DE2516371A1

DE2516371A1 - Verfahren und vorrichtung zur loesung von gasfoermigem sauerstoff in einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE2516371A1
Application number: DE19752516371
Authority: DE
Inventors: Mikkel Gordon Mandt
Original assignee: Houdaille Industries Inc
Current assignee: Clevepak Corp
Priority date: 1974-04-15
Filing date: 1975-04-15
Publication date: 1975-10-23
Also published as: CA1042569A; ZA752273B; JPS50133974A; JPS5328257B2; GB1469049A

Description

HOUDAILL^ INDUSTRIES, IWC.

One M & T Plaza,
Buffalo, N.Y., V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zur Lösung von gasförmigem Sauerstoff in einer Flüssigkeit

Die Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet des Gas-Flüssigkeits-Übergangs; sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfeihren und eine Vorrichtung zur Lösung von gasförmigem Sauerstoff in einer Flüssigkeit.

L's ist bereits bekannt, daß Sauerstoff in einer Vielzahl von Flüssigkeiten lösbar ist und daß relativ reiner Sauerstoff in Gas-Flüssigkeits-Kontaktsystemen für die Auflösung ' von Sauerstoff in Flüssigkeiten, einschließlich Wasser, verwendet v/erden kann. Ks ist ferner bekannt, daß eine Vielzahl von Prozessen die Auflösung von Sauerstoff in einer Flüssigkeit erfordert und daß demgemäß Anstrenungen unternommen

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v/erden, um ständig die existierenden Verfahren und die diesen arbeitenden Vorrichtungen zu verbessern.

Obwohl Sauerstoff nicht als ein seltenes Gas angesehen wird, ist er dennoch ein teures Gas. Deshalb können in Prozessen, in denen die Auflösung von Sauerstoff in einer Flüssigkeit notwendig oder wünschenswert ist, die mit dem Betrieb des Prozesses verbundenen Gesaratkosten in weitgehendem Ausmaß von dem Absorptionswirkungsgrad abhängen, der mit der Auf- · lösung des Sauerstoffs in der Flüssigkeit verknüpft ist, sowie von dem Wirkungsgrad des Sauerstofferzeugungsprozesses,

Viele Systeme und Prozesse, die derzeit auf dem Gebiet der Abwasserbehandlung z.B. angewandt werden, erfordern die Lösung von Sauerstoff in der der Behandlung unterworfenen Flüssigkeit. In aktivierten Schlammsystemen ist es ferner bekannt, daß die Auflösung von Sauerstoff für die Herabsetzung des biochemischen Sauerstoffbedarfs der Abwasserflüssigkeit und für deren Reinigung erforderlich ist.

Einige bekannte aktivierte Schlammabwasser-Behandlungssysteme sind auf Luft als Sauerstoffquelle hinsichtlich der Belüftung oder Oxidation der Abwasserflüssigkeit angewiesen. Andere Systeme verwenden gasförmigen Sauerstoff oder Gas, welches einen hohen Sauerstoffanteil besitzt, d.h. einen Sauerstoffanteil über den von Luft.

Unabhängig davon, ob Luft oder gasförmiger Sauerstoff für Belüftungszwecke benutzt wird, hängen die Gesamtkosten des Abwasserbehandlungssystems zum Teil von dem Absorptionswirkungsgrad' des Sauerstoffs ab, d.h. von dem Anteil des in

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der Abwasserilüssigkeit gelösten Sauerstoffs bmx· >j) auf uio Goüanitmon^i; des mit der Flüssigkeit in Kontakt gebrachten Sauerstoffs. Wenn eine große Menge an Sauerstoff mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird und wenn nur ein sehr kleiner Prozentteil des Sauerstoffs in der Flüssigkeit gelöst wird, dann ist der Absorptionswirkungsgrad sehr niedrig, und in entsprechender Weise sind die Betriebskosten, die mit der Belüftungsstufe des Reinigungsprozesses verbunden sind, entsprechend hoch. Wenn auf der anderen Seite ein sehr hoher Anteil des Sauerstoffs, der mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, tatsächlich in der Flüssigkeit gelöst wird, dann ist der Absorptionswirkungsgrad hoch, und entsprechend sind die Betriebskosten bezüglich der Belüftung relativ niedrig.

Obwohl die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in irgendeinem System oder Prozeß Anwendung finden, in welchem gasförmiger Sauerstoff in einer Flüssigkeit gelöst wird, findet die vorliegende Erfindung besonderen Nutzen auf dem Gebiet der aktivierten Schlammabwasser-Behandlungssysteme. Die Erfindung wird daher nachstehend im Zusammenhang mit der Belüftungsstufe eines aktivierten Schlammabwasser-Behandlungssystems generell erläutert werden.

Auf dem Gebiet der aktivierten Schlammabwasser-Behandlungssysteme ist eine Vielzahl von Systemen und Vorrichtungen angewandt worden, um Sauerstoff in der Abwasserflüssigkeit innerhalb der Belüftungsstufe des Prozesses zu lösen, um den biochemischen Sauerstoffbedarf zu verringern. So sind z.B. Oberflächen-Belüftungsvorrichtungen seit langem benutzt worden, die auf der Oberfläche der Abwasserflüssigkeit

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angeordnet sind und die die Flüssigkeit bei Anwesenheit von Luft oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas umrühren. Ferner sind in einer Anzahl von Anlagen Durchblasvorrichtungen verwendet worden, um Luft oder Sauerstoff von einer Stelle unterhalb der Oberfläche der Abwasserflüssigkeit nach oben steigen zu lassen. Vor kurzem sind Ablelt- oder Strahl-BelUftungsvorrichtungen benutzt worden, die Injektorprinzipien anwenden, um Sauerstoff in der AbwasserflUssigkeit aufzulösen· Zu diesem Zweck wird bei diesen Anordnungen ein Flüssigkeitsstrahl mit hoher Geschwindigkeit sowie ein Luftstrahl in eine Hischkammer einer Abgabe- oder StrahlbelUftungsvorrichtung eingeführt und in Form eines mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahles in die Abwasserflüssigkeit unter deren Oberfläche abgegeben· Andere, kürzlich erfolgte Entwicklungen beziehen sich auf die Ausnutzung von reinem gasförmigen Sauerstoff oder einem Gas, welches hauptsächlich Sauerstoff enthält, oder zumindest eines Gases, dessen Anteil an gasförmigem Sauerstoff weitgehend den Anteil von Sauerstoff übersteigt, der in der atmosphärischen Luft zu finden ist·

Mit sämtlichen verschiedenartigen Lösungen, Prozessen und Verfahren ist beabsichtigt, im jeweils möglichen Ausmaß die Kosten der Lösung von Sauerstoff in der AbwasserflUssigkeit zu vermindern. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfassten Kosten eine gewisse nicht gehaltlose Beziehung zu dem Absorptionswirkungsgrad des Systems sowie zu der Energie beinhalten, die erforderlich ist, um einen derartigen Absorptionswirkungsgrad zu erzielen. Die meisten bekannten Systeme, die hochreinen Sauerstoff oder zumindest ein einen hohen Sauerstoffanteil besitzendes Gas für die Zwecke der Oxydierung einer Flüssigkeit verwenden, umfassen die Verwendung von geschlossenen Belüftungsbehältern bzw. -tanks sowie eine gestaffelte Reihe von Kontaktzellen, um einen hinreichend hohen Wert der Sauerstoffausnutzung zu erzielen. Ein hoher Ausnutzungefaktor ist in mit hochreinem

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Sauerstoff arbeitenden Systemen erforderlich, um derartige Systeme wirtschaftlich zu machen. Es dürfte generell einzusehen sein, dass lediglich ein geringer Sauerstoffverlust In derartigen Systemen zugelassen werden kann. Ubertragungswirkungsgrade bis zu 9096 werden im allgemeinen als wünschenswert erachtet und werden derzeit einigen, mit geschlossenem Tank versehenen, in Reihe gestapelten Systemen mit hohep Sauerstoffgehalt zugeschrieben.

