DE10114936A1 - Fluidreaktoranlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidreaktoranlage zur physikalisch-chemischen Behandlung von fluiden Medien. DOLLAR A Die Fluidreaktoranlage besteht aus einem Gehäuse mit einem rotationssymmetrischen, im Längsschnitt herzförmigem Hohlraum (der Reaktionskammer), einem oder mehreren mit der Reaktionskammer verbundenen Zuflüssen und einem Abfluß für das zu behandelnde Medium, einem Zufluß für ein Zugabemedium und Peripheriebauteilen wie Schläuchen oder Rohren zum Medientransport, Ventilen, Strömungsteilern, Vorbehandlungseinheit. DOLLAR A In dem Gehäuse befindet sich ein rotationssymmetrischer Hohlraum mit mindestens einem Medienzufluß und mindestens einem Medienabflußrohr. Der Hohlraum und die Zu- bzw. Abflußöffnungen sind derart gestaltet und zueinander angeordnet, daß in dem zu behandelnden Fluid beim Durchströmen des Hohlraums von der Einlaß- zur Auslaßöffnung möglichst große, durch Reibung der einzelnen Strömungsschichten untereinander und mit der Wandung des Hohlraums erzeugte Schubspannungen erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidreaktoranlage zur physikalisch-chemischen Behandlung von fluiden Medien. Als fluide Medien im Sinne dieser Lehre sind gasförmige und flüs­ sige Stoffe und Gemische aus gasförmigen oder/und flüssigen Stoffen zu verstehen.

Vorrichtungen zum mechanischen Reinigen von Flüssigkeiten oder Gasen sind z. B. aus AT 272 278 und DE 195 25 920 bekannt. Grundlage dieser Vorrichtungen ist die Nut­ zung einer Reaktionskammer, bei welcher Wasser oder Abgase tangential eingeblasen werden, sich rotierend zum unteren Ende der Kammer bewegen, wobei über Öffnungen im unteren Scheitel des Gerätes Reaktionskomponenten zugegeben werden und die Re­ aktionskomponenten durch ein Auslaßrohr am unteren Ende der Reaktionskammer ent­ gegen der bisherigen Strömungsrichtung die Kammer wieder verlassen.

Nach der Beschreibung in diesen Patentschriften wird beispielsweise Wasser der Kam­ mer zugeführt. Entlang der Kammerwandung entsteht ein mit der Spitze nach unten gerichteter wandernder Wirbel. Am unteren Scheitelpunkt wird dieser Wirbel mit einem Reaktionsmittel über eine oder mehrere koaxial angeordnete Düsen gemischt und wan­ dert in Folge als Spirale auf der Innenseite in entgegengesetzte Richtung in ein verlän­ gertes Auslaufrohr und in diesem in zykloiden Bewegungen nach oben. Nach AT 272 278 und DE 195 25 920 kann Wasser in zykloiden Bewegungen unter bestimmten Um­ ständen die Fähigkeit haben, Synthesen verschiedener Art zu ermöglichen. Dabei be­ ginnen die Reaktionen nach AT 272 278 im unteren Scheitelpunkt und setzen sich im Ausstoßrohr unter zykloiden Bewegungen fort. Für die Reaktion vorteilhaft ist dabei laut AT 272 278, daß durch einen ". . . inneren zentralen Sogwirbel Sekundärluft für die Reaktion angesaugt wird".

Derartige Wirbelbildungen sind u. a. auch bei Zyklonen oder Zentrifugen bekannt und fördern in geringem Maße chemische Reaktionen im Medium.

In DE 195 25 920 ist eine Ergänzung der Vorrichtung aus AT 272 278 beschrieben, bei welcher das zu reinigende Medium im Wechsel steigend und fallend durch miteinander verbundene Zulaufrohre strömt und im Anschluß nach dem Auslaß aus der Kammer in ein Rohrlabyrinth zur Sedimentation oder zum Abfangen der verdichteten Abprodukte geleitet wird.

Nachteile dieser Vorrichtungen bestehen in der komplizierten Ausführung, der Unhand­ lichkeit für einen gezielten technischen Einsatz, der mangelhaften Verstellbarkeit und daraus folgend schlechten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zur physika­ lisch-chemischen Behandlung fluider Medien zur Erreichung eines oder mehrerer der folgenden Ziele: Abbau organischer und anorganischer Inhaltsstoffe fluider Medien durch Abtötung von Mikroorganismen, Zerkleinerung langkettiger molekularer Verbin­ dungen und Abbau durch chemische Reaktionen, Änderung der Viskosität oder/und der Oberflächenspannung von Fluiden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur physikalisch­ chemischen Behandlung von fluiden Medien mit den Merkmalen nach Anspruch 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhalten die Merkmale nach den Ansprüchen 2 bis 17. Als fluide Medien im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre sind gasförmige und flüssige Stoffe und Gemische aus gasförmigen oder/und flüssigen Stof­ fen zu verstehen.

Die Fluidreaktoranlage besteht aus einem Gehäuse mit einem rotationssymmetrischen, im Längsschnitt herzförmigem Hohlraum (der Reaktionskammer), einem oder mehreren mit der Reaktionskammer verbundenen Zuflüssen und einem Abfluß für das zu behan­ delnde Medium, einem Zufluß für ein Zugabemedium und Peripheriebauteilen wie Schläuchen oder Rohren zum Medientransport, Ventilen, Strömungsteilern, Vorbehand­ lungseinheit.

