DE20321588U1

DE20321588U1 - ultrasonic reactor

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Publication number: DE20321588U1
Application number: DE20321588U
Authority: DE
Original assignee: ULTRAWAVES WASSER und UMWELTTE; ULTRAWAVES-WASSER- und UMWELTTECHNOLOGIEN GmbH; Sonotronic Nagel GmbH
Current assignee: ULTRAWAVES WASSER und UMWELTTE; ULTRAWAVES-WASSER- und UMWELTTECHNOLOGIEN GmbH; Sonotronic Nagel GmbH
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2013-09-27

Abstract

Ultraschallreaktor zur Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten, insbesondere wässrigen Suspensionen wie Abwässer, Prozesswässern, Gülle oder Klärschlämmen, mit einem Reaktorgehäuse (1), das mindestens einen Flüssigkeitseinlass (2) und mindestens einen Flüssigkeitsauslass (3) aufweist und in Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) unterteilt ist, die jeweils mit mindestens einem Ultraschallschwinger (14) versehen sind, wobei die durch den Flüssigkeitseinlass (2) eintretende Flüssigkeit die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) der Reihe nach durchfließt und nach dem letzten Reaktorabschnitt (8, 13) zum Flüssigkeitsauslass (3) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorabschnitte (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) unterschiedlich große Kavitationsräume (4, 5, 6, 7, 8) aufweisen, in denen der vom jeweiligen Ultraschallschwinger (14) erzeugte Ultraschall wirksam ist.ultrasonic reactor for ultrasonic treatment of liquids, especially aqueous Suspensions such as waste water, Process water, Manure or sewage sludge, with a reactor housing (1), the at least one liquid inlet (2) and at least one fluid outlet (3) and in reactor sections (4, 9, 5, 10, 6, 11, 7, 12; 8, 13), each with at least one ultrasonic transducer (14), wherein the through the liquid inlet (2) entering liquid the reactor sections (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) of the series flows through and after the last reactor section (8, 13) to the liquid outlet (3) characterized in that the reactor sections (4, 9; 5, 10; 6, 11; 7, 12; 8, 13) cavitation spaces of different sizes (4, 5, 6, 7, 8), in which of the respective ultrasonic oscillator (14) generated ultrasound is effective.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallreaktor zur Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten, insbesondere wässrigen Suspensionen wie Abwässern, Prozesswässern, Gülle oder Klärschlämmen, mit einem Reaktorgehäuse, das mindestens einen Flüssigkeitseinlass und mindestens einen Flüssigkeitsauslass aufweist und in Reaktorabschnitte unterteilt ist, die jeweils mit mindestens einem Ultraschallschwinger versehen sind, wobei die durch den Flüssigkeitseinlass eintretende Flüssigkeit die Reaktorabschnitte der Reihe nach durchfließt und nach den letztem Reaktorabschnitt zum Flüssigkeitsauslass gelangt.The The invention relates to an ultrasonic reactor for ultrasonic treatment of liquids, especially aqueous Suspensions such as wastewater, process water, manure or Sewage sludge, with a reactor housing, the at least one liquid inlet and at least one fluid outlet and divided into reactor sections, each with at least one ultrasonic vibrator are provided, wherein by the liquid inlet entering liquid flows through the reactor sections in sequence and after the last reactor section reaches the liquid outlet.

Ein derartiger Reaktor ist beispielsweise aus der DE 195 17 381 C1 bekannt. Dieser besteht aus einem Stahlrohr für die Hindurchführung des Schlammes und aus mindestens einem Ultraschallgeber in Form eines einen elektromechanischen Wandler umfassenden stabförmigen Ultraschallschwingers aus Edelstahl oder Titan. Mehrere solcher Stahlrohre können dabei zu einem mehrstufigen Reaktor zusammengeschaltet werden, wobei entweder eine zick-zack-förmige Anordnung mit schräg verlaufenden Stahlrohren oder eine gitterförmige Anordnung empfohlen wird.Such a reactor is for example from the DE 195 17 381 C1 known. This consists of a steel tube for the passage of the sludge and at least one ultrasonic generator in the form of an electromechanical transducer comprehensive rod-shaped ultrasonic transducer made of stainless steel or titanium. Several such steel tubes can be interconnected to form a multi-stage reactor, either a zig-zag arrangement with inclined steel tubes or a grid-shaped arrangement is recommended.

