DE19611093C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas, sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Nach dem Stand der Technik werden Gase, welche in Flüssigkeiten gelöst werden sollen, durch Injektionsdüsen in ein Flüssigkeitsvolumen oder den Strom einer Flüssigkeit eingegeben. Weiterhin ist es bekannt, Gase über perforierte Schläuche, welche sich unter der Wasseroberfläche befinden in das Wasser einzutragen, indem die Schläuche mit einem definierten Druck des Gases beaufschlagt werden.

Nach einem anderen Verfahren wird das Wasser über eine Brause in eine gegenüber der Umgebung abgeschlossenes Volumen einer Gasatmosphäre eingesprüht, in dem die Wassertropfen im Lösungsgleichgewicht mit der sich darum befindlichen Gasphase stehen. Das Wasser nimmt das Gas auf und sammelt sich auf dem Behälterboden, dem es für die weitere Verwendung entnommen werden kann, an.

Derartige Verfahren finden beispielsweise bei der Anreicherung von Wasser mit Sauerstoff Verwendung, wenn das mit Sauerstoff angereicherte Wasser für die in-situ Sanierung von mit Altlasten kontaminierten Böden eingesetzt werden soll. Bei diesen in-situ Sanierungen wird das auf diese Weise angereicherte Wasser in das Erdreich eingeführt. Der Einleitung in das Erdreich sind jedoch noch andere Prozesse der Wasservorbereitung vorgeschaltet. So durchläuft das für die in-situ Sanierung eingesetzte Wasser Biologiefilter und chemische Aufbereitungsstufen, welche der Optimierung der Zusammensetzung des für die in-situ Sanierung eingesetzten Wassers dienen. Das auf diese Weise in das Erdreich eingeführte Wasser wird an einer anderen Stelle wieder entnommen und in einem Kreisprozeß der erneuten Anreicherung mit Sauerstoff und chemisch-biologischen Aufarbeitung zugeführt.

Für einen optimalen Betrieb einer in-situ Sanierungsanlage sowie für ein optimales Sanierungsergebnis, ist es erforderlich, eine Sauerstoffkonzentration des Wassers bereitzustellen, die den technischen Anforderungen gerecht wird. So arbeiten beispielsweise nachgeschaltete Stufen einer Wasseraufbereitungsanlage störungsfreier, wenn eine Sauerstoffkonzentration eingehalten wird, welche niedriger ist, als der Sättigungswert bei einem Betriebsdruck, der über Atmosphärendruck liegt.

Auch der Druck beziehungsweise die Durchflußmenge, mit denen die Filter und Patronen betrieben werden, ist den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Da die Sauerstoffatmosphäre des Behälters, in dem das anzureichernde Wasser verrieselt wird, bei der Anreicherung ständig Sauerstoff verliert, muß der Behälter mit einem Oberdruck beaufschlagt werden, um einen kontinuierlichen Sauerstoffeintrag in das Wasser zu gewährleisten und ein Rückströmen von Wasser zu verhindern.

Wird in das zur in-situ Sanierung eingesetzt Wasser Sauerstoff mit Injektionsdüsen eingegeben, so entweicht überschüssiger Sauerstoff in die Umgebung und muß über Kreisläufe in den Sauerstoffvorratsbehälter rückgeführt, beziehungsweise als Abgas entsorgt werden, da es - bedingt durch die Führung im Kreisprozeß mit Schadstoffen beladen ist. Der Einsatz von perforierten Schläuchen ist nicht gut geeignet, da diese zur Begasung flächig ausgelegt werden müssen um ein Zusammenschmelzen der einzelnen Gasblasen zu vermeiden. Der Platzbedarf ist daher für dieses Begasungsverfahren sehr groß.

Der Einsatz von Behältern, welche mit einer Sauerstoffatmosphäre beaufschlagt und mit einer Brause ausgestattet sind, die das mit Sauerstoff anzureichernde Wasser in den Behälter zerstäubt, führt regelmäßig zur Sauerstoffsättigung des Wassers. Eine Regulierung der Sauerstoffkonzentration auf Konzentrationen unterhalb des Sättigungswertes bei Atmosphärendruck im Wasser ist somit nicht möglich.

Um einen für den Betrieb der Anlage notwendigen Wasserdruck zu erreichen muß der Sauerstoffdruck über dem Wasserspiegel so hoch gehalten werden, daß gemessen am Atmosphärendruck eine Übersättigung des Wassers an Sauerstoff erfolgt, welche die für den Gesamtprozeß akzeptable Konzentration überschreitet.

