DE102017113890A1

DE102017113890A1 - Begasungsreaktor und Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches

Info

Publication number: DE102017113890A1
Application number: DE102017113890.0A
Authority: DE
Inventors: Christof Maier
Original assignee: IKA Werke GmbH and Co KG
Current assignee: IKA Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20180369765A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Begasungsreaktoren. Hierzu wird unter anderem ein Begasungsreaktor (1) vorgeschlagen, der eine Dispergierstufe (2) mit einem Rotor (4) und einem Stator (5) umfasst. Der Rotor (4) und der Stator (5) weisen jeweils wenigstens eine Scherfläche (6) auf, die in Bezug auf die Rotationsachse (R) der Dispergierstufe (2) zumindest eine axiale Komponente aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass der Begasungsreaktor (1) zumindest eine Gaszuführleitung (7) aufweist, deren wenigstens eine Gasauslassöffnung in einen zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (5) ausgebildeten, von den Scherflächen (6) begrenzten Dispergierspalt (11) der Dispergierstufe (2) mündet. Auf diese Weise kann der Gaseintrag in Flüssigkeit in einem Bereich erfolgen, in dem höchste Scherkräfte und hoch turbulente Scherfelder in Betrieb des Begasungsreaktors bei rotierendem Rotor (4) auftreten. Dies begünstigt eine zuverlässige und möglichst feinperlige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit (vgl. Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Begasungsreaktor, der auch als Gas-Flüssigkeits-Reaktor bezeichnet werden kann, zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs mit wenigstens einer Dispergierstufe, wobei die Dispergierstufe zumindest einen Rotor und zumindest einen Stator umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches.
Derartige Begasungsreaktoren und Verfahren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen vorbekannt. Mit Hilfe solcher Begasungsreaktoren wird ein Gas, zum Beispiel Sauerstoff, einer Flüssigkeit zugeführt und mit der Flüssigkeit oder darin vorhandenen Bestandteilen zur Reaktion gebracht. Insbesondere bei der Begasung einer Flüssigkeit mit Sauerstoff muss das mit dem Sauerstoff verbundene Gefahrenpotential hinsichtlich einer Entzündung oder gar Explosion beachtet werden. Um dieses Gefahrenpotential reduzieren oder vollständig vermeiden zu können, sollte die eingebrachte Sauerstoffmenge möglichst schnell reagieren, so dass nur eine unterkritische, ungefährliche Menge an freiem Sauerstoff im Reaktor vorhanden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Begasungsreaktor und ein Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs der eingangs definierten Art bereitzustellen, die die Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs vereinfachen und mit denen das bei der Verwendung mancher Gase verbundene Gefahrenpotential verringert oder vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Begasungsreaktor der eingangs genannten Art durch die Mittel und Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird zur Lösung der Aufgabe bei dem eingangs genannten Begasungsreaktor vorgeschlagen, dass der Rotor und der Stator jeweils wenigstens eine Scherfläche aufweisen, die in Bezug auf eine Rotationsachse der Dispergierstufe zumindest einen axial ausgerichteten Bereich hat oder parallel zu dieser oder in Bezug auf diese axial ausgerichtet ist, und dass der Begasungsreaktor zumindest eine Gaszuführleitung aufweist, deren wenigstens eine Gasauslassöffnung in einen zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten, von den Scherflächen begrenzten Dispergierspalt der Dispergierstufe mündet.
Auf diese Weise ist es möglich, das für die Begasungsreaktion erforderliche Gas an einer Stelle in den Begasungsreaktor einzubringen, an der aufgrund des sich relativ zu dem Stator drehenden Rotors hoch turbulente Scherfelder ausbilden. So kann das Gas über die wenigstens eine Gasauslassöffnung in eine hoch-turbulent verwirbelte Flüssigkeit eingebracht werden. Dabei werden feine oder sehr feine Gasblasen erzeugt, die in Relation zu ihrem Volumen eine große Reaktionsfläche aufweisen. Auf diese Weise wird eine möglichst schnelle und vollständige Reaktion des eingebrachten Gases mit der Flüssigkeit oder darin befindlichen Bestandteilen begünstigt. So lässt es sich vermeiden, größere und potentiell gefährliche freie Gasmengen in der Flüssigkeit durch den Begasungsreaktor zu transportieren. Insbesondere bei der Verwendung des Begasungsreaktors als Oxidationsreaktor, bei dem Sauerstoff für Oxidationsreaktionen in eine Flüssigkeit eingebracht werden, hat die erfindungsgemäße Gestaltung des Begasungsreaktors den besonderen Vorteil, dass hier die potentielle Gefahr der Entzündung oder gar der Explosion, hervorgerufen durch freien Sauerstoff innerhalb der Flüssigkeit, verringert oder vermieden werden kann. Dies, da der eingebrachte Sauerstoff schnellstmöglich reagiert und dann nicht mehr als freier und potentiell gefährlicher Sauerstoff vorliegt.
