DE102017005154A1

DE102017005154A1 - Gas introduction into fluids

Info

Publication number: DE102017005154A1
Application number: DE102017005154.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Gasblasennutzung, wobei die Vorrichtung eine oder mehrere im Betrieb mit Fluid gefüllte Säulen (2) und eine oder mehrere Einleitungseinrichtung(en) (4) für Gas in einen unteren Bereich der Säule(n) umfaßt, wird so ausgebildet, daß die Vorrichtung (1) oberhalb oder im oberen Bereich der Säule(n) zumindest einen von aus der oder den Säule(n) aufsteigendem Gas antreibbaren Rotator (9) umfaßt.

An apparatus (1) for gas bubble utilization, the apparatus comprising one or more fluid-filled columns (2) and one or more gas introduction means (4) in a lower portion of the column (s) is thus formed in that the device (1) above or in the upper region of the column (s) comprises at least one rotator (9) which can be driven by gas ascending out of the column (s).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasblasennutzung, wobei die Anlage eine oder mehrere im Betrieb mit Fluid gefüllte Säulen und eine oder mehrere Einleitungseinrichtung(en) für Gas in einen unteren Bereich der Säule(n) umfaßt, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Gasblasennutzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a device for gas bubble use, the system comprising one or more columns filled with fluid in operation and one or more gas introduction means in a lower region of the column (s), a preamble of claim 1 and a method for gas bubble use according to the preamble of claim 8.

Es sind zahlreiche sog. Blasensäulen oder Blasensäulenreaktoren bekannt, bei denen die jeweilige(n) Säule(n) mit Flüssigkeit gefüllt ist, zum Beispiel Wasser oder Chemikalien, und von unten oder zumindest im unteren Bereich der Säule(n) Gas eingeleitet werden kann. Dieses Gas durchströmt dann im Betrieb in Blasen die Flüssigkeit von unten nach oben - entweder im Gleich- oder im Gegenstromverfahren. Die aufsteigenden Gasblasen können dabei unterschiedliche Einsatzzwecke erfüllen. So kann die entstehende Phasengrenzfläche beispielsweise zur Durchführung chemischer Reaktionen, zum Stoffaustausch und/oder zum Wärmeaustausch genutzt werden. Die Auftriebskraft der aufsteigenden Gasblasen kann beispielsweise für Flotationsprozesse in der Abwasserreinigung oder für den Auftrieb von festen Körpern.Numerous so-called bubble columns or bubble column reactors are known, in which the respective column (s) is filled with liquid, for example water or chemicals, and gas can be introduced from below or at least in the lower region of the column (s). This gas then flows through the liquid in operation from bottom to top in bubbles - either in cocurrent or in countercurrent process. The rising gas bubbles can fulfill different purposes. Thus, the resulting phase interface can be used, for example, for carrying out chemical reactions, for mass transfer and / or for heat exchange. The buoyant force of the ascending gas bubbles can be used, for example, for flotation processes in wastewater treatment or for buoyancy of solid bodies.

Zur Einleitung des Gasvolumens in das Fluid der Säule(n) muß das Gas in der Regel einer ein- oder mehrstufigen Kompression unterzogen werden, um dieses vom Ansaugdruck (zum Beispiel äußerer Luftdruck) auf zumindest den hydrostatischen Druck des Fluids an der Einleitungsstelle des Gases zu bringen. Je höher die Säule(n) der Flüssigkeit sind, desto höher muß das Gas verdichtet werden. Das bedeutet, daß eine Verdichtungsarbeit geleistet werden muß, die je nach Gas- und Fluidvolumen hoch sein kann und einen großen Energieaufwand erfordert.In order to introduce the gas volume into the fluid of the column (s), the gas must usually be subjected to single or multi-stage compression to increase it from the suction pressure (eg external air pressure) to at least the hydrostatic pressure of the fluid at the point of introduction of the gas bring. The higher the column (s) of the liquid, the higher the gas must be compressed. This means that a compaction work must be done, which can be high depending on the gas and fluid volume and requires a lot of energy.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, hier eine Verbesserung zu schaffen.The invention is based on the problem to provide an improvement here.

Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung wird auf die abhängigen Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 10 verwiesen.The invention solves this problem by a device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 8. With regard to further embodiments and features of the invention, reference is made to the dependent claims 2 to 7 and 9 to 10.

Durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 8 ist es möglich, die im Gas enthaltene Energie nach dessen Durchlauf durch das Fluid zumindest teilweise zu nutzen.By the device according to claim 1 and the method according to claim 8, it is possible to use the energy contained in the gas at least partially after passing through the fluid.

Mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 ist dadurch, daß diese oberhalb oder im oberen Bereich der Säule(n) zumindest eine von aus der oder den Säule(n) aufsteigendem Gas beaufschlagbare Einrichtung zur Energienutzung umfaßt, eine Möglichkeit geschaffen, daß das nach Durchlauf durch das Fluid, insbesondere Flüssigkeit, nach oben aus dieser ausströmende Gas nicht als reines Abfallprodukt des jeweiligen Prozesses ungenutzt entweicht, sondern daß seine Energie zumindest teilweise genutzt wird.With the device according to claim 1, characterized in that it comprises above or in the upper region of the column (s) at least one of the ascending from the column (s) gas actable device for energy use, created a possibility that after passing through the Fluid, in particular liquid, escapes unused out of this outflowing gas as a pure waste product of the respective process, but that its energy is at least partially utilized.

Wenn das Gas einen oder mehrere Rotator(en) antreibt, kann die kinetische Energie des Gases einfach und mit kleinem Aufwand genutzt werden.When the gas drives one or more rotors, the kinetic energy of the gas can be used easily and with little effort.

Für eine gute Energienutzung kann jeder Säule ein eigener Rotator zugeordnet werden.For good energy use, each column can be assigned its own rotator.

Weiter ist es möglich, daß zwischen dem Austritt aus der Säule und dem Rotator eine Dichtung und/oder ein Luftleitelement vorgesehen ist, so daß das aufsteigende Gas nicht oder nur in geringer Menge am Rotator vorbeiströmen kann. Dann ist die im aufsteigenden Gas-Volumenstrom enthaltene Bewegungsenergie (fast) vollständig im Rotator nutzbar.Further, it is possible that a seal and / or an air guide is provided between the outlet of the column and the rotator, so that the rising gas can not flow or only a small amount past the rotator. Then the kinetic energy contained in the ascending gas volume flow is (almost) completely usable in the rotator.

Zusätzlich zur Nutzung der Bewegungsenergie über den Rotator kann für erhitzte Gase noch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, über den das aufsteigende Gas geleitet wird, um seine thermische Energie zu nutzen.In addition to the use of kinetic energy via the rotator, a heated heat exchanger may be provided for heated gases through which the ascending gas is passed to utilize its thermal energy.

Der Rotator kann vorteilhaft nach Art einer Abgas-Turbine im aufsteigenden Gas enthaltene Bewegungsenergie nutzen und einen Bestandteil eines von diesem antreibbaren Generators zur Bereitstellung elektrischer Energie darstellen. Alternativ kann auch eine mechanische Kopplung des Rotators mit zum Beispiel einem Kompressor ausgebildet sein.The rotator can advantageously use the kinetic energy contained in the ascending gas in the manner of an exhaust gas turbine and form part of a generator that can be driven by it to provide electrical energy. Alternatively, a mechanical coupling of the rotator may be formed with, for example, a compressor.

Ein solcher Kompressor kann erforderlich sein, um für eine Einleitungseinrichtung des Gases in das Fluid einen hinreichend großen Gasdruck zu erhalten, also mindestens den hydrostatischen Druck des Fluids an der Einleitungsstelle zu erreichen.Such a compressor may be required in order to obtain a sufficiently large gas pressure for an introduction device of the gas into the fluid, ie to achieve at least the hydrostatic pressure of the fluid at the point of introduction.

Damit findet eine Energierückgewinnung statt: dabei ist die durch vom Gas antreibbaren Rotator gewonnene Energie zumindest teilweise zu einer Kompression des einzuleitenden Gases zum Aufbau des Injektionsdrucks nutzbar. Insbesondere kann somit die Gesamtbilanz der von der Vorrichtung benötigten elektrischen Energie verbessert werden - bis in den Nahbereich der energetischen Neutralität.This energy recovery takes place: while the energy obtained by the rotator driven by the gas is at least partially usable for compression of the gas to be introduced to build up the injection pressure. In particular, the overall balance of the electrical energy required by the device can thus be improved - up to the vicinity of the energetic neutrality.

