DE2120362A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit

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Description

Die Erfindung betrifft·ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit in Form von kleinen Blasen .
Stoffaustauschprozesse zwischen Gasen und Flüssigkeiten werden allgemein in der Weise ausgeführt, daß in der Flüssigkeit Gasblasen gebildet werden. Der Massenaustausch erfolgt an den in dem Zweiphasensystem erzeugten Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen. Je größer die Grenzfläche insgesamt ist, desto rascher und wirkungsvoller läuft der Prozeß ab.
Der Wirkungsgrad solcher Belüftungsprozesse wird stark verbessert, wenn es gelingt, das Gas in die Flüssigkeit in Form von
sehr kleinen Blasen, das heißt Blasen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, einzuführen. Vergleicht man
beispielsweise Blasen mit einem mittleren Durchmesser von 2,5
und 6,1 mm, dann beträgt die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche, die
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FERNSPRECHER 0811/40 tO 18 · KABELtELECTRICPATENTMUNCHEN
2 mit Hilfe eines Kubikmeters Gas erhalten wird, ungefähr 2360 m
bzw. 984 m . Die Ausbildung von kleinen Blasen mit großer Fläche erhöht die Geschwindigkeit des Stoffaustausches zwischen dem Gas und der Flüssigkeit. Bei Schwerkraftsystemen wird dadurch zusätzlich die auf die Auftriebskraft zurückzuführende Blasensteiggeschwindigkeit verlangsamt, so daß die für den Stoffaustausch zur Verfügung stehende Zeitspanne langer wird. In der Mischflüssigkeit ausgebildete, sehr kleine Blasen haben eine geringere Neigung sich zu vereinigen als größere Blasen. Infolgedessen sind die Vorteile, die mit Hilfe von kleinen Blasen im Hinblick auf die Größe der Grenzfläche erhalten werden, in der Praxis noch ausgeprägter, als dies durch die anfängliche Blasengröße zum Ausdruck kommt.
Wenn ein kleines Gasvolumen in ein großes Flüssigkextsvolumen eingebracht werden soll, wird häufig ein Einblas- oder Versprühsystem benutzt.Dadurch, daß die Einblaseinrichtung mit sehr kleinen Öffnungen versehen oder aus einem porösen Metall gefertigt wird, lassen sich sehr kleine Blasen mit großer Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche erzeugen. Derartige Einblaseinrichtungen werden im allgemeinen am Boden eines Tanks angeordnet, so daß die Blasen durch die Flüssigkeit hindurch langsam nach oben steigen. Bei großen Tanks kann die Einblaseinrichtung in Form eines langen perforierten Rohres in waagrechter Ebene langsam gedreht werden, wodurch innerhalb der gesamten Flüssigkeitsmasse eine sich bewegende Blasenwolke freigesetzt wird.
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ORIGINAL INSPECTED
Bei verschiedenen Belüftungsprozessen sind Flüssigkeiten mit suspendierten Feststoffen vorhanden (im folgenden als Mischflüssigkeit bezeichnet). Es ist sehr schwierig, in derartigen Flüssigkeiten.kleine Blasen zu erzeugen, und zwar insbesondere dann, wenn die Feststoffteilchen weich oder anhaftend sind. Derartige Feststoffe verstopfen die Poren oder Öffnungen der Einblaseinrichtung innerhalb kurzer Zeit. Der Prozeß ist infolgedessen schwierig zu steuern; seine Aufrechterhaltung ist kostspielig. Mit Öffnungen (Düsen) kann in derartigen Mischflüssigkeiten einwandfrei gearbeitet werden, wenn die Öffnungen einen verhältnismäßig großen Durchmesser, beispielsweise einen Durchmesser von 3,2 mm oder mehr, haben. Es ist jedoch bekannt, daß Blasen, die mit Hilfe von in eine Flüssigkeit eintauchenden Öffnungen erzeugt werden, zu einer Größe anwachsen, die erheblich über dem Öffnungsdurchmesser liegt, bevor sich die Blasen lösen. Die im Mittel kleinsten Blasen, die bei bekannten Einblassystemen mit einer den praktischen Bedürfnissen entsprechenden 3,2 mm-Öffnung erzeugt werden können, haben einen Durchmesser von mindestens 6,4 mm. Sie liefern eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche
2 3 von weniger als 984 m je m Gas.
Beispiele von Stoffaustauschprozessen, bei denen suspendierte Feststoffe eine Rolle spielen, sind unter anderem Gär- oder Fermentationsprozesse und der im Rahmen der Abfallbeseitigung verwendete Belebtschlammprozeß. Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonderem Maße für einen Belebtschlammprozeß, bei dem gasförmiger Sauerstoff in Abwässern gelöst wird, die organische
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Feststoffe enthalten. Die Vorzüge, die kleine Blasen und eine rasche, wirksame Lösung des Sauerstoffes bieten, fallen besonders ins Gewicht, wenn das den Sauerstoff liefernde Gas einen hohen Sauerstoffgehalt hat oder wenn es sich bei diesem Gas um reinen Sauerstoff handelt. Bei der herkömmlichen Belüftung von Ablauge oder Abwasser mit Luft stellt nur die Kompression des Gases einen Kostenfaktor dar. Ein mit Sauerstoff angereichertes Einsatzgas hat jedoch einen höheren Wert; es muß, wenn es bei dem Belebtschlammprozeß anstelle von Luft verwendet wird» besonders weitgehend ausgenutzt werden.
Der Belebtschlammprozeß (auch als Reinigung mit aktiviertem Schlamm bezeichnet) wird durch eine leichtere, raschere Lösung von aus dem Einsatzgas stammendem Sauerstoff hinsichtlich eines oder mehrerer der folgenden Gesichtspunkte günstig beeinflußt:
1. Vollständigere Ausnutzung des in dem Einsatzgas zur Verfügung stehenden Sauerstoffs;
2. verringerte Energiekosten für die Komprimierung des Einsatzgases ;
3. verringerte Energiekosten für die Bewegung der Mischflüssigkeit;
4. höherer Gehalt der Mischflüssigkeit an gelöstem Sauerstoff;
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5. verringerte Verweilzeit der Mischfliissigkeit in den * Belüftungsbecken,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit, beispielsweise eine Mischflüssigkeit, zu schaffen. Das Gas soll in die Flüssigkeit über Öffnungen eingeführt werden, •die hinreichend groß sind, um ein Verstopfen der Öffnungen zu vermeiden. Dabei sollen in der Flüssigkeitsmasse jedoch Gasblasen gebildet werden, die nicht größer als die Öffnungen sind und die hinsichtlich ihrer Größe einheitlich sind. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sollen sich zum Einblasen von Sauerstoffgas in Ablauge, Abwasser und Schlamm eignen.
Erfindungsgemäß werden verhältnismäßig große, nicht verstopfende Gaseinführöffnungen benutzt. Dabei werden jedoch Blasen mit einem Durchmesser von nur ungefähr 1 bis 4,8 mm und mit einer mittleren Größe erzeugt, die den Durchmesser der Gaseinführöffnungen nicht überschreitet.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in die Flüssigkeit eine Mehrzahl von diskreten Gasströmen mit einem effektiven Durchmesser von O,79 bis 6,4 mm bei einer linearen Geschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s und einer volumetrischen Durchfluß- -
3 2
menge von mindestens 0,0183 m /s je m horizontale Fläche in einer Einblaszone in Form von Gasblasen in einer Richtung ein-
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geführt, die mindestens eine lotrechte Komponente besitzt. Man läSt die Gasströme gleichzeitig mit einer Tangentialgeschwindig-
2 2 keit von 1,37 bis 1O,1 m/s bei einem Faktor N D von mindestens
2 2
1,39 m /s um eine gemeinsame lotrechte Achse derart kreisen,
daß eine Mehrzahl von Kreisen beschrieben wird, von denen jeder senkrecht zu der lotrechten Achse verläuft, die unterschiedliche Radien besitzen und die bei Projektion auf die waagrechte Ebene sämtlich innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen, die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird. Es " versteht sich, daß alle diese Kreise in der waagrechten Ebene liegen können, so daß eine solche Projektion nicht erforderlich wi rd.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung spielt das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche eine Rolle. Vorzugsweise liegt das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche zwischen O.OO6 und O,O6.
Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung wird die Flüssigkeit mit einer Lineargeschwindigkeit von mindestens Or6 m/s nach unten durch die Einblaszone zwecks Einführen von Gas hindurchgetrieben und wird die nach unten strömende, Gasblasen enthaltende Flüssigkeit am unteren Ende der Einblaszone abgezogen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist eine lotrecht ausge-
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richtete drehbare Welle mit einem Durchlaß auf, dessen oberes Ende mit einer Druckgasquelle verbunden ist. An der drehbaren Welle ist ein Axialflügelrad fest angebracht, das zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Welle nach außen reichende Flügel besitzt, die derart gerichtet sind, daß sie die Flüssigkeit nach unten strömen lassen.
Am unteren Ende der drehbaren Welle sind ferner mehrere Gaseinblasarme fest angebracht. Die Arme reichen von der Welle radial · nach außen, sind um die Welle herum verteilt angeordnet und weisen einen mit dem Durchlaß der drehbaren Welle in Verbindung stehenden inneren Durchlaß sowie mehrere Öffnungen auf, die einen effektiven Durchmesser von O,79 bis 6,4 mm haben, die in Längsrichtung des Armes gegenseitig in Abstand voneinander liegen und deren Mittelachse eine lotrechte Richtungskomponente besitzt. Der von den Armspitzen beschriebene Durchmesser hat den 0,8-bis 1,1-fachen Wert des von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmessers. Bei einer bevorzugten, keine Ummantelung aufweisenden Ausführungsform der Erfindung liegt die waagrechte Mittelebene der Einblasarme nicht mehr als eine dem von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmesser gleiche Strecke unterhalb der waagrechten Mittelebene des Flügelrades. Die Gaseinblasarme und die Einblasöffnungen sind so angeordnet, daß sie eine Mehrzahl von Kreisen beschreiben, von denen jeder senkrecht zu der drehbaren Welle verläuft, die jeweils unterschiedliche Radien besitzen und die bei Projektion auf die waagrechte Ebene innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen,
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die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird. Die dem Einführen des Gases dienenden Öffnungen können sich sämtlich in der gleichen waagrechten Ebene drehen, so daß eine Projektion nicht erforderlich wird.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung sind die Gaseinführöffnungen in solcher Größe und Zahl vorgesehen, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und der überstrichenen Fläche zwischen O,006 und O,O6 liegt. Es sind mehrere feststehende, lotrechte, radiale Leitflächen vorhanden, die in Abständen um das untere Ende der rotierenden Welle herum verteilt sind, um eine Tangentialbewegung der Flüssigkeit in diesem Bereich zu verhindern. Eine solche Bewegung würde, wenn sie zu stark wird, den Mischeffekt und den Wirkungsgrad des StoffAustausches verringern.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt;
Figur 1 in schematicher Schnittdarstellung einen Aufriß einer über Grund angeordneten Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit entsprechend einer Ausführungsforirs der Erfindung,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 1, wobei
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ein Teil der Abdeckung weggeschnitten ist,
Figur 3
eine Draufsicht auf eine Einblasarmgruppe, die sich für die Vorrichtung nach den Figuren 1 und 2 eignet,
Figur 4
einen Aufriß entlang der Linie 4-4 der Figur 3,
Figur 5
in schematischer Schnittdarstellung einen Aufriß einer schwimmend angeordneten Vorrichtung zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6
in größerem Maßstab einen Querschnitt eines Einblasarmes, der die verschiedenen erfindungsgemäßen Strömungs- und Richtungsbeziehungen erkennen läßt,
Figur 7
eine grafische Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen der Blasengrößenverteilung
2 2
und dem Faktor N D , der kennzeichnend für die
von der Einblaseinrichtung innerhalb der Einblaszone aufgebrachte Energie ist,
Figur 8
eine grafische Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen dem Verhältnis Gas-Flüssig-
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- 1O -
2 2 keits-Grenzfläche/Volumen und dem Faktor N D ,
sowie
Figur 9 eine grafische Darstellung der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen der volumetrischen Durchflußmenge des je Flächeneinheit der waagrechten Fläche der Einblaszone eingeleiteten Gases und dem
2 2 .