Derartige Ultraschallreaktoren können in der Kommunalwirtschaft zur Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung, Biofeststoffbehandlung oder Blähschlammbekämpfung eingesetzt werden. In der Landwirtschaft dienen sie zur Biomasseverwertung, Recycling von Brauchwässern oder Desinfektionen von Recycelwässern. In der Industrie sind sie nützlich bei der industriellen Abwasserreinigung, Prozesswasserbehandlung oder in Zusammenhang mit Oberflächenprozessen. Die Pharmazie und Lebensmitteltechnik nutzt sie zur Verfügbarmachung von Zellinhaltsstoffen oder zur Desorption von organischen Substanzen. Dabei sind die physikalischen und chemischen Prozesse noch nicht restlos geklärt. In jedem Fall kommt es bei der Einstrahlung von Ultraschall mit hoher Leistung zur Kavitationsbildung, wobei mikroskopisch kleine Kavitationsblasen gebildet werden, die anschließend heftig implodieren. Dabei entstehen im Inneren der Dampfblasen Drücke von 500 bar und Temperaturen bis über 5.000 Kelvin. Allein aufgrund des Implosionsstoßes in Folge der Kavitation werden die Zellen von Mikroben mechanisch zerstört und damit für nachfolgende chemische Umwandlungen aufgeschlossen. Dasselbe gilt für Agglomerate von im Schlamm befindlicher Bio-Masse. Aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen im Inneren der Kavitationsblasen kommt es zu chemischen Umwandlungen, die sonst in dem jeweiligen Medium nicht von sich aus ablaufen würden. Derartige Sonochemie spielt sich vorzugsweise bei der Einstrahlung von Ultraschall von relativ hohen Frequenzen ab, während Kavitation vorzugsweise bei niedrigen Ultraschallfrequenzen entsteht. Insgesamt ergeben sich in Folge der Ultraschallbehandlung insbesondere von Abwässern und Klärschlämmen nützliche Effekte, die von der Abtötung von Keimen bis zu höheren Biogasausbeuten in Folge besser aufgeschlossenen Klärschlamms reichen.such Ultrasonic reactors can in the municipal economy for drinking water treatment, wastewater treatment, Biofeststoffbehandlung or Blähschlammbekämpfung used become. In agriculture, they are used for biomass recycling, recycling of industrial water or disinfection of recycled water. They are useful in industry industrial wastewater treatment, process water treatment or in connection with surface processes. The pharmacy and food technology uses them for making available of cell constituents or for the desorption of organic substances. The physical and chemical processes are not yet completely cleared up. In In any case, it comes with the irradiation of ultrasound with high Performance for cavitation, with microscopic cavitation bubbles be formed, which subsequently violently implode. This creates inside the vapor bubbles pressures of 500 bar and temperatures up to about 5,000 Kelvin. Alone due to the implosion impact as a result of cavitation The cells are mechanically destroyed by microbes and thus for subsequent chemical transformations open-minded. The same applies to agglomerates of organic matter in the mud. Due to the high pressures and Temperatures inside the cavitation bubbles are chemical Conversions that would otherwise not be in the particular medium would expire from. Such sonochemistry preferably takes place upon irradiation from ultrasound from relatively high frequencies while cavitation preferably arises at low ultrasonic frequencies. All in all arise as a result of the ultrasound treatment in particular of wastewater and sewage sludge useful Effects from killing from germs to higher ones Biogas yields as a result of better digested sewage sludge pass.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallreaktor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Ultraschallbehandlung eine besonders hohe Effektivität und Ausbeute an aufgeschlossenen Materialien in der behandelten Flüssigkeit aufweist.task The invention is an ultrasonic reactor of the aforementioned Specify type in which the ultrasound treatment a special high effectiveness and yield of digested materials in the treated liquid having.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Reaktorabschnitte unterschiedlich große Kavitationsräume aufweisen, in denen der vom jeweiligen Ultraschallschwinger erzeugte Ultraschall wirksam ist.The Invention solves this task in that the reactor sections different have large cavitation spaces, in which the ultrasound generated by the respective ultrasonic oscillator is effective is.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung durch die Formgebung der Kavitationsräume, in denen durch die Ultraschalleinstrahlung Kavitationsbläschen entstehen, beeinflussbar ist. Möglicherweise hängt dies mit der Energiedichte der eingestrahlten Ultraschallwellen zusammen. Die Erfindung umfasst daher auch Reaktorvorrichtungen, bei denen eine unterschiedliche Energieeinstrahlung durch unterschiedliche Leistungen der Ultraschallschwinger erzielt wird. Möglicherweise werden durch die unterschiedlichen Bedingungen in den verschiedenen Reaktorabschnitten auch verschiedene Bestandteile des Klärschlamms oder der zu behandelnden Flüssigkeit besonders gut umgewandelt, so dass sich insgesamt eine Effektivitätssteigerung ergibt.Surprisingly It has been found that the effectiveness of ultrasound treatment by the shaping of cavitation spaces, in which by the ultrasound irradiation cavitation bubbles arise, can be influenced. possibly depends on this with the energy density of the irradiated ultrasonic waves together. The invention therefore also includes reactor devices in which a different energy radiation through different services the ultrasonic vibrator is achieved. Maybe by the different conditions in the different reactor sections also different components of the sewage sludge or the to be treated liquid converted particularly well, so that overall an increase in effectiveness results.