Es ist derzeit bekannt, dass mit hochreinem Sauerstoff arbeitende Systeme nicht einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad besitzen, um einen annehmbaren Absorptionswirkungsgrad in einem EinzelbehJ&lter oder einer einzelnen Zelle zu erzielen. Dabei ist es offenbar dieser Umstand, der die Abstufung der geschlossenen Behälter oder Zellen in einer solchen Weise erforderlich macht, dass der überschuss oder das Abgas der ersten Zelle gesammelt und in eine folgende Zelle abgegeben wird, und zwar zur Erzielung einer zusätzlichen Oasübertragung und zur Steigerung des Absorptionswirkungsgrades. Drei bis fünf Stufen werden im allgemeinen benutzt, um einen gewünschten Absorptionswirkungsgrad von 90Ji oder mehr offensichtlich zu erreichen.

Es kann davon ausgegangen werden, dass kein System bekannt ist, welches einen hohen Anteil an reinem Sauerstoff in einem mit einem offenen Tank arbeitenden System mit einem Kontaktdurchlauf übertragen kann und dennoch eine kommerziell annehmbare Sauerstoffübertragungsrate bei einem kommerziell annehmbaren Leistungsbedarf erzielt. Es sind zwar Systeme bekannt, die einen hohen Anteil an Sauerstoff in einem mit einem Kontaktdurchlauf arbeitenden System übertragen kunnen, welches einen offenen Behälter verwendet; diese Systeme sind jedoch äusserst energieaufwendig und erfordern den Einsatz von kleinen öffnungen t\lr die Einführung von Sauerstoff. Diese öffnungen sind einem Terstopfen, Yerschmutzen,und dergleichen

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ausgesetzt. Zusätzlich zu den mit diesen Systemen verknüpften mechanischen Problemen ist die Kapazität der Einrichtungen begrenzt. Deshalb ist ein sehr apparateaufwendiges System erforderlich, um irgendeine nennenswerte Ubertragungsrate zu erzielen.

Dartiber hinaus umfassen viele der existierenden Systeme, die entweder relativ reinen Sauerstoff oder zumindest ein Gas verwenden,welches einen hohen Sauerstoffanteil aufweist, auch sich bewegende mechanische Teile sowie eine Vorrichtung innerhalb des BeIUftungsbehälters, wobei diese Teile und diese Vorrichtung oberhalb und unterhalb der Oberfläche der AbwasserflUsslgkelt vorhanden sind· Diese mechanischen Teile sind den relativ hohen Sauerstoffkonzentration ausgesetzt, weshalb sie Korrosionsproblemen und dergleichen unterworfen sind. Darüber hinaus erfordert das Vorhandensein einer derartigen mechanischen Anordnung oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit einen relativ grossen Behälterabstand oberhalb des Wasserspiegelst dieser Abstand liegt im allgemeinen im Bereich zwischen etwa 90 cm und 150 cm (entsprechend drei bis fünf Fuss). Demgemäss steht weit weniger als das gesamte Volumen des Behälters für die Elnschllessung der Abwasserflüssigkeit zur Verfugung.

Darüber hinaus umfassen derartige bekannte Systeme, sogenannte Sauerstoffsysterne, die in Reihe angeordnete geschlossene Systeme benutzen und die hauptsächlich von biologischer Eigenschaft sind, wie aktivierte Sohlammabwasser-Benandlungssysterne, das Vorhandensein von CO₂ in dem Belttftungsbehälter zwischen der Oberfläche der Abwasserflüssigkeit und dem Behälterdeckel, und zwar aufgrund der Entwicklung oder Erzeugung von CO₂ in dem biologischen Prozess. Das Vorhandensein von CO₂ hat selbstverständlich zur Folge, dass dl« Sauerstoffkonzentration abnimmt und damit der Absorptionswlrkungsgrad des Systeme-, Ferner führt dies dazu, dass der Pegel des gelösten CO₂ in

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der gemischten FlUesigkeitslösung ansteigt, vae einerseits einen Einfluss auf den ρH-Wert, die chemische Zusammensetzung und die Auebildung von biologischen Abwasserprodukten zur Folge hat, die die biologieche Dynamik dea Syetena gegebenenfalls nachteilig beeinflussen können. In der letzten Stufe der derzeit bekannten Sauerstoffsysteme existieren in durchaua Üblicher Weise in dem Abgas COg-Konzentrationen von 50 Vol.*.

Obwohl Strehl-BelUftungevorrichtungen und ähnliche Einrichtungen, die unter Ausnutzung der Abgabeprinzipien einen Strahl hoher Geschwindigkeit erzeugen, angewandt worden sind, um eine Oxydierung in vielen Anlagen zu erzielen, wird angenommen, dass keine Anordnung in zufriedenstellender Weise in Systemen benutzt worden ist, die gasförmigen Sauerstoff anstelle von Luft verwenden, um die benötigte Oxydation zu erzielen. Strahl-Belüftungssysteme sind, wie Untersuchungen gezeigt haben, im Vergleich zu anderen Oxydationssystemen Musterst gmetig; sie weisen in vielerlei Hinsicht Vorteile auf, bezüglich welcher angenommen wird, dass diese andere Oxydationssysteme nicht besitzen.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, w *ie der Absorpltionswirkungsgrad von Sauerstoff auflusungssystemen gesteigert werden kann, während die Forderung nach geschlossenen BeIUf tungsbehäl tem, Mehrfachzellen, mechanischen FlUesigkeite-ltorührvorrichtungen oder Mischvorrichtungen, eines Übermaßeigen Behälterabatand von dem Wasserspiegel, der CC^-Ausbildung und Verwendung von beweglichen Teilen innerhalb der Flüssigkeit oder in einem oberhalb der Flüssigkeit liegenden Bereich hohen Sauerstoffanteils vermieden ist. Ferner sollen die Kosten vermindert werden, die mit der Auflösung von Sauerstoff in einer Flüssigkeit verbunden sind, insbesondere in der BeIUftungsstufe von aktivierten Schlammabwasser-Behandlungsaystenen, wobei derart vorgegangen werden soll, dass der Wirkungsgrad derartiger Systeme verbessert und die Betriebskosten und Ehergieforderungen vermindert sind. Ferner soll ein System

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geschaffen werden» durch welches der Sauerstoffgehalt einer Flüssigkeit gesteigert wird. Dieses System soll la Stande sein, extrem hohe AofltSsungeraten bei extrea hohen Absorptions* Wirkungsgraden zu erzielen* und zwar ohne die Notwendigkeit nach Ausnutzung von geschlossenen, unter Druck stehenden und in Reihe angeordneten Sauerstoff-Flüssigkeitsbehältern oder -Vorratsbehälter!!. Darüber hinaus sollen hohe Absorptionswirkungsgrade in einem System erzielt werden, in welchem keine bewglichen Teile für die Auflösung des Sauerstoffe in der Flüssigkeit verwendet werden| eine Ausnahme hiervon bildet eine Flüssigkeitspumpet die Pumpe 1st dabei lediglich der Umgebungsluft ausgesetzt und nicht einer einen hohen Sauerstoffanteil besitzenden Atmosphere. Schllesslich soll die Kapazität der aktivierten Sohl wrnitabwasser-Behandlungasysteme gesteigert werden, die sich für Oxydationszwecke hinsichtlich der Verminderung des biochemischen Sauerstoffbedarfs der AbwasserflUssigkeit auf reine η oder relativ reinen Sauerstoff anstatt auf Luft stützen.

Gelöst wird die vorstehende aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemttes durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung des Sauerstoff gehalts einer Flüssigkeitsaasse, dadurch, dass ein Flüssigkeitsstrom erzeugt wird, dass der FlUeeigkeitsstrom unter Druck gesetzt wird, dass in dem Flüssigkeitsstrom eine Turbulenz hervoigjerufen wird >, dass gasförmiger Sauer-» stoff in dem betreffenden Strom eingeführt wird und dass dann der betreffende Strom durch eine Flüsslgkeitsdüse in die Flüesigkeitsmasse abgegeben wird· Auf der Grundlage von durchgeführten Prüfungen hat die vorliegende Erfindung viele Vorteile gegenüber bekannten Verfahren und Systemen hinsichtlich des Absorptionswirkungsgrades, der Entstehungs* kosten, der Betriebskosten sowie hinsichtlich der Einfachheit der Anordnung, des Aufbaues und der Wartung mit sich ge« bracht· Bezüglich aller dieser Vorteile wird angenommen, dass sie erzielt werden, ohne dass Irgendwelche Nachteile

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im Hinblick auf die bisher bekannten Oxydationseysterne eingeführt werden. Das Verfahren und das System gemäss der Erfindung fuhren selbst zu einem Dauerbetrieb, und zwar dadurch, dass erhebliche Sauerstoffmengen in der FlUssigkeltsmasse bei extrem hohen Absorptionswirkungsgraden im Vergleich zu anderen bekannten sogenannten "Sauerstoff-Systemen" bei der Vasserbehandlung und -reinigung gelöst werden können.

