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Verfahren und Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten Die Erfindung
bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Begasen von Flüssigkeiten in einem
kontinuierlichen Arbeitsgang, wobei die zu begasende Flüssigkeit einem Behälter,
der zum Teil mit Flüssigkeit und darüber mit dem zuzumischenden Gas gefüllt ist,
unter Druck zugeführt und schleierförmig auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter
aufgegeben wird. Das Lösen von Gasen bis praktisch zum Sättigungsgrad in großen
Flüssigkeitsmengen ist oftmals in verschiedenen Zweigen der Industrie zum Durchführen
verschiedener Vorgänge erforderlich, beispielsweise zum Lösen von verschiedenen
Gasen in Flüssigkeiten in der chemischen Industrie.
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Verfahren für diese Zwecke sind bekannt und praktisch angewendet
worden. Sie weisen aber mehrere Nachteile auf. So erfordern sie einen großen Energieaufwand
und langes Verweilen der zu vermischenden Stoffe im Behandlungsraum, und es bleibt
trotzdem in der den Behandlungsraum verlassenden Flüssigkeit ungelöstes Gas.
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Abgesehen vom Einfluß der Temperatur auf dem Gaslösungsvermögen hängt
die Lösungsgeschwindigkeit vom herrschenden Druck und der relativen Berührungsfläche
zwischen Gas und Flüssigkeit ab.
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Das Lösen von Gasen unter Überdruck bringt jedoch einen entsprechenden
Kraftaufwand mit sich, der bei Behandlung von großen Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit
oftmals wirtschaftlich untragbar wird.
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Der Faktor, der ohne zu großen Energieaufwand zum Verbessern der
Begasung von Flüssigkeiten beeinflußt werden kann, ist die relative Berührungsfläche
zwischen Gas und Flüssigkeit. Das Vergrößern dieser Berührungsfiäche geschieht bei
bekannten Verfahren auf verschiedene Weise. Entweder wird das Gas in die Flüssigkeit
in Form kleiner Blasen eingeführt, oder die Flüssigkeit ist in Tropfen in einem
gasgefüllten Raum verteilt. Das letztere Verfahren hat mit der vorliegenden Erfindung
nichts zu tun und wird deshalb nicht weiter besprochen.
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Das Verfahren, bei dem Gasblasen in die Flüssigkeit eingeführt werden,
kann mit Hilfe von gegen die Oberfläche der Flüssigkeit gerichteten Strahlen verschiedenster
Form aus der behandelten Flüssigkeit durchgeführt werden. Diese Flüssigkeitsstrahlen
strömen durch den gasgefüllten Raum unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
hindurch und reißen Gas in Form kleiner Blasen mit sich unter den Flüssigkeitsspiegel.
Die Flüssigkeit kann dabei auch in Form eines senkrecht auf den Flüssigkeitsspiegel
auftreffenden Schleiers zugeführt werden.
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Verbrauchtes Gas kann entweder durch eine ge-
trennte Zuführleitung
oder zusammen mit der eintretenden Flüssigkeit ersetzt werden. Vom Gesichtspunkt
des Kraftaufwandes aus ist das Verfahren vorteilhaft, da die Bewegungsenergie zum
Zerteilen des Gases und Einführen desselben in die Flüssigkeit ausgenutzt wird.
Jedoch hat es sich erwiesen, daß diese Flüssigkeitsstrahlen eine verhältnismäßig
hohe Geschwindigkeit erfordern, um annehmbare Verhältnisse zu erreichen.
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Ferner rufen ein oder mehrere annähernd senkrecht zur Oberfläche
einer Flüssigkeit gerichtete Strahlen leicht ausgeprägte Zirkulationsströme um eine
zur Hauptströmungsrichtung senkrechte Achse hervor, wodurch das Volumen der Flüssigkeit
nur zu einem Bruchteil ausgenutzt wird, da keine nennenswerte Flüssigkeitsumwälzung
im inneren Bereich der zirkulierenden Ströme erfolgt. Die äußeren Teile dieser Ströme
gelangen dagegen schnell zum Auslaß, wodurch auch ungelöste Gasblasen gern mit der
Flüssigkeit abfließen.
