DE2643691C2

DE2643691C2 - Begasungsrührer

Info

Publication number: DE2643691C2
Application number: DE2643691A
Authority: DE
Inventors: Ralph E. Littleton Col. Hise
Original assignee: Sterling Drug Inc New York NY; Sterling Drug Inc
Current assignee: STWB Inc
Priority date: 1975-09-30
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1986-03-06
Also published as: GB1567452A; SE7610748L; SE436836B; FR2326225A1; DE2643691A1; BR7606447A; JPS5243165A; FR2326225B1; CA1050587A; US4228112A

Description

Die Erfindung betrifft einen Begasungsrührer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Begasungsrührer dieser Gattung ist aus der US-PS 36 50 513 bekannt. In dieser Patentschrift sind drei verschiedene Ausführungen eines Begasungsrührers beschrieben, bei denen das Verhältnis des Durchmessers des scheibenförmigen Begasungsrührers zur maximalen Dicke desselben im Gasdispersionsbereich ca. 15 :1,13 :1 bzw. 16:1 beträgt. Diese Verhältniswerte von Scheibendurchmesser zu Scheibendicke werden dort offensichtlich als optimal angesehen, obwohl es bereits seit langem bekannt ist, daß sehr dünne feste Begasungsrührer vorzuziehen sind, wenn der Strömungswiderstand eines derartigen scheibenförmigen Begasungsrührers infolge einer vertikal ausgerichteten Kantenfläche des Begasungsrührers, die in einer Flüssigkeit rotiert, verringert werden soll.

Ferner wurde offensichtlich angenommen, daß der Austausch der vertikal ausgerichteten Kantenfläche der rotierenden Scheibe gegen einen verjüngten Ringabschnitt gemäß der US-PS 36 50 513 den Strömungswiderstand verringern würöe, dem der Begasungsrührer ausgesetzt ist, so daß eine dünne Scheibe zur Verringerung dieses Strömungswiderstands unnötig sei und Konstruktionsprobleme bei einem scheibenförmigen Begasungsrührer derartiger Abmessungen vermieden werden könnten. Möglicherweise liegt dieser bekannten Konstruktion auch die Annahme zugrunde, daß ein Gasraum mit beliebigen porösen Platten, die dick genug sind, damit Risse unter der Einwirkung von Kräften vermieden werden, die beim Einführen von Gas in den Gasraum unter relativ hohem Druck oder auch aufgrund anderer Beanspruchungen bei normaler Benutzung ausgeübt würden, ein relativ dicker scheibenförmiger Begasungsrührer erforderlich cei, wie er in der vorgenannten US-PS beschrieben ist. Offenbar hat man auch einen tieferen Gasraum für erforderlich gehalten, um eine gleichmäßige Verteilung des Gasdrucks im Gasraum und damit uch einen gleichmäßigen Gasstrom durch den gesamten Bereich der porösen Dispersionsfläche zu erreichen. Dabei wurde aber der schädliehe Einfluß auf die Endgröße der durch den Betrieb eines Begasungsrührers erzeugten Gasblasen durch die Wirbel übersehen, die an der Kante des rotierenden scheibenförmigen Begasungsrührers abgelöst werden und im turbulenten Saugstrom sowie in dem Strom, der von dem Begasungsrührer nach außen fließt, eingebettet sind. Die grundlegende Hydrodynamik der Bildung von Saugstrom und Strom mit einer Bewegungsrichtung radial nach außen von der Kante eines rotierenden Begasungsrührers ist durch den Umstand bedingt, daß bei Rotation einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Scheibe deren Strömungswiderstand gegenüber der benachbarten Flüssigkeit eine Grenzschichtströmung an der Ober- und Unterseite der rotierenden Scheibe erzeugt. Die Dicke der Grenzschicht, d. h., die Dicke der Übergangszone von der Flüssigkeit mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Scheibe zum Hauptteii der Flüssigkeit, der praktisch stillsteht, ist im allgemeinen ziemlich dünn im Vergleich zum Scheibendurchmesser.

Die Grenzschichtströmung ist nicht eine rein tangcntiale Strömung, sondern enthält eine radial nach außen gerichtete Komponente, die durch die Fliehkraft infolge der Scheibendrehung erzeugt wird. Da die obere und die untere Grenzschicht sich spiralenartig von der Ober- und der Unterseite der rotierenden Scheibe wegbewegen, bilden sie einen Nachstrom bzw. einen Saugstrom am Scheibenrand, der seinerseits in einen spiralenartigen Strom umgesetzt wird, welcher von der Scheibe radial wegströmt. Der Saugstrom und der Strom sind grundsätzlich turbulente Strömungen, allcrdings nicht völlig ohne Struktur in Scheibennähe. Einerseits neigen die beiden Grenzschichten dazu, parallele Strömungen zu bilden, die durch die Scheibendicke getrennt sind. Andererseits löst die Flüssigkeitsbewegung, die zwischen den beiden Grenzschichten erzeugt wird, Wirbelbewegungen aus, die sich zu großen Wirbeln entwickeln, die am Scheibenrand haften.

