Einrichtung zur Gaseintragung in Flüssigkeiten
Viele verfahrenstechnische Prozesse erfordern die Mischung von Gasen und Flüssigkeiten. Das Gas wird also entweder in die Flüssigkeit eingeblasen oder die Flüssigkeitsoberfläche mittels geeigneter Einrichtungen oder Verfahren so aufgerissen, dass eine Vermischung zwischen Flüssigkeitströpfchen und Gas eintritt. Zum Einblasen des Gases ist eine relativ grosse Verdichterleistung erforderlich. Im zweiten Fall ist die Gaseintragung gering. Zudem erfordert die Aufwirbelung der Flüssigkeit Energie.
Zur Verringerung des Energieaufwandes und Eintragung des Gases in feinverteilter Form sind Einrichtungen bekannt geworden, bei denen Strömungskörper in der Flüssigkeit rotieren. Diese sind so geformt, dass sich an bestimmten Stellen Unterdrücke bilden, und gerade hier wird dann das Gas durch Bohrungen oder Schlitze nachgesaugt, wobei die Gaszufuhr in die rotierenden Strömungskörper durch die hohle Antriebswelle hindurch erfolgt.
Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art bewegen sich die Strömungskörper auf Kreis- oder Zylinderflächen, je nachdem, ob sie auf einer Scheibe oder einem Zylinder angeordnet sind. Im ersten Fall ändert sich die Geschwindigkeit und damit der erzielbare Unterdruck mit dem Abstand von der Drehachse. Hierdurch entsteht der Nachteil, dass nicht in allen Punkten der Kreisfläche die gleiche Luftmenge zugeführt wird, oder es muss, wenn man den Unterdruck auch an den inneren Radien gross genug macht, die Luftzufuhr an den äusseren Radien gedrosselt werden. Letztere Massnahme bedeutet jedoch einen Verlust, da der vorhandene Unterdruck nicht voll zur Gaszuführung ausgenutzt wird und andererseits auch die Übergeschwindigkeit der Strömungskörper einen zusätzlichen Strömungswiderstand verursacht.
Bei den auf Zylinderflächen sich bewegenden Strömungskörpern bleiben zwar die Geschwindigkeit und damit der erzielte Unterdruck konstant, in allen zu der Flüssigkeitsoberfläche nicht äquidistanten Punkten der Zylinderfläche wird jedoch die Gaseintragung verschieden sein, gleichgültig, ob die Drehachse horizontal oder vertikal liegt. Es besteht also zum Teil Gasüberschuss und zum Teil Gasmangel.
Eine intensive Umwälzung kann zwar eine Vergleichmässigung des Gasgehaltes bewirken. Es kann jedoch nicht vermieden werden, dass der Gasüberschuss bereits wieder nach der Flüssigkeitsoberfläche hin abgeschieden wurde, ehe eine Vermischung mit lösungsfähigen Flüssigkeitsteilchlen stattfand.
Die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Einrichtungen werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass die Elemente der den Unterdruck erzeugenden Strömungskörper eine mit zunehmender Eintauchtiefe ansteigende Geschwindigkeit haben. Hierdurch soll erreicht werden, dass an allen Öffnungen in den Strömungskörpern, durch welche Gas zugeführt wird, die gleiche Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Strömungskörpers und der Flüssigkeit herrscht. Dadurch kann nicht nur eine gleichmässige Gasdosierung ermöglicht werden, sondern es kann auch das Minimum an Energieaufwand für die Gaseintragung erzielt werden. Das Gas kann entweder durch den Unterdruck an den Strömungskörpern selbst angesaugt oder durch einen Zusatzdruck eingeblasen werden.
Im ersten Fall braucht überhaupt keine Verdichtungsleistung für das Gas, im zweiten Fall nur eine relativ geringe aufgewandt zu werden.
Bewegen sich die Strömungskörper um eine vertikale Drehachse, so muss, um der Forderung der Steigerung der Geschwindigkeit bei zunehmender Ein tauchtiefe zu genügen, der Radius, auf dem sich ein Element des Strömungskörper befindet, mit zunehmender Flüssigkeitstiefe grösser werden. Da die zur Erzeugung eines bestimmten Unterdruckes erforderliche Geschwindigkeit der Wurzel aus der Flüssigkeitstiefe proportional ist, sollten sich die Elemente der Strömungskörper vorzugsweise auf einem nach unten offenen Paraboloid bewegen. Letzteres kann angenähert werden durch eine oder mehrere Kegelflächen sowie durch Kugelflächen, deren Erzeugende ein oder mehrere Kreisbögen sind.
