Mischduse zum Einbringen und Feinverteilen eines Gases oder einer Flüssigkeit in einen Flüssigkeitsstrom
Die Erfindung betrifft eine Mischdüse zum Einbringen und Feinverteilen eines Gases oder einer Flüssigkeit in einen Flüssigkeitsstrom, welche aus einem Gehäuse und einer in diesem axial verstellbaren Spindel besteht. Durch diese axial verstellbare Spindel kann bei bekannten Bauarten nach Art eines Nadelventils der Durchgangsquerschnitt der zu behandelnden Flüssigkeit verändert werden. Solche Mischdüsen finden Anwendung zum Mischen von Flüssigkeiten untereinander oder auch zum Zumischen von Gasen in Flüssigkeiten.
Besondere Anforderungen werden an Mischeinrichtungen gestellt, die unter aseptischen Bedingungen arbeiten sollen, so bei der Sauerstoffzufuhr zu Substratflüssigkeiten für gärungschemische Erzeugung organischer Säuren, Alkoholen, Antibiotika u. a. Hierfür wird nicht nur feinste Durchmischung gefordert, sondern die Mischeinrichtung muss in ihrer Wirkung in genau zu reproduzierender Weise einstellbar und vor allem zwecks Reinigung leicht zerlegbar, aber auch im Betriebszustand durch Dampfstrom oder chemisch leicht sterilisierbar sein. Da die Gärflüssigkeiten laufend umgewälzt werden müssen, die Belüftung - d. h. Sauerstoff zuführung - zweckmässig in diesen Umwälzflüssigkeitsstrom geschieht, ist die Einstellbarkeit besonders wichtig, um beste Zumisch- und Verteilwirkung mit möglichst geringer Schädigung der mit der Flüssigkeit umgewälzten Gär-Organismen (z. B.
Hefen) sicherzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe in der Weise, dass die Austrittsleitung für die mit dem Gas oder der Zusatzflüssigkeit gemischte Flüssigkeit ein konisch erweitertes Rohr darstellt, während die zur Änderung des Durchgangsquerschnittes axial verstellbare Spindel in diesem Konusrohr angeordnet und in axialer Richtung im Durchmesser ebenfalls stetig vergrössert ist.
Im Bereich des konischen Rohres kann die Oberfläche der Spindel uneben, beispielsweise mit scharfen ringförmigen Kanten oder scharfen Vorsprüngen, wie Zapfen oder dergleichen, versehen sein, um in der hier durchströmenden gemischten Flüssigkeit durch Wirbel bildung eine Feinverteilung und Feinstmischung zu er reichen.
Eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsge genstandes ist in der Zeichnung im Längsschnitt darge stellt.
1 stellt das Gehäuseteil mit der konisch erweiterten
Ausgangsleitung, 2 die in dieser Leitung axial durch
Handrad 3 im Gewinde 4 verstellbare Spindel dar, die entsprechend der Ausgangsleitung gegen deren Aus trittsöffnung 5 konisch verdickt und mit scharfkantigen Ringrillen 6 versehen ist. Mit diesem Gehäuseteil 1 ist das Deckelteil 7 zusammengeschraubt, in welchem die Spindel 1 durch Gewinde 4 und die mit Rundgummi gedichtete Führung 8 gelagert ist. Im gleichen Gehäuseteil 7 ist die Anschlussöffnung 9 für den Eintritt der Flüssigkeit, die mit der Ringkammer verbunden ist.
Ein Düseneinsatz 11, mit Rundgummidichtungen zwischen die beiden Gehäuseteile 1 und 7 - dicht nach aussen - eingeführt, verbindet den Ringraum 10 mit der konisch erweiterten Austrittsleitung; im zylindrischen Teil dieses Düseneinsatzes 11 sind mehrere Bohrungen, welche in den Ringraum 12 führen, der mit der Gaszuleitung 13 verbunden ist. Der Anschluss 14 führt zu Bohrungen in dem Gehäuse, durch welche eine Zu -leitung von Dampf zur Sterilisation der Innenteile ermöglicht wird.
