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DE2303396A1 - Verfahren zum loesen eines gases oder einer gaskomponente in einer fluessigkeit - Google Patents

Verfahren zum loesen eines gases oder einer gaskomponente in einer fluessigkeit

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DE2303396A1
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liquid
gas
flow
flow channel
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Hans Dr Rer Nat Reimann
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 663) H 73/05
p} 1. 1973 La/kr
Verfahren zum Lösen eines Gases oder einer Oaskomponente in einer Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lösen eines Gases oder einer Gaskomponente in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Lösen von Sauerstoff in organisch verunreinigtem Abwasser, wobei sich die Flüssigkeit in einem Behälter befindet, eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung eine nach oben gerichtete Flüssigkeitsströmung erzeugt und mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Kreislauf durch beide Strömungen geführt wird.
Es ist bereits ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwässern durch Belüftung in einem Belüftungsbecken bekanntgeworden, bei dem durch mechanische Umwälzung im mittleren Bereich des
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Beckens eine nach oben gerichtete und in weiter außenliegenden Bereichen eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung erzeugt wird. Die Belüftung erfolgt während der Richtungsumkehrung der Strömung im oberen Flüssigkeitsbereich. Die Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung wird über den gesamten Strömungsweg größer als die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der in die Strömung eingetragenen Luftblasen gehalten (Deutsche Patentschrift 1 283 765).
Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt darin, daß der Sauerstoff der Luft nicht vollständig in das Abwasser eingetragen wird, da es sich nicht vermeiden läßt, daß mit der aufsteigenden Strömung sauerstoffhaltiges Gas mitgenommen und an die Atmosphäre abgegeben wird. Würde nach dem bekannten Verfahren anstelle von Luftsauerstoff reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-Luft-Gemische eingetragen, so würde ein beträchtlicher Teil des mit Energieaufwand erzeugten Sauerstoffs ungenutzt in die Atmosphäre entweichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Lösen eines Gases oder einer Gaskomponente in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Lösen von Sauerstoff in organisch verunreinigtem Abwasser, zu entwicklen, das eine schnelle und vollständige Eintragung des zu lösenden Gases in die Flüssigkeit gewährleistet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zu lösende Gas oder die zu lösende Gaskomponente der naoh unten gerichteten Strömung zugeführt wird, wobei die mittlere Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung zumindest über einen Teil des Strömungsweges kleiner als die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen gehalten wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in vorteilhafter Weise. Dadurch, daß das zu lösende Gas der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung zugeführt und die Geschwindigkeit dieser Strömung zumindest über einen Teil des nach unten gerichteten Strömungsweges kleiner als die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen gehalten wird, ist eine weitestgehende Eintragung des zu lösenden Gases in die Flüssigkeit bereits innerhalb dieses Strömungsabschnittes möglich. Die Gasverluste sind gering, da keine Gasblasen in die aufwärts gerichtete Strömung mitgerissen, von dieser an die Flüssigkeitsoberfläche mitgeführt und in den Raum oberhalb der Flüssigkeit abgegeben werden. Hinzu kommt, daß der Austaueohwirkungsgrad zwischen Gas und Flüssigkeit sehr hoch ist, da beide Medien sich mit gröstmöglicher Geschwindigkeitsdifferenz im Gegenstrom bewegen.
Somit eignet sich das Verfahren besonders vorteilhaft zum Eintragen von nahezu reinem Sauerstoff in biologisch verunreinigtes Abwasser.
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FUr manche Fälle, z.B. wenn eine Komponente eines Gasgemisches oder ein nur schwer lösliches Qas in die Flüssigkeit eingetragen werden soll, ist es zweckmäßig, möglichst große Strömungswege des Gases innerhalb der abwärts geriohteten Flüssigkeitsströmung zu erzeugen. Dies wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, daß nicht nur über einen Teil des Strömungsweges, sondern über den gesamten, die mittlere Geschwindigkeit der abwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung kleiner gehalten wird als die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen in dieser Strömung, wobei Gas, das nach dem Durchlaufen des gesamten Strömungsweges nicht gelöst worden ist, aufgefangen und erneut der Begasung zugeführt wird. Dieses Verfahren eignet sich z«B. zum Eintrag von Sauerstoff aus sauerstoffreichen Gasgemischen in biologisch verunreinigtes Abwasser.
