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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs, wobei wenigstens ein gasförmiges und wenigstens ein flüssiges Fluid jeweils mit einem bestimmten Volumenstrom in eine Dispergierungsvorrichtung zugeführt werden, wobei aus dem wenigstens einen gasförmigen Fluid Gasblasen gebildet werden, welche in dem wenigstens einen flüssigen Fluid dispergiert werden.
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Die Erzeugung dispergierter Fluidgemische, bestehend aus einem in einem flüssigen Fluid in Form von Gasblasen fein dispergierten gasförmigen Fluid ist in vielen Bereichen der Technik erforderlich.
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Beispielsweise ist die definierte Erzeugung dispergierter Fluidgemische für Flotationsabscheidungsprozesse, bei welchen sich die besonderen chemisch-physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Benetzbarkeit, der Oberfläche von in einer Suspension enthaltenen Feststoffpartikel zunutze gemacht wird, von großer Bedeutung. Das Prinzip der Flotationsabscheidung, welche z. B. in der Bergbau- und Papierindustrie eingesetzt wird, beruht im Wesentlichen darauf, in eine entsprechende Suspension Gasblasen einzubringen, an welche die aus der Suspension abzutrennenden Feststoffpartikel anbinden. Die Gasblasen mit den daran angebundenen Feststoffpartikeln werden an einer Grenzfläche angereichert, von welcher die Feststoffpartikel abgetrennt werden können.
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Die Effizienz entsprechender Flotationsabscheidungsprozesse hängt erheblich von der spezifischen Gasblasenoberfläche, d. h. der Gasblasenoberfläche pro Gasvolumeneinheit, ab, da diese die Wechselwirkung zwischen den Gasblasen und den abzutrennenden Feststoffpartikeln bestimmt. Die spezifische Gasblasenoberfläche ist umgekehrt proportional zu der Gasblasengröße, d. h. typischerweise dem Gasblasendurchmesser. Entsprechend können mit kleineren Gasblasen grundsätzlich quantitativ höhere Mengen an Feststoffpartikeln abgetrennt werden. Allerdings darf die Größe der Gasblasen nicht zu gering sein, da zu geringe Gasblasengrößen eine zu niedrige auf die Gasblasen wirkende Auftriebskraft bedingen, so dass die abzutrennenden Feststoffpartikel nicht mehr an die Grenzfläche befördert werden können. Hieraus ergibt sich, dass die gezielte Einstellung einer bestimmten Gasblasengröße bzw. Gasblasengrößenverteilung von großer Bedeutung für die Effizienz entsprechender Flotationsabscheidungsprozesse ist.
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Die Erzeugung von Gasblasen respektive die Einstellung einer bestimmten Gasblasengrößenverteilung erfolgt bis dato insbesondere dadurch, dass ein gasförmiges Fluid durch eine Düsenvorrichtung geleitet wird. Die derart erzeugten Gasblasen werden der die abzutrennenden Feststoffpartikel enthaltenden Suspension zugeführt. Durch den Einsatz von Rührwerken werden Scherkräfte eingebracht, über welche die Gasblasengröße beeinflusst werden kann. Die Größe der Gasblasen hängt sonach im Wesentlichen von dem Gasvolumenstrom durch die Düsenvorrichtung und von den durch die Rührwerke erzeugten Scherkräften ab, so dass die Einstellung einer bestimmten Gasblasengrößenverteilung einen regelungs- und insbesondere energieintensiven technischen Ansatz darstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs anzugeben, welches eine verbesserte Einstellung einer bestimmten Gasblasengrößenverteilung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass eine bestimmte Gasblasengröße der aus dem gasförmigen Fluid gebildeten Gasblasen durch ein bestimmtes Volumenstromverhältnis zwischen dem gasförmigen Fluid und dem flüssigen Fluid eingestellt wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sonach ein gasförmiges Fluid, kurz ein Gas, wie z. B. Luft, und ein flüssiges Fluid, kurz eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder eine, insbesondere wässrige, Suspension, jeweils mit einem bestimmten Volumenstrom in eine Dispergierungsvorrichtung zugeführt. In der Dispergierungsvorrichtung werden aus dem gasförmigen Fluid, typischerweise mittels einer Düsenvorrichtung, Gasblasen erzeugt, d. h. das gasförmige Fluid wird in einzelne Gasblasen aufgetrennt bzw. zerteilt, welche Gasblasen im Weiteren in dem flüssigen Fluid dispergiert, d. h. verteilt, werden.