Diese Wirbel werden periodisch von der Scheibe abgelöst, und sie bewegen sich mit der Grenzschichtsirömung spiralenförmig nach außen. Infolgedessen reißen diese Wirbel große Flüssigkeitsmengen am Rand des Saugstroms und des Stroms mit, bis die Wirbel im Strom aufgelöst sind. Das Mitreißen der vorher ruhenden Flüssigkeit in diesen Strömen bewirkt, daß der Strom auf das Zehn- bis Zwanzigfache der Strömung der Grcnzschicht anwächst. Dieses Mitreißen — wie es durch Wirbel erzeugt wird, die oft relativ groß im Vergleich zu turbulenten Wirbeln sind — wird häufig »Mitreißen im großen Maßstab« genannt.

Zur Diskussion über die Natur der Grenzschicht an der Oberfläche einer rotierenden Scheibe wird auf die bekannte Literatur verwiesen. Über die Hydrodynamik der Entwicklung des Abreißens von Wirbeln von verschiedenen Festkörpern, die sich durch eine Flüssigkeit bewegen, bei gewisser Erkenntnis des daraus resullierenden Mitreißens ruhender Flüssigkeit in großem Maßstab existieren ebenfalls wissenschaftliche Arbeiten.

Die Kenntnis der grundlegenden Prinzipien der lly-

drodynaniik, die die Entwicklung von Nachstrom und Strom am Rand einer rotierenden Scheibe zu erklären beginnen, hat jedoch bisher nicht dazu geführt, die verschiedenen einzelnen Faktoren zu untersuchen, die mit diesem Phänomen verknüpft sind, und den Einfluß von Nachstrom und Strom auf die Große der Gasblasen, die von einem Begasungs-Rührer nach außen dispergieren und dann in der Flüssigkeit hochsteigen. Zu diesen Faktoren gehören:

die Anzanl der durch Scheibenrotation erzeugten Wirbel, die Größe und gegenseitiger Abstand der Wirbel, die Bewegungsgeschwindigkeit der Wirbel von der rotierenden Scheibe radial nach außen, die Druckdifferenz zwischen Innerem und Äußerem der einzelnen Wirbel,

rührers zu seiner maximalen Dicke c/im Gasdispersionsbereich mindestens ca. 32 :1 beträgt.

Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Verwendung eines Begasungsrührer mit einer rotierenden Scheibe sehr dünner Abmessungen eine verbesserte Erzeugung von sehr kleinen Gasblasen ermöglicht. Anders ausgedrückt, ein hoher Ver-10 hältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdiffusionsbereich gewährleistet die bestmöglichen Gasblasenabscherergebnisse.

Bei einem Verhältniswert von 13 :1 bis 16:1, wie er in der bereits genannten US-PS 36 50 513 angegeben ist, die Dicke von resultierendem Nachstrom und Strom, 15 bind die Gasblasenabscherergebnisse unzureichend, da die Zerfallsgeschwindigkeit der Wirbel bei viskoser Dis- die Gasströmung bei einer gegebenen Gasblasengröße sipation, der Transport der Gasblasen von turbulentem zu klein für eine wirksame Gasauflösung ist. Mit Schei-Nachstrom-Strom in das Innere der Wirbel, die Koales- ben, die eine Dicke gemäß der besagten US-PS haben, zenz der Gasblasen im Inneren der Wirbel, der Einfluß kann eine hohe Strommenge von abgescherten feinen des Abstands zwischen den Gasblasen auf die Anzahl 20 Gasblasen nicht in die Flüssigkeit dispergieren, ohne der Gasblasen, die im Inneren der Wirbel koalesziert daß die feinen Gasblasen zu beträchtlich größeren Gassind, der Vergleich der Gasblasenkoaleszenz in kleinen blasen koaleszieren, die dann aufsteigen und die Flüssigturbulenten Wirbeln, wie sie in Nachstrom und Strom keitsoberfläche durchbrechen, während immer noch zuvorhanden sind, wobei die Koaleszenz innerhalb der viel zugeführtes Gas unaufgelöst in der Flüssigkeit Wirbel stattfindet, der Vergleich der Geschwindigkeit 25 bleibt. Selbst bei einem Verhältnis von Scheibendurchder Gasblasenkoaleszenz in den Wirbeln, die beim messer zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersions-Ubergang von laminarer zu turbulenter Strömung an bereich von sogar 27 :1 ist die Gasauflösungsrate unbeder Oberfläche der rotierenden Scheibe erzeugt wer- friedigend, wie festgestellt wurde, den, mit der Geschwindigkeit der Gasblasenkoaleszenz Es ist jedoch gefunden worden, daß ein Verhältnisin den Wirbeln, die vom Scheibenrand abgelöst sind, und 30 wert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibender Vergleich der Größe der von der Oberfläche der dicke im Gasdispersionsbereich von ca. 32 : 1 überra-Scheibe abgeschwerten Gasblasen mit der Größe der sehend gute Ergebnisse zeitigt, die für viele Gasblasen-Gasblasen, die vom turbulenten Nachstrom oder Strom abscher-Anwendungen ausreichend sind. Noch bessere am Rande der rotierenden Scheibe aufsteigen. Ergebnisse werden erhalten, wenn der Verhältniswert