Hinsichtlich einer Erhöhung der Eintragsgeschwindigkeit des Gases in die Flüssigkeit ist es nach einem weiteren Merkmal zweckmäßig, die Gasphase über der Flüssigkeit unter überdruck zu halten.
Zur weiteren Erhöhung der Wirksamkeit des Verfahrens ist es schließlich von Vorteil, innerhalb der abwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung ruhende und/oder bewegte Miechvorrichtungen vorzusehen, um eine zusätzliche Vergrößerung der Strömungswege von Flüssigkeit und Gas bzw. eine Vergrößerung der freien Austauschflachen zu erreichen.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren in erster Linie dazu dienen soll, ein Gas oder eine Gaskomponente in einer Flüssigkeit zu lösen, eignet es sich mit dem gleichen Erfolg auch zum Austreiben eines Gases oder einer Gaskomponente aus einer Flüssigkeit. Für diesen Fall ist es besonders vorteilhaft, unter Unterdruck zu arbeiten.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch mindestens einen, durch Trennwände gebildeten und innerhalb eines Flussigkeitsbeckens vertikal angeordneten Strömungskanal mit einem ersten und einem zweiten gegenüber dem ersten nach unten erweiterten Teilabschnitt, durch eine im ersten Teilabschnitt angeordnete Umwälzeinrichtung sowie durch eine unterhalb der Umwälzeinrichtung angeordnete Begasungsvorrichtung.
Die Geschwindigkeit der Flussigkeitsströmun.: ist bei dieser Vorrichtung im ersten Teilabschnitt des Strömun:.s::.anals größer als die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen, die bereits im ersten Teilabschnitt der Flüssigkeit zugeführt und aufgrund der Gesohwindigkeitsverhältnisse mit der Flüssigkeitsströmung in den zweiten Teilabschnitt mitgeführt werden. Im zweiten Teilabschnitt vermindert sich aufgrund der Erweiterung des Strömungskanals die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung so weit, daß auch kleine Gasblasen nicht weiter mitgeführt werden, sondern im
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zweiten Teilabschnitt verbleiben und hier im Gegenstrom zur Flüssigkeit zum weiteren Stoffaustausch beitragen, der insgesamt zu einer weitestgehenden Eintragung des Gases in die Flüssigkeit führt.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehen sich auf vorteilhafte anwendungstechnische und konstruktive Weiter bildungen.
Für den Fall, daß die Geschwindigkeit der innerhalb des Ströraungs· kanals strömenden Flüssigkeitsströmung entland des gesamten Strömungsweges kleiner als die Aufstiegsgesohwindigkeit der Gasblasen gehalten werden soll, kann der Querschnitt des Strömungsweges entlang seiner gesamten Länge konstant gehalten werden, wobei dadurch, daß das obere Ende des Strömungskanals geschlossen ist, durch die Flüssigkeitsoberfläche im Strömungskanal hindurohtretende Gasblasen aufgefangen und erneut der Begasungsvorrichtung zugeführt werden können.
Besonders vorteilhaft in konstruktiver Hinsicht eignet sich sowohl als Umwälzeinrichtung als auch als Begasungsvorrichtung eine Mischdüse mit einem Diffusor, die im oberen über der Flüssigkeit herausragenden Bereich des Strömungskanals angeordnet ist und deren Saugseite sowohl mit der Gas zuführleitung als auch mit dem über der.Flüssigkeitsoberfläche liegenden Gasraum des Strömungskanals verbunden ist.
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Anstelle der Misohdüse kann unter gewissen Umständen auch eine einfache Rohröffnung oberhalb des Flussigkeitsspiegels (Tauehstrahler) vorgesehen werden.
Zur Vergrößerung der Austauschoberflächen ist es nach einem weiteren Merkmal zweckmäßig, innerhalb des Strömungskanals weitere stationäre oder bewegte Mischvorrichtungen vorzusehen.
