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Verfahren und Vorrichtung zur Feinverteilung von Gasen, FInssigkeiten oder pastenförmigen
Stoffen, insbesondere zum Einführen von Gasen in Flüssigkeiten.
Bei chemischen und biologischen Prozessen, bei denen Gase, z. B. Luft, in Flüssigkeiten ein- geleitet werden, hat es sich für den Nutzeffekt als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gas oder die Luft in möglichst feiner Verteilung in die Flüssigkeit eintritt. In der Annahme, dass dieses Ziel allein durch Verkleinerung der Querschnitte der Gasdurehtrittsporen zu erreichen sei, brachte man Vorrichtungen mit immer kleineren Porenquerschnitten, z. B. Diaphragmen aus keramischem Material, zur Einführung des Gases zur Anwendung. Dem durch die Feinporigkeit solcher Diaphragmen erzielten besseren Mischeffekt, wie dieser gegenüber bekannten andern Gebilden, wie Häuten, Geweben, geloehten Blechen oder Rohren, erzielt wird, steht aber ein bedeutend erhöhter Kraftaufwand zum Hindurchdrücken des Gases gegenüber.
Ausserdem verstopfen sich solche Diaphragmen leicht und lassen sich schwer reinigen.
In der Absicht, dem Gas möglichst feine Austrittsöffnungen darzubieten, hat man auch Verteilungsvorrichtungen anderer Art vorgeschlagen. So sind z. B. Anordnungen bekannt, bei denen glatte oder mit Riefen versehene Ringe in der Weise zusammengesetzt, z. B. auf einem geeigneten Träger aufgereiht sind, dass zwischen den Berührungsflächen der Ringe feine Poren oder Schlitze für den Austritt des Gases verbleiben. An Stelle von Ringen werden für den in Frage stehenden Zweck auch Spiralen bzw. Drahtspulen verwendet, zwischen deren Windungen das Gas in Form feinster Bläschen nach aussen gelangen soll.
Allen diesen Anordnungen liegt der Gedanke zugrunde, dass es nur auf möglichst kleine Austrittsöffnungen ankommt, die im übrigen aber beliebige Gestalt haben können.
Abweichend von dieser Vorstellung beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass man eine extrem feine Verteilung des Gases auch mit Vorrichtungen von verhältnismässig grosser Porenweite erreichen kann, sofern man dem Querschnitt und dem Austritt der Poren eine bestimmte Gestalt gibt, die dem Mechanismus der Bläschenbildung Rechnung trägt.
Gemäss der Erfindung erfolgt die Feinverteilung mit Hilfe von Durchtrittskanälen, deren Begrenzungswände in spitzen Winkeln zusammenstossen, derart, dass sich die Flüssigkeit beim Gasdurchtritt in den Ecken der Kanäle zu halten vermag. Ferner müssen Länge und Querschnitt des Kanals zueinander in einem bestimmten Verhältnis stehen, das abhängig ist von der Zähigkeit der Flüssigkeit sowie der Art und der Oberflächenbeschaffenheit des die Kanäle bildenden Materials. Auch die Ausbildung des Randes der Kanalaustrittsöffnung ist der Oberflächenspannung der Flüssigkeit anzupassen.
Durch die angegebenen Massnahmen wird ein weit höherer Nutzeffekt erzielt als bei Verwendung der mit den feinsten Poren arbeitenden Vorrichtungen, nämlich der Diaphragmen aus keramischem Material ; denn es versteht sich von selbst, dass grossporige Gebilde dem Gasdurehtritt einen geringeren Widerstand entgegensetzen als feinporige und dass Gebilde von grösserer Porenweite sich weniger leicht verstopfen sowie bequemer und besser zu reinigen sind, insbesondere dann, wenn, wie beim Gegenstand der Erfindung, die Kanäle gradlinig verlaufen und glatte Wandungen besitzen. Die Folge des geringeren Widerstandes ist Energieersparnis. Die leichtere Reinigung ermöglicht Arbeit-und Kostenersparnis und verringert bei Verarbeitung organischer oder zersetzungsfähiger Stoffe die Infektionsgefahr, z. B. bei der Backhefeherstellung.
