DE2045603B2 - Vorrichtung zum einmischen eines gases in eine fluessigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einmischen eines Gases in eine Flüssigkeit, bestehend aus einem kreiszylindrischen Flüssigkeitsbehälter mit lotrecht verlaufender Achse, in dessen oberem Bereich koaxial ein eine nach unten gerichtete Axialströmung erzeugendes Flügelrad umlaufend angetrieben ist. das von einer ortsfest angebrachten rohrförmigen Trennwand koaxial umgeben ist, die bis in die Nähe des Behälterbodens geführt ist. und in der unterhalb des Flügelrades ein Gaszuführungsrohr ausmündend vorgesehen ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (französische Patentschrift 1565 516) ist die Anordnung so getroffen, daß die aus dem Gaszuführungsrohr austretenden Gasblasen sofort von der durch das Flügelrad erzeugten Flüssigkeitsströmung ergriffen und aus dem unteren Ende der Trennwand heraus in den umgebenden Flüssigkeitsbehälter geführt werden. Von dort aus gelangen sie mit der Flüssigkeit entweder direkt zum Auslaß oder aber in den Bereich oberhalb des Flügelrades, von welchem sie dann durch das Innere der Trennwand gefördert werden. Sofern das Flügelrad eine zerkleinernde Wirkung auf die Gasblasen ausüben sollte, beschränkt sich diese lediglich auf denjenigen Teil der Gasblasen, der vom Flügelrad in den oberen Bereich der Trennwand eingesaugt und sodann durch die Trennwand gefördert wird. Sämtliche anderen Gasblasen, die in der die Trennwand umgebenden Kammer des Flüssigkeitsbehälters verbleiben und von dort aus direkt zum Auslaß gelangen, behalten ihre ursprüngliche Größe bei. Sie umschließen ein relativ großes Gasvolumen, das nur in seinen Randhereichen mit der Flüssigkeit in Berührung tritt. Die Durchmischung zwischen Gas und Flüssigkeit bleibt dementsprechend gering. Will man trotzdem zu tragbaren Durchmischungsergebnissen kommen, so muß man erhebliche Aufenthaltszeiten bei entsprechendem Energieaufwand in Kauf nehmen. Hinzu kommt noch, daß das Gaszuführungsrohr im unteren Bereich der Vorrichtung mündet. Das Gas muß also gegen einen relativ hohen statischen Druck eingeblastn werden, was wiederum dazu beiträgt, den Energieverbrauch der Vorrichtung zu erhöhen.

Letzteres gilt auch für eine von der eingangs genannten Art abweichende bekannte Vorrichtung (deutsche Patentschrift SOl 636). bei der das im unteren Bereich des Flüssigkeitsbehälters mündende Gaszuführungsrohr die Gasblasen gegen einen darüber angeordneten, umlaufenden Quirl richtet. Dieser Quirl dient dazu, die Gasblasen zu zerkleinern. Gleichzeitig sind im oberen Bereich des Flüssigkeitsbehälters Schaufler auf der Welle des Quirls angeordnet. Diese erzeugen eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung, welche die zerkleinerten Gasblasen mitreißt und im Rückstrom durch den Flüssigkeitsbehälter führt. Abgesehen davon, daß diese bekannte Anordnung relativ kompliziert im Aufbau ist, ergibt sich auch eine wenig zufriedenstellende Durchmischungswirkung. Der Flüssigkeitsbehälter ist nämlich nicht unterteilt, d. h., die nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung wird nicht gegen die übrigen Bereiche des Flüssigkeitsbehälters abgeschirmt. Es ergeben sich dabei recht turbulente Strömungsverhältnisse innerhalb des Flüssigkeitsbehälters, die eine gleichmäßige Verteilung der zerschlagenen Gasblasen zerstören. Auch dies bringt relativ lange Verweilzeiten innerhalb des Flüssigkeitsbehälters mit sich.

Weiterhin ist es bekannt (»Chemical Engineering«. Oktober 1953. S. 1S4. 185). Gasblasen direkt au: dem Gaszuführungsrohr gegen einen oberhalb angeordneten, umlaufenden Flügelrotor zu richten. Dieser Flügelrotor soll jedoch eine radial-tangential gerichtete Strömung erzeugen. Abgesehen davon, daß auch hier mit relativ hohem Gasdruck gearbeitet werden muß. gelangen die Gasblasen praktisch direkt nach ober, an die Flüssigkeitsoberfläche, wo das Gas abgesaugt werden soll. Insgesamt müssen dabei lange Verweilzeiten bei erheblichem Energieaufwand in Kauf genommen werden.