j Zum Begasen großer Flüssigkeitsvolumina in einem großen Becken können mehrere der beschriebenen Vorrichtungen in der Flüssigkeit angeordnet sein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die verschiedenen in den Figuren 1 bis j5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens. Innerhalb der Figuren sind gleiche Vorrichtungsteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt ein bis zum Niveau a mit einer biologisch abbaubare Verunreinigungen enthaltenden Flüssigkeit gefülltes Belebtsohlammbecken 1, in dem ein aus einem ersten Teilabschnitt 2 und einem zweiten kegelförmig nach unten erweiterten Teilabschnitt 5 bestehender Strömungskanal 4 angeordnet ist. Mittels einer Propellerpumpe wird innerhalb des Strömungskanals 4 eine von oben nach unten und außerhalb des Strömungskanals eine von
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unten nach oben gerichtete Flüssigkeitsströmung erzeugt, wobei ein Teil der strömenden Flüssigkeit im Kreislauf durch breite Strömungen geführt wird. Die Begasung der Flüssigkeit mit Sauerstoff erfolgt im ersten Teilabschnitt 2 des Strömungskanals über eine unterhalb der Propellerpumpe 5 angeordnete Begasungsvorrichtung 6, die über die Qaezufuhrleitung 7 an eine nicht dargestellte SäuerstoffquelIe angeschlossen ist.
Innerhalb des ersten Teilabschnittes 2 des Strömungskanals wird durch die Propellerpumpe eine Flüssigkeitsströmung erzeugt, deren Geschwindigkeit größer ist als die durch den Auftrieb bewirkte mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der Sauerstoffblasen, so daß also zunächst ein großer Teil der Sauerstoffblasen mit der Flüssigkeitsströmung in den zweiten Teilabschnitt 3 des Strömungskanals mitgerissen wird. Dieser Teilabschnitt besitzt erfindungsgemäß die Geometrie eines nach unten erweiterten Kegelstumpfes, der so dimensioniert ist, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in diesem Bereich kleiner ist als die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der Säuerstoffblasen, so daß also in diesem zweiten Teilabschnitt ein wirksamer Stoffaustausch zwischen Sauerstoff und Flüssigkeit im Gegenetrom stattfindet. Hinzu kommt, daß aufgrund von oben nach unten abnehmenden Geschwindigkeiten der Flüssigkeitsströmung im zweiten Teilabschnitt eine vollständige Dispersion der Sauerstoffblasen in diesem Abschnitt stattfindet, da kleinere Sauerstoffblasen
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mit geringerem Auftrieb tiefer in den zweiten Teilabschnitt hineingetragen werden, als größere mit verstärktem Auftrieb. Somit vergrößert sich aber die den Stoffaustausch fördernde freie Oberfläche zwischen Sauerstoff und Flüssigkeit erheblich.
Insgesamt wird durch die dargestellte Vorrichtung eine vollständige Eintragung des Sauerstoffs in die Flüssigkeit ermöglicht. [ Es treten keinerlei SäuerstoffVerluste dadurch auf, daß in der abwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung nicht gelöste Sauerstoffblasen von der Aufwärts gerichteten an die Flüssigkeitsoberfläche getragen werden, um anschließend durch diese hindurch in die Atmosphäre zu diffundieren. Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil, daß das Belebungsbecken auch beim Eintrag von relativ teurem Sauerstoff nicht mit einer gasdichten Abdeckung versehen zu werden braucht. Für den Fall, daß der zu lösende Sauerstoff mit Inertgasen angereichert ist, können diese über die Leitung 22 abgezogen werden.
Ungereinigtes Abwasser wird dem Belebungsbecken 1 über die Flüssigkeitszuführleitung 8 zugeführt, während gereinigtes Abwasser Über das Überlaufwehr 9 und die Leitung 10 und abgesetzter Schlamm über die Leitung 11 abgezogen werden.
Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 besitzt der Strömungskanal 12 über seine gesamte Länge hinweg einen konstanten Querschnitt.
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Sein oberes Ende durchdringt die Flussigkeitsoberflache und ist abgeschlossen. Die Begasungsvorrichtung Ij5 ist bei dieser Ausführungsform im unteren Bereich des Strömungskanals angeordnet.
Über die Leitung 14 wird biologisch verunreinigtes Abwasser ohne oder mit belebtem Schlamm dem Strömungskanal zugeführt und mittels der Propellerpumpe 5 durch diesen hindurchgefördert. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist innerhalb des gesamten Strömungskanals kleiner als die Geschwindigkeit der aufsteigenden Sauerstoffblasen, so daß auch hier ein wirksamer Stoffaustausch zwischen Sauerstoff und Abwasser stattfindet. Nicht eingetragener Sauerstoff sammelt sich im oberen aus dem Abwasser herausragenden Teil des Strömungskanals an und wird* über die Leitung 15 und das Gebläse Ιβ erneut der Sauerstoffzuführleitung 17 und somit der Begasungsvorriohtung 15 zugeführt.
