DE2634496C2 - Injektor zur Begasung einer Flüssigkeit - Google Patents

Injektor zur Begasung einer Flüssigkeit

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DE2634496C2 DE2634496A DE2634496A DE2634496C2 DE 2634496 C2 DE2634496 C2 DE 2634496C2 DE 2634496 A DE2634496 A DE 2634496A DE 2634496 A DE2634496 A DE 2634496A DE 2634496 C2 DE2634496 C2 DE 2634496C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor zur Begasung einer Flüssigkeit mit einer Flüssigkeitszufuhrleitung, mit einer Gaszufuhrleitung, mit einem Mischraum, in den die Flüssigkeitszufuhrleitung und die Gaszufuhrleitung münden und der zum Austrittsende hin trichterförmig erweitert ist und mit einem Rotationskörper, der koaxial zur Flüssigkeitszufuhrleitung und im Abstand von Ihrem Ende angeordnet ist und ein solches Profil aufweist, daß der auftreffende Flüssigkeitsstrahl gleichmäßig und achsensymmetrisch aufgefächert wird.
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 verteilen. Solche Düsen werden in zunehmendem Maße als Gasverteiler in Blasensäulen und besonders bei der Begasung von biologischen Klär- oder Fermentationsanlagen mit sauerstoffhaltigen Gasen eingesetzt.
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 Oj/kWh) bemerkbar macht.
Dieser Sachverhalt hängt damit zusammen, daß die Randpartien des Treibstrahls stärker am Zerteilen des Gases beteiligt sind als etwa der Kern des Treibsirahis. Da jedoch beim Vergrößern des Treibstrahldurchmcssers der Strahlenquerschnitt mit dem Quadrat, <, :in Umfang aber nur linear zunimmt ergibt sich mit der Vergrößerung des Treibstrahldurchmessers, daß ein immer kleinerer Anteil desTreibslrahldurchsatzes seine kinetische Energie zum Gaszerteilen in der Zweistoffdüsc aufwenden kann (vergleiche M.L Jackson AICHE j. 10,
(1964) 6,842/846, M.L Jackson und W.D. Collin, 1 & EC Process Design and Develop. 3,(1964)4,386/393).
In dem deutschen Patent 7 04 592 wird eine Vorrichtung zur feinen Verteilung von Gasen in Flüssigkeiten beschrieben, in welcher das Gas und die Flüssigkeit durch konzentrisch angeordnete Rohre gegen einen PraUteüer geführt wird. Der PraUteUer befindet sich in geringem Abstand gegenüber den Mündungen der beiden Rohre, so daß schlitzartige Austrittsöffnungen entstehen, durch die das Gas-/Flüssigkeits-Gemisch hindurchgepreßt wird. Bei dieser Vorrichtung müssen Gas und Flüssigkeit unter Druck zugeführt werden. Dies bedeutet daß sowohl eine Gas- als auch eine Flüssigkeitspumpe vorgeschaltet werden müssen. Abgesehen vom apparativen Aufwand ist auch die Energiebilanz dieser Begasungsvorrichtung, insbesondere bei hohen Durchsätzen, sehr ungünstig.
Ferner ist aus der Offenlegungsschrift 19 40 458 eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten bekannt bei der die Vermischung von Gas und Flüssigkeit in einem nicht näher beschriebenen Injektor erfolgt anschließend in einer Konfusor-Zone eine Vermischung mit weiterer Flüssigkeit stattfindet und dann das so gebildete Gas-/Flüssigkeits-Gemisch durch einen Diffusor am Boden des Kontaktgefäßes in c":e Flüssigkeit eingetragen wird. Der Diffusor dient hier lediglich dazu, dem Gas-/Flüssigkeits-Gemisch eine horizontale Austrittsrichtung zu verleihen und spielt im Hinblick auf die Vermischung von Gas und Flüssigkeit keine Rolle. Das Schwergewicht liegt bei dieser Vorrichtung auf der Entstehung von Gasblasen minimaler Größe und hoher Turbulenz. Der Energiebilanz wird keine Beachtung geschenkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Injektoren zu konzipieren, bei denen die
so kinetische Energie des Treibstrahles auch bei großen Gasdurchsätzen mit einem hohen Wirkungsgrad zur Erzeugung feinster Gasblasen ausgenutzt wird. Dabei sollte die Verteilung der erzeugten Gasblasen über einen möglichst großen Querschnitt erfolgen, so daß eine schnelle Einmischung in die umgebende Flüssigkeit erfolgt, damit die Koaleszenz der Gasbläschen zu größeren Blasen weitgehend unterbunden wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Injektor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Flüssigkeitszufuhrleitung an ihrem Ende als Treibstrahldüse mit einem engsten Durchmesser d ausgebildet ist und der Abstand des Treibstrahldüsenaustrittendes vom Rotationskörper 1 d bis 3 d beträgt. Der Rotationskörper hat vorzugsweise ein zylindrisches, kegelförmiges oder parabolisch konkaves Profil.