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Beim Studium der Lösungsverhältnisse einer Gasblase in Flüssigkeit
wurde festgestellt, daß nur eine äußerst geringe Flüssigkeitsschicht um die Gasblase
schnell mit Gas gesättigt wird, während das Gas von dieser Oberflächenschicht in
die übrigen Teile der Flüssigkeit hinein nur langsam diffundiert. Um diese Verhältnisse
auszunutzen und dadurch die Lösungsgeschwindigkeit zu verbessern, ist vorgeschlagen
worden, ein System von Gas und Flüssigkeit mit dünnen Zwischenwänden zu schaffen,
wodurch
grober Schaum gebildet wird, der unaufhörlich zerschlagen
und erneuert wird. Dadurch, daß der ganze oder der größere Teil der behandelten
Flüssigkeit an diesem Prozeß teilnimmt, wird eine schnelle Sättigung der gesamten
durchströmenden Flüssigkeit erreicht.
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Es ist außerdem vorgeschlagen worden, diesen Vorgang in einem zylindrischen
Behälter derart durchzuführen, daß die Flüssigkeitsstrahlen auf den Flüssigkeitsspiegel
schräg und parallel mit einer Tangente eines mit dem Behälter konzentrischen Kreises
auftreffen. Hierdurch wird die Flüssigkeit in Zirkulation versetzt, so daß die zu
Schaum gepeitschte obere Schicht unaufhörlich von den eintretenden Strahlen zerschlagen
und erneuert wird. Gleichzeitig wird eine Wirbelbewegung im Behälter erzeugt, die
zum Anschneiden ungelöster Gasblasen dient, in der Weise, daß Gasblasen gegen die
Drehachse des Wirbels wandern, wo sie zusammenfließen und zur Oberfläche der Flüssigkeit
aufsteigen.
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Es hat sich aber erwiesen, daß sich ungelöste Gasblasen in der Wirbelspitze
im unteren Teil des Lösungsgefäßes, dem die behandelte Flüssigkeit entnommen wird,
sammeln, so daß diese ungelösten Gasblasen mit der behandelten Flüssigkeit abfließen.
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Ferner wird durch die Wirbelströmung eine verhältnismäßig schnelle
Strömungsgeschwindigkeit im Behälter erzeugt, wodurch eine vollständige Ausnutzung
des Behältervolumens zum Lösen von mitgerissenen freien Gasblasen nicht möglich
ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Nachteile
zu vermeiden und mit geringem Energieaufwand ein schnelles Begasen der Flüssigkeiten
nebst einer wirkungsvollen Ausnutzung des ganzen Behältervolumens zu ermöglichen.
Ferner soll das Mitführen freier Gasblasen in der abfließenden Flüssigkeit vermieden
werden, jedoch kann der große Vorteil des Aufbaus und des fortlaufenden Erneuern
eines groben Schaums ausgenutzt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zu begasende Flüssigkeit in einem
hohlkegelförmigen, geschlossenen Schleier unter einem flachen Winkel von höchstens
450 auf die Oberfläche der auf konstantem Niveau gehaltenen Flüssigkeit im Behälter
aufgespritzt wird, wobei die Mittelachse des in Strömungsrichtung divergierenden
Hohlkegels senkrecht zur Oberfläche der Flüssigkeit und gleichachsig mit dem Behälter
liegt. Dadurch wird einerseits eine intensive Schaumbildung an der Oberfläche der
Flüssigkeit und andererseits eine praktisch wirbelfreie, gleichförmige Abwärtsströmung
der Flüssigkeit im Behälter erzielt, so daß die behandelte Flüssigkeit am unteren
Teil des Behälters blasenfrei entnommen werden kann. Hierbei trifft die schleierförmig
zugeführte Flüssigkeit auf die Oberfläche der im Behälter befindlichen Flüssigkeit
in radialer Richtung auf, wodurch keine Kräfte auftreten, welche diese Flüssigkeit
in Rotation zu bringen suchen. Es werden also keine tiefgehenden Wirbel gebildet,
die bei Anwendung von einzelnen Strahlen auftreten können. Vielmehr werden lediglich
in der Nähe der Oberfläche ring- oder wulstförmige Wirbel an der Innenseite bzw.
der Außenseite des Flüssigkeitsschleiers gebildet. Diese Wirbel werden hauptsächlich
von einer zu Schaum geschlagenen oberen Schicht der Flüssigkeit begrenzt. Durch
diese Bewegung in der Schaumschicht werden die Flüssigkeitsteilchen in schneller
Folge wiederholt zu einem
groben- Schaum" zerschlagen, wodurch eine äußerst schnelle
Sättigung der'Flüssigkeit mit Gas in dieser oberen Schicht erreicht wird.
