DE2727088C2

DE2727088C2 - Vorrichtung zum Eintragen eines Gases in eine Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2727088C2
Application number: DE2727088A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Sakai Osaka Matsuo; Michihiko Takaishi Osaka Nojiri; Tatsuo Fujidera Osaka Watanabe
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1985-02-07
Also published as: ATA437577A; FR2355557B1; US4137285A; DE2727088A1; SE432717B; CH621713A5; FR2355557A1; AT372016B; SE7707170L; GB1552396A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eintragen eines Gas^s in eine Flüssigkeil der im Oberbegriff des Anspruchs I angegebenen Gattung. Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus der DE-PSb 76 270 bekannt,
jo Bei der bekannten Vorrichtung ist die Rotoroberfläche als Zylinderoberfläehe ausgestaltet und kann lediglich in unmittelbarer Nähe dieser sich drehenden zylindrischen Rotoroberfläche eine nennenswerte Verteilung der aus den öffnungen· des GasausiriiisiOhres aufsteigenden Gasblasen in der Flüssigkeit erreicht werden. Die bekannte Vorrichtung besitzt folglich eine nur geringe Effizienz, da sie nicht imstande ist. die Gasblasen unmittelbar nach dem Austreten aus den Öffnungen des Gasaustriiisrohres zu zerteilen. Dabei versteht sich, daß ii in großen Gasblasen konzentriertes Gas weniger gut mit einer Flüssigkeit mischbar ist als ein Gas, welches auf eine Vielzahl kleiner Gasblascn verleih ist.

Ein weiterer Nachteil der aus der DE-PS 6 76 270 bekannten Vorrichtung ist darin zu sehen, daß die Anordnung des Rotors oberhalb des Gasaustrittsrohrcs mil dem Rotor zugewandten Gasausiritisöffnungen unveränderlich ist. Folglich muß unterhalb des Gasaustritisrohres jeweils ein Totraum im Flüssigkeiis-Gas-Misehgefäß in Kauf genommen werden und wird durch die nach oben gerichteten Gasaustritisöffnungen die Verweildauer des Gases in der Flüssigkeit relativ kurz gehalten.

Aus der DE-OS 24 36 273 ist eine Vorrichtung zum Eintragen eines Gases in eine Flüssigkeil bekannt, bei welcher in einem aufrechtstchenden zylindrischen Behälter eine ti cn Innenquerschnitt dieses Behälters ausfüllende Lochplatte vorgesehen ist, welche von unten mit Gas durchströmt wird, wobei sich in Strömiingsrichtung v, des Gases oberhalb dieser Platte ein zweiflügeliger Propeller dreht, dessen Propellcrschaufeln praktisch die Gesamtfläche der Lochplatte, d. h. im wesentlichen den Gesamtquerschniit des zylindrischen Behälters bestreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichuing der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Galtung so auszubilden, daß auf besonders wirtschaftliche Weise ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt so wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der mil Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß mit Hilfe der sich bis dicht an die Gasaustrittsöffnungen erstreckenden Rotorschaufeln ein sehr wirkungsvolles Zerkleinern der aus den Austritlsöffnungen austretenden Gnsblascn erreicht wird, wobei das Erzielen dieser vorteilhaften Wirkung sehr stark dadurch unterstützt wird, daß das Austrittsrohr oberhalb des Rotors angeordnet sein kann, sodaß die Gasblascn entgegen ihrer natürlichen Aufstiegsrichtung in die Flüssigkeit ausgegeben werden. Da der Schaufelrotor unterhalb des Gasaustrittsrohres angeordnet werden kann und die Austrittsöffnungen des Gasausirittsrohres nach unten weisen können, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung ein gutes Ausnutzen eines Mischbehältprs zum Vermischen von Gas und Flüssigkeit.

ho Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Untcransprüchen beschrieben.
Il Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbcispielcn und unter Bezug auf die Zeichnungen

|| näher beschrieben. In dieser zeigt

F i g. I einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform,

F ig. 2 einen Vertikalschnitt durch das Gasaustritisrohr und den darunter angeordneten Rotor.
b^r> F i g. 3 eine Dctaildarstcllungdcr Rotoroberfläche mit daran befestigter Schaufel.