Wenn der Einfluß der Scheibendicke auf diese ver- 35 von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke schiedenen einzelnen Faktoren (für sich, zusammen im Gasdispersionsbereich mindestens ca. 48 :1 beträgt, oder in gewissen Kombinationen) bereits früher unter- eine weitere Verbesserung bei mindestens ca. 64 :1 und sucht worden wäre, hätte man vielleicht diesen Einfluß noch eine Verbesserung bei mindestens 128 :1. Der beder vom Rand einer rotierenden Scheibe abgelösten vorzugte Verhältnniswert von Scheibendurchmesser zu Wirbel auf die Größe der Gasblasen, die durch Gasbla- 40 maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich zur senabscheren mit einem Begasungsrührer erzeugt wer- Erzeugung kleinstmöglicher Gasblasen mit einer sehr den, erkannt, so daß man entsprechend sehr dünne hohen Gasauflösungsrate beträgt ca. 256 :1 oder sogar Scheiben in einem derartigen Begasungs-Rührer gebaut noch mehr.

hätte. Diis war bisher jedoch nicht der Fall, d. h., der Der Grund dafür, daß die Beziehung zwischen Schei-

iingedcutete Einfluß der Scheibendicke auf die Gasbla- 45 bendurchmesser und Scheibendicke im Gasdispersionssengrößc. wie er durch die Erfindung festgestellt wor- bereich so wichtig ist, scheint der Umstand zu sein daß den ist, kam offensichtlich überraschend. aus gewissen Gründen das Ausmaß der Koaleszenz, die

Daher rühren die oben erwähnten Literaturstellen durch das Ablösen am Rand einer rotierenden Scheibe teilweise von der Erfindung weg, da sie das Vorhanden- verursacht wird, ein Mehrfaches der Koaleszenz besein eines Mitreißens ruhender Flüssigkeit in großem 50 trägt, die gewöhnlich bei typischerer Turbulenz unter Maßstab betonen, insbesondere durch Wirbel verur- anderen Bedingungen erwartet werden könnte, sacht, die am Übergang von laminarer zu turbulenter Diese schnell rotierenden Wirbel bewirken ein Mit-

Grenzschichtströmung an der Oberfläche der rotieren- reißen der Gasblasen, die in dem den Wirbeln folgenden den Scheibe erzeugt werden, wobei diese spezielle Art Nachstrom mitgeführt werden, und anschließend beder Erzeugung von Wirbeln selbstverständlich von der 55 wirkt das turbulente Aufeinandertreffen dicht benach-Scheibendicke unabhängig ist. Diese Betonung könnte barter Gasblasen in den Wirbelmitten eine Koaleszenz, die Fachwelt bisher von der Berücksichtigung des Ein- die jedoch bedeutend größer als erwartet ist. flusscs der Scheibendicke auf die Größe der Gasblasen, Bei der üblichen Turbulenz, die unter anderen Bedin-

dic bei Gebrauch eines Begasungsrührer entstehen, in- gungen auftritt, können vielleicht fünf bis zehn feine soweit abgehalten haben, als diese Gasblasengröße 60 Gasblasen gleichzeitig koaleszieren, jedoch ist das Vodurch das Ablösen von Wirbeln am Rand der rotieren- lumen der resultierenden größeren Gasblasen nicht so dun Scheibe beeinträchtigt wird, was der Erfindung als groß, daß die angestrebte schnelle Gasauflösung un-/cntralcl.rkenntnis zugrundeliegt. möglich wäre. Die Koaleszenz von feinen Gasblasen

Der hrlindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Koa- die bei sehr hohem Gasdurchsatz in Wirbeln auftreten les/enz der abgescherten Gasblasen im Nachstrom und 65 die am Rand einer rotierenden Scheibe erzeugt werden' mi Strom um den Rührer herum zu reduzieren. kann jedoch so groß sein, daß es völlig unmöglich ist'

Die Erfindung lost diese Aufgabe dadurch, daß das eine große Anzahl sehr feiner Gasblasen zu erhalten Verhältnis von Außendurchmesser D des Begasungs- durch die eine hohe Auflösunesrate hervorrufen wird'

So haben Versuche gezeigt, daß typischerweise Tausende abgescherter Gasblasen (einer Anzahl, die größenordnungsmäßig das Dreifache der Anzahl von Gasblasen beträgt, die normalerweise koaleszieren) bei hohem Gasdurchsatz zu einzelnen Gasblasen in den Wirbeln im Nachstrom/Strom, ausgehend von der Scheibe, koaleszieren, was selbstverständlich einen starken Einfluß auf das Volumen der entstandenen koaleszierten Gasblasen ausübt.