Faktor ND1 wobei diese Beziehung für verschiedene Werte der Geschwindigkeit der nach unten durch die Einblaszone hindurchströmenden Flüssigkeit dargestellt ist.
Unter Druck stehendes Gas wird über eine Leitung 1 in eine lotrecht ausgerichtete drehbare Welle 2 eingeleitet, die einen Durchlaß 3 aufweist, dessen oberes Ende mit der Leitung 1 verbunden ist. Ein Axialflügelrad, beispielsweise in Form eines Propellers 4, ist zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Welle 2 mit der Welle fest verbunden, wobei die Flügel von der Welle nach außen reichen. Mehrere Gaseinblasarme 5 sind am unteren Ende der drehbaren Welle 2 fest angebracht. Die Arme reichen von der Welle radial nach außen und besitzen jeweils einen inneren Durchlaß 6, der mit dem Durchlaß 3 der drehbaren Welle in Verbindung steht. Die Welle 2 wird von einer zweckentsprechenden Kraftquelle aus, beispielsweise einem Motor 7, angetrieben.
Mehrer· Öffnungen 8, beispielsweise Düsenöffnungen, die einen effektiven Durchmesser von 0,79 bis 6,4 mm besitzen, sind in
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Längsrichtung des Armes in Abstand voneinander angeordnet, wobei der Mittenabstand der Öffnungen vorzugsweise mindestens zwei effektive Durchmesser groß ist. Ein solcher Abstand ist zweckmäßigerweise vorgesehen, um für ausgeprägte, gesonderte Gasströme mit kleinen Blasen zu sorgen, die sich nicht in unmittelbarer Nähe des Armes unter Bildung unerwünscht großer Blasen vereinigen. Der Ausdruck "effektiver Durchmesser" soll sich sowohl auf nicht kreisförmige als auch auf kreisförmige Öffnungen beziehen; er bezeichnet den Durchmesser des größten Kreises, der in die . Öffnungen eingeschrieben werden kann. Bei nicht kreisförmigen Öffnungen gibt der bevorzugte Mittenabstand die Strecke zwischen den einander am nächsten liegenden größten Kreisen an, die in benachbarte Öffnungen eingeschrieben werden können. Die Mittelachse x-x dieser Öffnungen β hat eine lotrechte Richtungskomponente, so daß eine Mehrzahl von Kreisen (beispielsweise C1 und C11 in Figur 3) beschrieben wird, von denen jeder in einer zu der drehbaren Welle 2 senkrechten Ebene liegt. Eine lotrechte Richtungskomponente der Achsen ist notwendig, um für eine waagrechte Scherwirkung der Flüssigkeit auf die Gasblasen zu sorgen, die von den Öffnungen 8 aus in die Flüssigkeit gelangen» wie dies im folgenden in Verbindung mit Figur 6 näher erörtert ist. Wenn alle diese Kreise C1 und C11 auf die waagrechte Ebene p-p gemäß Figur 4 projiziert werden, fallen sie in eine überstrichene Fläche, die von den Kreisen mit dem kleinsten Radius r . und
IDl
dem größten Radius r begrenzt wird. Bei der Ausführungsform der Einblaseinrichtung gemäß den Figuren 3 und 4 liegen diese Kreise sämtlich in der waagrechten Ebene p-p, so daß eine Projektion
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nicht notwendig ist. Die Arme 5 können jedoch auch gegen die Waagrechte geneigt angeordnet sein, wobei ihre Spitzen entweder nach oben in Richtung auf das Axialflügelrad 4 oder nach unten von dem Axialflügelrad weg gerichtet sind, um beispielsweise eine konusförmige Anordnung zu erhalten, wie dies in Figur 4 gestrichelt angedeutet ist. Zur Bildung der überstrichenen Fläche müßten in diesem Falle die Radien r . und r auf die waagrechte
mi ma
Ebene p-p projiziert werden. Alle Arme 5 liegen vorzugsweise in . der gleichen waagrechten Drehebene p-p, um die Differenz des innerhalb der Einblaszone auf die Öffnungen 8 einwirkenden hydrostatischen Druckes kleinstmöglich zu halten.
Die Öffnungen 8 sind in solcher Größe und Anzahl vorhanden, daß das Verhältnis zwischen ihrer Gesamtquerschnittsfläche und der Überstrichenen Fläche zwischen O,OO6 und O,06 liegt, wobei vorzugsweise 0,019 bis 3,1 Offnungen je cm überstrichene Fläche vorhanden sind. Um die mit der Erfindung angestrebten Effekte zu erreichen, müssen also die Öffnungen innerhalb gewisser Bereiche ) für die Gesamtfläche und die Größe liegen. Ist die Gesamtquerschnittsfläche kleiner als der O,OO6-te Teil der überstrichenen Fläche, ergeben sich Beschränkungen hinsichtlich eines wirkungsvollen Stoffaustausches zwischen Gas und Flüssigkeit, weil bezogen auf die zum Drehen der Einblaseinrichtung erforderliche Leistung nur eine unzureichende Gasmenge zur Verfügung steht. Übersteigt dagegen das Verhältnis den Wert von O,06, ist die relative Gasmenge so groß, daß der Flüssigkeitsstrom nicht mehr in der Lage ist, die Blasen aus der Einblaszone rasch genug herauszu-
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schwemmen, um eine übermäßig große Anzahl von Blasen sowie eine Vereinigung von Blasen zu übermäßig großen Blasen, d. h. Blasen mit einem effektiven Durchmesser von mehr als 6,4 mm, zu verhindern. Wenn außerdem bei vorgegebenem Gesamtgasstrom durch die Einblaseinrichtung hindurch die Öffnungsfläche zu groß wird, reicht der Druckabfall an den Düsenöffnungen nicht mehr aus, um zu vermeiden, daß durch einige Öffnungen Flüssigkeit in die Einblasarme eintritt und infolgedessen die Einblaseinrichtung teilweise inaktiv wird. Ein Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und der überstrichenen Fläche von mehr als O,O6 kann es weiterhin erforderlich machen, die Öffnungen so nahe aneinanderzurücken, daß sich die aus benachbarten Öffnungen 8 desselben Einblasarmes 5 austretenden Blasen* vereinigen und übermäßig groß werden.
2 Werden weniger als 0,019 Offnungen je cm der überstrichenen Fläche vorgesehen, wird der Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit ebenfalls beschränkt, und zwar entweder weil bezogen auf die zur Drehung der Einblaseinrichtung erforderliche Leistung eine unzureichende Gasmenge (bei brauchbaren Gasdurchflußmengen) zur Verfügung steht oder aber wegen de« oberen Grenzwerte* von 6,4 mm für den Durchmesser der Öffnungent Sind mehr als 3,1 Öff- nungen pro cm überstrichene Fläche vorhanden,, liegen die Öffnungen derart nahe beieinander, daß sich die Blasen mindestens in gewissem Umfange miteinander vereinigen.
Bei einer im Hinblick auf die Stoffaustauschgeschwindigkeit zwi-
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sehen Gas und Flüssigkeit sowie auf kleine Blasen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung haben die Öffnungen 8 einen Durchmesser von 3,2 mm, liegt das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und der überstrichenen
Fläche zwischen OfOO8 und O,O4 und sind 0,16 bis O,62 Öffnun-
2 gen pro cm der überstnchenenFläche vorhanden.
Die Größe und Lage der Einblaseinrichtung gegenüber dem Flügelrad ist im Rahmen der Erzielung hoher Stoffaustauschwerte von Bedeutung. Die Einblaseinrichtung sollte im wesentlichen innerhalb des vom Flügelrad aus nach unten gerichteten Flüssigkeitsstromes und relativ nahe dem Flügelrad liegen, wo die Flüssigkeitsgeschwindigkeit hoch ist. Im wesentlichen der volle Querschnitt des Flüssigkeitsstromes sollte für das Zumischen des Gases ausgenutzt werden, um ejlne übermäßige Blasenanhäufung zu vermeiden, um die Verteilung der Blasen innerhalb der Flüssigkeitsmasse zu unterstützen und um für einen wirkungsvollen Stoffaustausch maximale Konzentrationsgradienten zu erzielen.
Damit die Einblaszone die volle Querschnittsfläche des Flüssigkeisstromes einjsiwnt, sollten die DurcftMMfSMr, die v*n den Einblasarmspitzen und den Flügelspitzen des Flügelrades beschrieben werden, näh·rung*«·ia« gleich fin. Pa 4#e Flüssifkeisstrom nach Verlassen des Flügelrades divergieren kann, kann der Durchmesser der Einblaseinrichtung etwas gröBer als der Flügelraddurchmesser sein. In jedem Falle sollte jedoch das Verhältnis zwischen den Durchmessern, die die Einblasarmspitzen und die
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Flügelspitzen beschreiben, einen Wert von ungefähr 1,1 nicht überschreiten. Der Durchmesser der Einblaseinrichtung kann auch etwas kleiner als der Flügelraddurchmesser sein, ohne daß es zu ernsthaften nachteiligen Auswirkungen auf Grund übermäßiger Blasenanhäufung, schlechter Blasenverteilung und verminderten Stoffaustausches kommt. Das Verhältnis zwischen den von .den Einblasarmspitzen und den Flügeispitzen beschriebenen Durchmessern sollte jedoch nicht kleiner als O,8 sein und vorzugsweise nicht unter O,9 liegen.
Die Divergenz der Flüssigkeitsströme unterhalb des Flügelrades ist von einer zunehmenden Verringerung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in größeren Abständen vom Flügelrad begleitet. Diese Divergenz ist besonders ausgeprägt, wenn die aus Flügelrad und Einblaseinrichtung bestehende Anordnung nahe dem Boden eines FlUssigkeitsbeckens sitzt, um dort für eine wirksame Mischung und Suspension von in der Flüssigkeit enthaltenen Feststoffen zu sorgen. Verringerte Flüssigkeitsgeschwindigkeiten sind schädlich, weil die Flüssigkeit die Blasen weniger wirksam aus der Einblaszone abschwemmt und weil die aus Propeller und Einblaseinrichtung bestehende Anordnung leicht überflutet wird Wenn daher keine Ummantelung um die von Flügelrad und Einblaseinrichtung gebildete Anordnung herum vorhanden ist, liegt vorzugsweise die waagrechte Mittelebene der Einblasarme in einem Abstand unterhalb der waagrechten Mittelebene des Flügelrades, der höchstens gleich dem von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmesser und vorteilhafterweise höchstens gleich dem
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ORIGINAL INSPECTED
9 ι 9 η q ς ο
halben von den Flügelspitzen beschriebenen Durchmesser ist. Die waagrechte Mittelebene der Einblasarme befindet sich in Höhe der waagrechten Mittellinie des Gasanschlusses zwischen der drehbaren Welle und dem untersten Einblasarm; dabei liegt diese waagrechte Mittellinie in der waagrechten Mittelebene. Beispielsweise ist in Figur 4 die waagrechte Mittelebene der Einblasarme durch die Linie p-p angedeutet. Unter der waagrechten Mittelebene der Flügel des Flügelrades wird vorliegend eine Ebene verstan-Il den, die in der Mitte zwischen den Ebenen liegt, die die Flügel oben und unten begrenzen. Der lotrechte Abstand zwischen den waagrechten Mittelebenen von Einblaseinrichtung und Flügelrad ist in Figur 1 bei s veranschaulicht.
