperatur des Wassers wurde mit einem Thermostaten auf 35 C gehalten. Die Temperatur der Luft betrug 20" C, ihr relativer Feuchtegehalt 59%.
Der Agitator dispergierte das Wasser durch seine Umdrehung und zerstäubte es in der Luft. In einer Höhe von 130 mm über dem Wasserspiegel wurden in verschiedenen Entfernungen von der Agitatorachse (0,5; 0,8; 1,5; 2,0 m) Proben von dem in der Luft fein zerstäubten Wasser genommen und ihre Temperatur sowie ihr Sauerstoffgehalt festgestelh.
Wassertemp. Sauerstoffgehalt Zu Beginn: 35"C 4,2 ml/l 0,5 m vom Agitator 30"C 5,03 ml/l 0,8 m vom Agitator 27"C 5,53 ml/l 1,5 zum vom Agitator 24"C 5,63 ml/l 2,0 m vom Agitator 21 0C 6,06 ml/l
Beispiel 6
In einem Zyklonapparat arbeitete ein Linienagitator mit 2500 U./min Drehzahl. Sein Durchmesser betrug 330 mm, die Länge der Elemente 125 mm, ihre Dicke 0,8 mm und ihre Anzahl 24 150.
Unter dem Agitator wurden pro Minute 5 m3 mit Zementstaub gesättigter Luft eingeleitet. Die Luft trat an der oberen Öffnung des Zyklons aus. Zentral und parallel mit der Achse des Agitators wurde ausserdem pro Minute ein Liter Wasser eingeleitet.
Bei der Untersuchung der aus dem Apparat austretenden Luft konnte kein Tyndall-Effekt festgestellt werden, die Luft war also staubfrei.
Beispiel 7
In einer sechs Meter hohen, oben geschlossenen, unten kegelförmig ausgebildeten Vorrichtung wurde ein Linienagitator mit einer Drehzahl von 2500 U./min betrieben. Der Agitator hatte einen Durchmesser von 330 mm und enthielt in einer Dichte von 4 Stück pro Quadratzentimeter Linienelemente aus Stahl, die 0,8 mm dick und 125 mm lang waren.
In einem Z-Kneter wurde Graphitstaub und Ton mit Wasser zu einem graphithaltigen Tonbrei von 21% Feuchtegehalt verknetet. Dieser Brei wurde mittels eines Schneckendosierers in waagrechter Richtung so in den oben beschriebenen Apparat eingebracht, dass der Brei mit einer Geschwindigkeit von 4 cm/s durch einen 1 x 4 cm grossen Spalt eintrat und an der Mantelfläche des rotierenden Linienagitators zerstäubt wurde.
In den Apparat wurde auf 100" C erhitzte Luft eingeleitet.
Auf einer Sedimentationsstrecke von fünf Meter Länge trocknete der zerstäubte Brei vollständig. Der der Vorrichtung entnommene graphitierte Tonstaub hatte einen Restfeuchtegehalt von 0,3 %, seine Teilchengrösse lag zwischen 40 und 70,um.
Beispiel 8
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die im wesentlichen der im Beispiel 7 beschriebenen entspricht. Der kegelförmige Teil nimmt ein Drittel der Gesamthöhe des ganzen Apparates ein, ist doppelwandig ausgeführt und mit Wasser kühlbar. In der Vorrichtung wird im oberen Teil zentrisch und mit senkrechter Achse ein Agitator angebracht, dessen Umdrehungsgeschwindigkeit 2500 U./min beträgt. Der Agitator ist zylinderförmig, oben offen, perforiert und hat ein Volumen von 100 cm3. Seine Mantellinie ist 4 cm lang. In dem Agitator sind Bohrungen angebracht, und in jeder zweiten Bohrung wird ein 1 mm dickes, 160 mm langes Linienelement Wa befestigt.
Auf 1 cm2 der Drehfläche des Agitators befinden sich vier 1 nienelemente.
Unter dem Agitator wird in das obere Drittel des Apparates ein Gas, zum Beispiel Stickstoff oder Sauerstoff, eingeleitet.
In den hohlen Drehkörper des Linienagitators wird geschmolzenes metallisches Kadmium einer Temperatur von 340" C eingeleitet und in dem ersten Versuch in einem Stickstoffstrom von 450" C, in einem zweiten Versuch in einem Sauerstoffstrom gleicher Temperatur zerstäubt. In dem wassergekühlten oberen Teil der Vorrichtung scheidet sich bei der Verwendung von Stickstoff metallisches Kadmium in Form von Staub mit einer Teilchengrösse von weniger als 1,um ab.
Bei der Verwendung von Sauerstoff wird ein Kadmium und Kadmiumoxyd enthaltender Staub erhalten. Das Verhältnis dieser beiden Komponenten zueinander hängt von der Länge des Sedimentationsweges ab, welche durch verschiedene Wahl des Gaseinströmortes geändert werden kann. Unter den beschriebenen Bedingungen enthält der Staub bei lm Sedimentationsweg 11,5% Kadmiumoxyd. - Auf diese Weise herstellbare, Metall und Metalloxyd in beliebig wählbarem Verhältnis enthaltenden Stäube können zur Herstellung von Akkumulatorelektroden verwendet werden.
Beispiel 9
Es ist bekannt, dass der Dispersionsgrad der Suspensionen, die beim Ausfällen von festen Reaktionsprodukten entstehen, die Reinheit des Endproduktes in hohem Masse beeinflusst.
Die sich beim Ausfällen in fester Phase abscheidenden Stoffe können Verunreinigungen in Form von Einschlüssen enthalten und können nur durch mehrmaliges Waschen oder Umkristallisieren gereinigt werden. So wird zum Beispiel gemäss der ungarischen Patentschrift Nr. 159 044 N-Isopropyl-2-chloracetanilid durch bei 80-100 C in Gegenwart von Phosphortrichlorid vorgenommene Reaktion von N-Isopropylanilin mit Monochloressigsäure hergestellt. Das gebildete N-Isopropyl2-chloracetanilid ist flüssig und wird durch Einleiten in kaltes Wasser zum Erstarren gebracht. Dabei wird das Produkt in ein mit einem herkömmlichen Turbinenmischer ausgerüstetes Gefäss eingeleitet, welches Wasser von 5-10 C enthält.