Schließlich ist noch eine Vorrichtung zum F.inmi-

sehen eines Gases in eine Flüssigkeit bekannt (Patentschrift 62 539 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin), bei der der Flüssigkeitsbehälter durch eine ganze Anzahl von Trennwänden in koaxiale Kammern unterteilt wird. Die Gasblasen gelangen unter relativ hohem Druck in das untere Ende einer Zwischenkammer, in der sie aufwärts geführt werden. Dabei werden sie von einer zentralen Kammer aus, in welcher Schautelräder umlaufen, mit einer Mischung aus Flüssigkeit und Gasblasen beaufschlagt. Am oberen Ende der Zwischenkammer wird die Strömung umgelenkt und abwärts durch eine ringförmige Außenkammer geleitet. Das untere Ende dieser Außenkammer besitzt einen₀Auslaß, der in die zentrale Kammer gerichtet ist. Dort gelangen dann die Gasblasen während ihrer Aufwärtsströmung mit den Schaufelrädern in Berührung. Trotz d".s komplizierten Aufbaues dieser bekannten Vorrichtung besteht nicht die Möglichkeit, die relativ großen, aus dem Gaszuführungsrohr austretenden Gasblasen sofort mechanisch zu zerschlagen. Die Durchmischung ist also keinesfalls optimal. Hinzu kommt, daß mit erheblicher Turbulenz gearbeitet wird, was sich nachteilig auf den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß bei einfacher Konstruktion eine verbesserte Durchmischung unter geringerem Energieaufwand und verkürzter Verweilzeit ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführungsrohr innerhalb und nahe der Trennwand ringförmig in einer Horizontalebene verlaufend ausgebildet und im oberen Bereich der Trennwand angeordnet ist und daß die Geschwindigkeit der innerhalb der Trennwand herrschenden axialen Flüssigkeitsströmung so groß gewählt ist, daß die aus dem Gaszuführungsrohr austretenden groben Gasblasen entgegen der Strömung nach oben steigen, die zerkleinerten Gasblasen dagegen nach unten geführt werden.

Die Gasblascn treten in die von der Trennwand gebildete Kammer des Flüssigkeitsbehälters ein, und zwar in den oberen Bereich, so daß nur mit geringen Gasdrücken gearbeitet werden muß. Die ringförmige Ausbildung des Gaszuführungsrohres sorgt für eine Anpassung an die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Trennwand. Die Gasblasen steigen in der vom Flügelrad erzeugten, nach unten gerichteten Strömung nach oben und werden vom Flügelrad zerkleinert. Der Auftrieb der zerkleinerten Gasblasen ist sehr viel geringer, so daß diese Gasblasen mit der Flüssigkeitsströmung ans untere Ende der Trennwand gelangen. Von dort aus treten sie in die außerhalb der Trennwand gebildete Kammer des Flüssigkeitsbehälters ein und strömen in dieser langsam nach oben. Es ergibt sich eine sehr gleichmäßige Verteilung der zerkleinerten Gasblasen bei nur geringer Turbulenz. Die Gasblasen durchwandern zweimal die gesamte Höhe des Flüssigkeitsbehälters, wobei sie entsprechend lange mit der Flüssigkeit in Berührung bleiben, und zwar bei Verminderung der gesamten Verweilzeit.

Es wurde gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne weiteres die Möglichkeit besteht, das Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit innerhalb der Vorrichtung konstant zu halten. Gleiches gilt für das Verhältnis des neu eingebrachten Gases zur neu eingebrachten Flüssigkeit.

Die Verbesserung der Wirkungsweise, die mit dem Anmeldungsgegenstand erzielbar ist, ergibt sich aus folgendem Vergleich: Bei einer Ozonisierung von Wasser konnte ein um 5% höherer Ozonisierungsgrad erreicht werden, und zwar bei einer von 8 bis 10 Minuten auf 2 bis 3 Minuten verminderten Verweilzeit. Dies bietet die Möglichkeit, die Vorrichtung nach der Erfindung mit Luft von geringerem Ozongehalt zu betreiben, was sich wiederum vorteilhaft auf den Prozeß der Ozonanreicherung der Luft auswirkt.