Die vorliegende Erfindung umfasst die Ausnutzung von reinem Sauerstoff oder zumindest eines einen»nnenswerten hohen Sauerstoffgehalt besitzenden Gases für Oxydationszwecke. Zu diesem Zweck werden zumindest ein oder mehrere Strahlen hoher Geschwindigkeit erzeugt, die eine Flüssigkeit und Sauerstoff enthalten. Diese Strahlen werden in die AbwasserflUssigkeit In einer Weise eingeführt, die erheblich verschieden ist von der Art und Veise, in der bisher bekannte Luftstrahl-BelUftungssysteme gearbeitet haben. Gemäss der Information und den Daten, die gebildet worden sind, überschreiten die durch die vorliegende Erfindung erzielbaren Absorptionswirkungsgrade weit jene Wirkungsgrade, die angesichts des Standes der Technik der Strahl-Belüftung erwartet werden konnten. Tatsächlich sind die bei der praktischen Anwendung der Erfindung erzielbaren Absorptionswirkungsgrade verhalteismässig günstig im Vergleich zu anderen, sogenannten "Sauerstoff"-Systemen. Darüber hinaus erfordert die vorliegende Erfindung jedoch nicht geschlossene oder abgedeckte BeIUftungsbehälter, die in Reihe angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Schwierigkeiten vermieden, die mit derartigen bekannten Systemen verknüpft sind.

Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung keine beweglichen Teile, und zwar weder in der Flüssigkeit Innerhalb des BeIUftungsbehälters, noch in einer Atmosphäre mit hohem Sauerstoffgehalt. Die Gestehungskosten im Aufbau eines die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpernden Systems

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in Bezug zu anderen "Sauerstoff-Systemen sind vermindert. Die Wartungskosten sind ebenfalls vermindert, und zvar aufgrund des Fehlens von beweglichen Teilen nicht nur innerhalb der Flüssigkeit, sondern auch in der oberhalb der Flüssigkeit befindlichen, einen hohen Sauerstoffenteil enthaltenden Atmosphäre. Ein grösserer Teil der Belüftungsbehälter wird für die Aufnahme der Abwasserflüssigkeit ausgenutzt, und zwar aufgrund der Verminderung des Behälter ab stands über dem Wasserspiegel auf etwa 30 cm (entsprechend 1 Fuss). Da die vorliegende Erfindung keine Abdeckung für den Belüftungsbehälter umfasst, sind die Probleme behoben, die mit der COp-Ausbildung verknüpft sind, und zwar sowohl innerhalb als auch oberhalb der Flüssigkeit. Da ein gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebautes System nicht irgendeine mechanische Mischvorrichtung erfordert, die die Flüssigkeic innerhalb des BeIUftungsbehälters mischt, sind darüber hinaus mögliche Probleme vermieden, die sich auf die Wartung und Ausfallzeit beziehen.

Bei der bevorzugter. Ausführungsform wird eine Einspritzpumpe, , die völlig frei von beweglichen Teilen ist, als Gerät benutzt, durch welches der Sauerstoff in die flüssigkeit eingeführt wird. Mittels einer Pumpe wird Flüssigkeit aus der zu oxydierenden FlUssigkeitsmasse durch eine Rohrleitungsanordnung geleitet und zu der Flüssigkeitsmasse zurückgeführt. Wenn die Flüssigkeit durch die Rohrleitung geleitet wird, wird der Sauerstoff in die Flüssigkeit eingeführt, und zwar mittels der Einspritz- bzw. Strahlpumpe in Form eines Strahles. Vorzugsweise wird der Sauerstoffstrom bzw.-*rahl in den Flüssigkeitsstrom auf einer Einlass-Seite oder stromaufwärts liegenden Seite oder Unterdruckseite der Pumpe eingeführt, und zwar einfach dazu, um die Pumpe als Mischvorrichtung auszunutzen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass der Sauerstoff auf der Abgabeseite der Pumpe eingeführt werden kann, ohne dass irgendwelche der ver-

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besserten Eigenschaften des Systems verlorengehen und ohne dass hiermit irgendeine erhebliche Herabsetzung dee Absorptlons wirkungsgrades verbunden ist.

Des Verfahren und das System gemäss der vorliegenden Erfindung führen selbst nicht nur zu einer neuen Konstruktion, sondern zu Modifikationen in existierenden Abvaseerbehandlunga- und Abwasserreinigungsgeräten. Die Absorptionswlrkungsgrade und die Gesamtverringerungen der Energieaof orderungen, die für die vorliegende Erfindung wirksam sind, hängen nicht von der Grosse des Belüftungsaysterne ab. Demgemäss finden die Prinzipien der vorliegenden Erfindung Anwendung in sehr kleinen Qxydatlonasystemen und aktivierten Schlammabwasser-Behandlungssystemen sowie in sehr grossen Systemen, die zum Beispiel in HauptsttStbereichen angewandt werden.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einer bevorzugten Ausf Uhrungsform näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Kiroendlagramm den Absorptions-

wirkungsgrad eines typischen bekannten Belüftungssystem* unter Anwendung einer herkömmlichen StrahlbelUftungeanordnung bei verschiedenen Eintauchstufen.

Fig. 2 zeigt in einem Rirvendiagrama den Absorptionswirkungsgrad eines herkömmlichen bekannten Strahl>-belüftungssystems bei einer konstanten Eintauchtiefe, und zwar bei Verwendung von Luft und bei Verwendung von hochreinem Sauerstoff als Sauerstoff quelle.

Flg. 3 zeigt in einem lUxvendiagramm den Absorptionswirkungsgrad eines herkömmlichen bekannten Strahlbelüftungssystems und eines die Prinzipien der vorliegenden

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Erfindung verkörpernden Systeme, wobei hochreiner Sautretoff als Sauerstoffquelle in den Systemen benutzt 1st und wobei die Eintauchpegel bei beiden Systemen gleich sind.

Fig· 4 zeigt schematisch die Darstellung eines herkömmlichen bekannten Strahlbelüftungssystems·

Flg. 5 zeigt eine vergrösserte Schnittansicht einer in den Strahlbelüftungssyste» gemüse Fig· 4 verwendeten StrahlbelUftungsvorriohtung.

Fig. 6 zeigt schematisch ein gemäss den Prinzipien der

vorliegenden Erfindung aufgebautes StrahlbelUftungssyetem.

Fig· 7 zeigt in einer vergrösserten Schnittansicht eine

in den System genäse FIg* 6 verwendete Auslassanordnung.

Fig. 8 zeigt in einem Kurvendiagramm die Art und Veise,

in der der Absorptionswirkungsgrad der vorliegenden Erfindung sich ändert in Abhängigkeit von Änderungen der Strahleintauchtiefen·

FIg* 9 zeigt in einem Kurvendiagramm den Absorptions«

wirkungsgrad eines die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpernden Systems, das über einen Bereich von Strshldruckabfallen betrieben 1st.

Flg. 10 zeigt in einem Kurvendiagramm die Auswirkung der Änderungen in der FlUssigkeltsverwellzeit auf den Absorptionswirkungsgrad eines gem&ss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten Systeme

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Fig. 11 zeigt in einem Kurvendiagramm den Absorptions-

wirkungsgrad eines die vorliegende Erfindung verkörpernden Systems, das mit bzw. ohne/ ilomariiaLung betrieben ist, um zweite Abgabestrahlen von den Fluesigkeitsstrahldüsen abzugeben, die in die zu oxydierende Flüesigkeitsmasse eingetaucht sind·

Fig. 12 zeigt in einem Kurvendiagramm Kurven zum Vergleich

der Oxydationskapazität eines herkömmlichen bekannten StrahlbelUftungssystems bei Verwendung von Luft und hochreinem Sauerstoff als Sauerstoffquelle und eines gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten und betriebenen Systems bei unterschiedlichen Sauerstoff-Flüssigkeits-Strömungsverhältnissen.