Die Substanz erstarrt, wird anschliessend mit viermaligem Wechsel des Waschwassers gewaschen und hat dann einen Schmelzpunkt von 68-72 C.
In einem zylindrischen Gefäss von 560 mm Durchmesser und 200 Liter Volumen wird ein Rotationslinienagitator angebracht. Der hohle Agitatorzylinder ist 50 mm hoch und hat einen Durchmesser von 100 mm. An seiner Oberfläche sind Bohrungen von 3 mm Durchmesser angebracht, und zwar auf 16 Segmenten je 4, also insgesamt 84 Bohrungen. Zwischen den Bohrungen wurden 2880 Stück aus 0,4 mm dickem Stahldraht gefertigte Linienelemente Wa an einem Ende befestigt.
Die Linienelemente waren 100 mm lang. Der Agitator rotierte an der Oberfläche des in dem Apparat befindlichen Wassers (150 1, Temp. 5 C) mit einer Drehzahl von 3000 U./min.
Das flüssige, 90" C warme Reaktionsprodukt wurde kontinuierlich in den hohl ausgebildeten Kopfteil des Agitators eingeleitet. Das ausgefüllte N-Isopropyl-2-chloracetanilid wurde abfiltriert und getrocknet. Das Produkt war feinkristallin und hatte (ohne dass es gewaschen worden wäre!) einen Schmelzpunkt von 76-78 C.
Beispiel 10
In einer 250 mm hohen, zylinderförmigen, unten konisch ausgebildeten Vorrichtung von 220 mm Durchmesser wird auf senkrechter Achse ein Rotationsagitator mit einer Drehzahl von 3500 U./min betrieben. Die Elemente Wa des Agitators sind 0,5 mm dicke, 90 mm lange Linienelemente. Auf die Agitatorelemente werden pro Minute 1000 g Speiseöl und 532 ml 7n Natronlauge aufgegossen, die erhaltene feine Emulsion, deren Teilchengrösse im Durchschnitt 0,5zum beträgt, wird am Boden der Vorrichtung abgezogen.
Bei der ersten Versuchsserie werden die Ausgangsstoffe mit einer Temperatur von 25" C eingesetzt, während bei der zweiten Versuchsserie beide Substanzen auf 60 C vorgewärmt werden. Von den hergestellten Emulsionen werden viertelstündlich Muster genommen, der Gehalt an freien ölsäure wird mit analytischen Methoden untersucht, d. h. der unverseifte Anteil festgestellt. Im Falle der bei Zimmertemperatur hergestellten Emulsion sinkt der Gehalt an freier Ölsäure innerhalb von 2 Stunden auf unter 0,5 g, während dies bei der Emulgierung der mit 600 C eingebrachten Ausgangsstoffe bereits nach einer halben Stunde der Fall war.
Beispiel 11
In ein Becherglas von 2000 ml Volumen werden 500 ml Dodecilbenzol vorgelegt und innerhalb von 15 Minuten 250 ml rauchende Schwefelsäure (Oleum mit 8% freiem SO3) zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird mit einem vierflügeligen Laborrührer mit 5000 mini Drehzahl gerührt. Die erhaltene Dodecylbenzolsulfonsäure wird danach mit Natronlauge zu ihrem Natriumsalz umgesetzt. Analyse des Produktes: umgesetzt: 43,3 %
Ausbeute: 41,2%
Trockengehalt: 48,2% waschaktiver Gehalt: 24,3 %
Das Experiment wird unter folgenden Bedingungen wiederholt: Es wird der gleiche Rührer verwendet, dem Dodecylbenzol werden jedoch punktförmige Quarzagitatoren zugesetzt, die insgesamt ein Volumen von 300 ml einnehmen, das Volumen eines jeden dieser Agitatoren Pp beträgt 0,5 mm3.
Das Oleum wird innerhalb einer Minute zugesetzt. Danach werden die punktförmigen Agitatorelemente Pp abfiltriert und die Dodecylbenzolsulfonsäure in der beschriebenen Weise zu ihrem Natriumsalz umgesetzt. Analyse des Produktes:
Umsatz: 65,3 %
Ausbeute: 54,2%
Trockengehalt: 65,3 % waschaktiver Gehalt: 45,6%
Beispiel 12
In einer 800 mm hohen, nach unten zu konisch ausgebildeten Vorrichtung, deren oberer Durchmesser 200 mm beträgt, wird ein Zylinder von 200 mm Durchmesser und 11 mm Wandstärke eingebracht, auf dessen 250 mm hohen Mantel pro cm2 zwei Bohrungen von 0,1 mm angebracht sind. Der Zylinder läuft mit einer Drehzahl von 2500 U./min auf einer hohlen Achse.
In die Vorrichtung werden pro Minute 1230 ml Dodecylbenzolsulfonsäure eingegeben, während in den rotierenden Zylinder Ammoniakgas von 20 atü Druck mit einer Geschwindigkeit von 7140 ml/min eingeleitet wird. Das Gas tritt aus den Bohrungen des Zylinders in Gestalt gasförmiger Linienagitatoren Wa aus.
Aus der Vorrichtung können unten pro Minute 1600 ml dodecylbenzolsulfonsaures Ammonium abgezogen werden.
Beispiel 13
Aus der ungarischen Patentschrift Nr. 146 818 ist die mit Wasserdampf vorgenommene Wärmespaltung von Benzinen unter Verwendung eines Bleischmelzebettes bekannt.
In einem elektrisch beheizten Reaktor von 95 mm Durchmesser befinden sich 41,7 kg geschmolzenes Blei. Das Volumen der Schmelze beträgt 3674 cm3, ihre Oberfläche 61,2 cm2. 500 mm unterhalb der Bleioberfläche wird das Gemisch der Dämpfe der Reaktionspartner eingeleitet, das durch Verdampfen von stündlich 60 ml Benzin und stündlich 60 ml Wasser hergestellt wird. Die Temperatur der Schmelze beträgt 700"C.
Stündlich entstehen 50 Liter eines Gases mit dem Heizwert 9776 kcal/m3 und folgender Zusammensetzung:
0,1% Stickstoff, 12,5% Wasserstoff, 48,0% Methan, 0,4% Sauerstoff,15,6 Kohlenmonoxyd, 1,6 % Kohlendioxyd, 21,8% niedere ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
Die gleiche Umsetzung wurde in einer aus zwei zylindrischen Körpern bestehenden Vorrichtung durchgeführt. Der obere Teil hatte einen Durchmesser von 95 mm, der des unteren betrug 250 mm. In diesem unteren Teil befand sich ein Agitator von 200 mm Durchmesser, auf dem 700 Stück Linienelemente von 80 mm Länge und 2 mm Dicke befestigt waren.