In Tabelle I sind die Daten von typischen Ausführungsformen der Einblaseinrichtung nach der Erfindung zusammengestellt, die jeweils mit acht waagrechten Armen mit Öffnungen von 3,2 mm Durchmesser versehen sind.
* Um eine Wirbelströmung der Flüssigkeit innerhalb der Einblaszone möglichst weitgehend zu unterdrücken, sind mehrere radial angeordnete lotrechte Leitflächen in Abständen um das untere Ende der drehbaren Welle 2 herum verteilt. Die Leitflächen können beispielsweise als schmale radiale Leitflächen 9a, 9b und 9c ausgebildet sein, die von der Innenwand des Behälters 10 ausgehen und von dieser getragen werden (die Abstützungen sind nicht im einzelnen veranschaulicht). Diese Leitflächen sind um den Umfang der Welle 2 herum verteilt, beispielsweise in Abständen von 9O .
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Tabelle I
QD JT-CO
Einblas-
einrichtg.
Nr.		 Abstand drehb.Achse-
Öffnungsmitte (mm)
Γ . Γ
mi ma		 Abstand zwischen,
benachb. Öffnungen
(in Durchmessern)		 Überstrichene
Fläche
(cm2)		 Öffnungsfläche/
überstrichene
Fläche
1 70,1 698,5 4 und 3 15.161 ,28 0,013
2 88,9 635 4 und 3 12,451,65 O,OO9
3 35,6 177,8 3 954,84 0,019
4 35,6 223,5 3 1 .516,14 0,016
5 76,2 218,4 3 1.329,04 0,028
6 76,2 218,4 3 1 .329,04 0,021
7 81,3 167,6 3 677,42 0,038
8 81,3 167,6 3 677,42 0,019
Einblas-
einrichtg.
Nr.		 Öffnungen pro crri2
überstrichene
Fläche		 Durchmesser Ein
blaseinrichtung
Spitze-Spitze(mm)		 Flügelraddurch-
messer
Spitze-Spitze(mm)		 Abstand Flügel-
rad-Einblaseinr.
(mm)
1 0,16 1 .397 1.422,4 6Ο9.6
2 0,11 1 .397 1.320,8 609,6
3 0,23 355,6 355,6 304,8
4 0,20
5 0,39 457,2 457,2 336,6
6 0,26 457,2 457,2 336,6
7 0,47 355,6 355,6 304,8
8 O,24 355,6 355,6 3Ο4.8
Vorzugsweise bilden sie eine speichenartige Anordnung. Wie aus Figur 1 hervorgeht, können lotrechte, schmale, radiale Leitflächen entweder etwas unterhalb der (9a), auf der gleichen Höhe wie die (9b) oder oberhalb der Einblasarme 8 (9c) angeordnet sein. Relativ lange lotrechte Leitflächen können radial um den Umfang der Welle 2 herum gruppiert sein, beispielsweise in Abständen von 90°, wobei zweckentsprechende Abstützungen vorhanden sind, beispielsweise in Form lotrechter Stützen 13. Diese lotrechten radialen Leitflächen 12 können anstelle von oder in Verbindung mit schmalen Leitflächen 9 vorgesehen sein, um zu verhindern, daß sich die Flüssigkeit unter Bildung von Wirbeln in kleinen, querverlaufenden Kreisen bewegt. Käme es dazu, würde die Relativgeschwindigkeit zwischen den Einblasarmen und der Flüssigkeit erheblich verringert, wodurch in unerwünschter Weise die Scherwirkung der Flüssigkeit auf die aus "den Öffnungen 8 austretenden Gasblasen vermindert und die Turbulenz im Sog der Einblasarme schwächer würde« Die Anzahl und Lage der lotrechten radialen Leitflächen, die die Flüssigkeit an einer Kreisbewegung hindern sollen, können im Einzelfall empirisch bestimmt werden. Im allgemeinen sind die damit verbundenen Probleme jedoch bei Einblaszonen mit relativ kleinem Durchmesser größer, so daß dort mehr Leitflächen erforderlich sind= Die bei der Vorrichtung nach der Erfindung vorgesehenen Leitflächen verringern auch die Neigung zu einem Überfluten bei hohen Gasdurchflußmengen sowie bestimmten Werten des
N D -Faktors (im folgenden näher erörtert) und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit. Die Leitflächen erhöhen die Gasdurchflußmenge, die maximal zulässig ist, bevor es zu einem Überfluten kommt.
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OFBOiWAL
Die Einsatzflussigkeit, in die Gas eingeblasen werden soll, kann in einer beliebigen Hohe des Behälters 1O über eine Leitung 14 eingeführt werden. Sie wird von dem Flügelrad 4 nach unten zur Einblaszone 15 getrieben. Die gashaltige Flüssigkeit wird am unteren Ende der Zone 15 abgegeben und kann über eine Leitung 16' am unteren Ende des Behälters 10 austreten. Statt dessen kann die Flüssigkeit auch über einen Kanal nahe dem oberen Ende der Behälterwand oder über ein Wehr laufen. Flüssigkeitseinlaß und -auslaß können am selben oder an gegenüberliegenden Enden des Speicherbehälters 10 liegen. Sie sollten jedoch in Querrichtung einen solchen gegenseitigen Abstand besitzen, daß eine zweckentsprechende Verweildauer der Flüssigkeit erhalten wird, beispielsweise eine Verweildauer in der Größenordnung von 3O Minuten.
Der Teil des eingeblasenen Gases, der zur Flüssigkeitsoberfläche ansteigt und sich von dieser löst, kann in den umgebenden Raum freigesetzt oder von einem geschlossenen, über Kopf angeordneten Gasraum für weitere Verwendung abgezogen werden; dieses Gas kann aber auch mittels der Pumpe 11 zur Gaszuleitung 1 zurückgeführt werden. Das Gas kann beispielsweise in die Flüssigkeit eingeblasen werden, um diese von unerwünschten Stoffen zu befreien. In einem solchen Falle wird das freigesetzte Gas im allgemeinen von dem über Kopf angeordneten Gasraum abgezogen und nicht umgewälzt.
Figur 5 zeigt eine Schwimmvorrichtung, die sich zur Durchführung des Einblasverfahrens nach der Erfindung in einer natürlich vorkommenden großen Flüssigkeitsmasse, z. B. einer Lagune, eignet.
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Ein Dom oder eine Haube 16 wird von Schwimmkörpern 17 getragen. Auf der Haube befinden sich die erforderlichen Geräte, z, B. die Gasumwälzpumpe 11 und die Leitung 14, die drehbare Welle 2 mit dem Flügelrad 4 und der Einblaseinrichtung 15 sowie der Motor 7 zum Antrieb der Welle 2„ Sind lotrechte radiale Leitflächen vorgesehen, können diese an der Haube aufgehängt oder am Boden der Lagune abgestützt sein. Die Gaszufuhr und die Stromversorgungseinrichtung der Einblaseinrichtung sind aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt. Der Flüssigkeitsstrom ist durch gestrichelte Linien 18 angedeutet; er reicht vorzugsweise seitlich über die Haube hinaus, nachdem die Flüssigkeit zwecks Aufnahme von Gasblasen nach unten durch die Einblaszone hindurchgetrieben wurde. Die Gasblasen 19 steigen infolge der nach oben gerichteten Auftriebskraft geradliniger zur Oberfläche der Flüssigkeitsmasse hoch. Infolgedessen werden die die Flüssigkeitsoberfläche erreichenden Gasblasen in dem Raum unterhalb der entsprechend bemessenen Haube 16 aufgefangen. Mittels der Pumpe 11 wird dieses Gas dann erneut umgewälzt.
Die Gasströme werden in die Flüssigkeit innerhalb der Einblaszone 15 mit einer Lineargeschwindigkeit V1 von mindestens 1,5 m/s in einer Richtung eingeführt, die mindestens eine vertikale Komponente besitzt, beispielsweise in Richtung der Linie x-x nach Figur 6. Bei linearen Geschwindigkeiten unterhalb von 1,5 m/s dringt Flüssigkeit nach unten durch die Öffnungen 8 hindurch in den Durchlaß 6 ein» Das Gas wird mit einer volumetrischen Durch-
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- fluiämenge von mindestens 0,0183 effektive m je Sekunde je m '
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XA
waagrechte Fläche, vorzugsweise mit einem Wert von mindestens
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O,O3O5 m /s m in der Einblaszone eingeleitet. Der Ausdruck "effektive m"" bezieht sich auf das unter den in der Einblaszone herrschenden Bedingungen gemessene Gasvolumen, d. h. das Gasvolumen bei Normaltemperatur und Normaldruck ist auf die Temperatur und den hydrostatischen Druck in der Zone abzustimmen. Der Ausdruck "waagrechte Flache" bezieht sich auf die von den rotierenden Spitzen der Einblaseinrichtung umschriebene Gesamtfläche; sie ist größer als die oben definierte überstrichene Fläche. Es versteht sich, daß eine erhebliche Energie erforderlich ist, um in der Einblaszone die oben erwähnten Flüssigkeitsscher- und -turbulenzeffekte zu erzielen. Wenn das Gas nicht mit mindestens dieser volumetrischen Durchflußmenge eingeleitet wird, steht nicht ausreichend Gas zur Verfugung, um diese Energie wirksam auszunutzen oder die hohen Gas-Flüssigkeits-Stoffaustauschkoeffizienten zu erzielen, die bei dem Verfahren und mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung möglich sind.
Der linearen Geschwindigkeit V1 überlagert sich die Tangentialgeschwindigkeit V, von 1,37 bis 1O,1 m/s, mit der man die Gasströme gleichzeitig kreisen läßt. Die Tangentialgeschwindigkeit jedes bestimmten Gasstromes ergibt sich aus dem Produkt (Umdrehungen pro Sekunde) χ (ττ) χ (Kreisdurchmesser); sie stellt die Bewegung der Einblaseinrichtung in der waagrechten Ebene p-p dar. Bei Verwendung der lotrechten radialen Leitflächen 9a-9c und 12 kann angenommen werden, daß die Flüssigkeitsbewegung in der horizontalen Ebene nahezu gleich Null ist und einen Strömungswiderstand
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darstellt, so daß die Tangentialgeschwindigkeit V, kennzeichnend für die Scherwirkung der Flüssigkeit auf die Gasblasen sowie kennzeichnend fur die von dem rotierenden Einblasarm in der Flüssigkeit erzeugte Turbulenz ist, Wenn die Tangentialgeschwindigkeit kleiner als 1,37 m/s ist, reichen die Scherwirkung und die Turbulenz nicht aus. um die Gasblasen von den Öffnungen 8 zu lösen, bevor die Blasen übermäßig groß geworden sind und/oder große Blasen zu unterteilen, die sich unter Umstanden innerhalb der Einblaszone gebildet haben, Bei einer Tangentialgeschwindigkeit V. von mehr als 1,37 m/s trennt die Scherkraft die einzelnen Blasen von den Öffnungen 8 lange bevor die Blasen soweit angewachsen sind, daß allein die Auftriebskraft ausreicht, um für die Loslösung zu sorgen. Außerdem bewirkt die im Sog der rotierenden Arme erzeugte Turbulenz eine Verkleinerung etwa vorhandener großer Blasen auf eine so kteine Größe, daß die Blase in stabiler Form bei hohen FlüssigkeLtsscherkräften existieren kann.