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Der Volumenstrom des gasförmigen Fluids kann als Gasvolumenstrom, der Volumenstrom des flüssigen Fluids als Flüssigkeitsvolumenstrom bezeichnet werden.
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Die Einstellung einer gewünschten Gasblasengröße bzw. einer gewünschten Gasblasengrößenverteilung wird erfindungsgemäß durch eine gezielte Steuerung des Volumenstroms des gasförmigen Fluids, d. h. des Gasvolumenstroms, und des Volumenstroms des flüssigen Fluids, d. h. des Flüssigkeitsvolumenstroms, derart, dass ein bestimmtes Volumenstromverhältnis zwischen dem Gasvolumenstrom und dem Flüssigkeitsvolumenstrom gegeben ist bzw. sich ein bestimmtes Volumenstromverhältnis zwischen dem Gasvolumenstrom und dem Flüssigkeitsvolumenstrom einstellt, realisiert. Unter dem Volumenstromverhältnis ist sonach der Quotient aus dem Volumenstrom des gasförmigen Fluids zu dem Volumenstrom des flüssigen Fluids, oder umgekehrt, und sonach der Quotient aus dem Mengenverhältnis der in die Dispergierungsvorrichtung (pro Zeiteinheit) zugeführten Fluide zu verstehen.
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Das erfindungsgemäße Prinzip stellt sonach eine besondere Möglichkeit der Erzeugung von gewünschten Gasblasengrößen bzw. einer gewünschten Gasblasengrößenverteilung vor, wobei das Verhältnis aus den jeweiligen, das gasförmige und das flüssige Fluid betreffenden Volumenströmen als Regel- oder Steuergröße verwendet wird. Hierbei wird sich die Erkenntnis zunutze gemacht, dass eine gezielte Regelung bzw. Steuerung der jeweiligen Fluidvolumenströme und damit der die Gasblasengröße beeinflussenden Größen, wie insbesondere Scherraten, eine gezielte Erzeugung einer bestimmten Gasblasengröße bzw. Gasblasengrößenverteilung erlaubt.
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Der Begriff „Gasblasengröße“ zielt dabei insbesondere auf den Durchmesser einer Gasblase ab. Unter dem Begriff „Gasblasengröße“ ist stets eine mittlere, d. h. durchschnittliche Gasblasengröße der in einem bestimmten Volumen enthaltenen Gasblasen zu verstehen. Der Begriff „Gasblasengröße“ ist daher als mittlere Gasblasengröße zu verstehen.
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Es handelt sich dabei um ein regelungs- bzw. steuerungstechnisch vergleichsweise einfaches Prinzip zur Einstellung einer gewünschten Gasblasengröße respektive einer gewünschten Gasblasengrößenverteilung, welches letztlich allein einer bestimmten Regelung bzw. Steuerung entsprechender einer einer Zuführeinrichtung zugehöriger Zuführeinheiten, über welche die Fluide mit einem bestimmten Durchsatz bzw. Volumenstrom in die Dispergierungsvorrichtung zugeführt werden, bedarf.
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Insbesondere ist es möglich, durch eine das Volumenstromverhältnis beeinflussende Einstellung eines bestimmten Gasvolumenstroms und/oder Flüssigkeitsvolumenstroms eine bestimmte auf den Flüssigkeitsvolumenstrom wirkende Scherrate sowie eine bestimmte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Gasvolumenstrom und dem Flüssigkeitsvolumenstrom zu realisieren, welche Scherrate und Relativgeschwindigkeit maßgeblich für die Größe der aus dem Gasvolumenstrom zu erzeugenden Gasblasen ist.
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In Abhängigkeit der jeweiligen Volumenströme kann sonach ein charakteristisches Strömungsprofil der beiden Fluide bzw. Fluidvolumenströme erzeugt werden, welches Strömungsprofil die vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten und Scherraten, die schließlich für die Bildung und die Zerteilung der Gasblasen maßgeblich sind, bestimmt. Im Allgemeinen ist die Gasblasengröße umgekehrt proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit und Scherrate.
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Prinzipiell gilt daher, dass im Verhältnis kleinere Flüssigkeitsvolumenströme zu größeren Gasblasen führen, was, wie vorstehend prinzipiell erwähnt, damit zusammenhängt, dass kleinere Flüssigkeitsvolumenströme, d. h. kleinere Strömungsgeschwindigkeiten des flüssigen Fluids, zu geringeren auf den Gasvolumenstrom wirkenden Scherkräften bzw. Scherraten führen, was die Ausbildung größerer Gasblasen ermöglicht. Umgekehrt ist es sonach möglich, kleine Gasblasen durch im Verhältnis große Flüssigkeitsvolumenströme zu erzeugen.
