DE10114936A1 - Fluidreaktoranlage - Google Patents
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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.
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
17
Kompressoreinrichtung
18
Strömungsteiler
19
Schaurohr
20
a Verstelleinheit des Medienabflußrohres
20
b Verstelleinheit des Zugabemedienzuflusses
21
a Axiallager des Medienabflußrohres
21
b Axiallager des Zugabemedienzuflusses
22
Abflußleitung
23
Speicherbehälter
24
Verschraubung
25
Volumenstrompumpe
26
Freier Auslauf
27
Regeleinrichtung
28
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.
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-
2001
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DE102016215906A1 (de) | 2016-08-24 | 2018-03-01 | Emco Water Patent Gmbh | Vorrichtung aufweisend eine Reaktoranlage und Verfahren zur strömungsdynamisch-elektrolytischen Behandlung fluider oder gasförmiger Medien oder Gemischen aus Beiden in der Reaktoranlage und Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens |
WO2018036923A1 (de) | 2016-08-24 | 2018-03-01 | Emco Water Patent Gmbh | Vorrichtung aufweisend eine reaktoranlage und verfahren zur strömungsdynamisch-elektrolytischen behandlung fluider oder gasförmiger medien oder gemischen aus beiden in der reaktoranlage und verwendung der vorrichtung und des verfahrens |
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