Nach dem neuen Verfahren zum Einführen von Gasen in Flüssigkeiten werden gasförmige Stoffe durch Körper geleitet, die aus Drähten oder Prismen beliebigen Querschnitts bestehen, die parallel
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zueinander so in Bündel gefasst oder aneinandergereiht sind, dass zwischen ihren sich berührenden
Oberflächen Kanäle gebildet werden. Die aus den so entstandenen Kanälen austretenden Stoffe werden zweckmässig einer Führung unterworfen, durch die eine vorzeitige Wiedervereinigung der aus den
Kanalenden austretenden Bläschen wirksam vermieden wird. Diese Führung kann durch mannigfaltige Mittel erreicht werden, z.
B. dadurch, dass die Enden der einzelnen Drähte oder Prismen in verschiedenen Ebenen liegen, so dass sie jeweils gegenüber benachbarten Drähten oder Prismen vor- stehende Führungen für die aus den Kanälen austretenden Gase bilden.
Die parallel zueinander verlaufenden Prismen oder Drähte können auch reihenweise angeordnet sein und zwischen den einzelnen Reihen können über die Enden der Drähte hinausragende Führung- körper für die Gase vorgesehen sein. Beispielsweise ist es möglich, die Kanäle, durch die die gasförmigen
Stoffe hindurchgeleitet werden, dadurch zu formen, dass ein massives Teilelement an seinem Umfange mit aneinanderliegenden Drähten bewickelt und der so gebildete Körper in einem Träger, einem
Rahmen oder einer Platte derart angeordnet wird, dass Teile der Drahtwicklungen Kanäle und Führungen bilden. Die aus Prismen oder Drähten zusammengesetzten Körper für den Gasdurchtritt können auch aus einem massiven Teilelement und einer Mehrzahl auf ihm angeordneter, klammerartig geformter
Drähte bestehen.
Der Träger, der Rahmen oder die Platte können zur Gewichtsverminderung auch durch federnde Träger ersetzt werden, zwischen denen die Teile derart angeordnet werden, dass zwischen denselben Kanäle gemäss der Erfindung entstehen.
Die Drähte können z. B. auch rings um einen konischen Einsatz angebracht werden, der von einer entsprechenden Ausnehmung des Trägers aufgenommen wird ; in diesem Falle liegen die Kanäle entsprechend der Anordnung der Drähte zwischen den Einsätzen und den Ausnehmungen.
Die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellten Kanäle oder Poren bieten infolge ihrer
Querschnittsgestaltung der zu behandelnden Flüssigkeit die Möglichkeit, in die Pore einzudringen und sich auch bei Gasdurchtritt in den Ecken des spitzwinkligen Querschnitts zu halten. Dadurch, dass die Porenwand ganz oder zum Teil von Flüssigkeit bedeckt ist, erhält die an sieh starre Pore den Charakter einer elastischen Kapillare. Dies führt dazu, dass das Gas nicht in Form eines Strahls aus der Pore herausschiesst, sondern dass Bläschen für Bläschen sich nacheinander vom Porenausgang ablöst.
Dieser Vorgang wird noch durch die für das austretende Gas vorgesehenen Führungen unterstützt ; wie schon erwähnt, wird durch die Führungen ferner verhindert, dass sich die aus benachbarten Poren austretenden Bläschen innerhalb der Flüssigkeit zu einer grossen Gasblase vereinigen. Die Einhaltung einer bestimmten Gasgesehwindigkeit in den Kanälen fördert ebenfalls die Bildung feiner Bläsehen.
Die gemäss der Erfindung hergestellten Körper werden in den Boden oder die Wandungen eines Behandlungsbehälters eingesetzt und können zur Erzielung einer Strömung zur Steigerung des Effekts in dem Behandlungsbehälter entsprechend der Stärke und der Richtung der gewünschten Strömung verteilt werden. Vorzugsweise wird die Strömung derart zu richten sein, dass ein möglichst grosser Teil der Bläschen nach dem Behälterboden zurückgerissen wird oder durch Wirbel am Aufsteigen verhindert wird. Die Körper können auch in beweglichen Einsätzen im Behandlungsbehälter angeordnet und diese Einsätze so bewegt werden, dass eine gewünschte Strömung, Wirbelbewegung oder eine sonstige Flüssigkeitsbewegung hervorgerufen oder vergrössert wird.
Die beschriebenen Vorriehtungen, die sich vorzugsweise für die Belüftung von Flüssigkeiten eignen, können jedoch auch zu andern Zwecken verwandt, z. B. bei Verfahren benutzt werden, die die Feinverteilung von Flüssigkeiten oder pastenförmigen Stoffen zum Ziel haben, oder in Fällen, in denen es sich darum handelt, feine Strahlen zu erzeugen oder Fäden herzustellen wie bei der Kunstseiden-oder Glasfadenfabrikation.