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Es ist daher möglich, durch eine Erhöhung des Flüssigkeitsvolumenstroms bei konstantem Gasvolumenstrom eine Verschiebung der Gasblasengröße(nverteilung) hin zu kleineren Gasblasen zu erreichen. Ebenso ist es möglich, durch eine Erhöhung des Gasvolumenstroms bei konstantem Flüssigkeitsvolumenstrom eine Verschiebung der Gasblasengröße(nverteilung) hin zu kleineren Gasblasen zu erreichen.
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Die weiter oben beschriebene Regelung bzw. Steuerung entsprechender für die Zuführung des gasförmigen Fluids und des flüssigen Fluids vorgesehener Zuführeinheiten einer Zuführeinrichtung kann über eine oder mehrere diesen zugeordnete Steuereinrichtung(en) als Teil einer Dispergierungsvorrichtung erfolgen.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Volumenstrom des gasförmigen Fluids, d. h. der Gasvolumenstrom, typischerweise größer als der Volumenstrom des flüssigen Fluids, d. h. der Flüssigkeitsvolumenstrom, eingestellt. Hierdurch kann es, bedingt durch den Venturi-Effekt, möglich sein, ein Ansaugen des im Vergleich langsamer strömenden bzw. zugeführten flüssigen Fluids mittels des im Vergleich schneller strömenden bzw. zugeführten gasförmigen Fluids zu realisieren. Das gasförmige Fluid kann daher als Treibstrahl erachtet werden. Entsprechende Ansaugvorrichtungen, über welche das flüssige Fluid angesaugt wird, um in die Dispergierungsvorrichtung zu gelangen respektive durch diese zu strömen, können sonach in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden bzw. kann auf derartige Ansaug- oder Fördervorrichtungen gegebenenfalls sogar verzichtet werden.
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Bevorzugt liegt der Volumenstrom des flüssigen Fluids, d. h. der Flüssigkeitsvolumenstrom, in einem Bereich zwischen 1 und 80%, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 und 50%, des Volumenstroms des gasförmigen Fluids, d. h. des Gasvolumenstroms.
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Der Flüssigkeitsvolumenstrom kann sonach beispielsweise auf 6% des Gasvolumenstroms eingestellt werden. Dies ist z. B. gegeben, wenn der Gasvolumenstrom 100 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 100 Liter pro Minute, und der Flüssigkeitsvolumenstrom 6 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 6 Liter pro Minute, beträgt. In diesem Fall ist es, durch den großen quantitativen Unterschied der beiden Volumenströme, wie erwähnt, z. B. bei einem Gasvolumenstrom in Form eines Luftvolumenstroms und einem Flüssigkeitsvolumenstrom in Form eines Wasservolumenstroms, möglich, dass der Gasvolumenstrom als Triebkraft für die Ansaugung bzw. Zuführung des Flüssigkeitsvolumenstroms genutzt wird.
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Dies wäre in dem Fall, in dem der Flüssigkeitsvolumenstrom 50% des Gasvolumenstroms beträgt, was z. B. gegeben wäre, wenn der Gasvolumenstrom 100 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 100 Liter pro Minute, und der Flüssigkeitsvolumenstrom 50 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 50 Liter pro Minute beträgt, für das vorstehende genannte Beispiel entsprechender Volumenströme in der Regel nicht mehr möglich.
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Bevorzugt wird das Volumenstromverhältnis zwischen dem gasförmigen Fluid und dem flüssigen Fluid derart eingestellt, dass Gasblasen mit einem Durchmesser kleiner 1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,1 und 0,9 mm, erzeugt werden. Selbstverständlich können durch eine bestimmte Regelung bzw. Steuerung der jeweiligen Volumenströme respektive deren Verhältnis zueinander prinzipiell auch Gasblasen kleiner als 0,1 mm und größer als 1 mm erzeugt werden.
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Für das vorstehend genannte Beispiel eines Luftvolumenstroms und eines Wasservolumenstroms, wobei der Flüssigkeitsvolumenstrom auf 6% des Gasvolumenstroms eingestellt wird, lässt sich bei einer gegebenen Geometrie einer Dispergierungsvorrichtung eine mittlere Gasblasengröße von ca. 0,5 mm erzeugen. Insbesondere ist dabei vorrichtungsseitig das Querschnittsverhältnis zwischen der Austrittsfläche einer Düsenvorrichtung, aus der die Gasblasen austreten, und der Eintrittsfläche einer der Düsenvorrichtung nachgeschalteten Mischeinrichtung, in die die Gasblasen eintreten, zu berücksichtigen.