Die Tangentialgeschwindigkeit V. der kreisenden Gasströme sollte kleiner als ungefähr 10,1 m/s sein, um eine Kavitation zu vermeiden, zu der es kommt, wenn der Druck an der Rückseite eines umlaufenden Rotorarmes kleiner als der Dampfdruck der Flüssigkeit an dieser Stelle wird. Der sich in einem solchen Fall einstellende Niederdruckgasraum (Vakuole) führt zur Bildung großer Blasen, was erfindungsgemäß vermieden werden soll. Außerdem neigen bereits in der Flüssigkeit suspendierte Blasen dazu, in einer Kavitationszone zusammenzufallen. Die Grenzgeschwindigkeit für Kavitation kann theoretisch nicht mit hoher Genauigkeit vorherbestimmt werden,
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weil der Ansatz außer von der Rotordrehzahl von zahlreichen weiteren Faktoren abhängt, z. B. der Rotor form, dem Systemdruck und der linearen Gasgeschwindigkeit. Auf dem Kavitationsprinzip arbeitende Einblaseinrichtungen sind bekannt; einschlägige Literaturstellen lassen erkennen, daß die Rotordrehzahl, bei der es zu Kavitation kommt, bei unterschiedlichen Geräten erheblich variiert.
2 2
Bei dem Faktor N D stellt N die Drehzahl der Einblasarme und der Flügel des Flügelrades (in Umdrehungen pro Sekunde) dar, während D der Durchmesser des Kreises (in m) ist, der von den Spitzen der Einblasarme umschrieben wird. Dieser Faktor ist kennzeichnend für die Energie, die die Einblaseinrichtung in der Einblaszone in Form von Turbulenz und Flüssigkeitsscherkraft entwickelt, die auf die Gasblasen an den Düsenmündungen der Öffnungen und im Sog der rotierenden Arme einwirkt. Dementsprechend
2 2
beeinflußt der Faktor N D die Größe der Blasen, die von der Einblaszone ausgehen. Es wurde gefunden, daß bei volumetrischen Gasdurchflußmengen von mehr als O,0183 effektive m je Sekunde
je m waagrechte Flache zur Erzielung hoher Gas-Flüssigkeits-
2 2
Stoffaustauschgeschwindigkeiten der Faktor N D mindestens
op 2 2
1.39 rn /s , vorzugsweise mindestens 1.86 m /s , betragen soll.
Ein weiteres Erfordernis des Verfahrens besteht darin, daß die Flüssigkeit mit einer Lineargeschwindigkeit V . von mindestens O,6 m/s nach unten durch die Einblaszone 15 hindurchgetrieben wird, vorzugsweise mit einer Lineargeschwindigkeit von 0,9 bis
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2,1 m/s Die Geschwindigkeit von mindestens O,6 m/s ist notwendig, um die Blasen aus der Einblaszone herauszuschwemmen, unmittelbar nachdem sie sich gebildet und losgelbst haben . Wenn Feststoffe vorhanden sind, ist eine solche Geschwindigkeit außerdem erforderlich, um eine gleichförmige Suspension in der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten Vorzugsweise liegt dxe Flüssigkeitsgeschwindigkeit V. nicht über 2,1 m/s, um eine für einen ausreichenden Stoffaustausch genügende Kontaktdauer sicherzustellen und unnötige Energieverluste auf Grund von wiederholter Beschleunigung und Verzögerung der Flüssigkeit zu vermeiden· Die Lineargeschwindigkeit V, der Flüssigkeit ist größer als die Grenzgeschwindigkeit von Gasblasen in der Flüssigkeit, die bei ungefähr 0,24 m/s für Blasen mit einem Durchmesser von 3,2 mm liegt und bei größeren Blasen einen geringfügig höheren Wert hat
Für die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit könnte beispielsweise eine extern angeordnete Pumpe sorgen Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich diese Geschwindigkeit V' jedoch vorzugsweise aus der Verwendung des Axialflügelrades 4. das beispielsweise die Form eines Propellers hat. Wenn die Flüssigkeit suspendierte Feststoffe enthält, hat,das Flügelrad 4 nicht nur die Aufgabe, für die gewünschte, nach unten gerichtete Strömungsgeschwindigkeit zu sorgen; es bewirkt vielmehr gleichzeitig ein Durchmischen, so daß die Feststoffe innerhalb der Flüssigkeit im wesentlichen gleichförmig verteilt wenden Außerdem mischt das Flügelrad 4 das Gas in die Flüssigkeit ein Wenn das Flügelrad dem Zweck dient, Feststoffe in Suspension zu halten, kann die
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dafür erforderliche Energie den größeren Teil der Gesamtenergie darstellen, die der rotierenden Welle zugeführt wird. Wenn beispielsweise Sauerstoffgos in ein biologisches Abwasser eingeblasen werden soll, sind ungefähr O,O8 PS pro 3785 1 Abwasser oder Ablauge erforderlich.
Bei Ausführungsformen, bei denen das rotierende Flügelrad 4 und die Einblasarme 5 in Längsrichtung von Behälterwänden 1O und dem Behälterboden umgeben sind, entspricht die Strömungsverteilung der Flüssigkeit in der Einblaszone 15 im wesentlichen einer Roll- oder Schlingerbewegung» Nachdem die Flüssigkeit durch die Zone 15 hindurch nach unten geströmt ist, wo die von den Oberflächen der rotierenden Einblasarme abgelösten Gasblasen zugemischt werden, erreicht die Flüssigkeit den Behälterboden. Sie strömt dort nach außen zu den Ecken und steigt entlang den Behälterwandungen hoch. Das Flügelrad 4 zieht diese Flüssigkeit dann nach innen und treibt sie erneut nach unten über die rotierenden Einblasarme 5, wo erneut Blasen abgestreift werden. Die Geschwindigkeit dieser Rollbewegung ist gering im Vergleich zu der Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit in der Einblaszone. Bei Ausführungsformen ohne Behälterwände und einen Boden, beispielsweise bei der Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5, tritt dieser Flüssigkeitsrolleffekt ebenfalls ein, jedoch nur in geringerem Maße. Im allgemeinen sollte der eine Rollbewegung ausführende Flüssigkeitsstrom nicht wesentlich stärker sein, als dies erforderlich ist, um Feststoffe in Suspension zu halten und/oder die Gasblasen
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innerhalb der Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen. Bei einer übermäßig starken Rollbewegung der Flüssigkeit wird eine unnötig große Flüssigkeitsmenge umgepumpt; es kommt zu einem übermäßigen Energieverbrauch.
Das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche zwischen r . und r ist
mi ma
gleich O,OO6 bis O,O6; es liegt vorzugsweise im Bereich von OfOO8 bis 0,04. Ein Verhältnis unter 0,006 ergibt keine ausreichend große Gas-Flüssigkeits-Kontaktzone für einen starken Stoffaustausch; außerdem wird die verbrauchte Leistung nicht optimal für die Flüssigkeitsscherwirkung und die Turbulenz ausgenutzt. Bei einem Verhältnis über 0,06 rücken die Ströme so dicht aneinander, daß aus benachbarten Öffnungen austretende, zunächst kleine Blasen sic-h zu übermäßig großen Blasen vereinigen. Ferner kommt es bei einem Flächenverhältnis von mehr als 0,06 an den Düsenöffnungen nicht zu einem Druckabfall, der ausreicht, um ein Eindringen von Flüssigkeit über einige der Öffnungen in den Einblasarm zu verhindern. Das Eindringen von Flüssigkeit ist besonders dann schädlich, wenn sich in der Flüssigkeit Feststoffe befinden, weil ständig Flüssigkeit durch den Einblasarm zirkulieren kann. Wenn, sich die Einblaseinrichtung dreht, sorgt die Zentrifugalkraft dafür, daß Flüssigkeit von Öffnungen nahe dem Rotationsmittelpunkt zu Öffnungen nahe der Spitze des Armes gelangt. In den Einblasarm eindringende Feststoffe sammeln sich an; sie verstopfen schließlich den durch den Arm hindurchführenden Kanal sowie eine erhebliche Anzahl der
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äußeren Mündungen, Gemäß dem vorliegenden Verfahren werden
■0,019 bis 3,1 Gasströme je cm überstrichene Fläche vorzugsweise in die nach unten strömende Flüssigkeit in Form von Blasen eingeführt; besonders zweckmäßig ist es, 0,16 bis 0,62 Gasströ-
me je cm überstrichene Fläche vorzusehen- Sind weniger als
-O1OI9 Gasströme je cm vorhanden, steht in Anbetracht des oberen Durchmessergrenzwertes von 6,4 mm Gas nicht in ausreichender Menge zur Verfügung, um einen maximalen Gasübergangswert in die Flüssigkeit zu erhalten Wird mit mehr als 3,1 Gasströmen
2
pro cm gearbeitet, liegen die Gasströme so dicht beieinander, daß sich in Anbetracht des unteren Grenzwertes von O.OO6 für das Verhältnis zwischen Gesamtquerschnittsfläche und überstrichener Fläche Blasen in stärkerem Maße vereinigen..
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Sauerstoff gas in Abwasser oder Ablauge eingeblasen, das bzw; die organische Feststoffe enthält Dabei wird in die Ablauge oder das Abwasser eine Mehrzahl von diskreten Sauerstoffgasströmen mit einem Durchmesser von 3,2 mm und einem gegenseitigen Mittenabstand von 2,5 bis 3,5 Durchmessern mit einer volumetrischen Durchflußmenge von mindestens 0,03 effektive m pro Sekunde
je m horizontale Fläche in der Einblaszone in Form von Gasblasen in lotrechter Richtung eingeführt. Gleichzeitig läßt man die Gasströme mit einer Tangentialgeschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s um eine gemeinsame lotrechte Achse kreisen, so daß mehrere Kreise beschrieben werden, von denen jeder senkrecht zu der lotrechten Achse verläuft, die unterschiedliche Radien besitzen
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und die in der gleichen waagrechten Ebene innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen, die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird. Dabei liegt das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche zwischen 0,008 und 0,04; es sind O,16 bis
0,62 Gasströme pro cm überstrichene Fläche vorhanden. Die Ablauge oder das Abwasser wird mit einer Lineargeschwindigkeit von 0,91 bis 2,13 m/s nach unten durch die Einblaszone zwecks fc Einführen von Gas hindurchgetrieben. Die nach unten strömende, Gasblasen enthaltende Flüssigkeit wird am unteren Ende der Einblaszone abgegeben.
Aus den Figuren 4 und 6 geht hervor, daß die Arme 5 nicht unbedingt in Querrichtung waagrecht entlang der Linie p-p verlaufen. Sie können vielmehr mit der Linie p-p einen Winkel α bilden. Diese Querneigung hat den Zweck, die Außenfläche des Einblasarmes, von der die Gasblasen abgegeben werden, parallel zu der resultierenden Richtung des relativen Flüssigkeitsstromes V
w auszurichten. Dadurch wird verhindert, daß Flüssigkeit mittels der rotierenden Einblasarme entweder nach oben oder nach unten gepumpt wird. Die zur Drehung der Einblaseinrichtung erforderliche Energie wird auf diese Weise minimal gehalten. Wie die Vektordiagramme erkennen lassen, ist die Tangentialgeschwindigkeit V. nur die eine Komponente der relativen Flüssigkeitsgeschwindigkeit V , Die andere Komponente V. ist auf das (oberhalb der Einblasarme 5 angeordnete) Flügelrad 4 zurückzuführen, das Flüssigkeit näherungsweise parallel zur Drehachse der Welle
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nach unten pumpt.