Wie erwähnt, sind Belüftungssysteme, in denen Abgabevorriohtungen oder Strahlbelüftungsvorrichtungen benutzt sind, die Abgabeprinzipien verkörpern, seit langem bekannt. Im allgemeinen wird eine Abwasserflüssigkeit aus einem Belüftungsbehälter bzw. Tank durch hydraulische Rohrleitungen zu einer FlUssigkeitsdüse einer Strahl-Belüftungs- oder Strahl-Abgabevorrichtung hin gepumpt. Die Strahl-Belüftungsvorrichtung ist mit einer Mischkammer versehen, in die die Abwasserflüssigkeit von der Flüssigkeitsdüse abgegeben wird. Mit der betreffenden Kammer ist eine Druck· oder Saugluftquelle verbunden. Die Mischung aus Abwasserflüssigkeit und Luft wird dann von der Strahlbelüftungevorrichtung oder Abgabevorrichtung in Form eines mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahles in den Belüftungsbehälter unter die FlUssigkeitsoberfläche abgegeben.

Die in Fig. 1 dargestellten Kurven sind aus Versuchsdaten gebildet worden, die sich auf ein bekanntes Belüftungssystem beziehen, in welchem eine herkömmliche StrahlbelUftungsan-

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Ordnung verwendet wird. In Fig· 1 ist dabei veranschaulicht, dass derartige Systeme im Stande sind, einen relativ hohen Absorptions- oder UbertragungswirkuRgsgrad zu erzielen, wenn Luft (im Gegensatz zu hochreinem Sauerstoff) in dem Qas-Flttsslgkeits-Berülirungsprozess verwendet wird. Tatsächlich veranschaulichen die in Fig. 1 dargestellten Kurven, dass die Abaorptlonswirkungsgr&da der StrahlbelUftungssysteme verhältnisaässig günstig sind im Vergleich zu jenen, die von irgendeinem anderen Belüftungssystem erzielt werden, das heiast von einem Belüftungssystem, welches Luft anstatt Sauerstoff in dem Sauerstoffübertragungsprozess verwendet.

Auf der anderen Seite zeigen die in Fig. 1 dargestellten Kurven Absorptionswirkungsgrado, die kommerziell nicht brauchbar oder annehmbar wären, und zwar von einem Betriebskostenstandpunkt aus gesehen, in identischen Systemen, in denen hochreiner Sauerstoff anstelle von Luft als Sauerstoff quelle verwendet würde.

Die In FIg* 1 dargestellten Kurven legen jedoch nahe, dass dann, wenn hochreiner Sauerstoff anstelle von Luft verwendet wird und wenn darüber hinaus eine Untersuchung angestellt würde, um den Anteil der übertragung von hochreinem Sauerstoff zu optimieren, akzeptable Absorptionswirkungsgrade gegebenenfalls erzielt werden konnten. Die Tatsache, dass eine weltgehend reine Sauerstoffblase eine höheren Sauerstoff-Partialdruck aufweisen wird als eine Luftblase und nicht einer Verdünnung hinsichtlich des Sauerstoffgehalts ausgesetzt wird, wenn Sauerstoff in die Lösung übertragen wird, mag dem Fachmann einen höheren Ubertragungswirkungsgrad nahelegen als er mit Hilfe von Luft erzielt worden let, und zwar sogar ohne eine Optimierung.

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Im Verlaufe von Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfindung geführt haben, ist mit der Anwendung von hochreinem Sauerstoff anstelle von Luft in herkömmlichen bekannten StrahlbelUftungssystemen experimentiert worden. Im Zuge der Untersuchungen und Experimente wurden Parameter, die den Absorptionswirkungsgrad beeinflussen, in einem Versuch geändert, um den Absorptionswirkungsgrad zu maximieren.

Die aus dieser Untersuchung erzielten günstigsten Ergebniese sind in Fig. 2 veranschaulicht. Die dort gezeigten beiden Kurven wurden aus Testdaten gewonnen, die dasselbe bekannte StrahlbelUftungssystem betreffen; die mit "Strahlbelüftung" bezeichnete Kurve ergab sich jedoch aus der Anwendung von Luft als Sauerstoffquelle, während die mit "Strahloxydation" bezeichnete Kurve sich aus der Anwendung von hochreinem Sauerstoff ergab. Ein Vergleich der in Fig. 2 dargestellten Kurven veranschaulicht ziemlich deutlich, dass herkömmliche StrahlbelUftungssysteme, wie sie als zum Stand der Technik gehörig bekannt sind,wahrscheinlich kommerziell nicht brauchbar sind, wenn hochreiner Sauerstoff anstelle von Luft eingesetzt wird, da nämlich die Absorptionswirkungsgrade derartiger Systeme sich aufgrund eines derartigen Ersatzes nicht nennenswert erhöhen.

Im Zuge dieser Untersuchungen wurde mit einer Vielzahl von Modifikationen der herkömmlichen ^strahlbelüftungsanordnung experimentiert. In jedem Falle waren die Verbesserungen hinsichtlich des Absorptionswirkungsgrades bei Verwendung von hochreinem Sauerstoff anstelle von Luft lediglich begrenzt. In den meisten Fällen führte dies zu nicht mehr als zu einer zwei- bis dreiprozentigen Steigerung des Übertragungs- oder Absorptionswirkungsgrade8. Sogar in dem Fall, dass die Abgabegeschwindigkeiten für die Abgabe von gasförmigem Sauerstoff reduziert oder bei einem solchen

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Ausmaß belassen wurdan, dass der Sauerstoff, der in die Lösung ging, nicht ausreichend war, wa den sich bewegenden Flüssigkeits« strom zu sättigen, steigerte sich der Absorp.tLonswirkungsgrad nicht in irgendeinem nennenswerten Ausmaß.

Aus der vorstehenden Untersuchung und dem Ausfall der herkömmlichen StrahlbelUftungsanordnung zur Erzielung hoher Absorptionswirkungsgrade bei Verwendung von hochreinem Sauerstoff ergab sich, dass alternative Systeme untersucht wurden· Ein mögliches betrachtetes System umfasst die Vor-EinfUhrung von gasförmigem Sauerstoff in den unter Druck stehenden, sich bewegenden Flüssigkeitsstrom« Auf der Grundlage der derzeit bekannten Information bezuglich Gas-Flüseigkeits-Kontakteinrichtungen und des Gas-FlUssigkeitsübergangs sollte ein derartiges System Jedoch nicht günstige Absorpt&onswirkungßgrade liefern, und zwar aus folgenden Gründen:

1) Die Nutzen, die in bekannter Weise aus der Gas-Flüssigkeits-Berührung an der Düse der Strahl-BelUftungseinrichtung gewonnen werden, wären vollständig aufgehoben;

2) der Anteil des Sauerstoffs, der in den sich bewegenden Flüssigkeitsstrom übertragen werden könnte, wäre durch die Bewegungs strom-Strömungsgeschwindigkeit und durch dessen Sättigungswert begrenzt}

3) ,jeglicher gasförmiger Sauerstoff, der durch den Bewegungestromzyklus gelangt, kann in einem Dispersionszustand austreten, der für die MaesenUbertragung ungünstig ißt.

Ungeachtet der vorstehenden Ausführungen wurde entschieden, einen Prototyp zu entwickeln und Untersuchungen bei einem derartigen System durchzuführen. Die Ergebnisse waren vollkommen und unerwartet günstig· In Fig« 5 ist der nennenswerte Anstieg des Absorptlonewirkungagrades eines die Prinzipien

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der vorliegenden Erfindung verkörpernden BeIUftungssystems gezeigt, bei dem hochreiner Sauerstoff im Gegensatz zu einem herkömmlichen Strahlbelüftungssystem benutzt wird, bei dem ebenfalls hochreiner Sauerstoff verwendet wird. Die mit "Strahl-Oxydation" bezeichnete Kurve entspricht der ähnlich bezeichneten und in Fig. 2 dargestellten Kurve. Auf der anderen Seite zeigt die mit "Vor-Einführungs-Strahl-Oxydation" bezeichnete Kurve, dass aus einem gemäss den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten Strahl-BelUftungssyetem wesentlich höhere Absorptionswirkungsgrade erzielbar sind. Beide Kurven veranschaulichen die Änderung des Absorptionswirkungsgrades, die sich aus Änderungen in dem Massenströmungsverhältnis des gasförmigen Sauerstoffs und der Abwasserflüssigkeit ergeben.