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Die Einstellung einer bestimmten Gasblasengröße ist in allen Fällen zweckmäßig auch unter Berücksichtigung der jeweiligen chemisch-physikalischen Zusammensetzung der Volumenströme sowie gegebenenfalls weiterer im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zugegebener Substanzen vorzunehmen. Sofern das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte dispergierte Fluidgemisch im Rahmen von Flotationsabscheidungsprozessen eingesetzt wird, sind selbstverständlich auch die besonderen Eigenschaften der abzutrennenden Feststoffpartikel respektive der diese enthaltenden Suspension zu berücksichtigen.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem gasförmigen Fluid und/oder dem flüssigen Fluid ein Mittel zur Verhinderung einer Koaleszenzbildung der aus dem gasförmigen Fluid zu bildenden oder gebildeten Gasblasen zugegeben werden. Das Mittel dient sonach insbesondere dazu, Koaleszenz zwischen Gasblasen zu verhindern, d. h. zu verhindern, dass sich Gasblasen einer bestimmten Gasblasengröße zu Gasblasen mit einer im Vergleich größeren Gasblasengröße vereinen. Mithin ist es derart möglich, eine über eine entsprechende Regelung bzw. Steuerung jeweiliger Volumenströme eingestellte Gasblasengröße(nverteilung) durch die Regelung, insbesondere Reduzierung bzw. Verhinderung, von Koaleszenzeffekten weitgehend aufrechtzuerhalten.
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Als Mittel zur Verhinderung einer Koaleszenzbildung können z. B. organische Verbindungen, insbesondere Hydroxy- oder Etherverbindungen, oder Mischungen organischer Verbindungen, insbesondere Mischungen aus Hydroxy- oder Etherverbindungen, verwendet werden. Konkret handelt es sich dabei z. B. um nicht-ionische grenzflächenaktive Substanzen, wie beispielsweise aliphatische Alkohole, wie z. B. Hexanol oder Methyl-Isobutylcarbinol, Terpenalkohole, und/oder Polyglykolether.
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Durch die Konzentration der Mittel zur Verhinderung einer Koaleszenzbildung kann die Koaleszenz der erzeugten Gasblasen gezielt geregelt, d. h. insbesondere verhindert, werden. Die Konzentration des zugegebenen Mittels zur Verhinderung einer Koaleszenzbildung in dem gasförmigen Fluid und/oder dem flüssigen Fluid kann in einem Bereich zwischen 50 und 300 ppm (parts per million), insbesondere in einem Bereich zwischen 100 und 200 ppm, liegen. Selbstverständlich kann die Konzentration in Ausnahmefällen auch unterhalb 50 ppm und/oder oberhalb 300 ppm liegen.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es denkbar, dass das gasförmige Fluid vor dem Vermischen mit dem flüssigen Fluid bereits in der Dispergierungsvorrichtung zu Gasblasen umgesetzt wird. Es ist also im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prinzipien möglich, bereits ein entsprechend dispergiertes Fluidgemisch, bestehend aus in einem flüssigen Fluid dispergierten Gasblassen, in einen Reaktorbehälter, wie z. B. eine Flotationszelle, einzubringen und entsprechende Gasblasen nicht erst in dem Reaktorbehälter, wie z. B. der Flotationszelle, zu erzeugen. Letzteres ist insofern problematisch, als es bei der aus dem Stand der Technik bekannten Bildung von Gasblasen in der Suspension zunächst diffusiver Kontakte zwischen dem Gas bzw. den Gasblasen und bestimmten oberflächenaktiven Substanzen der Suspension bedarf, um die Gasblasen zu stabilisieren, wobei es zu unerwünschten Koaleszenzen kommen kann. Dadurch, dass das gasförmige Fluid erfindungsgemäß bereits vor dem Vermischen mit dem flüssigen Fluid zu Gasblasen umgesetzt werden kann, ist es sonach möglich, den Begasungsprozess definierter zu gestalten, wodurch sich beispielsweise die Effizienz eines Flotationsabscheidungsprozesses steigern lässt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig eine Dispergierungsvorrichtung verwendet, welche eine Zuführeinrichtung mit wenigstens zwei getrennten Zuführeinheiten, welche jeweils zur Zuführung eines Fluids mit einem bestimmten Volumenstrom eingerichtet sind, eine der Zuführeinrichtung nachgeschaltete Mischeinrichtung zur Vermischung der in die Zuführeinrichtung zugeführten Fluide und eine der Mischeinrichtung nachgeschaltete Verteilereinrichtung, aufweisend wenigstens eine Austrittsöffnung zum Austritt der in der Mischeinrichtung vermischten Fluide aus der Dispergierungsvorrichtung, umfasst.