Das Vektordiagramm nach Figur 6 zeigt, wie der Vektorwinkel a der Querneigung der Einblasarme durch Addition der Geschwindigkeitskomponenten V. und V. abgeleitet werden kann. Im Gegensatz zur Figur 4 verläuft in der Figur 6 die nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente V . nicht lotrecht; sie kann in der Praxis geneigt sein, weil der Flüssigkeit durch das Flügelrad eine waagrechte Geschwindigkeitskomponente aufgedrückt wird. Der Vektorwinkel von V liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 5 bis 15°-. Auch der Winkel α der Querneigung der Einblasarme liegt vorzugsweise in diesem Bereich.
Figur 6 zeigt ferner die bevorzugte, im wesentlichen flache Querschnittsform der Einblasarme, wobei die größere Achse A
senkrecht zur Mittelachse der Gaseinführöffnung steht und mindestens die doppelte Länge der kleineren Achse A . hat, die parallel zu dieser Öffnung verläuft. Diese Ausführungsform ist von besonderem Vorteil, weil der Energieverbrauch und die mechanische Belastung der rotierenden Arme minimal gehalten werden. Das heißt, die von der Flüssigkeit in der resultierenden Richtung V auf den Einblasarm ausgeübte Kraft wird proportional der projezierten Fläche des Armes in der Richtung dieser Kraft vermindert. Diese projezierte Fläche ist sehr klein. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird sie von der relativ schmalen Vorderfläche dee Einblasarme gebildet, der eine Höhe A1.
(die kleinere Achse) hat.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kamen in einer Reihe von Versuchen klar zum Ausdruck. Dabei wurde eine Einblaseinrichtung ähnlich der Ausführungsform nach den Figuren 3 und 4 bei einem System ähnlich der Anordnung nach Figur 1 benutzt, um Sauerstoffgas in Wasser einzuleiten. Die einen Durchmesser von 279 mm besitzende Einblaseinrichtung bestand aus acht abgeflachten rohrförmigen Armen j deren äußere Enden mit Kappen versehen waren und die on ihren inneren Enden mit einer Hohlnabe und einer Welle verbunden waren, über die Sauerstoff eingeführt wurde. In jeden Arm waren acht Öffnungen von 3S2 mm Durchmesser gebohrt. Die Öffnungen waren zwischen Radien von 44,5 mm und 133,4 mm in gleichmäßigem Abstand verteilt,, das heißt die Öffnungen hatten einen Mittenabstand von ungefähr 4 Durchmesserne Bei dieser Einblaseinrichtung war das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen (und der aus diesen in die Flüssigkeit eingeführten Gasströme) und der überstrichenen Fläche O,O1. Es wa-
2 ren 0,13 Offnungen (und Gasströme) je cm überstrichene Fläche
vorhanden. Die Einblaseinrichtung war von einer Ummantelung mit } einem Innendurchmesser von 301 mm umgeben.
Bei diesen Versuchen wurden die Drehzahl der Einblaseinrichtung und die DurchfluSmengen der fluiden Medien (Gas und Flüssigkeit) geändert. Die Einblaseinrichtung (und die Ummantelung) waren im Boden einer kleinen zylindrischen Kolonne montiert, die oben und unten mit einem Wasser enthaltenden Tank verbunden war« Eine Pumpe mit regelbarer Förderleistung lag zwischen dem Tank und der Oberseite der Kolonne, so daS die DurchfluBmenge des nach unten
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durch die Einblaszone hindurchgeführten Wasserstromes eingestellt und auf einem Sollwert gehalten werden konnte. Demgemäß war bei diesen Versuchen ein AxialflUgelrad weder erforderlich noch vorhanden. Um die Fähigkeit derartiger Geräte, kleine Blasen zu erzeugen, herauszustellen, wurde das Verstopfungsproblem außer acht gelassen. Die umgewälzte Flüssigkeit war reines Wasser, das nicht mit Feststoffteilchen von merklicher Größe verschmutzt war.
Vergleichsversuche wurden außerdem mit einer feststehenden (nicht rotierenden) Einblaseinrichtung ausgeführt. Die feststehende Einblaseinrichtung war mit 16 sehr kleinen Öffnungen von O,79 mm Durchmesser versehen. Diese Öffnungen waren in acht rohrförmige Arme gebohrt, deren Ausbildung ähnlich derjenigen nach den Figuren 3 bis 4 war und bei denen der eingeschriebene Kreis einen Durchmesser von 279 mm hatte. Bei den Armen handelte es sich um Rohre mit 6,4 mm Durchmesser. Es waren zwei Öffnungen je Arm vorgesehen, die ungefähr- 102 mm auseinanderlagen. Die Ergebnisse der Versuche sind in der Tabelle II zusammengestellt.
Aus der Tabelle II und aus Fotografien der Blasenansammlung geht klar hervor, daß die rotierende Einblaseinrichtung mit Öffnungen von 3,2 mm Durchmesser wesentlich kleinere Blasen lieferte als die feststehende Einblaseinrichtung mit kleineren Öffnungen, nämlich Öffnungen von 0,79 mm Durchmesser. Die mittels der rotierenden Einblaseinrichtung erzeugten Blasen hatten im Mittel einen Durchmesser von 1,6 bis 3,2 mm, während die mittels der feststehenden Einblaseinrichtung (Versuch 6) erhaltenen Blasen einen
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Tabelle II
σ> co co
Versuch
Nr.		 Gasstrom-Tangential-
geschwindigk. (m/s)		 Einblasein
richtung		 Einblas-
einr.-Drehz.		 Gasdurch
flußmenge		 lineare
Gasgeschw.		 N2D2
(m2/s2)		 Anzahl-
verh. **
inn. Öffn. äuß. Öffn. rotierend (U/min) 1 ,77x1O~6 (m/s) 6,44 0,13
1 2,59 7,84 rotierend 554,7 2,35x10"6 0,17 9,09 0,13
2 3,01 9,02 rotierend 647,0 2,87x10-6 O,23 9,36 0,13
3 3,35 9,20 feststehend 657,0 O 0,28 O O
4 O O feststehend O O 13,84 O O
5 O O feststehend 0 O 17,37 O O
6 O O mittlere 0 Blasensta 11 ,03 Gasstrom
Versuch H2O-Strom Blasengröße
(mm)		 Gleichförm. bilität Flächen-
verhältn.*
Nr. (m/s) 1,59-3,1β- der Blasen
größe		 gut O,O1
1 0,1OO Ι ,59-3,18 gut gut 0,01
2 0,099 1 ,59-3,18 gut gut 0,01
3 0,099 3,18-6,35 gut schlecht O
4 1,533 3,18-6,35 schlecht schlecht O
5 1 ,195 3,18-6,35 schlecht schlecht O
6 1 ,759 schlecht
ω tu
* Verhältnis zwischen dem Gesamtquerschnitt der Gasströme und der überstrichenen Fläche
2 *♦ Anzahl der Gasströme pro cm überstrichene Fläche
TO
K) O CO CD NJ
- 33 Durchmesser von 3,2 bis 6,4 mm besaßen.
Es wurde ferner fotografisch festgestellt, daß die mittels der rotierenden Einblaseinrichtung erzeugten Blasen von sehr gleichförmiger Größe waren, während dies bei den Blasen der feststehenden Einblaseinrichtung nicht der Fall war. Eine gleichförmige Blasengröße ist wesentlich und insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von sehr großen Blasen erwünscht, weil nur wenige solche Blasen bereits einem erheblichen Bruchteil des gesamten Gasvolumens entsprechen können. Eine kleine Anzahl von übermäßig großen Blasen setzt infolgedessen die Gesamtblasenzahl und die Grenzfläche je Volumeneinheit des Gases innerhalb des Systems stark herab.
Die verbesserte Stabilität der erfindungsgemäß erzeugten kleinen Blasen folgt selbst für eine sehr dichte Blasenansammlung ebenfalls deutlich aus den Versuchsdaten« Eine Überprüfung der Versuche 1, 2 und 3 läßt erkennen, daß die kleinen Blasen der rotierenden Einblaseinrichtung auch bei ein-er Steigerung der Gasdurchflußmenge von ungefähr 6O % voneinander getrennt blieben. Im Gegensatz dazu hatten die größeren Blasen der stationären Einblaseinrichtung (Versuche 4, 5 und 6) eine starke Neigung, sich zu vereinigen* Diese Neigung wurde noch, sehr viel ausge prägter, wenn die GasdurchfluSmenge um ungefähr 60 % erhöht wurde. Aus den Daten der Tabelle II ist nicht zu schließen, daS die Verwendung von Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,79 mm bei der rotierenden Einblaseinrichtung nach der Erfindung nicht zu-
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ORIGINAL ECT1*
friedenstellend ist. Wäre die ortsfeste, mit Öffnungen von 0,79 mm versehene Einblaseinrichtung mit geeigneter Geschwindigkeit gedreht worden, wäre di© GroSe der damit erzeugten Blasen ebenso klein oder kleiner als die Größe der Blasen gewesen, die bei den Versuchen mit Öffnungen von 3,2 mm Durchmesser erhalten wurden. Die Verwendung von kleineren Öffnungen bei den Versuchen mit feststehender Einblaseinrichtung unterstreicht die Tatsache, da8 die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei einer stationären Einblaseinrichtung nicht durch Verkleinerung der ÖffnungsgröBe erzielt werden können·
Bei den oben beschriebenen Versuchen waren acht radiale Leitflächen vorgesehen, die in gleichmäSigen Abständen um den Umfang der Ummantelung in einer speiehenförmigen Anordnung zwischen der Wand der Ummantelung und einem Innenring mit 51 mm Durchmesser gruppiert waren. Die Leitflächen waren in Längsrichtung (parallel zu der rotierenden Welle) 51 mm lang. Sie befanden sich oberhalb der Einlaöeinrichtung,um ein Rotieren der Flüssigkeit inner-) halb der Ummantelung zu verhindern. Es wurde der Versuch unternommen, die Einblaseinrichtung nach Entfernen der Leitflächen arbeiten zu lassen. Es zeigte sich jedoch, daß in der Mitte der Kolonne ein Kamineffekt auftrat, der durch einen rasch aufsteigenden Strom von sehr groSen Blasen verursacht war, die sich in der Nähe der Mitte der Einblaseinrichtung vereinigt hatten« Die lotrechten radialen Leitflächen verhindern «in· Flüssigkeit»drehung} si· erhöhen infola»de**«n di· relativ· Tangentialgeschwindigkeit Vt b»i vorgegebener Drehstahl d*r Einbläseinrichtung ·
ρ Ο
(höherer N D -Faktor) Sehr große Blasen treten auf, wenn die Tangentialgeschwindigkeit V. gering, das heißt kleiner als 1,37 m/s, ist (N2D2 = 1,95)
Bei anderen Versuchen, die mit demselben System durchgeführt und mittels exnes Zeitlupenfilms beobachtet wurden, wurde die Drehzahl der Einblaseinrichtung von Null ausgehend zunehmend gesteigert, während die Durchflußmengen des fluiden Mediums konstant gehalten wurden- Die Filme ließen erkennen, daß eine tangentiale Mindestgeschwindigkeit von ungefähr 1 37 m/s an der innersten Öffnung des untersuchten Systems erforderlich war, um die erwünschte Wolke von stabilen Blasen mit kleinem Durchmesser in der Flüssigkeit zu erzeugen. Bei dieser Drehzahl lag die Tangentialgeschwindigkeit der äußersten Öffnung bei ungefähr 4 27 m/s
2 2
(N D a 1,95), Bei niedrigeren Geschwindigkeiten wurde der oben geschilderte Kamineffekt beobachtet, der von einer Bildung sehr großer Blasen begleitet war
Die Fähigkeit der rotierenden Einblaseinrichtung, Sauerstoffgas rasch in der Flüssigkeit zu lösen, wurde unmittelbar ermittelt, indem der gelöste Sauerstoff in der Flüssigkeit im unteren Teil der Mischkammer unmittelbar stromabwärts der Einblaseinrichtung gemessen und mit den Werten für den Flüssigkeitsstrom (Punkt 1) und die Stelle der Flüssigkeitszufuhr zur Kammer ungefähr 1,5 m stromaufwärts der Einblaseinrichtung (Punkt 2) verglichen wurde. Die Ergebnisse typischer Messungen sind in Tabelle III zusammengestellt Dabei wurden die genannten Datenpunkte benutzt und
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wurde mit Werten des gelösten Sauerstoffes in der eintretenden Flüssigkeit von ungefähr 10, 15, 20 und 30 ppm gearbeitet.