In dem Gehäuse befindet sich ein rotationssymmetrischer Hohlraum mit mindestens einem Medienzufluß und mindestens einem Medienabflußrohr. Der Hohlraum und die Zu- bzw. Abflußöffnungen sind derart gestaltet und zueinander angeordnet, daß in dem zu behandelnden Fluid beim Durchströmen des Hohlraums von der Einlaß- zur Auslaß­ öffnung möglichst große, durch Reibung der einzelnen Strömungsschichten untereinan­ der und mit der Wandung des Hohlraums erzeugte Schubspannungen erzeugt werden.

Das Gehäuse verfügt im oberen Teil seitlich über mindestens einen Medienzufluß mit einer in den Hohlraum mündenden Zuflußöffnung. Zweckmäßigerweise sind der oder die Medienzuflüsse so angeordnet, daß das zu behandelnde Fluid im Querschnitt der Zuflußöffnung tangential zur Mantelfläche des Hohlraums und mit fallender Einström­ richtung in den Hohlraum tritt.

Ebenfalls im oberen Teil des Hohlraums verfügt das Gehäuse über eine zentral ange­ ordnete Abflußdurchführung, die vorzugsweise in Richtung der Längsachse des Hohl­ raums und dadurch mit ihr zusammenfallend durch die Wandung des Gehäuses geführt ist.

Durch diese Abflußdurchführung ist ein Abflußrohr in den Hohlraum bis fast an das untere Ende desselben eingeführt, wobei das Abflußrohr in der Abflußdurchführung verschieblich gelagert ist, so daß der Abstand zwischen der Mündung des Abflußrohres und dem unteren Ende des Hohlraums verstellbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Abflußrohr im mündungsna­ hen Bereich als Lavaldüse ausgeführt.

Die Kontur des Hohlraums ähnelt im Längsschnitt der eines Herzens.

In dem in Einbaulage unteren Teil des Gehäuses ist ein Zufluß mit einer oder mehreren in den Hohlraum mündenden Öffnungen für ein zweites Medium zentral angeordnet, dessen Auslauf zweckmäßigerweise in Form eines rohrförmigen Fortsatzes des Gehäu­ sematerials in das Innere des Hohlraums ragt. Der rohrförmige Fortsatz ergibt sich konstruktiv aus dem durch die Konturumkehr des Hohlraums entstehenden, aus dem Boden des Hohlraums ragenden Zapfens. Dieser ist zum Zwecke der Zuführung eines zweiten Mediums mit einer oder mehreren, parallel zur gedachten Längsachse des Hohlraums angebrachten, Bohrungen versehen.

Zur Optimierung der Druck- und Strömungsverhältnisse in der Reaktionskammer kann der Zufluß für das Zugabemedium analog zum Ablaufrohr als separates, relativ zum Reaktorgehäuse in Richtung der gedachten Längsachse des Hohlraums verschieblich mit diesem verbundenes Bauteil ausgeführt sein.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht im wesentlichen auf der Initi­ ierung chemischer Reaktionen durch Schaffung geeigneter Druckverhältnisse vor dem Abflußrohr, auf den in dem fließenden Medium auf unterschiedlich schwere Bestandtei­ le unterschiedlich stark wirkenden Zentrifugal- und Zentripetalkräften und den durch Schubspannungen zwischen Strömungsschichten unterschiedlicher Geschwindigkeit hervorgerufenen Reibungskräften. Die konstruktive Gestaltung der Erfindung ist so ge­ wählt, daß dem Medium beim Durchfließen der Reaktionskammer unter definiertem Staudruck eine Geschwindigkeit mit einem möglichst hohen Maximalwert und einem möglichst großen Gradienten in radialer Richtung verliehen wird.

Diese Bedingungen werden von der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erfüllt, daß in dem zu behandelnden Medium ein Zyklon erzeugt wird, bei dessen Durchlaufen der Volumenstrom eine vom Radius abhängige, insgesamt in Längsrichtung zunehmen­ de Geschwindigkeit erfährt.

Die zur Erzeugung einer möglichst starken Zentrifugenwirkung und möglichst großer Schubspannungen in dem zu behandelnden Fluid benötigten Strömungsverhältnisse werden durch die konstruktive Gestaltung des Reaktors erzielt. Durch die Kontur des Hohlraums des Reaktors wird der Volumenstrom des zu behandelnden Mediums so gelenkt, daß sich im absteigenden Ast des Strömungsverlaufs (das heißt zwischen Me­ dienzufluß und Mündung des Medienabflusses) ein Zyklon ausbildet. Die Strömungsge­ schwindigkeit im Zyklon weist über dessen Querschnitt in radialer Richtung einen starken Gradienten auf. Dadurch werden zum einen Schubspannungen zwischen den ein­ zelnen Strömungsschichten untereinander, aber auch zwischen der Wandung der Reak­ tionskammer und dem zu behandelnden Medium, erzeugt.

Die durch die Schubspannungen erzeugten und diesen entgegengesetzten Reibungskräf­ te innerhalb des Volumenstroms führen aufgrund einer Neuordnung der Bindungen zwischen den Molekülen des zu behandelnden Mediums zu einer Absenkung der Ober­ flächenspannung und einer Veränderung der Viskosität des Fluids.