Gemäß einer Weiterentwicklung ist der trichterförmig ausgebildete Teil des Mischraumes in individuelle Mischräume unterteilt. Ferner sollte die Länge des hin-
terdem Rotationskörper liegenden Mischraumes 5 dbis 20 «/betragen.
Der erfindungsgemäße Injektor wird vorzugsweise derart betrieben, daß man die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 5 m/s bis 30 m/s, Vorzugsweise 10 m/s bis 20 m/s, aus der Treibstrahldüse austreten läßt und das Verhältnis -"on Gasdurchsatz in m3/v/h zum Treibstrahldurchsatz in mVh auf einen Wert von etwa 2 bis 20, vorzugsweise 2 bis 5, einstellt
Hinsichtlich der Dimensionierung bzw. geometrisehen Anordnung der erfindungsgemäßen Injektoren werden nähere Angaben im Zusammenhang mit den nachfolgend beschriebenen, in den Zeichnungen dargestellten speziellen Ausführungsformen gemacht Es zeigt
F i g. 1 einen Injektor mit einem konfusor-Zdiffusorartig ausgebildeten Mischraum,
Fig.2 das in den Mischraum des Injektors gemäß F i g. 1 eingebaute rotationssymmetrische Umlenkelement (Rotationskörper),
F i g. 3 und F i g. 4 verschiedene Ausführungsformen für Treibstrahldüsen,
F i g. 5 bis F i g. 7 verschieden gestaltete Rotationskörper,
Fig.8 einen Injektor, bei dem sich der Mischraum zum Austrittsende hin zu einem Ringspalt verjüngt und das Gas und die Flüssigkeit aus gleichen Richtungen zugeführt werden,
F i g. 9 eine Injektorausführung nach F i g. 8, bei der der ringspaltförmige Mischraum unterteilt ist,
Fig. 10 eine weitere Injektorausführung mit ringspaltförmigem Mischraum, bei der das Gas und der Treibsirahl von entgegengesetzten Richtungen zugeführt werden.
In den Figuren kommt den Zahlen folgende Bedeutungzu:
1 Rohr bzw. Gehäuse
2 Treibstrwhldüse
3 Umlenkelement
4 Mischraum
5 Gaszuführung
6 Treibstrahlzuführung
7 Halterung des Umlenkelementes
8 ausgesparte Segmente im Mischraum.
40
45
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt Hierbei stellt 1 ein vorzugsweise aus Kunststoff gefertigtes, um die Treibstrahlachse rotationssymmetrisch ausgebildetes (abgesehen von der Gaszuführung 5) Gehäuse dar. Über 6 wird die Treibstrahlflüssigkeit der Treibstrahldüse 2 zugeführt 3 ist das Umlenkelement, das zentrisch in der Treibstrahlachse angeordnet ist und über drei um 120° versetzte Halterungen 7 im Gehäuse verankert ist. (In F i g. 2 in der Draufsicht dargestellt). Der Mischraum 4 verjüngt sich zunächst in Strömungsrichtung des GaS'/Flussigkeits-Gemisches.
Bei Injektoren mit größeren Treibstrahldüsendurchmessern (vorzugsweise über 20 mm) sind gegebenen- «1 falls Umlenkelemente in Form flacher Kegel (Fig.6) oder Rotationskörper mit parabolisch-konkavem Profil (F i g. 7) günstiger als plane Umlenkflächen.
Das Auffächern des Treibstrahls beim Aufprall auf das Umlenkelement iäßt sich durch eine entsprechende Ausbildung der Treibsirahldüse unterstützen. Während die leicht konisch sich verjüngende Treibstrahldüse (Fig.3) einen sogenannten Glattstrahl erzeugt, dessen Auffächerung überwiegend durch das Umlenkelement besorgt wird, erzeugen Treibstrahldüsen mit kegelförmig erweiterter Öffnung entsprechend F i g. 4 leicht aufgefächerte und oberflächenaufgerauhte Treibstrahlen, zu deren gleichmäßiger Verteilung über den Rohrquerschnitt des Mischraumes 4 weniger kinetische Energie aufgewandt werden muß als im Fall des Glattstrahls. Außerdem kann hier ein kreisförmiges Umlenkelement im Durchmesser um etwa 20—50% kleiner sein.
In Folge der erfindungsgemäßen Auffächerung des Flüssigkeitsstrahls über den Querschnitt des nachfolgenden Mischraumes kann die Effizienz der Vermischung der Flüssigphase mit der Gasphase durch nun zur Verfügung stehende zusätzliche Parameter wie Form und Größe des Umlenkelements, Form der Treibstrahldüse, Abstand der Treibstrahldüse — Umlenkelement den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit (z. B. Zähigkeit) gezielter angepaßt und weiter optimiert werden.