Tabelle III
Versuch Einblas- Anteil an
Sauerstoff		 gelöstem
ppm		 Änderung des gelö
sten Sauerstoffs ppm
Nr.* einrichtg. 1 2 1-2
1 rotierend 18,12 10,59 7,53
1 Il 22,OO 15.Ο5 6,95
1 ti 26,10 20,1O 6,00
2 η 21 ,07 10,71 10,36
2 Il 25,17 15,41 9,76
2 Il 29,53 20,90 8,63
3 ■I 21 ,42 9,93 11,49
3 η 26,43 15 ,8O 1Ο.63
3 Il 30,2O 20,28 9,92
3 Il 33,70 25,07 8,63
3 η 37,11 30,3O . " 6,81
* Die Nummern entsprechen den Versuchsnummern in Tabelle II
Die vorstehenden Daten lassen erkennen, daß das vorliegende Verfahren zum Einbringen von Sauerstoffgas in Wasser innerhalb eines weiten Bereiches von ursprünglich vorhandenen Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff verwendet werden kann.
Es wurden Daten für den Gehalt an gelöstem Sauerstoff ermittelt, die einen Vergleich der Wirksamkeit der Testkammer mit feststehender Einblaseinrichtung und mit rotierender Einblaseinrichtung erlaubten. Die untenstehende Tabelle IV zeigt den Gehalt an
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gelöstem Sauerstoff von Wasser innerhalb und außerhalb der Kammer sowie die erhaltenen Änderungen des Gehalts an gelöstem Sauerstoff. Den Daten liegt ein unveränderter Eingangswert des Gehalts an gelöstem Sauerstoff von ungefähr 10 ppm zugrunde.
Einblas- Tabelle IV Änderung des gelö
sten Sauerstoffs
Versuch einrichtg. Anteil an
Sauerstoff		 gelöstem
ppm		 ppm
Nr.* rotierend innerhalb außerhalb 7,53
1 η 10,59 18,12 1Ο.36
2 N 1Ο.71 21 ,07 11 ,49
3 feststehend 9,93 21 ,42 2,41
4 N 10,4O 12,81 2,42
5 N 10,13 12,55 1 ,14
6 10,23 11 ,37
♦ Die Nummern entsprechen den Versuchsnummern in den Tabellen II und III.
Die Versuche nach Tabelle IV zeigen, daß die rotierende Einblaseinrichtung mindestens fünfmal soviel' Sauerstoff in die Flüssigkeit einbringt wie die stationäre Einblaseinrichtung. Die Versuche nach den Tabellen II bis IV stellen jedoch keinen quantitativen Vergleich zwischen dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung und dem Stand der Terchnik dar, weil mit niedrigen linearen Gasgeschwindigkeiten (0,17 bis 0,28 m/s) und, was noch stärker ins Gewicht fällt, mit einer besonders niedrigen linearen Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit (0,10 m/s) gearbeitet wurde. Unter diesen Bedingun-
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gen stiegen die Gasblasen durch die Flüssigkeitssäule nach oben, das heißt sie wurden nicht vorn unteren Ende der Einblaszone zusammen mit der Flüssigkeit nach unten weggeschwemmt. Wie zuvor diskutiert, sind für die für das vorliegende Verfahren charakteristischen hohen Stoffaustauschwerte lineare Gasgeschwindigkeiten des in die Flüssigkeit eintretenden Gases von mindestens 1,5 m/s und lineare Geschwindigkeiten der nach unten strömenden Flüssigkeit von mindestens 0,6 m/s erforderlich.
Eine weitere Versuchsreihe wurde mit dem oben beschriebenen rotierenden Einblassystem durchgeführt. Dabei wurden jedoch sämtliche Gaseinführöffnungen auf jedem der acht Radialarme mit Ausnahme der äußersten Öffnungen abgedeckt, die auf einem Radius von 133 mm lagen. Dies hatte den Zweck, eine der zahlreichen Variablen zu eliminieren, die bei den vorhergehenden Versuchen mit der rotierenden Einblaseinrichtung eine Rolle spielen. Ein wesentliches Ziel dieser Versuche bestand darin, den EinfluS der tangentialen Gasgeschwindigkeit und der Drehzahl auf den Blasendurchmesser zu untersuchen. Dadurch, daß sämtliche Öffnungen auf dem gleichen Kreis lagen, war dis Tangentialgeschwindigkeit für sämtliche Öffnungen die gleiche. Lotrechte radiale Leitflächen wurden oberhalb und unterhalb der rotierenden Einblaseinrichtung vorgesehen.
Die Vorrichtung wurde mit Luft bei verschiedenen Drehzahlen und damit unterschiedlichen Tangentialgeschwindigkeiten der Luftströme betrieben. Die Art dor Gasdispersion in der Flüssig-
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keit wurde fotografisch aufgezeichnet. Für jede Versuchsbedingung (Drehzahl oder tangentiale Luftgeschwindigkeit) wurde eine representative Gruppe von Blasen ausgemessen. Außerdem wurde die Größenverteilung der Blasen innerhalb der Gruppe ermittelt. Die Ergebnisse sind in Figur 7 für sechs unterschiedliche Werte des
2 2
oben definierten Faktors N D zusammengestellt. Die Daten gelten für Öffnungen mit 3,2 mm Durchmesser, die 1,77 m tief unter der Wasseroberfläche lagen, sowie für eine lineare Geschwindigkeit, des durch jede Einblasöffnung hindurchströmenden Gases von 3,72 m/s (Normaltemperatur und Normaldruck). Diese lineare Gasgeschwindigkeit ergab bei der Verwendung von nur acht Öffnungen eine GasdurchfluSmenge von ungefähr 0,0034 effektive m Gas je Sekunde je m waagrechte Fläche der Einblaseinrichtung. Die Gasdurchflußmenge liegt damit unterhalb des vorliegend angegebenen
3 2
unteren Grenzwertes von 0,0183 m /s m . Bei diesen Versuchen ging es jedoch um das Studium der Blasengröße und Blasenverteilung und nicht darum, einen besonders wirkungsvollen Stoffaustausch zu erzielen. Die Anzahl der erzeugten Blasen war mehr als ausreichend, um in einer statistisch genauen Weise die Größenverteilung erkennen zu lassen.
Die Figur 7 läSt sich wie folgt lesen: Bei einer relativen Tan-
2 2
gentialgeschwindigkeit des Gasstromes von 2,65 m/s (N D = O,78) haben mindestens 90 % aller Blasen innerhalb einer vorbestimmten Probe einen Durchmesser von 9,4 mm oder weniger. In ähnlicher Weise haben bei einer relativen Tangentialgeschwindigkeit von
2 2
3,51 m/s (N D > 1,36) 90 % der'Blasen innerhalb einer vorbe-
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stimmten Probe einen Durchmesser von weniger als 4,6 mm. Die Kurven sind mit Koordinaten gezeichnet, von denen die Abszisse eine Wahrscheinlichkeitsskala darstellt, so daß eine Blasengruppe, die einer normalen glockenförmigen Verteilungskurve entspricht, auf eine gerade Linie fällt. Es ist zu erkennen, daß bei niedrigen Tangentialgeschwindigkeiten des Gasstromes, stei-
2 2
gend von O auf 3,O8 m/s (N D -Werte von O bis 1,04) die Blasenverteilung nicht normal ist, da übermäßig große Blasen in rela-
^ tiv großer Anzahl gebildet werden. Eine geringfügige weitere
2 2 Steigerung der Tangentialgeschwindigkeit auf 3,51 m/s (N D von 1,36) führt jedoch zu einer plötzlichen Änderung der Blasenverteilung; es werden kleinere Blasen erzeugt, die einer normalen Verteilungskurve entsprechen. Offensichtlich werden die großen Blasen, die bei niedrigen relativen Tangentialgeschwindigkeiten auftreten, dadurch gebildet, daß erstens die Blasen an der Gaseinführöffnung weiterwachsen, wenn keine Scherkräfte vorhanden sind, die ausreichen, um die Blasen von der Einblaseinrichtung zu lösen, zweitens benachbarte Blasen sich innerhalb der Flüssigkeit vereinigen, nachdem sie sich abgelöst haben, und drittens die großen Blasen bei der relativ niedrigen Turbulenz der Flüssigkeit in der Einblaszone stabil sind. Bei den höheren Geschwindigkeiten sind die Scherkräfte größer; die Blasen wachsen an der Öffnung in der Regel nur bis zu einem Blasendurchmesser an, der nicht größer als der Öffnungsdurchmesser ist. In Anbetracht der geringeren Größe der an der Öffnung gebildeten Blasen und der hohen Scher-Turbulenzzone im Sog der Einblasarme ist die Wahrscheinlichkeit geringer, daß sich die Blasen in der Flüssigkeit
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- 41 vereinigen.
Figur 8 beruht auf den gleichen Daten wie Figur 7. Die Ordinate gibt das Verhältnis zwischen der Gasblasenoberfläche und der Gasmenge an; sie ist infolgedessen kennzeichnend für den Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit. Figur 8 läßt die Bedeutung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Tangentialgeschwindigkeit und der Turbulenz zukommt, noch deutlicher als Figur 7 *
2 2 erkennen. Bei niedrigen Werten von N D , das heißt Werten von
2 2
unter ungefähr 1,04 m /s , wurden große instabile Blasen erzeugt; die Oberfläche des Gases, die für jeden m (Normaltemperatur und Normaldruck) an in die Flüssigkeit eingeführtem Gas gebildet
2
wurde, lag bei ungefähr 656 m oder weniger. Bei höheren Werten
2 2 2 2
von N D , das heißt bei Werten von ungefähr 1,36 m /s und mehr, lieferten die kleinen stabilen Blasen eine Oberfläche von unge-
2 3
fähr 148O m und mehr für jeden m eingeblasenen Gases. Der Über gang zwischen diesen beiden Zuständen erfolgt recht plötzlich.