Als besonders wirksam hat sich dabei die Maßnahme erwiesen, dass die Kavitationsräume mit in Fließrichtung abnehmenden Größen angeordnet sind. Dies ergibt eine zunehmende Konzentration der zur Verfügung stehenden Schallenergie in den aufeinanderfolgenden Kavitationsräumen.When The measure has proved to be particularly effective in that the cavitation rooms with in flow direction decreasing sizes are arranged. This results in an increasing concentration of available Sound energy in the successive cavitation spaces.

Eine besonders effektive Anordnung sieht vor, dass der Volumenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Kavitationsräumen 5 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise etwa 10 Prozent des beschallten Volumens beträgt.A particularly effective arrangement provides that the volume difference between successive cavitation rooms 5 percent to 20 percent, preferably about 10 percent of the sonicated volume.

Eine weitere Verbesserung der Ausbeute des Ultraschallreaktors wird durch die Maßnahme erzielt, dass die Reaktorabschnitte im wesentlichen nicht beschallte Reaktionsräume aufweisen, die in Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit nach den Kavitationsräumen angeordnet sind. Es hat sich nämlich als günstig herausgestellt, wenn die zu behandelnde Flüssigkeit zwischen den Zeitabschnitten der Kavitationsbildung auch Zeitabschnitte ohne Ultraschalleinstrahlung zur Verfügung hat, in denen sich die durch die Ultraschalleinstrahlung angeregten Reaktionen und Umwandlungen abspielen können.A further improvement in the yield of the ultrasonic reactor is achieved by the measure that the reactor sections have substantially non-sonicated reaction chambers, which are arranged in the flow direction of the liquid to be treated after the Kavitationsräumen. It has been found to be favorable, if the liquid to be treated between the periods of cavitation also time periods without Ul Trashalleinstrahlung has available, in which the excited by the ultrasonic irradiation reactions and conversions can play.

Deshalb kann es unter Umständen im Einzelfall auch nützlich sein, wenn die Ultraschallschwinger nicht kontinuierlich, sondern im Pulsbetrieb arbeiten. Zwischen den Ultraschallimpulsen verbleiben somit immer wieder periodische Zeitabschnitte, in denen die gewünschten Reaktionen effektiv ablaufen können.Therefore It may be possible in individual cases also useful be when the ultrasonic vibrators are not continuous, but working in pulsed mode. Remain between the ultrasound pulses thus recurrent periodic periods in which the desired Reactions can be effective.

Als besonders effektiv hat sich eine Ausführungsform herausgestellt, bei der fünf Reaktorabschnitte mit fünf Ultraschallschwingern vorgesehen sind. Bei einer kleineren Anzahl von Ultraschallschwingern hat man einerseits eine geringere Zahl von effektivitätssteigernden Wechseln zwischen bestrahlten und unbestrahlten Abschnitten der zu behandelnden Flüssigkeit und gleichzeitig eine geringere eingestrahlte Gesamtleistung, denn die Leistung eines einzelnen Ultraschallschwingers lässt sich nicht beliebig steigern. Beides führt zu einer Abnahme der Effektivität der Reaktorleistung. Sieht man dagegen mehr als 5 Ultraschallschwinger vor, so wird der Ultraschallreaktor insgesamt größer, schwerer und kostenaufwendiger in der Herstellung.When particularly effective, an embodiment has been found at the five Reactor sections with five Ultrasonic vibrators are provided. For a smaller number On the one hand, ultrasonic transducers have a smaller number of effectiveness enhancing Switching between irradiated and unirradiated sections of the to be treated liquid and at the same time a lower total radiated power, because the performance of a single ultrasonic transducer can not be increase arbitrarily. Both lead to a decrease in effectiveness the reactor power. On the other hand, if you see more than 5 ultrasonic transducers before, so the ultrasonic reactor is larger, heavier and more expensive overall in production.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reaktorabschnitte im wesentlichen horizontal nebeneinander liegend, vorzugsweise in einer Reihe, angeordnet sind und dass die Ultraschallschwinger von oben in die Reaktorabschnitte hineinragen. Diese Anordnung weist geringe Höhenunterschiede und damit geringe Druckunterschiede in der zu behandelnden Flüssigkeit über den gesamten Bereich des Reaktors auf. Aufgrund geringer Flüssigkeitsdrücke wird mit Vorteil eine Behinderung der Kavitationsblasenbildung vermieden. Die von oben in die Reaktorabschnitte hineinragenden Ultraschallschwinger können bei Wartungsarbeiten auf einfache Weise nach oben herausgenommen, gewartet und wieder eingesetzt oder ggf. durch andere Ultraschallschwinger ersetzt werden, ohne dass hierfür der Ultraschallreaktor geleert werden müsste. Daraus ergibt sich eine besondere Wartungsfreundlichkeit.In a preferred embodiment The invention provides that the reactor sections substantially horizontally juxtaposed, preferably arranged in a row are and that the ultrasonic vibrators from the top into the reactor sections protrude. This arrangement has low height differences and thus low pressure differences in the liquid to be treated over the entire area of the reactor. Due to low fluid pressures is advantageously avoids obstruction of cavitation bubble formation. The projecting from above into the reactor sections ultrasonic transducer can removed easily during maintenance work, serviced and reused or possibly by other ultrasonic vibrators be replaced without this the ultrasonic reactor would have to be emptied. This results in a special maintenance friendliness.