Um die im Gas enthaltene Energie möglichst vollständig nutzen zu können, kann günstig für das aufsteigende Gas ein Abscheider vorgesehen sein, über den vom Gas-Volumenstrom mitgerissene Anteile des durchströmten Fluids abscheidbar sind.In order to use the energy contained in the gas as completely as possible, a separator can be provided for the rising gas favorably, can be deposited on the entrained by the gas flow rate portions of the fluid flowing through.

Unabhängig von der konkreten Vorrichtung ist ein Arbeitsverfahren zur Gasblasennutzung, bei dem Gasblasen in eine oder mehrere mit Fluid gefüllte Säulen in deren unteren Bereich(en) eingeleitet werden und in dem Energie des Gases nach Durchlauf durch das Fluid mittels zumindest eines von aus der oder den Säule(n) aufsteigendem Gas antreibbaren Rotators genutzt wird, gesondert beansprucht.Regardless of the specific device is a working method for gas bubble use, wherein the gas bubbles in one or more fluid filled columns are introduced into the lower region (s) and in which energy of the gas is used after passing through the fluid by means of at least one of the ascending from the column (s) ascending gas rotator, claimed separately.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung.Further advantages and features of the invention will become apparent from the drawing illustrated and described below embodiments of the subject invention.

In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

In the drawing shows:

1 a schematic overview of a device according to the invention,

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 wird auch als Gasblasenreaktor bezeichnet. Sie umfaßt hier eine (auch mehrere sind möglich) im Betrieb mit Fluid, zum Beispiel Wasser, gefüllte Säulen 2. Diese können erhebliche Ausmaße haben und zum Beispiel mehrere zehn Zentimeter oder Meter hoch sein. Der Flüssigkeitsspiegel ist durch eine Markierung 3 eingezeichnet. Je nach Einsatzzweck können die Säulen 2 zum Beispiel Wandungen aus Glas, Edelstahl oder anderen Materialien aufweisen. Der Begriff der Säule ist dabei weit auszulegen und umfaßt verschiedene Reaktionsbehälter.In the 1 illustrated device 1 is also referred to as a gas bubble reactor. It includes one (several are possible) in operation with fluid, for example water, filled columns 2 , These can be of considerable size and for example several tens of centimeters or meters high. The liquid level is indicated by a mark 3 located. Depending on the purpose, the columns can 2 For example, have walls made of glass, stainless steel or other materials. The term of the column is to be interpreted broadly and includes various reaction vessels.

Im unteren Bereich, zum Beispiel am tiefsten Punkt oder wie hier im untersten Fünftel, ist oder sind eine oder mehrere Einleitungseinrichtung(en) 4 für Gas vorgesehen.In the lower part, for example at the lowest point or here in the bottom fifth, is or are one or more initiator (s) 4 intended for gas.

Der Einleitungseinrichtung 4 ist eine Kompressionsanlage 5 zum Aufbau eines Injektionsdrucks P1 des Gases in das Fluid zugeordnet. Die Kompressionsanlage 5 ist von einem Motor M antreibbar und erhöht dem Gasdruck vom Ansaugdruck P0 (zum Beispiel äußerer Luftdruck) auf den Injektionsdruck P1. Dabei ist ein Gegendruck P2 zu überwinden, der sich aus der Summe von hydrostatischem Druck in der Flüssigkeitssäule sowie dem Gasdruck P3 oberhalb der Flüssigkeitssäule ergibt.The initiator 4 is a compression system 5 for building up an injection pressure P1 associated with the gas in the fluid. The compression system 5 is from a motor M drivable and increases the gas pressure from the intake pressure P0 (for example external air pressure) on the injection pressure P1 , There is a back pressure P2 to overcome, which is the sum of hydrostatic pressure in the liquid column and the gas pressure P3 above the liquid column results.

Das Gas durchläuft als Blasen 6 die Säulen 2 von der Einleitungseinrichtung 4 mit einer Komponente nach oben und tritt dort über die Leitung 7 aus der Säule 2 aus. Ein Ventil kann dort vorgesehen sein.The gas goes through bubbles 6 the columns 2 from the initiator 4 with one component up and over there over the line 7 out of the column 2 out. A valve can be provided there.

