Verfahren und Einrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten mit Gasen
Das vorliegende Patent betrifft ein Verfahren und eine Einrehtung zum Behandeln von Flüssigkeiten mit Gasen unter Anwen- dung von rotierenden Korpern.
Es existieren bereits zahlreiche Vorschläge für Apparate zur Vermischung von Gasen mit Flüssigkeiten, darunter auch solehe, bei denen in der Flüssigkeit besonders gestaltete Körper in Rotation versetzt werden. Diese bekannten Konstruktionen haben dabei stets eine mög liehst wirksame mechanische Vermischung der Gase mit den Flüssigkeiten zum Ziel und sind hierfür mit mechanischen Bauteilen versehen, die mitrotieren oder dicht an der rotierenden Itörperfläehe feststehend angebracht sind, um mitlaufende Luftschicht abzulösen und wie die den rotierenden Korper umschliessende etwa bei Rührwerken in der Flüssigkeit mög lichst fein zu verteilen.
Ein anderer bekannt- gewordener Vorschlag sieht einen perforierten Rotationskörper vor, in dessen Innenraum das zu vermischende Gas eingeleitet wird, aus welchen dasselbe in radialer Richtung a. us den (iffnnngen des rotierenden Korpers in die ausserhalb befindliche Flüssigkeit gelant.
Alle bisher bekanntgewordenen Vorschläge für derartige Verfahren und Einrichtungen bezweeken die möglichst weitgehende Unterteilung der Gase in eine Vielzahl von Blasen und eine möglichst innige und gleichmässige Vermischung derselben mit der Flüssigkeit.
Durch die so erzielte starke Vergrösserung der Grenzschlcht zwischen Gas und Flussigkeit wird eine rasche und wirksame Lösung der Gase in der Flüssigkeit angestrebt. Es handelt sich dabei also um eine Dispersion des Gases in der Flüssigkeit mit anschlie#ender Lösung desselben, gemä. ss den hierfür geltenden, von Druck und Temperatur abhängigen Gesetz mässigkeiten. Da Druck und Temperatur vorgegebene Grössen darstellen, ist auch der maximalen Löslichkeit der Gase eine Grenze gesetzt und die Dispersion kann zwar die Geschwin- digkeit vergrössern, mit der die Lösung vor sich geht, nicht aber die durch das Partial druekgesetz bestimmte maximale Löslichkeit des betreffenden Gases bei dem vorgegebenen Druck und der herrschenden Temperatur.
Das erfindungsgemä#e Verfahren zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Flüssigkeit in eine Behandlungskammer eingeführt wird, in welcher ein von dieser Flüssigkeit umgebener Rotationskörper mit einer Oberfläehen-Ge- schwindigkeit von mehr. a.
ls fünf Meter pro Sekunde umläuft, und dass der Oberfläche dieses Körpers das Gas s kontinuierlich zugeführt wird, wobei in der die Oberfläche des umlaufenden Körpers umgebenden Flüssigkeit eine mit annähernd gleicher Geschwindigkeit umlaufende Wirbelschicht gebildet wird, innerhalb welcher das der genannten Fläche zugeführte Gas in höherem Masse in Lösung geht als in der auberhalb dieser Schieht be findlichen Flüssigkeit und dass sich die mit Gas behandelte Flüssigkeit aus dieser Wirbel- schicht ständig mit der übrigen Flüssigkeit in der Behandlungskammer vermischt.
Dieses Verfahren ermöglicht mehr Gas zu losen, als bisher nach andern Methoden erzielbar.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zeich- net sich dadurch aus, dass ein rotationssymmetrischer Korper in einer ihn unschlie#en- den Behandlungskammer umläuft, welche Be handlungskammer im Durchmesser den Kör- per mehhnfach übertrifft, wobei Antriebsmittel für den Korper und Mittel zur Zuführung des Gases zur Körperoberfläche vorhanden sind.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchfiihrung des Verfah- rens in mehreren beispielsweisen Ausführungen schematisch dargestellt, an Hand weleher das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise näher erläutert ist. Es zeigen :
Fig. l einen Längsschnitt durch eine Be handlwngskammer,
Fig. 2 bis 5 versehiedene Ausgestaltungen der Innenwandung der Behandlungskammer im Querschnitt.