Der von den Scherflächen begrenzte Dispergierspalt kann dabei einen labyrinthartigen Verlauf aufweisen, insbesondere labyrinthartig ausgebildet sein. Dies insbesondere dann, wenn der Rotor und/oder der Stator neben axial ausgerichteten Scherflächen auch radial ausgerichtete Scherflächen aufweist/aufweisen.
Eine besonders feinperlige Blasenbildung lässt sich mit Hilfe des Begasungsreaktors bewirken, wenn der Rotor und der Stator vorzugsweise jeweils wenigstens zwei in Bezug auf die Rotationsachse axial und/oder radial ausgerichtete Dispergierelemente aufweisen, an denen die Scherflächen ausgebildet sind. Die wenigstens zwei Dispergierelemente des Rotors und des Stators können vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet und/oder zahnkranzförmig sein. Zahnkranzförmige Dispergierelemente sind besonders geeignet, da sie vergleichsweise große Scherflächen und eine große Anzahl an Scherkanten bereitstellen, die ein gründliches Dispergieren begünstigen. Die zahnkranzförmigen Dispergierelemente können somit als Zahnkränze ausgebildet sein, die an dem Rotor und/oder an dem Stator angeordnet sind.
Zähne der Zahnkränze können dabei in Bezug auf die Rotationsachse in axialer Richtung von dem Rotor und/oder dem Stator abstehen. Zudem ist es möglich, dass einzelne oder alle Zähne eines oder aller Disperpergierelemente des Rotors und/oder des Stators schräg zur Rotationsachse ausgerichtet sind und somit auch eine radiale Ausrichtungskomponente aufweisen. Dies kann eine besonders gute Durchmischung der Flüssigkeit mit einem Gas begünstigen.
Die Konzentrizität der vorzugsweise zahnkranzförmigen Dispergierelemente kann sich dabei auf die Rotationsachse der Dispergierstufe des Begasungsreaktors beziehen. Die zuvor erwähnten Scherflächen und/oder Scherkanten, die an den Dispergierelementen ausgebildet sein können, sind vorzugsweise parallel zur Rotationsachse der Dispergierstufe, also axial zu dieser ausgerichtet. Diese und/oder weitere Scherflächen und/oder Scherkanten der Dispergierelemente können auch radial in Bezug auf die Rotationsachse ausgerichtet sein.
Die Dispergierelemente können ringförmige, konzentrisch zueinander angeordnete Stege oder, wie bereits zuvor ausgeführt, Zahnkränze sein, die jeweils axial und/oder radial von dem Rotor und dem Stator abstehen.
Ein labyrinthartiger Verlauf des Dispergierspalts zwischen dem Rotor und dem Stator der Dispergierstufe des Begasungsreaktors lässt sich erzeugen, wenn zumindest ein Dispergierelement des Rotors zwischen zwei benachbarten Dispergierelementen des Stators angeordnet ist und vorzugsweise in einen von diesen beiden benachbarten Dispergierelementen des Stators begrenzten Raum oder Zwischenraum hineinragt oder eingreift. Durch einen solchen labyrinthartigen Dispergierspalt kann die wirksame Dispergierfläche zwischen Rotor und Stator vergrößert werden. Dadurch können eine feinperlige Blasenbildung des in den Dispergierspalt der Dispergierstufe eingebrachten Gases verbessert und eine noch zuverlässigere Vermischung des Gases mit der Flüssigkeit bewirkt werden. Zudem kann eine derartig ausgebildete Dispergierstufe dazu beitragen, die Vermischung des Gases mit der Flüssigkeit und eine eingestellte, möglichst kleine Blasengröße des eingebrachten Gases aufrecht zu erhalten.
Bei einer besonders vorteilhaften Gestaltung des Begasungsreaktors kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Gasauslassöffnung zwischen zwei Dispergierelementen des Stators angeordnet ist und in den Dispergierspalt zwischen Rotor und Stator der Dispergierstufe mündet. Bei einer derartigen Anordnung der wenigstens einen Gasauslassöffnung, vorzugsweise an dem Stator, lässt sich das Gas in Bereiche höchster Turbulenz in die Flüssigkeit einbringen. Dies begünstigt eine schnellstmögliche Zerteilung des Gasstroms in einzelne, sehr feine Blasen, was wiederum die Reaktionsoberfläche der Gasblasen insgesamt vergrößert und die ablaufende chemische Reaktion des Gases in der Flüssigkeit beschleunigen kann. Auf diese Weise kann die freie Menge an eingebrachtem Gas, insbesondere an Sauerstoff, gering gehalten oder durch chemische Reaktion zügig abgebaut werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die wenigstens eine Gasauslassöffnung zwischen zwei Dispergierelementen des Rotors und/oder an dem Rotor vorzusehen.
