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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer Öltröpfchen enthaltenden Flüssigkeit, umfassend wenigstens eine die Flüssigkeit führende Zuleitung, und eine Reaktionsvorrichtung umfassend wenigstens einen Ultraschallwandler zur Ausbildung einer stehenden Ultraschallwelle in der strömenden Flüssigkeit zur Bildung größerer Öltropfen.
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In vielen Anwendungsgebieten, beispielsweise der Bergbauindustrie, der Öl- und Gasgewinnung oder dem Brunnenbohren fällt Abwasser an, das neben gegebenenfalls suspendierten Festkörperpartikeln insbesondere auch Öltröpfchen beinhaltet. Diese Verunreinigungen sind zu entfernen, bevor das Wasser wieder der Umgebung zugeführt wird. Während es hinreichende technische Ansätze gibt, die suspendierten Festkörperpartikel zu entfernen, wie beispielsweise durch Sedimentieren, mittels Hydrozyklonen oder Zentrifugen, stellen insbesondere die kleinen Öltröpfchen mit Durchmessern von 20 Mikrometern und weniger ein Problem dar. Es kommt zur Emulsionsbildung, so dass diese kleinen Öltröpfchen aufgrund der äußerst feinen Verteilung in der Flüssigkeit nur schwer abgetrennt werden können. Die Verwendung von Filtern ist sehr aufwendig, insbesondere ist nur ein semikontinuierlicher Betrieb möglich, da die Filter häufig zu reinigen sind.
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Eine Möglichkeit, die feinen Öltröpfchen in Form größerer Öltropfen zu binden, sieht die Verwendung einer Reaktionsvorrichtung umfassend wenigstens einen Ultraschallwandler vor. Mit diesem Ultraschallwandler respektive in der Reaktionsvorrichtung wird eine stehende Ultraschallwelle hinreichender Intensität erzeugt, die den gesamten Strömungsquerschnitt erfassen sollte. Akustophoretische Kräfte innerhalb dieses Ultraschallfeldes bewirken eine Drift der emulgierten Öltröpfchen zu den Schwingungsknotenpunkten respektive den entsprechenden Knotenebenen des stehenden Wellenmusters. Dort können die feinen Öltröpfchen koagulieren, so dass sich größere Öltropfen bilden, welche mit bereits bekannten technischen Methoden abgetrennt werden können. Um dies zu ermöglichen wird der Ultraschallwandler bei Frequenzen von typischerweise 0,5–2 MHz mit einer Leistung von wenigen W/cm2 betrieben. Dem Ultraschallwandler ist gegebenenfalls ein Reflektor oder ein in Phase mit dem ersten Ultraschallwandler arbeitender zweiter Ultraschallwandler zugeordnet, um ein hinreichend intensives Wellenmuster zu erzeugen. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, wird eine Vielzahl solcher Ultraschallwandler arrayartig vorgesehen, so dass sich eine entsprechende Menge an anfallendem Wasser behandeln lässt.