In Fig. 4 ist ein herkömmliches bekanntes Strahl-Belüftungesystem gezeigt; dieses System entspricht dem System, das zur Lieferung der in Fig. 1 dargestellten Kurven sowie der in Fig. 2 dargestellten Kurve mit der Bezeichnung ¹¹ Strahlbelüftung nach dem Stand der Technik" und der in Fig. 3 dargestellten Kurve mit der Bezeichnung "Strahl-Oxydation" benutzt worden ist. Das System enthält einen grossen BelUftungstank bzw. -behälter oder Reservoir, der generell mit 10 bezeichnet ist und der eine zu oxydierende Flüssigkeitsmasse 11 enthält. Die Oberfläche der Flüssigkeit 11 ist mit 11a bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Oberfläche der betreffenden Flüssigkeit sehr nahe einem offenem Ende 12 dee Belüftungsbehälters 10 sein kann. Eine Seitenwand 13 des Behälters 10 ist in der dargestellten Ausführungsform zylinderförmig ausgebildet; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die besondere Konfiguration des Behälters 10 für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist. Im Oegensatz zu der-zeit bekannten, mit hochreinem Sauerstoff arbeitenden Systemen ist die Oberseite 12 des Behälters 10 hier jedoch nicht ver-

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schlossen oder abgedeckt; vielmehr ist die betreffende Oberseite des Behälters vollständig zur den Behälter 10 umgebenden Atmosphäre hin offen.

In den Belüftungebehälter 10 ist unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit 11 eine Strahl-Belüftungsvorrichtung 14 engeordnet· In dem System, <3as im Zuge dieser Untersuchungen und Experimente tatsächlich benutzt worden ist, bestand die Strahl-BelUftungsvorrichtunf: 14 aus einer einzigen Einheit (die ale Strahlbündel bezeichnet werden kann). Diese BelüftungEvorrichtung veist eine Vielzahl von Flüssigkeitsdüsen 15 auf, die radial um eine vertikale Achse herum angeordnet sind und die mit einer gemeinsamen Rohrleitung 16 verbunden sind, mit der ein Rohr 17 verbunden ist, welches durch die Seitenwand 13 des Behälters 10 und zu einer Abgabeeeite 18 einer Flüssigkeitspumpe 19 hin läuft. Eine weitere Leitung 20 ist mit einem Ende 21 an der Absaug- oder Einlass-Seite der Pumpe 19 angeschlossen; das andere Ende 22 des betreffenden Rohres ist mit dem Inneren des Behälters 10 verbunden. Ein Ventil 23 ist in dem Hochdruck-Flüssigkeitsrohr 17 untergebrecht, wahrend ein ähnliches Ventil 24 in dem Niederdruck-Flüssigkeitsrohr 20 untergebracht ist.

Zurückkommend auf die Strahl-BelUftungsvorrichtung 14 sei bemerkt, dass eine Reihe von Gas-Flüssigkeitε-Düsen ZSt deren Anzahl und Lage den Flüseigkeitsdüsen 15 entspricht, mit einer Luft-Rohrleitung 27 verbunden ist, Bit der ein Luftrohr 26 verbunden ist, welches sich durch die Seitenwand 23 des Belüftungsbehälters 10 zu einem (nicht dargestellten) Luftgebläse hin erstreckt·

Xm Betrieb des in Fig. 4 dargestellten herkömmlichen Strahl-BeIUftungssysteme wird die Flüssigkeit 11 aus dem Be-

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lUftungsbehälter 10 durch das Rohr 20 mittels der Flüssigkeitspumpe 19 gepumpt und durch das Rohr 17 zu den Flüssigkeit sdüsen 15 der Strahl-Belüftungevorrichtung 14 geleitet. Die Flüssigkeit tritt aus den Düsen 15 in Form von Flüssigkeitsstrahler! mit hoher Geschwindigkeit aus und mischt sich mit der Luft, die durch das Rohr 23 zu der die Flüssigkeitsddsen 15 umgebenden Rohrleitung 27 hin geleitet wird. Die betreffende Flüssigkeits-Luft-Mischung wird dann in Form von Strahlen mit hoher Geschwindigkeit von den Luft~Flüssigkeitsdüsen 26 abgegeben, die redial um die Achse der Strahl-BeIUftungsvorrichtung 14 abstehen.

Während die dargestellte Ausführungsform dar Strahl-Belüftungsvorrichtung 14 eine Vielzahl von Flüß3ißkeits~ und Lu^t-Flüssigkeits-Düsen enthält, erfordern die Prhzipien der herkömmlichen Strahl-Belüftungsvorrichtung nicht eine Mehrfachdüsen-Strahl-Belüftungsvorrichtung oder ein Strahlbündel; tatsächlich cind in vielen Systemen ein oder mehrere Strahl-Belüftungsvorrichtungen verwendet, deren jedes lediglich eine einzige Flüssigkeitsdüse enthält, die von einer Luft-FlUssigkeits-DUse umgeben ist.

In Flg. 6 let ein die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörperndes Belüftungesystem dargestellt. Ein Vergleich der in Fig. 4 und 6 dargestellten Anordnungen veranschaulicht C.ie wesentlichen Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Syrstenen. Diejenigen Teile oder Bauteile des in Fig. 6 dargestellten Systeme, die rait ^onen in Fig. 4 übereinstimmen, nlnd mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es sei bemerkt, dass das in Fig. 6 dargestellte System nicht ein Luftrohr 28 benutzt. DemgemSss ist die Strahl-BeIUftungskammer 27, die zuvor als Luftrohrleitung diente, nunmehr in direkter Verbindung mit der Flüssigkeit 11, und die

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Luft-Flüssigkeits~DÜ3en 26 dienen lediglich dazu, sekundäre Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, welche die Strahlen umgeben, die von den Flüssigkeitsdüsen 15 abgegeben werden.

In dem in Fig. 6 dargestellten System ist ein Rohr 30 zusätzlich vorgesehen, um das Hochdruck-Flüssigkeitsrohr und das Niederdruck-Flüssigkeitsrohr 20 miteinander zu verbinden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Durchmesser des Rohres 30 wesentlich geringer als der Durchmesser des Rohres 17 oder des Rohres 20; in dem Rohr sind eine Abgabeeinrichtung 31 SOwie zwei Ventile 32 und

33 untergebracht, die an gegenüberliegenden Seiten der Abgabeeinrichtung 31 angebracht sind. Ein weiteres, mit

34 bezeichnetes Rohr ist mit der Abgabeeinrichtung 31 verbunden. In diesem Rohr ist ein Ventil 36 untergebracht. Das Rohr 34 ist an einer hochreinen Sauerstoff abgebenden QuaLle (nicht gezeigt) angeschlossen. Es sei jedoch bemerkt, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch dann anwendbar sind, wenn der Sauerstoffanteil in dem Gas erheblich niedriger ist als 100%.

Bezugnehmend auf Fig. 7 sei bemerkt, dass die Abgabeeinrichtung 31 aus einem FlUssigkeitsdüsenabschnitt 37, einer Mischkammer 38 und einem Diffusorbereich 39 besteht. Die genaue Ausführungsform der Abgabeeinrichtung 31 ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Es ist darüber hinaus tatsächlich nicht erforderlich, dass eine Abgabeeinrichtung zum Zwecke der Einführung von Sauerstoff in die Flüssigkeit verwendet wird. Wichtig ist vielmehr, dass der Sauerstoff in die Flüssigkeit in Form von feinen Blasen eingeführt wird und dass für diesen Zweck eine Abgabeeinrichtung 31 besonders gut geeignet ist.

Im Betrieb des in Fig. 6 angegebenen Systems saugt die Flüssigkeitspumpe 19» die an einem Elektromotor 19a

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CiZigeschlössen ist, Flüssigkeit aus de» Behälter 10 durch das Niederdruckrohr 20 und gibt die Flüssigkeit in dem Behälter 10 durch die hochdruck-FlUselgkeiteleitung 17 und die Flüssigkeitedüsen 15 wieder ab. ^Eln geringer Anteil der duroh die Pumpe 19 umgewälzten und durch das Hochdruck-Flüsaigkeitsrohr 17 in den Behilter 10 wieder abgegebenen Flüssigkeit wird duroh das Rohr 30 zu des Niederdruck-Flüssigkeitsrohr 20 umgeleitet· Da dieser geringe Anteil des Flüssigkeitsstroas durch das Rohr 30 geleitet wird, wird relativ hochreiner Sauerstoff in die Flüssigkeit eingeführt» und zwar auf Grund des Vorhandenseins der Abgabe« einrichtung 31· Demgemäß wird bei der In Fig. 6 dargestellten AusfUhrungsform der Sauerstoff dem Flüssigkeitsstrom auf der Ansaugseite anstatt auf der Abgabeseite der Flüssigkeitspumpe 19 hinzugefügt.