Das in der Säule 2 aufsteigende Gas expandiert nach oben hin zunehmend aufgrund des nach oben hin nachlassenden hydrostatischen Drucks. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (Markierung 3) geht das Gas aus der fluiden Phase in die Gasphase mit einem Gasdruck P3 über. Eventuell mit dem Gas-Volumenstrom mitgerissene Partikel oder Moleküle können über einen hier eingezeichneten Abscheider 8 aus der Gasphase abgetrennt werden.That in the column 2 Rising gas expands towards the top increasingly due to the upward decreasing hydrostatic pressure. Above the liquid level (marking 3 ), the gas goes from the fluid phase to the gas phase with a gas pressure P3 above. Possibly entrained with the gas volume flow particles or molecules can be drawn on a here marked separator 8th be separated from the gas phase.

Um die im aufsteigenden Gas austretende Energie zu nutzen, umfaßt die Vorrichtung 1 oberhalb (oder auch im oberen Bereich der Säule(n) 2) - und hier auch oberhalb des Abscheiders 8 - zumindest einen von aus der oder den Säule(n) 2 aufsteigendem Gas antreibbaren Rotator 9 umfaßt.To utilize the energy exiting in the rising gas, the device comprises 1 above (or at the top of the column (s)) 2 ) - and here also above the separator 8th at least one of the column (s) 2 ascending gas drivable rotator 9 includes.

Dieser Rotator 9 kann einen Propeller umfassen, der um eine vertikale oder horizontale Achse rotierbar ist und bei nicht abrasiven Gasen aus leichtem Kunststoff bestehen kann. Auch Stahl oder andere Werkstoffe sind möglich. Die Zahl der Flügel kann variieren.This rotator 9 may include a propeller which is rotatable about a vertical or horizontal axis and may be made of lightweight plastic for non-abrasive gases. Also steel or other materials are possible. The number of wings can vary.

Zwischen dem Austritt aus der Säule 2 und dem Rotator 9 können eine oder mehrere Dichtung(en) und/oder auch Luftleitelement(e) vorgesehen sein, um den Gasstrom möglichst vollständig dem Rotator 9 zuzuleiten und dort so weitgehend wie möglich energetisch nutzen zu können und dabei einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten.Between the exit from the column 2 and the rotator 9 For example, one or more seals and / or air guiding elements may be provided in order to maximize the gas flow to the rotator 9 and to be able to use energy as much as possible while maintaining a high degree of efficiency.

Durch den Rotator 9, der hier nach Art einer Abgas-Turbine im aufsteigenden Gas wirkt, wird die darin enthaltene Bewegungsenergie genutzt. Der Rotator 9 kann insbesondere einen Generator 10 antreiben und darüber elektrische Energie liefern. Alternativ wäre es auch möglich, die Energie des Rotators über eine mechanische Kopplung zum Beispiel an die Kompressionseinheit 5 zu liefern.Through the rotator 9 , which acts here in the manner of an exhaust gas turbine in the rising gas, the kinetic energy contained therein is used. The rotator 9 in particular, a generator 10 drive and provide over it electrical energy. Alternatively, it would also be possible to use the energy of the rotator via a mechanical coupling, for example to the compression unit 5 to deliver.

In beiden Fällen kann die durch vom Gas antreibbaren Rotator 9 gewonnene Energie zumindest teilweise zu einer Kompression des einzuleitenden Gases zum Aufbau des Injektionsdrucks P1 nutzbar sein.In both cases, the rotatable by the gas rotator 9 energy obtained at least partially to a compression of the gas to be introduced to build up the injection pressure P1 be usable.

Der Gasdruck des aufsteigenden Gases entspannt sich in der Abgas-Turbine mit dem Rotator 9 von einem Druck P4 auf den Umgebungsdruck PO, da die in der Teilchenbewegung enthaltene Energie genutzt wird und sich dadurch der Druck verringert.The gas pressure of the rising gas relaxes in the exhaust gas turbine with the rotator 9 from a pressure P4 to the ambient pressure PO because the energy contained in the particle movement is used, thereby reducing the pressure.