In diesem Falle können die beschriebenen Führungen unter Umständen in Fortfall kommen. Die Vor- richtungen gemäss der Erfindung lassen sich auch bei Filtern, bei Abnutsehvorgängen, zum Separieren, beim Zentrifugieren usw. verwenden.
Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung beispielsweise und schematisch erläutert.
In den Fig. 1-4 sind einige Körper zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung in senkrechtem Schnitt dargestellt. Die Fig. 5, 7,8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen mit Führungen für die aus den Körpern austretenden Stoffe im Schnitt, während Fig. 6 eine Teilaufsieht darstellt.
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Der Körper gemäss Fig. 1 besteht aus einer Anzahl von Drähten a, die in einem Spannring b zusammengefasst sind, der an einer Aussenfläche Gewinde zum Einsetzen in die Gefässwandungen oder in besondere Hohlkörper haben kann.
In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der das Bündel der Drähte a zusammenhaltenden Einrichtung dargestellt. Hier ist ein geschlitzter Zusammenhaltering c vorgesehen, der aussen Schräg- flächen zeigt, auf die der eigentliche geschlossene Spannring bl von oben her aufgeschlagen oder aufgepresst ist.
In Fig. 3 sind die Drähte at, die durch den Spannring b zusammengehalten sind, geneigt zur Stirnfläche des Körpers eingesetzt.
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In Fig. 4 ist ein Bündel von Drähten a von einem inneren Spann (Schrumpf) ring b umgeben.
Andere senkrechte Drähte a2 sind ausserhalb dieses inneren Spannringes angeordnet und werden durch einen äusseren Spann (Schrumpf) ring b2 zusammengehalten.
In Fig. 5 und 6 ist eine Reihe von Drähten a3 beliebigen Querschnitts in einem Träger b3 anein- andergereiht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen einlagigen Drahtreihen a3 ein
Führungskörper o in Form eines Prismas od. dgl. vorgesehen. Dieser Führungskörper o ragt mit einem oberen Teil über die oberen Enden der einzelnen Drähte a3 hinaus, so dass für die austretenden Stoffe längs und oberhalb der Austrittsstellen Führungen gebildet werden. Die Drähte a3 liegen dicht neben- einander, durch Druck oder durch Anschleifen kann gegebenenfalls eine Abplattung der Drähte in den Berührungslinien herbeigeführt werden.
Die Drähte haben zweckmässig einen runden Querschnitt, können jedoch auch einen beliebigen andern Querschnitt besitzen und gerade oder gebogene Längs- achsen haben. Der Führungskörper o lässt sich bandförmig gerade oder gebogen, ringförmig oder als
Vollzylinder ausführen, wobei der Träger b3 eine der Form des Führungskörpers o entsprechende Aus- nehmung oder mehrere besitzt. Bedingung ist dabei, dass der Träger b3 den Drähten und dem Führung- körper o den für die Betriebsbedingungen erforderlichen Zusammenhalt gibt.
Die Anordnung einer besonderen über die oberen Drahtenden sich erstreckenden Führung ist nicht unbedingt notwendig, wenn man den Drähten a3 eine gegen die Vertikale geneigte Lage gibt, da durch die Schrägstellung der Drähte das vorstehende Ende des jeweils benachbarten Drahtes dem aus einer Pore austretenden Stoff schon eine hinreichende Führung geben kann.
In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der in einen Träger b4 ein Körper 01 beliebiger Form eingesetzt ist, der auf seinem Umfang mit einer Bewicklung von Drähten a4 versehen ist. Zweckmässig ragt das Oberende des Körpers 01 mit der Drahtbewieklung a4 etwas über die Ober- wandung des Trägers b4 hinaus, so dass auch bei dieser Ausführungsform den austretenden Bläschen zwischen den einzelnen Drahtwindungen eine Führung erteilt wird.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform ist der Führungskörper 02 in einem Träger b5 nicht vollständig mit Draht umwickelt, sondern auf den Führungskörper sind eine Anzahl von Draht- klammern a5 aufgesetzt, deren Umrissform der Form des Führungskörpers 02 angepasst ist.
