CH627092A5 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Injektor zur Flüssigkeitsbegasung.

Zur Intensivierung des Stofftransports im System gasförmig/flüssig werden unter anderem Zweistoffdüsen wie Injektoren, Strahlsauger, Strahldüsen, Venturi-Düsen usw. verwendet. Diesen Düsen ist gemeinsam, dass die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles (nachfolgend Treibstrahl genannt) genutzt wird, um das Gas in möglichst feine Gasblasen zu zerteilen. Solche Düsen werden in zunehmendem Mass als Gasverteiler in Blasensäulen und besonders bei der Begasung von biologischen Klär- oder Fermentationsanlagen mit sauerstoffhaltigen Gasen eingesetzt (deutsche Offenlegungsschriften 2 400 416, 2 404 289, 2 408 064, 2 410 574, 2 516 371, 2 458 449).

Beim Übergang von Zweistoffdüsen mit kleinem Durchmesser (Durchmesser der Treibstrahldüse ë 10 mm) zu grösseren Düsen (Durchmesser der Treibstrahldüse § 10 mm) muss beispielsweise der Nachteil einer wesentlich kleineren Effektivität in Bezug auf die erzeugte Phasengrenzfläche flüssig/gas-förmig in Kauf genommen werden, was sich z.B. in niedrigeren spezifischen Sauerstoff-Eintragswerten (kg Oa/kWh) bemerkbar macht.

Dieser Sachverhalt hängt normalerweise damit zusammen, dass die Randpartien des Treibstrahls stärker am Zerteilen des Gases beteiligt sind als etwa der Kern des Treibstrahls. Da jedoch beim Vergrössern des Treibstrahldurchmessers der Strahlenquerschnitt mit dem Quadrat, sein Umfang aber nur linear zunimmt, ergibt sich üblicherweise mit der Vergrösserung des Treibstrahldurchmessers, dass ein immer kleinerer Anteil des Treibstrahldurchsatzes seine kinetische Energie zum Gaszerteilen in der Zweistoffdüse aufwenden kann (vgl. M.L. Jackson AiChE J. 10 (1964) 6, 846/842, M. L. Jackson und W. D. Collin, I & EC Process Disign and Develop. 3 [1964] 4. 386/393).

Der vorliegenden Erfindung liegt beispielsweise die Auf-5 gäbe zugrunde, neue Injektoren zu konzipieren, die insbesondere bei Vergrösserung des Durchmessers der Treibstrahldüse ihre Effektivität in bezug auf die erzeugte Phasengrenzfläche flüssig/gasförmig behalten.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Flüssigkeitsbegasung io durch Kontaktieren eines gasförmigen Mediums mit einem flüssigen Medium, wobei die Energie des Treibstrahls gezielt zur Erzeugung von Gasblasen ausgenutzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass man den Treibstrahl mit Geschwindigkeiten zwischen 5 bis 30 m pro Sekunde nach Austritt aus der Treib-15 strahldüse in mindestens einem nachfolgenden Mischraum mit schlitzförmigem Austrittsquerschnitt mit Gas innig in Kontakt bringt, wobei das Verhältnis von Gasdurchsatz in mN3 pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m3 pr Stunde auf 1 bis 20 eingestellt wird.

20 Ferner ist der erfindungsgemässe Injektor zur Ausführung des obigen Verfahrens, bei dem die kinetische Energie des flüssigen Treibstrahles zur Erzeugung von Gasblasen in einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischraum so gestaltet ist, 25 dass er einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt besitzt.

Zur Erzeugung einer grossen Stoffaustauschfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas ist es im allgemeinen erforderlich, das Gaskontinuum in feinste Primär-Gasbläschen zu zerteilen und dafür zu sorgen, dass die Gas/Flüssigkeits-Dispersion 30 schnellstens in die umgebende Flüssigkeit eingemischt wird, damit die Gasblasen-Koaleszenz möglichst hintangehalten wird.

Die vorliegende Erfindung löst diese beiden Aufgaben vorzugsweise dadurch, dass der Mischraum des Injektors so aus-35 geführt wird, dass er aus einem bevorzugt kreisrunden bis ovalen Querschnitt (Eintrittsquerschnitt) in einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt übergeht. Erfindungsgemäss ist es üblicherweise nicht notwendig, dass es zwischen Eintritt und Austritt des Mischraumes zu einer Querschnittsverengung kom-40 men muss. Die erfindungsgemässe Gestaltung der Begrenzungsflächen des Mischraumes verursacht zweckmässigerweise eine fortwährende Erhöhung der Schergeschwindigkeiten in der Grenzschicht entlang dieser Begrenzungsflächen des Mischraumes, was sich wiederum günstig auf die Bildung von 45 feinsten Primär-Gasbläschen auswirkt.

