DE19751884A1 - Reaktor zur mikro- und makroskopischen Vermischung von wenigstens zwei Fluiden und Anlage mit einem solchen Reaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur mikro- und makroskopischen Vermischung von wenigstens zwei Fluiden gemäß Anspruch 1 sowie eine Anlage mit einem solchen Reaktor gemäß Anspruch 10.

Aus dem Stand der Technik sind keine Reaktoren bekannt, die gleichzeitig eine intensive mikroskopische und makroskopische Vermischung von wenigstens zwei Fluiden bewirken. Bekannt sind allenfalls Reaktoren, mit denen eine makroskopische Ver­ mischung herbeigeführt werden kann.

Eine mikro- und makroskopische Vermischung von wenigstens zwei Fluiden ist z. B. ein wichtiges Erfordernis bei der Neu­ tralisation von alkalischen Brauchwässern (Prozeß- oder Ab­ wässer). Solche alkalischen Brauchwässer (pH-Wert <9) fallen in vielen Industriezweigen, z. B. bei Spülvorgängen, an. Vor einer Schließung des Prozeßwasserkreislaufs, der Qualitäts­ wasser-Rückgewinnung oder der Einleitung in eine biologische Kläranlage müssen solche alkalischen Brauchwässer neutrali­ siert werden.

Bei der Neutralisation wird in das Brauchwasser ein neutrali­ sierendes Fluid hin zugegeben und mit dem Brauchwasser ver­ mischt.

In der Getränkeindustrie erfolgt die Neutralisation z. B. in der Form, daß das Spülwasser in ein Becken geleitet wird, in das von unten Kohlendioxid (CO₂) eingedüst wird. Nach ca. 15 Minuten wird das im Becken befindliche und durch das CO₂ neu­ tralisierte Brauchwasser in die Kanalisation ausgelassen wird.

Eine solche Vorgehensweise ist mit hohen Betriebskosten und einem schlechten Wirkungsgrad verbunden. Die Neutralisation erfolgt nur in unbefriedigendem Maße und das in dem Becken befindliche Brauchwasser kann nur diskontinuierlich ausgelas­ sen werden. Darüber hinaus ist es in solchen Anlagen erfor­ derlich, dem Spülwasser Chemikalien hinzuzufügen, um eine Steinbildung (Kalkablagerungen) zu unterdrücken. Dies ist teuer und führt zu einer hohen Abwasserbelastung.

Auch in anderen Industriezweigen, in denen Spülvorgänge er­ forderlich sind, treten die vorgenannten Probleme aus der Ge­ tränkeindustrie auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Reak­ tor bzw. eine Anlage mit einem solchen Reaktor zu schaffen, der neben einer makroskopischen Vermischung auch eine inten­ sive mikroskopische Vermischung gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch einen Reaktor gemäß Anspruch 1 und durch eine Anlage gemäß Anspruch 10 gelöst.

Der erfindungsgemäße Reaktor gemäß Anspruch 1 bzw. der in der Anlage gemäß Anspruch 10 integrierte erfindungsgemäße Reaktor führt dazu, daß aufgrund der mikroskopischen Vermischung von zwei Fluiden, z. B. Kohlendioxid und Brauchwasser, eine ko­ stengünstige und intensive Neutralisation möglich wird und darüber hinaus auch auf den Einsatz von Chemikalien bei einem Spülvorgang verzichtet werden kann. Die perforierten Flä­ chenelemente führen zu turbulenten Strömungen, die eine in­ tensive mikroskopische Vermischung bewirken.

Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 2 besteht darin, daß die perforierten Flächenelemente in einem innerhalb des Außenge­ häuses angeordneten Strömungskanal ausgebildet sind. Dadurch wird das Gemisch aus dem ersten und dem zweiten Fluid, also z. B. aus Brauchwasser und Kohlendioxid, gezwungen, durch die perforierten Flächenelemente hindurchzuströmen. Die dadurch in einem kontrollierten Bereich entstehenden turbulenten Strömungen führen zu einer fluidabhängig steuerbaren, mikro­ skopischen Vermischung der beiden Fluide.

Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 3 beruht darin, daß die Länge des Strömungskanals für das erste Fluid optimal ausge­ nutzt wird, indem das erste Zulaufelement an einem ersten Be­ reich des Strömungskanals angeschlossen ist. Dadurch kann ei­ ne kompakte Bauweise gewährleistet werden.

Gemäß Anspruch 4 ist daher ebenfalls von Vorteil, daß auch das zweite Zulaufelement in der Nähe des ersten Bereichs des Strömungskanals angeschlossen ist, und zwar stromabwärts hin­ ter dem ersten Zulaufelement und vor den perforierten Flä­ chenelementen. Dadurch werden die beiden Fluide vor den per­ forierten Flächenelementen makroskopisch vermischt und durch das Hindurchströmen durch die perforierten Flächenelemente in turbulente Strömungen versetzt, die zu einer mikroskopischen Vermischung der beiden Fluide führen.

Ein weiterer Vorteil gemäß Anspruch 5 besteht darin, daß an einem Ende des Strömungskanals seitliche Austrittsöffnungen ausgebildet sind. Dadurch wird das Mischfluid an den seitli­ chen Austrittsöffnungen wiederum in turbulente Strömungen versetzt, was zu einer weiteren intensiven mikroskopischen Vermischung der beiden Fluide führt.

Gemäß Anspruch 6 ist es weiterhin von Vorteil, daß an dem er­ sten Bereich des Strömungskanals seitliche Eintrittsöffnungen ausgebildet sind. Das an dem Ende des Strömungskanal ausge­ tretene Mischfluid kann somit vollständig oder in Teilmengen erneut in den Strömungskanal eintreten und noch einmal durch die perforierten Flächenelemente hindurchströmen, bevor es aus dem Reaktor austritt.

Gemäß Anspruch 7 ist es von Vorteil, daß der Strömungskanal im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist, wobei das erste Ende bodenseitig angeordnet ist. Die beiden zu vermischenden Fluide treten also bodenseitig in den Strömungskanal ein und werden unter Druck durch die perforierten Flächenelemente zum zweiten, oberen Ende des Strömungskanals und durch die seit­ lichen Austrittsöffnungen hindurch bewegt. Eine Teilmenge der bereits auf diese Weise mikroskopisch vermischten Fluide ge­ langt dann durch die unteren Eintrittsöffnungen erneut in den Strömungskanal und wird ein weiteres Mal mikroskopisch ver­ mischt. Teilmengen des mikroskopisch vermischten Fluids kön­ nen somit wiederholt durch den Strömungskanal hindurchströ­ men, bevor sie in das Auslaufelement gelangen.

Gemäß Anspruch 8 ist es von Vorteil, daß die perforierten Flächenelemente spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Winkelstellung der perforierten Flächenelemente wiederholt sich somit über die Länge des Strömungskanals. Die Länge des Strömungskanals sowie die Anzahl und Winkellage der perforierten Flächenelemente kann je nach Anwendungsgebiet frei gewählt werden.

Gemäß Anspruch 9 ist es weiterhin von Vorteil, daß das Aus­ laufelement in einer horizontalen Ebene mit dem ersten Zulau­ felement angeordnet ist. Dadurch wird bewirkt, daß der Anteil der mehrfach mikroskopisch gemischten Fluide, das heißt, der mehrfach durch den Strömungskanal hindurchgegangenen Fluide vor Austritt aus dem Auslaufelement, erhöht wird. Durch den Saugeffekt wird immer ein relativ großer Anteil der bereits einmal mikroskopisch gemischten Fluide ein weiteres Mal durch die seitlichen Eintrittsöffnungen in den Strömungskanal ein­ treten.