Die Einrichtung bil. det in der dargestellten Ausführung einen Teil einer Anlage zur Ozonisierung von Trinkwasser und besteht nach Fig. 1, in der alle weniger wesentlichen Te-ile weggelassen sind, aus einem rotationssymme trischen Körper 1 von zylindrischer Gestalt, der sich in einer Behandlungskammer 2 befindet, die durch ein koaxial zum Körper 1 angeordnetes Kammergehäuse 3 von ebenfalls zylindrischer Form gebildet wird. Der Körper 1 wird durch nicht dargestellte Antriebsmittel um seine Längsachse in Rotation versetzt, und zwar mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mehr als fünf Meter pro Sekunde, und besitzt eine weitgehend glatte Aussenfläehe 4 ohne Unebenheiten, hervorstehende Teile usw.
Währenddem Fig. 1 die Behandlung, skam- mer bzw. die Einrichtung in horizontaler Lage zeigt, ist diese in Wirklichkeit vertikal in einem dieselbe umgebenden Behälter (nicht dargestellt) angeordnet, wobei dieser Behälter mit Trinkwasser gefüllt ist. Das Kammerge- häuse ist oben und unten offen und ist vollständig in das Trinkwasser eingetaueht, so dass also dieses die Behandlungskammer 2 ausfüllt bzw. den Körper 1 umgibt.
Das zur Behandlung des Trinkwassers dienende Ozon wird, um möglichst keine Beeinträchtigung der Wechselwirkung zwischen der rotierenden Fläche 4 und dem Wasser in der Behandlungskammer 2 befürchten 7Li müssen, in den Innenraum 5 des hohlen Körpers 1 eingeleitet, wobei die Wandung desselben perforiert ist, um den Austritt des Gases aus dem Innenraum 5 zu ermöglichen. Der Behälter 3 ist an geeigneter Stelle mit einer Einrichtung zur Sammlung und Ableitung des nicht in Lösung gegangenen Ozons versehen.
Bei der Rotation des Körpers 1 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bildet sieh an dessen Oberfläche eine Wirbelschicht, in we]cher das Wasser mitgerissen und beschleunigt wird, wobei die Zentrifugalkraft, die auf das in umlaufende Bewegung versetzte Wasser einwirkt, eine Ablosung desselben aus der Wirbelschicht, d. h. eine Bewegung desselben nach aussen zur Folge hat. Dadureh entsteht an der Oberfläche des rotierenden Körpers ein Sog, der ein Ansaugen des Ozons aus dem Innenraum 5 dureh die Perforationen in der Wandung des Körpers 1 zur Folge hat, so dass also das Ozon in die Wirbelsehicht eintritt und sich dabei im Wasser löst.
Infolge der kontinuierlichen Rotation des Körpers gelangt immer wieder frisches Wasser in die Wirbelschicht und wird mit Ozon, welches sich in diesem löst, vermischt, wobei auch immer wieder neues Ozon angesogen wird. Dieses wird dem Innenraum 5 unter einem Druek zugeführt, weleher niedriger ist als der statische Druek in der Behandlungskammer 2.
Dieser ist beim vorliegenden Ausführungs- beispiel, bei welchem das Wasser unter atmosphärischem Druck steht, nur von der Höhe der Wassersäule abhängig, d. h. der Druck nimmt also entlang dem Körper 1 aufwärts gegen den Wasserspiegel hin ständig ab.
Es hat sich gezeigt, dass durch das besehriebene Verfahren das Ozon (wie aueh andere Gase) in der Flüssigkeit, d. h. im vorliegenden Fall in Wasser, in höherem Masse in Lö- sung geht, als bisher unter dem gegebenen statisehen Druek erzielt wurde. Dies wird darauf zurückgeführt, dass durch die Bechleuni gung des Wassers bei der Rotation des Körpers I und die Bewegung desselben unter der Wirkung der Zentrifugalkraft im Bereich der Wirbelschicht, d. h. in der Nachbarschaft des Gaseintrittes, ein zusätzlieher dynamischer Druck erzeugt wird, entsprechend welchem nun gemäss Partialdruekgesetz in diesem Bereich eine zusätzliche Menge von Gas in Lösung gebracht werden kann.