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Entsprechend betrifft die Erfindung ferner eine Dispergierungsvorrichtung, d. h. eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs, umfassend:
- – eine Zuführeinrichtung mit wenigstens zwei getrennten Zuführeinheiten, welche jeweils zur Zuführung eines Fluids mit einem bestimmten Volumenstrom eingerichtet sind,
- – eine der Zuführeinrichtung nachgeschaltete Mischeinrichtung zur Vermischung der in die Zuführeinrichtung zugeführten Fluide und
- – eine der Mischeinrichtung nachgeschaltete Verteilereinrichtung, aufweisend wenigstens eine Austrittsöffnung zum Austritt der in der Mischeinrichtung vermischten Fluide aus der Dispergierungsvorrichtung.
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Die Zuführeinrichtung ist respektive die dieser zugehörigen Zuführeinheiten sind mit einer geeigneten Steuereinrichtung ausgestattet bzw. verbunden, über welche die jeweiligen Volumenströme der zuzuführenden Fluide insbesondere unabhängig voneinander, regelbar bzw. steuerbar sind.
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Die erfindungsgemäße Dispergierungsvorrichtung ist sonach insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Demzufolge gelten bezüglich der erfindungsgemäßen Dispergierungsvorrichtung sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog.
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Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebene Einstellung einer bestimmten Gasblasengrößenverteilung lässt sich vorrichtungsmäßig insbesondere dadurch realisieren, wenn die Vorrichtung unter Berücksichtigung des durch nachfolgende Gleichung beschriebenen Zusammenhangs konstruiert ist: D = R × C × FL –1.
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Dabei steht D für die mittlere Gasblasengröße, R für das Volumenstromverhältnis zwischen dem Volumenstrom des gasförmigen Fluids (Gasvolumenstrom) und dem Volumenstrom des flüssigen Fluids (Flüssigkeitsvolumenstrom), C für eine konstruktionsspezifische Konstante einer bestimmten, typischerweise in einer Zuführeinrichtung verbauten, Düseneinrichtung und FL für den Volumenstrom des flüssigen Fluids.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass die Mischeinrichtung wenigstens einen länglichen, insbesondere konus- oder kegelstumpfförmigen, einen Mischraum begrenzenden Mischkörper umfasst, wobei die Querschnittsfläche des Mischraums sich von dem der Zuführeinrichtung zugewandten Ende zu dem der Verteilereinrichtung zugewandten Ende, insbesondere kontinuierlich, erweitert. Der Mischraum dient einer innigen Vermischung zwischen den Gasblasen und dem flüssigen Fluid, d. h. der in dem dispergierten Fluidgemisch enthaltenen Fluide. Durch die besondere Querschnittsbemessung des Mischraums, d. h. dessen Vergrößerung in Strömungsrichtung bzw. in Richtung der der Mischeinrichtung nachgeschalteten Verteilereinrichtung, kann eine Diffusorwirkung realisiert werden, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit des dispergierten Fluidgemischs wird reduziert. Es lässt sich derart in dem dispergierten Fluidgemisch ein Gleichgewichtszustand zwischen den gebildeten Gasblasen und dem flüssigen Fluid einstellen.
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Die der Zuführeinrichtung zugehörigen Zuführeinheiten können jeweils wenigstens einen einen Zuführraum begrenzenden Zuführkörper aufweisen, wobei ein erster Zuführkörper zumindest abschnittsweise in einem zweiten Zuführkörper aufgenommen ist. Über den ersten Zuführkörper wird typischerweise das gasförmige Fluid zugeführt, über den zweiten Zuführkörper wird typischerweise das flüssige Fluid zugeführt. Gleichwohl ist es auch möglich, dass über den ersten Zuführkörper das flüssige Fluid und über den zweiten Zuführkörper das gasförmige Fluid zugeführt wird.