Die Dämpfe von Wasser und Benzin wurden unter den mit einer Drehgeschwindigkeit von 2500 U./min rotierenden Agitator eingeleitet.
Stündlich wurde das Gemisch von 850 ml Benzindampf und 850 ml Wasserdampf eingeleitet, aus der 700" C warmen Schmelze entfernten sich stündlich 700 Liter eines Gasgemisches, dessen Heizwert 11 785 kcal/m3 betrug. Zusammensetzung: 1,0% Stickstoff, 0,7% Wasserstoff, 46,3 % Methan, 0,6% Sauerstoff, 6,8 % Kohlenmonoxyd, 2,2% Kohlendioxyd, 34,4% niedere ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
Beispiel 14
In ähnlicher Weise wie im Beispiel 13 beschrieben, wurde einmal mittels Durchleiten der Dämpfe, zum anderen unter Verwendung des Rotationslinienagitators Furfurol im Bleischmelzebett durch Reaktion mit Luft und Wasserdampf zu Furan umgesetzt. Das Schmelzebett hatte eine Temperatur von 320 C,
Die Zusatzgeschwindigkeiten waren: beim Durchleiten: Furfurol 70 ml/h, Luft 75 ml/h und Wasser 20 ml/h. Stündlich wurden 50 ml Furan erhalten.
mit dem Agitator: Furfurol 700 ml/h, Luft 750 ml/h, Wasser 200 ml/h. Stündlich wurden 500 ml Furan erhalten.
Die in den Beispielen 13 und 14 verwendete Bleimenge war bei allen Versuchen die gleiche.
The present invention relates to a method for intensifying transport processes in the chemical or physical treatment of media, in particular in the treatment of difficult or immiscible liquids, and to a device for carrying out the method.
In everyday industrial practice, physical and chemical processes take place via transport processes.
Transport processes should be understood here, for example, as the processes that take place during dispersion, the production of suspensions, emulsions or foams, during atomization or extraction, the absorption of gas in liquid, the coagulation carried out to remove a disperse system, etc.
In homogeneous, but especially in heterogeneous chemical reactions, the component and heat transports are particularly important.
Countless technical solutions and devices have been developed for carrying out transport processes.
In industrial practice, mixing and stirring are mostly used to implement transport processes.
For mixing and stirring solid and liquid substances, two-armed kneaders, screw mixers, planetary mixers, colloid mills, special types of ball mills (bead mill), paddle mixers, impellers, anchor mixers, propeller, disc and turbine mixers, MIG mixers (multi-stage impulse countercurrent mixers), ribbon mixers, special Turbine and disk mixers (dissolvers, super mixers) etc. are used. All of these devices are equipped with such mixing elements that are three- or at least two-dimensional, i. H. have length and width that are essential in relation to the masses of the mixing space, that is, they are not negligible.
It is known that in paddle mixers (paddle mixers) the mixing effect is caused by the shear forces occurring at the edges of the paddles, while the surface of the paddle has to expend energy and perform work against the resistance of the liquid and its internal friction. The propeller mixer is to be regarded as a further development based on this knowledge and through angular rotation of the stirring surfaces, in which the resistance exerted by the liquid on the stirring surface decreases due to the aforementioned rotation of the blades, but the length of the shear edge remains practically the same. This is also reflected in the fact that the power consumption of the propeller mixer is lower than that of the paddle mixer.
In the case of turbine mixers, the length of the shear edges, the relative reduction in the agitator blade area, is even more pronounced, namely in that blades are attached to a disk element X12; this effect is increased by the inclined arrangement of the blades.
In the case of the disc mixers that do not contain any stirring blades, the length of the shear edges cannot be increased in relation to the blade area. Because of the horizontal stirring surface, the liquid resistance of these mixers is low. Nevertheless, their mixing effect - although the circumferential speed of the agitating surfaces is extremely high - is relatively low because the delivery rate of the mixer is low. In order to further increase the length of the shear edge, the disks are provided with incisions and the cut parts are bent (as with saw teeth) at an angle equal to or less than 45 "to the plane of the disk. With such disks are the so-called toothed disk mixers, also super mixers (Dissolver) called, equipped.
Another characteristic of the known mixers is that the two- or three-dimensional mixing elements are rigidly attached to the axis of the mixer.
From the two- or three-dimensional expansion as well as the rigid arrangement of the mixing elements, the increase in their speed of rotation is determined not only by the fluid resistance but also by their mass, which in the construction is in the form of the critical angular velocity, which is the square root of the mass of the Mixing element is reciprocally proportional, must be taken into account.
It can be seen from the literature that the mixing effect is dependent on the angular speed of the mixing element.
If the angular velocity is 4 m / s, the mixing effect is only weak, at 4-7 m / s there is a medium effect, and at 7-11 m / s it is a vigorous mixing effect.
The other types of mixer used to mix different phases, such as the two-armed kneader (Z-kneader), the screw kneader, the planar mixer, etc., are equipped with three-dimensional kneading or stirring elements, which generally rotate at a low speed.
In homogenizers (colloid mills, high-pressure homogenizers, special ball mills, so-called bead mills), the phases are dispersed by two interacting surfaces, one of which is firmly arranged, while the other disperses at high speed (in the colloid mill, for example, two conical, smooth or grooved surfaces ). The size of the gap between these surfaces is of decisive importance for the effectiveness of such devices. In general, the gap is 0.01 to 3 mm wide.
In bead mills, the mixing space is about 60% filled with balls of different sizes (0.3-3 mm). These balls are moved in the medium to be dispersed by means of a mixer.
The Reynolds number is important for the dispersion of heterogeneous phases that can be achieved by mixing. If the Reynolds number is below 2300, then laminar flow occurs; if the Reynolds number is above Rekrjt, i.e. H.
above 2300, the flow becomes turbulent. It is known that the transport processes are carried out more advantageously in the turbulent area.
In addition to the fluid constant, the value of Re also depends on the drag coefficient c (Re), which also includes the diameter of the mixer d and the number of revolutions n (i.e. the peripheral speed).