Xn den Testgeräten, In denen die Untersuchungen und Experimente durchgeführt wurden, erzeugte die Abgabeeinrichtung oder der Injektor 31 Sauerstoffblaseh in der Größenordnung von etwa 2 mm oder einem geringeren Durchmesser· Dies führte zu einer spezifischen Zwischenfläche von etwa 30 000 cm /Liter Gas. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wird angenommen, daß die auf die vorliegende Erfindung zurückgehenden sehr hohen Absorptionswirkungsgrade unabhängig davon erzielt wer· den können, ob der Sauerstoff in das Niederdruck-Flüssig« keitsrohr 20 auf der Ansaugseite der Pumpe 19 oder in das Hochdruck-FlUsslgkeltsrohr 17 auf der Abgabeseite der Pumpe eingeführt wird. Ferner wird angenommen, dad Absorptionswirkungsgrade In derselben Größenordnung, wie sie In den speziellen Testeinrichtungen erzielt wurden, unabhängig von der Art und Weise erreicht werden können, in der der Sauerstoff In die Rohre 17 und 20 eingeführt wird, vorausgesetzt, daß die spezifische Trennfläche von Sauerstoff zu

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Flüssigkeit etwa 30 000 cm²/Liter Gas oder größer ist.

Die hydraulische Anordnung bzw. der hydraulische Kreis, enthaltend die Flüesigkeitsdüsen 15» das Hochdruck-Flüssigkeitsrohr 17, die Flüssigkeitspumpe 19 und das Niederdruck-Flüssigkeitsrohr 20, durch das die Flüssigkeit 11 aus den Behälter durch den hydraulischen Kreis und dann in den Behälter 10 umgewälzt wird, ist generell mit 36 bezeichnet.

Es dürfte einzusehen sein, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht irgendwelche speziellen geometrischen Beziehungen oder Konfigurationsbeziehungen bezüglich des hydraulischen Kreises 36 erfordern. Es ist außerdem nicht erforderlich, daß der Sauerstoff an Irgendeinen bestirnten Punkt in den hydraulischen Kreis 36 eingeführt wird, solang er einer minimalen Verweilzeit in dem Kreis unterworfen 1st. Es dürfte jedoch einzusehen sein, daS der Flüssigkeitsstrom in dem hydraulischen Kreis bzw. der hydraulischen Anordnung 36 sich auf der Eintritts- bzw. Stromaufwärtsseite der FlUssigkeitsdüsen 15 in einem Turbulenzzustand befinden muß, um die Sauerstoffblasen in dem Flüssigkeitsstrom zu vermischen. Unter Turbulenz wird ein Zustand der Störung des Flüssigkeitsstroms verstanden, um eine kräftige Umwälzung oder Störung der Flüssigkeit hervorzurufen.

Es ist geschätzt worden, daß die Reynolds*sehe Zahl des hydraulischen Kreises 36 in der Testeinrichtung wahrscheinlich zwischen 200 000 und 400 000 lag. Im Zuge dieser Untersuchungen wurde jedoch eine beträchtliche Anstrengung unternommen, um die Reynolds*sehe Zahl zu ändern. Auf Grund einer Beobachtung wurde festgestellt, daß keine nennenswerte

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Änderung In dem Absorptionsvlrkungegrad infolgt der Änderung der Reynolds*sehen Zahl auftrat. Wie erwähnt, 1st es lediglich erforderlich, daß der Flüssigkeitsstrom in eines Turbulenzzustand auf der Oberseite der Flüsslgkeitsdüsen 14 gehalten wird. Es wird jedoch erwartet, daS la Hinblick auf irgendein bestimmtes System und in Abhängigkeit voB Durchmesser der Rohre, der Anzahl der Krümmer und sonstigen Zubehörteile und dergleichen eine gewisse Einstellung hinsichtlich der Ventile 23 und 24 und weitere Untersuchungen erforderlich sein können, um den maximalen Absorptionswirkungsgrad zu erzielen.

Die in Flg. 8 dargestellte Kurire veranschaulicht die Änderung des Absorptionswirkungsgrades des in Fig. 6 dargestellten Systems für den Fall, dad sich der Pegel des Eintauchens bzw. die Eintauchtiefe der Strahlbelüftungsvorrlchtung 14 lindert. Die Untersuchungen, in Verbindung mit denen diese Kurve erzielt worden ist, wurden unter einer festen Gasströmungsgeschwindigkeit von fünf Pfund pro Stunde pro FlUssigkeitsstrahldüse 15 durchgeführt· Tatsächlich bestand die Strahlbelüftungsvorrichtung, die generell Bit 14 bezeichnet ist und die in der in Fig. 6 schematisch angedeuteten Testeinrichtung benutzt wurde, aus insgesamt zwölf Flüssigkeitsdüsen 15, die von eine» einzigen Gehäuse radial nach außen verlaufen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dafl die durch die Erfindung erziel-baren Absorptionswirkungsgrade nicht von der Anzahl der vorgesehenen FlUssigkeitsstrahldüsen abhängen, obwohl es den Anschein hat, daß die Gesastgeschwindigkeit der Auflösung von Sauerstoff in der Flüssigkeit sich entsprechend

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d«r Anzahl d«r Flüsaigkeitsstrahlen Ändert.

In Fig. 8 1st gazaigt, daß dar Absorptionawirkungsgrad geaäß dar Erfindung »ich eine« ¥«rt Ton nahezu 50% sogar In de« Fall nähert, daß dar Flüssigkeitsstrahl nabe an dl« Oberfläche 11a dar Flüssigkalt 11 In dem Behälter 10 herangeführt 1st· Dar Absorptionsvirkungegrad steigt auf eine Erhöhung das Flüeeigkeitsstrehl-Eintauchpegels bzw. dar enteprechenden Eintauchtiefe an« Ein nahezu 100%iger Abaorptionswirkungsgrad wurde erzielt, wann dia Flüsaigkeitsatrehlen etwa 6 m (entaprechend 20 FuS) unterhalb dar Oberfläche 11a dar Flüssigkeit 11 festgelegt waren.

Ia Zuge dar Untersuchungen war dia Flüssigkeit 11 In dea Behälter 10 Leitungswasser unter Standardbedingungen. Auf dar Grundlage von Vergleichstestdaten sind Jedoch dia stark erhöhten Absorptionswirkungsgrade, dia dia Erfindung zu liefern !»stände 1st, auch in 6»r Abwasaerflüssigkeit erzielbar, dia In Belüftungsbehftlter von aktivierten Schlaaaabwaeser-Behandlungssyeteeen eingeführt werden. Darüber hinaus hat sich jedoch gezeigt, als ob dia Prinzipien dar Erfindung Is irgendeine« Fall anwendbar sind, la dem •s erwünscht 1st» ein Gas la einer Flüssigkeit unter Erzielung stark erhöhter Absorptionswirkungsgrade zu lösen.

Auf dar Grundlage dar Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigt sich, daß Änderungen hinsichtlich das Druckabfalle übar dan FlUssigkeitsdüsen 15» vie sie In Flg. 6 gezeigt sind, eine be stielte bzw. eindeutige Auswirkung auf dan Absorptionswirkungsgrad das Systeme haben. WIa la dar la Fig. 9 gazeigten Karre veranschaulicht, erfordert dar Abeorptiona-

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wirkungsgrad ein·· gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebauten Systems wahrscheinlich einen Flüssigkeitsdüsen-Druckabfall von etwa 0,35 ata (entsprechend 5 psia)₉ ua ein lebensfähiges oder praktisches kommerziel le» System zu erhalten. Der Druck kann in vorteilhafter Velse auf etwa 0,70 bis 0,84 ata (entsprechend 10 bis 12 ρei·) gesteigert werden. Ein weiterer Druckabfall scheint Jedoch nicht den Absorptionswirkungsgrad in irgendeinem nennen «werten Ausmaß zu steigern· Auf der anderen Seite erfordert dies den Aufwand zusätzlicher Energie.