Die vorgenannten Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors füh­ ren dazu, daß auch eine Anlage mit einem solchen Reaktor in sehr vorteilhafter Weise betrieben werden kann. In einer sol­ chen Anlage ist es häufig nicht mehr erforderlich, Entstei­ nungsmittel in Brauchwässern zu verwenden. Durch die mikro­ skopische Vermischung von z. B. Kohlendioxid mit Spülwasser wird eine Steinbildung auch ohne zusätzliche chemische Mittel verhindert.

Eine mikroskopische Vermischung führt auch zu einer Beschleu­ nigung der Neutralisationsreaktion zwischen den beiden Flui­ den. Bei einer Neutralisation mit CO₂ erhöht sich die Ausbeu­ te der Reaktion um bis zu 32% gegenüber dem theoretisch er­ reichbaren Grenzwert.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im fol­ genden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht im Schnitt eines Reaktors gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anlage mit einem Reaktor gemäß vorliegender Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Reaktor gemäß vorliegender Er­ findung dargestellt. Der Reaktor 1 weist ein Außengehäuse 3 auf, das im vorliegenden Fall zylinderförmig ausgebildet ist und mit einer Querschnittsfläche auf einer Bodenplatte 5 fest und dicht montiert ist. Das Außengehäuse 3 weist bodenseitig einen Durchbruch 7 zur Aufnahme eines ersten Zulaufelementes 9 für ein erstes Fluid, z. B. Brauchwasser (H₂O), auf. Das Außengehäuse 3 weist zudem einen Durchbruch 11 zur Aufnahme eines zweiten Zulaufelementes 13 für ein zweites Fluid, z. B. Kohlendioxid (CO₂), auf. Ferner weist das Außengehäuse 3 ei­ nen dritten Durchbruch 15 zur Aufnahme eine Auslaufelementes 16 für ein gemischtes drittes Fluid (Mischung aus erstem und zweitem Fluid) bzw. Mischfluid auf.

Innerhalb des Außengehäuses 3 ist ein Strömungskanal 17 aus­ gebildet, der in seinem unteren Bereich 19 eine größere Weite als in seinem oberen Bereich 21 aufweist. Das erste Zulaufe­ lement 9 mündet in dem unteren Bereich 19 des Strömungskanals 17, derart, daß die Strömung des ersten Fluids direkt in den Strömungsquerschnitt des oberen Bereichs 21 geleitet wird. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Zulaufelement 9 daher einen rechtwinklig angesetzten Stutzen 23 auf.

Das zweite Zulaufelement 13 mündet am unteren Ende des oberen Bereichs 21 des Strömungskanals 17, das heißt, an einer Stelle 25 unmittelbar hinter dem Übergang von dem breiteren unteren Bereich 23 zum schmaleren oberen Bereich 21. Der Übergang ist strömungsgünstig ausgebildet.

Stromabwärts der Mündungsstelle 25 sind in dem schmaleren Be­ reich 21 des Strömungskanals 17 perforierte Flächenelemente 27 angeordnet. Die perforierten Flächenelement 27 sind vor­ zugsweise Lochplatten mit einer vorbestimmten Lochungsweite und Lochgröße, die an die zu mischenden Fluiden angepaßt ist. Die perforierten Flächenelemente 27 sind in einer Winkelstel­ lung zueinander ausgerichtet. Die Winkel können beliebig ge­ wählt werden, und die Winkel können zwischen jedem perforier­ ten Flächenelement 27 unterschiedlich sein. In der vorliegen­ den Ausführungsform sollen die perforierten Flächenelemente 27 allerdings einen Winkel von etwa 45° haben und in etwa spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Die Montage der perforierten Flächenelemente 27 in dem Strömungskanal 17 erfolgt in an sich bekannter Weise.

Der schmalere Bereich 21 des Strömungskanals 17 weist an sei­ nem, dem unteren, breiteren Bereich 19 entgegengerichteten Ende 29 seitliche Austrittsöffnungen 31 auf. Die seitlichen Austrittsöffnungen 31 sind vorzugsweise als in Längsrichtung ausgerichtete Schlitze ausgebildet. In dem breiteren Bereich 19 des Strömungskanals 17 sind Eintrittsöffnungen 33 eben­ falls als in Längsrichtung ausgerichtete Schlitze ausgebil­ det.