Die Strömungskörper können nicht nur die Gaseintragung erleichtern bzw. ermöglichen, sondern auch für eine Umwälzung der Flüssigkeit sorgen. Zu diesem Zweck können Strömungskörper mit symmetrisch profiliertem Querschnitt einen gewissen Anstellwinkel zur Umfangsrichtung bekommen bzw. kann ihre Profilskelettlinie zusätzlich gewölbt sein.
Durch die letztbeschriebenen Massnahmen wird zweckmässigerweise vorwiegend eine Umwälzgeschwindigkeit parallel zur Drehachse erzeugt. Um jedoch auch einen Flüssigkeitstransport quer zur Drehachse zu bekommen, können die Anstellwinkel der Strömungskörper zur Umfangsrichtung während jeder Umdrehung zwischen zwei Extremwerten geändert werden. Die dadurch entstehende Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Drehachse hat die gleiche Richtung wie die Verbindungslinie, welche man zwischen den peripheren Punkten der beiden extremen Anstellwinkel ziehen kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt:
Abb. 1-3 Querschnitte durch verschiedene Strömungskörper,
Abb. 4 im Aufriss und
Abb. 5 im Grundriss die Gesamtanordnung mehrerer Strömungskörper,
Abb. 6-8 Seitenansichten, teilweise im Schnitt, weiterer Einbaumöglichkeiten von Strömungskörpern und festen Führungskörpern in Flüssigkeitsbehältern,
Abb. 9 im Aufriss und
Abb. 10 im Grundriss eine Anordnung zur Erzeugung einer Strömung senkrecht zur Drehachse der Strömungskörper.
In Abb. 1 ist eine Ausführungsform der Strömungskörper im Querschnitt dargestellt. Das Profil ist symmetrisch zur Skelettlinie S. Die Stirnseite 1 ist so abgerundet, dass sich an der Stelle g, rösster Dicke die Unterdruckspitze einstellt. Hier befinden sich auch die Bohrungen bzw. Schlitze 2 für die Gaszufuhr. Das Gas wird durch den hohlen Holm 3 über die ganze Länge des Strömungskörpers gleichmässig verteilt.
Gemäss Abb. 2 kann man die Profildicke unmittelbar nach Erreichen des grössten Wertes auch sprunghaft verkleinern. Man erreicht dies dadurch, dass man in einem geringen Abstand vor dem mit Bohrungen bzw. Schlitzen versehenen Holm des Strömungskörpers einen Schild 4 anordnet. An dessen Kanten 5 bzw. in dem Raum zwischen diesen und dem Holm herrscht der grösste Unterdruck gegen über dem Druck in der ruhenden Flüssigkeit, so dass an dieser Stelle das Gas zugeführt wird.
Der Strömungskörper gemäss Abb. 3 weist eine unsymmetrische Form auf. Mit A ist die Anströmrichtung, mit a der Anstellwinkel bezeichnet.
In Abb. 4 ist die Gesamtanordnung mehrerer Strömungskörper auf einer gemeinsamen, rotierenden, vertikalen Welle im Aufriss und in Abb. 5 im Grundriss dargestellt. 6 ist das Becken oder der Kanal, der mit der zu begasenden Flüssigkeit gefüllt ist. An den Trägern 7 ist die Lagerung 8 der Welle 9 befestigt, die durch einen Getriebemotor 10 angetrieben wird. Mit der Welle sind Traversen oder eine Scheibe 11 gekuppelt, welche die Strömungskörper
12 tragen. Zur Versteifung können deren untere Enden an einem Ring 13 befestigt sein.
Die theoretische Mittellinie eines jeden Strö mungskörpers - unter der Voraussetzung, dass in allen Elementen der Strömungskörper der erzielte Unterdruck gleich der über dem Element stehenden Flüssigkeitssäule ist - würde eine in der Wasseroberfläche beginnende, nach unten offene Parabel sein. Um ein gewisses Gefälle für die Gaszufuhr zu bekommen, wird man die Strömungskörper auch in der Wasseroberfläche bereits mit einer bestimmten Geschwindigkeit betreiben. Es findet also eine Verschiebung des Parabelanfanges nach oben statt. Da unter diesen Umständen der in die Flüssigkeit eintauchende Teil der Strömungskörper nicht mehr so stark gekrümmt ist, kann man die Mittellinie durch eine oder mehrere Geraden bzw. Kreisbögen ersetzen. Es ist nicht unbedingt notwendig, dass der Parabelexponent 2,0 ist.