Die kritische Beziehung zwischen einer sehr dünnen Scheibe und einer wirksamen Bildung und Beibehaltung von feinen Gasblasen, wie oben ausgedrückt, dürfte auf verschiedene Umstände zurückzuführen sein:

wie aus S. 259, Fig. 4, von Paui Cooper, »Turbulente Grenzschicht an einer rotierenden Scheibe, berechnet mit realer Viskosität; AIAA Journal, 9 (1971), S.255-261, ersichtlich ist, kann die Dicke von Grenzschichten, die an der Ober- und Unterseite einer rotierenden Scheibe ausgebildet werden, hinreichend genau durch folgende Formel angegeben werden:

0=0,26 DR_c-^on5,

mit

ό D

Grenzschichtdicke,
Gesamtdurchmesser der Scheibe, und
Reynolds-Zahl des jeweiligen Apparats und der jeweiligen Flüssigkeit.

Die Reynolds-Zahl kann durch die folgende Formel angegeben werden:

mit

ω D

Drehzahl der Scheibe,
Gesamtdurchmesser der rotierenden Scheibe, und

kinematische Viskosität der Flüssigkeit, in der die Scheibe rotiert.

δ =

0,26 D

τ\2 Ν0.123

Die Scheibendurchmesser und Drehzahlen, für die gegenwärtig auf dem Gebiet der Abwasserbehandlung ein praktisches Interesse besteht reichen von ca. 50 cm Scheibendurchmesser bei einer Drehzahl von 400 U/min bis ca. 3 m Scheibendurchmesser bei einer Drehzahl von 50 U/min. Der Reynolds-Zahl-Faktor

( ωΡ²

V 4v

\0.125

Durch Einsetzen dieses Ausdrucks für die Reynolds-Zahl in die Forme! unter 1. ergibt sich die folgende Formel:

im Nenner für die Formel zur Bestimmung der Grenzschichtdicke ό unter 3. variiert von ca. 6,4 für die 50-cm-Scheibe bis ca. 7,7 für die 3-m-Scheibe für die jeweils angegebene Drehzahl.

5. Da die Reynolds-Zahl mit dem Exponent 0,125 im wesentlichen konstant bleibt (nur von ca. 6,4 bis 7,7 bei den obigen Beispielen variiert), und zwar trotz der Änderungen im Gesamtdurchmesser und in der

Drehzahl der rotierenden Scheibe, kann die Dicke der Grenzschichtströmung um eine rotierende Scheibe, die in eine gegebene Flüssigkeit eingetaucht ist und ungefähr mit den angegebenen optimalen Drehzahlen rotiert, grob als das Produkt aus

ίο einer Konstanten K und dem Scheibendurchmesser angegeben werden:

O=K D.

6. Es wird vermutet, daß

a) das Ausmaß der Gasblasenkoaleszcnz, die in den Wirbeln am Rand einer rotierenden Scheibe in einem Begasungs-Rührer auftritt, proportional dem Durchsatz ist, mit dem Gasblasen in diese Wirbel eingeführt werden, d. h. der Mitte dieser Wirbel zugeführt werden,

b) dieser Durchsatz wiederum im allgemeinen proportional der Druckdifferenz zwischen Innerem und Äußerem der einzelnen Wirbel ist, und

c) das Verhältnis von Scheibendicke im Gasdispersionsbereich zu Grenzschichtdicke d/rfdie angegebene Druckdifferenz reguliert; daher sollte der kleinstmögliche Wert für das Verhältnis von Scheibendicke im Gasdispersionsbereich zur Grenzschichtdicke d/D angestrebt werden.

Aus der im obigen Abschnitt 5 enthaltenen Beziehung ließe sich folgern, daß der kleinstmögliche Verhältniswert der maximalen Scheibendicke in dem Gasdiffusionsbereich zum Gesamt-Scheibendurchmesser d/D ebenfalls festgestellt werden sollte. Umgekehrt sollte der größtmögliche Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich D/d bevorzugt werden, was durch die bereits angeführte Erkenntnis bestätigt wird, daß ein Verhältniswort von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich von ca. 32 :1 ziemlich zufriedenstellende Gasblasenabscherung bei einem Begasungs-Rührer zeigt jedoch ein höherer Verhältniswert bis ca. 256 :1 oder noch höher die besten Ergebnisse zeitigt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispicls des Begasungsrührer^ wobei ein Teil der Welle aus Platzgründen weggelassen ist;

Fig.2 eine Draufsicht auf die drehbare Scheibe des Ausführungsbeispiels von Fig. 1, wobei die Rührflügel auf der Oberseite der Scheibe der Klarheit wegen weggelassen sind;

F i g. 3 ein Diagramm der Größe der Gasblasen bei verschiedenen Gasströmungsdichten, wie sie in Leitungswasser aus dem Nachstrom von Begasungsrührern aufsteigen, und zwar für verschiedene Verhältnisse von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich; und

Fig.4 ein ähnliches Diagramm der Größe von Gasblasen, die in Leitungswasser mit einem kleinen Zusatz

eines grenzflächenaktiven Mittels aufsteigen.

