DE2634494C2 - Neue Injektoren zur Flüssigkeitsbegasung - Google Patents

Neue Injektoren zur Flüssigkeitsbegasung

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DE2634494C2 DE2634494A DE2634494A DE2634494C2 DE 2634494 C2 DE2634494 C2 DE 2634494C2 DE 2634494 A DE2634494 A DE 2634494A DE 2634494 A DE2634494 A DE 2634494A DE 2634494 C2 DE2634494 C2 DE 2634494C2
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Description

25
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 Flüssigkeitsstrahlers (nachfolgend Treibstrahl genannt) genutzt wird, um das Gas in möglichst feine Gasblasen zu 7erteilen. Solche Düsen werden in zunehmendem Maß als Gas-Verteiler in Blasensäulen und besonders bei der Begasung von biologischen Klär- oder Fermentationsanlagen mit sauerstoffhaltigen Gasen eingesetzt (deutsche Offenlegungsschriften 24 00 416,24 04 289,24 08 064, 24 10 574, 25 16 371,24 58 449).
Zum Beispiel aus der österreichischen Patentschrift 2 70 596 und der deutschen Offenlegungsschrift 21 51 205 sind Injektoren mit einem nachgestellten Impulsaustauschraum bekannt, in den Umgebungsflüs sigkeit eingesaugt wird. Die Zerteilung dieses Gases in feine Blasen erfolgt durch Schwerkräfte zwischen dem Treibstrahl und der angesaugten Umgebungsflüssigkeit.
Beim Übergang von Zweistoffdüsen mit kleinem Durchmesser (Durchmesser der Treibstrahldüse < 10 mm) zu größeren Düsen (Durchmesser der Treibstrahldüse >10mm) 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 (VkWh) bemerkbar macht.
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, 836/842, M L. Jackson und W. D. Collin, I & Process Disign and Develop. 3(1964)4,386/393).
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für den Stofftransport im System gasförmig/flüssig bestehend aus einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt in den eine Treibstrahldüse und Gaszufuhrleitung einmünden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor zu konzipieren, der bei Vergrößerung des Durchmessers der Treibstrahldüse seine Effektivität in bezug auf die erzeugte Phasengrenzfläche flüssig/gasförmig behält
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Mischraumquerschnitt zu seinem Austrittsende hin stetig in einen schlitzförmigen Austnttsquerschnitt übergeht, wobei das Verhältnis von größtem zu kleinstem Durchmesser des Austrittsquerschnitts zwischen 5 und 20 beträgt
Der Injektor wird dabei so betrieben, daß der Treibstrahl eine Geschwindigkeit zwischen etwa 5 bis 30 Meter pro Sekunde aufweist und das Verhältnis von Gasdurchsatz in ιπν3 pro Stunde zu Treibstrahldurchsatz in m3 pro Stunde auf etwa 1 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10, eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Begrenzungsflächen des Mischraumes verursacht eine fortwährende Erhöhung der Schergeschwindigkeiten in der Grenzschicht entlang dieser Begrenzungsflächen des Misch- ( raumes, 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 zn 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 F i g. 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 V
3 kreisrunder Mischraumeintritts-Querschnitt
4 schlitzförmiger Mischraumaustritts-Querychnitt
5 Gaseintritt
6 Flüssigkeitseintritt
Der Injektor besteht a 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 3d 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 20 d, vorzugsweise 10 bis 15 4
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 5- bis 25fachen, bevorzugt jedoch etwa der lOfachen Querschnittsfläche der Treibstrahldüse an ihrer engsten Stelle entsprechen. Bei diesen Querschnittsflächen kann das Verhältris 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 25fache, vorzugsweise das 8- bis 12fache der Querschniltsfläche der Treibstrahldüse an der engsten Stelle. Vorzugsweise ist auch die Austrittsquerschniusfläche 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
j vermeiden.
Die Leistungsfähigkeit eines Injektors mit erfindungsgemäßer Ausführung des Mischraumes wird im folgenden mit Versuchsergebnissen belegt, die an verschiedenen 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 Injektorfypen 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 14dl sein am Anfang kreisrunder Querschnitt hatte einen Durchmesser von 3 d Die Treibstrahlgeschwindigkeit war bei allen Messungen konstant; sie betrug 14,2 m/sec, 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 ! d vorlag, nur war hier kein Rohr gkichen 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 qN und Flü„sigkeitsdurchsatz qta'ie. 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-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 ΣΡ, so gewinnt man einen Ausdruck für die Effizienz des untersuchten Injektors, der eine Funktion des Verhältnisses beider Prozeßparameter ist.
In Fig.2 ist die Effizienz-Charakteristik der untersuchten drei Injektortypen A, Bund Cdargestellt. Dabei ist auf der Abszisse das Verhältnis der beiden Prozeßparameter Normgasdurchsatz in mVh und Flüssigkeitsdurchsatz in mVh und auf der Ordinate das Gasvolumen Vg in Normkubikmetern itin bezogen auf die Summe beider Netto-Leistungen in Watt aufgetragen.
Man erkennt aus F i g. 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 c/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. Als ein besonderer Vorteil des Injektortyps C muß noch der Umstand bezeichnet werden, daß seine Effizienz vom Parameter q^lqi 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Injektor für den Stofftransport im System gasförmig/flüssig bestehend aus einem Mischraum mit rundem Eintrittsquerschnitt in den eine Treibstrahldüse und Gaszufuhrleitung einmünden, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischraumquerschnitt zu seinem Austrittsende hin stetig in einen schlitzförmigen Austrittsquerschnitt übergeht, wobei das Verhältnis von größtem zu kleinstem Durchmesser des Austrittsquerschnitts zwischen 5 und 20 beträgt
2. Verfahren zum Betrieb eines Injektors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl eine Geschwindigkeit von 5 bis 30 m/sec aufweist und das Verhältnis von Gasdurchsatz in niN3/h zu Treibstrahldurchsatz in m3/h auf 1 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10 eingestellt wird.
3. Verwendung von Injektoren gemäß Anspruch 1 bei der Begasung von Abwasser oder bei Fermentationsprozessen.
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