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Es ist bekannt, die Reaktionsvorrichtung respektive die Ultraschallwandler direkt quasi in-line in eine Wasserleitung zu verbauen, wobei bei arrayartiger Anordnung entsprechende den Fluidstrom teilende Rohrvorrichtungen vorgesehen sind, um das Wasser den einzelnen Wandlern und damit den separaten Wellenfeldern zuzuführen. Aufgrund der Integration eines solchen größeren Arrays in die Rohrleitung ist es üblich, dass sich die Zuleitung von einem schmäleren Durchmesser auf einen größeren Durchmesser erweitert, in welchem Bereich die Reaktionsvorrichtung mit der Vielzahl der Ultraschallwandler und der entsprechenden Stromaufteilung vorgesehen ist, wonach sich die Rohrleitung wieder verjüngt, um das behandelte Wasser mit den größeren Öltropfen wieder weiter zu führen. Es hat sich nun jedoch herausgestellt, dass die größeren Öltröpfchen hinter den Ultraschallwandlern respektive hinter den stehenden Wellenfeldern an der Oberfläche der Stromaufteilung respektive des abführenden Rohres anhaften, so dass sich im Bereich der Ultraschallwandler selbst, auf den Reflektoren und den umgebenden Seitenwänden, sowie unmittelbar hinter den Ultraschallwandlern, also noch im Bereich der Reaktionsvorrichtung, respektive dahinter ein Ölfilm an den entsprechenden Wänden bildet, der einerseits den Durchfluss begrenzt respektive behindert, und andererseits das System zusetzt, so dass dieses wiederum zu reinigen ist. Oftmals besteht dieser Ölfilm aus Agglomeraten feinster Öltröpfchen und kann sich aufgrund von ungünstigen Strömungsbedingungen bzw. starken Ansammlungen stellenweise wieder in Form großer flockenähnlicher Gebilde lösen. Geraten diese losgelösten Flocken in Bereiche hoher Scherkräfte, wie z. B. im Bereich von Rohrverengungen oder -krümmungen, so können diese Agglomerate wieder in kleinste Tröpfchen geschert werden, so dass sie aufgrund ihrer geringen Größe in dem nachfolgenden Trennprozess nicht mehr vom Trägerfluid (Wasser) getrennt werden können.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die demgegenüber verbessert ist und bei der eine sichere Ölabscheidung ohne Gefahr des Zusetzens möglich ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Reaktionsvorrichtung entweder am Ende der Zuleitung im Übergang zu einem die Flüssigkeit samt den Öltropfen aufnehmenden Tank oder direkt in dem Tank, dem Ende der Zuleitung folgend, angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Reaktionsvorrichtung nicht in-line in eine Rohrleitung eingesetzt, sondern befindet sich unmittelbar im Bereich des Übergangs einer Zuleitung in einen der Phasentrennung Öl/Trägerfluid (z.B. Wasser) dienenden Tank. Die Reaktionsvorrichtung kann dabei entweder am Ende der Zuleitung und unmittelbar im Übergang zu dem bzw. angrenzend an den Tank angeordnet sein, oder bereits im Tank, damit unmittelbar dem Ende der Zuleitung folgend. Dies ermöglicht es, die Reaktionsvorrichtung so auszulegen, dass hinter dem stehenden Wellenfeld letztlich keine den Fluidstrom einschränkende respektive beeinflussende Rohrleitung mehr folgt, sondern die behandelte Flüssigkeit samt der im Ultraschallfeld gebildeten Öltröpfchen unmittelbar in den Tank strömt. In dem Tank kommt es dann zwangsläufig zu einer entsprechenden Trennung der Öltröpfchen von der Trägerflüssigkeit, beispielsweise Wasser, indem die Öltröpfchen an der Wasseroberfläche aufschwimmen und dort einen Ölfilm bilden, der mit einer entsprechenden Trennvorrichtung abgeschieden werden kann. Das auf diese Weise dann im Tank gereinigte Wasser kann über eine entsprechende Abführleitung dem Tank wieder entnommen und entweder weiterbehandelt oder der Umgebung zugeführt werden.
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Eine leitungswandseitige Anhaftung eines Ölfilms mit den nachteiligen Folgen, nämlich dem langsamen Zusetzen oder dem Ablösen von großen Ölagglomeraten respektive einer Beeinträchtigung des Fluidstroms und damit der Reinigungsleistung sowie dem Erfordernis einer Reinigung des Systems, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit besonderem Vorteil nicht mehr gegeben. Denn der Reaktionsvorrichtung respektive dem Ultraschallwandler und damit dem Ultraschallfeld ist wie beschrieben keine die Fluidströmung in irgendeiner Weise beeinträchtigende Rohrleitung nachgeschaltet, vielmehr ergießt sich die behandelnde Flüssigkeit unmittelbar in das Tankvolumen.