Außerdem wird eine Mahlwirkung erzielt. Die hohe Geschwindigkeitsdifferenz zwi­ schen dem Volumenstrom und der Wand der Reaktionskammer führt zu einer Zertrüm­ merung fester Bestandteile, wie zum Beispiel Bakterien, Algen und anderer Mikroorga­ nismen. Die entstehenden Trümmer werden in der Folge auf chemischem Wege abge­ baut.

Darüberhinaus verjüngt sich der Querschnitt der Reaktionskammer auf dem Weg vom Medienzufluß zum Medienabfluß so, daß die Zyklonströmung stark beschleunigt wird. Die dadurch ansteigende kinetische Energie der Elementarteilchens des Mediums führt zum Anstieg der Reaktionsfähigkeit.

Am unteren Ende der Reaktionskammer wird die bis hierher in fallender Schraubenlinie fließende Strömung zum Zentrum der Strömung und dort in eine aufsteigende Richtung umgelenkt. In diesem Bereich kommt es zu einer starken Zentrifugenwirkung, weil die als Schwebeteilchen mitgeführten anorganischen oder/und organischen Verunreinigun­ gen aufgrund ihrer höheren Wichte vom Zentrum des Zyklons zu seinem Rand getrie­ ben werden, während gelöste gasförmige Bestandteile aufgrund ihrer geringeren Wichte vom Rand des Zyklons zu seinem Zentrum getrieben werden.

Treffen diese hochreaktiven Bestandteile des zu behandelnden Mediums aufeinander, so kommt es zu chemischen Reaktionen wie beispielsweise einer Kaltoxidation, in deren Ergebnis Schadstoffe abgebaut werden.

Die Stärke der beschriebenen Effekte und damit die Wirksamkeit der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung sind druck- und geschwindigkeitsabhängig. Die herzförmige Innenkon­ tur der Reaktionskammer bewirkt in dem sich bildenden Zyklon eine so starke Be­ schleunigung des Volumenstroms, daß die in dem Medium ablaufenden biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse ebenfalls beschleunigt werden. Extensive Ver­ suche mit verschiedenen Innenkonturen und Einstellungen der Prozeßparameter erga­ ben, daß nur bei Verwendung einer herzförmigen Innenkontur in Verbindung mit der Einstellung medienspezifisch veränderlicher Parameter wie Volumenstrom und Fließ­ druck des zu behandelnden Mediums, Art und Menge des Zugabemediums, Kontur der Lavaldüse und Stellung des Zugabemedienzuflusses und des Medienabflusses zueinan­ der, optimale Erfolge erzielt werden.

Durch die Gestaltung des Abflußrohres im mündungsnahen Bereich als Lavaldüse in Verbindung mit dem der Reaktionskammer zugeführten Volumenstrom wird das Medi­ um im Abflußrohr stark beschleunigt und entspannt, wodurch bei Flüssigkeiten der Dampfdruck im Kernbereicht erreicht oder unterschritten werden kann, und eine Strö­ mung mit im Kern- und Randbereich stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten ent­ steht. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten entsteht ein Hohlwirbel, in dessen Zentrum sich ein Kern aus leichterem Fluid als im übrigen Strömungsfeld bildet. Bei wachsender Geschwindigkeiten werden Wirbelströmungen mit Wirbelfaden oder Wir­ belröhre oder, je nach Art des Mediums, ein drehungsfreier Wirbel mit Wirbelkern, auch als Potentialwirbel bekannt, erzeugt. Dabei werden nochmals Schubspannungen im fließenden Medium erreicht, die die physikalischen und chemischen Prozesse weiter befördern.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß damit bei geringem Platz- und Kostenaufwand ohne Zugabe umweltschädlicher Chemikalien und ohne Bestrahlung des Mediums oder sonstige potentiell gefährliche Maßnahmen ein effektiver, kostengünstiger Prozeß durchgeführt werden kann, in dessen Ergebnis je nach Anwendungszweck Abwässer entgiftet und entkeimt wieder der Nutzung zuge­ führt werden können, Wasserreservoirs keimfrei gehalten werden können, in Gebieten mit Wasserknappheit eine Versorgung mit Frischwasser sichergestellt werden kann, die Benetzungsfähigkeit verschiedener Flüssigkeiten erhöht werden kann, die Verwendung waschaktiver Chemikalien zu verschiedensten Reinigungszwecken in Haushalt und In­ dustrie signifikant vermindert und so die Umweltbelastung reduziert werden kann oder dickflüssige Medien ohne chemische Veränderung auf rein mechanischem Wege ver­ dünnt werden können.

Die genannten Anwendungsmöglichkeiten sind nur einige Beispiele für die Vielseitig­ keit und Umweltfreundlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist die Einhaltung einiger Prozeßparameter, wie Fließdruck des zu behandelnden Mediums, Geschwindigkeitsprofil des Zyklons und Staudruck in der Reaktionskammer, Zugabe affiner Reaktionspartner in der jeweils be­ nötigten Konzentration je nach Anwendungszweck unbedingt notwendig. Hierfür wer­ den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstmals die notwendigen Voraussetzun­ gen geschaffen.

Durch die geometrische Gestaltung der Reaktionskammer werden die benötigten hohen und stark gradientenbehafteten Geschwindigkeiten im Medium erzeugt. Diese werden zur Erzielung der physikalischen Effekte, d. h. zur Zertrümmerung fester Bestandteile und zur Neuordnung molekularer Bindungen, und zur Auslösung und Beschleunigung der chemischen Prozesse durch Zufuhr von Energie benötigt.