Bei deren Bewegung aus der Wirbelschicht vermisehtsich die einen hohen Sättigungsgrad an gelöstem Gas aufweisende Flüssigkeit mit frischer Flüssigkeit, so dass in den ausserhalb der Wirbelsehicht liegenden Zonen oder Schichten, in welchen der dynamische Druck sehr klein oder überhaupt nicht mehr vorhanden ist, die Sättigung g dem dort herrsehenden Druck und natürlich ebenfalls der Temperatur angepasst wird.
Bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 besehriebenen Ausführungsform der Einrichtung wird eine kontinuierliche Umwälzung des Wassers in der Behandlungskammer und damit auch im dieselbe umgebenden Behälter dadurch erzeugt, dass das nicht gelöste über sehüssige Gas durch die vertikal angeordnete Behandlungskammer aufsteigt und dabei Was- ser mitreisst. Dadureh bildet sich eine nach aufwärts gerichtete Strömung in der Behand lungskammer, infolge welcher am untern Ende derselben friches Wasser aus dem Behälter einfliesst. Das durch das ungelöste Gas auf- wärt. s mitgetragene Wasser sinkt nach dem Austreten des Gases ausserhalb der Behand lungskammer im Behälter wieder ab oder wird direkt abgeleitet.
Infolge der durch die weitgehend glatte Ausbildung der rotierenden Aussenfläehe 4 geringen Reibung zwischen dieser und der Flüssigkeit in der Behandlungskammer 2 wird die Flüssigkeit, abgesehen von einer dünnen Grenzschicht, nur verhältnismässig langsam mitgeführt, was ein erwünschter Effekt ist.
Diese langsame Rotation der äussern Flüssig- keitssehichten kann durch geeignete Ausge staltung der Innenseite der Kammerwand 3 noch merklieh verringert werden. Die Fig. 2 bis 5 zeigen einige beispielsweise Ausführungen hierfür. In Fig. 2a sind radial gerichtete Randstaubleche 6 vorgesehen, die eventuell auch gegen die Rotationsrichtung geneigt angebracht sein können, wie in Fig. 2b angedeutet. An Stelle der Bandstaubleche 6 kann auch, wie in Fig. 3 und 4, die Innenfläehe der Kammerwand gezackt oder gewellt sein, wie bei 7 bzw. 8 angedeutet.
Schliesslich besteht auch noch, wie in Fig. 5 angedeutet, die Möglichkeit, schmale, axial gerichtete Staubleche 9 in der Nähe der Kammerwand 3 anzubringen und diese um je eine Längsachse 10 verstellbar zu machen, um die Wirkung auf die langsam mitgeführten äussern Flüssigkeits- schichten verändern zu können.
Die in Fig. 2 bis 5 angegebenen Mittel zur Hemmung der langsamen Rotation der äussern Flüssigkeitsschicht dürfen sich nicht so nahe an die Aussenfläehe 4 des Körpers 1 erstrecken, dass die Ausbildung der Wirbelschicht an der Aussenfläche 4 beeinflusst oder gar unterbrochen wird. Durch geeignete Wahl des Durchmessers der Kammer 2 relativ zum Durchmesser des Körpers 1 kann dies sichergestellt werden. Untersuchungen haben einen günstigsten Kammerdurchmesser vom 2, 5- bis 6fachen Wert des Körperdurchmessers ergeben.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung kann natiirlich auch in horizontaler Stellung verwendet werden. Die horizontale Anordnung ermöglicht gleichmässige Gasverteilung über eine beliebige Apparate-Länge, was besonders die Verarbeitung grosser Gasmengen erleichtert.
Statt die Behandlungskammer in einen grö sseren Behälter einzubauen, kann diese auch mit Leitungen für die Zuführung und Abführung der Flüssigkeit verbunden werden und die axiale Durehströmung der Kammer mittels einer Förderpumpe in der Zuführ- leitung erzeugt werden, so da. in der Kammer ein einheitlicher statischer Druck herrscht.