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Der der ersten Zuführeinheit zugehörige erste Zuführkörper kann wenigstens eine, insbesondere an einem konus- oder kegelstumpfförmigen Abschnitt vorgesehene, Düsenvorrichtung aufweisen. Die Düsenvorrichtung dient insbesondere dazu, dass in den ersten Zuführkörper zugeführte Fluid, bei welchem es sich typischerweise um das gasförmige Fluid handelt, in Gasblasen umzusetzen, d. h. derart zu zerteilen, dass sich Gasblasen bilden. Hierfür ist die Anordnung der Düsenvorrichtung an einem konus- oder kegelstumpfförmigen Abschnitt, d. h. einem Abschnitt, dessen Querschnittsfläche sich in Strömungsrichtung bzw. in Richtung der Düsenvorrichtung verringert, vorteilhaft, da das Fluid vor Eintritt in die Düsenvorrichtung beschleunigt wird, was zur Einstellung einer definierten Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Fluiden dient und somit für die Ausbildung von Gasblasen essentiell ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Fig. eine Prinzipdarstellung einer Dispergierungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die in der Fig. als Prinzipdarstellung gezeigte Dispergierungsvorrichtung 1 dient der Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs und kann somit auch als Vorrichtung zur Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs bezeichnet werden.
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Das dispergierte Fluidgemisch enthält ein gasförmiges Fluid, mithin ein Gas, wie z. B. Luft, Stickstoff, etc., welches in Form von Gasblasen, in einem flüssigen Fluid, mithin einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser bzw. einem Gemisch aus Wasser und weiteren Substanzen, dispergiert bzw. verteilt ist.
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Die Dispergierungsvorrichtung 1 umfasst eine Zuführeinrichtung 2, eine dieser nachgeschaltete Mischeinrichtung 3 und eine der Mischeinrichtung 3 nachgeschaltete Verteilereinrichtung 4.
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Die Zuführeinrichtung 2 umfasst zwei getrennte Zuführeinheiten 5, 6, welche jeweils zur Zuführung eines Fluids mit einem bestimmten Volumenstrom ausgebildet sind. Die Zuführeinheiten 5, 6 weisen jeweils einen einen Zuführraum begrenzenden zylindrischen Zuführkörper 7, 8 auf. Ersichtlich ist der der Zuführeinheit 5 zugehörige Zuführkörper 7 abschnittsweise in dem der Zuführeinheit 6 zugehörigen Zuführkörper 8 aufgenommen. Die Zuführkörper 7, 8 haben vorzugsweise achsensymmetrische Querschnitte, z. B. in zylindrischer oder konischer (kegelstumpfförmiger) Form. Die Zuführkörper 7, 8 können jedoch auch andere Querschnittsgeometrien, wie z. B. oval oder polygonal, aufweisen.
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Der der Zuführeinheit 5 zugehörige Zuführkörper 7 ist im Bereich seines der Mischeinrichtung 3 zugewandten Endes mit einem konus- oder kegelstumpfförmigen Abschnitt versehen, welcher endseitig durch eine mehrere Kanäle oder Öffnungen aufweisende Düsenvorrichtung 9 abgeschlossen ist. Die Querschnittsfläche des Abschnitts des Zuführkörpers 7 verjüngt sich demnach kontinuierlich in der durch die Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung des in den Zuführkörper 7 zugeführten Fluids, was eine Beschleunigung des durch diesen strömenden Fluids bedingt.
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Die Zuführeinrichtung 2 ist respektive die dieser zugehörigen Zuführeinheiten 5, 6 sind mit einer Steuereinrichtung 10 ausgestattet bzw. verbunden, über welche die jeweiligen Volumenströme der in die Zuführkörper 7, 8 zuzuführenden Fluide regelbar bzw. steuerbar ist.
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Konkret handelt es sich bei den in die Zuführkörper 7, 8 zugeführten Volumenströmen um einen Gasvolumenstrom GV und einen Flüssigkeitsvolumenstrom FV. Der Gasvolumenstrom GV wird mit einem bestimmten, über die Steuereinrichtung 10 regelbaren Volumendurchsatz über die Zuführeinrichtung 5 zugeführt, der Flüssigkeitsvolumenstrom FV wird mit einem bestimmten, über die Steuereinrichtung 10 regelbaren Volumendurchsatz über die Zuführeinrichtung 6 zugeführt.
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Bei dem Gasvolumenstrom GV handelt es sich, wie erwähnt, um ein Gas, wie z. B. Luft, Stickstoff, etc. Bei Anwendungen in der chemischen Industrie kann der Gasvolumenstrom GV jedoch auch andere Prozessgasse enthalten. Bei dem Flüssigkeitsvolumenstrom FV handelt es sich um eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und weiteren Substanzen, oder Lösungsmittel und/oder flüssige Reagenzien.
