CH634758A5 - Vorrichtung zum einbringen von gasen in fluessigkeiten. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von Gasen in Flüssigkeiten, mit einer an eine Umwälzpumpe angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, einer oxidierende Gase führenden Leitung, einer Mischkammer zum Vermischen der Flüssigkeit mit dem Gas und Austrittsdüsen zum Ausstossen des Flüssigkeitsgasgemisches, wobei Flüssigkeitsleitung und gasführende Leitung von gesonderten Rohren gebildet sind. Bei der Wasser- und Abwasserbehandlung stellt sich immer wieder die Aufgabe, Luft, sauerstoffhaltige Gasgemische oder gasförmigen Sauerstoff in Wasser zu lösen, um damit chemische oder biochemische Oxidationsvorgänge an den Inhaltsstoffen der wässerigen Phase zu ermöglichen. Bei der Aufarbeitung von Abwässern hat das sogenannte Belebtschlammverfahren besondere Bedeutung erlangt. Die für den biologischen Abbau des Wassers eingesetzten Bakterien entwickeln ihre reinigende Wirkung dann am günstigsten, wenn ihnen der lebensnotwendige Sauerstoff in möglichst hohem Masse angeboten wird.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Einbringen von Gasen in Wasser diese durch einen porösen Körper in das Wasser einzuleiten. Beim Austritt unter dem Wasserspiegel löst sich der Luftstrom in kleine Bläschen auf, und es bildet sich eine sehr grosse Grenzfläche zwischen Gasphase und flüssiger Phase aus. Der Strömungswiderstand dieser porösen Körper bringt aber einen hohen Energieverbrauch für das Einbringen von Gasen in Wasser mit sich.

Zur Verbesserung der Durchmischung der Gasphase mit der flüssigen Phase wurde auch bereits vorgeschlagen, rotierende Belüfterwalzen oder Belüfterkreisel zu verwenden, jedoch ist auch bei diesen Verfahren der Energieverbrauch relativ hoch. Darüber hinaus bringen unter Wasser rotierende Maschinenteile Verschleissprobleme mit sich.

Weitere bekannte Vorschläge, vor allem für die Begasung von Abwässern, betreffen die Injektorbegasung. Es sind dies Verfahren, welche sowohl Flüssigkeit als auch Gas über Mischräume bzw. Düsen nach dem Injektorprinzip zusammenführen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung geht von einem solchen Injektorbegaser der eingangs genannten Art aus und hat sich die Aufgabe gestellt, eine konstruktiv besonders einfache und den jeweiligen Erfordernissen in besonders einfacher Weise anpassbare Vorrichtung zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Vorrichtung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass an Durchbrechungen im Mantel der Flüssigkeitsleitung Rohre angeschlossen sind, welche die Gasleitung durchsetzen, dass diese Rohre in ihrem innerhalb der Gasleitung angeordneten Bereich düsenartige Verengungen und in Strömungsrichtung hinter den düsenartigen Verengungen an ihrem Mantel als Ansaugöffnungen ausgebildete Durchbrechungen für das Gas aufweisen, und dass diese Rohre an ihrem freien Ende die Austrittsdüsen zum Ausstossen des in der innerhalb des Rohres ausgebildeten Mischkammer erzeugten Flüssigkeitsgasgemisches aufweisen. Dadurch, dass Rohre an radialen Durchbrechungen der Flüssigkeitsleitung angeschlossen sind, lässt sich ein einfacher Zusammenbau, beispielsweise durch einfaches Zusammenstecken, erreichen. Dadurch,