Bei der Verwendung der Mischdüse wird die zu behandelnde Flüssigkeit bei Anschluss 9 eingeleitet, sie gelangt in den Ringraum 10, durch die Düse 11 in den zwischen Gehäuseteil 1 und Spindel 2 gebildeten kegelmantelförmigen Raum und zur Austrittsöffnung 5. Beim Umwälzen einer Gärflüssigkeit wird diese aus dem Gärbehälter mittels Pumpe bei 9 unter Druck eingeführt und von der Austrittsöffnung 5 wieder zum Behälter geleitet. Der Innenraum der Mischdüse hat die Gestalt eines Venturirohres, in dem Düseneinsatz tritt eine Geschwindigkeitserhöhung bei Druckverminderung ein. An dieser Stelle wird deshalb das zuzumischende Gas, Luft oder Sauerstoff, durch Anschluss 13 und Ringraum 12 zugeleitet, wozu mässiger Gasdruck nötig ist.
Die zunächst grobe Mischung strömt nun durch den kegelmantelförmigen Mischraum, dessen ringförmiger Querschnitt durch axiale Verstellung der Spindel von fast völligem Schluss bis zur maximal erreichbaren Grösse verändert werden kann. An den scharfen Ringkanten 6 der Spindeloberfläche treten Wirbelungen, bei grosser Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, welche durch höheren Eingangsdruck bei Verkleinerung des Ringquerschnittes erreicht wird, wohl auch Kavitationen auf, jedenfalls erfolgt in dieser Zone eine äusserst feine Durchmischung und Emulgierung der Flüssigkeit mit dem Gas. Die Erweiterung der Querschnittsfläche bewirkt eine Abnahme der Geschwindigkeit und Zunahme des Druckes, womit günstigere Lösungsbedingungen für das Gas in der Flüssigkeit gegeben sind als in der Zone der intensiven Durchwirbelung.
Zu der für die Anwendung der Mischdüse in biologischen Verfahren nötigen Sterilisierung wird das keimtötende Medium, Dampf, Heisswasser oder chemisches Mittel, bei 14 eingeführt, dann werden der Reihe nach die Öffnungen bei 5 (durch Verstellen der Spindel 2), 9 und 13 geöffnet, so dass alle Flüssigkeitsund Gaswege durchströmt werden. Es kann aber auch auf die Bohrungen 14 verzichtet werden; dann ist das Mittel bei 9 einzuführen, und der Reihe nach sind die Öffnungen bei 13 und 5 zu öffnen. Auch in diesem Falle werden alle inneren Wege erfasst. Zur Reinigung kann die Düseneinrichtung nach Öffnen weniger Schrauben zerlegt werden.
Die Mischdüse ist auch zur Emulgierung sowie Homogenisierung mit guter Wirkung verwendbar, also auch zur Feinstmischung mischbarer und emulgierbarer Flüssigkeiten. Der Grad der Durchmischung und Dispersion kann durch die Einstellung des Flüssigkeitsdruckes und die axiale Verstellung der Spindel, damit änderung des Durchtrittquerschnittes erfolgen.
Mixing nozzle for the introduction and fine distribution of a gas or a liquid in a liquid flow
The invention relates to a mixing nozzle for introducing and finely distributing a gas or a liquid into a liquid stream, which nozzle consists of a housing and an axially adjustable spindle in this. With known designs in the manner of a needle valve, this axially adjustable spindle allows the passage cross section of the liquid to be treated to be changed. Mixing nozzles of this type are used for mixing liquids with one another or also for adding gases to liquids.