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Dabei ist es wie beschrieben zweckmäßig, wenn die Reaktionsvorrichtung ein Array aus einzelnen Leitungsabschnitten mit jeweils einem Ultraschallwandler aufweist. Die z. B. parallelen Leitungsabschnitte sind dabei so bemessen, dass sie lediglich eine Stromaufteilung unmittelbar im Bereich der Ultraschallwandler erwirken, so dass sich in den jeweiligen Leitungsabschnitten dezidierte stehende Wellenfelder ausbilden, durch die ein definiertes Flüssigkeitsvolumen strömt. Sie sind also im Wesentlichen nur im Bereich der entsprechenden Felder vorgesehen, und erstrecken sich nicht in Richtung des Tanks. Eine gewisse Erstreckung in Richtung der Zuleitung ist selbstverständlich möglich, da in diesem Bereich nur die fein emulgierten Öltröpfchen vorliegen und es dort zu keiner Ölfilmausbildung kommt. Es ist also eine Art Honigwabenstruktur in Form eines axial gesehen kurz bemessenen Rohrarrays, das der Aufteilung des Zuflusses zu den einzelnen Reaktoren respektive Reaktorpaaren im Falle der Verwendung eines Ultraschallwandlers mit zugeordnetem Reflektor oder zweier in Phase arbeitender Ultraschallwandler dient. Damit ist auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Flüssigkeitsdurchsatz von mehreren Kubikmetern pro Tag mit entsprechender Reinigungsleistung möglich.
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Die Zuleitung kann je nach Ausgestaltung an unterschiedlichen Positionen des Tanks münden. Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann die Zuleitung am Boden des Tanks münden. In diesem Fall würde, wenn die Reaktionsvorrichtung noch zuleitungsseitig verbaut ist, folglich auch die Reaktionsvorrichtung unmittelbar vor dem Tank verbaut sein, so dass sich das behandelte, die Öltropfen aufweisende Wasser mit dem Verlassen der Reaktionsvorrichtung respektive des Ultraschallfelds direkt in den Tank ergießt. Befindet sich die Reaktionsvorrichtung im Tank, so ist sie unmittelbar der bodenseitigen Zuleitungsmündung nachgeschaltet.
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Alternativ ist es denkbar, die Zuleitung an einer Seitenwand des Tanks anzuordnen, wobei je nach Ausgestaltung die Reaktionsvorrichtung entweder zuleitungsseitig unmittelbar vor der Mündung in den Tank oder im Tank, unmittelbar der Zuleitung folgend, angeordnet ist. Unabhängig davon, wo die Zuleitung mündet, ist es natürlich auch möglich, mehrere Zuleitungen, denen entsprechende Reaktionsvorrichtungen zugeordnet sind, parallel in dem Tank münden zu lassen.
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Die Vorrichtung zeichnet sich ferner durch eine Trennvorrichtung zum Abtrennen des im Tank an der Oberfläche der Flüssigkeit aufschwimmenden Öls, insbesondere in Form eines Skimmers aus. Über diese Trennvorrichtung kann sich das oberflächlich ansammelnde Öl auf einfache Weise abgetrennt und damit das Wasser gereinigt werden.
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Neben der Vorrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Behandlung einer Öltröpfchen enthaltenden Flüssigkeit unter Verwendung einer Vorrichtung der beschriebenen Art, wobei die Flüssigkeit über die Zuleitung der Reaktionsvorrichtung zugeführt wird, in der die Flüssigkeit wenigstens eine stehende Ultraschallwelle passiert, währenddessen sich die Öltröpfchen zu größeren Öltropfen verbinden, wobei die Flüssigkeit samt den Öltropfen von der Reaktionsvorrichtung direkt in den Tank strömt, wo die Öltropfen oberflächlich aufschwimmen und mittels einer Trennvorrichtung von der Flüssigkeit getrennt werden. Durch das unmittelbare Einströmen der Flüssigkeit von der Reaktionsvorrichtung in den Tank ist die Gefahr eines Zusetzens der Reaktionsvorrichtung durch Ölfilmbildung vermieden.
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Dabei kann der Flüssigkeitsstrom über Leitungsabschnitte in eine Vielzahl einzelner Ströme aufgeteilt werden, wobei in jedem Leitungsabschnitt wenigstens ein Ultraschallwandler angeordnet ist, so dass jeder Storm eine separate stehende Ultraschallwelle passiert. Durch diese quasi den Ultraschallwandlern vorgeschaltete, beispielsweise honigwabenförmige Stromaufteilerstruktur kann der Durchsatz deutlich erhöht und damit die Reinigungsleistung deutlich gesteigert werden.