Die erfindungsgemässe Massnahme, den Mischraum eines Injektors zum Mischraumende hin in Form eines Schlitzes zu gestalten bringt es normalerweise mit sich, dass aus dem Mischraum anstelle eines üblicherweise dicken Strahles der so Gas/Flüssigkeitsdispersion ein flaches Band herausschiesst. Dieser wird Dank seiner kleineren Dicke leichter durch die umgebende Flüssigkeit verdünnt, wodurch die Tendenz zur Blasen-Koaleszenz im allgemeinen herabgemindert wird.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Gestaltung des 55 Mischraumes eines Injektors bedingen, dass der anfangs erwähnte Nachteil der kleineren Effizienz bei grossen Injektorausführungen in der Regel praktisch aufgehoben wird.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemässen Injektors so dargestellt, dass durch das ausgesparte 60 Segment in der Wandung der Blick in das Innere der Vorrichtung möglich ist:

1 bezeichnet die Treibstrahldüse, durch die die Flüssigkeit geführt wird.

In dem Mischraum 2 werden Gas und Flüssigkeit mitein-65 ander vermischt. Der erforderliche Gaseintritt hierzu erfolgt bei 5, der erforderliche Flüssigkeitseintritt bei 6.

3 bezeichnet den kreisrunden Mischraumeintrittsquer-schnitt für das Gas/Flüssigkeit-Gemisch und 4 den schlitzför-

migen Mischraumaustrittsquerschnitt für das Gas/Flüssigkeit-Gemisch.

Der Injektor besteht u.a. aus einer Treibstrahldüse 1 und einem Mischraum 2. Die Treibstrahldüse weist zwecks Erzeugung eines instabilen und oberflächenaufgerauhten Flüssigkeitsstrahls einen Öffnungswinkel von 5 bis 10° auf. Es sind auch andere Ausführungsformen der Treibstrahldüse möglich, z.B. solche, bei denen der Querschnitt am Treibstrahldüsenaustritt oval ist, um den Flüssigkeitsstrahl besser der Form des anschliessenden Mischraumes anzupassen.

Werden die Abmessungen des Injektors durch die Vielfachen des charakteristischen engsten Durchmessers d der Treibstrahldüse ausgedrückt, so beginnt in einem Abstand von etwa 1 bis 3 d von der Treibstrahldüse entfernt der Mischraum, der in seiner bevorzugten Ausführungsform durch folgende Abmessungen gegeben ist:

Durchmesser des kreisrunden Querschnitts am Beginn des Mischraumes: etwa 3 d,

Länge des Mischraums etwa 5 bis 20 d, vorzugsweise 10 bis 15 d,

Höhe des schlitzförmigen Querschnitts (d. h. der kleinste Durchmesser an der Austrittsfläche) am Ende des Mischraumes: etwa 1 d.

Wird ein Mischraum gewählt, der am Eintritt einen Querschnitt aufweist, der weder kreisrund noch oval ist, so soll seine Querschnittsfläche an dieser Stelle etwa der 5- bis 25fa-chen, bevorzugt jedoch etwa der lOfachen Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an ihrer engsten Stelle entsprechen. Bei diesen Querschnittsflächen kann das Verhältnis des längsten zum kürzesten Durchmesser der Querschnittsfläche etwa zwischen 1 bis 3, vorzugsweise 1 bis 2 liegen. Am Austrittsende des Mischraumes beträgt die Querschnittsfläche etwa das 5-bis 25fache, vorzugsweise das 8- bis 12fache der Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an der engsten Stelle. Vorzugsweise ist auch die Austrittsquerschnittsfläche des Mischraumes mindestens so gross wie die Eintrittsquerschnittsfläche. Bei der Austrittsquerschnittsfläche kann das Verhältnis vom längsten zum kürzesten Durchmesser dieser Fläche etwa zwischen 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10 liegen. Die Entstehung von Drall im Mischraum ist vorzugsweise zu vermeiden.

Die Leistungsfähigkeit eines Injektors mit erfindungsgemäs-ser Ausführung des Mischraumes wird im folgenden mit Versuchsergebnissen belegt, die im allgemeinen an verschieden ausgeführten Injektortypen ermittelt wurden: Diese Injektortypen wurden unter identischen Bedingungen als Gasverteiler in einer Blasensäule eingesetzt, deren Durchmesser 0,60 m und deren Flüssigkeitshöhe 1,80 m betrug. Es wurden 3 Injektortypen miteinander verglichen, deren Treibstrahldüse immer die gleiche Form besass. Ihr engster Durchmesser betrug 10 mm und ihr Öffnungswinkel 7°. Die Länge des Mischraumes betrug bei allen 3 Injektoren 14 d, sein am Anfang kreisrunder Querschnitt hatte einen Durchmesser von 3 d. Die Treibstrahlgeschwindigkeit war bei allen Messungen konstant; sie betrug 14,2 m/sec, bezogen auf den engsten Querschnitt in der Treibstrahldüse.