In der DE 44 28 617 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von carbonisierten und CO₂-freien Getränken beschrieben, bei der wahlweise carbonisierte oder CO₂-freie Getränke mit hoher Dosiergenauigkeit durch kleinsten technischen und zeitlichen Aufwand hergestellt werden, wobei bei der Herstellung CO₂-freier Getränke entgastes Wasser verwendet wird. Dabei dient der Nachcarbonisier- und Fertiggetränkekessel für die Herstellung carbonisierter Getränke zum Zwecke der Herstellung CO₂-freier Getränke als Entgasungstank. Der Entgasungstank steht zusätzlich schaltbar mit einer Wasserzulaufleitung mit Absperrventil und Stoffaustauscheinrichtung sowie über ein Absperrventil mit einer Vakuumpumpe in Verbindung. Eine Ablaßleitung mit Pumpe und Absperrventil mündet in den Wasserbehälter. Der Gemischsammelbehälter besitzt eine gesonderte Produktablaßleitung.

Eine Vorrichtung zur Lösung von Gas in Flüssigkeit ist in dem DE-GM 90 10 116 offenbart, bei der die Flüssigkeit laufend durch eine Düsenplatte in einen Reaktionsraum eingepreßt wird, der teilweise mit laufend zugeführtem Gas und teilweise mit einem dort entstehenden Gas-Lösungsgemisch gefüllt ist, das über eine Mischstrecke in einen Tankraum geführt ist, aus dem die Lösung bodenseitig über ein Abflußventil abzuführen ist und in dem sich oben ungelöstes, abgetrenntes Gas sammelt. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Bereich des Tankraumes eine Ableitung für das ungelöste Gas angeordnet ist, und daß in diese Ableitung ein Gasauslaßventil angeordnet ist.

In der GB 2 209 285 A ist eine Vorrichtung zum Carbonisieren von Wasser beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird das Wasser in einen Druckbehälter eingesprüht, wobei der Druckbehälter eine Gasatmosphäre aus Kohlendioxid aufweist. Der Wasserstand in dem Druckbehälter wird gemessen und zur Steuerung von Pumpen verwendet, mit welchen Wasser in die Atmosphäre aus Kohlendioxid eingesprüht werden. Dabei wird der Wasserstand für zwei verschiedene Niveaus innerhalb des Druckbehälters gemessen und es werden zwei Pumpen gesteuert, so daß bei einem Abfallen des Wasserstandes auf ein erstes Niveau eine erste Pumpe betrieben wird und bei einem Abfallen des Wasserstandes auf ein zweites Niveau zusätzlich eine zweite Pumpe betrieben wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen ein Gas, insbesondere Sauerstoff, in einer gewünschten Konzentration in einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, welches sich in einem Druckbehälter befindet, gelöst werden kann, wobei eine sehr gute Einstellung der Gaskonzentration unabhängig von Durchflußmenge des Wassers und Innendruck des Behälters möglich sein soll, so daß der Behälterinnendruck als einstellbare Größe für die Aufrechterhaltung anderer Regelkreise zur Verfügung steht.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigten Stand der Technik ist die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, in Behältern Wasser mit Sauerstoff einer definierten Konzentration unabhängig von der Durchflußmenge an Wasser und vom Innendruck des Behälters anzureichern, welche frei wählbar und beliebig einstellbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Zeichnung veranschaulicht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Form.

Fig. 1 zeigt einen als Fallturm ausgebildeten Behälter 1, in welchen eine Leitung 2, die sich in die Leitungen 3 und 4 aufspaltet, eingeführt wird. An den Leitungen 2, 3 und 4 sind ansteuerbare Dosierventile 5, 6 und 7 angebracht. Leitung 3 mündet in eine Verrieselungsvorrichtung 8, während Leitung 4 bis in den unteren Bereich des Behälters 1 geführt wird. Am unteren Ende des Behälters 1 befindet sich eine Abführleitung 9, welche mit einem Ventil 10 ausgestattet ist. Der Behälter 1 ist mit Wasser 11 gefüllt. An ihm ist ein Stutzen 12 angebracht, welcher mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Sauerstoffversorgungsquelle in Verbindung steht.