Die Effektivität der Ultraschallbehandlung kann dadurch noch gesteigert werden, dass die Ultraschallschwinger mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen betrieben werden. Je nach Anwendungsbereich des Ultraschallreaktors und in Abhängigkeit von den zu behandelnden Medien und den erwünschten Ergebnissen funktioniert das Ultraschallverfahren bei bestimmten Frequenzen oder in bestimmten Frequenzbereichen besser als in anderen. Es kann auch zu einem Synergieeffekt bei aufeinanderfolgenden Ultraschallbehandlungen mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen kommen.The effectiveness The ultrasound treatment can be further increased by that the ultrasonic vibrators with different ultrasonic frequencies operate. Depending on the application of the ultrasonic reactor and depending of the media to be handled and the desired outcomes the ultrasound procedure at certain frequencies or in certain Frequency ranges better than in others. It can also lead to a synergy effect in successive ultrasound treatments with different Ultrasonic frequencies come.

Da die üblicherweise erhältlichen Ultraschallschwinger auf die Abstrahlung einer bestimmten Frequenz optimiert sind und nicht einfach auf einer vollkommen anderen Frequenz betrieben werden können, muss im Falle einer gewünschten Frequenzänderung der jeweilige Ultraschallschwinger gegen einen anderen ausgetauscht werden. Dies wiederum ist in besonders einfacher Weise möglich, wenn die Ultraschallschwinger, wie vorher beschrieben, von oben in die Reaktorabschnitte hineinragen.There the usual available Ultrasonic transducer to the radiation of a certain frequency are optimized and not just on a completely different frequency can be operated must in case of a desired frequency change the respective ultrasonic vibrator exchanged for another become. This in turn is possible in a particularly simple manner, if the ultrasonic vibrators, as previously described, from above into the Project reactor sections.

Eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Reaktorgehäuse aus einer Wanne, einem Trog oder länglichen Kasten mit im wesentlichen horizontal ausgerichteter Längsachse besteht, der durch Zwischenwände in Reaktorabschnitte unterteilt ist, und dass der Boden des Reaktorgehäuses von der Flüssigkeitseinlassseite zur Flüssigkeitsauslassseite hin ansteigend ausgestaltet ist, so dass die beschallten Volumina der einzelnen Kavitationsräume in Fließrichtung abnehmend angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform gehen die einzelnen Reaktorabschnitte sozusagen einstückig ineinander über, ohne dass man sie einzeln ausgestalten und miteinander verbinden müsste. Am zweckmäßigsten besteht das Reaktorgehäuse und die Zwischenwände aus Edelstahl.A particularly simple and inexpensive to produce embodiment The invention provides that the reactor housing from a tub, a Trough or elongated Box with a substantially horizontally oriented longitudinal axis that exists through partitions is divided into reactor sections, and that the bottom of the reactor housing of the Liquid inlet side to the liquid outlet side is rising so that the sonicated volumes the individual cavitation rooms in flow direction are arranged decreasing. In this embodiment, the individual go Reactor sections, so to speak, one piece into each other, without that you have to individually design and connect them together. At the expedient consists of the reactor housing and the intermediate walls Stainless steel.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Zwischenwände im wesentlichen vertikal ausgerichtet und mit Flüssigkeitsdurchlässen versehen, die bei in Fließrichtung aufeinanderfolgenden Zwischenwänden abwechselnd an der Ober- oder Unterseite angeordnet sind, so dass die Flüssigkeit mäanderförmig abwechselnd nach oben oder unten schlängelnd von einem Kavitationsraum in einen Reaktionsraum und weiter in den nächsten Kavitationsraum des nachfolgenden Reaktorabschnittes fließt. Auf Grund der mäanderförmigen Flüssigkeitsführung kommt es zur Wirbelbildung, wodurch die zu behandelnde Flüssigkeit immer wieder heftig durchmischt wird. Außerdem ergibt sich eine kürzere Bauweise des Ultraschallreaktors als in dem Fall, dass die Flüssigkeit lediglich geradeaus fließen würde.In Development of the invention, the intermediate walls are substantially vertical aligned and provided with fluid passages, in the flow direction successive partitions are arranged alternately at the top or bottom, so that the liquid meandering alternately snaking up or down from a cavitation room into a reaction room and further into the next Cavitation space of the subsequent reactor section flows. On Reason the meandering liquid guide comes it for vortex formation, causing the liquid to be treated is always mixed vigorously. In addition, results in a shorter construction of the ultrasonic reactor as in the case that the liquid just flow straight ahead would.