Man wird ihn den Eigenschaften des gewählten Profils sowie dem Einfluss der mit der Flüssigkeitstiefe sich ändernden Vorrotation anpassen.
Der Zweck, nämlich die Erzeugung einer gleichmässigen, von der Eintauchtiefe unabhängigen Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Strömungskörper - wobei sich innen Gas befindet - und der umgebenden Flüssigkeit wird mit symmetrischen Profilen, deren Skelettlinie in Umfangsrichtung liegt, erreicht. Als Nebenwirkung wird infolge der Schleppwirkung der Strömungskörper eine gewisse Zirkulation erzeugt. Diese kann man zum Flüssigkeitstransport ausnutzen, wenn man eine Leitwand 15, Abb. 5, einbaut, die etwa in der Drehachse beginnt und sich nach der gewünschten Abströmrichtung hin erstreckt. In der Durchschlagsebene der Strömungskörper besitzt die Leinwand 15 einen Schlitz.
Die Transportwirkung der Strömungskörper lässt sich vergrössern, wenn man der Profilskelettlinie einen Anstellwinkel a zur Umfangsrichtung gibt bzw. sie zusätzlich wölbt (Abb. 3). Durch diese Massnahme wird vorzugsweise eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Drehachse erzeugt. Die Ausnutzung dieser Geschwindigkeit zur Umwälzung in einem Behälter zeigt Abb. 6. Die Gaseintragung wird unterstützt, wenn die Flüssigkeit durch die Strö mungskörper nach oben gefördert und innerhalb eines zur Drehachse konzentrischen Zylinders 16 wieder nach unten fliesst. Da die Flüssigkeit einen Drall besitzt, wird hinter dem Überlauf 17 der sich aus einem Potentialwirbel ergebende Schlauch ent stehen, durch den zusätzlich Gs in die Flüssiglçeit eingesaugt wird.
Bei einer Anordnung gemäss Abb. 7 wird die Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit vergrössert und damit eine Verkürzung der Prozessdauer bzw. eine Verkleinerung der Reaktionsräume ermöglicht.
Der Behälter 18 ist hierbei höher als die Eintauchtiefe der Strömungskörper 12. Letztere erteilen der Flüssigkeit eine Vertikalgeschwindigkeit nach unten.
Wenn diese Geschwindigkeit die Steiggeschwindigkeit der Gasblasen übertrifft, werden sie mit nach unten gerissen. Dadurch kommen sie in ein Gebiet höheren Druckes, so dass auch ein grösserer Gasanteil gelöst wird. Der ringförmige Führungskörper 19 hat die Aufgabe, die gewünschte Geschwindigkeit zu erzwingen. Sein Durchmesser ist vorzugsweise so gewählt, dass die Abwärtsgeschwindigkeit aussen grösser ist als die Aufwärtsgeschwindigkeit innen.
Tn Abb. 8 ist eine beispielsweise Ausführung ge zeigt, bei der zwei Reihen von Strömungskörpern 20 und 21 konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Beide drehen sich unabhängig voneinander, und zwar die innere Reihe 20 mit einer höheren Drehzahl als die äussere 21. Zur Aufhebung des durch die eine Reihe erzeugten Dralles kann sich die andere gegenläufig drehen. Dadurch wird die Relativgeschwindigkeit zwischen Strömungskörper und Flüssigkeit ver gröss. rt und damit auch die eingetragene Gasmenge.
Es ist beispielsweise ein Zylinder 22 vorgesehen, welcher die Strömungskörper umgreift, während der Behälter selbst noch einen grösseren Durchmesser hat. Dadurch werden wieder zwei Strömungsräume zur Erzielung einer eindeutigen Umwälzung abgegrenzt.
Eine Anordnung zur Erzeugung einer Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zur Drehachse der Strömungskörper zeigen die Abb. 9 im Aufriss und 10 im Grundriss. Die Mittellinie der Strömungskörper 23 ist hierbei vorzugsweise eine Gerade. Die Strömungskörper sind um ihre Mittellinie drehbar. Die Drehbewegung wird in bekannter Weise mittels einer Kurbel 24 erzeugt. Der Kurbelzapfen 25 greift unter Zwischenschaltung einer Rolle 26 in eine kreisrunde Führungsnut 27 ein, deren Mittelpunkt exzentrisch zur Drehachse der Strömungskörper eingestellt und die auch axial verschoben werden kann. Daraus resultiert eine Änderung der Anstellwinkel über dem Umfang und eine in Richtung der Exzentrizität ver laufende (: Querströmung, wie Abb. 10 zeigt.