Wie ausgeführt, liegt den Daten gemäß den Figuren 7 und 8 eine einzige volumetrische Durchflußmenge für das in die Einblaszone eingeleitete Gas zugrunde. Außerdem war die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit nach unten durch die Einblaszone hindurchgetrieben wurde, vergleichsweise niedrig, da angestrebt wurde, den Aufstieg der Blasen unter dem Einfluß der Auftriebskraft zu verhindern, und nicht die Blasen nach unten zu schwemmen, so daß die Blasengröße gut beobachtet werden konnte. Zusätzliche Versuche wurden mit anderen volumetrischen DurchfluSmengen des in die
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Einblaszone eingeleiteten Gases durchgeführt. Auch dabei ergab sich, da8 für jede Gasdurchflußmenge ein recht abrupter Übergang hinsichtlich der BlasengröSe in einem bestimmten Bereich von
2 2
Drehzahlen (oder N D -Werten) eintrat. Außerdem wurde beobachtet,
2 2 daS bei Erhöhung der Gaseinblaswerte der Drehzahlfaktor N D , der zur Erzielung kleiner, stabiler Blasen erforderlich ist, entsprechend ansteigt.
W In weiteren Versuchsreihen wurden die Gasdurchflußmenge, die Menge der nach unten strömenden Flüssigkeit und die Drehzahl der Einblaseinrichtung variiert. Bei einigen Versuchen wurde kein Flügelrad benutzt, so daS die DurchfluSmenge der nach unten strömenden Flüssigkeit im wesentlichen gleich Null war. Bei anderen Versuchen wurde mit einem Flügelrad gearbeitet. Durch Verwendung von Flügelrädern mit unterschiedlichem Steigungs-Durchmesser-Verhältnis wurde die DurchfluSmenge der nach unten getriebenen Flüssigkeit unabhängig von der Drehzahl der Einblaseinrichtung geändert. Diese Versuche wurden in einem Tank durchgeführt, der einen Querschnitt von 2,4 χ 2,4 m hatte, 2,7 m tief war und bis zu einer Höhe von 2,4 m mit Wasser gefüllt war.
Die Einblaseinrichtung war mit acht Armen versehen, deren Länge von der Spitze bis zum Mittelpunkt der Welle jeweils 279 mm betrug. Die Einblaseinrichtung war 1,89 m tief eingetaucht, befand sich also in einem Abstand von O,56 m vom Tankboden. Ein mit drei Flügeln ausgestatteter Propeller naeh Art einer Schiff»« schraube, d«r ein vorgegebenes Steigungs-Durchmeeser-Verhöltni»
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hatte, wurde auf einer gemeinsamen Welle 279 mm über der Ebene der Einblaseinrichtung montiert (entsprechend dem oben genannten lotrechten Abstand zwischen den waagrechten Mittelebenen für die Flügel des Flügelrades und die Einblasarme). Jeder Arm der Einblaseinrichtung war mit 26 Öffnungen von 3,2 mm Durchmesser versehen, die entlang der Ober- und Unterseite des Armes mit variablem Abstand angeordnet waren. Der Mittenabstand der Öffnungen lag zwischen 12,7 mm (für die äußeren Öffnungen) und 25,4 mm (für die inneren Öffnungen). Die Hohlwelle war an eine Druckluftquelle angeschlossen. Es waren Geräte zur Regelung und Messung der Durchflußmenge vorhanden. Die Drehzahl der Welle konnte ebenfalls geändert und gemessen werden.
Die Ergebnisse der Versuche sind in Figur 9 veranschaulicht. Da-
2 2 2 2
bei sind die Werte für ND (m /s ) als Ordinate und die volume-
3 2 trische Gasdurchflußmenge (effektive m /s m waagrechte Fläche der Einblaszone) als -Abszisse aufgetragen. Die Grenzwerte für ein beginnendes Überfluten der aus Propeller und Einblaseinrichtung bestehenden Kombination sind für verschiedene Werte der Geschwindigkeit V1 der nach unten strömenden Flüssigkeit in Form einer Kurvenschar dargestellt. Figur 9 zeigt den Grenzwert der Geschwindigkeit V1 der nach unten strömenden Flüssigkeit, der für eine
2 2
gewünschte Paarung der Werte von N D und der Gasdurchflußmenge erforderlich ist. Sollen beispielsweise 0,49 effektive m Gas
2 2 2
je Sekunde je m Einblasfläche bei einem Wert N D von 2,79 eingeleitet werden, sollte die Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit nicht kleiner als ungefähr 1,O7 m/s sein.
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Eine während dieser Versuchsreihe gemachte wichtige Beobachtung war die starke Abhängigkeit des Betriebsverhaltens der Anordnung von der Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit. Wenn die Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf über O16 m/s erhöht wurde,stieg die Fähigkeit der Einblaseinrichtung, Gas in kleine Blasen zu verteilen, stark an, auch wenn die Drehzahl der Einblaseinrichtung konstant gehalten wurde. Infolgedessen konnte die volumetrische Gasdurchflußmenge der Einblaseinrichtung auf we- ^ sentlich höhere Werte gebracht werden, ohne daß die Drehzahl der Einblaseinrichtung notwendigerweise gesteigert werden mußte. Es besteht also nicht nur die oben erwähnte Beziehung zwischen der
2 2 volumetrischen GasdurchfluSmenge und dem Faktor N D , dae höhere Gasdurchflußmengen bei höheren Drehzahlen erlaubt, Vielmehr kann die Gaskapazität weiter dadurch gesteigert werden, daß die Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit erhöht wird.
Unterhalb einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 0,6 m/s liegt ein Bereich, innerhalb dessen die Geschwindigkeit der nach unten strömenden Flüssigkeit sich der "Endgeschwindigkeit der Blasen nähert. Die Blasen können unter dem Einfluß des Auftriebes noch nicht nach oben entweichen; andererseits wird die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu gering, um die Blasen nach unten aus der Einbiaszone so rasch herauszuschwemmen, wie sie gebildet werden. Zu einem vollständigen Überfluten kommt es, wenn sich die in der Einblaszone ansammelnden Gasblasen zu großen Gasansammlungen vereinigen, die nach oben in den Bereich des Propellers steigen; die Anordnung ist dann nicht mehr in der Lage, kleine Blasen zu
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erzeugen und zu verteilen. Wenn die Flüssigkeitsgeschwindigkeit weiter bis unter die Endgeschwindigkeit gesenkt wird, tritt bei niedrigen volumetrischen Gasdurchflußmengen erneut ein stationärer Bereich auf, innerhalb dessen kleine Blasen erzeugt werden, Diese Gasdurchflußmengen liegen jedoch weit unterhalb des Wertes
3 2
von O,O183 m /s m horizontale Fläche der Einblaszone; sie sind für eine praktische Ausnutzung viel zu gering. Der Arbeitsbereich des Verfahrens nach der Erfindung läßt sich aus Figur 9 ablesen. Die gestrichelte lotrechte Linie für die Gasdurchflußmenge
3 2
(φ g) = O,O183 m /s m stellt den Kleinstwert dieses Parameters
zur Erzielung eines brauchbaren Ausgleichs zwischen Stoffaustausch und Energieverbrauch dar. Die für die beginnende Überflutung geltende Kurve V1 =0,6 m/s stellt außerdem einen unteren Grenzwert für die lineare Flüssigkeitsgeschwindigkeit dar, die erforderlich ist, um hohe Stoffaustauschwerte (K1 ) zu erzielen und die Gasblasen ausgehend von der Einblaszone wirksam
2 2 zu verteilen. Die waagrechte Linie für den Faktor ND= 1,39
2 2
m /s ist der untere Grenzwert für annehmbar hohe Stoffaustauschwerte.
Obwohl das Flügelrad und die Einblaseinrichtung mit einer gemein samen Welle verbunden sind, kann die Flüssigkeitspumpleistung des Flügelrades unabhängig von der Drehzahl dadurch geändert werden, daß das Steigungs-Durchmesser-Verhältnis des Flügelrades variiert wird. Das Steigungs-Durchmesser-Verhältnis des Flügelrades hat vorzugsweise einen Wert von mindestens 1,5. Es wurde beobachtet, da8 durch Erhöhung des Steigungs-Durchmesser-
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Verhältnisses von 1 fO auf 1,5 bei konstant gehaltenem Faktor
2 2
N D die Gasmenge um über 5O % und der Stoffaustauschwert um
über 75 % gesteigert werden können.
Obwohl die oben beschriebenen Versuche Einblassysteme betreffen, bei denen Gaseinführöffnungen mit einem Durchmesser von 1,6 bis 6,4 mm vorgesehen sind, dürften die geschilderten allgemeinen Beziehungen auch bei öffnungen mit einem Durchmesser von 0,79 mm
P gelten. Derartig© Öffnungen lassen sich im Rahmen der Erfindung ebenfalls verwenden. Öffnungen mit einem kleineren Durchmesser als O,79 mm neigen zum Verstopfen, wenn die Flüssigkeit Feststoffe enthält. Offenbar spielt auch die Sättigung des Gases (das in die Flüssigkeit in Form einer Mehrzahl von Strömen eingeführt werden soll) eine wichtigere Rolle, wenn der Öffnungsdurchmesser und der Gasstromdurchmesser verringert werden, und zwar im Hinblick auf die Vermeidung einer Verdampfung und einer Ablagerung von Feststoffen in den Öffnungen. Öffnungen, die größer als
^ 6,4 mm sind, liefern nicht die kleinen Blasen, die für das für die Erfindung charakteristische große Verhältnis zwischen Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und Gasvolumen erforderlich sind. Dies geht aus Tabelle V hervor, die von der Approximation ausgeht, daß bei einem stabilen Betrieb der mittlere Blasendurchmesser ungefähr den gleichen Wert hat wie der Durchmesser der Gaseinführöffnungen· Jedoch können verschiedene weitere Faktoren die Beziehung zwischen Öffnungsdurchmesser und Stabilität des Betriebes beeinflussen, beispielsweise der hydrostatische Druck und * das Profil der Gaseinfuhröffnungen.
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- 47 ~
Tabelle V
Öffnungsdurch- Entsprechender mittl. Verhältnis Fläche/Vol. messer (rnm) Blasendurchmesser (mm) (m2/m^)
O,79 0,79 7579
1,6 1,6 3789
3,2 3,2 1886
4,8 4,8 1263
6.4 6,4 945
9.5 9,5 633
Eine weitere Folge von Versuchen wurde mit einer Großanlage der schematisch in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Art durchgeführt. Der Tank 10 hatte ein Flüssigkeitsfassungsvermögen von 10.220 1; er besaß einen Durchmesser von 2,13 m. Während bei den in kleinem Maßstab ausgeführten Versuchen die Flüssigkeit mit Hilfe einer externen Pumpe auf dem gewünschten Strömungsweg umgewälzt wurde, war bei den Großversuchen der Propeller 4 auf der Hohlwelle 2 oberhalb der achtarmigen Einblaseinrichtung 5 montiert, die ebenfalls auf dieser Welle saß. Die Welle wurde mittels eines Motors 7 (3/4 PS-Gleichstrommotor) angetrieben. Während einiger Versuche wurden lotrechte radiale Leitflächen 12 an der Tankwand in Abständen von 90° angebracht. Verschiedene weitere lotrechte radiale Leitflächen 9a bis 9c waren um die aus Propeller und Einblaseinrichtung bestehende Anordnung herum ebenfalls in Abständen von 90 gruppiert.