Als besonders effektiv hat es sich erwiesen, wenn sich die Flüssigkeit in den mit Ultraschallschwingungen beaufschlagten Kavitationsräumen von oben nach unten bewegt.When It has proved particularly effective when the liquid in the acted upon by ultrasonic vibrations cavitation spaces of moved down to the top.

Die Maßnahme, dass Flüssigkeitseinlass und Flüssigkeitsauslass jeweils im oberen Bereich des Reaktorgehäuses angeordnet sind, verhindert eine Ansammlung von Gasblasen im oberen Reaktorbereich. Außerdem hat somit der Flüssigkeitseinlass und der Flüssigkeitsauslass ein gleiches Druckniveau. Schließlich harmonisiert diese Anordnung auch besonders gut mit der Abfolge von Kavitationsräumen und Reaktionsräumen unter der Voraussetzung, dass der Flüssigkeitseinlass direkt in den oberen Bereich des ersten Kavitationsraumes mündet und die Flüssigkeit dort von oben nach unten fließen soll, während der Flüssigkeitsauslass im oberen Bereich des letzten Reaktionsraumes angeordnet ist und dort die Flüssigkeit von unten nach oben fließt.The measure that liquid inlet and liquid outlet are respectively arranged in the upper region of the reactor housing, prevents accumulation of gas bubbles in the upper reactor region. In addition, therefore, the liquid inlet and the liquid outlet have a same pressure level. Finally, this arrangement also harmonizes particularly well with the sequence of Kavitationsräumen and reaction chambers under the Vorausset tion that the liquid inlet opens directly into the upper region of the first Kavitationsraumes and the liquid is there to flow from top to bottom, while the liquid outlet is located in the upper part of the last reaction chamber and there the liquid flows from the bottom up.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ultraschallschwinger mittels piezo-keramischer oder magneto-restriktiver Effekte elektrische Energie von bis zu 2 Kilowatt in mechanische Schwingungen mit Frequenzen von 20 Kilohertz bis 10 Megahertz umwandeln. Der piezo-keramische Effekt ist effektiver, aber entsprechende Ultraschallschwinger sind teuerer in der Herstellung und umgekehrt ist ein Ultraschallschwinger auf der Grundlage des magneto-restriktiven Effektes billiger, aber weniger effektiv. Beide Effekte eignen sich aber hervorragend für den gewünschten Zweck. Dabei lassen sich noch Energien bis zu 2 Kilowatt effektiv in mechanische Schwingungen umwandeln, ohne dass es zu Verlusten oder gar zur Zerstörungen am Ultraschallschwinger oder sonstigen Teilen des Ultraschallreaktors kommt. Für die mittels des erfindungsgemäßen Ultraschallreaktors zu erzielenden Effekte haben sich Ultraschallfrequenzen zwischen 20 Kilohertz und 10 Megahertz als geeignet erwiesen.In A preferred embodiment of the invention is provided that the Ultrasonic transducer by piezo-ceramic or magneto-restrictive Effects electrical energy of up to 2 kilowatts in mechanical Transform vibrations with frequencies from 20 kilohertz to 10 megahertz. The piezo-ceramic effect is more effective, but corresponding ultrasonic transducers are more expensive in the manufacture and vice versa is an ultrasonic transducer on the basis of the magneto-restrictive effect cheaper, but less effectively. Both effects are perfect for the desired Purpose. At the same time, energies of up to 2 kilowatts can be effectively used convert into mechanical vibrations without causing losses or even to destruction on the ultrasonic transducer or other parts of the ultrasonic reactor comes. For the means of the ultrasonic reactor according to the invention ultrasonic effects have to be achieved between effects 20 kilohertz and 10 megahertz proved suitable.

Um eine besonders große Effektivität bei den ultraschallinduzierten Umwandlungsprozessen in der zu beschallenden Flüssigkeit zu erzielen, werden spezifische Energieeinträge empfohlen, die größer als 0,1 Kilowattstunde/m³ beschallte Flüssigkeit sind.In order to achieve a particularly high degree of effectiveness in the ultrasound-induced transformation processes in the liquid to be sonicated, specific energy inputs are recommended that are greater than 0.1 kilowatt / m ^{3 of} sonicated liquid.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:One embodiment will be explained in more detail with reference to the drawings. The figures show in individual:

1: einen erfindungsgemäßen Ultraschallreaktor in einer schematischen Darstellung, im Längsschnitt; 1 : an ultrasonic reactor according to the invention in a schematic representation, in longitudinal section;

2: eine Seitenansicht desselben Ultraschallreaktors von der Flüssigkeitszulaufseite her gesehen. 2 : A side view of the same ultrasonic reactor seen from the liquid inlet side.