Bei Betrieb ist der in Fig. 1 dargestellte Behälter 1 an eine Anlage zur in-situ Sanierung angeschlossen. Er wird mit einer Sauerstoffatmosphäre eines frei wählbaren Druckes beaufschlagt und durch die Leitung 2 mit Wasser beschickt. Über die Dosierventile 5, 6 und 7 läßt sich der Wasserstrom der Leitung 2 in Teilströme aufspalten, die in einem definierten Mengenverhältnis zueinander stehen. Der Teilstrom, der durch die Leitung 3 geführt wird, mündet in eine Verrieselungsvorrichtung 8, wird in den mit Sauerstoff beaufschlagten Behälter 1 eingespritzt und auf dem Behälterboden angesammelt. Hierbei findet die Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff statt. Die Verrieselungsvorrichtung 8 ist vorzugsweise als selbstreinigende Düse ausgebildet, sie kann jedoch auch aus einem Lochblech bestehen. Der zweite Teilstrom gelangt durch die Leitung 4, welche mit dem Dosierventil 7 ausgestattet ist in den unteren Bereich des Behälters 1. Dies geschieht derart, daß das durch die Leitung 4 geführte Wasser erst in Bodennähe des Behälters 1 austritt, so daß von diesem Volumenstrom keine Wegstrecke durchlaufen wird, die in Kontakt mit der Sauerstoffatmosphäre steht. Auf diese Weise wird dieser Teilstrom nicht mit Sauerstoff angereichert. Er vermischt sich im unteren Auffangbereich mit dem mit Sauerstoff gesättigten Wasser und bildet mit ihm ein Gemisch einer Konzentration, die durch das frei wählbare Mengenverhältnis der Teilströme der Leitungen 3 und 4 gegeben ist.

Es ist auf diese Weise möglich, einen Sauerstoffkonzentrationswert von 5 bis 40 mg/l unabhängig vom Behälterinnendruck und vom Durchfluß einzustellen, welcher für Sanierungszwecke besonders vorteilhaft ist.

Das Gemisch der Teilströme wird durch die Abführleitung 9, die ein Ventil 10 aufweist, entnommen und einem Biologiefilter sowie der chemischen Aufarbeitung zugeführt, bevor es der weiteren Verwendung zugeführt wird.

Die Leitung 4 muß nicht im Behälterinneren verlaufen. Es ist auch möglich, sie außerhalb des Behälters 1 in Form eines Beipasses verlaufen zu lassen; von Bedeutung ist nur, daß der Teilstrom, welcher durch die Leitung 4 in den unteren Bereich des Behälters 1 eingeleitet wird, turbulenzarm in das mit Sauerstoff angereicherte Wasser eintritt. Hierdurch wird die Oberfläche des Wasserspiegels ruhig gehalten, wodurch eine Vergrößerung dessen Oberfläche vermieden wird. Eine zusätzliche Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff wird somit weitgehend vermieden.

Soll das mit Sauerstoff einer definierten Konzentration angereicherte Wasser vor der Lösung von weiterem Sauerstoff, welcher sich im Kopfraum des Behälters 1 befindet und der mit der Oberfläche des sich am Boden befindlichen Wasseroberfläche im Gleichgewicht steht, geschützt werden, so ist es möglich, den unteren Teil des Behälters 1, gegenüber der Rieselstrecke, also dem Kopfraum in den das Wasser durch die Verrieselungsvorrichtung 8 eingesprüht wird, in Form eines separaten Behälters abzutrennen, in den dann die Leitung 4 geführt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung ist es möglich, die Durchlaufmengen an Wasser und die Mengenverhältnisse der Teilströme sowie den Sauerstoffdruck in dem Behälter 1 durch eine elektronische Regulierung den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. So können zum Beispiel mittels Durchflußmessern die Verbräuche an sauerstoffangereichertem Wasser 11, welches den Behälter 1 durch die Abführleitung 9 verläßt, ermittelt und die Zufuhr an Frischwasser über das Ventil 5 der Leitung 2 gesteuert werden. Analog wird die Abgabe an mit Sauerstoff angereichertem Wasser 11 durch die Abführleitung 9 durch automatische Regulierung des Öffnungsquerschnittes des Ventils 10 gesteuert, indem ein Verbrauchsmesser Meßwerte an eine Regeleinheit liefert. Wird durch eine Sauerstoffmeßsonde ein größerer Sauerstoffbedarf ermittelt, so können die Ventile 6 und 7 der Leitungen 3 und 4 in ein anderes Öffnungsverhältnis zueinander gesetzt werden. Ebenso kann der Sauerstoffdruck reguliert werden.