Die Verwendung von Pumpen oder/und Kompressoren erzeugt in Verbindung mit der Verstellbarkeit des Medienabflußrohrs den benötigten Staudruck.

Die dosierte Einspeisung von Oxidationsmitteln oder anderen als Reaktionspartnern dienenden Zugabemedien nicht nur in das Medienabflußrohr, sondern auch in den Hauptzufluß, d. h. bevor das zu behandelnde Medium in die Reaktionskammer tritt, sorgt für eine signifikante Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Diese kann durch katalytisch wirkende Beschichtung der medienführenden Teile der Vorrichtung noch­ mals gesteigert werden.

Besonders effektiv lassen sich die beschriebenen Prozesse durchführen, wenn eine Pro­ zeßsteuer- und Regeleinrichtung verwendet wird, die aufgrund gemessener prozeßrele­ vanter Kenngrößen die obengenannten Parameter ständig an die augenblicklichen Er­ fordernisse anpaßt.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 die Reaktionskammer

Fig. 2 die Fluidreaktoranlage

Fig. 3 die in einen Kreislauf eingebundene Fluidreaktoranlage

Fig. 4 die Fluidreaktoranlage mit einer integrierten Regelung

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Reaktionskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt (Ansicht B-B) und im Längsschnitt (Ansicht A-A).

In einem Gehäuse (1) befindet sich ein rotationssymmetrischer, im Längsschnitt herz­ förmiger Hohlraum (2), der als Reaktionskammer dient. An das Gehäuse (1) ange­ schlossen sind zwei Medienzuflüsse (3), ein Medienabflußrohr (4) für das zu behan­ delnde Medium, ein Zugabemedienzufluß (5) und Peripheriebauteile wie Schläuche oder Rohre (6) zum Medientransport.

Die Reaktionskammer, die Medienzuflüsse (3) und das Medienabflußrohr (4) sind der­ art gestaltet und zueinander angeordnet, daß in dem zu behandelnden Fluid beim Durch­ strömen des Hohlraums (2) von der Einlaß- zur Auslaßöffnung möglichst große, durch Reibung der einzelnen Strömungsschichten untereinander und mit der Wandung des Hohlraums (2) hervorgerufene Schubspannungen erzeugt werden.

Die Reaktionskammer ist ein in Einbaulage bezüglich der gedachten Längsachse rotati­ onssymmetrischer Hohlraum (2) des Gehäuses (1), der in seinem oberen Teil seitlich über mindestens einen Medienzufluß (3) mit einer in den Hohlraum (2) mündenden Zu­ flußöffnung verfügt. Zweckmäßigerweise sind der oder die Medienzuflüsse (3) so angeordnet, daß das zu behandelnde Fluid im Querschnitt der Zuflußöffnung tangential zur Mantelfläche des Hohlraums (2) und mit fallender Einströmrichtung in den Hohlraum (2) tritt.

Ebenfalls im oberen Teil des Hohlraums (2) verfügt das Gehäuse (1) über eine zentral angeordnete Bohrung, die vorzugsweise in Richtung der Längsachse des Hohlraums (2) und dadurch mit dieser zusammenfallend durch die Wandung des Gehäuses (1) geführt ist.

Durch diese Bohrung ist ein Medienabflußrohr (4) in den Hohlraum (2) bis fast an das untere Ende desselben eingeführt, wobei das Medienabflußrohr (4) in der Bohrung ver­ schieblich gelagert ist, so daß der Abstand zwischen der Mündung des Medienabfluß­ rohres (4) und dem unteren Ende des Hohlraums (2) verstellbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Medienabflußrohr (4) im mündungsnahen Bereich als Lavaldüse (7) ausgeführt.

Die Kontur des Hohlraums (2) ähnelt im Längsschnitt der eines Herzens.

Der Radius des Querschnitts des Hohlraums (2) vergrößert sich zunächst degressiv ent­ lang der Längsachse, deren Ursprung an der oberen Begrenzung des Hohlraums (2) ge­ dacht ist, bis die Tangente an den Konturverlauf des Längsschnitts des Hohlraums (2) parallel zu dieser Längsachse verläuft. Dieser Punkt wird etwa bei 1/4 bis 1/3 der Ge­ samtlänge der gedachten Längsachse des Hohlraums (2) erreicht. Der Radius des Quer­ schnitts des Hohlraums (2) erreicht hier seinen Maximalwert.

Von hier aus verringert sich der Radius des Querschnitts mit zunehmender Längskoor­ dinate zunächst progressiv bis zu einer Längskoordinate, die ca. 2/3 bis 3/4 der Gesamt­ länge der Längsachse entspricht.

Danach verringert sich der Radius des Querschnitts des Hohlraums (2) degressiv, das heißt der Konturverlauf des Längsschnitts des Hohlraums (2) nähert sich asymptotisch an eine zur gedachten Längsachse parallele Linie an.

Den Abschluß des herzförmigen Hohlraums (2) bildet eine bogenförmige Kontur, die den Konturverlauf umkehrt, das heißt die Kontur des Hohlraums (2) verläuft nun paral­ lel zur gedachten Längsachse senkrecht aufwärts in Richtung Bohrung. Im Bereich die­ ser Konturumkehr hat der Querschnitt des Hohlraums (2) einen inneren und einen äuße­ ren Radius. Dabei bildet der innere Radius die Mantelfläche eines aus dem Boden des Hohlraums in diesen hineinragenden Zapfens (8).