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Als Trennvorrichtung wird wie beschrieben bevorzugt ein Skimmer verwendet, über den der sich an der Flüssigkeitsoberfläche im Tank bildende Ölfilm abgeschöpft werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer ersten Ausführungsform,
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2 eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs II in 1, im Schnitt,
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3 eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs III in 2, und
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4 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Behandlung einer Öltröpfchen enthaltenden Flüssigkeit 2, die über eine Zuleitung 3 zugeführt wird. Am Ende der Zuleitung 3 ist eine Reaktionsvorrichtung 4 angeordnet, die unmittelbar in einem Tank 5 übergeht. Die Flüssigkeit 2 strömt zur Reaktionsvorrichtung 4 und wird in dieser über Ultraschallwellenfelder, gebildet aus separaten stehenden Ultraschallwellen, zur Agglomeration feiner Öltröpfchen behandelt. Die behandelte Flüssigkeit strömt vom Ausgang der Reaktionsvorrichtung 4 unmittelbar in den Tank 5. Die in der behandelnden Flüssigkeit enthaltenen größeren agglomerierten Öltropfen schwimmen in der behandelnden Flüssigkeit auf, so dass sich ein Ölfilm 6 auf der quasi ölfreien, gereinigten Flüssigkeit 7 abscheidet. Der Ölfilm 6 kann mit einer geeigneten Trennvorrichtung 8, beispielsweise einem Skimmer 9 abgetrennt werden. Die gereinigte Flüssigkeit 7 wird über eine Ableitung 10 aus dem Tank 5 abgezogen.
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2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs II aus 1. Gezeigt ist in Form einer Prinzipdarstellung ein Schnitt durch die Reaktionsvorrichtung 4. Diese umfasst eine Stromteileinrichtung 11, die in Form einer Vielzahl einzelner Leitungsabschnitte 12, die den Flüssigkeitsstrom aufteilt. Die einzelnen Leitungsabschnitte 12 können beispielsweise durch eine Vielzahl einzelner, im Querschnitt beispielsweise vier-, sechs- oder achteckige kurze Rohrabschnitte gebildet sein, die zu einer Art Bienenwabenstruktur zusammengesetzt sind. Im Inneren eines jeden solchen Leitungsabschnitts 12 ist wenigstens ein Ultraschallwandler 13 angeordnet, dem im gezeigten Ausführungsbeispiel an einer gegenüberliegenden Wand ein Reflektor 14 zugeordnet ist. Der Ultraschallwandler 13 erzeugt eine stehende Ultraschallwelle, die vom Reflektor 14 zurückreflektiert wird. Es bildet sich folglich bei Resonanzbedingung in jedem Leitungsquerschnitt ein Ultraschallfeld 15 aus, das aufgrund der Geometrie der jeweiligen Wandler-Reflektor-Paare mehrere in Strömungsrichtung liegende Schwingungsknotenebenen 16 aufweist. Das heißt, dass folglich über den Leitungsquerschnitt ein stehendes Ultraschallfeld mit mehreren ausgezeichneten Knotenebenen erzeugt wird. Dies geschieht in jedem Leitungsabschnitt 12. Da die Reaktionsvorrichtung 14 den gesamten Querschnitt der Zuleitung 3 übergreift, muss folglich die gesamte zuströmende, verunreinigte Flüssigkeit 2 durch die entsprechenden Ultraschallfelder 15 strömen, wo sie dem jeweiligen Feld ausgesetzt ist.
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Die verunreinigte Flüssigkeit 2 umfasst zum einen die Trägerflüssigkeit, die als gereinigte Flüssigkeit 7 im Tank anfällt, sowie in der Trägerflüssigkeit emulgierte feine Öltröpfchen 17. Im Ultraschallfeld 15 werden die feinen Öltröpfchen 17 akustophoretischen Kräften ausgesetzt, die die feinen Ultraschalltröpfchen 17 zu den Schwingungsknotenebenen 16 transportieren, wie in 3 prinzipiell dargestellt ist. Das heißt, dass sich in den Schwingungsknotenebenen 16 die Ultraschalltröpfchen 17 ansammeln. Es kommt dort zwangsläufig zu einer Agglomeration der Ultraschalltröpfchen und damit zur Bildung größerer Ultraschalltropfen 18, wie in 3 gezeigt, über Koaleszenz der die Agglomerate bildenden Tröpfchen.