In order to increase the speed of the transport operations, the peripheral speed of the mixer must be increased by increasing its number of revolutions, its diameter or both.
In mixers (turbine, propeller) that work with rotating agitator elements, there are limits to increasing the number of revolutions due to the critical peripheral speed. The most favorable ratio between the diameter d of the stirring element and the diameter D of the apparatus is generally D: d = 3 according to design experience.
The degree of dispersion of the reactants present in different phases is of crucial importance for the course of heterogeneous chemical reactions, since the reaction only takes place at the interfaces of the phases.
The reactants must diffuse towards these interfaces, the product formed during the reaction must diffuse away from the interface.
It is known that the reaction speed of the actual chemical reaction is much greater than the diffusion speed. The time required for the entire process is therefore determined by the diffusion and the size of the phase boundary. The dispersion is of particular importance in exothermic heterogeneous reactions, because with these not only a concentration gradient, but also a heat gradient forms in the system, which in most cases causes an undesirable shift in the reaction equilibrium and the formation of by-products that reduce the yield.
In order to increase the speed of material transport (component transport) and heat transfer (heat transport) and thereby reduce the duration of the process, the degree of dispersion of the phases and thus the size of the interfaces are increased and the diffusion path shortened.
The speed of the transport process, the increase in momentum, component and heat current density are generally attempted by intensifying them. In terms of modern thermodynamics (see Päl Szolcsanyi: Vegyipari müveleti egysegek energetikai analizise [= energetic analysis of functional units in the chemical industry], pp. 296-324, Budapest 1972), intensification usually means an increase in the speed of the process, an increase in momentum - to understand component and heat transport for a given volume or a given surface.
According to the analogy of the fundamental transport processes, the intensification of component and heat transport can only be achieved in the case of a constant transport surface at the price of increasing the impulse transport.
Further possibilities of intensification are: - increasing the surface, more precisely: the specific surface area allotted to a volume unit, - artificial reinforcement of the turbulence, - reducing the thickness of the boundary layer (more precisely: the laminar sub-layer).
Even with chemical reactions between heterogeneous
Phases is made possible by these factors, so by the Intensivie tion, that in the reaction space of the concentration and heat gradient decreases towards zero and in this way the reaction space is practically free of concentration and
Heat differences is. In borderline cases, when the gradient is practically zero, the process can be carried out continuously.
The continuous execution requires a much smaller device, is more economical, more productive and it gives a product of uniform composition and constant quality, with fewer by-products.
Through our own experiments carried out to intensify transport processes, it has now been found that the
Intensification can be improved qualitatively in an effective manner.
The method proposed according to the invention for intensifying transport processes in the chemical or physical treatment of media is characterized in that a linear carrier is set in motion in the media brought into contact with one another
Has treatment organs, which by the movement of the
The carrier is vibrated.
The device for carrying out the method is particularly suitable for the treatment of difficult or immiscible liquids and is characterized in that the same has a movable support which is equipped with line-like treatment organs that have a thickness of 10-5000 μm and whose thickness / length ratio is 1: 5 to 1: 5000.
Exemplary embodiments of an object of the invention are shown purely schematically on the accompanying drawing.
In Fig. 1, a shaft f is provided as a rotating carrier, which is equipped with radially protruding, line-like treatment elements W on its surface. The essential factor is the thickness q of the elements, which varies between 10 and 5000 μm, and the ratio of length 1 to thickness is 1: 5 to 1: 5000. According to the embodiment in FIG. 2, the line-shaped elements W are combined in a bundle-like manner, the elements W shown being shaped like a wave. A spiral configuration of the elements W can be seen from FIG. In FIG. 4, a similar design is shown, in which the spiral-shaped, line-like elements with their two ends on the carrier, ie. H. are attached to the shaft f.
The proposed treatment organs are thus formed from line-like elements which practically only have a longitudinal extension and can therefore be viewed as one-dimensional. The line-like elements W act as active agitators. Such agitators are called those through which energy from an external source is brought into the media to be treated. The external energy can e.g. B. magnetic, electrical, electromagnetic or mechanical energy. The shaft serving as a carrier according to the explanations in FIGS. 1-4 carries out a rotational movement in the same or variable direction, the line-like treatment organs starting to vibrate. Instead of a shaft, there can also be another carrier that executes any movements.
The treatment organs are characterized by the diameter q, the length 1, the number of treatment organs according to the number sz and the length of the treatment organs mentioned.
The elements Wa are made of a material that is inert with respect to the media to be treated, preferably of metal or plastic.
Further common characteristics of the treatment organs are the agitator area F (the sum of the individual surfaces of the elements W) and the agitator volume Q (the sum of the volumes of the individual elements W).
The agitator volume Q is four to ten times smaller than that of the known mixing devices, but the agitator surface F is at least as large as that of the known designs, but mostly larger. As a result, the area allotted to one volume unit of the agitator, the specific area F / Q, is significantly larger than is the case with the known devices. In contrast, the volume Q / F allotted to a unit area of the agitator is significantly smaller than in the case of the known agitators. At the same time, this means that the mass of the agitator, the agitator mass allotted to a unit area, is significantly smaller. The differences are even more noticeable when the total length of the agitator elements ± 1, the length of the shear edges, is compared with one another.
In the proposed solution, the total length of the shear edges related to the surface unit or the volume unit is ten to a hundred times as great as in the conventional devices. By forming the quotient of V, the volume of the media to be treated and 5s 1, the value of the total length density is obtained, which is ten to a thousand times as high for the proposed agitators as for the known solutions.
In the numerous tests carried out with the proposed agitators, it was found that the intensifying properties of the agitators are based on their large specific surface area and the high overall length density.
It was found that the increase in the speed of the transport processes and the intensification of the dispersion are all the more favorable - the smaller the radius of curvature q / 2 of the elements W is.
the closer these submicroscopic masses approach, - the greater the specific agitator area F / Q, - the greater the total length density FI / V, - the longer the path Z (path sum) covered by the agitator elements in the time unit is in the phases.
The length of the total distance Z covered in the unit of time depends, among other things, on the number of agitator elements, their masses, the diameter and the speed of rotation of the agitator.