In dem in Einbaulage unteren Teil des Gehäuses (1) ist ein Zugabemedienzufluß (5) mit einer oder mehreren, am Ende des rohrförmigen Zapfens (8) in den Hohlraum (2) mün­ denden Öffnungen zentral angeordnet. Zur Optimierung der Druck- und Strömungsver­ hältnisse in der Reaktionskammer ist der Zugabemedienzufluß (5) analog zum Medien­ abflußrohr (4) als separates, relativ zum Gehäuse (1) in Richtung der gedachten Längs­ achse des Hohlraums (2) verschieblich mit diesem verbundenes Bauteil ausgeführt.

Besonders vorteilhaft für optimale Ergebnisse ist die Verwendung von katalytischen Beschichtungen in der Reaktionskammer und der Lavaldüse (7) sowie allen sonstigen medienführenden Teilen der Vorrichtung, da hierdurch ein beschleunigter Ablauf der gewünschten chemischen Reaktionen erreicht werden kann.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Fluidreaktoranlage.

Das zu behandelnde Medium wird der Reaktionskammer über eine Hauptanschlußlei­ tung (9) zugeführt. Zur Steuerung des Volumenstromes ist in der Hauptanschlußleitung (9) ein Regelventil (10) angeordnet. Im Anschluß daran befinden sich in der Hauptan­ schlußleitung (9) Meßwertaufnehmer (11) für die Aufnahme prozeßrelevanter Meßdaten wie Druck, Temperatur, Volumenstrom, Zusammensetzung des Mediums oder chemi­ sche oder/und biologische Belastungen. Diese Meßeinrichtungen können so ausgeführt sein, daß neben der visuellen Meßwertausgabe auf geeigneten Ausgabeeinheiten (12) die Meßwerte auch kontinuierlich oder diskontinuierlich für nachfolgende Steuer- oder Regelprozesse bereitgestellt werden.

Daran anschließend ist eine Zugabeeinrichtung (13) zur Dosierung von Zugabemedien wie z. B. Luft, Sauerstoff, Ozon, H₂O₂, die als Reaktionskomponenten bereitgestellt werden sollen, angeordnet. Die Einleitung des Zugabemediums in die Zugabeeinrich­ tung (13) kann vorteilhaft durch eine Injektionsdüse so erfolgen, daß durch strömungs­ technisch bedingte Unterdruckverhältnisse in der Hauptanschlußleitung (9) das Zusatz­ medium selbst angesaugt wird.

Gegen ungewollten Eintritt des zu behandelnden Mediums in die Zuleitung des Zuga­ bemediums ist in dieser eine Sperreinrichtung wie z. B. ein Rückschlagventil (14) einge­ setzt. Zur manuellen oder automatischen Dosierung des Zugabemediums befindet sich in der Zuleitung des Zugabemediums außerdem ein Feinregelventil (15b).

Ist das Zugabemedium gasförmig und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauer­ stoff oder Luft, so kann dieses zur Verbesserung der Oxidationseigenschaften durch eine vorgeschaltete Vorbehandlungseinrichtung (16b) ionisiert bzw. zu Radikalen wie z. B. Ozon umgewandelt werden.

Zur Erhöhung des Volumenstromes des Zugabemediums über das durch die Selbstan­ saugung bedingte Maß hinaus kann eine Kompressoreinrichtung (17) in die Zuleitung des Zugabemediums integriert oder der Vorbehandlungseinrichtung (16b) vorgeschaltet sein.

Im Anschluß an die Zugabeeinrichtung (13) wird der Volumenstrom des zu behandeln­ den Mediums in zwei oder mehrere Teilvolumenströme aufgeteilt, die in separaten Zu­ laufrohren (6) zur Reaktionskammer (2) geführt werden. Dabei ist die Verwendung von Strömungsteilern (18) von Vorteil, welche zur Optimierung der Strömungsverhältnisse und zur Verringerung von Druckverlusten über einen Spreizwinkel von weniger als 120° verfügen.

Die Zulaufrohre (6) führen das zu behandelnde Medium zum Gehäuse (1), wo es in die Medienzuflüsse (3) eintritt. Diese münden tangential zum Querschnitt des Hohlraums (2) mit zum unteren Scheitelpunkt der Reaktionskammer geneigter Fließrichtung in den Hohlraum (2). Hierdurch wird das zu behandelnde Medium in einer abwärts gerichteten Schraubenlinie von den Medienzuflüssen (3) zur Mündung des Medienabflußrohrs (4) geleitet.

Da die chemischen Reaktionen durch den hohen Druck im Hohlraum (2) selbst ablaufen und das Medienabflußrohr (4) mit der typischen zykloiden Sogwirbelbildung dadurch lediglich die Funktion einer Nachreaktion und eines kontinuierlichen Prozeßausganges erhält, ist die Ausbildung eines hohen Staudruckes im Hohlraum (2) selbst notwendig.