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Insbesondere in dem Flüssigkeitsvolumenstrom FV können Mittel zur Verhinderung von Koaleszenzen von aus dem Gasvolumenstrom GV gebildeten Gasblasen enthalten sein. Diese Mittel entsprechen den vorstehend genannten, dem Wasser beigemischten Substanzen. Bei diesen Mitteln handelt es sich, insbesondere bei Flotationsanwendungen im Bereich des Bergbaus, typischerweise um organische Verbindungen, insbesondere Hydroxy- oder Etherverbindungen, oder Mischungen organischer Verbindungen, insbesondere Mischungen aus Hydroxy- oder Etherverbindungen. Konkret kann es sich bei diesen Mitteln um aliphatische Alkohole, wie z. B. Hexanol oder Terpenalkohole, und/oder Polyglykolether handeln. Die Konzentration der Mittel in dem Flüssigkeitsvolumenstrom FV liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 50 und 200 ppm. Anwendungsabhängig können jedoch deutlich niedrigere oder höhere Konzentrationen vorgesehen werden.
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Der Zuführeinrichtung 2 ist in Strömungsrichtung der Volumenströme die Mischeinrichtung 3 nachgeschaltet. Die Mischeinrichtung 3 umfasst einen vorwiegend konus- oder kegelstumpfförmigen, einen Mischraum begrenzenden Mischkörper 11. Ersichtlich erweitert sich die Querschnittsfläche des Mischkörpers 11 und sonach der Durchflussquerschnitt des durch den Mischkörper 11 begrenzten Mischraums kontinuierlich von dem der Zuführeinrichtung 2 zugewandten Ende zu dem der Verteilereinrichtung 4 zugewandten Ende. Derart wirkt der Mischkörper 11 als Diffusor, da die Strömungsgeschwindigkeit des durch diesen strömenden Fluidgemischs durch die sich erweiternde Querschnittsfläche reduziert wird. Dies begünstigt bzw. erlaubt die Ausbildung eines Gleichgewichtszustands innerhalb des Fluidgemischs, d. h. eines Gleichgewichtszustands zwischen den gebildeten Gasblasen und der Flüssigkeit.
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Der Mischeinrichtung 3 ist in Strömungsrichtung der Volumenströme die Verteilereinrichtung 4 nachgeschaltet. Die Verteilereinrichtung 4 weist einen vorzugsweise zylindrischen Verteilerkörper 12 mit an dessen Mantelfläche umfangsmäßig verteilt gebildeten Austrittsöffnungen 13 zum Austritt des Fluidgemischs aus der Dispergierungsvorrichtung 1 auf.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe der aus dem Gasvolumenstrom GV gebildeten Gasblasen durch eine besondere über die Steuereinrichtung 10 realisierte Regelung bzw. Steuerung des Volumenstromverhältnisses zwischen dem Gasvolumenstrom GV und dem Flüssigkeitsvolumenstrom FV eingestellt. Durch eine gezielte Regelung bzw. Steuerung der jeweiligen Volumenströme, d. h. insbesondere des Verhältnis dieser zueinander, kann ein weiter Bereich an Gasblasengrößen mit einer einzigen Düsenvorrichtung 9 abgedeckt werden. Es ist beispielsweise möglich, mittlere Gasblasengrößen von typischerweise ca. 50 µm zu erzeugen, indem ein bestimmter Gasvolumenstrom GV mit einem bestimmten Flüssigkeitsvolumenstrom FV kombiniert wird. Prinzipiell ist es daher denkbar, die Dispergierungsvorrichtung 1 neben dem Einsatz im Rahmen eines Flotationsabscheidungsprozesses z. B. auch in der Paperindustrie, insbesondere Papierverarbeitung, einzusetzen, da hier die Erzeugung definierter Gasblasengrößen ebenso von Vorteil ist, um kleinste Partikel, wie z. B. Farbstoffpigmente, über Flotationsprozesse abzutrennen.
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Typischerweise ist die Regelung bzw. Steuerung der Volumenströme derart, dass der Gasvolumenstrom GV um ein Vielfaches höher als der Flüssigkeitsvolumenstrom FV ist. Der Flüssigkeitsvolumenstrom FV kann in einem Bereich zwischen 1 und 80%, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 und 50%, des Gasvolumenstroms GV liegen.
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Für den konkreten Fall, in dem der Flüssigkeitsvolumenstrom FV derart eingestellt wird, dass er 6% des Gasvolumenstroms GV beträgt, was z. B. gegeben ist, wenn der Gasvolumenstrom GV 100 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 100 Liter pro Minute, und der Flüssigkeitsvolumenstrom FV 6 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit, d. h. z. B. 6 Liter pro Minute beträgt, können bei einem Querschnittsverhältnis zwischen der Querschnittsfläche A1 der Düsenvorrichtung 9, aus welcher die Gasblasen austreten, und der Querschnittsfläche A2 des Eintrittsbereichs der Mischeinrichtung 3 von 0,2 Gasblasengrößen von ca. 0,5 mm erzeugt werden.