Beim Injektortyp A verjüngte sich der Mischraum ständig so, dass am Ende ein kreisrunder Querschnitt mit einem

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Durchmesser von 2 d vorlag. Beim erfindungsgemässen Injektortyp B veränderte sich der Querschnitt des Mischraumes stetig so, dass am Ende ein Schlitz von der Höhe (d.h. kleinst-möglicher Durchmesser im Austrittsquerschnitt) 1 d vorlag, wobei seine Querschnittsfläche der eines Kreises vom Durchmesser 2 d (also wie beim Injektortyp A) entsprach. Beim besonders bevorzugten Injektortyp C veränderte sich der Mischraum stetig ebenso wie beim Injektortyp B, womit am Ende ebenso ein Schlitz von der Höhe 1 d vorlag, nur war hier kein Rohr gleichen Querschnitts, sondern ein kegelförmig erweitertes Rohr zu einem Schlitz verengt worden, wobei nach der Abplättung über die ganze Länge des Mischraumes der Querschnitt unverändert geblieben war.

Werden Injektoren zur Beurteilung ihrer Effizienz als Gasverteiler in Blasensäulen vermessen, so lassen sich im allgemeinen bei verschiedenen vorgegebenen Werten der Prozessparameter, Normgasdurchsatz qN und Flüssigkeitsdurchsatz q£ die Höhe der begasten Flüssigkeitsschicht sowie die Druckverluste der beiden Fluids bestimmen. Aus der jeweiligen Höhe der begasten Flüssigkeitsschicht lässt sich in der Regel nach Abzug der Höhe der unbegasten Flüssigkeitssäule das Gasvolumen Vg der Blasensäule berechnen. Aus den Druckverlusten der beiden Fluids werden normalerweise die Netto-Leistungen ermittelt, die zum Verdichten des Gases sowie zum Erzeugen des Treibstrahls nötig sind. Bezieht man nun das Gasvolumen Vg auf die Summe beider dazu aufgewandten Netto-Leistungen XP, so gewinnt man üblicherweise einen Ausdruck für die Effizienz des untersuchten Injektors, der eine Funktion des Verhältnisses beider Prozessparameter ist.

In Fig. 2 ist die Effizienze-Charakteristik der untersuchten drei Injektortypen A, B und C dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse das Verhältnis der beiden Prozessparameter Normgasdurchsatz in m3/h und Flüssigkeitsdurchsatz in m3/h und auf der Ordinate das Gasvolumen Vg in Normkubikmetern mN bezogen auf die Summe beider Netto-Leistungen in Watt aufgetragen.

Man erkennt aus Fig. 2, dass beispielsweise der Injektortyp B im Optimum um etwa 20% besser als der Injektortyp A arbeitet. Beide Ausführungen haben zweckmässig gleiche Anfangs- und Endquerschnitte. Bei Injektortyp B laufen z.B. die Begrenzungsflächen des Mischraumes mit einem grösseren Winkel zusammen, da der Schlitz nur eine Höhe von 1 d aufweist, während die kreisrune Öffnung bei Injektortyp A einen Durchmesser von 2 d hatte.

Vergleicht man Injektortyp C mit der Ausführung B, so ist beispielsweise im Optimum wiederum eine Steigerung der Effizienz von etwa 30% festzustellen. Bei beiden Ausführungen laufen zweckmässig die Begrenzungsflächen des Mischraumes mit dem gleichen Winkel zusammen.

Als ein besonderer Vorteil des Injektortyps C muss beispielsweise noch der Umstand bezeichnet werden, dass seine Effizienz vom Parameter q^qf praktisch unabhängig ist. Injektoren mit flachen Maxima in bezug auf die Effizienz lassen sich normalerweise im Betrieb wesentlich leichter den jeweiligen Gegebenheiten optimal anpassen als solche, deren Effizienzcharakteristik ein enges Maximum durchläuft.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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1. Verfahren zur Flüssigkeitsbegasung durch Kontaktieren eines gasförmigen Mediums mit einem flüssigen Medium, wobei die Energie des Treibstahls gezielt zur Erzeugung von Gasblasen ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den Treibstrahl mit Geschwindigkeiten zwischen 5 bis 30 m pro Sekunde nach Austritt aus der Treibstrahldüse in mindestens einem nachfolgenden Mischraum mit schlitzförmigem Austrittsquerschnitt mit Gas innig in Kontakt bringt, wobei das Verhältnis von Gasdurchsatz in mN3 pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m3 pro Stunde auf 1 bis 20 eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Gasdurchsatz in mN3 pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m3 pro Stunde auf 5 bis 10 eingestellt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Injektor zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die kinetische Energie des flüssigen Treibstrahles zur Erzeugung von Gasblasen in einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischraum so gestaltet ist, dass er einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt besitzt.

4. Injektor gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche am Mischraumaustritt das 5- bis 25fache der Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an der engsten Stelle beträgt.

5. Injektor gemäss einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsquerschnittsfläche des Mischraumes mindestens so gross ist wie die Eintrittsquer-schnittsfläche.

6. Anwendung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 bei Fermentationsprozessen.

7. Anwendung gemäss Anspruch 6 bei der Begasung von Abwasser.