Dieser wird erreicht durch entsprechende Wahl des anstehenden Vordruckes des zu be­ handelnden Mediums in Verbindung mit der Dimensionierung der Medienzuflüsse (3) und des Medienabflußrohrs (4) selbst. Dabei hat sich gezeigt, daß ein Staudruck von mindestens 2,5 bar zur Durchführung einer Reaktion mit hohem Wirkungsgrad benötigt wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Summe der Querschnitte aller Medienzuflüsse (3) doppelt so groß gewählt wird wie der kleinste Querschnitt des Me­ dienabflusses (4).

Das Medienabflußrohr (4) selbst ist in seinem unteren Teil als Lavaldüse (7) ausgebildet und ragt axial einstellbar in den Hohlraum (2) hinein. Dabei besteht das Medienabfluß­ rohr (4) aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Teilen, wobei der obere, aus dem Gehäuse (1) herausragende sichtbare Teil als Schaurohr (19) aus durchsichtigem Material und der untere Teil als Lavaldüse (7) ausgeführt ist.

Die axiale Verstellung des Medienabflußrohrs (4) erfolgt über eine mechanische Ver­ stelleinheit. Das Medienabflußrohr (4) ist in einem fest mit dem Gehäuse (1) verbunde­ nen oder relativ dazu fixierten Axiallager (21a) so aufgenommen, daß eine axiale Ver­ stellung während des Betriebes möglich ist, ohne daß sich die Position der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse (1) und der Rohrleitung der Hauptanschlußleitung (9) ändert.

Dadurch ist eine Anpassung der Betriebsparameter jederzeit bedarfsgerecht und ohne großen Aufwand möglich.

Die Medienzugabe für die chemische Nachreaktion im Medienabflußrohr (4) kann ebenfalls durch Druck oder vorteilhaft durch Nutzung des Unterdruckes in der Lavaldü­ se (7) erfolgen. In gleicher Weise wie das Medienabflußrohr (4) ist der Zugabemedien­ zufluß (5) verstellbar so ausgeführt, daß die Position der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse (1) und der Rohrleitung der Abflußleitung bei Einstellarbeiten unverändert bleibt.

Dazu ist der Verstellmechanismus des unteren Zugabemedienzuflusses (5) so gestaltet, daß eine Nachstellung oder -regelung zum optimalen Unterdruckpunkt in das Medien­ abflußrohr (4) hinein ermöglicht wird. Dazu ist der Zugabemedienzufluß (5) in einem fest mit dem Gehäuse (1) verbundenen oder relativ dazu fixierten Axiallager (21b) ver­ schieblich gelagert. Die Einstellung kann manuell oder über einen Regelalgorithmus mittels Verstelleinheit erfolgen.

In die Zuleitung des Zugabemediums ist gegen ungewollten Austritt des zu behandeln­ den Mediums ein Rückschlagventil (14) sowie zur manuellen oder automatischen Do­ sierung des Zugabemediums ein Feinregelventil (15a) eingesetzt. Ist das Zugabemedi­ um gasförmig und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, so kann dieses durch eine vorgeschaltete Vorbehandlungseinrichtung (16a) ionisiert bzw. zu Radikalen wie z. B. Ozon umgewandelt werden.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Fluidreaktoranlage in einem Medienkreislauf mit einem separaten Speicherbehälter (23) dargestellt. Der von der Strichpunktlinie umschlossene Bereich entspricht der Darstellung in Fig. 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 3 in diesem Bereich nicht alle Bestandteile der Vorrichtung mit Bezugszeichen versehen, es wird daher auf die entsprechenden Angaben in Fig. 2 verwiesen.

Die Nennweite der Hauptanschlußleitung (9) beträgt dabei 25 mm. Zur Volumenstrom­ regelung ist ein Regelventil (10) eingesetzt. Nach dem Regelventil (10) ist ein Manome­ ter als Meßwertaufnehmer (11) mit integrierter Ausgabeeinheit (12) sowie nachfolgend eine Zugabeeinrichtung (13) in Form einer Injektordüse angebracht.

Die Zugabeeinrichtung (13) saugt aufgrund des Unterdrucks in der Hauptanschlußlei­ tung (9) selbsttätig ein Oxidationsmittel, in diesem Fall Umgebungsluft, an. Zur Ver­ hinderung von Rückschlägen des zu behandelnden Mediums in die Ansaugleitung ist diese mit einem Rückschlagventil (14) versehen. Die Einstellung des Volumenstromes des Oxidationsmittels erfolgt über ein Feinregelventil (15b).

Zweckmäßigerweise wird als Oxidationsmittel Umgebungsluft verwendet, welche durch eine regelbare Ionisationseinheit, die als Vorbehandlungseinrichtung (16b) dient, aufbereitet wird. Nach der Zugabeeinrichtung (13) wird der Volumenstrom durch ein Y- Stück als Strömungsteiler (18) mit einem Schenkelwinkel der abgehenden Schenkel von 45° in zwei gleichgroße Teilströme geführt. Die Zuführung in die Reaktionskammer erfolgt über zwei tangential in den Hohlraum (2) mündende, um 180° versetzte und in einem axialen Anstellwinkel von 15° zur Längsachse des Hohlraums (2) rechtsdrehend angeordnete Medienzuflüsse (3).