D^ch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ist innerhalb des Bereiches, in welchem die Zerteilung der Gasblasen stattfindet, eine Konzentration des Gases gewährleistet, welche von wesentlicher Bedeutung ist. Im Bereich des Austausches zwischen Gas und Flüssigkeit wird eine Streuung bzw. Verteilung der Gasblasen erzielt, deren Abmessung gegenüber der Abmessung der aus dem durchlöcherten Gaszuführungsrohr austretenden Gasblasen wesentlich verringert ist. Auf diese Weise werden optimale Aubtauschbedingungen zwischen dem Gas und der Flüssigkeit erzielt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine Art von Emulsion des Gases in der Flüssigkeit zu erzeugen; die Emulsion besitzt gute Stabilität und kann während genügend langer Zeit aufrechterhalten werden, ohne daß dazu ein wesentlicher Energieaufwand erforderlich wäre. Man kann statische Elemente verwenden, welche nur einen geringen Energieaufwand erfordern und welche genügend Verwirbelung erzeugen, um die Emulsion in ihrem Zustand zu halten. Auf diese Weise kann man die Emulsion so lange speichern, wie es zur Erzielung einer Reaktion oder einer Vermischung erforderlich ist.

Das Volumen, in welchem die Emulsion gehalten bzw. gespeichert werden kann, besitzt eine im wesentlichen große Höhe, bezogen auf die horizontalen Abmessungen, weshalb die Emulsion in Form eines geschlossenen Kreislaufes in Umlauf gehalten werden kann. Die tieferen Punkte des Volumens stehen unter größerem statischem Druck als die höheren Punkte des Volumens, was durch eine sehr große Streckung der Vorrichtung in Form eines Rohrkörpers erzielt wird, wobei der Bereich des Ausflusses durch statische Elemente in Verwirbelung gehalten werden kann, um die Stabilität der Emulsion beizubehalten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann in vorteilhafter Weise für physikalisch-chemische Verfahren zur Trennung und Auflösung verwendet werden, ferner für Absorptionsverfahren, so z. B. für die Absorption eines Gases in einer Flüssigkeit, um nach einer innigen Vermengung der beiden Phasen eine chemische oder biochemische Reaktion zwischen dem Gas und der Flüssigkeit herbeizuführen; schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung für Verfahren eingesetzt werden, welche in der klassischen chemischen oder biochemischen Industrie ablaufen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in gleicher Weise für Schwebeverfahren zur Anwendung gebracht werden, bei welchen das Gemisch von Gasblasen in einer Flüssigkeit stabil gehalten werden soll, und zwar derart, daß sich die wasserabstoßenden Bestandteile oder Partikeln in der Flüssigkeit an den Zwischenflächen von Flüssigkeit und Gas konzentrieren, welche durch Wände der Gasblasen gebil-

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det werden. Die wasserabstoßenden Bestandteile eingeführt. Dies geschieht über ein Rohr m, welches bzw. Partikeln können auf diese Weise von den was- in einem Gaszuführungsrohr η endet. Das Gaszufühseraufnehmenden, d.h., hydrophilen Partikeln ge- rungsrohr/r ist porös bzw. mit mehreren öffnungen trennt werden, welche im Inneren der Flüssigkeit versehen. Aus diesen öffnungen strömt das Gas in verbleiben. Verfahren der genannten Art werden bei- 5 Form von Gasblasen aus. Das Gaszuführungsrohr η spielsweise bei gewissen Stufen der Bearbeitung von befindet sich unterhalb des Flügelrades h. Das Flü-Wasser oder bei der Anreicherung mit Mineralien gelrad/) entspricht in seinem Aufbau vorteilhafterverwendet, weise einem durch die Anmelderin unter der Be-

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zeichnung »SABRE« gefertigten Produkt oder einer das obere Ende der rohrförmigen Trennwand als io davon abgeleiteten Ausführungsform, durch welche Rieselkante für die an der Innenfläche der Trenn- Randwirbel erzeugt werden können. Das Flügelrad wand nach unten rinnende, einzuführende Flüssigkeit arbeitet mit Schiebewirkung, d. h. daß es in der Kamausgebildet. Auf diese Weise vermeidet man eine mere eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströ-Störung der innerhalb der Trennwand vorhandenen mung erzeugt.