Auch kann die Zuführung des Gases mit einem Druck geschehen, welcher höher liegt als der Flüssigkeitsdruck.
Die Antriebsmittel, die vorzugsweise eine einstellbare und in jeder Einstellung konstante Drehzahl des Körpers 1 ermöglichen, sind beispielsweise ausserhalb der Kammer angeordnet, um längs der wirksamen Ausdehnung dieses Körpers in der Kammer keinerlei Störung der dort vorhandenen Flüssigkeit zu ergeben.
Statt dem Körper 1 das Gas aus dessen Innenraum zuzuführen, d. h. durch Perforationen an die bewegte Fläehe zu bringen, kann dieses auch von ausserhalb des Körpers an die genann'te Fläche herangebracht werden.
Das Verfahren lässt sich für versehiedene Anwendungen mit Vorteil durchführen, und zwar überall da, wo Gase mit Flüssigkeiten bzw. deren chemischen Substanzen physikalische undloder chemische Bindungen eingehen.
Ebenso dort, wo eine direkte Gas-Chemikalienreduktion eintritt. Im ersteren Falle handelt es sieh um ein Gasabsorbtionsverfahren, im zweiten Falle um ein Gasdispersionsverfahren.
Beispielsweise lässt sieh das Verfahren für die Erzeugung von antibiotischen Produkten verwenden, wo eine grosse Luftmenge einerseits zum Waehstum und anderseits zur Abführung der Gärungsgase not. wendig ist. In diesem Falle wird der bewegten Fläche Luft zugeführt, deren Sauerstoff sieh mit der Flirts- sigkeit. physikalisch bindet, jedoch nur zu einem kleinen Teil, während der Rest als Trägergas dient und in erster Linie die entstehende Kohlensäure abführt. Das Verfahren lässt sich beispielsweise auch bei der Mineral ölraffination verwenden, wo Wasserdampf als Gas zugeführt wird. Es ist hierbei darauf zu achten, dass die Betriebstemperatur und der Betriebsdruck eine Kondensation desselben nicht zulassen.
Der Wasserdampf dient hierbei zur Beschleunigung des Destillationsvorgan- ges, wodurch mit einer niedrigeren Temperatur und einem kleineren Vakuum gearbeitet werden kann. Wie schon beschrieben, lässt sich das Verfahren auch für die Sterilisation von Wasser verwenden, wobei das Ozon bei den herrschenden Drücken nicht verflüssigbar ist. jedoch in der Wirbelschicht äusserst sehnell absorbiert wird. In ähnlicher Weise lässt sieh das Verfahren auch für die Carbonisation von Trinkwasser, die Hydrierung von Ölen zur Härtung oder die Überführung von entspreehenden Flüssigkeiten von niederen in höhere Alkohole anwenden.
Zum Austreiben von Gasen aus Flüssigkeiten kann durch disperses Einleiten von Trägergas der gasformig gebundene Bestand- teil ausgetrieben werden.
Für spezielle Anwendungen ist es auch möglieh, die Behandlungskammer statt in axialer in tangentialer Richtung durchströmen ni lassen. Ebenso ist es möglich, diese Kammer statt vertikal oder horizontal geneigt anzuordnen.
Wie schon erwähnt, lässt sich die Behand lungskammer bei Absorbtionsverfahren in Ge fässe einsetzen, was für die Begasung grosser Mengen von Flüssigkeit notwendig ist, da der Rotor nur bis maximal 2 Liter Flüssigkeit pro Minute e und pro cm2 Fläche belastet werden kann. Für die Dimensionierung der Behand lungskammer ist auch die Art der Flüssigkeit massgebend. Flüssigkeiten mit hoher Viskosi- tät bedingen kleinere Kammern und solehe mit niedriger Viskosität, grössere Kammern, wobei jedoeh auch die Durchflussgesehwindigkeit der Flüssigkeit durch die Kammer berüeksiehtigt werden muss.
Der rotierende Körper 1 kann statt zylin- drisch auch kegelförmig ausgebildet sein und statt das Gas nur von einer Seite her in diesen einzuführen, kann derselbe auch beidseitig an n Zufuhrleitungen angeschlossen sein.