F i g. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispicls des Begasungsrührer für Gasblasenabscherung. Der Rührer 20 hat eine Scheibe 22, die durch mehrere Bolzen 24 an einem mittigen Ring 25 starr befestigt ist, der mit einer Hohlwelle 26 verschweißt ist. Die Hohlwelle 26, die um eine Achse 27-27 umläuft, wird über ein Untersetzungsgetriebe 28 von einem Elektromotor 30 angetrieben, die beide oberhalb des normalen Stands der Flüssigkeit angeordnet sind, in die der Rührer 20 eingetaucht wird. Der Elektromotor 30 ist vorzugsweise drehzahlrcgelbar.

Die Hohlwelle 26 ist weggebrochen gezeigt, um anzudeuten, daß die Scheibe 22 sich normalerweise ca. 3,6 bis 4.2 m unterhalb des Spiegels der zu durchmischenden Flüssigkeit — z. B. in einem Belüftungstank einer herkömmlichen Anlage zur Behandlung von aktiviertem Abwasserschlamm — befindet, in die feine Gasblasen durch Rotation der Scheibe 22 einzuführen sind.

Eine Buchse 32 kann durch Spannbacken 37 und zugehörige Bolzen 38 an der Hohlwelle 26 in bestimmter Tiefe in einer Zone zwischen zwei Anschlägen, nämlich einem unteren Anschlag 34 und einem oberen Anschlag 36, die von der Hohlwelle 26 getragen sind, befestigt werden. Die Buchse 32 trägt ihrerseits eine schraubenlinienförmige Schraube 40 zum Untertauchen einer Aufschwemmung, so daß bei Rotation der Hohlwelle 26 die Schraube 40 eine vorhandene »Aufschwemmung« in Form von durchmischten Luftblasen und suspendierten Feststoffteilchen auf der Oberfläche des flüssigen Inhalts des Tanks, in dem der Begasungsrührer 20 verwendet wird, unter die Flüssigkeitsoberfläche eingetaucht wird.

Der Umlauf der Flüssigkeit unmittelbar über der rotierenden Scheibe 22 wird durch Rührflügel 42 auf der Oberseite der Scheibe 22 bewirkt. Eine ähnliche Bewegung der Flüssigkeit im Tank unmittelbar unterhalb der rotierenden Scheibe 22 wird durch Rührflügel 44 hervorgerufen, die sich an der Unterseite der Scheibe 22 befinden. Auf diese Weise helfen die Rührflügel 42 und 44, die beide herkömmlichen Aufbau haben, in der Flüssigkeil des Tanks die in dieser suspendierten Feststoffteilchen in Suspension zu halten.

Die Hohlwelle 26 bildet eine Hauptzuleitung 48, in die in die zu behandelnde Flüssigkeit einzuführendes Gas eingeführt wird, und zwar über einen Drehanschluß 49 an eine (nicht gezeigte) Druckgasquelle.

Die Haupttragkonstruktion der Scheibe 22 besteht aus einer Nabenplatte 50 mit Bolzenlöchern 52 zur Aufnahme der Bolzen, durch die die Nabenpiatte 50 am mittigen Ring 25 befestigt wird, der von der Hohlwelle 26 getragen wird. Die Nabenplatte 50 hat eine nach außen verlaufende Schulter 54 (F i g. 2).

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann mehrere starre Haupt-Speichen aufweisen, die sich von der Nabenplatte 50 radial nach außen erstrecken. Eine gleiche Anzahl von starren hohlen Gaszuleitungen kann ähnlich an der Nabenplatte 50 an Orten radial außerhalb dieser zwischen jedem Paar von benachbarten Haupt-Speichen befestigt sein. Die radial verlaufenden Haupt-Speichen und Zuleitungen sind hier nicht gezeigt, da sie in F i g. 2 durch eine Verkleidung 60 und Verkleidungsabschnitte 60a zwischen benachbarten porösen Platten verdeckt sind. Eine ringförmige Felge 66 ist am äußeren Ende der Speichen und Gaszuleitungen befestigt, um dieser Anordnung von radial verlaufenden grundlegenden Bauteilen Festigkeit zu verleihen.

Im abgebildeten Ausführungsbeispiel bilden verjüngte Umfangsabschnitte 72 einen Ringbereich der rotierenden Scheibe 22 außerhalb der Felge 66 (F i g. 2).

F i g. 2 ist eine Draufsicht auf die gesamte Scheibe 22. wobei poröse Platten 70 und der verjüngte Ringumfangsabschnitt 72 abgebildet sind, während die Rührflügel 42 weggelassen sind und die Befestigung der Platten 70 an der Scheibe 22 nur schematisch angedeutet ist.

Jede poröse Platte 70 hat die Form eines Ringsektors, dessen Seitenkanten 73 radial mit dem Begasungsrührer fluchten. Der Werkstoff, aus dem die porösen Platten 70 hergestellt werden können, kann irgendein poröses Material mit öffnungen sein, die kleiner als ca. 50 μιη sind. Die porösen Platten können z. B. aus poröser Keramik, einem porösen Sintermetall, einem porösen Sinterkunststoff, einem mikroporösen Sieb aus rostfreiem Stahl od. dgl. gefertigt sein.