Ferner kann die wenigstens eine Gasauslassöffnung gegenüber einer radial ausgerichteten Scherfläche des Rotors oder des Stators angeordnet sein und in den Dispergierspalt münden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Begasungsreaktor wenigstens zwei, vorzugsweise gleichmäßig, um die Rotationsachse verteilt angeordnete Gasauslassöffnungen aufweist. So kann das Gas an mehreren Stellen gleichzeitig eingebracht und innerhalb der Flüssigkeit verteilt werden. Jede der Gasauslassöffnungen kann durch eine eigene Gaszuführleitung gespeist werden. Der Begasungsreaktor kann jedoch einen einfacheren Aufbau haben, wenn mehrere oder alle Gasauslassöffnungen aus einer gemeinsamen Gaszuführleitung gespeist werden. Dies ist zum Beispiel möglich, wenn die Gasauslassöffnungen über einen entsprechenden Kanal, zum Beispiel einen Ringkanal oder eine Ringnut, miteinander verbunden sind, wobei der Kanal einen Abschnitt der Gaszuführleitung bilden kann.
Um die in der Dispergierstufe des Begasungsreaktors begonnene, möglicherweise aber noch nicht vollständig beendete chemische Reaktion des Gases vor einem Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemischs aus einem Reaktionsraum des Begasungsreaktors, in dem die Dispergierstufe angeordnet sein kann, weitgehend abschließen zu können, kann der Begasungsreaktor eine Reaktionsstufe aufweisen. Diese Reaktionsstufe kann der Dispergierstufe in Strömungsrichtung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs nachgelagert sein. Innerhalb der Reaktionsstufe kann eine weitere Durchmischung eines durch den Begasungsreaktor geleiteten Gas-Flüssigkeits-Gemischs erfolgen. Die Reaktionsstufe kann zusammen mit der Dispergierstufe in einem gemeinsamen Reaktionsraum des Begasungsreaktors angeordnet sein. Mit Hilfe der weiteren Durchmischung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs in der Reaktionsstufe können die ablaufende Reaktion zusätzlich beschleunigt und vor allem die in der Dispergierstufe eingestellte Blasengröße des eingebrachten Gases aufrechterhalten werden. So kann in diesem, der Dispergierstufe nachgelagerten Teil des Begasungsreaktors ein Zusammenschluss von feinen Gasperlen zu größeren Gasblasen verhindert werden.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Reaktionsstufe als weitere Dispergierstufe ausgebildet ist, in der als weitere Durchmischung ein weiteres Dispergieren des Gas-Flüssigkeits-Gemischs vorgenommen wird. Somit kann die Reaktionsstufe eine weitere oder zweite Dispergierstufe des Begasungsreaktors sein.
Die Reaktionsstufe kann ein um eine, beispielsweise die bereits zuvor erwähnte, Rotationsachse drehbares Mischwerkzeug aufweisen. Bei diesem Mischwerkzeug kann es sich um einen Dispergierrotor handeln. Dies insbesondere dann, wenn die Reaktionsstufe als weitere oder zweite Dispergierstufe des Begasungsreaktors ausgebildet ist.
Eine Länge einer Reaktionsstrecke der Reaktionsstufe kann derart bemessen sein, dass eine Reaktion eines in den Begasungsreaktor eingebrachten Gases mit einer Flüssigkeit oder darin eingebrachter Bestandteile beim Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemischs aus der Reaktionsstrecke bis zu einem definierten Grad abgelaufen oder gar vollständig abgeschlossen ist. Die zuvor erwähnte Länge der Reaktionsstrecke kann dabei abhängig sein von verschiedenen Betriebsparametern des Begasungsreaktors, aber auch von diversen Parametern und Eigenschaften der verwendeten Flüssigkeit und des eingebrachten Gases oder Gasgemisches.
Die Länge der Reaktionsstrecke der Reaktionsstufe kann einer Länge eines Spaltes entsprechen, der zwischen einem rotierenden Mischwerkzeug der Reaktionsstufe und einem relativ zu diesem feststehenden Bereich des Begasungsreaktors ausgebildet ist.
Das Mischwerkzeug, das in der Reaktionsstufe des Begasungsreaktors verwendet werden kann, kann eine Mehrzahl, insbesondere ringförmiger, axial voneinander beabstandeter Mischelemente aufweisen. Diese Mischelemente können in Bezug auf die Rotationsachse des Mischwerkzeugs radial ausgerichtet und/oder zahnkranzförmig sein. Somit wird ein Begasungsreaktor geschaffen, der in seiner Dispergierstufe in Bezug auf die Rotationsachse der Dispergierstufe axial und/oder radial ausgerichtete Dispergierelemente und Scherflächen und in seiner Reaktionsstufe in Bezug auf die Rotationsachse des Mischwerkzeugs radial ausgerichtete Mischelemente mit entsprechenden Mischflächen aufweist.
Wenn die Rotationsachse des Mischwerkzeugs der Reaktionsstufe und die Rotationsachse des Rotors deckungsgleich sind, lässt sich ein besonders kompakter Begasungsreaktor realisieren. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Rotationsachse des Mischwerkzeugs der Reaktionsstufe und die Rotationsachse des Rotors der Dispergierstufe parallel oder quer oder rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind.