Der größte Durchmesser des Hohlraums (2) beträgt 136 mm. Der kleinste Durchmesser des Hohlraums (2) beträgt 64 mm. Der Außendurchmesser des Medienabflußrohrs (4) beträgt 36 mm. Aus diesen Maßen ergibt sich ein Querschnittsverhältnis von 4300 mm² : 700 mm², d. h. der größte Querschnitt der Reaktionskammer ist mehr als sechsmal so groß wie der kleinste Kammerquerschnitt. Hierdurch wird die für einen effektiven Reaktionsprozeß benötigte Beschleunigung des Volumenstroms in dem sich ausbildenden Zyklon erreicht.

Das Medienabflußrohr (4) ist dreigeteilt; im unteren Bereich als auswechselbare Laval­ düse mit dem kleinsten Durchmesser von 15 mm, ausgebildet. Der obere Teil besteht aus einem durchsichtigen, wechselbaren Kunststoffrohr der Nennweite 25 mm. Die gleiche Nennweite weist das Mittelteil auf.

Das gesamte Medienabflußrohr (4) wird einerseits im Gehäuse (1) und zum anderen in einem mit dem Gehäuse (1) fest verbundenen, dichtenden Axiallager (21a) verstellbar geführt. Zur Einstellung des Medienabflußrohrs (4) ist das Axiallager (21a) mit einer Hilfseinrichtung, in diesem Fall einem Sechskant mit einer Standard-Schlüsselweite, versehen.

Am oberen Ende des Axiallagers (21a) befindet sich eine ortsfest mit diesem verbunde­ ne Verschraubung (24), über welche die Vorrichtung mit dem Rohrleitungssystem des Nutzers verbunden ist.

Am unteren Ende des Gehäuses (1) befindet sich eine Zugabemedienzufluß (5). Dieser Zugabemedienzufluß (5) ist als axial verstellbares Röhrchen ausgebildet und ragt durch die Wand des Gehäuses (1) in den Hohlraum (2) und dort in die Lavaldüse (7) hinein. Zur Verhinderung von Rückschlägen ist die Zuleitung zum Zugabemedienzufluß (5) mit einem Rückschlagventil (14) versehen. Die Einstellung des Volumenstromes des Oxida­ tionsmittels erfolgt über ein Feinregelventil (15a).

Zweckmäßigerweise wird auch hier als Oxidationsmittel Umgebungsluft verwendet, welche über eine regelbare Ionisationseinheit, die als Vorbehandlungseinrichtung (16b) dient, aufbereitet wird.

Zum Erreichen des notwendigen Druckes wird eine Volumenstrompumpe (25) mit ei­ nem Nenndruck von 4 bar verwendet.

Die gesamte Vorrichtung ist in einem eigenständigen Kreislauf an einem Speicherbehäl­ ter (23) mit freiem Auslauf (26), d. h. ohne Gegendruck auf der Ablaufseite, in das Sy­ stem installiert.

Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die er­ findungsgmäße Vorrichtung um eine Regeleinrichtung (27) für den gesamten Reakti­ onsprozeß ergänzt. Der von der Strichpunktlinie umschlossene Bereich entspricht der Darstellung in Fig. 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 4 in diesem Bereich nicht alle Bestandteile der Vorrichtung mit Bezugszeichen versehen, es wird daher auf die entsprechenden Angaben in Fig. 2 verwiesen.

Dabei werden in der Hauptanschlußleitung (9) signifikante Meßdaten wie Volumen­ strom, Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, pH-Wert, RedOx-Wert, Keimzahl, Trü­ bung und Druck des zu behandelnden Mediums, sowie Ionisationsgrad und Volumen­ strom des Zugabemediums kontinuierlich aufgenommen. In der Abflußleitung (22) der Vorrichtung werden Daten zur Trübung, Medienzusammensetzung, RedOx-Wert und Keimzahl aufgenommen und an die Regeleinrichtung (27) kontinuierlich weitergeleitet.

Innerhalb der Regeleinrichtung (27), die als Kaskadenregler ausgeführt ist, werden die aufgenommenen Meßdaten in einem Rechenalgorithmus auf der Grundlage chemischer Grundgesetze verarbeitet und entsprechende Stellgrößen an die externe Volumenstrom­ pumpe (25), das Regelventil (10), das Feinregelventil (15a) der Medienzugabe in das Gehäuse (1), das Feinregelventil (15b) der Medienzugabe in die Hauptanschlußleitung (9), die Verstelleinheit (20a) des Medienabflußrohres (4), die Verstelleinheit (20b) des Zugabemedienzuflusses (5), die Vorbehandlungseinrichtung (16a) der Zugabemedien­ zuleitung zum Gehäuse (1) und die Vorbehandlungseinrichtung (16b) der Zugabemedi­ enzuleitung zur Hauptanschlußleitung (9) ausgegeben.

Durch die Verwendung der Regeleinrichtung (27) kann der Staudruck entsprechend den gewünschten chemischen Reaktionen und Reaktionsprodukten frei nach einem vorge­ gebenen Algorithmus geregelt werden.

