DE2634494A1 - Neue injektoren zur fluessigkeitsbegasung - Google Patents

Neue injektoren zur fluessigkeitsbegasung

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Description

Bayer Aktiengesellschaft
Zentralbereich Patente, Marken und Lizenzen
5090 Leverkusen, Bayerwerk Gr /bc
30. Juli 1976
Neue Injektoren zur Flüssigkeitsbegasung
Zur Intensivierung des Stofftransports im System gasförmig/ flüssig werden unter anderem Zweistoffdüsen wie Injektoren, Strahlsauger, Strahldüsen, Venturi-Düsen .usw. verwendet. Diesen Düsen ist gemeinsam, daß die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles (nachfolgend Treibstrahl genannt) genutzt wird, um das Gas in möglichst feine Gasblasen zu zerteilen. Solche Düsen werden in zunehmendem Maß als Gasverteiler in Blasensäulen und besonders bei der Begasung von biologischen Klär- oder Fermentationsanlagen mit sauerstoffhaltigen Gasen eingesetzt (Deutsche Offenlegungsschriften 2 400 416, 2 404 289, 2 408 064, 2 410 574, 2 516 371, 2 458 449).
Beim übergang von Zweistoffdüsen mit kleinem Durchmesser (Durchmesser der Treibstrahldüse $10 mm) zu größeren Düsen (Durchmesser der Treibstrahldüse ^10 mm) muß der Nachteil einer wesentlich kleineren Effektivität in Bezug auf die erzeugte Phasengrenzfläche flüssig/gasförmig in Kauf genommen werden, was sich z.B. in niedrigeren spezifischen Sauerstoff-Eintragswerten (kg 02/kWh) bemerkbar macht.
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Dieser Sachverhalt hängt damit zusammen, daß die Randpartien des Treibstrahls stärker am Zerteilen des Gases beteiligt sind als etwa der Kern des Treibstrahls. Da jedoch beim Vergrößern des Treibstrahldurchmessers der Strahlenquerschnitt mit dem Quadrat, sein Umfang aber nur linear zunimmt, ergibt sich mit der Vergrößerung des Treibstrahldurchmessers, daß ein immer kleinerer Anteil des Treibstrahldurchsatzes seine kinetische Energie zum Gaszerteilen in der Zweistoffdüse aufwenden kann (vgl. M.L. Jackson AIChE J. 10 (1964) 6, 846/842, M.L. Jackson und W.D. Collih, I & EC Process Disign and Develop. 3 (1964) 4, 386/393).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Injektoren zu konzipieren, die insbesondere bei Vergrößerung des Durchmessers der Treibstrahldüse ihre Effektivität in Bezug auf die erzeugte Phasengrenzfläche flüssig/ gasförmig behalten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit Injektoren, die insbesondere für die Intensivierung des Stofftransports im System "gasförmig/flüssig geeignet sind und bei denen die kinetische Energie des Treibstrahls mit einem hohen Wirkungsgrad zur Erzeugung feinster Gasblasen in einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischraum so gestaltet ist, daß er einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt besitzt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Intensivierung des Stofftransports im System gasförmig/flüssig durch Kontaktieren eines gasförmigen
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Mediums mit einem flüssigen Medium, wobei die Energie des Treibstrahles gezielt zur Erzeugung feinster Gasblasen ausgenutzt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Treibstrahl mit Geschwindigkeiten zwischen etwa 5 bis 30 Meter pro Sekunde nach Austritt aus der Treibstrahldüse in mindestens einem nachfolgenden Mischraum mit schlitzförmigem Austrittsquerschnitt mit Gas innig in Kontakt bringt, wobei das Verhältnis von Gasdurchsatz in ITi^ pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m3 pro Stunde auf etwa 1 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10 eingestellt wird.
Zur Erzeugung einer großen Stoffaustauschflache zwischen der Flüssigkeit und dem Gas ist es erforderlich, das Gaskontinuum in feinste Primär-Gasbläschen zu zerteilen und dafür zu sorgen, daß die Gas/Flüssigkeits-Dispersion schnellstens in die umgegende Flüssigkeit eingemischt wird, damit die Gasblasen-Koaleszenz möglichst hintangehalten wird.
Die vorliegende Erfindung löst diese beiden Aufgaben dadurch, daß der Mischraum des Injektors so ausgeführt wird, daß er aus einem bevorzugt kreisrunden bis ovalen Querschnitt (Eintrittsquerschnitt) in einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt übergeht. Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, daß es zwischen Eintritt und Austritt des Mischraumes zu einer Querschnittsverengung kommen muß. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Begrenzungsflächen des Mischraumes verursacht eine fortwährende
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Erhöhung der Schergeschwindigkeiten in der Grenzschicht entlang dieser Begrenzungsflächen des Mischraumes, was sich wiederum günstig auf die Bildung von feinsten Primär-Gasbläschen auswirkt.