Mehrere derartige poröse Platten 70 werden von der oben beschriebenen Anordnung der Haupt-Speiche und der radial verlaufenden hohlen Gaszuleitungen mindestens auf der Ober- oder der Unterseite der Scheibe 22 getragen. Eine Platte befindet sich auf der Ober- oder Unterseite der Scheibe 22, im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Scheibe 22, und zwar zwischen jeder radialen Gaszuleitung und der unmittelbar benachbarten Haupt-Speiche, die sich beidseitig derselben befindet.

In Fig. 2 trägt ein Plattenhalter 74 zwei poröse Platten 70, nämlich eine an der Oberseite und eine an der Unterseite (nicht zu sehen) der Scheibe 22. Zusätzlich begrenzt jeder Plattenhalter 74 mit der von ihm getragenen oberen und unteren porösen Platte 70 einen Gasraum unter jeder porösen Platte.

Jeder Gasraum wird mit Druckgas versorgt, das zuerst über die Hauptzuleitung 48 und dann radial nach außen durch die radialen hohlen Zuleitungen gefördert wird.

Die rotierende Scheibe 22 des abgebildeten Ausführungsbeispiels des Begasungsrührers hat in F i g. 1 einen Außendurchmesser von ca. 2,1 m. Wie gezeigt, ist dies ca. der 64fache Wert der maximalen Scheibendicke in ihrem Gasblasenabscherbereich, wo die porösen Flächen, durch die das Gas hindurchdispergiert, angeordnet sind. Der Umfang der Scheibe 22 verjüngt sich bei 46 auf eine Dicke von ca. 0,159 cm.

Wie bereits oben hervorgehoben wurde, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich, der von den porösen Platten 70 eingenommen wird, von ca. 32 :1 gute Ergebnisse zeigt, die für viele Gasblasenabscher-Anwendungen befriedigend sind. Bessere Ergebnisse werden aber erhalten, wenn der Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich der Scheibe mindestens ca. 48 :1 beträgt, noch bessere bei mindestens ca. 64 :1 (wie in F i g. 1 abgebildet) und eine weitere Verbesserung bei mindestens 128 :1.

Der bevorzugte Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich zur Erzeugung der feinsten Gasblasen mit sehr hoher Gasauflösungsgeschwindigkeit beträgt ca. 256 .· 1 und noch höher.

Mit dem beschriebenen Begasungsrührer ist eine sehr wirksame Erzeugung von feinen Gasblasen zur Dispersion durch eine Flüssigkeit, in die der Begasungsrührer eingetaucht ist leicht möglich. Die Zufuhr von Druckgas

in die Hauptzuleitung 48, wenn die Scheibe 22 um die Achse 27-27 rotiert, während sie in der Flüssigkeit eingetaucht ist, bewirkt ein Strömen des Gases in die Gasräume und aus diesen durch die porösen Platten 70 hindurch. Dadurch werden freiwerdende Gasblasen an der Oberfläche der porösen Platten 70 erzeugt, die dann durch die viskosen Scherkräfte abgeschert werden, die durch die Flüssigkeit ausgeübt werden, wenn die Scheibe 22 in der Flüssigkeit rotiert.

Es werden nun einige Beispiele zur Anwendung des erfindungsgemäßen Begasungsrührers angegeben.

Beispiel 1

Luft unter einem Druck von ca. 0,7 atü wird der Hauptgaszuleitung 48 des Begasungsrührers von der grundsätzlichen Bauart gemäß F i g. 1 und 2 zugeführt. Die Gasstromdichte während des Versuchs liegt in einem Bereich von ca. 0,06 bis ca. 0,27 mVrnin · m² Dispersionsoberfläche. Als Flüssigkeit, in die der Begasungsrührer eingetaucht wird und gedreht wird, wird Leitungswasser verwendet.

Der Durchmesser der in diesem Beispiel verwendeten Scheibe 22 beträgt ca. 34 cm, und ihre maximale Dicke im von den porösen Platten 70 eingenommenen Bereich beträgt ca. 1,25 cm. Der Verhältniswert D/d beträgt also ca. 27.

Die Scheibe 22 wird mit ca. 490 U/min gedreht, so daß sich eine tangentiale Schergeschwindigkeit ν von ca. 6,92 m/s ergibt.

Die porösen Platten 70 bestehen aus keramischem Ziegelmaterial mit einer maximalen Porengröße von ca. 6 μπι. Die Platten sind nur auf der Oberseite der Scheibe 22 angebracht. Die einzelnen Platten sind ca. 0,32 cm dick und ca. 1,25 cm breit in radialer Richtung.

Während des Betriebs des beschriebenen Begasungsrührers wird der maximale Durchmesser der Gasblasen beobachtet, die vom Nachstrom der Scheibe 22 bei den verschiedenen verwendeten Gasstromdichten aufsteigen, und in Fig.3 eingetragen. Beim Abschätzen der maximalen beobachteten Gasblasengröße werden gelegentliche Gasblasen mit einem Durchmesser gleich dem zwei- oder mehrfachen Wert aller anderen Gasblasen nicht berücksichtigt, da sie nur einen äußerst kleinen Prozentsatz des gesamten Gasvolumens darstellen.