In 1 erkennt man einen Ultraschallreaktor mit einem kastenförmigen Reaktorgehäuse 1 aus Edelstahl, welches an der linken Oberseite mit einem Flüssigkeitseinlass 2 und an der rechten Oberseite mit einem Flüssigkeitsauslass 3 versehen ist. Der Reaktor besitzt fünf Reaktorabschnitte, die jeweils aus einem Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8 und einem Reaktionsraum 9, 10, 11, 12, 13 bestehen. Die Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 sind jeweils mit einem Ultraschallschwinger 14 versehen, der von oben in den jeweiligen Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8 hineinragt. Die Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 sind von den jeweils nachfolgenden Reaktionsräumen 9, 10, 11, 12, 13 jeweils durch eine Zwischenwand 15 getrennt, die von der Oberseite 16 des Reaktorgehäuses 1 ausgehend nach unten ragt. Unterhalb der Zwischenwände 15 sind Flüssigkeitsdurchlässe 17 vorgesehen, durch die die zu behandelnde Flüssigkeit in Pfeilrichtung 18 hindurchtritt. Zwischen den einzelnen Reaktorabschnitten, d.h. zwischen einem vorgehenden Reaktionsraum 9, 10, 11, 12, 13 und dem nächsten Kavitationsraum 4, 5, 6, 7, 8, sind ebenfalls jeweils Zwischenwände 19 vorgesehen, die vom Boden 20 des Reaktorgehäuses 1 ausgehend vertikal nach oben ragen, wobei zwischen den oberen Enden der Zwischenwände 19 und der Oberseite 16 des Reaktorgehäuses 1 jeweils Flüssigkeitsdurchlässe 21 freigelassen sind.In 1 one recognizes an ultrasonic reactor with a box-shaped reactor housing 1 made of stainless steel, which on the left top with a liquid inlet 2 and on the right top with a fluid outlet 3 is provided. The reactor has five reactor sections, each consisting of a Kavitationsraum 4 . 5 . 6 . 7 . 8th and a reaction space 9 . 10 . 11 . 12 . 13 consist. The cavitation rooms 4 . 5 . 6 . 7 . 8th are each with an ultrasonic transducer 14 provided, from above into the respective Kavitationsraum 4 . 5 . 6 . 7 . 8th protrudes. The cavitation rooms 4 . 5 . 6 . 7 . 8th are from the respective subsequent reaction spaces 9 . 10 . 11 . 12 . 13 each by an intermediate wall 15 separated from the top 16 of the reactor housing 1 outgoing downwards. Below the partition walls 15 are liquid passages 17 provided by the liquid to be treated in the arrow direction 18 passes. Between the individual reactor sections, ie between a preceding reaction space 9 . 10 . 11 . 12 . 13 and the next cavitation room 4 . 5 . 6 . 7 . 8th , are also each intermediate walls 19 provided from the ground 20 of the reactor housing 1 starting vertically upwards, being between the upper ends of the partitions 19 and the top 16 of the reactor housing 1 each liquid passages 21 are released.

Das Reaktorgehäuse 1 steht auf Füßen 22, 23. Der Boden 20 des Reaktorgehäuses 1 ist in der Darstellung von 1 von links nach rechts ansteigend ausgestaltet. Dadurch werden die mit Ultraschall beschallten Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 von links nach rechts ständig kleiner.The reactor housing 1 stands on feet 22 . 23 , The floor 20 of the reactor housing 1 is in the representation of 1 rising from left to right. As a result, the ultrasonically cavitated cavities 4 . 5 . 6 . 7 . 8th from left to right, constantly smaller.