Ohne den in vielen Fällen entbehrlichen Abscheider 8 entspannt sich der Druck vom P3 auf P0.Without the in many cases dispensable separator 8th the pressure eases off P3 on P0 ,

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das mit der beschriebenen Vorrichtung 1 durchführbar ist, wird das in die jeweilige Säule 2 eingeleitete Gas nicht nur in der Säule 2 genutzt, sondern auch oberhalb von dieser, indem oberhalb oder im oberen Bereich der Säule(n) 2 ein Rotator 9 von dem aufsteigenden Gas antreibbar ist und darüber die im Gas enthaltene Energie genutzt wird.In the method according to the invention, that with the described device 1 is feasible, that is in the respective column 2 Gas introduced not only in the column 2 but also above this, by above or at the top of the column (s) 2 a rotator 9 is driven by the rising gas and it is used over the energy contained in the gas.

Ein Teil der Energie, die zur Gaseinleitung in das Fluid über eine Kompression des Gases erforderlich ist, um einen hinreichend großen Injektionsdruck für dessen Einleitung in das Fluid zu erreichen, kann damit zurückgewonnen werden, beispielsweise über einen Generator 10. Die durch den vom Gas antreibbaren Rotator 9 gewonnene Energie kann zumindest teilweise direkt (über mechanische Kopplung) oder indirekt (über elektrische Energie) zur Kompression des einzuleitenden Gases zum Aufbau des Injektionsdrucks P1 genutzt werden.A portion of the energy required to introduce gas into the fluid via compression of the gas to achieve a sufficiently high injection pressure for its introduction into the fluid can thus be recovered, for example, via a generator 10 , The by the gas drivable rotator 9 energy obtained can be at least partially directly (via mechanical coupling) or indirectly (via electrical energy) to compress the gas to be injected to build up the injection pressure P1 be used.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich oder quasikontinuierlich betrieben werden.In particular, the process according to the invention can be operated continuously or quasi-continuously.

Es ergibt sich je nach Kompressionseinrichtung 5 und Rotator 9 eine nahezu ausgeglichene Energiebilanz, was eine erhebliche ökologische und wirtschaftliche Verbesserung bedeutet.It results depending on the compression device 5 and rotator 9 a nearly balanced energy balance, which means a significant ecological and economic improvement.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtung,Contraption,
22: Säule,Pillar,
33: Markierung,Mark,
44: Einleitungseinrichtung,Introducing means,
55: Kompressionseinrichtung,Compression device,
66: Blasen,Blow,
77: Leitung,Management,
88th: Abscheider,separators,
99: Einrichtung zur Energienutzung,Facility for energy use,
1010: Generator,Generator,
P0 bis P4P0 to P4: Drücke,pressures
MM: Motorengine

Claims

Device (1) for using gas bubbles, the device (1) comprising one or more columns (2) filled with fluid during operation and one or more gas introduction means (4) in a lower region of the column (s) (2) characterized in that the device (1) above or in the upper region of the column (s) (2) comprises at least one of the ascending from the column (s) (s) gas-powered device for energy use (9).

Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the energy utilization device (9) comprises a rotator which can be driven by the energy of the gas.

Device (1) according to Claim 2 , characterized in that between the outlet from the column and the rotator (9) a seal and / or an air guide element is provided,

Device (1) according to one of Claims 2 or 3 , characterized in that the rotator (9) uses kinetic energy contained in the rising gas in the manner of an exhaust gas turbine.

Device (1) according to Claim 4 , characterized in that the energy utilization device (9) is coupled to a generator (10) that can be driven by it to provide electrical energy.

Device (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the introduction device (4) is associated with a compression system for establishing an injection pressure (P1) of the gas in the fluid.

Device (1) according to Claim 6 , characterized in that the energy obtained by the gas drivable rotator (9) at least partially to a compression (5) of the gas to be introduced to build up the injection pressure (P1) is available.

Device (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that for the rising gas, a separator (8) is provided, can be deposited via the entrained by the gas flow rate portions of the fluid flowed through.

Process for the use of gas, wherein gas is introduced into one or more columns (2) filled with fluid in its lower region (s), characterized in that energy contained in the gas introduced by means of at least one above or at the top of the column (s) (2) is arranged and from the column (s) (2) ascending gas drivable rotator (9) is used.

Method according to Claim 9 , characterized in that the gas inlet (4) into the fluid via a compression (5) of the gas, a sufficiently large injection pressure (P1) is applied for its introduction into the fluid.

Method according to Claim 10 , characterized in that the energy obtained by the gas drivable rotator (9) at least partially directly or indirectly to a compression (5) of the gas to be introduced to build up the injection pressure (P1) is used.