Die erfindungsgemäße Maßnahme, den Mischraum eines Injektors zum Mischraumende hin in Form eines Schlitzes zu gestalten bringt es mit sich, daß aus dem Mischraum anstelle eines üblicherweise dicken Strahles der Gas/ Flüssigkeitsdispersion ein flaches Band herausschießt. Dieser wird Dank seiner kleineren Dicke leichter durch die umgebende Flüssigkeit verdünnt, wodurch die Tendenz zur Blasen-Koaleszenz herabgemindert wird.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung des Mischraumes eines Injektors bedingen, daß der anfangs erwähnte Nachteil der kleineren Effizienz bei großen Injektorausführungen praktisch aufgehoben wird.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Injektors so dargestellt, daß durch das ausgesparte Segment in der Wandung der Blick in das Innere der Vorrichtung möglich ist. Dabei kommt den Ziffern im einzelnen folgende Bedeutung zu:
1 Treibstrahldüse
2 Mischraum
3 kreisrunder Mischraumeintritts-Querschnitt
4 schlitzförmiger Mischraumaustritts-Querschnitt
5 Gaseintritt
6 Flüssigkeitseintritt
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Der Injektor besteht u.a. aus einer Treibstrahldüse (1) und einem Mischraum (2). Die Treibstrahldüse weist zwecks Erzeugung eines instabilen und oberflächenaufgerauhten Flüssigkeitsstrahls einen Öffnungswinkel von 5 bis 10° auf. Es sind auch andere Ausführungsformen der Treibstrahldüse möglich, z.B. solche, bei denen der Querschnitt am Treibstrahldüsenaustritt oval ist, um den Flüssigkeitsstrahl besser der Form des anschließenden Mischraumes anzupassen.
Werden die Abmessungen des Injektors durch die Vielfachen des charakteristischen engsten Durchmessers d der Treibstrahldüse ausgedrückt, so beginnt in einem Abstand von etwa 1 bis 3 d von der Treibstrahldüse entfernt der Mischraum, der in seiner bevorzugten Ausführungsform durch folgende Abmessungen gegeben ist:
Durchmesser des kreisrunden Querschnitts am Beginn des Mischraumes: etwa 3 d,
Länge des Mischraums etwa 5 bis 2Od, vorzugsweise 10 bis 15 d,
Höhe des schlitzförmigen Querschnitts (d.h. der kleinste Durchmesser an der Austrittsfläche) am Ende des Mischraumes: etwa 1 d.
Wird ein Mischraum gewählt, der am Eintritt einen Querschnitt aufweist, der weder kreisrund noch oval ist, so soll seine Querschnittsfläche an dieser Stelle etwa der
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5- bis 25-fachen, bevor2ugt jedoch etwa der 10-fachen Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an ihrer engsten Stelle entsprechen. Bei diesen Querschnittsflächen kann das Verhältnis des längsten zum kürzesten Durchmesser der Querschnittsfläche etwa zwischen 1 bis 3, vorzugsweise 1 bis 2 liegen. Am Austrittsende des Mischraumes beträgt die Querschnittsfläche etwa das 5- bis 25-fache, vorzugsweise das 8- bis 12-fache der Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an der engsten Stelle. Vorzugsweise ist auch die Austrittsquerschnittsfläche des Mischraumes mindestens so groß wie die Eintrittsquerschnittsfläche. Bei der Austrittsquerschnittsfläche kann das Verhältnis vom längsten zum kürzesten Durchmesser dieser Fläche etwa zwischen 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10 liegen. Die Entstehung von Drall im Mischraum ist zu vermeiden.
Die Leistungsfähigkeit eines Injektors mit erfindungsgemäßer Ausführung des Mischraumes wird im folgenden mit Versuchsergebnissen belegt, die an verschieden ausgeführten Injektortypen ermittelt wurden. Diese Injektortypen wurden unter identischen Bedingungen als Gasverteiler in einer Blasensäule eingesetzt, deren Durchmesser 0,60 m und deren Flüssigkeitshöhe 1,80 m betrug. Es wurden 3 Injektortypen miteinander verglichen, deren Treibstrahldüse immer die gleiche Form besaß. Ihr engster Durchmesser betrug 10 mm und ihr Öffnungswinkel 7°. Die Länge des Mischraumes betrug bei allen 3 Injektoren 14 d, sein am Anfang kreisrunder Querschnitt hatte einen Durchmesser von 3 d. Die Treibstrahlgeschwindigkeit war bei allen Messungen konstant; sie betrug 14,2 m/sec,
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bezogen auf den engsten Querschnitt in der Treibstrahldüse.