Bei einigen Versuchen wurde mit einem Propeller von 457 mm Durchmesser und 457 mm Steigung gearbeitet, während andere Ver-' suche mit einem Propeller von 457 mm Durchmesser und 686 mm
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ζ ί ζΟj62
Steigung durchgeführt wurden. Es wurden verschiedene Ausführungsformen von Einblaseinrichtungen benutzt; alle bestanden aus acht Radialarmen, die innerhalb eines eingeschriebenen Kreises von 457 mm Durchmesser lagen. Die Arme waren aus Rohr mit 7,9 mm Außendurchmesser gefertigt, das in dem die Öffnungen aufweisenden Längsteil auf eine Breite von ungefähr 4,8 mm zusammengedrückt war, wodurch eine im wesentlichen flache Anordnung erhalten wurde, deren größere Achse A eine Länge von 6,35 mm und deren kleinere Achse A . eine Länge von 1,52 mm hatte. Bei einer Ausführungsform waren gerade Arme vorgesehen, die jeweils 12 Öffnungen mit einem Durchmesser von 3,2 mm besaßen, die in einem gegenseitigen Abstand von 12,7 mm (vier Durchmesser) in der Oberseite der Arme ausgebildet waren und 6,4 mm von der Armspitze entfernt begannen (insgesamt 96 Öffnungen). Das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und Gasströme und der überstrichenen Fläche betrug O,018; es waren
■ 2
0,23 Offnungen und Gasströme je cm überatrichene Fläche vorhanden. Diese Einblaseinrichtung wurde mit nach oben weisenden Öffnungen, nach unten weisenden Öffnungen und Öffnungen getestet, die mit der Lotrechten einen spitzen Winkel bildeten. Bei anderen Versuchen wurde die oben beschriebene Einblaseinrichtung in der Weise abgewandelt, daß Löcher ganz durch die Rohrarme hindurchgebohrt wurden, so daß 96 Öffnungen auf der Oberseite und 96 Öffnungen auf der Unterseite (insgesamt also 192 Öffnungen) erhalten wurden. Bei weiteren Versuchen wurde die Anzahl der Öffnungen nochmals verdoppelt, indem weitere Löcher mit 3,2 mm Durchmesser durch die Rohrarme in der Mitte zwischen den bereits
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vorhandenen Öffnungen gebohrt wurden (insgesamt waren 384 Öffnungen vorgesehen). Eine weitere untersuchte Einblaseinrichtung mit 192 Öffnungen besaß Arme, die in der waagrechten Ebene mit einem Radius von ungefähr 394 mm gebogen waren.
Bei einigen Versuchen wurden alle schmalen radialen Leitflächen 9a bis 9c vorgesehen. Bei anderen Versuchen wurden nur die schmalen unteren Leitflächen 9a verwendet. Bei wieder anderen Versuchen wurden alle schmalen radialen Leitflächen weggenommen. In sämtlichen Versuchen waren jedoch die langen Leitflächen 12 vorhanden.
Während dieser Versuche ergab sich, daß hervorragende Betriebseigenschaften (was die Einführung von Gas in die Flüssigkeit in Form von kleinen Blasen durch Öffnungen mit 3,2 mm Durchmesser hindurch anbelangt), erhalten werden können, unabhängig davon, ob die Öffnungen in der Oberseite, der Unterseite oder beiden Seiten der Einblasarme ausgebildet sind, Bei allen diesen Anordnungen hatte die Mittelachse der Öffnungen jedoch eine lotrechte Richtungskomponente und wurden die Gasströme in einer Richtung mit einer lotrechten Komponente eingeführt. Es wurde festgestellt, daß schmale Leitflächen 9a bis 9c zur Vermeidung einer Wirbelbildung in größeren Tanks nicht erforderlich sind, bei denen die umgewälzte Flüssigkeitsmasse (für das Wegschwemmen der Gasblasen aus der Einblaszone) klein gegenüber der Gesamtflüssigkeitsmasse ist. Es waren jedoch lange radiale Leitflächen 12 vorhanden, Irgendwelche lotrechte radiale Leitflächen sind in ge-
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- 5O -
wissen Abstanden um das untere Ende der rotierenden Welle herum erforderlich.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Beispielsweise brauchen die Gaseinführöffnungen der Einblasarme nicht in einer einzigen Langsreihe zu liegen; es können statt dessen mehrere Reihen vorhanden sein.
W In diesem Falle gilt, die Bedingung, daß die Mittenabstände mindestens zwei Durchmesser betragen müssen, für jedes Paar benachbarter Öffnungen, unabhängig davon, ob diese Öffnungen in der gleichen oder in unterschiedlichen Reihen liegen.
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Claims (16)

  1. Ansprüche
    /ΐy Verfahren zum Einblasen von Gas in eine Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeit eine Mehrzahl von diskreten Gasströmen mit einem effektiven Durchmesser von O,79 bis 6,4 mm bei einer linearen Geschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s und einer volumetrischen Durchflu8menge von mindestens O,O183 effektive m je Sekunde
    2
    je m horizontale Fläche in einer Einblaszone in Form von Gasblasen in einer Richtung eingeführt wird, die mindestens eine lotrechte Komponente besitzt, daß man gleichzeitig die Gasströme mit einer Tangentialgeschwindigkeit von 1,37 bis
    2 2 2 2
    10,1 m/s bei einem Faktor N D von mindestens 1,39 m /s um eine gemeinsame lotrechte Achse unter Bildung einer Mehrzahl von Kreisen kreisen läßt, von denen jeder senkrecht zu der lotrechten Achse verläuft, die unterschiedliche Radien besitzen und die bei Projektion auf die waagrechte Ebene sämtlich innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen, die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche zwischen 0,006 und O,06 liegt, daß die Flüssigkeit mit einer Lineargeschwindigkeit von mindestens 0,6 m/s nach unten durch die Einblaszone zwecks Einführen von Gas hindurchgetrieben wird und daß die nach unten strömende, Gas-
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    217G362
    blasen enthaltende Flüssigkeit am unteren Ende der Einblaszone abgeleitet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gasströme mit einem Durchmesser von 3,2 mm verwendet werden .
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, λ daß die Lineargeschwindigkeit der Flüssigkeit zwischen
    0,91 und 2,13 m/s liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme einen Durchmesser von 3,2 mm haben, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Gasströme und der überstrichenen Fläche der rotierenden Orte zwischen O.OO8 und O,O4 liegt und daß 0,16 bis 0,62
    2 Gasströme je cm überstrichene Fläche vorhanden sind.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme in die Flüssigkeit mit einer volumetrischen Durchflußmenge von mindestens O,03 e waagrechte Fläche eingeführt werden.
    3 2 Durchflußmenge von mindestens O,03 effektive m /s je m
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme um die gemeinsame lotrechte Achse in der gleichen Rotationsebene kreisen.
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  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet daß
    2 2 2 2
    der Faktor N D mindestens 1,86 m /s beträgt.
  8. 8. Verfahren zum Einblasen von Sauerstoff in Ablauge oder Abwasser, die bzw. das organische Feststoffe enthält- dadurch gekennzeichnet, daß in die Ablauge oder das Abwasser eine Mehrzahl von diskreten Sauerstoffgasströmen mit einem Durchmesser von 3 2 mm und einem gegenseitigen Mittenabstand von 2;5 bis 3.5 Durchmessern mit einer linearen Geschwindigkeit von mindestens 1,5 m/s und einer volumetrischen Durchflußmenge von mindestens O.O3 effektive m /s je
    2
    m horizontale Fläche in einer Einblaszone in Form von Sauerstoffgasblasen in lotrechter Richtung eingeführt wird, daß man gleichzeitig die Sauerstoffgasströme mit einer Tan gentialgeschwindigkeit von 1,37 bis 1O 1 m/s und bei einem
    2 2 2 2
    Faktor N D von mindestens 1 86 m /s um eine gemeinsame lotrechte Achse kreisen läßt, so daß mehrere Kreise beschrieben werden, von denen jeder senkrecht zu der lotrechten Achse verläuft- die unterschiedliche Radien besitzen und die in einer waagrechten Ebene innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen- die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird wobei das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Sauerstoffgasströme und der überstrichenen Fläche zwischen O OO8 und O OA liegt und 0 16 bis O 62 Sauerstoffgasströme pro
    cm überstrichene Fläche vorhanden sind, daß die Ablauge oder das Abwasser mit einer Lineargeschwindigkeit von O
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    21203S2
    bis 2,13 m/s nach unten durch die Einblaszone zwecks Einführen von Sauerstoffgas hindurchgetrieben wird und daß die nach unten strömende, Sauerstoffgasblasen enthaltende Ablauge oder das Abwasser am unteren Ende der Einblaszone abgeleitet wird.
  9. 9. Vorrichtung zum Einspruhen von Gas in eine Flüssigkeit, gekennzeichnet durch eine Druckgasquelle; eine lotrecht
    ™ ausgerichtete drehbare Welle mit einem Durchlaß, dessen
    oberes Ende mit der Druckgasquelle verbunden ist; ein an der drehbaren Welle fest angebrachtes Axialflügelrad mit nach außen reichenden Flügeln, die zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Welle sitzen und derart ausgerichtet sind, daß sie Flüssigkeit nach unten strömen lassen; mehrere am unteren Ende der drehbaren Welle fest angebrachte Gaseinblasarme, die um die Welle herum verteilt angeordnet sind und von der Welle radial nach außen reichen, deren Spitzen einen Durchmesser entsprechend dem 0,8- bis 1,1-fachen Wert des von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmessers beschreiben und von denen jeder einen mit dem Durchlaß der drehbaren Welle in Verbindung stehenden inneren Durchlaß sowie mehrere Öffnungen aufweist, die einen effektiven Durchmesser von 0,79 bis 6,4 mm haben, die in Längsrichtung des Armes gegenseitig in Abstand voneinander liegen und deren Mittelachse eine solche lotrechte Richtungskomponente besitzt, daß mehrere Kreise beschrieben werden, von denen jeder senk-
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    recht zu der drehbaren Welle verläuft, die jeweils unterschiedliche Radien besitzen und die bei Projektion auf die waagrechte Ebene sämtlich innerhalb einer überstrichenen Fläche liegen, die von den Kreisen mit kleinstem und größtem Radius begrenzt wird, wobei die Öffnungen in solcher Größe und Anzahl vorgesehen sind, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und der überstrichenen Fläche zwischen O,006 und 0,06 liegt; sowie durch mehrere lotrechte radiale Leitflächen, die in Abständen um das untere Ende der rotierenden Welle herum verteilt sind.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die waagrechte Mittelebene der Einblasarme nicht mehr als eine dem von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmesser gleiche Strecke unterhalb der waagrechten Mittelebene des Flügelrades liegt.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Einblasarmspitzen beschriebene Durchmesser den 0,9- bis 1,1-fachen Wert des von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmessers hat und daß die waagrechte Mittelebene der Einblasarme nicht mehr als eine dem halben von den Flügelspitzen des Flügelrades beschriebenen Durchmesser entsprechendeStrecke unterhalb der waagrechten Mittelebene des Flügelrades liegt.
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  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasarme einen im wesentlichen flachen Querschnitt besitzen, dessen größere Achse senkrecht zu der Mittelachse der Gaseinführöffnungen steht und die mindestens die doppelte Länge der zu diesen Öffnungen parallelen kleineren Achse hat.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß W die Einblasarme in der gleichen Rotationsebene liegen und in gleicher Höhe an der drehbaren Welle angebracht sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
    2 die Einblasarme O.O19 bis 3,1 Offnungen je cm überstrichene
    Fläche besitzen.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in solcher Größe und Anzahl vorgesehen sind,
    * daß das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen und der überstrichenen Fläche zwischen O.OO8
    und 0,04 liegt und daß 0,16 bis 0,62 Öffnungen pro cm überstrichene Fläche vorhanden sind.
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel des Flügelrades ein Steigungs-Durchmesser-Verhältnis von mindestens 1,5 haben.
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