Bei dem in diesem Beispiel beschriebenen Begasungsrührer ist eine große Anzahl von Gasblasen zu beobachten, die zur Oberfläche der Flüssigkeit hochsteigt und die Oberfläche durchbricht. Der Verhältniswert D/d beträgt ca. 27, was zu Gasblasen von ca. 4 mm maximalem Durchmesser bei den tangentialen Schergeschwindigkeiten und den G asstromdichten im Kurvendiagramm von F i g. 3 führt — die typische interessierende Behandlungsbedingungen für verschiedenste Abwässer darstellen —, weshalb die Gasauflösungsgeschwindigkeit unbefriedigend ist

Beispiel 2

Der Versuch nach dem Beispiel 1 wird mit einer Scheibe 22 mit einem Durchmesser von ca. 50 cm und einer maximalen Dicke im von den porösen Platten 70 eingenommenen Bereich von ca. 1,59 cm wiederholt. Dies ergibt einen Verhältniswert D/d von ca. 32. Die Scheibe 22 dreht mit ca. 400 U/min, und die tangentiale Schergeschwindigkeit beträgt ca. 6,40 m/s.

Die einzelnen porösen Platten 70 auf der Scheibe 22 sind in radialer Richtung ca. 0,635 cm dick und ca.

2,86 cm breit. Der Druck, mit dem Luft der Hauptgas/.uleitung 48 zugeführt wird, beträgt ca. 1,05 atü.

Die maximalen Gasblasengrößen, die für verschiedene Gasstromdichten bei diesem Begasungsrührer beobachtet werden, sind ebenfalls in F i g. 3 eingetragen. Daraus ist ersichtlich, daß die Gasblasen-Größe sich deutlich von den Ergebnissen des Beispiels 1 unterscheidet, wobei die beobachteten Gasblasengrößen nicht nur kleiner sind, sondern auch langsamer ihre Größe mit der Gasstromdichte (vgl. die unterschiedliche Neigung der beiden Kurven durch die Meßwerte in Fig.3) als beim Begasungsrührer von Beispiel 1 zunimmt. Die in diesem Beispiel erhaltenen Gasblasengrößen sind für viele Gasblasenabscherzwecke ausreichend.

Beispiel 3

Der Versuch des Beispiels 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß die Flüssigkeit, in die die Scheibe eingetaucht wird und in der sie gedreht wird, Leitungswasser mit 4 ppm eines grenzflächenaktiven Mittels ist, wobei die Gasstromdichten ausweislich F i g. 4 ca. 0,075 bis ca. 0,52 nrVmin · m² Dispersionsfläche betragen.

Der Zusatz eines grenzflächenaktiven Mittels macht die Flüssigkeit in bezug auf die Gasblasenentstehung sehr ähnlich einer typischen durchmischten Flüssigkeit in einer Behandlungsanlage für aktivierten Abwasserschlamm. Das grenzflächenaktive Mittal erschwert die Koaleszenz, was eine wichtige Voraussetzung für derartige Abwasser ist.

Die Ergebnisse dieses Beispiels mit einem Verhältniswert von D/d'von ca. 27 sind ganz oben in F i g. 4 aufgetragen. Hierbei sind die Gasblasengrößen wegen des vorhandenen grenzflächenaktiven Mittels beträchtlich gegenüber den Ergebnisses des Beispiels 1 verbessert.

Beispiel 4

Der Versuch des Beispiels 3 wird mit folgenden Änderungen wiederholt:

Die maximalen Gasblasengrößen, die für die verschiedenen Gasstromdichten mit dem Begasungsrührer dieses Beispiels beobachtet werden, sind als zweite Kurve in F i g. 4 aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, daß die Gasblasengröße einen deutlichen Unterschied gegenüber den Ergebnissen des Beispiels 3 zeigt, die als erste Kurve in Fig.4 auftritt. Die erhaltenen Gasblasengrößen sind nicht nur kleiner, sondern zusätzlich, oberhalb einer Gasstromdichte von ca. 0,3 mVmin · m² Dispersionsoberfläche nimmt die Gasblasengröße (vgl. die un-

Scheibendurchmesser	50,8 cm
maximale Scheibendicke
im Gasdispersionsbereich	1,59 cm
D/d	32
Drehzahl	440 U/min
Tangentiale
Schergeschwindigkeit V	6,28 m/s
Dicke der porösen
Platten	0,635 cm
Radiale Breite der
porösen Platten	2,86 cm
Luftdruck	1,05 atü
Gasstromdichte	ca. 0,075—0,58
	m³/min ■ m²
	Dispersions
	oberfläche

iLTschicdlichen Neigungen der rechten Abschnitte der ersten beiden Kurven in F i g. 4) langsamer als beim Begasungsrührer des Beispiels 3 zu. Die in diesem Beispiel erhaltenen Gasblasengrößen dürften für viele Gasblasenabscherzwecke befriedigend sein.