In the sense of what has been said, the intensifying effect of the linear treatment organs W forming the subject of the invention is due to a high degree of increase in the pulse current density, which is known to be the prerequisite for increasing the component and heat flow density. It can be said that the proposed agitators increase the effective mass flow density by leaps and bounds. By using the one-dimensional line agitators - the specific surface of the media increases, - the turbulence increases and - the thickness of the boundary layer, the so-called laminar sub-layer, decreases.
When using the active agitators, their low mass means that a higher number of revolutions can be achieved, which means that the Reynolds number also assumes higher values.
This leads to an increase in the turbulence. In addition, because of the great overall length density, many more turbulence cores are formed, and the laminar sub-layer lying between them is consequently thinner and is further weakened by the oscillation of the agitator elements.
The large specific surface area of the new agitators includes - compared to the known agitators - a mass that is orders of magnitude smaller, which means that the number of revolutions can be increased significantly (circumferential speeds of more than 30 m / s were achieved in liquids!), And this does not result in any tendency for the Agitator shaft with itself, since this centers itself, the agitator elements adjust themselves in the liquid to their internal friction conditions.
One embodiment of the proposed agitators, namely a rotating agitator equipped with line elements Wa, is compared with a known mixer, a turbine mixer, in that an oil-water emulsion is produced with both and the technical parameters are compared. Of the nine test series carried out, three were carried out with the turbine mixer, six with the line agitator. Constant conditions were chosen for the experiments: 100 ml oil and 1000 ml water (V =
1100 ml) were emulsified in a beaker with a diameter of 130 mm (D). In seven test series the diameter d of both stirrers was the same and was 43 mm, while in two test series (test series 8 and 9) the diameter d of the line agitator was 80 mm.
The agitators dipped so far into the liquid that they were 30 mm from the bottom of the beaker (h). The same electric motor was used for all test series, the number of revolutions n was 4200 sl when idling. The height of the turbine blades was identical to the height up to which line elements Wa were attached to the rotating surface attached to the mixer axis (M = 8 mm).
The effective mixing time during emulsification, r (in seconds) was determined in a known manner (see J. Burger: Magyar Kemikusok Lapja [= Journal of Hungarian Chemists] 10, 466 [1962j) by sending light through the mixing vessel and changing the Luminous intensity was measured over time. The time that elapses until there is no more change in the light intensity, i.e. the intensity of the transmitted light is constant, is considered to be the time necessary for effective mixing. The oil-water emulsion obtained was then poured into a measuring cylinder and it was determined how much time (t, in minutes) is necessary for the phases to completely separate.
During the mixing, the speed of the mixer under load (n) was also measured with a tachometer.
The results of the comparative tests are given in the following table. Each value is the average of 10 measurements. The following terms are used in the table: d: diameter of the agitator, mm sz: number of agitator elements in pieces agitator blades /
Turbine or number of line elements F: agitator surface in mm2 Q: agitator volume in mm3 nk: speed of the agitator under load, in min-l F / Q: specific surface of the agitator, in mm2 / mm3 total length of the agitators, mm 1 / V: The total length density, i.e. H. the total length of the
Agitators, based on the volume of the mixing space, mm / ml z: The time required for effective mixing in s t: The time required for complete separation of the emulsion, min.
The length 1 of the agitator blades or that of the line elements Wa was 14 mm in the test series 1-7 and 32.5 mm in the test series 8 and 9. The thickness of the line elements (q) was 0.5 mm, the diameter: length ratio was 1:28 for test series 4-7, and 1:65 for test series 8 and 9.
Table Ver Type des d D / d nk sz FQF / Q 1 1 / V t such- mixed series element 1 turbine 43 3.02 3300 2 252.0 176.4 1.428 28 0.0254 145 14 2 turbine 43 3.02 3200 3 378.0 264.6 1.428 42 0.0508 141 14 3 Turbine 43 3.02 3100 4 504.0 352.8 1.428 56 0.0762 135 12 4 Line element. Wa 43 3.02 3700 8 87.4 22.1 3.950 112 0.1010 80 97 5 line element. Wa 43 3.02 3700 16 174.8 44.2 3.950 224 0.2036 78 100 6 line elements. Wa 43 3.02 3600 24 262.2 66.3 3.950 336 0.3054 74 105 7 line elements. Wa 43 3.02 3600 40 437.0 110.5 3.950 560 0.5090 70 130 8 line elements. Wa 80 1.62 2950 24 616.2 153.0 4.000 780 0.7090 65 210 9 line elements. Wa 80 1.62 2900 40 1020.4 255.0 4.000 1300 1.1818 60 232
From the table it can be seen that in the test series 1-3 the speed drops by 22-26% under load.
The mixing time can only be reduced a little by increasing the number of turbine blades. The time required for the emulsion to completely separate is extremely short (12-14 min).
In the test series 4-7, line elements of the same length were used, one end of which was fastened to the rotating surface J located on the axis, while the other end could move freely. It can be seen that, with the diameter ratio D / d unchanged, the number of revolutions only decreases by 13-14% under load, the time z required for mixing is shorter by half, but the time t required for demixing the emulsion increases by eight to ten times.
Under identical test conditions, the power consumption of the proposed line agitator Wa is about 3040% lower, the time required for effective mixing is halved and the emulsion is stable eight to ten times as long. This can also be expressed in such a way that the new agitator W disperses more effectively with less energy consumption, that more work is done against the surface tension in a shorter time, and the technically usable energy, based on the energy used, i.e. the efficiency, increases. In test series 8 and 9, the length 1 of the elements was changed, the ratio D / d was 1.62. The mixing time z decreased further, the time t necessary for complete separation of the emulsion rose to an even higher value.
On closer examination of the characteristic parameters for the agitator elements or the agitators given in the table, it becomes apparent that with approximately the same agitator surface F (test series 1 and 6) the volume of the line agitator is barely more than a third of the volume of the conventional turbine mixer. This is also well expressed in that, while in the turbine mixer the specific agitator surface F / Q
1.428, this value for the line agitator is more than that
Two and a half times that, namely 3.95. The difference becomes even more striking when one compares the lengths of the Zl values of the various agitators.
With an identical agitator area (test series 1 and 6) the value s l for the line agitators Wa is twelve times as high, with identical agitator volumes (test series 1 and 8) twenty-eight times as high as that of the conventional agitator. The explanation for the effectiveness of the new agiator is in the ratio IIIV (total length density) d. H. the
Look for the ratio of the sum of lengths to the volume to be mixed. This ratio assumes a value 10-50 times as high as that of the known agitators.