Bei dem Injektor nach F i g. 1 empfe'/';n sich folgende Dimensionierungen. Bezogen auf den engster. Durchmesser der Treibstrahldüse d sollte die Treibstrahldüse eine Länge von etwa 5 bis 10 d, vorzugsweise 6 bis 8 d besitzen. Die Treibstrahldüse beginnt hierbei im Anschluß an den zylindrischen Flüssigkeitszuführungsteil 6, wobei sie sich zunächst kegelstumpfartig verengt (Verengungswinkel etwa 5 bis 25°), um sich dann erneut kegelstumpfartig zu erweitern (Öffnungswinkel 2 bis
Bezogen auf die Austrittsstelle aus der Treibstrahldüse wird das Umlenkelement 3 im Abstand von etwa 1 bis 3 d angeordnet Das Umlenkelement selbst besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 1 d, während das das Umlenkelement umgebende Rohr hier einen Durchmesser von etwa 3 d besitzt Im Anschluß an das Umlcnkelement ist ein zunächst konisch sich verengender Rohrabschnitt als Mischraum vorgesehen (Konfusor), der eine Länge von 5 bis 20 d, vorzugsweise 10 bis 15 d besitzen soll und an seinem Ende einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 d hat. Damit ergeben sich für dies-η sich konisch verengenden Mischraum Verengungswinkel von 2 bis 7°. Im Anschluß an den Konfusor erweitert sich der Mischraum zu einem Diffuror von der Länge 3 bis 8 d, vorzugsweise 4 bis 6 d, dessen Öffnungswinkel etwa 5 bis 20° beträgt.
Der optimale Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Injektoren hinsichtlich ihrer Effektivität der Vermischung der gasförmigen Phase mit der flüssigen Phase kann wie folgt realisiert werden:
Die Treibstrahlgeschwindigkeit (bezogen auf den engsten Durchmesser der Treibstrahldüse) wird auf Werte von 5 bis 30 m pro Sekunde, vorzugsweise 10 bis 20 m "ve Sekunde eingestellt. Das Verhältnis des Gasdurchsatzes Qn in m3N (Normalkubikmeter pro h) zum Treibstrahldurchsaf. Q/in m3pro Stunde wird auf Werte von 2 bis 20, vorzugsweise 3 bis 6 eingestellt.
Werden die erfindungsgemäßen Injektoren in ihrer bevorzugten Anwendung als Gaszerteiler in biologischen Kläranlagen im sogenannten Belebungsbecken eingesetzt, wo biologisch abbaubare Substanzen in Gegenwart von Mikroorganismen und sauerstoffhaltigen Gasen, wie z. B. Luft oder technisch reiner Sauerstoff, abgebaut werden, so werden sie vorzugsweise zum Boden hin geneigt angeordnet. Auf diese Weise gewährleistet die aus dem Injektor austretende, mit Gas innig vermischte Flüssigkeit eine Umströmung des Bodens, so daß sich dort keine Feststoffe absetzen können. Diese Anordnung besitzt noch einen weiteren Vorteil.
Der Flüssigkeitsstrahl, der den Injektor verläßt, verliert erst in einer Entfernung von etwa 50 bis 80 d, vom Austrittsende des Injektors gemessen, seine kinetische Energie und zerfällt zu einem Glasblasenschwarm. Es empfiehlt sich daher, Injektoren so anzuordnen, daß die Bildung des Glasblasenschwarmes knapp über dem Boden des Belebungsbeckens erfolgt, damit den Gasblasen die volle Flüssigkeitshöhe des Belebungsbeckens zum Aufsteigen zur Verfügung steht
Die erfindungsgemäßen Injektoren können zur gleichmäßigen Verteilung eines Gases in einer Flüssigkeit über den Querschnitt des Begasungsraumes (z. B. des Belebungsbeckens) zu »Büscheln« von 4 oder mehr Injektoren zusammengefaßt werden. Hierbei können über je eine Sammelleitung die Treibstrahldüsen mit Flüssigkeit und die Gaszuführungen mit Gas versorgt werden. Während bei dieser Anordnung die einzelnen Injektoren ihre individuelle Form behalten, wie diese beispielsweise in der F i g. 1 dargestellt ist können die einzelnen Injektoren des »Injektor-Büschels« auch zu einem einzigen Injektor vereinigt werden, wobei Begasungsvorrichtungen entstehen, die nachfolgend Trichterinjektoren genannt werden. In den Fig.8, 9 und 10 sind beispielhaft Ausführungsformen für derartige Trichterinjektoren dargestellt. Fig.8 stellt hierbei einen Längsschnitt durch den Trichterinjektor, F i g. 9 eine Draufsicht dar. Im einzelnen tritt der Treibstrahl aus der Treibstrahldüse 2 aus und prallt hier gegen das Umlenkelement 3, wobei der Treibstrahl über den ganzen Querschnitt des hier nur trichterförmig ausgebildeten Mischraumes 4 aufgefächert wird. Auch hier sind die individuellen Mischräume 4 so ausgebildet daß sich deren Durchmesser in Richtung zum Austritt des Flüssigkeit-/Gas-Gemisches verjüngt, damit die Gas-/Flüssigkeit-Dispersion beschleunigt wird. Am Austrittsende des Mischraumes sollte der Spalt noch eine Höhe von etwa 20 bis 30 mm besitzen. Um dies aufrecht zu erhalten, empfiehlt es sich, gegebenenfalls Teile des trichterförmigen Mischraumes durch entsprechende Segmente auszusparen.