Beispiel 5

Der Versuch der Beispiele 3 und 4 wird mit tangentialen Schergeschwindigkeiten wiederholt, die ziemlich ge- ίο nau dieselbe Größe haben. In diesem Beispiel wird der Versuch des Beispiels 4 (mit einem Verhältniswert D/d von 32) mit porösen Platten 70 mit einer radialen Breite von ca. 2,5 cm und mit einer Scheibe 22 bei einer Drehzahl von ca. 610 U/min wiederholt, um eine tangentiale is Schergeschwindigkeit ν von ca. 9,33 m/s zu erzeugen.

Wie aus der Kurve von F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Gasblascngrößen noch kleiner gegenüber den Werten der beiden Beispiele 3 und 4.

Scheibendurchmesser	1,83 m
maximale Scheibendicke
im Gasdispersionsbereich	2,5 cm
D/d	72
Drehzahl	125 U/min
Tangentiale
Schergeschwindigkeit	9,30 m/s
Dicke der porösen
Platten	0,953 cm
Radiale Breite der
porösen Platten	10,1 cm
Ort der porösen Platten	Ober- und
	Unterseite
	der Scheibe 22
Luftdruck	1,4 atü
Gassiromdichte	ca. 0,15-0,36
	m³/min · m²
	Dispersions
	oberfläche

Stroms pro Flächeneinheit der porösen Gasdispersionsoberfläche, in den obigen Beispielen bedeutet, daß diese Versuche im wesentlichen die gleich großen Gasblascn an der Gasblasenabscheroberfläche und ungefähr denselben Bereichsabstand zwischen den Gasblasen in der Grenzschichtströmung, die die Scheibenfläche verlassen, aufweisen. Daher sind die beobachteten Schwankungen in der Größe der Gasblasen, die von der Nachstrom/Strom-Strömung um die verschiedenen Scheiben aufsteigen, auf Unterschiede im Ablauf der Koaleszenz im Nachstrom und im Strom zurückzuführen, die — gemäß der der Erfindung zugrundeliegenden Kenntnis (vgl. oben) — durch Unterschiede im Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich bedingt sind.

Beispiel 6

Bei diesem Beispiel wird der Versuch des Beispiels 3 mit folgenden Änderungen wiederholt:

20

25

30

35

40

45

Die in diesem Beispiel 6 erzeugten Gasblasen sind noch kleiner als im Beispiel 5, wie ohne weiteres F i g. 4 entnehmbar ist.

Wie bereits oben darauf hingewiesen wurde, kann eine weitere Verkleinerung der Gasblasen erzielt werden, wenn der Verhältniswort D/d auf mindestens 128 :1 erhöht wird. Der bevorzugte Verhältniswert von Scheibendurchmesser zu maximaler Scheibendicke im Gasdispersionsbereich beträgt also ca. 256 :1 und noch mehr.

Es ist ersichtlich, daß die Kurven, die die Ergebnisse der Beispiele 4,5 und 6 darstellen, grundsätzlich dieselbe Steigung für die aufgetragenen Daten haben, wenn die Gasstromdichte oberhalb ca. 0,3 mVmin · m² Dispersionsoberfläche gehalten wird, und daß dieser Anstieg sich deutlich vom Anstieg der Kurve unterscheidet, der die Ergebnisse des Beispiels 1 darstellt Es darf angenommen werden, daß ähnliche Kurven für Verhältniswerte D/d größer 72 grundsätzlich den gleichen allgemeinen Verlauf — bei noch kleineren beobachteten Gasblasen — wie die drei unteren Kurven der Kurvenschar in F i g. 1 haben werden.

Die Steuerung der Gasstromdichte, d. h. des Gas-Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Begasungsrührer zum Einbringen eines Gases in eine Flüssigkeit, der scheibenförmig ausgebildet ist, einen Außendurchmesser D aufweist und in seinem Inneren mindestens einen Gasraum bildet, wobei das Gas dem Gasraum über eine Gaszuleitung zugeführt wird und wobei die Ober- und/oder die Unterseite des Begasungsrührers für den Gasdurchtritt porös ist und einen Gasdispersionsbereich bildet und wobei bei der Rotation des in die Flüssigkeit eingetauchten Begasungsrührers das Gas in Form feiner Blasen von der Oberfläche des Begasungsrührers abgeschert wird, dadurch gekennzeichne t, daß das Verhältnis von Außendurchmesser D der Begasungsrührers zu seiner maximalen Dicke d im Gasdispersionsbereich mindestens ca. 32 :1 beträgt.

2. Begasungsrührer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite und die Unterseite des Begasungsrührers im wesentlichen parallel zueinander mit Ausnahme des äußeren Randes (46) verlaufen, wo der Begasungsrührer im Querschnitt auf eine kleinere Dicke am Umfang verjüngt ist

3. Begasungsrührer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite und die Unterseite des Begasungsrührers im wesentlichen parallel zueinander mit Ausnahme des äußeren Randes (46) verlaufen, wo der Scheibenumfang im Querschnitt bis auf eine Dicke von ca. 0,159 cm verjüngt ist.