Über Meßwertaufnehmer (28) in der Abflußleitung (22) der Vorrichtung oder am Medi­ enabflußrohr (4) oder an einem nachfolgenden Speicherbehälter (23) oder über Rückkopplung werden die entsprechenden Eingangsgrößen für eine Regelung ermittelt. Bei Regelprozessen dient als Führungsgröße das gewünschte Ergebnis der Reaktion über einen bestimmten Algorithmus aus bekannten chemischer Grundgesetzen und Vorrichtungskenngrößen oder ein Vergleichswert, welcher auch am Eingang der Regel­ strecke erfaßt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Hohlraum

3

Medienzufluß

4

Medienabflußrohr

5

Zugabemedienzufluß

6

Zulaufrohr

7

Lavaldüse

8

Rohrförmiger Zapfen

9

Hauptanschlußleitung

10

Regelventil

11

Meßwertaufnehmer

12

Ausgabeeinheit

13

Zugabeeinrichtung

14

Rückschlagventil

15

a Feinregelventil der Zugabemedienzuleitung zum Gehäuse

15

b Feinregelventil der Zugabemedienzuleitung zur Hauptanschlußleitung

16

a Vorbehandlungseinrichtung der Zugabemedienzuleitung zum Gehäuse

16

b Vorbehandlungseinrichtung zur Hauptanschlußleitung

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Kompressoreinrichtung

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Strömungsteiler

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Schaurohr

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a Verstelleinheit des Medienabflußrohres

20

b Verstelleinheit des Zugabemedienzuflusses

21

a Axiallager des Medienabflußrohres

21

b Axiallager des Zugabemedienzuflusses

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Abflußleitung

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Speicherbehälter

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Verschraubung

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Volumenstrompumpe

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Freier Auslauf

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Regeleinrichtung

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Meßwertaufnehmer

Claims (17)

1. Vorrichtung zur physikalisch-chemischen Behandlung von fluiden Medien, bestehend aus einem Gehäuse mit einer rotationssymmetrischen Reaktionskammer, einem oder mehreren mit der Reaktionskammer verbundenen Zuflüssen und einem in die Reaktionskammer ragenden, axial verstellbaren Abflußrohr für das zu behandelnde Medium, einem axial verstellbaren Zufluß für ein Zugabemedium und Peripheriebauteilen wie Schläuchen oder/und Rohren zum Medientransport, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer im Längsschnitt herzförmig mit sich vom Medienzufluß zum Medienabfluß verkleinerndem Querschnitt ausgeführt ist, wobei der am unteren Ende der Reaktionskammer befindliche kleinste Kammerwandradius höchstens halb so groß ist wie der größte Kammerwandradius und wobei die kleinste Querschnittsfläche des Medienabflußrohrs kleiner ist als die Gesamtquerschnittsfläche aller Medienzuflüsse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Reaktionskammer ragende Abflußrohr in seinem unteren Bereich als Lavaldüse ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Querschnittsfläche des Medienabflußrohrs bzw. der darin integrierten Lavaldüse höchstens 0,7 mal so groß ist wie die Summe der Querschnittsflächen aller Medienzuflüsse.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Reaktionskammer ragende Abflußrohr aus mehreren Teilen besteht, wovon der obere, aus dem Gehäuse ragende Teil als Schaurohr ausgeführt ist, das aus durchsichtigem Material besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß medienführende Bestandteile der Vorrichtung mit katalytisch wirkenden Stoffen beschichtet oder aus katalytisch wirkenden Stoffen hergestellt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Medienzuflüsse im oberen Bereich der Reaktionskammer tangential zur Kammerwand münden, wobei ihre Längsachsen mit der Symmetrieachse der Reaktionskammer einen Winkel von weniger als 90° und mehr als 45° einschließen, so daß das Medium mit fallender Eintrittsrichtung in die Reaktionskammer tritt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hauptanschlußleitung eine Zugabeeinrichtung integriert ist, mittels derer das zu behandelnde Medium vor dem Eintritt in die Reaktionskammer mit einem Zugabemedium angereichert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Vorbehandlungseinrichtungen peripher so angeordnet sind, daß das Zugabemedium vor der Einspeisung ionisiert oder/und zu einem Radikal umgewandelt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Medienabflußrohr und der Zugabemedienzufluß durch entsprechende Ausbildung von Hilfseinrichtungen wie Sackbohrungen, Rändelring oder Schlüsselweiten einfach per Hand gestellt werden können.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Medienabflußrohr und der Zugabemedienzufluß mittels Verstelleinrichtungen bei laufendem Betrieb in axialer Richtung verstellbar und in ihrer Lage fixierbar sind, wobei die Schnittstellen zwischen dem Gehäuse und dem peripheren Leitungssystem ortsunveränderlich bleiben.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaufrohr durch eine mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Stelleinheit verstellt werden kann.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Medienzuflüsse diese aus einer Hauptanschlußleitung gespeist werden, wobei zur Teilung des Volumenstroms ein oder mehrere Strömungsteiler in Y-Form verwendet werden deren ablaufseitige Schenkel einen Winkel von weniger als 180° einschließen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabeleitungen für Zugabemedien gegen ungewollten Eintritt des zu behandelnden Mediums durch Rückschlagventile gesichert sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile über einen Öffnungsdruck von weniger als 0,55 bar verfügen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabeleitungen für Zugabemedien zur Dosierung des Zugabemediums mit Feinregelventilen ausgestattet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zu- oder/und ablaufseitig Meßeinrichtungen installiert sind, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich prozeßrelevante Meßwerte aufnehmen und als analoges oder digitales Signal für nachgeschaltete Auswerteeinheiten zur Verfügung stellen oder/und anzeigen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die den Prozeß bestimmenden Parameter aufgrund prozeßrelevanter Meßwerte mittels einer Meß- Steuer- und Regelungseinrichtung über entsprechende Stellglieder beeinflußt werden.