In addition to the emulsion tests described above, numerous experiments were carried out to test the possibilities for using the new agitators for intensifying the various transport processes.
For example, it was investigated in which way the new agitators intensify the solvent extraction in the case of immiscible liquids (example 3). It was found that in the aqueous extraction of acetic acid dissolved in a higher alcohol - assuming the same stirring time and the same number of revolutions - fifty times as much when using the propeller mixer
Acetic acid remained in the organic phase as when using the line agitator Wa.
Furthermore, the focus on the dispersion of solids in
The intensifying effect occurring in liquids was investigated (Example 2) by dispersing sodium bentonite in water once with the propeller mixer and with the line agitator Wa at the same mixing time and the same rotational speed and the same diameter. While the dispersion prepared with the propeller mixer began to settle two hours after the end of the dispersion, the dispersion prepared with the line agitator remained stable for two weeks and only then began to settle.
If the new agitators are used as mixers, not only can the peripheral speed be increased significantly in relation to known stirrers, but also the ratio D / d can be freely selected within the limits 1.2-3.5 and the distance of the mixer from the floor of the tank can be changed within a relatively wide range.
Further emulsification experiments were carried out with the mixers described in the table for test series 2 and 8, namely 500 ml of oil were emulsified with 500 ml of water, where h = 65 mm, i.e. about 75% of H = 87 mm, i.e. H. the mixer was only about 25% immersed in the liquid. While the turbine mixer practically did not emulsify under these conditions, the new agitator Wa achieved an emulsion within 90 seconds that took 170 minutes to separate.
In the known mixer types, in order to achieve a mixing effect, it is necessary for the agitator to protrude into the mixing space, into the interface between the two phases.
Surprisingly, it has been found that the line of rotation agitator is still able to disperse when it is installed above the mixing space (total height of both phases = H). This surprising effect is obviously due to the fact that the energy originating from the external energy source is transferred through the gas cushion above the phases into the medium to be dispersed. This is of great importance for the agitators, since in this way the attack of corrosive phases can be avoided by using an inert gas as the energy carrier.
With the proposed, one-dimensional line-like agitators forming the subject of the invention, an extremely large number of experiments were carried out: dispersing solids in liquids, liquids in liquids, gases in liquids, solids in gases, liquids in gases, and solids and liquids in Gases.
These experiments cannot all be described here; only a few are to be shown in the context of the examples to illustrate the possible applications.
In further experiments carried out with regard to the applicability of the agitators according to the invention, the continuous execution of heterogeneous reactions was investigated.
It is known, for example, that the saponification of vegetable oils with alkali is an endothermic time reaction.
In industrial practice, soap cooking is carried out at 80-100 C and takes 5-6 hours. Using the line agitator Wa, vegetable oil and sodium hydroxide solution were emulsified at room temperature in the ratio customary for soap-making: the fatty acid content of the reaction mixture fell to 0.5% by weight within two hours, which means the end of the saponification process (Example 10).
This experiment was repeated with vegetable oil and sodium hydroxide solution preheated to 60 ° C. before mixing.
The fatty acid content of the reaction mixture fell to below 0.5% by weight within half an hour.
It is known (see Hungarian patent specification No. 146 818 and GM Schwab: Catalysis on liquid metals, Dechema Monographien 38, 205 [1960]) that organic-chemical reactions in the vapor phase can advantageously be carried out in such a way that the vapors of the Conducts reactants through a molten metal (e.g. the decarbonylation or oxidative decarboxylation of furfural, the thermal cracking of pentam with steam, the production of paraffinic hydrocarbons, cracking and hydrocarbons, etc.).
In the molten metal, the specific heat of which is three orders of magnitude greater than that of the gases and vapors, the process can be carried out under isothermal conditions, and the gas bubbles in the reaction mixture behave in the manner of elementary reactors. However, the execution of the process is made more difficult by the fact that the specific gravity of the vapors is two orders of magnitude lower than that of the melt, so that the vapors rise rapidly upwards, the gas bubbles uniting to form larger bubbles.
Using the treatment elements described, which act as agitators, the vapors of the reactants are dispersed in the molten metal or salt in such a way that the bubbles formed are orders of magnitude smaller; In addition, the unification of the bubbles is prevented and, moreover, the melt is intensively mixed by the great turbulence. The intense turbulence of the melt is of particular importance in metal-metal oxide melts, as in these the oxide tends to form a skin on the surface (for example lead oxide), which prevents the vapors that have already been converted from escaping. When using the line agitator W, the time of the process going on in the melt is shortened, the performance of the device increases significantly.
The oxidation in the vapor phase can preferably be carried out in two reactors connected to one another, in each of which there is an active line agitator and the agitators also keep the melt in circulation between the reactors. In the first reactor, part of the molten metal is oxidized by dispersing air.
As a result of the circulation, the metal oxide reaches the second reactor, where it releases its oxygen to the vaporous reactant, thereby oxidizing it. The metal then returns to the first reactor, where part of the melt is oxidized again (e.g. lead-lead oxide system).
The one-dimensional agitators forming the subject of the invention are explained in more detail in the following examples, without the invention remaining restricted to the solutions shown in the examples.
example 1
In a cylindrical metal container with a volume of 2 liters, a line of rotation agitator works at a speed of 2500 rpm. The diameter of the agitator is 330 mm, the length of the line elements W 125 mm, their number 3500, their thickness 0.8 mm. The rotating surface to which the elements are attached at one end is 8740 cm2. The device has two metal filler necks and a drain neck. The pipe sockets used for introducing the material guide the filled material onto the agitator elements parallel to the axis of the agitator. The material withdrawn from the reaction vessel is placed in a 10 liter container containing 5 liters of water at a temperature of 5 ° C.
Molten paraffin heated to 90 ° C. is introduced through one filler neck in an amount of 200 g, while 800 g of water at 900 ° C. is added through the other. The paraffin-water emulsion flows from the apparatus into the cold water container, in The paraffin emulsion obtained by microscopic examination reveals that its particle size is 0.5 μm.
Example 2
A line of rotation agitator corresponding to Example 1 is placed in a cylindrical apparatus with a volume of 5 liters, and 180 g of sodium bentonite are suspended in 3450 ml of water at 60 ° C. with this. The experiment is repeated with a propeller mixer, the number of revolutions (5000 min-1) and the mixing time (10 min) being the same in both cases.