Die zu behandelnde Flüssigkeit tritt in Pfeilrichtung 24 durch den Flüssigkeitseinlass 2 ein und umfließt danach den Ultraschall abstrahlenden Endbereich 26 des Ultraschallschwingers 14. Die Fließrichtung ist hierbei von oben nach unten. Am Übergang zwischen dem Kavitationsraum 4 und dem Reaktionsraum 9 wird die Flüssigkeit in Pfeilrichtung 18 umgelenkt, so dass sie nach Durchtritt durch den Flüssigkeitsdurchlass 17 von unten nach oben durch den Reaktionsraum 9 fließt. Am oberen Flüssigkeitsdurchlass 21 gelangt die Flüssigkeit vom Reaktionsraum 9 in den nächsten Kavitationsraum 5, der etwas kleiner als der erste Kavitationsraum 4 ausgestaltet ist. Auch hier wird wieder der Endbereich 26 des Ultraschallschwingers 14 von oben nach unten umflossen, bis sich die Fließrichtung beim Durchtritt zum nächsten Reaktionsraum 10 erneut ändert. Auf diese Weise gelangt die Flüssigkeit in einer ständig auf und ab gerichteten Wellenbewegung von einem Reaktorabschnitt in den nächsten, wobei die aufeinanderfolgenden Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 immer kleiner werden, dabei erhöht sich die Schallenergiedichte. Nach Durchfließen des letzten Reaktionsraums 13 tritt die vollständig behandelte Flüssigkeit in Pfeilrichtung 25 nach rechts durch den Flüssigkeitsauslass 3 aus dem Reaktorgehäuse 1 aus. Insgesamt ergibt sich eine Fließrichtung der Flüssigkeit vom Flüssigkeitseinlass 2 zum Flüssigkeitsauslass 3, also von links nach rechts.The liquid to be treated occurs in the direction of the arrow 24 through the liquid inlet 2 and then flows around the ultrasonic radiating end region 26 of the ultrasonic vibrator 14 , The flow direction is here from top to bottom. At the transition between the cavitation room 4 and the reaction space 9 the liquid is in the direction of the arrow 18 deflected, allowing it to pass through the fluid passage 17 from bottom to top through the reaction space 9 flows. At the upper fluid passage 21 the liquid passes from the reaction space 9 in the next cavitation room 5 , which is a little smaller than the first cavitation room 4 is designed. Again, the end area 26 of the ultrasonic vibrator 14 flowed from top to bottom until the flow direction when passing to the next reaction space 10 changes again. In this way, the liquid passes in a constantly up and down directed wave motion from one reactor section in the next, wherein the successive Kavitationsräume 4 . 5 . 6 . 7 . 8th get smaller and smaller, thereby increasing the sound energy density. After flowing through the last reaction space 13 the completely treated liquid enters in the direction of the arrow 25 to the right through the liquid outlet 3 from the reactor housing 1 out. Overall, a flow direction of the liquid results from the liquid inlet 2 to the liquid outlet 3 from left to right.

Der dargestellte Ultraschallreaktor dient insbesondere zur Desintegration von biologischen Zellen in wässrigen Suspensionen wie Wasser, Abwasser, Klärschlamm oder Gülle, mit Hilfe der durch Ultraschall hervorgerufenen Kavitation in Verbindung mit sonochemischen Reaktionen. Dadurch werden gelöste organische hochmolekulare Substanzen in Wässern und Abwässern, insbesondere industriellen Charakters, welche in der Regel biologisch nicht oder nur schwer abbaubar sind, in ihrer chemischen Struktur so verändert bzw. zerlegt, dass sie danach biologisch abbaubar sind.The ultrasound reactor shown serves in particular for the disintegration of biological cells in aqueous suspensions such as water, wastewater, sewage sludge or liquid manure, with the help of ultrasound-induced cavitation in conjunction with sonochemical reactions. As a result, dissolved organic high molecular weight substances in water and wastewater, especially industrial Characters, which are usually not biologically or difficult to biodegrade, so changed in their chemical structure or decomposed that they are biodegradable thereafter.

Die zur Anwendung kommenden Ultraschallwellen sind im Frequenzbereich von 20 Kilohertz bis 10 Megahertz wirksam. Die hochenergetischen Ultraschallwellen werden mit Hilfe von Schwinggebilden erzeugt, welche über piezo-keramische oder magneto-striktive Effekte elektrische Energie von bis zu 2 Kilowatt Leistung in Ultraschall umwandeln. Dabei kommt es zu spezifischen Energieeinträgen von mehr als 0,1 Kilowattstunde/m³ beschalltes Medium.The ultrasonic waves used are effective in the frequency range from 20 kilohertz to 10 megahertz. The high-energy ultrasonic waves are generated with the help of oscillating structures, which convert piezoelectric or magneto-strictive effects electrical energy of up to 2 kilowatts of power into ultrasound. It comes to specific energy inputs of more than 0.1 kilowatt hour / m ³ sonicated medium.

Die Anordnung von fünf Ultraschallschwingern 14 in einem Reaktorgehäuse 1 ermöglicht eine auf das jeweilige Medium angepasste und auf das Ziel der Behandlung hin optimierte Gestaltung der Kavitationsräume 4, 5, 6, 7, 8 in Verbindung mit der Ausbildung angepasster Reaktionsräume 9, 10, 11, 12, 13, in denen der Ablauf der sonochemischen Reaktionen möglich wird. Dabei können die einzelnen Ultraschallschwinger 14 bei Bedarf auch mit unterschiedlicher Frequenz arbeiten.The arrangement of five ultrasonic transducers 14 in a reactor housing 1 allows a design of the cavitation rooms adapted to the respective medium and optimized for the goal of the treatment 4 . 5 . 6 . 7 . 8th in connection with the formation of adapted reaction spaces 9 . 10 . 11 . 12 . 13 in which the course of the sonochemical reactions is possible. The individual ultrasonic vibrators can 14 If necessary, work with different frequencies.