Ausser der gezeigten Lösung zur Änderung des Anstellwinkels während einer Umdrehung können auch andere bekannte Verfahren benutzt werden.
Device for introducing gas into liquids
Many engineering processes require the mixing of gases and liquids. The gas is either blown into the liquid or the liquid surface is torn open by means of suitable devices or methods in such a way that the liquid droplets and gas mix. A relatively large compressor output is required to inject the gas. In the second case, the gas input is low. In addition, the whirling up of the liquid requires energy.
To reduce the energy expenditure and to introduce the gas in finely divided form, devices are known in which flow bodies rotate in the liquid. These are shaped in such a way that negative pressures form at certain points, and it is precisely here that the gas is then sucked in through bores or slots, the gas being fed into the rotating flow bodies through the hollow drive shaft.
In the known devices of this type, the flow bodies move on circular or cylindrical surfaces, depending on whether they are arranged on a disk or a cylinder. In the first case, the speed and thus the achievable negative pressure changes with the distance from the axis of rotation. This has the disadvantage that the same amount of air is not supplied to all points of the circular area, or the air supply to the outer radii must be throttled if the negative pressure is also made large enough at the inner radii. The latter measure, however, means a loss, since the existing negative pressure is not fully utilized for the gas supply and, on the other hand, the excessive speed of the flow bodies also causes additional flow resistance.
In the case of flow bodies moving on cylinder surfaces, the speed and thus the achieved negative pressure remain constant, but in all points of the cylinder surface that are not equidistant to the liquid surface, the gas input will be different, regardless of whether the axis of rotation is horizontal or vertical. So there is partly excess gas and partly insufficient gas.
Intensive circulation can cause the gas content to become more even. However, it cannot be avoided that the excess gas has already been separated off again towards the surface of the liquid before it has been mixed with soluble liquid particles.
The above-described disadvantages of the known devices are avoided according to the invention in that the elements of the flow bodies generating the negative pressure have a speed that increases with increasing immersion depth. This is intended to ensure that the same pressure difference prevails between the interior of the flow body and the liquid at all openings in the flow bodies through which gas is supplied. As a result, not only can the gas be metered evenly, but the minimum amount of energy required for gas input can also be achieved. The gas can either be sucked in through the negative pressure on the flow bodies themselves or blown in through an additional pressure.
In the first case, there is absolutely no need to apply any compression power to the gas, in the second case only a relatively low one.
If the flow bodies move around a vertical axis of rotation, the radius on which an element of the flow body is located must increase as the depth of the liquid increases in order to meet the requirement of increasing the speed with increasing immersion depth. Since the speed required to generate a certain negative pressure is proportional to the root of the liquid depth, the elements of the flow bodies should preferably move on a paraboloid that is open at the bottom. The latter can be approximated by one or more conical surfaces and by spherical surfaces whose generators are one or more circular arcs.
The flow bodies can not only facilitate or enable the introduction of gas, but also ensure that the liquid is circulated. For this purpose, flow bodies with a symmetrically profiled cross section can have a certain angle of incidence to the circumferential direction or their profile skeleton line can be additionally curved.
The last-described measures expediently predominantly generate a circulation speed parallel to the axis of rotation. However, in order to get a liquid transport transversely to the axis of rotation, the angle of incidence of the flow bodies to the circumferential direction can be changed between two extreme values during each revolution. The resulting speed component perpendicular to the axis of rotation has the same direction as the connecting line that can be drawn between the peripheral points of the two extreme angles of attack.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing. It shows:
Fig. 1-3 Cross sections through different flow bodies,
Fig. 4 in elevation and
Fig. 5 shows the overall arrangement of several flow bodies in plan,
Fig. 6-8 Side views, partly in section, further installation options for flow bodies and fixed guide bodies in liquid containers,
Fig. 9 in elevation and
Fig. 10 shows an arrangement for generating a flow perpendicular to the axis of rotation of the flow body.
In Fig. 1, an embodiment of the flow body is shown in cross section. The profile is symmetrical to the skeleton line S. The end face 1 is rounded in such a way that the vacuum peak occurs at point g, the greatest thickness. The bores or slots 2 for the gas supply are also located here. The gas is evenly distributed over the entire length of the flow body through the hollow spar 3.