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Durch die evorgeschlagene Art - des Einströmens der Flüssigkeit scheint
ihre Bewegungsenergie vollständig an der Oberfläche - verbraucht - und für die Schaumbildung
ausgenutzt zu werden, während sich die Flüssigkeit im darunterliegenden Teil des
Behälters mit einer überraschenden Gleichförmigkeit über dem ganzen Querschnitt
des Behälters nach unten bewegt. Hierdurch wird das ganze Volumen des Behälters
in möglichst hohem Grade ausgenutzt, so daß alle Flüssigkeitsteilchen für dieselbe
Zeit im Behälter verweilen -Da eine möglichst kleine senkrechte Flüssigkeitsgeschwindigkeit
im Behälter gemäß der Erfindung erzielt wird, werden gegebenenfalls mitgerissene
äußerst kleine Gasblasen während einer maximalen Zeitspanne im Gefäß zurückgehalten,
so daß, ehe sie bis zum Auslaß gelangen, genügend Zeit besteht, um sie vollständig
zu lösen.
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Zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens wird erfindungsgemäß
eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Flüssigkeit durch eine gleichachsig
mit einem zylindrischen Behälter am Kopf desselben angeordnete Düse zugeführt und
am Boden des Behälters abgeführt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß unterhalb
der Eintrittsöffnung der Düse gleichachsig dazu ein kegelförmiger Körper mit stumpfem
Kegelwinkel und obenliegender Spitze angeordnet ist und daß eine Vorrichtung vorgesehen
ist, welche das Niveau der Flüssigkeit im Behälter konstant und dicht unterhalb
des kegelförmigen Körpers hält. Dabei weist der Flüssigkeitsschleier einen stumpfen
Winkel in der Größenordnung von 110 bis 1200 auf, so daß die Flüssigkeit auf die
Flüssigkeitsfläche unter einem flachen Winkel, der kleiner als 450 ist, auftreffen.
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Durch das intensive Zerpeitschen der Flüssigkeitsoberfläche zu Schaum
kann im Betrieb kein bestimmter Flüssigkeitsspiegel festgestellt werden. Wenn im
nachstehenden vom Flüssigkeitsspiegel gesprochen wird, ist deshalb- der Flüssigkeitsspiegel
im unbeeinflußten Zustand gemeint.
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Es ist zu bemerken, daß der gasgefüllte Raum unter Überdruck oder
atmosphärischem Druck stehen kann. Besteht das Gas aus Luft unter atmosphärischem
Druck, kann der Behälter oben offen sein.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Vorrichtung
zum Durchführen des vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt, und zwar zeigt Fig.
1 eine Seitenansicht und Fig. 2 einen senkrechten Teilschnitt.
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Ein senkrecht stehender zylindrischer, geschlossener Behälter 1 weist
an seinem unteren Ende ein Auslaßrohr 4 und an seinem oberen Ende ein Einlaßrohr
5 auf. Das Einlaßrohr 5 endet in einer senkrecht gerichteten Düse 6. Unterhalb der
Düse 6 und gleichachsig mit ihr ist ein feststehender kegelförmiger Körper 7 angeordnet,
dessen Spitze nach oben weist.
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Der kegelförmige Körper 7 ist vorzugsweise an Armen 8 aufgehängt,
die mit der Düse 6 verbunden sind. Sein Durchmesser ist vorzugsweise etwa doppelt
so groß wie der Durchmesser der Düsenöffnung. Der axiale Abstand zwischen dem Rand
der Düsenöffnung und der Oberfläche des kegelförmigen Körpers soll dabei mindestens
gleich dem Radius der Düsenöffnung sein.
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Im Betrieb ist der Behälter 1 teilweise mit Flüssigkeit bis zu der
mit 2 angedeuteten Höhe gefüllt.
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Diese Höhe ist nicht unbedingt kritisch, es hat sich aber erwiesen,
daß die besten Ergebnisse erreicht werden, wenn das Niveau der Flüssigkeit etwas
unterhalb der Unterseite des kegelförmigen Körpers 7 liegt.