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 10 werden Gas über 5 und Treibstrahl über 6 bzw. die Treibstrahldüse 2 auf ein Umlenkelement 3 in entgegengesetzter Richtung aufeinander zugeführt und in die individuellen Mischräume 4 geleitet
Die bislang beschriebenen Injektoren zeigen selbst bei relativ großen Treibstrahldurchmessern eine hohe Effizienz im Hinblick auf die Vermischung von Gasen mit einer flüssigen Phase und lassen sich in einfacher Weise dem jeweiligen Stoffsystem (bestimmtes Gas, welches mit einer bestimmten Flüssigkeit vermischt werden soll) anpassen. Die den Mischraum der erfindungsgemäßen Injektoren verlassende Gasdispersion wird sehr schnell in die umgebende Flüssigkeit eingemischt, wobei die Koaleszenz der Gasbläschen zu grö- ßeren Blasen weitgehend unterbunden wird. Gegenüber konventionellen Zweistoffdüsen ist der Sauerstoffeintrag in ein Belebtschlamm-haltiges Abwasser bei gleichem Leistungsaufwand bis zu 50% höher.
V/erden Flüssigkeiten begast bei denen die Gasblasen-Koaleszenz ausgeprägt ist lohnt es vielfach nicht viel Treibstrahlenergie zur Erzeugung von feinsten Gasblasen aufzuwenden, weil diese im Gasblasenschwarm doch sehr schnell zu größeren zusammenlaufen, in diesem Faii bieten die Trichterinjektoren eine energetisch günstige Möglichkeit Primär-Gasblasen stabiler Größe und enger Blasendurchmesser-Verteiler zu erzeugen, indem lediglich der Mischraum entspre chend verkürzt wird. Injektorausführungen, deren Mischraum auf einen Ringspalt reduziert ist, ergaben beim Begasen von Wasser mit Luft Primäi-Gasblasen von einer Größe, die sich sonst erst nach abgeschlossener Koaleszenz im Blasenschwarm einstellt. Gegenüber der Erzeugung von feinsten Primär-Gasblasen wird hierbei nur etwa die halbe Leistung des Treibstrahles benötigt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    t. Injektor zur Begasung einer Flüssigkeit, mit einer Flüssigkeitszufuhrleitung, mit einer Gaszufuhrleitung, mit einem Mischraum, in den die Flüssigkeitszufuhrleitung und die Gaszufuhrleitung münden und der zum Austrittsende hin sich trichterförmig erweitert, und mit einem Rotationskörper, der koaxial zur Flüssigkeitszufuhrleitung und in einem Abstand von ihrem Ende angeordnet ist und der an seiner Front ein solches Profil aufweist, daß der auftreffende Flüssigkeitsstrahl gleichmäßig und achsensymmetrisch aufgefächert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszufuhrleitung an ihrem Ende als Treibstrahldüse (2) mit einem engsten Durchmesser d ausgebildet ist und daß der Abstand des Treibstrahldüsenaustrittsendes vom Rotationskörper 1 t/bis3 c/beträgt
  2. 2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ciäu der Rotationskörper (3) ein zylindrisches, kegelförmiges oder parabolisch konkaves Profil aufweist
  3. 3. Injektor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der trichterförmig ausgebildete Teil des Mischraumes (4) in individuelle Mischräume unterteilt ist
  4. 4. Injektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des hinter dem Rotationskörper (3) liegenden Mischraumes 5 bis 20 d beträgt
  5. 5. Verfahren zum Betrieb des Injektors nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß man die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 5 bis 30 m/s, vorzugsweise 10 bis 20 m/s, aus der Treibstrahldüse austreten läßt und das Verhältnis von Gasdurchsatz in m3/v/h zum Treibstrahldurchsatz in mVh auf einen Wert von etwa 2 bis 20, vorzugsweise 2 bis 5, eingestellt wird.
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