Beim Injektortyp A verjüngte sich der Mischraum ständig so, daß am Ende ein kreisrunder Querschnitt mit einem Durchmesser von 2 d vorlag. Beim erfindungsgemäßen Injektortyp B veränderte sich der Querschnitt des Mischraumes stetig so, daß am Ende ein Schlitz von der Höhe (d.h. kleinstmöglicher Durchmesser im Austrittsquerschnitt) 1 d vorlag, wobei seine Querschnittsfläche der eines Kreises vom Durchmesser 2 d (also wie beim Injektortyp A) entsprach. Beim besonders bevorzugten Injektortyp C veränderte sich der Mischraum stetig ebenso wie beim Injektortyp B, womit am Ende ebenso ein Schlitz von der Höhe 1 d vorlag, nur war hier kein Rohr gleichen Querschnitts, sondern ein kegelförmig erweitertes Rohr zu einem Schlitz verengt worden, wobei nach der Abplättung über die ganze Länge des Mischraumes der Querschnitt unverändert geblieben war.
Werden Injektoren zur Beurteilung ihrer Effizienz als Gasverteiler in Blasensäulen vermessen, so lassen sich bei verschiedenen vorgegebenen Werten der Prozeßparameter, Normgasdurchsatz q und Flüssigkeitsdurchsatz q die Höhe der begasten Flüssigkeitsschicht sowie die Druckverluste der beiden Fluids bestimmen. Aus der jeweiligen Höhe der begasten Flüssigkeitsschicht läßt sich nach Abzug der Höhe der unbegasten Flüssigkeitssäule das Gasvolumen Vg der Blasensäule berechnen. Aus den Druckverlusten der beiden Fluids werden die Netto-
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Leistungen ermittelt, die zum Verdichten des Gases sowie zum Erzeugen des Treibstrahls nötig sind. Bezieht man nun das Gasvolumen Vg auf die Summe beider dazu aufgewandten Netto-Leistungen ^P, so gewinnt man einen Ausdruck für die Effizienz des untersuchten Injektors, der eine Funktion des Verhältnisses beider Prozessparameter ist.
In Figur 2 ist die Effizienz-Charakteristik der untersuchten drei Injektortypen A, B und C dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse das Verhältnis der beiden Proßesparameter Normgasdurchsatz in m /h und Flüssigkeitsdurchsatz in m /h und auf der Ordinate das Gasvolumen Vg in Normkubikmetern iiLj bezogen auf die Summe beider Netto-Leistungen in Watt aufgetragen.
Man erkennt aus Figur 2, daß der Injektortyp B im Optimum um etwa 20 % besser als der Injektortyp A arbeitet. Beide Ausführungen haben gleiche Anfangs- und Endquerschnitte. Bei Injektortyp B laufen die Begrenzungsflächen des Mischraumes mit einem größeren Winkel zusammen, da der Schlitz nur eine Höhe von 1 d aufweist, während die kreisrunde öffnung bei Injektortyp A einen Durchmesser von 2 d hatte.
Vergleicht man Injektortyp C mit der Ausführung B, so ist im Optimum wiederum eine Steigerung der Effizienz von etwa 30 % festzustellen. Bei beiden Ausführungen laufen die Begrenzungsflächen des Mischraumes mit dem gleichen Winkel zusammen.
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Als ein besonderer Vorteil des Injektortyps C muß noch der Umstand bezeichnet werden, daß seine Effizienz vom Parameter q / q,. praktisch unabhängig ist. Injektoren mit flachen Maxima in bezug auf die Effizienz lassen
sich im Betrieb wesentlich leichter den jeweiligen Gegebenheiten optimal anpassen als solche, deren Effizienzcharakteristik ein enges Maximum durchläuft.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Π )J Injektoren, die insbesondere für die Intensivierung des Stofftransprots im System gasförmig/flüssig geeignet sind und bei denen die kinetische Energie des Treibstrahles mit einem hohen Wirkungsgrad zur Erzeugung feinster Gasblasen in einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischraum so gestaltet ist, daß er einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt besitzt.
  2. 2) Injektoren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche am Mischraumaustritt etwa das 5- bis 25-fache der Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an der engsten Stelle beträgt.
  3. 3) Injektoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsquerschnittsfläche des Mischraumes mindestens so groß ist wie die Eintrittsquerschnittsfläche.
  4. 4) Verfahren zur Intensivierung des Stofftransports im System gasförmig/flüssig durch Kontaktieren eines gasförmigen Mediums mit einem flüssigen Medium, wobei die Energie des Treibstrahls gezielt zur Erzeugung feinster Gasblasen ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den Treibstrahl mit Geschwindigkeiten zwischen etwa 5 bis 30 m pro Sekunde nach Austritt aus der
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    Treibstrahldüse in mindestens einem nachfolgenden Mischraam mit schlitzförmigem Austrittsquerschnitt mit Gas innig in Kontakt bringt, wobei das Verhältnis von Gasdurchsatz in iiLj pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m pro Stunde auf etwa 1 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10 eingestellt wird.
  5. 5) Vorwendung von Injektoren gemäß Ansprüchen 1 bis 3 bei der Begasung von Abwasser oder bei Fermentationsprozessen.
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