dass diese Rohre die Gasleitung durchsetzen und in-ihrem innerhalb der Gasleitung angeordneten Bereich düsenartige Verengungen und über ihrem Mantel verteilte Ansaugöffnungen für das Gas aufweisen, kann eine gesonderte Mischkammer entfallen und es wird auch hiebei wieder der Vorteil erreicht, dass die Rohre einfach durch die entsprechenden Durchbrechungen der Gasleitung hindurchgesteckt werden. Durch die düsenartigen Verengungen in den Rohren wird Gas durch Injektorwirkung angesaugt und das so gebildete Gas-Wasser-Gemisch kann in das zu reinigende Abwasser ausgestossen werden. Auf diese Weise wird eine rasche und gute Durchmischung der flüssigen und der Gasphase erzielt. Die Gas führende Leitung kann unter atmosphärischem oder unter erhöhtem Druck stehen. Über die an den freien Enden dieser Rohre vorgesehenen Austrittsdüsen kann das im Inneren der Gasleitung erzeugte Gas-Luft-Gemisch in den Behälter ausgestossen werden. Durch die Kombination dieser Merkmale wir eine einfache Vorrichtung geschaffen, welche eine optimale Anpassung an die jeweiligen Formen und Abmessungen des Abwasserbehälters erlaubt und nur mit einer geringen Anzahl von verschiedenen Bauteilen auskommt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich im besonderen dadurch aus, dass sie es ermöglicht, eine grosse Anzahl von Mündungen innerhalb des Behälters anzuordnen, durch welche das Gas-Wasser-Gemisch in die wässerige

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Phase ausgestossen wird. Es wird so mit einfachen Mitteln möglich, eine sehr gleichmässige und vollständige Durchmischung des gesamten Behälterinhaltes zu erzielen. Die Flüs-sigkeits- und die Gasleitung können beispielsweise von Kunststoff- oder Metallrohren gebildet sein. In jedem Fall können die radialen Durchbrechungen in einfacher Weise, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden.

Der Umriss der lichten Öffnung der düsenartigen Verengungen ist vorzugsweise im Verhältnis zum Querschnitt derselben grösser gewählt als das Verhältnis, welches bei einem einzigen kreisförmigen Querschnitt gleicher Querschnittsfläche besteht. Dadurch wird die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahles erhöht und da die Lösung von Gasen in Flüssigkeiten proportional dem vorhandenen Gasdruck und der Oberfläche der Flüssigkeit ist, wird ein sehr hohes Ausmass der Durchmischung der Gasphase mit der flüssigen Phase gewährleistet. Der Querschnitt der düsenartigen Verengung soll hiebei vom Kreisquerschnitt abweichen und die düsenartige Verengung kann entweder einen langgestreckten Querschnitt aufweisen, als Ringdüse ausgebildet sein oder aber eine Mehrlochdüse sein, wobei allen diesen Ausführungsformen der düsenartigen Verengung gemeinsam ist, dass sie eine möglichst grosse Oberfläche des Wasserstrahles zur Folge haben.

Vorzugsweise ist die Ausbildung so getroffen, dass die Innenwand der düsenartigen Verengung Strömungsleitflächen, insbesondere Rillen, aufweist, welche vorzugsweise schrau-benlinienförmig verlaufen. Durch diese Strömungsleitflächen wird dem Wasser zusätzliche Turbulenz gegeben, wodurch eine noch bessere Durchmischung erzielt werden kann.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann mit Vorteil so ausgebildet sein, dass an die Austrittsdüsen der Rohre ein Diffusor angeschlossen ist und an der Anschlussstelle des Diffusors an die Austrittsdüsen Durchbrechungen vorgesehen sind. Dadurch kann in einfacher Weise weiteres Gas bzw. Chemikalien dem Mischstrahl zugesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Ausführungsform der er-findungsgemässen Vorrichtung in der Draufsicht, Fig. 2 die Ausführungsform nach Fig. 1 im Schnitt nach der Linie II—II der Fig. 1 und Fig. 3 eine Ansicht derAusbildungsform nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles III der Fig. 2, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der erfin-dungsgemässen Vorrichtung, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 und Fig. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VI der Fig. 5, Fig. 7 einen Querschnitt analog zu Fig. 2 und Fig. 5 durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, Fig. 8 eine der Fig. 2 analoge Darstellung der Vorrichtung, bei welcher zusätzlich ein Diffusor angeordnet ist, Fig. 9 eine schematische Wiedergabe der Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse innerhalb der Vorrichtung gemäss Fig. 8, Fig. 10 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung mit gekrümmten Luft- und Wasserrohren, Fig. 11 einen Längsschnitt durch eine Wasserdüse, Fig. 12 bis 16 verschiedene Düsenquerschnitte für die Wasserdüse und Fig. 17 bis 20 eine schematische Darstellung der Anordnung der Vorrichtung in verschiedenen Behältern.