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Dadurch, dass der Gasvolumenstrom GV typischerweise größer als der Flüssigkeitsvolumenstrom FV ist, kann der Gasvolumenstrom GV als Treibstrahl erachtet bzw. genutzt werden, welcher unter Ausnutzung des Venturi-Effekts ein Ansaugen des Flüssigkeitsvolumenstroms FV aus dem Zuführkörper 8 in die Zuführeinrichtung 2 und im Weiteren die Mischeinrichtung 3 ermöglicht. Ansaug- oder Fördervorrichtungen (nicht gezeigt), über welche der Flüssigkeitsvolumenstrom FV gebildet oder beschleunigt wird, können sonach in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. Gegebenenfalls kann auf derartige Ansaugvorrichtungen sogar verzichtet werden.
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Das aus den beiden Volumenströmen, d. h. dem Flüssigkeitsvolumenstrom FV und dem Gasvolumenstrom GV, in der Dispergierungsvorrichtung 1 gebildete Fluidgemisch ist in eine Suspension, enthaltend eine Flüssigkeit und aus dieser im Rahmen eines Flotationsabscheidungsprozesses abzutrennende Feststoffpartikel, einzuleiten. Bei der Suspension kann es sich z. B. um eine Trübe oder Pulpe handeln, aus welcher Feststoffpartikel als Wertstoffpartikel abzutrennen sind.
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Ersichtlich ist die Dispergierungsvorrichtung 1 komplett in einen Reaktorbehälter 14, d. h. insbesondere eine Flotationszelle, eingetaucht. Hieraus ergibt sich, dass mit der Dispergierungsvorrichtung 1 bereits ein dispergierte Gasblasen enthaltendes Fluidgemisch in den Reaktorbehälter 14 eingebracht wird.
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Es ist also im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Prinzipien möglich, bereits ein entsprechend dispergiertes Fluidgemisch, bestehend aus in einem flüssigen Fluid dispergierten Gasblassen, in einen Reaktorbehälter 14, wie z. B. eine Flotationszelle, einzubringen und entsprechende Gasblasen nicht erst in einem Reaktorbehälter 14 zu erzeugen.
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Das über die Dispergierungsvorrichtung 1 realisierbare Verfahren zur Erzeugung eines dispergierten Fluidgemischs weist, insbesondere bei Verwendung im Rahmen eines Flotationsabscheidungsprozesses, eine Reihe von Vorteilen auf.
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Beispielsweise kann das über den der Verteilereinrichtung 4 zugehörigen Verteilerkörper 12 in eine Suspension einzubringende Fluidgemisch, d. h. insbesondere die in diesem enthaltenen Gasblasen, über einen breiten Querschnitt des Reaktorbehälters 14 in diesen eingebracht werden. Damit kann im Rahmen eines Flotationsabscheidungsprozesses ein intensiver Austausch zwischen den abzutrennenden Feststoffpartikeln, typischerweise Wertstoffpartikeln, und der Gasblasenoberfläche stattfinden und folglich die Effizienz des Gesamtprozesses erhöht werden.
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Des Weiteren kann aufgrund des in dem Mischraum des der Mischeinrichtung 3 zugehörigen Mischkörpers 11 herrschenden Strömungsprofils bei gleichem Leistungseintrag, welcher sich im Wesentlichen aus den einzustellenden Druckverhältnissen ergibt, ein erheblich höherer Anteil an Feinstblasen, d. h. Gasblasen mit einer Gasblasengröße unterhalb 1 mm, gebildet werden, was wiederum eine Erhöhung der spezifischen Gasblasenoberfläche bedingt und so eine größere Menge an abgetrennten Feststoffpartikeln ermöglicht.
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Ferner kann durch die mit der Dispergierungsvorrichtung 1 mögliche Ausbildung vergleichsweise eng verteilter Scherraten eine eng verteilte Gasblasengrößenverteilung erzeugt und gut reguliert werden. Dies ist beispielsweise mit aus dem Stand der Technik bekannten Rührwerken kaum möglich, da in rührwerksäußeren Bereichen, z. B. an den Rührblattspitzen, im Vergleich zu rührwerksinneren Bereichen sehr hohe Scherraten gegeben sind. Diese große Scherratenverteilung resultiert in einer Ausbildung von Gasblasen mit einer breit verteilten Gasblasengröße.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