The two suspensions obtained in this way are each poured into a glass cylinder and their settling behavior is observed. The suspension prepared with the propeller mixer began to settle after two hours and after two days the separation was complete.
In the case of the suspension produced with the line agitator, the settling process did not begin until after two weeks.
Example 3
Investigation of the aqueous extraction of acetic acid from a water-immiscible organic solvent. A laboratory mixer motor with a speed of 5000 rpm is used, which is equipped on the one hand with a propeller mixer of 37 mm diameter and on the other hand with a rotation line agitator of comparable diameter. The length of the line elements Wa is 14 mm, their thickness 0.2 mm, their number 10,000.
A 250 ml beaker is filled with 50 ml of distilled water and 50 ml of a solution which contains 5.2 g of acetic acid per 100 g of n-octyl alcohol. The phases are stirred for one minute each with both mixers. The organic phase is then separated off and its residual acetic acid content is examined.
The following results are obtained as average values of 10 measurements each:
Acetic acid content of the octyl alcohol before extraction: 5.2 g / 100 g; after extraction with the propeller mixer: 0.548 g / 100 g; after extraction with the line agitator: 0.010 g / 100 g.
From the numerical values of the experiment it can be seen that the line agitator W disperses fifty times more effectively than the conventional mixer for the same mixing time.
Example 4
Attempt to intensify gas absorption with the line agitator.
2.25 g of elemental sulfur are burned in excess air, and the absorption of the 4.5 g of sulfur dioxide formed during combustion in water is examined at room temperature.
In the case of the first experiment, the gas formed was passed through 800 ml of water (in the form of bubbles) within 5 minutes.
In a second experiment, a line of rotation agitator was operated in a glass cylinder 200 m in diameter, the diameter of which was 190 mm and the speed of which was 300 min-1.
The length of the agitator elements Wa was 50 mm, their thickness 0.3 mm, their number 10,000. Within 5 minutes, 800 ml of water were passed onto the agitator elements from above and at the same time the sulfur dioxide was also introduced into the glass cylinder in countercurrent.
In both cases it was examined afterwards how high the sulphurous acid content of the water was. 1.393 g / 800 ml of water were found for the first experiment and 2.88 g / 800 ml of water for the second.
When the sulfur dioxide was passed through in the form of bubbles, 24.3% of the total amount was absorbed, with the absorption carried out with the line agitator 50.1%.
Example 5
On the basis of the results achieved with gas absorption, it was investigated to what extent the air uptake of water can be increased with the line agitator. This problem is of great importance for the biological treatment of wastewater.
A line agitator W mounted on a horizontal axis and having a diameter of 360 mm was used for the tests. The 1650 line elements attached to it were 0.4 mm thick and 145 mm long. When the agitator was at rest, the elements were immersed in the water.
The temperature of the water was kept at 35 ° C. with a thermostat. The temperature of the air was 20 "C, its relative humidity 59%.
The agitator dispersed the water as it rotated and atomized it into the air. Samples of the finely atomized water in the air were taken at various distances from the agitator axis (0.5; 0.8; 1.5; 2.0 m) at a height of 130 mm above the water level, along with their temperature and oxygen content fixed.
Water temp. Oxygen content At the beginning: 35 "C 4.2 ml / l 0.5 m from the agitator 30" C 5.03 ml / l 0.8 m from the agitator 27 "C 5.53 ml / l 1.5 to the agitator 24 "C 5.63 ml / l 2.0 m from the agitator 21 0C 6.06 ml / l
Example 6
A line agitator operated at 2500 rpm in a cyclone apparatus. Its diameter was 330 mm, the length of the elements 125 mm, their thickness 0.8 mm and their number 24 150.
5 m3 of air saturated with cement dust were introduced per minute under the agitator. The air exited at the top opening of the cyclone. In addition, one liter of water per minute was introduced centrally and parallel to the axis of the agitator.
When examining the air emerging from the apparatus, no Tyndall effect could be found, so the air was free of dust.
Example 7
A line agitator was operated at a speed of 2500 rpm in a device six meters high, closed at the top and conical at the bottom. The agitator had a diameter of 330 mm and contained, at a density of 4 pieces per square centimeter, line elements made of steel which were 0.8 mm thick and 125 mm long.
In a Z kneader, graphite dust and clay were kneaded with water to form a graphite-containing clay paste with a moisture content of 21%. This slurry was introduced into the apparatus described above using a screw feeder in a horizontal direction such that the slurry entered a 1 × 4 cm gap at a speed of 4 cm / s and was atomized on the surface of the rotating line agitator.
Air heated to 100 ° C. was introduced into the apparatus.
The atomized pulp dried completely on a sedimentation section five meters long. The graphitized clay dust removed from the device had a residual moisture content of 0.3% and its particle size was between 40 and 70 μm.
Example 8
Apparatus essentially similar to that described in Example 7 is used. The conical part takes up a third of the total height of the entire apparatus, is double-walled and can be cooled with water. In the upper part of the device, an agitator is mounted centrally and with a vertical axis, the speed of which is 2500 rpm. The agitator is cylindrical, open at the top, perforated and has a volume of 100 cm3. Its surface line is 4 cm long. Holes are made in the agitator, and a 1 mm thick, 160 mm long line element Wa is fixed in every other hole.
There are four rail elements on 1 cm2 of the agitator's rotating surface.
A gas, for example nitrogen or oxygen, is introduced into the upper third of the apparatus under the agitator.
Molten metallic cadmium at a temperature of 340 "C is introduced into the hollow rotating body of the line agitator and atomized in the first experiment in a nitrogen stream of 450" C, in a second experiment in an oxygen stream of the same temperature. In the water-cooled upper part of the device, when nitrogen is used, metallic cadmium is deposited in the form of dust with a particle size of less than 1 μm.
When using oxygen, a dust containing cadmium and cadmium oxide is obtained. The ratio of these two components to one another depends on the length of the sedimentation path, which can be changed by different choices of the gas inflow location. Under the conditions described, the dust contains 11.5% cadmium oxide in the sedimentation route. - Dusts which can be produced in this way and contain metal and metal oxide in any ratio that can be selected can be used to produce battery electrodes.