Bei der Darstellung nach Fig. 1 bis 3 ist die Druckwasserleitung von einem Rohr 1 und die Gasleitung von einem Rohr 2 gebildet. In radialer Richtung an das Wasserrohr 1 sind Rohre 3 angeschlossen, welche, wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine die düsenartige Verengung bildende Wasserdüse 4 aufweisen. Das Rohr 3 weist im Inneren der gasführenden Rohre 2 Durchbrechungen 6 auf, welche über den Umfang der Rohre 3 verteilt sind. Der aus der Wasserdüse 4 in der Mischkammer 5 austretende Strahl saugt Gas aus der gasführenden Leitung 2 an, und das angesaugte Gas vermischt sich in der innerhalb der Rohre 3 ausgebildeten Mischkammer 5 mit der flüssigen Phase. Das gebildete Gas-Wasser-Gemisch wird durch eine Austrittsdüse 7 in das Innere des Behälters ausgestossen, wobei das Wasser von einer nicht-dargestellten Pumpe in die Wasserrohre 1 gepresst wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 weist das Rohr 3 nur über einen Teilbereich seiner Oberfläche in Strömungsrichtung nach der Wasserdüse 4 Durchbrechungen für das Ansaugen von Luft aus der Rohrleitung 2 auf. Das Rohr 3 durchsetzt hiebei im wesentlichen tangential die Gasrohre 2 und das gebildete Gas-Wasser-Gemisch wird wiederum durch die Austrittsdüse 7 in den Behälter ausgestossen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind zwei Rohre 3 an ein Wasserrohr 1 angeschlossen. Jedes dieser Rohre 3 durchsetzt ein Luftrohr 2 und weist im Inneren dieses Luftrohres 2 Ansaugöffnungen 6 für die Luft auf. Die Anordnung ist bei dieser Ausbildung so getroffen, dass die Rohre 3 miteinander einen Winkel von 180° einschliessen. Es ist jedoch durchaus denkbar, beliebige Winkel zwischen den beiden Mischrohren zu wählen und auf diese Weise den geometrischen Verhältnissen im Abwasserbehälter Rechnung zu tragen. Da die Rohre 1 und 2 von herkömmlichem Metall oder Kunststoff gebildet werden können, können diese Rohre beliebig zusammengesetzt werden und sich über weite Bereiche des Ab-wasserbehälters erstrecken.