According to Fig. 2, the profile thickness can also be reduced by leaps and bounds immediately after reaching the largest value. This is achieved by arranging a shield 4 at a short distance in front of the spar of the flow body provided with bores or slots. At its edges 5 or in the space between these and the spar there is the greatest negative pressure compared to the pressure in the stationary liquid, so that the gas is supplied at this point.
The flow body according to Fig. 3 has an asymmetrical shape. A denotes the direction of flow and a denotes the angle of attack.
In Fig. 4 the overall arrangement of several flow bodies on a common, rotating, vertical shaft is shown in elevation and in Fig. 5 in plan. 6 is the basin or channel that is filled with the liquid to be gassed. The bearing 8 of the shaft 9, which is driven by a geared motor 10, is fastened to the carriers 7. With the shaft cross members or a disk 11 are coupled, which the flow body
12 wear. Their lower ends can be attached to a ring 13 for reinforcement.
The theoretical center line of each flow body - provided that the negative pressure achieved in all elements of the flow body is the same as the liquid column above the element - would be a parabola that begins in the water surface and is open at the bottom. In order to get a certain gradient for the gas supply, the flow bodies will also be operated at a certain speed in the water surface. So there is a shift of the start of the parabola upwards. Since under these circumstances the part of the flow body that is immersed in the liquid is no longer so strongly curved, the center line can be replaced by one or more straight lines or arcs. It is not absolutely necessary that the parabolic exponent be 2.0.
It will be adapted to the properties of the selected profile and the influence of the pre-rotation that changes with the depth of the liquid.
The purpose, namely to generate a uniform pressure difference, independent of the immersion depth, between the interior of the flow body - with gas on the inside - and the surrounding liquid is achieved with symmetrical profiles whose skeleton line lies in the circumferential direction. As a side effect, a certain circulation is generated as a result of the dragging effect of the flow bodies. This can be used for liquid transport if a guide wall 15, Fig. 5, is built in, which begins approximately in the axis of rotation and extends in the desired outflow direction. In the penetration plane of the flow body, the canvas 15 has a slot.
The transport effect of the flow bodies can be increased if the profile skeleton line is given an angle a to the circumferential direction or if it is additionally arched (Fig. 3). This measure preferably generates a speed component parallel to the axis of rotation. The use of this speed for circulation in a container is shown in Fig. 6. The gas entry is supported when the liquid is conveyed upwards through the flow body and flows down again within a cylinder 16 concentric to the axis of rotation. Since the liquid has a swirl, behind the overflow 17 there will be a hose resulting from a potential vortex, through which Gs is additionally sucked into the liquid passage.
In the case of an arrangement according to FIG. 7, the residence time of the gas in the liquid is increased, thus enabling the process time to be shortened and the reaction spaces to be reduced.
The container 18 is higher than the immersion depth of the flow bodies 12. The latter give the liquid a vertical velocity downwards.
If this speed exceeds the rate of rise of the gas bubbles, they are torn down with it. This brings them into an area of higher pressure, so that a larger proportion of gas is also dissolved. The task of the annular guide body 19 is to force the desired speed. Its diameter is preferably chosen so that the downward speed on the outside is greater than the upward speed on the inside.
Tn Fig. 8 shows an example of an embodiment in which two rows of flow bodies 20 and 21 are arranged concentrically to one another.
Both rotate independently of one another, namely the inner row 20 at a higher speed than the outer 21. To cancel the twist generated by one row, the other can rotate in opposite directions. This increases the relative speed between the flow body and the liquid. rt and thus also the amount of gas entered.
For example, a cylinder 22 is provided which engages around the flow body, while the container itself still has a larger diameter. This again delimits two flow spaces in order to achieve a clear circulation.
An arrangement for generating a flow velocity perpendicular to the axis of rotation of the flow bodies is shown in Fig. 9 in elevation and 10 in plan. The center line of the flow bodies 23 is preferably a straight line. The flow bodies can be rotated around their center line. The rotary movement is generated in a known manner by means of a crank 24. The crank pin 25 engages with the interposition of a roller 26 in a circular guide groove 27, the center of which is set eccentrically to the axis of rotation of the flow body and which can also be moved axially. This results in a change in the angle of attack over the circumference and a cross-flow running in the direction of the eccentricity (: cross flow, as Fig. 10 shows.
In addition to the solution shown for changing the angle of attack during one revolution, other known methods can also be used.