Es ist auch möglich, die Zufuhr an Wasser durch die Leitungen 2 und 4 alternierend zu betreiben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, Wasser ohne Verlust an Sauerstoff mit einer definierten Sauerstoffkonzentration zu versetzen, wobei die Anreicherung des Wassers mit dem Sauerstoff unabhängig vom Innendruck des Behälters 1 und der Wasserdurchlaufmenge vorgenommen werden kann. Der für den Betrieb von Biologiefiltern und chemischen Aufbereitungsstufen optimale Sauerstoffgehalt und Betriebsdruck kann ohne großen Aufwand hergestellt werden. Ein Verlust an Sauerstoff durch Ausgasen des Sauerstoffes wegen Übersättigung bei Reduzierung auf Atmosphärendruck kann verhindert werden. Somit kann auch Blasenbildung in den Patronen und Filtern durch Druckschwankungen vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere vorteilhaft, wenn der Betriebsdruck und somit der Innendruck des Behälters 1 aus verfahrenstechnischen Gründen konstant gehalten werden muß; in diesem Fall kann nämlich mit dem herkömmlichen Verfahren eine Einstellung der Sauerstoffkonzentration über den Partialdruck und der damit im Gleichgewicht stehenden Sauerstoffkonzentration im Wasser, nicht über den Sauerstoffdruck im Behälter 1 vorgenommen werden. Der Sauerstoffeintrag in das Wasser kann somit erfindungsgemäß vom Innendruck des Druckbehälters entkoppelt werden, so daß der Behälterinnendruck als einstellbare Größe für andere Regelkreise weiterhin zur Verfügung steht. Der für die Sättigung unter Atmosphärendruck maximal mögliche Sauerstoffgehalt von ca. 40 mg/l ist dabei gering im Verhältnis zur theoretischen Löslichkeit von technischem Sauerstoff unter Druck. Das Verfahren und die Vorrichtung sind nicht nur auf die Anreicherung von Wasser mit Sauerstoff und auf die Anwendung im Sanierungsbereich beschränkt, vielmehr kann jedes Lösungsmittel mit einem darin löslichen Gas für andere Zwecke angereichert werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas, bei dem die Flüssigkeit einem geschlossenen, mit Druck beaufschlagbaren Behälter zugeführt wird, bei dem die Flüssigkeit im oberen Bereich des Behälters (1) verrieselt wird, bei dem die verrieselte Flüssigkeit durch eine Gasatmosphäre im Behälter (1) fällt und dabei mit dem Gas angereichert wird und bei dem die mit dem Gas angereicherte Flüssigkeit im unteren Bereich des Behälters (1) gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Behälter zuzuführende Flüssigkeit in mindestens zwei Teilströme aufgespalten wird, daß der erste Teilstrom verrieselt wird, durch die Gasatmosphäre fällt und im unteren Bereich des Behälters (1) gesammelt wird, und daß der zweite Teilstrom direkt der im unteren Bereich des Behälters (1) gesammelten Flüssigkeit (11) zugeführt wird ohne mit der Gasatmosphäre in Berührung zu kommen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis der Teilströme variiert wird, so daß sich bei dem Zusammentreffen der Teilströme auf dem Behälterboden eine frei wählbare Gaskonzentration in dem Flüssigkeitsgemisch (11) einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme einem gemeinsamen Flüssigkeitsvorrat entnommen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme turbulenzarm auf dem Behälterboden zusammengeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Gaskonzentration der sich auf dem Behälterboden angesammelten Flüssigkeit (11) über eine Sonde gemessen wird, welche das Meßsignal an eine Steuerung leitet, die beim Abweichen des Meßwertes von einem Sollwert die Ventile (6) und (7) derart ansteuert, daß sich ein Verhältnis der Teilströme einstellt, welches nach dem Zusammenführen der Teilströme zu der gewünschten Konzentration führt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Sauerstoff eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Wasser eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß das sich aus den Teilströmen zusammensetzende Flüssigkeitsgemisch, welches sich am Behälterboden sammelt eine Konzentration von 5 bis 40 mg/l Sauerstoff in Wasser aufweist.

9. Vorrichtung zur Anreicherung einer Flüssigkeit mit einem Gas mit einem Behälter (1), mit einer Gaszuleitung (12) in den Behälter (1), mit einer Flüssigkeitszuleitung (2), mit einer Verrieselungsvorrichtung (8), die im oberen Bereich des Behälters (1) angeordnet ist, wobei im Betrieb verrieselte Flüssigkeit durch eine Gasatmosphäre fällt und im unteren Bereich des Behälters (1) gesammelt wird, und mit einer Leitung (9) zur Abfuhr der begasten Flüssigkeit aus dem Behälter (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuleitung (2) sich in eine erste (3) und eine zweite (4) Leitung aufspaltet, daß die erste Leitung (3) in der Verrieselungsvorrichtung (8) mündet und daß die zweite Leitung (4) im unteren Bereich des Behälters (1) endet, so daß im Betrieb dieser Teilstrom direkt der dort gesammelten begasten Flüssigkeit (11) zuführbar ist ohne mit der Gasatmosphäre in Berührung zu kommen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (4) in den Bodenbereich des Behälters (1) mündet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (4) im Inneren des Behälters (1) verläuft.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Leitung (4) so groß ist, daß keine turbulenten Strömungen in der sich auf dem Behälterboden befindlichen Flüssigkeit (11) entstehen.