An Hand der Fig. 8 und 9 soll die Wirkungsweise der Vorrichtung näher erläutert werden. Das in das Rohr 1 von einer Pumpe geförderte Abwasser weist an der Anschlussstelle in das Mischrohr 3 einen bestimmten Druck und eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit auf. Beim Durchtritt des Wassers durch die Wasserdüse 4 fallt, wie in Fig. 9 dargestellt, der Druck ab, wobei die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Der Wasserstrahl gelangt mit hoher Geschwindigkeit und geringem Druck in den Bereich der Lufteintrittsöffnungen 6 des Rohres und vermischt sich mit der angesaugten Luft innerhalb der Mischkammer 5. In dieser Mischkammer 5 kann ein Druckanstieg und damit gleichzeitig ein Absinken der Strömungsgeschwindigkeit beobachtet werden. Dieser Druckanstieg führt zu einer besseren Löslichkeit der Luft im Wasser, da die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit in erster Linie vom Druck und der Grenzflächenoberfläche der beiden Phasen abhängt. Die Mischkammer 5 wird an der einen Seite von der Stirnfläche 8 der Wasserdüse und an der anderen Seite von der Mündung der Austrittsdüse 7 begrenzt. Das Luft-Wasser-Gemisch tritt nun bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform über die Austrittsdüse 7 in einen Diffusor 9 aus. Bedingt durch den sich verjüngenden Querschnitt der Austrittsdüse wird wiederum ein Druckabfall und eine Steigung der Austrittsgeschwindigkeit beobachtet, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Innerhalb des Diffusors 9 fällt nun die Geschwindigkeit erneut ab und der Druck nimmt zu. In dieser Zone wird daher ein grosser Teil des Sauerstoffes, welcher noch nicht gelöst ist, entsprechend seinem steigenden Partialdruck in der Gasphase im Wasser gelöst und es kann daher durch die Anordnung eines solchen Diffusors die Wirkung der Mischkammer 5 noch weiter verbessert werden. In unmittelbarer Nähe der Anschlussstelle des Diffusors 9 an die Austrittsdüse 7 können weitere Durchbrechungen 10 angeordnet sein, über welche weiteres Gas oder aber Chemikalien dem Mischstrahl zugesetzt werden können. Diese Durchbrechungen 10 können in analoger Weise wie die Durchbrechungen 6 innerhalb einer weiteren Luftleitung angeordnet sein.

Die Luft im Rohr 2 kann bei der Vorrichtung unter atmosphärischem Druck oder aber unter erhöhtem Druck stehen. Es ist selbstverständlich, dass die Löslichkeit der Gas-

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phase in der Flüssigkeit bei zunehmendem Druck in der Luftleitung zunimmt.

In Fig. 10 sind zwei konzentrisch verlaufende Rohrleitungen 1 und 2 dargestellt. Von der wasserführenden Rohrleitung 1 erstrecken sich die Rohre 3 in radialer Richtung zum Zentrum des Krümmungskreises der Rohre und durchsetzen die luftführenden Rohre 2. Die Austrittsdüsen 7 sind gleichfalls radial gerichtet und die Ausbildung kann hiebei entweder entsprechend den Fig. 1 bis 3 oder 4 bis 6 getroffen sein.

Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt durch eine Wasserdüse 4, in welcher die Strömungsrichtung mit dem Pfeil 11 angedeutet ist. Die Fig. 12 bis 16 zeigen nun Ansichten einer solchen Wasserdüse 4 in Richtung ihrer Stirnfläche 8, wobei in Fig. 12 ein kreisförmiger Querschnitt dargestellt ist. Fig. 13 zeigt eine Mehrlochdüse, welche gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt eine wesentlich verbesserte Durchmischung der Gasphase mit der flüssigen Phase gewährleistet, da die mit der Gasphase in Berührung stehende Oberfläche des Strahles im Verhältnis zum Querschnitt vergrössert ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Querschnittes der Wasserdüse 4 führen zu einer weiteren Vergrösserung der Oberfläche des Strahles im Verhältnis zum Querschnitt der Düsenöfihung. So ist in Fig. 14 ein Schlitz, in Fig. 15 ein im wesentlichen 3zackiger Düsenmündungsquerschnitt und in Fig. 16 der Querschnitt einer Ringdüse dargestellt.