Bei einer besonders kompakten Gestaltung des Begasungsreaktors ist vorgesehen, dass das Mischwerkzeug der Reaktionsstufe und der Rotor der Dispergierstufe drehfest auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. Auf diese Weise sind das Mischwerkzeug der Reaktionsstufe und der Rotor der Dispergierstufe über eine gemeinsame Antriebswelle miteinander verbunden. Die Antriebswelle kann in an sich bekannter Weise mit einem Antriebsmotor verbunden sein. Dabei ist es möglich, als Antriebswelle eine Abtriebswelle des Motors zu verwenden oder aber zwischen einer Abtriebswelle des Motors und der Antriebswelle des Begasungsreaktors eine Kupplung und/oder ein Getriebe zwischenzuschalten.
Der Begasungsreaktor ist vorzugsweise als Durchflussreaktor ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, ein durch den Begasungsreaktor durchfließendes Gas-Flüssigkeits-Gemisch während einer Zirkulation des Gemischs durch den Begasungsreaktor weiter mit Gas anzureichern. Dies begünstigt eine gut steuerbare Reaktion des Gases mit der Flüssigkeit oder darin befindlichen Bestandteilen. Zudem können so nur vergleichsweise geringe Gasmengen auf einmal in den Begasungsreaktor eingebracht werden, was aus Sicherheitsgründen bei reaktionsfreudigen Gasen, wie Sauerstoff, vorteilhaft ist. Ferner kann so die chemische Reaktion des Gases mit der Flüssigkeit oder darin befindlichen Bestandteilen vollständig und zügig erfolgen. In einem weiteren Durchlauf oder Durchfluss des so erzeugten Gas-Flüssigkeits-Gemischs kann weiteres Gas in unterkritischen und daher ungefährlichen Mengen eingebracht werden. Auf diese Weise lässt sich die freie Gasmenge innerhalb der Flüssigkeit in einem unterkritischen und ungefährlichen Bereich halten und nach und nach weiteres Gas zuführen. Dies ist vor allem vorteilhaft bei der Verwendung des Begasungsreaktors als Oxidationsreaktor, bei dem als Reaktionsgas Sauerstoff (O₂) oder Ozon (O₃) in den Begasungsreaktor eingebracht wird.
Der Begasungsreaktor kann insbesondere dadurch als Durchflussreaktor ausgebildet sein, dass eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung, insbesondere in einen Reaktionsraum, des Begasungsreaktors über entsprechende Leitungen miteinander verbunden sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen der Auslassöffnung des Begasungsreaktors und der Einlassöffnung in einen, beispielsweise den zuvor erwähnten, Reaktionsraum des Begasungsreaktors, ein Behältnis in Form eines Flüssigkeitstanks angeordnet ist. In dieses Behältnis kann das Gas-Flüssigkeits-Gemisch bewegt und für einen erneuten Durchlauf wieder aus diesem herausgefördert werden. Auf diese Weise wird ein Kreislauf geschaffen, in dem das Gas-Flüssigkeits-Gemisch zur Reaktion des Gases mit der Flüssigkeit zirkulieren kann.
Der Begasungsreaktor lässt sich besonders effizient betreiben, wenn die wenigstens eine Dispergierstufe des Begasungsreaktors gleichzeitig als Pumpstufe wirksam ist. So ist es möglich, über die Dispergierstufe eine Flüssigkeit und/oder ein Gas und/oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch anzusaugen.
Ferner ist es denkbar, dass eine Längsmittelachse eines Ansaugstutzens des Begasungsreaktors und die Rotationsachse des Rotors der Dispergierstufe deckungsgleich sind. Auf diese Weise lässt sich die Flüssigkeit durch den Ansaugstutzen des Begasungsreaktors in Bezug auf die Rotationsachse und den Rotor zentrisch in die Dispergierstufe einleiten. Aufgrund der beim Betrieb des Rotors zum Dispergieren auftretenden Fliehkräfte wird so die in die Dispergierstufe eingebrachte Flüssigkeit durch den Dispergierspalt von innen nach außen an sämtlichen Dispergierelementen des Rotors und Stators vorbei geleitet und von diesen bearbeitet, ohne dass eine Rückführung der Flüssigkeit nach Innen notwendig wäre.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird auch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Mitteln und Merkmalen des unabhängigen, auf das Verfahren gerichteten Anspruchs vorgeschlagen. Insbesondere wird zu der Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches, insbesondere unter Verwendung eines Begasungsreaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 vorgeschlagen, bei dem Gas direkt in einen von Scherflächen eines Rotors und eines Stators einer Dispergierstufe begrenzten Dispergierspalt in eine Flüssigkeit eingebracht wird. Auf diese Weise wird das Gas der Flüssigkeit in einem Bereich mit hohen Scherkräften und hochturbulenten Strömungen eingebracht. Dies begünstigt eine besonders gute und feinperlige Zerteilung und Vermischung des Gases mit der Flüssigkeit und geht mit den zuvor ausführlich dargelegten Vorteilen einher.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Ansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des Ausführungsbeispiels.