In der vorliegenden Ausführungsform weist das Auslaufelement 16 einen vertikalen Stutzen 35 auf. Der Stutzen 35 wird fluidabhängig eingesetzt und kann in anderen Ausführungsfor­ men unter Umständen auch weggelassen werden.

In dem Außengehäuse 3 ist oberseitig eine Gasaustrittsöffnung 37 vorgesehen, um überschüssiges Gas durch ein Rückschlagven­ til 39 wieder in das zweite Zulaufelement 13 zurückzuführen und den Innendruck des Reaktors 1 regulieren zu können.

Die Funktionsweise des vorstehenden Reaktors 1 wird im fol­ genden beschrieben.

Durch das erste Zulaufelement 9 strömt Brauchwasser ein. Gleichzeitig strömt durch die zweite Zulauföffnung Kohlendi­ oxid in den Strömungskanal 17. Das einströmende Brauchwasser strömt durch den Stutzen 23 in den schmaleren Bereich 21 des Strömungskanals 17 und wird an der Mündungsstelle 25 mit dem gleichfalls einströmenden Kohlendioxid makroskopisch ver­ mischt. Das Gemisch strömt unter Druck in dem schmaleren Strömungsbereich 21 des Strömungskanals 17 nach oben und durch die Perforationen bzw. Löcher der Flächenelemente 27 bzw. Lochplatten hindurch. Durch die perforierten Flächenele­ mente 27 oder Lochplatten wird das nach oben strömende Ge­ misch in turbulente Strömungen versetzt, die zu einer mikro­ skopischen Vermischung der beiden Fluide führen. Am oberen Ende 29 des Strömungskanals 17 tritt das mikroskopisch ver­ mischte Mischfluid als sogenanntes drittes Fluid durch die Öffnungen 31 hindurch aus dem Strömungskanal 17 aus und ge­ langt zu einem Teil in den Stutzen 35, der zum Auslaufelement 16 führt. Der Teil des dritten Fluids, der nicht in das Aus­ laufelement 16 gelangt, wird über die Eintrittsöffnungen 33 wieder in den unteren, breiteren Bereich 19 des Strömungska­ nals 17 eingesogen und erneut mit Kohlendioxid vermischt und durch den schmaleren Bereich 21, durch die perforierten Flä­ chenelemente 27 hindurch und durch die Austrittsöffnungen 31 aus dem Strömungskanal 17 heraus gedrückt.

Auf diese Weise erfolgt eine sehr intensive mikroskopische und makroskopische Vermischung der beiden beispielhaft ange­ gebenen Fluide.

Beim Einsatz eines solchen Reaktors im Rahmen der Neutralisa­ tion von Spülwässern erfolgt somit eine kontinuierliche und sehr intensive Neutralisation. Durch die intensive mikrosko­ pische Vermischung z. B. von Wasser und Kohlendioxid wird im weiteren Betrieb der Anlage z. B. an der Flaschenwaschmaschi­ ne aus der Warmwasserzone die Steinbildung, z. B. durch Kal­ kablagerungen, verhindert.

In Fig. 2 ist eine Anlage grob schematisch dargestellt. Die Anlage wird am Beispiel einer Anlage zur Neutralisation von Spülwasser mit CO₂ beschrieben. Aus Gründen der Klarheit wer­ den außer für den Reaktor 1 und den Strömungskanal 17 neue Bezugszeichen verwendet.