Die Fig. 17 bis 20 veranschaulichen schematisch verschiedene beispielhafte Anordnungen der Einrichtung innerhalb von Behältern verschiedener Form. Mit 1 sind wiederum die wasserführenden Leitungen und mit 2 die luftführenden Leitungen bezeichnet, wobei der Behälter in Fig. 17 mit 12 bezeichnet ist. Mit 7 sind die Austrittsdüsen des Mischstrahles angedeutet. In Fig. 18 ist ein Behälter 13 mit im we-. s sentlichen quadratischem Grundriss ersichtlich, wobei das Wasserrohr 1, ebenso wie das Luftrohr 2, dem Umfang dieses Behälters folgt. In Fig. 19 ist ein Behälter dargestellt, dessen Querschnitt einem ovalen Ring entspricht. Die Anordnung der Wasser- und der Luftrohre ist hiebei so getroffen, io dass durch die aus den Austrittsdüsen 7 austretenden Mischstrahlen eine Strömungsrichtung längs des ringförmigen Querschnittes erzielt wird. In Fig. 20 ist ein im wesentlichen zylindrischer Behälter 15 in der Draufsicht dargestellt. Die Wasserrohre 1 sind innerhalb dieses Behälters 15 innen und 15 aussen konzentrisch von Luftrohren 2 umgeben und die Strömungsrichtung der Mischstrahlen, welche die Austrittsdüsen verlassen, ist abwechselnd radial nach innen und radial nach aussen gewählt.

Die Anordnung der Rohre relativ zueinander kann auch 2o so erfolgen, dass jeweils Wasserrohre und Luftrohre in Achsrichtung des Behälters übereinander angeordnet sind, wobei die von den Wasserrohren abzweigenden und die Luftrohre durchsetzenden Rohre im wesentlichen parallel zur Behälterachse verlaufen. Wenn bei einer solchen Anordnung die 25 Wasser- und Luftrohre aus Kunststoff bestehen, kann die Ausbildung flexibel sein und ein derartiges vorgefertigtes Rohrsystem kann entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen gebogen und beispielsweise entlang der Behälterwandung verlegt werden.

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2 Blatt Zeichnungen

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634758 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Einbringen von Gasen in Flüssigkeiten, mit einer an eine Umwälzpumpe angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, einer oxidierende Gase führenden Leitung, einer Mischkammer zum Vermischen der Flüssigkeit mit dem Gas und Austrittsdüsen zum Ausstossen des Flüssigkeitsgasgemisches, wobei Flüssigkeitsleitung und gasführende Leitung von gesonderten Rohren gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an Durchbrechungen im Mantel der Flüssigkeitsleitung (1) Rohre (3) angeschlossen sind, welche die Gasleitung (2) durchsetzen, dass diese Rohre (3) in ihrem innerhalb der Gasleitung (2) angeordneten Bereich düsenartige Verengungen (4) und in Strömungsrichtung hinter den düsenartigen Verengungen (4) an ihrem Mantel als Ansaugöffnungen ausgebildete Durchbrechungen (6) für das Gas aufweisen, und dass diese Rohre (3) an ihrem freien Ende die Austrittsdüsen (7) zum Ausstossen des in der innerhalb des Rohres (3) ausgebildeten Mischkammer (5) erzeugten Flüssigkeitsgasgemisches aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umriss der lichten Öffnung der düsenartigen Verengungen (4) im Verhältnis zum Querschnitt derselben grösser gewählt ist als das Verhältnis, welches bei einem einzigen kreisförmigen Querschnitt gleicher Querschnittsfläche besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der düsenartigen Verengung (4) vom Kreisquerschnitt abweicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die düsenartige Verengung (4) einen langgestreckten Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die düsenartige Verengung (4) eine Ringdüse ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die düsenartige Verengung (4) als Mehrlochdüse ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der düsenartigen Verengung (4) Strömungsleitflächen, insbesondere Rillen, aufweist, welche vorzugsweise schraubenlinienförmig verlaufen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Austrittsdüsen (7) der Rohre (3) Diffusoren (9) angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anschlussstelle der Diffusoren (9) an die Austrittsdüsen (7) Durchbrechungen (10) der Diffusoren (9) für die Zufuhr von weiterem Gas oder von Chemikalien in den Mischstrahl angeordnet sind.