Die feste Einspannung der die Kanäle bildenden Elemente kann durch eine federnde und lösbare ersetzt werden. Diese Ausführung ergibt ein leichtes Gewicht der Vorrichtungen und ermöglicht es, die Kanäle zur Reinigung freizulegen.
Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ist ein Träger b7 mit einer Reihe konischer Aus- nehmungen b8 versehen, in denen entsprechende Einsätze 04 Aufnahme finden. Zwischen den Wan- dungen beider Teile sind Drähte angeordnet, so dass Kanäle os gebildet werden. Die Führung der aus diesen Kanälen austretenden Stoffe ist hier durch den überstehenden Teil der konischen Ausnehmung gegeben.
Als Material für die einzelnen Elemente kann jedweder geeignete Stoff Verwendung finden ; vorzugsweise werden die die Poren formenden Teile aus einem nichtrostenden Stahl, nichtoxydierbaren
Metall oder auch aus Kunstharz bestehen.
In allen Fällen werden zwischen den Linien, in denen die einzelnen Drahtlagen miteinander und mit ihren Trägern bzw. den Führungskörpern in Berührung stehen, etwa spitzwinklige Kanäle gebildet. Insbesondere in den Winkeln dieser vorzugsweise, dreieckförmigen Kanäle kann sich, wie schon erwähnt, beim Belüften von Flüssigkeiten die eindringende Flüssigkeit festhalten, wodurch trotz des verhältnismässig grossen Porenquerschnitts die erstrebte feine und feinste Bläschenbildung bewirkt wird. Beispielsweise erzeugt eine Pore mit einem Querschnitt, der einer Kreisfläche von zirka 0-12 mm = 120 Durchmesser flächengleich ist, in Wasser mit nur 0'07% Alkoholzusatz Bläschen einer Feinheit, die in der gleichen Flüssigkeit nur mit Hilfe von keramischen Diaphragmen einer Porenweite von 1 bis 25 erreicht werden kann.
Die beschriebenen Vorrichtungen werden zum Verteilen von Gasen zweckmässig in Hohlkörper eingebaut, die mit Gaszuführungen verbunden sind und aus denen die eventuell aus dem Behandlungsbehälter eindringende Flüssigkeit leicht entfernt werden kann. Solche Hohlkörper mit einer Mehrzahl der Vorrichtungen gemäss vorliegender Erfindung können fest oder beweglich innerhalb eines Behälters angeordnet sein oder sich auf dessen Aussenseite befinden, z. B. derart, dass sie in den Behälterboden selbst oder auch in Teile der Behälterwandungen eingesetzt sind. Die Hohlkörper können auf zweckentsprechende Weise bewegt werden.
Eine Umkehr-bzw. Strömungsbewegung lässt sich auch dadurch erreichen, dass man die einzelnen Vorrichtungen derart innerhalb eines Behandlungsbehälters verteilt, dass infolge der Differenz der spezifischen Gewichte zwischen den mit Gasbläschen versehenen und den bläschenarmen Flüssigkeitssäulen die gewünschte Bewegung erzeugt wird.
Eine Mehrzahl von Vorrichtungen kann auch in einem Einsatz vereinigt werden, wie er in Fig. 10 beispielsweise dargestellt ist. Bei solchen Einsätzen muss dafür Sorge getragen werden, dass das Gas stets ungehindert an die Durchtrittskanäle herankommen kann und dass die aus dem Behandlungsbehälter durch die Kanäle hindurchtretende Flüssigkeit auf schnellstem Wege aus dem Einsatz herausgebracht bzw. abgeführt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass man die Gaszuführung und die Flüssig-
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keitsabführung voneinander trennt.
In der Fig. 10 bezeichnet p die Gaszuführung, q die Flüssigkeits- abführung, r die trichterförmig gestaltete Wandung des Einsatzes und s die Oberwandung des Einsatzes mit den Körpern t, die gemäss der Erfindung die Feinverteilung des Gases bewirken.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Feinverteilung von Gasen, Flüssigkeiten oder pastenförmigen Stoffen, insbesondere zum Einführen von Gasen in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verteilenden Stoffe durch Körper geleitet werden, die aus Drähten und bzw. oder Prismen bestehen, die parallel zueinander so in Bündel gefasst sind, dass zwischen den Berührungsflächen Kanäle entstehen, deren spitzwinkliger Querschnitt die Ausbildung feinster Bläschen ermöglicht.