Strömungsverhältnisse. Auch besieht keine Gefahr, 15 Die verschiedenen Merkmale (Form und Richtung daß Gasblasen unkontrollierter Größe in die Flüssig- der Flügel, Durchmesser und Umdrehungsgeschwinkeil eingetragen werden. digkeit des Flügelrades) und der Abstand, welcher

Zur weiteren Verbesserung der Flüssigkeitszufuhr das Flügelrad vom durchlässigen Gaszuführungsist es vorteilhaft, daß der obere Bereich der rohrför- rohr« trennt, werden derart ausgewählt, daß die migen Trennwand trichterförmig ausgebildet ist. 20 Gasblasen ο nach oben steigen und in den Wirkungs-

Die Strömungsverhältnisse innerhalb des Flüssig- bereich des Flügelrades gelangen. In diesem Wirkeitsbehälters lassen sich erfindungsgemäß dadurch kungsbereich werden die Gasblasen zerschlagen, so modifizieren und an unterschiedliche Betriebsbedin- daß sich ihre Abmessungen wesentlich verringern. Da gungen anpassen, daß die rohrförmige Trennwand ihre Auftriebskraft entsprechend vermindert wird, zylindrisch oder konisch ausgebildet ist. 25 nimmt ihre Steiggeschwindigkeil in der Flüssigkeit

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ab. Anstatt ihre nach oben gerichtete Bewegung in die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Richtung der Oberfläche der Flüssigkeit fortzusetzen, ihrem unteren Ende an einem im Vergleich zu sei- werden die Gasblasen nunmehr durch die vom Flünem Querschnitt langen Kanal angeschlossen ist, der gelrad erzeugte Strömung eingefangen. Diese wurde zur Entnahme der Mischung zu einem Überlaufgefäß 30 derart bestimmt, daß sie größer ist als die Auftriebsod. dgl. führt. Auf diese Weise läßt sich der Durch- geschwindigkeit der zerkleinerten Gasblasen,
mischungszustand während eines längeren Zeitrau- Das Einführen der Flüssigkeit im über der Kammes aufrechterhalten. Zum gleichen Zweck ist die mere befindlichen Raum geschieht durch eine Rie-Vorrichtung nach der Erfindung weiterhin dadurch selführung an der Wandung dieser Kammer. Es wird gekennzeichnet, daß sie an einen mit Trenn- und 35 auf diese Weise vermieden, daß im oberen Bereich Widerstandskörpern versehenen Behälter angeschlos- der Vorrichtung Gas in der Flüssigkeit eingefangen sen ist. wird, wodurch die Gefahr bestünde, daß Gasblasen

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von verschiedener Größen in der Flüssigkeit eingeschlos-Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der sen wurden. Diese Gasblasen unterschiedlicher Ab-Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in 40 messung könnten die sogenannte Klassifizierung der

F i g. 1 eine Vorrichtung zum Ozonisieren von Gasblasen verfälschen, nachdem diese vom Gaszu-Wasser, um dieses trinkbar zu machen, führungsrohr;; nach oben in den Wirkungsbereich

F i g. 2 bis 5 abgewandelte Ausführungsformen der des Flügelrades h geraten sind. Das Einführen der Vorrichtung nach F i g. 1. Flüssigkeit entlang der am Umfang verlaufenden

Die Vorrichtung nach F i g. 1 weist einen kreiszy- 45 Wandung im oberen Bereich der Kammer e gestattet lindrischen Flüssigkeitsbehälter α auf, dessen Höhe es, die Strömungsverluste des Flügelrades zwischen größer ist als sein Durchmesser. Der Flüssigkeitsbe- seinem Außendurchmesser und dem Durchmesser hälter ist von einem Deckel b verschlossen und wird der konzentrischen Trennwand zu begrenzen, wodurch eine konzentrisch zur Achse verlaufende durch der Wirkungsgrad der Vorrichtung vergrößert Trennwand c in zwei Kammern unterteilt, das heißt, 5" wird.