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Da die Flüssigkeit 2 kontinuierlich durch die Reinigungsvorrichtung 4 strömt, werden folglich die gebildeten Öltropfen 18 auch wieder ausgetragen. Aufgrund der Anordnung der Reaktionsvorrichtung 4 unmittelbar im Übergang zum Tank 5 treten folglich die Ultraschalltropfen 18, wenn sie das jeweilige Ultraschallfeld 15 verlassen, unmittelbar und direkt in das Volumen des Tanks 5 ein, ohne dass sie noch durch eine der Reaktionsvorrichtung 4 nachgeschaltete Rohrleitung oder Ähnliches strömen. Sie verteilen sich folglich im Inneren des Tanks 5 und schwimmen oberflächlich auf, wo sie den Ölfilm 6 bilden. Das heißt, dass die Öltropfen 18 wenn überhaupt nur für sehr kurze Zeit in einem geometrisch eingegrenzten Rohrvolumen sind, nämlich wenn sie im Rahmen ihrer Bildung in der Reaktionsvorrichtung 4 sind. Da sie sich dort erst bilden kann es in diesem Bereich zwangsläufig zu keiner Zusetzung kommen, da die strömende Flüssigkeit sie nach Bildung auch sofort wieder aus der Reaktionsvorrichtung 4 transportiert und sie in das Tankvolumen gelangen.
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Wenngleich in 2 und 3 jeweils ein Reaktorpaar bestehend aus Ultraschallwandler 13 und Reflektor 14 vorgesehen ist, wäre es grundsätzlich in einer einfachen Ausgestaltung auch denkbar, nur mit einem Ultraschallwandler 13 zur Erzeugung der stehenden Welle zu arbeiten. Alternativ könnten auch zwei Ultraschallwandler 13 einander gegenüberliegend vorgesehen werden, die in Phase arbeiten, so dass die Intensität der gebildeten Welle noch deutlich erhöht werden kann.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen vorgesehen sind. Bei dieser Erfindungsausgestaltung mündet die die verunreinigte Flüssigkeit 2 transportierende Zuleitung 3 nicht am Tankboden, wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, sondern an einer Seitenwand des Tanks 5. Vorgesehen ist wiederum eine Reaktionsvorrichtung 4, die hier jedoch unmittelbar dem Ende der Zuleitung 3 folgend im Inneren des Tanks 5 angeordnet ist. Das Funktionsprinzip ist wiederum das gleiche. Die Öltropfen 18 werden in gleicher Weise wie in Bezug auf die 2 und 3 in der Reaktionsvorrichtung 4 während des Durchströmens derselben mit der verunreinigten Flüssigkeit 2 gebildet. Sie treten wiederum unmittelbar nach der Reaktionsvorrichtung 4 in das Volumen des Tanks 5 über, auch hier sind den einzelnen Reaktoren, also den Ultraschallwandlern oder den Reaktorpaaren, also dem Wandler-Reaktor-Paar oder dem Wandler-Wandler-Paar, keine den Fluidstrom begrenzenden oder einschnürenden Rohrleitungen oder ähnliches nachgeschaltet.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, im Falle der Ausgestaltung nach 1 die Reaktionsvorrichtung 4 in das Innere des Tanks 5 zu setzen, dem Ende der Zuleitung 3 unmittelbar nachgeschaltet, wie bei der Ausgestaltung nach 4 die Möglichkeit besteht, die Reaktionsvorrichtung 4, ähnlich wie zu 1 beschrieben, am Ende der Zuleitung 3 im unmittelbaren Übergang zum Tank 5 anzuordnen. Auch besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Zuleitung 3 und damit die Reaktionsvorrichtung 4 an einer anderen Seitenwand als der der Ableitung 10 gegenüberliegenden Wand, wie in 4 gezeigt, anzuordnen.
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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.