Example 9
It is known that the degree of dispersion of the suspensions that arise when solid reaction products are precipitated has a major influence on the purity of the end product.
The substances precipitated in the solid phase during precipitation can contain impurities in the form of inclusions and can only be cleaned by repeated washing or recrystallization. For example, according to Hungarian patent specification No. 159 044, N-isopropyl-2-chloroacetanilide is produced by reacting N-isopropylaniline with monochloroacetic acid at 80-100 ° C. in the presence of phosphorus trichloride. The N-isopropyl2-chloroacetanilide that is formed is liquid and solidified by introducing it into cold water. The product is fed into a vessel equipped with a conventional turbine mixer, which contains water at 5-10 ° C.
The substance solidifies, is then washed with four changes of the washing water and then has a melting point of 68-72 C.
A line of rotation agitator is placed in a cylindrical vessel with a diameter of 560 mm and a volume of 200 liters. The hollow agitator cylinder is 50 mm high and 100 mm in diameter. On its surface there are holes 3 mm in diameter on 16 segments, 4 each, so a total of 84 holes. 2880 pieces of line elements Wa made of 0.4 mm thick steel wire were attached at one end between the bores.
The line elements were 100 mm long. The agitator rotated on the surface of the water in the apparatus (150 l, temp. 5 C) at a speed of 3000 rpm.
The liquid, 90 "C warm reaction product was continuously introduced into the hollow head part of the agitator. The filled N-isopropyl-2-chloroacetanilide was filtered off and dried. The product was finely crystalline and had (without being washed!) A melting point from 76-78 C.
Example 10
In a 250 mm high, cylindrical device with a conical bottom and a diameter of 220 mm, a rotation agitator is operated on a vertical axis at a speed of 3500 rpm. The elements Wa of the agitator are 0.5 mm thick, 90 mm long line elements. 1000 g of edible oil and 532 ml of 7N sodium hydroxide solution are poured onto the agitator elements per minute, and the fine emulsion obtained, the average particle size of which is 0.5 μm, is drawn off at the bottom of the device.
In the first series of tests, the starting materials are used at a temperature of 25 "C, while in the second series of tests both substances are preheated to 60 C. Samples are taken every quarter of an hour, the content of free oleic acid is investigated using analytical methods, ie In the case of the emulsion produced at room temperature, the content of free oleic acid falls within 2 hours to below 0.5 g, while this was the case after only half an hour in the emulsification of the starting materials introduced at 600.degree.
Example 11
500 ml of dodecilbenzene are placed in a beaker with a volume of 2000 ml and 250 ml of fuming sulfuric acid (oleum with 8% free SO3) are added within 15 minutes. The reaction mixture is stirred with a four-blade laboratory stirrer at 5000 mini speed. The dodecylbenzenesulfonic acid obtained is then reacted with sodium hydroxide solution to form its sodium salt. Analysis of the product: implemented: 43.3%
Yield: 41.2%
Dry content: 48.2% active washing content: 24.3%
The experiment is repeated under the following conditions: The same stirrer is used, but point-shaped quartz agitators are added to the dodecylbenzene, which occupy a total volume of 300 ml, the volume of each of these agitators Pp is 0.5 mm3.
The oleum is added over a minute. The punctiform agitator elements Pp are then filtered off and the dodecylbenzenesulfonic acid is converted into its sodium salt in the manner described. Analysis of the product:
Sales: 65.3%
Yield: 54.2%
Dry content: 65.3% detergent content: 45.6%
Example 12
A cylinder with a diameter of 200 mm and a wall thickness of 11 mm is placed in a device 800 mm high and conical at the bottom, the top diameter of which is 200 mm, with two 0.1 mm holes per cm2 on its 250 mm high jacket . The cylinder runs at a speed of 2500 rpm on a hollow axis.
1230 ml of dodecylbenzenesulfonic acid are introduced into the device per minute, while ammonia gas at 20 atmospheres pressure is introduced into the rotating cylinder at a rate of 7140 ml / min. The gas emerges from the bores of the cylinder in the form of gaseous line agitators Wa.
1600 ml of ammonium dodecylbenzenesulfonate can be withdrawn from the device below per minute.
Example 13
From the Hungarian patent specification No. 146 818, the heat splitting of gasolines carried out with steam using a lead melt bed is known.
An electrically heated reactor with a diameter of 95 mm contains 41.7 kg of molten lead. The volume of the melt is 3674 cm3 and its surface area is 61.2 cm2. The mixture of the vapors of the reactants is introduced 500 mm below the lead surface, which is produced by evaporating 60 ml of gasoline per hour and 60 ml of water per hour. The temperature of the melt is 700 "C.
Every hour 50 liters of a gas with a calorific value of 9776 kcal / m3 and the following composition are produced:
0.1% nitrogen, 12.5% hydrogen, 48.0% methane, 0.4% oxygen, 15.6% carbon monoxide, 1.6% carbon dioxide, 21.8% lower unsaturated hydrocarbons.
The same reaction was carried out in a device composed of two cylindrical bodies. The upper part had a diameter of 95 mm, that of the lower part was 250 mm. In this lower part was an agitator 200 mm in diameter, on which 700 pieces of line elements 80 mm long and 2 mm thick were attached.
The vapors of water and gasoline were introduced under the agitator rotating at a rotational speed of 2500 rpm.
The mixture of 850 ml gasoline vapor and 850 ml water vapor was introduced every hour, 700 liters of a gas mixture with a calorific value of 11,785 kcal / m3 were removed from the 700 "C melt every hour. Composition: 1.0% nitrogen, 0.7% Hydrogen, 46.3% methane, 0.6% oxygen, 6.8% carbon monoxide, 2.2% carbon dioxide, 34.4% lower unsaturated hydrocarbons.
Example 14
In a manner similar to that described in Example 13, furfural was converted into furan in a molten lead bed by reaction with air and water vapor on the one hand by passing the vapors through, and on the other hand using the rotary line agitator. The melt bed had a temperature of 320 C,
The additional speeds were: when passing through: furfural 70 ml / h, air 75 ml / h and water 20 ml / h. 50 ml of furan were obtained every hour.
with the agitator: furfural 700 ml / h, air 750 ml / h, water 200 ml / h. 500 ml of furan were obtained every hour.
The amount of lead used in Examples 13 and 14 was the same in all experiments.