Special requirements are placed on mixing devices that are to work under aseptic conditions, such as the supply of oxygen to substrate liquids for fermentation chemical production of organic acids, alcohols, antibiotics and the like. a. For this, not only the finest mixing is required, but the effect of the mixing device must be adjustable in a precisely reproducible manner and, above all, it must be easy to dismantle for the purpose of cleaning, but it must also be easy to sterilize in the operating state by steam flow or chemically. Since the fermentation liquids have to be circulated continuously, the ventilation - i.e. H. Oxygen supply - if this is done appropriately in this circulating liquid flow, the adjustability is particularly important in order to achieve the best mixing and distribution effect with the least possible damage to the fermenting organisms circulated with the liquid (e.g.
Yeasts).
The invention solves this problem in such a way that the outlet line for the liquid mixed with the gas or the additional liquid is a conically widened tube, while the axially adjustable spindle to change the passage cross-section is arranged in this conical tube and also constantly increases in diameter in the axial direction is.
In the area of the conical tube, the surface of the spindle can be uneven, for example with sharp annular edges or sharp projections, such as pegs or the like, in order to achieve fine distribution and fine mixing in the mixed liquid flowing through here by eddy formation.
An example embodiment of the subject invention is in the drawing in longitudinal section Darge provides.
1 represents the housing part with the conically flared
Output line, 2 axially in this line
Handwheel 3 in the thread 4 is adjustable spindle, which is conically thickened and provided with sharp-edged annular grooves 6 according to the output line against the outlet opening 5 from. With this housing part 1, the cover part 7 is screwed together, in which the spindle 1 is supported by thread 4 and the guide 8 sealed with round rubber. In the same housing part 7 is the connection opening 9 for the entry of the liquid, which is connected to the annular chamber.
A nozzle insert 11, with round rubber seals between the two housing parts 1 and 7 - inserted tightly to the outside - connects the annular space 10 with the conically widened outlet line; In the cylindrical part of this nozzle insert 11 there are several bores which lead into the annular space 12 which is connected to the gas supply line 13. The connection 14 leads to bores in the housing, through which a supply of steam for the sterilization of the internal parts is made possible.
When using the mixing nozzle, the liquid to be treated is introduced at connection 9, it enters the annular space 10, through the nozzle 11 into the cone-shaped space formed between housing part 1 and spindle 2 and to the outlet opening 5. When a fermentation liquid is circulated, it is removed from the Fermentation tank introduced under pressure by means of a pump at 9 and passed from the outlet opening 5 back to the tank. The interior of the mixing nozzle has the shape of a Venturi tube, in the nozzle insert the speed increases when the pressure is reduced. At this point, the gas to be admixed, air or oxygen, is therefore supplied through connection 13 and annular space 12, for which a moderate gas pressure is necessary.
The initially coarse mixture now flows through the cone-shaped mixing chamber, the ring-shaped cross-section of which can be changed from almost complete closure to the maximum achievable size by axially adjusting the spindle. At the sharp ring edges 6 of the spindle surface, eddies occur, with a high flow velocity of the liquid, which is achieved by higher inlet pressure when the ring cross-section is reduced, cavitations also occur, in any case in this zone there is an extremely fine mixing and emulsification of the liquid with the gas. The expansion of the cross-sectional area causes a decrease in speed and an increase in pressure, which means that more favorable solution conditions for the gas in the liquid are given than in the zone of intensive turbulence.
For the sterilization required for the use of the mixing nozzle in biological processes, the germicidal medium, steam, hot water or chemical agent, is introduced at 14, then the openings at 5 (by adjusting the spindle 2), 9 and 13 are opened one after the other, so that all liquid and gas paths are flown through. However, the bores 14 can also be dispensed with; then the agent is to be introduced at 9 and the openings at 13 and 5 are to be opened in sequence. In this case, too, all inner ways are grasped. For cleaning, the nozzle device can be dismantled after opening a few screws.
The mixing nozzle can also be used for emulsification and homogenization with good effect, i.e. also for the finest mixing of miscible and emulsifiable liquids. The degree of mixing and dispersion can be achieved by adjusting the fluid pressure and adjusting the spindle axially, thereby changing the cross-section of the passage.