Ee wurden Untersuchungen durchgeführt, in des Bestreben zu bestimmen» ob die Verweilzeit der Flüssigkeit innerhalb des hydraulischen Kreises eine gewisse bedeutsame Beziehung zu dem Absorptionswirkungsgrad in sich trägt· In Fig. 10 ist eine Kurve angegeben» die die Änderungen des Absorptionswirkungsgrades mit den Änderungen der FlUssigkeltsverweilzeit zeigt, das ist die Zelt, die von dem Zeitpunkt vergeht» zu dem die Flüssigkeit in dem hydraulischen Kreis 36 zuerst in den gasförmigen Sauerstoff eingeführt wird» bis zu dem Zeitpunkt» zu dem die Flüssigkeit von den Flüssigkeitsdüsen 15 in die Flüssigkeitsmasse 11 abgegeben wird. Diese Kurve zeigt» daß innerhalb von Grenzen eine Zunahme in der Verweilzelt zu einer Zunehme des Absorptionswirkungegrades führt. Ferner zeigt die betreffende Kurv· jedoch» daß eine Verweilzelt von zumindest etwa 5 Sekunden erforderlich 1st» um einen kommerziell annehmbaren Absorptionswirkungsgrad zu liefern.

£s dürfte selbstverständlich einzusehen sein» daß im Hinblick auf Irgendein gegebenes System der Wunsch bestehen kann.

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die Strömwgegeschwindigkeiten dea gasförmigen Sauerstoffs tind der umgewälzten Flüssigkeit derart einzustellen, daß der maximale Absorptionswirkungsgrad fur das betreffende Syaten geaäß den Prinzipien der hier beschriebenen Erfindung erzielt wird. Dies« Einstellungen sind jedoch gewöhnlich vorzunehmende Einstellungen·

Es wurden ferner Untersuchungen durchgeführt, bei denen die Abgab« durch die Flüssigkeitsdüsen 15 direkt in die Flüssigkeit 11 erfolgte, und zwar sowohl Bit als auch ohne den Vorteil der Gas-Flüssigkeits-Düsen 26» die die Flüssigkeitsdüsen 15 umgeben. In Fig. 11 ist gezeigt» daß der Absorptions-Wirkungsgrad etwas gesteigert 1st» wenn dl« von den Flüssigkeitadüaen 15 abgegebenen, alt hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahlen τοη den Düsen 26 umgeben sind. Diese Düsen 26* die In amr Ausführungsfom gemäß Fig. 6 gezeigt sind» dienen lediglich als Ummantelungen bzw· Wanten, die sekundär· Flüssigkeitsstrom« erzeugen» welch· die von den Düsen 15 abgegebenen strahlen umgeben. Da dl· mit der Bereitstellung der Ummantelungen der Düsen 26 verbundenen Kosten ziemlich gering sind» sollte die bevorzugte Ausführungsform die Düsen 26 enthalten, um den Absorptionswirkungsgrad zu steigern» wie dies durch die in Flg. 11 dargestellte Kurve veranschaulicht ist.

In den Untersuchungen lag die mittlere Geschwindigkeit in dem hydraulischen Kreis bzw· der hydraulichen Anordnung 36 zwischen dem Bereich von etwa 1,2 bis 2,4 m pro Sekunde (entsprechend 4 bis 8 Fuß pro Sekunde). Es zeigt sich, daß Änderungen In der mittleren Flüssigkeit age schwind! gkeit

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gewisse Änderungen in Absorptionswirkungsgrad hervorrufen können. £s zeigt sich Jedoch wieder einmal, daß die einzig· Forderung bezüglich der Geschwindigkeit darin besteht, d&3 es genügt, einen Turbulenzzustand der Flüssigkeit innerhalb des hydraulischen Kreises zu erzeugen, so daß der gasförmige Sauerstoff mit der Flüssigkeit vermischt wird.

£3 dürfte einzusehen sein, daß jegliches Belüftungssystem das kommerziell als akzeptabel und wirtschaftlich angesehen werden kann, zusätzlich zur Lieferung von akzeptablen Absorptionswirkungsgraden bei akzeptablen Gasübertragungsraten ferner imstande sein muß, Absorptionswirkungsgrade und Gasübertragungsraten bei annehmbaren !Energieanforderungen zu liefern.

In Fig. 3 ist angegeben, daß die vorliegende Erfindung inst ande ist, extrem hohe Absorptionswirkungsgrade bei wirtschaftlich annehmbaren Gasübertragungsraten bzw· -geschwindigkeiten zu liefern. In Flg. 12 1st angegeben, dad diese hohen Absorptionswirkungsgrade und Geschwindigkeiten bei relativ niedrigen und gänzlich annehmbaren Energieanforderungen erzielbar sind. Fig. 12 zeigt dabei in der Tat, daß die vorliegende Erfindung wesentlich weniger Energie für die Lösung des Sauerstoffs in der Flüssigkeit erfordert als das herkömmliche Strahlbelüftungssystem, und zwar unabhängig davon, ob Luft oder hochreiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird.

Im Vergleich der Absorptionswirkungsgrade der gemäß den Prinzipien dieser Järflndung aufgebauten und betriebenen Systeme mit den Absorptionswirkungsgraden der bisher

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bekannten "Sauerstoff^H-Systerne, die eine Aufeinanderfolge von vollständig geschlossenen Behältern oder Zellen erfordern, zeigt ftich₉ daß die vorliegende Erfindung verhältnismäßig günstig hinsichtlich der Wirkungsgrade ist, und darüber hinaus derartige Wirkungsgrade in einem Ein-Durchlauf-Kontaktsyaten mit eines offenen Behälter erzielt.

In Flg. 5 sind Einzelheiten der StrahlbelUftungsvorrich·- tung 14 näher gezeigt. Das Luftrohr ZQ ist als mit der StrahlbelUftungcvorrlchtung 14 verbunden dargestellt, und zwar in der in Fig. 4 dargestellten Weise. In dem in Fig. dargestellten System ist Jedoch das Rohr 2B weggelassen, wie dies oben erwähnt worden ist. Es sollte Jedoch auch hier darauf hingewiesen werden, daß zwar die dargestellte Ausführungsform der Strahlbelüftungsvorrichtung 14 hier eine Vielzahl von Flüssigkeitsstrahldüsen enthält, die in einer "BUschel'-Fora angeordnet sind; die Prinzipien der .Erfindung sind jedoch in gleicher Weise auf Systeme anwendbar, in denen individuelle und getrennte FlUsslgkeitsstrahldüsen verwendet werden, um die mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahlen in dem Belüftungsbehälter 10 zu liefern.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Auflösung von gasförmige« Sauerstoff in einer Flüssigkeit« durch Begrenzen einer Flüssigkeit*- Masse, in der der gasförmige Sauerstoff aufzulösen ist_t durch Hindurchschalten der Flüssigkeit aus der Flüssigkeit» nasse durch eine eine Fluidpumpe enthaltende hydraulische Anordnung und durch Zurückleiten der Flüssigkeit in die Flüssigkeitsmasse» wobei der gasförmige Sauerstoff in die Flüssigkeit in der hydraulischen Anordnung eingeführt und die Flüssigkeit aus der hydraulischen Anordnung durch eine FlUssigkeitsdüse in die Flüssigkeitsnasae abgegeben wird, dadurch a^ftfnnif KfiftT^i daß der gasförmige Sauer· stoff in die Flüssigkeit auf der Ansaugseite der Fluid» pumpe (19) eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» dad der gasförmige Sauerstoff durch eine Flüsaigkeita-Sauerstoff-Abgabevorrichtung (31) in die Flüssigkeit eingeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene nach Anspruch oder 2, mit einer Utawälzeinrichtung, welche aus einer eine Fluidpumpe enthaltenden hydraulischen Anordnung besteht« wobei mittels der Fluidpumpe die Flüssigkeit der Flüssigkeitsmasse durch die hydraulische Anordnung geleitet und zu der Flüssigkeitsmasse zurückgeführt wird» mit einer Abgabeeinrichtung zur £inführung von gasförmigem Sauerstoff in die in der hydraulischen Anordnung befindliche Flüssigkeit, und mit FlUsslgkeitsdüseneinrichtumgen für die Abgabe der Flüssigkeit aus der hydraulischen Anordnung in die Flussigkeitsmasse, dadurch gekennzeichnet» daß die Abgabeeinrichtung (3D Einführmittel enthalt, durch die der gasförmige Sauerstoff in der hydraulischen

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Anordnung (17,19,20) auf der Ansaugseite dor hydraulischen Pumpe (19) In dl« Flüssigkeit einführbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet» daß die Abgabeeinrichtung (31) eine Flüssigkeits-Sauerstoff-Abgabeanordmmg enthält.