1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Begasungsreaktors, mit einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden Dispergierstufe und einer in Strömungsrichtung der Dispergierstufe nachgelagerten, mit einem rotierenden Mischwerkzeug versehenen Reaktionsstufe.

1 zeigt einen Teil eines im Ganzen mit 1 bezeichneten Begasungsreaktors zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs mit wenigstens einer Dispergierstufe 2. Die Dispergierstufe 2 ist in einem mit 3 bezeichneten Reaktionsraum des Begasungsreaktors 1 angeordnet.
Die Dispergierstufe 2 umfasst einen Rotor 4 und einen relativ zu dem Rotor 4 stillstehenden Stator 5, der einen oberen Abschluss des Reaktionsraums 3 des Begasungsreaktors 1 bildet, also auch zumindest als Teil eines Deckels oder Abschluss des Reaktionsraums 3 fungiert.
Der Rotor 4 und der Stator 5 weisen jeweils mehrere Scherflächen 6 auf, die in Richtung einer Rotationsachse R der Dispergierstufe 2 und parallel, also in Bezug auf die Rotationsachse R axial zu dieser ausgerichtet sind. Der Begasungsreaktor 1 weist ferner eine Gaszuführleitung 7 auf. Die Gaszuführleitung 7 endet in wenigstens einer Gasauslassöffnung 8 und wird zumindest in einem Endabschnitt von einem Zuführkanal 9 gebildet, der in den Stator 5 eingebracht ist. Die wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 mündet direkt in einen zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 ausgebildeten Dispergierspalt 11 der Dispergierstufe 2, also innerhalb der Dispergierstufe 2 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5.
Sowohl der Rotor 4 als auch der Stator 5 weisen jeweils zwei konzentrisch zueinander angeordnete und zahnkranzförmige, in Bezug auf die Rotationsachse R axial ausgerichtete Dispergierelemente 10 auf, zwischen denen der Dispergierspalt 11 ausgebildet ist. Die Zähne 10a der zahnkranzförmigen Dispergierelemente 10 sind in 1 im Schnitt dargestellt und in Bezug auf die Rotationsachse R axial orientiert. Somit können die an dem Rotor 4 und an dem Stator 5 ausgebildeten Dispergierelemente 10 auch als Zahnkränze 10 bezeichnet werden. Es ist möglich, dass einzelne Zähne 10a oder alle Zähne 10a einzelner oder aller Dispergierelemente 10 zudem schräg zur Rotationsachse R ausgerichtet sind, also auch eine radiale Ausrichtungskomponente aufweisen.
Der Dispergierspalt 11 wird seitlich oder radial durch die bereits zuvor erwähnten Scherflächen 6 begrenzt, die an den Dispergierelementen 10 des Rotors 4 und des Stators 5 ausgebildet sind. 1 zeigt deutlich, dass die Scherflächen 6 in Bezug auf die Rotationsachse R der Dispergierstufe 2 eine axiale Ausrichtung aufweisen. Je nach Ausführungsbeispiel des Begasungsreaktors 1 können die Scherflächen 6 in Bezug auf die Rotationsachse R der Dispergierstufe 2 gegebenenfalls auch eine radiale Ausrichtung aufweisen.
Zwei an einem Dispergierelement 10 ausgebildete, axial ausgerichtete Scherflächen 6 werden über eine in Bezug auf die Rotationsachse R radial oder rechtwinklig ausgerichtete, stirnseitigen Scherfläche 12 oder einfach Stirnfläche 12 miteinander verbunden. Auch diese Stirnflächen 12 begrenzen den Dispergierspalt 11, der sich zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 erstreckt, zu einer Seite und können ebenfalls eine Scherung in der Flüssigkeit bewirken.
Bei genauer Betrachtung der 1 wird deutlich, dass die wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 gegenüber einer den Dispergierspalt 11 auch begrenzenden stirnseitigen Scherfläche 12 in den Dispergierspalt 11 mündet.
Die Figur zeigt ferner, dass ein Dispergierelement 10 des Rotors 4 zwischen zwei benachbarten Dispergierelementen 10 des Stators 5 angeordnet ist. Der Rotor 4 und der Stator 5 der Dispergierstufe 2 greifen derart ineinander, dass auch ein Dispergierelement 10 des Stators 5 zwischen zwei Dispergierelementen 10 des Rotors 4 angeordnet ist und insbesondere in einen von den jeweiligen Dispergierelementen 10 begrenzten Zwischenraum 13 hineinragen oder eingreifen.
Auf diese Weise erhält der Dispergierspalt 11 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 der Dispergierstufe 2 einen labyrinthartigen Verlauf.