Auch gemäß dieser Vorrichtung wird das Austreten von ungelöstem Sauerstoff in die Atmosphäre vollständig verhindert, so daß sich auch hier eine Abdeckung des Belebungsbeckens 1 erübrigt.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 durch die Anordnung der Umwälzeinrichtung und der Begasungsvorriohtung. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Abwasser dem Strömungskanal 12 über eine mit der A!^wasserzufuhrleitung
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l4 in Verbindung stehende Mischdüse 18 sowie einen an dieser angeschlosseenen Diffusor 19 zugeführt, während der Sauerstoff über die Saugleitung 21 der Mischdüse 18 aue der Leitung 20 angesaugt und bereits innerhalb der Mischdüse mit dem Abwasser vermischt wird, über den Diffusor 19 gelangt das Abwasser-Sauerstoff -Gemisch in den Strömungskanal 12. Mischdüse, Diffusor und Strömungskanal sind auch in diesem Beispiel so konstruiert, daß innerhalb des Strömungskanals die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit kleiner ist als die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen, so daß auch hler ein maximaler Sauerstoffeintrag gewährleistet ist. überschüssiger, nicht eingetragener Sauerstoff sammelt sich im oberen Bereich des Strömungskanals an und wird über zusätzliche öffnungen 2? von der Mischdüse 18 erneut angesaugt.
8 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

  1. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    (H 663) H 73/05
    23. 1. 1973 · La/kr
    Pat ent ans prüche
    Verfahren zum Lösen eines Gases oder einer Qaskomponente in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Lösen von Sauerstoff in organisch verunreinigtem Abwasser, wobei sich die Flüssigkeit in einem Behälter befindet, eine nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung eine nach oben gerichtete Flüssigkeitsströmung erzeugt und mindestens ein Teil der Flüssigkeit im Kreislauf durch beide Strömungen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu lösende Gas der nach unten gerichteten Strömung zugeführt wird, wobei die mittlere Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung zumindest über einen Teil des Strömungsweges kleiner als die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen gehalten wird.
    2* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase über der Flüssigkeit unter Überdruck gehalten wird.
    3* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der Flüssigkeit nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung durch ruhende und/oder bewegte Mieehvorrichtungen geführt wird.
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    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet« daß die mittlere Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung über den gesamten Strömungsweg kleiner gehalten wird als die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen und daß nicht gelöstes, die nach unten gerichtete Flüssigkeitsströmung entgegengesetzt durchziehendes Gas aufgefangen und erneut zur Begasung herangezogen wird.
    5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens einen durch Trennwände gebildeten, innerhalb eines Flüssigkeitsbeckens
    (1) vertikal angeordneten Strömungskanal (4) mit einem ersten
    (2) und einem zweiten (3), gegenüber dem ersten nach unten erweiterten Teilabschnitt, durch eine im ersten Teilabschnitt angeordnete Umwälzeinrichtung (5) sowie durch eine unterhalb oder über der Umwälzeinrichtung angeordnete Begasungsvorrichtung (6).
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 mit mindestens einem, durch Trennwände gebildeten, innerhalb eines Flüssigkeitsbeckens vertikal angeordneten Strömungskanal sowie mit einer innerhalb des Strömungskanals angeordneten Umwälzeinrichtung und einer unterhalb oder über der Umwälzeinrichtung angeordnete Begasungsvorrichtung, da-
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    durch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Strömungskanals (12) entlang seiner gesamten Länge konstant gehalten ist und daß das obere Ende des Strömungskanals abgeschlossen und mit der Gaszuführleitung (17) der Begasungsvorrichtung in Verbindung (15) steht.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Umwälzeinrichtung als auch die Begasungsvorrichtung eine oberhalb der Flussigkeitsoberfläohe angeordnete Mischdüse (18) mit einem Anschluß an die Flussigkeitszufuhrleitung (lh), einem Anschluß (21) an die Qaszuführleitung (2o) sowie einer Verbindung (22) zum oberen Innenraum des Strömungskanals (12) ist und daß an den Ausgang der Mischdüse ein Diffusor (19) angeschlossen ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch ruhende und/oder bewegte Mischelemente innerhalb des Strömungskanals (4;12).
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    Leerseite
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