5· Verfahren zur Auflösung von gasförmigem Sauerstoff in einer untereättigten Flüssigkeit, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dad eine Flüssigkeits»*ese (11) umgrenzt wird, in der der gasförmig· Sauerstoff zu lösen ist, daß eine Flüsßigkeitsaenge aus der Flüsaigkeitsmasse (11) abgeführt wird, daß der Druck der abgeführten Flüssigkeit erhöht wird, daß ά·τ gasförmige Sauerstoff in die unter Druck stehende Flüssigkeit zwecks Erhöhung des Sauerstoffgehalts dieser Flüssigkeit eingeführt wird und daß die unter Druck stehende Flüssigkeit durch eine FlüssigkeitsdUse (15) in die Flüssigkeit««·*»« (11) zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmig· Sauerstoff in die unter Druck stehende Flüssigkeit in For« von kleinen Blasen mit einen mittleren Durchmesser von etwa 2 mm oder weniger eingeführt wird.

7# Verfahren zur Steigerung des Sauerstoffgehalts einer unters*ttigten Flüssigkeit*»*»*·, insbesondere nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6» dadurch gekennzeichnet, daß aus der unterslttlgten Flüssigkeit ein Flüssigkeitsstrom gebildet wird» daß dieser Flüssigkeitsstrom unter Druck gesetzt wird* daß gasförmiger Sauerstoff in diesen Flüssigkeitsstrom eingeführt wird und daß der betreffende

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Flüssigkeitsstrom In dl« Flüaaigkeitamasie (11) aus der unteraättigten Flüssigkeit durch «ine Flüssigkeitadüse (13) derart abgegeben wird» daß daran Geschwindigkeit erhöht und daran Druck vermindert ist·

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß aus der aus untaraättigter Flüssigkeit bestehenden Flüssigkeitsaasae (11) Flüssigkeit abgeführt wird und daß zuaindest ein Teil der Flüssigkeit in den unter Druck stehenden Flüssigkeitsstrom geleitet wird.

9· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekannzeichnet» daß der gasförmige Sauerstoff in den Flüssigkeitsstrom auf der Stromaufwärtsaelte das Bereiches das Flüssigkeitsstrom« s eingeführt wird, in welchen die Flüssigkeit unter Druck gesetzt wird.

10· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß durch die Flüssigkeitsdüse (15) ein Druckabfall von zuaindest etwa 0,35 ata (entsprechend 5 psia) in dar Flüssigkeit daa Flüssigkeitsetroma hervorgerufen wird.

11· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet» daß der gasförmige Sauerstoff in die Flüssigkeit in dam unter Druck stehenden Flüssigkeitsstrom in einem Verhältnis zwischen etwa 10i10⁶ bis 270 HO⁶ eingeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in das unter Druck stehenden Flüssigkeitsstrom vor Abgab« in die Flüssigkeitsmesse (11) zumindest etwa fünf Sekunden nach Einführung des gasförmigen Sauerstoffs in dam Flüssigkeitsstrom gehalten wird·

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13. Verfahren nach Anspruch 7 » dadurch gekennzeichnet, daß des Flüssigkeitsstrom auf der Einströmungsselte der FlUsslgkeltsäUse (15) «ine Geschwindigkeit von zumindest etwa 1,2 m/sec (entsprechend 4 Fuß pro Sekunde) erteilt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Sauerstoff In der Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrom·« In einer Menge von zumindest etwa 10 Pfund Sauerstoff auf eine Million Pfund Flüssigkeit gelöst wird.

15. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Flüsslgkeltsdttse (15) von einer Ummantelung (26) uegeben wird, durch welche Flüssigkeit aus der Flüssig» keitsmasse veranlaßt wird, zwischen der Flüselgkelts-» dUse (15) und der betreffenden Ummantelung (26) zu fließen und sich Kit der von der FlüsslgkeitsdUse (15) abgegebenen Flüssigkeit zu vermischen·

16. Verfahren nach einen der Ansprüche 1,2 oder 5 bis 15, zur Auflösung von gasförmigen Sauerstoff in einer Flüssig* keitsvaase aus einer untersftttigten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom der untersättigten Flüssigkeit von einer Quelle durch eine eine Flüssigkeitspumpe (19) enthaltende hydraulische Anordnung (17t19»20) umgewälzt wird, daß ein Strom gasförmigen Sauerstoffs in den Flüssigkeitsstrom derart eingeführt wird, daß zumindest ein Teil des Sauerstoffe in dem Flüssigkeitsstrom aufgelöst wird, und daß der Flüssigkeitsstrom und der in diesen eingeführte Sauerstoff durch eine Düse (15) in die Flüsslgkeitsmaaae (11) unterhalb deren Oberfläche (11a) und in Form eines alt hoher Geschwindigkeit auftretenden

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Strahl·» abgegeben werden» wobei das Gewicht-Strömungs-Verhfiltnia von Sauerstoff und Flüssigkeit im Bereich von 10s10⁶ bis 270110⁶ und der Druckabfall in de* Flüssigkeitsstrom über der Düse bei zumindest 0,35 ata (entsprechend 5 psia) liegen«

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bit hoher Geschwindigkeit auftretende Strahl auf der Auetrittsseite der Düse derart ummantelt wird» daß eine langgestreckte, konstant konvergierend verlaufende Strömungsbahn für den alt hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahl und die Flüssigkeit aus der FlUsslgkeltsmasse (11) geschaffen ist, die alt dieses Strahl in Kontakt gelangt, bevor der betreffende, mit hoher Geschwindigkeit auftretende Strahl in die Flüssigkeits-Basse abgegeben wird·

18. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom Flüssigkeit enthält, die aus der FlUsslgkeitsmasse (11) umgewälzt wird.

19. Vorrichtung zur Auflusung von gasförmigem Sauerstoff in einer Flüsslgkeltsmasse aus einer usterslttigten Flüssigkeit» zur Durchführung des Verfahrens nach eines der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorratseinrichtung (12) vorgesehen ist, die eine Flüsslgkeitsmmsse (11) aus der unter sättigten Flüssigkeit umgrenzt, daß eine hydraulische Anordnung (17» 19, 20) mit einer Flüssigkeitspumpe (19) vorgesehen 1st, durch die ein Flüssigkeitsstrom aus der untersättigten Flüssigkeit von einer FlUssigkeltsquelle umgewälzt wird, daß

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Rohreinrichtungen (30) vorgesehen sind, die mit der hydraulischen Anordnung (17,19»20) derart verbunden sind, dad ein Streak aus gasförmig·» Sauerstoff in den Flüssigkeitsstrom einfUhrbar ist. und daß rait der hydraulischen Anordnung (17,19,20) DUseneinrichtungen (15) verbunden sind» die den Flüssigkeitsstrom in die Vorratseinrichtung (12) in Form eines mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Strahles abzugeben gestatten.

20« Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Rohreinrichtungen (30) eine Gas-Flüssigkeits-Abgabeeinrichtung (31) enthalten, die die hydraulische Anordnung (17,19,20) über der Flüssigkeitspumpe (19) verbindet.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Rohreinrichtungen (30) so ausgebildet und angeordnet sind, daß der Stroa gasförmigen Sauerstoffs in die hydraulische Anordnung (17,19,20) auf der Eintrittsseit· oder Niederdruckseite der Flüssigkeitspumpe (19) einfUhrbar ist.

22· Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß dl· Flüssigkeitspumpe so ausgebildet und angeordnet 1st» daS die Flüssigkeit in der hydraulischen Anordnung (17,19,20) auf der Eintrittsseite der Düse (15) mit einer Geschwindigkeit von zumindest etwa 1,2 m/eec (entsprechend 4 Fuß pro Sekunde) auftritt.

23· Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die Ronreinrichtungen (30) so ausgebildet und angeordnet sind, daß der Sauerstoff in den Flüssigkeitsstrom in Form von Blasen alt eine« mittleren Durchmesser von etwa 2 mm oder weniger einführbar 1st.

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