Die Schnittdarstellung des Begasungsreaktors 1 gemäß der 1 verdeutlicht ferner, dass der Begasungsreaktor 1 zumindest zwei Gasauslassöffnungen 8 aufweist, die gleichmäßig verteilt um die Rotationsachse R der Dispergierstufe 2 angeordnet und über einen ringförmigen Kanal oder eine ringförmige Nut 14 mit der im Endabschnitt als Zuführkanal 9 ausgebildeten Gaszuführleitung 7 in Verbindung stehen. Die Nut 14 ist in eine dem Reaktionsraum 3 abgewandte Außenseite des Rotors 4 eingebracht. Mithilfe der Nut 14 ist es möglich, Gas an die wenigsten zwei Gasauslassöffnungen 8 zu verteilen und über die zumindest zwei Gasauslassöffnungen 8 an zwei unterschiedlichen Stellen in die Dispergierstufe 2 einzubringen.
Jede der insgesamt zwei dargestellten Gasauslassöffnungen 8 sind in dem Stator 5 angeordnet und als Düsen ausgebildet. Jede der wenigstens zwei Gasauslassöffnungen 8 ist zwischen zwei Dispergierelementen 10 des Stators 5 vorgesehen und mündet gegenüber einer stirnseitigen Scherfläche 12 in den Dispergierspalt 11, der zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 ausgebildet ist. Bei einer in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform des Begasungsreaktors 1 kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 zwischen zwei Dispergierelementen 10 des Rotors 4 angeordnet oder ausgebildet ist.
Innerhalb des Reaktionsraums 3 des Begasungsreaktors 1 weist der Begasungsreaktor 1 eine Reaktionsstufe 15 auf. Die Reaktionsstufe 15 ist der Dispergierstufe 2 in Strömungsrichtung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs nachgelagert und dient einer weiteren Durchmischung, vorzugsweise einem weiteren Dispergieren, des durch den Begasungsreaktor 1 geleiteten Gas-Flüssigkeits-Gemischs. Die Reaktionsstufe 15 weist ein um die bereits zuvor erwähnte Rotationsachse R drehbares Mischwerkzeug 16 auf, das hier als Dispergierrotor 17 ausgebildet ist. Somit lässt sich die Reaktionsstufe 15 auch als zweite Dispergierstufe des Begasungsreaktors 1 bezeichnen.
Eine Länge einer Reaktionsstrecke 18, die innerhalb der Reaktionsstufe 15 vorhanden ist und von dieser bereitgestellt wird, ist derart bemessen, das eine Reaktion eines über die Gasauslassöffnungen 8 in den Begasungsreaktor 1 und insbesondere in seinen Reaktionsraum 3 eingebrachten Gases mit einer Flüssigkeit oder darin eingebrachten Bestandteilen beim Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemischs aus der Reaktionsstrecke 18 bis zu einem definierten Grad abgelaufen ist. Unter einem definierten Grad kann dabei verstanden werden, dass nur noch eine unterkritische und ungefährliche Restmenge eines freien, noch nicht gebundenen oder noch nicht reagierten Gases, beispielsweise Sauerstoff, innerhalb der Flüssigkeit vorhanden ist.
Die Schnittdarstellung des Begasungsreaktors 1 aus der 1 verdeutlicht ferner, dass das Mischwerkzeug 16 eine Mehrzahl ringförmiger, axial voneinander beabstandeter Mischelemente 19 umfasst, die in Bezug auf die Rotationsachse R des Mischwerkzeugs 16 radial ausgerichtet sind. Somit unterscheiden sich die Mischelemente 19 zumindest hinsichtlich ihrer Orientierung in Bezug auf die Rotationsachse R von den Dispergierelementen 10, die an dem Rotor 4 und dem Stator 5 der Dispergierstufe 2 ausgebildet sind. Die Rotationsachse R des Mischwerkzeugs 16 der Reaktionsstufe 15 ist deckungsgleich mit der Rotationsachse R des Rotors 4 der Dispergierstufe 2 und erhält deshalb dasselbe Bezugszeichen R.
Das Mischwerkzeug 16 der Reaktionsstufe 15 und der Rotor 4 der Dispergierstufe 2 sind drehfest auf einer gemeinsamen Antriebswelle 20 angeordnet. Die Antriebswelle 20 wird über einen mit dem Bezugszeichen M in der 1 angedeuteten Antriebsmotor angetrieben und mit einem Drehmoment versorgt. Die Antriebswelle 20 tritt an einer mit 21 bezeichneten Durchtrittsöffnung in einem unteren Deckel 22 des Reaktionsraums 3 des Begasungsreaktors 1 in diesen ein. Die Durchtrittsöffnung 21 ist mittels einer Wellenabdichtung 23 gegen die Antriebswelle 20 abgedichtet. Die Wellenabdichtung 23 kann beispielsweise als Wellendichtring, Gleitringdichtung oder Stopfbuchse ausgebildet sein.
An ihrem dem Motor M abgewandten Ende weist die Antriebswelle 20 ein Gewinde 24 auf. Zur Montage werden sowohl das Mischwerkzeug 16 als auch der Rotor 4 über dieses Gewinde 24 bis in eine Anschlagstellung an eine Wellenschulter 25 der Antriebswelle 20 geschoben. Mit Hilfe einer Wellenmutter 26, die auf das Gewinde 24 der Antriebswelle 20 aufgeschraubt wird, lassen sich sowohl der Rotor 4 als auch das Mischwerkzeug 16 gegen die Wellenschulter 25 pressen und drehfest an der Antriebswelle 20 festlegen.