Das Spülwasser gelangt bei 100 in einen Aufnahmebehälter 103 der Anlage. Bei 101 wird der PH-Wert des Spülwassers gemes­ sen. Falls der PH-Wert in Ordnung ist (zwischen 6,5 und 9) und eine Neutralisation nicht erfolgen muß, wird das Spülwas­ ser in das öffentliche Netz, das heißt, in eine Kläranlage 102 geleitet. Sollte der PH-Wert dagegen im alkalischen Be­ reich liegen, wird das Spülwasser in den erfindungsgemäßen Reaktor 1 geleitet. Mit der Messung des ersten PH-Wertes bei 101 und der Feststellung, daß dieser PH-Wert im alkalischen Bereich liegt (pH-Wert <9), wird über eine Steuerung (nicht dargestellt) eine CO₂-Quelle 104 aktiviert, die in Abhängig­ keit von dem gemessen ersten PH-Wert eine CO₂-Menge in den Reaktor 1 abgibt. Die CO₂-Menge wird wie oben beschrieben in den Reaktor 1 bzw. in den Strömungskanal 17 geleitet. Über­ schüssiges Gas wird bei 105 aus dem Reaktor 1 abgezogen und aufgrund der Druckdifferenz durch ein Rückschlagventil 110 wieder in den Reaktor 1 geleitet. Das mikroskopisch und ma­ kroskopisch gemischte Fluid aus Spülwasser und Kohlendioxid wird bei 106 aus dem Reaktor 1 abgezogen. Es wird dann bei 107 ein zweiter PH-Wert gemessen. Wenn der zweite PH-Wert im Sollbereich liegt, das heißt, zwischen 6,5 und 9,0, was der Regelfall ist, wird das neutralisierte Spülwasser bei 108 ab­ gleitet. Sollte aus irgendeinem Grunde der PH-Wert nicht im neutralen Bereich liegen, z. B. aufgrund einer Fehlfunktion der Anlage, wird das Spülwasser bei 109 wieder in den Aufnah­ mebehälter 103 zurückgeführt.

Die Steuerung der Anlage erfolgt in an sich bekannter Weise, so daß diese hier nicht näher beschrieben werden soll. Insbe­ sondere sind vielfache Alarm- und Sicherungseinrichtungen vorgesehen, um einen sicheren Betrieb der Anlage zu gewähr­ leisten.

Claims (10)

1. Reaktor zur mikro- und makroskopischen Vermischung von we­ nigstens zwei Fluiden, mit einem Außengehäuse (3), einem er­ sten Zulaufelement (9) für ein erstes Fluid, einem zweiten Zulaufelement (13) für ein zweites Fluid und einem Auslaufe­ lement (16) für ein mikro- und makroskopisch vermischtes drittes Fluid, wobei hinter dem in Strömungsrichtung letzten Zulaufelement (9, 13) des ersten bzw. zweiten Fluids in dem Strömungsweg in Winkelstellung zueinander ausgerichtete, per­ forierte Flächenelemente (27) zur Erzeugung turbulenter Strö­ mungen angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierten Flächenelemente (27) in einem innerhalb des Außengehäuses (3) angeordneten Strömungskanal (17) ausge­ bildet sind.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zulaufelement (9) an einem ersten Bereich (19) des Strömungskanals (17) angeschlossen ist.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zulaufelement (13) stromabwärts hinter dem er­ sten Zulaufelement (9) und vor den perforierten Flächenele­ menten (27) angeordnet ist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (29) des Strömungskanals (17) seitliche Austrittsöffnungen (31) ausgebildet sind.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten Bereich (19) des Strömungskanals (17) seit­ liche Austrittsöffnungen (31) ausgebildet sind.

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (17) im wesentlichen vertikal ausge­ richtet ist, wobei der erste Bereich (19) bodenseitig ange­ ordnet ist.

8. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierten Flächenelemente (27) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.

9. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaufelement (16) in einer horizontalen Ebene mit dem ersten Zulaufelement (9) angeordnet ist.

10. Anlage zur mikro- und makroskopischen Vermischung von we­ nigstens zwei Fluiden mit einem Reaktor, der hinter einem Zu­ laufelement (9) für ein erstes Fluid und einem zweiten Zulau­ felement (13) für ein zweites Fluid im Strömungsweg der Fluide perforierte Flächenelemente (27) aufweist, die in Winkelstel­ lung zueinander ausgerichtet sind.