in eine äußere Kammer d und in eine mittlere Kam- Aus F i g. 2 der Zeichnung ist eine Ausführungs-

mer e. Der obere Abschnitt der Trennwand ist mit- form der erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich, tels einer senkrechten Wand /1 zu einem Trichter/ welche bei Verwendung als in die Erde versenkter ausgebildet In der Höhe der Wand /1 ist ein Rohr- Brunnen eingesetzt werden kann. In F i g. 3 der stutzen g angesetzt, welcher mit einer Zuführungslei- 55 Zeichnung ist eine Ausführungsform dargestellt, bei tung für das zu ozonisierende Wasser in Verbindung welcher ein Abfluß ρ des behandelten Wassers im steht. unteren Bereich der Vorrichtung angeordnet ist. Bei

Unterhalb des oberen Bereiches der Trennwand c der in F i g. 4 der Zeichnung dargestellten Ausfühbefindet sich ein Flügelrad ft, dessen Welle hl, ange- rungsform ist der untere Teil des Flüssigkeitsbehältrieben durch einen Motor i, abgedichtet durch den ⁶° ters α an einen Kanal o' angeschlossen. Dieser weist Deckel b geführt ist In gleicher Weise verläuft ein im Verhältnis zu seiner Länge einen geringen Quer-Abzug/ durch den Deckel; mit Hilfe des Abzuges schnitt auf und führt das behandelte Wasser in ein kann man die Menge und den Gehalt des Gasverlu- Überlaufgefäß r. Bei der in F i g. 5 der Zeichnung stes messen. Ein Ventil k ermöglicht es, einen mehr dargestellten Ausführungsform mündet der Flüssigoder weniger großen Teil der zu behandelnden Was- 65 keitsbehältera an seinem unteren Bereich in einen sermenge kurzzuschließen, d.h., in direktem Wege Behälter al, welcher seinerseits über seinen oberen abzuführen. Bereich mit dem Flüssigkeitsbehälter in Verbindung

Das Ozon wird in Form von Luft in die Kammer e steht Der Teil al ist mit Widerstandskörpern s verse-

hen. Das behandelte Wasser ist in einer mit der in F i g. 4 der Zeichnung dargestellten Ausführungsform vergleichbaren Weise an ein Überlaufgefäß angeschlossen.
Bei den Ausführungsformen der in F i g. 3 bis 5

der Zeichnungen dargestellten Vorrichtung ist die Trennwände nicht vollständig zylindrisch, sondern weist einen konischen Bereich el auf, wodurch eine Veränderung in der Ausflußgeschwindigkeit ermög-5 licht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Einmischen eines Gases in eine Flüssigkeit, bestehend aus einem kreiszylindrischen Flüssigkeitsbehälter mit lotrecht verlaufender Achce, in dessen oberem Bereich koaxial ein eine nach unten gerichtete Axialströmung erzeugendes Flügelrad umlaufend angetrieben ist, das von einer ortsfest angebrachten rohrförmigen Trennwand koaxial /umgeben ist, die bis in die Nähe des Behälterbodens geführt ist, und in der unterhalb des Flügelrades ein Gaszuführungsrohr ausmündend vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet..daß das Gaszuführungsrohr (n) innerhalb und nahe der Trennwand (c) ringförmig in einer Horizcntalebcne verlaufend ausgebildet und im oberen Bereich der Trennwand (c) angeordnet ist und daß die Geschwindigkeit der innerhalb der Trennwand (c) herrschenden axialen Flüssigkeitsströmung so groß gewählt ist. daß die aus dem Gaszuführungsrohr (n) austretenden groben Gasblasen (o) entgegen der Strömung nach oben steigen, die zerkleinerten Gasblasen dagegen nach unten geführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende der rohrförmigen Trennwand (c) als Rieselkante für die an der Innenfläche der Trennwand (c) nach unten rinnende, einzuführende Flüssigkeit ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich der rohrförmigen Trennwand (c) trichterförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Trennwand (c) zylindrisch oder konisch ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit ihrem unteren Ende an einen im Vergleich zu seinem Querschnitt langen Kanal (o') angeschlossen ist. der zur Entnahme der Mischung zu einem Überlaufgefäß (r) od. dgl. führt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einen mit Trenn- und Widerstandskörpern (5) versehenen Behälter (a I) angeschlossen ist.