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Ein regelbarer Gasauslaß in Form eines verschiebbares Rohres 3 ist
zum Beibehalten des eingestellten Niveaus der Flüssigkeit angeordnet.
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Verbrauchtes bzw. durch die Regelung weggeführtes Gas wird entweder
durch eine besondere, nicht dargestellte Leitung oder zusammen mit der eintretenden
Flüssigkeit ersetzt.
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Die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch das Einlaßrohr 5 und die
Düse 6 zugeführt und gelangt auf den kegelförmigen Körper7, der eine glatte gleichförmige
Oberfläche aufweist. Von diesem Körper 7 wird die zugeführte Flüssigkeit zu einem
dünnen hohlkegelförmigen, geschlossenen Schleier aufgeteilt.
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Der Schleier trifft auf die Flüssigkeitsoberfläche im flachen Winkel
auf und ruft auf ihr eine durch gestrichelte Pfeile A angedeutete Wirbelung hervor,
die eine obere, scharf abgegrenzte, zu grobem Schaum zerschlagene Schicht bildet.
Durch die Wirbelbewegung wird der grobe Schaum, in dem die oben beschriebene schnelle
Gaslösung stattfindet, unaufhörlich zerschlagen und erneuert. Schon sehr nahe unter
dieser zu Schaum geschlagenen Oberfläche strömt die Flüssigkeit mit großer Gleichförmigkeit
über dem ganzen Querschnitt des Behälters nach unten, wie von den ausgezogenen Pfeilen
angedeutet ist.
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Hierdurch können gegebenenfallsvondemFlüssigkeitsstrom mitgeführte
Gasblasen schnell zu der Oberfläche der Flüssigkeit zurückkehren. Die äußerst kleinen
Gasblasen, die sich in dem langsam abwärts sinkenden Flüssigkeitsstrom schwebend
halten können, erhalten durch die gleichförmige Strömung eine möglichst lange Zeit,
um sich in der Flüssigkeit aufzulösen, ehe die Flüssigkeit am unteren Teil des Behälters
abgeführt wird. Hierdurch wird es möglich, über einen möglichst großen Querschnitt
gasblasenfreie Flüssigkeit aus einem Behälter zu liefern.
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Bei der praktischen Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung
hat es sich als möglich erwiesen, den gewünschten Sättigungsgrad der Flüssig keit
mit wesentlich weniger Energieaufwand und mit einer weniger umfangreichen Vorrichtung
als bisher zu erreichen. Der geringere Energieaufwand ergibt sich dadurch, daß keine
größere Bewegungsenergie der eintretenden Flüssigkeit, als für die Schaumbildung
an den Oberflächen benötigt wird, erforderlich ist und daß durch die gleichförmige
Strömung der Durchströmungswiderstand sehr klein wird.
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Zur Erläuterung der praktischen Anwendung der Erfindung kann folgendes
Ausführungsbeispiel angeführt werden: In einem Behälter 1, in welchen die Flüssigkeit
durch die Düse 6 mit einer Geschwindigkeit von
4 m/sec gegen einen kegelförmigen
Körper 7 mit obengenannten Abmessungen einströmt, konnten 2000 Liter pro Minute
mit einem sehr befriedigenden Ergebnis behandelt werden.
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Als weiteres Beispiel kann eine physikalische Behandlungsvorrichtung
genannt werden, der Wasser mit darin zu lösender Luft zugeführt wurde. Mit bisher
bekannten Verfahren zum Lösen von Luft in Wasser konnte in dieser Vorrichtung höchstens
etwa 1200 Liter pro Minute behandelt werden. Nachdem das eintretende Wasser nach
der vorliegenden Erfindung behandelt wurde, konnte mit gleich gutem Ergebnis die
Leistungsfähigkeit bis auf 1900 Liter pro Minute erhöht werden, was eine Erhöhung
von über 50°/o bedeutet.
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Es ist schließlich zu bemerken, daß beim Behandeln von Flüssigkeiten,
bei denen die Gaslösung nicht bis zur Sättigung durchgeführt zu werden braucht,
ein geringerer Anteil der gesamten Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit nach dem vorliegenden
Verfahren behandelt und danach mit dem Rest in dem oder außerhalb des Behälters
gemischt werden kann.