Der in der Figur dargestellte Begasungsreaktor 1 ist als Durchflussreaktor konzipiert und ausgebildet. Dabei ist vorgesehen, dass eine Einlassöffnung 27 und eine Auslassöffnung 28 des Begasungsreaktors 1, zwischen denen der Reaktionsraum 3 angeordnet und ausgebildet ist, über eine entsprechende Leitung miteinander verbunden sind. Zwischen der Auslassöffnung 28 und der Einlassöffnung 27, also außerhalb des Reaktionsraums 3, kann ein Behältnis, beispielsweise ein Tank, zwischengeschaltet sein, in dem das aus der Auslassöffnung 28 aus dem Reaktionsraum 3 austretende Gas-Flüssigkeits-Gemisch zwischengelagert werden kann. Das Gas-Flüssigkeits-Gemisch zirkuliert in dem so geschlossenen Kreislauf und kann schließlich durch die Einlassöffnung 27 erneut in den Reaktionsraum 3 des Begasungsreaktors 1 eintreten.
Die zuvor beschriebene Zirkulation des Gas-Flüssigkeits-Gemischs kann aufrechterhalten oder erzeugt werden, da die Dispergierstufe 2 des Begasungsreaktors 1 gleichzeitig auch als Pumpstufe wirksam ist. Mit Hilfe der Dispergierstufe 2 lassen sich also eine Flüssigkeit und auch ein Gas ansaugen und in den Reaktionsraum 3 des Begasungsreaktors 1 einfördern.
Die Schnittdarstellung des Begasungsreaktors 1 gemäß der 1 verdeutlicht ferner, dass eine Längsmittelachse eines Ansaugstutzens 29, an dem die Einlassöffnung 27 in den Reaktionsraum 3 ausgebildet ist, und die Rotationsachse R des Rotors 4 deckungsgleich sind.
Mit dem in 1 dargestellten Begasungsreaktor 1 kann ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch erzeugt werden, wobei das Gas direkt in den von Scherflächen 6, 12 des Rotors 4 und des Stators 5 der Dispergierstufe 2 begrenzten Dispergierspalt 11 eingebracht wird.
Die Erfindung befasst sich mit Verbesserungen auf dem technischen Gebiet der Begasungsreaktoren. Hierzu wird unter anderem ein Begasungsreaktor 1 vorgeschlagen, der die Dispergierstufe 2 mit einem Rotor 4 und einem Stator 5 umfasst. Der Rotor 4 und der Stator 5 weisen jeweils wenigstens eine Scherfläche 6 auf, die in Bezug auf die Rotationsachse R der Dispergierstufe 2 zumindest eine axiale Komponente aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass der Begasungsreaktor 1 zumindest eine Gaszuführleitung 7 aufweist, deren wenigstens eine Gasauslassöffnung 8 in einen zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 5 ausgebildeten, von den Scherflächen 6 begrenzten Dispergierspalt 11 der Dispergierstufe 2 mündet. Auf diese Weise kann der Gaseintrag in die Flüssigkeit in einem Bereich erfolgen, in dem höchste Scherkräfte und hoch turbulente Scherfelder im Betrieb des Begasungsreaktors 1 bei rotierendem Rotor 4 auftreten. Dies begünstigt eine zuverlässige und möglichst feinperlige Verteilung des Gases in der Flüssigkeit.
Bezugszeichenliste

1: Begasungsreaktor
2: Dispergierstufe
3: Reaktionsraum
4: Rotor
5: Stator
6: seitliche, axial ausgerichtete Scherfläche an 10
7: Gaszuführleitung
8: Gasauslassöffnung
9: Zuführkanal
10: Dispergierelement/Zahnkranz an 4 und 5
10a: Zähne an 10
11: Dispergierspalt
12: stirnseitigen Scherfläche/Stirnfläche an 10
13: Zwischenraum
14: Ringförmige Nut, ringförmiger Kanal
15: Reaktionsstufe
16: Mischwerkzeug
17: Dispergierrotor
18: Reaktionsstrecke
19: Mischelemente
20: Antriebswelle
21: Durchtrittsöffnung in 22
22: Gehäuseabschluss
23: Wellenabdichtung
24: Gewinde
25: Wellenschulter
26: Schraubenmutter
27: Einlassöffnung
28: Auslassöffnung
M: Antriebsmotor
R: Rotationsachse von 2/15

Claims

Begasungsreaktor (1) zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs mit wenigstens einer Dispergierstufe (2), wobei die Dispergierstufe (2) zumindest einen Rotor (4) und zumindest einen Stator (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) und der Stator (5) jeweils wenigstens eine Scherfläche (6) aufweisen, die in Bezug auf eine Rotationsachse (R) der Dispergierstufe (2) zumindest einen axial ausgerichteten Bereich hat oder parallel zu der Rotationsachse (R) oder in Bezug auf die Rotationsachse (R) axial ausgerichtet ist, und dass der Begasungsreaktor (1) zumindest eine Gaszuführleitung (7) aufweist, deren wenigstens eine Gasauslassöffnung (8) in einen zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (5) ausgebildeten, von den Scherflächen (6,12) begrenzten Dispergierspalt (11) der Dispergierstufe (2) mündet.
Begasungsreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) und der Stator (5), vorzugsweise jeweils wenigstens zwei, insbesondere konzentrisch zueinander angeordnete und/oder zahnkranzförmige, in Bezug auf die Rotationsachse (R) axial und/oder radial ausgerichtete Dispergierelemente (10), insbesondere Zahnkränze (10) aufweisen, an denen die, vorzugsweise parallel zur Rotationsachse (R) der Dispergierstufe (2) ausgerichteten, Scherflächen (6) ausgebildet sind.
Begasungsreaktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dispergierelement (10) des Rotors (4) zwischen zwei benachbarten Dispergierelementen (10) des Stators (5) angeordnet ist, insbesondere in einen von diesen begrenzten Zwischenraum (13) hineinragt oder eingreift.
Begasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gasauslassöffnung (8) zwischen zwei Dispergierelementen (10) des Stators (5) und/oder zwischen zwei Dispergierelementen (10) des Rotors (4) angeordnet ist und in den Dispergiespalt (11) zwischen Rotor (4) und Stator (5) der Dispergierstufe (2) mündet, vorzugsweise wobei die wenigstens eine Gasauslassöffnung (8) gegenüber einer stirnseitigen, radial ausgerichteten Scherfläche (12) angeordnet ist und in den Dispergierspalt (11) mündet, und/oder dass der Begasungsreaktor (1) wenigstens zwei, vorzugsweise gleichmäßig, um die Rotationsachse (R) verteilt angeordnete Gasauslassöffnungen (8) aufweist.
Begasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Begasungsreaktor (1) eine Reaktionsstufe (15) aufweist, die der Dispergierstufe (2) in Strömungsrichtung des Gas-Flüssigkeits-Gemischs nachgelagert ist und in der eine weitere Durchmischung, vorzugsweise ein weiteres Dispergieren eines durch den Begasungsreaktor (1) geleiteten Gas-Flüssigkeits-Gemischs erfolgt, vorzugsweise wobei die Dispergierstufe (2) und die Reaktionsstufe (15) in einem Reaktionsraum (3) des Begasungsreaktors (1) angeordnet sind.
Begasungsreaktor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsstufe (15) als weitere oder zweite Dispergierstufe des Begasungsreaktors (1) ausgebildet ist und/oder dass die Reaktionsstufe (15) ein um eine oder die Rotationsachse (R) drehbares Mischwerkzeug (16) aufweist, insbesondere einen Dispergierrotor (17).
Begasungsreaktor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge einer Reaktionsstrecke (18) der Reaktionsstufe (15) derart bemessen ist, dass eine Reaktion eines in den Begasungsreaktor (1) eingebrachten Gases mit einer Flüssigkeit oder darin eingebrachten Bestandteilen beim Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemisches aus der Reaktionsstrecke (18) bis zu einem definierten Grad abgelaufen ist.
Begasungsreaktor (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischwerkzeug (16) eine Mehrzahl, insbesondere zahnkranzförmiger, axial und/oder radial voneinander beabstandeter Mischelemente (19) aufweist, die in Bezug auf eine Rotationsachse (R) des Mischwerkzeugs (16) radial ausgerichtet sind.
Begasungsreaktor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsachse (R) des Mischwerkzeugs (16) der Reaktionsstufe (15) und die Rotationsachse (R) des Rotors (4) der Dispergierstufe (2) parallel zueinander ausgerichtet oder deckungsgleich sind und/oder dass das Mischwerkzeug (16) der Reaktionsstufe (15) und der Rotor (4) der Dispergierstufe (2) drehfest auf einer gemeinsamen Antriebswelle (20) angeordnet sind.
Begasungsreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Begasungsreaktor (1) als Durchflussreaktor ausgebildet ist und dass eine Einlassöffnung (27), insbesondere in den Reaktionsraum (3), und eine Auslassöffnung (28), insbesondere aus dem Reaktionsraum (3), des Begasungsreaktors (1), vorzugsweise über ein Behältnis, miteinander verbunden sind.
Begasungsreaktor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dispergierstufe (2) des Begasungsreaktors (1) als Pumpstufe wirksam ist, über die eine Flüssigkeit und/oder ein Gas und/oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch ansaugbar ist, und/oder dass eine Längsmittelachse eines Ansaugstutzens (29) des Begasungsreaktors (1) und die Rotationsachse (R) des Rotors (4) deckungsgleich sind.
Verfahren zur Erzeugung eines Gas-Flüssigkeits-Gemisches, insbesondere unter Verwendung eines Begasungsreaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Gas direkt in einen von Scherflächen (6) eines Rotors (4) und eines Stators (5) einer Dispergierstufe (2) begrenzten Dispergierspalt (11) eingebracht wird.