11: Reaktorgehäusereactor housing
22: Flüssigkeitseinlassliquid inlet
33: Flüssigkeitsauslassliquid outlet
44: Kavitationsraumcavitation
55: Kavitationsraumcavitation
66: Kavitationsraumcavitation
77: Kavitationsraumcavitation
88th: Kavitationsraumcavitation
99: Reaktionsraumreaction chamber
1010: Reaktionsraumreaction chamber
1111: Reaktionsraumreaction chamber
1212: Reaktionsraumreaction chamber
1313: Reaktionsraumreaction chamber
1414: Ultraschallschwingerultrasonic vibrator
1515: Zwischenwandpartition
1616: Oberseite Reaktorgehäusetop reactor housing
1717: FlüssigkeitsdurchlassLiquid passage
1818: Pfeilrichtungarrow
1919: Zwischenwandpartition
2020: Bodenground
2121: FlüssigkeitsdurchlassLiquid passage
2222: Fußfoot
2323: Fußfoot
2424: Pfeilrichtungarrow
2525: Pfeilrichtungarrow
2626: Endbereichend

Claims

Ultrasonic reactor for ultrasonic treatment of liquids, in particular aqueous suspensions, such as waste water, process water, liquid manure or sewage sludge, with a reactor housing ( 1 ), the at least one liquid inlet ( 2 ) and at least one liquid outlet ( 3 ) and in reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ), each with at least one ultrasonic transducer ( 14 ), which pass through the liquid inlet ( 2 ) entering the reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ) flows through one after the other and after the last reactor section ( 8th . 13 ) to the liquid outlet ( 3 ), characterized in that the reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ) different sized cavitation spaces ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ), in which that of the respective ultrasonic oscillator ( 14 ) generated ultrasound is effective.

Ultrasonic reactor according to claim 1, characterized in that the cavitation spaces ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) are arranged with decreasing in the flow direction sizes.

Ultrasonic reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the volume difference between successive cavitation spaces ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) Is 5 percent to 20 percent, preferably about 10 percent of the sonicated volume.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ) Substantially non-sonicated reaction spaces ( 9 . 10 . 11 . 12 . 13 ) in the direction of flow of the liquid to be treated after the Kavitationsräumen ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) are arranged.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that five reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ) with five ultrasonic transducers ( 14 ) are provided.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ) are arranged substantially horizontally next to one another, preferably in a row, and in that the ultrasonic oscillators ( 14 ) from the top into the reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 protrude).

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic oscillators ( 14 ) are operated with different ultrasonic frequencies.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the reactor housing 1 consists of a tub, a trough or elongated box with a substantially horizontally oriented longitudinal axis passing through partitions ( 15 . 19 ) in reactor sections ( 4 . 9 ; 5 . 10 ; 6 . 11 ; 7 . 12 ; 8th . 13 ), and that the ground ( 20 ) of the reactor housing ( 1 ) is configured rising from the liquid inlet side to the liquid outlet side, so that the sonicated volumes of the individual cavitation spaces ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) are arranged decreasing in the flow direction.

Ultrasonic reactor according to claim 8, characterized in that the substantially vertically oriented partitions ( 15 . 19 ) with liquid passages ( 17 . 21 ), which in successive in the flow direction intermediate walls ( 15 . 19 ) are arranged alternately at the top or the bottom, so that the liquid meandering alternately upwards or downwards from a cavitation space ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) in a reaction space ( 9 . 10 . 11 . 12 . 13 ) and continues to flow into the next cavitation space of the subsequent reactor section.

Ultrasonic reactor according to claim 9, characterized in that the liquid in the ultrasonically acted cavitation cavities ( 4 . 5 . 6 . 7 . 8th ) moves from top to bottom.

Ultrasonic reactor according to one of claims 6 to 10, characterized in that the liquid inlet ( 2 ) and liquid outlet ( 3 ) in each case in the upper region of the reactor housing ( 1 ) are arranged.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic oscillators ( 14 ) convert electrical energy of up to 2 kilowatts into mechanical vibrations with frequencies from 20 kilohertz to 10 megahertz by piezo-ceramic or magneto-restrictive effects.

Ultrasonic reactor according to one of the preceding claims, characterized in that the specific energy inputs into the sonicated liquid are greater than 0.1 kilowatt hours / m ³ .