Fi g. 4 eine Detaildarstellung einer von der Darstellung gemäß I" i g. 3 abweichenden Schaufelausbildung,

F ι g. 5 eine Dctaildarstcllung einer dritten Ausführungsform der Rotorsehaufel und

F i g. 6 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine mehrstufige Ausführungsform der Vorrichtung.

■: Die in Fig. I dargestellte Vorrichtung zum Eintragen eines Gases in eine Flüssigkeit umfaßt einen Behälter

h (I). einen in der Seitenwand des Behälters (1) gelagerten horizontalen Rotor (2) mit daran angeordneten

Ji, Schaufeln (3). ein parallel zum Rotor verlaufendes Gasausirittsrohr (5). welches eine Vielzahl von Auslaßöffnun-

ij, gen (6) aufweist und in einem geringen Abstand von den äußeren Enden der Rotorschaufcln (3) verläuft. Ferner

Li ist ein Gaszuleitungsrohr (8) vorgesehen. Mehrere Schaufeln (3)(im dargestellten Ausfiihnmgsbcispicl sind es 6 ;,

j;J Schaufeln) sind in gleichmäßigen Winkelabständen am Rotor (2) radial befestigt. Der Rotor (2) ist mit einer

'3 Antriebswelle (4) verbunden, welche das Gefäß durchsetzt und mit Hilfe einer Antriebsmaschine in Rotation

p versetzbar ist.

ψ Der Durchmesser der im Gasausiriitsrohr (5) angeordneten Öffnungen (6) liegt vorzugsweise im Bereich von

1.0 bis 5.0 mm. bevorzug! sind Durchmesser von 2.0 bis J,0 mm. in

if Der Rotor (2) ist mit seinen Schaufeln (3) so dicht an den Ausiriusöffniingen (6) angeordnet, daß die Schaufel-

'■ enden sich in einem geringen Abstand von diesen Öffnungen vorbei bewegen, sodaß das Gas iinmiuelbar nach

Pl dem Austritt aus den Öffnungen (6) von den rotierenden Schaufeln abgeschert wird. Der Abstand zwischen den

|| äußeren Enden einer jeden Rotorschaufel und den Öffnungen (6) beträgt 1 bis 10 mm. vorzugs-w eise 1 bis 5 mm.

p^:j Die Achse des Gasaustrittsrohres (5). die darin ausgebildeten Öffnungen (6) und die Achse des Rotors (2) ii

liegen in einer Ebene.

I^s, Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt, der die Anordnung des Gasaustriitsrohrcs (5) und der Schaufeln (3)

κ erkennen läßt. Wie man sieht, ist das Rohr (5) derart angeordnet, daß seine Öffnungen (6) in der Nähe der

ί. rotierenden Schaufeln (3) liegen, und zwar jeweils auf einer Ebene, die durch die Achse des Rotors (2) und die

£ AchsedesGasauslaßrohres(5)in Richtung der Öffnungen (6) geht. :o

- (ede Schaufel kann die Form einer Platte haben, die lang genug ist. um über die gesamte Lunge der gefluchteten Öffnungen zu reichen, wie in F i g. I und 3 gezeigt. Sie kann aber auch in Teile unterteilt sein oder Ausschnitte von passender Form haben, wie dies die F i g. 4 und 5 zeigen, wo die Schaufeln rechteckige Ausschnitte (7) bzw. halbkreisförmige Ausschnitte (9) haben.

Diese Ausschnitte verhindern wirksam eine mögliche Ablagerung von Feststoffen durch die Reaktion der r, Flüssigkeit auf die rotierenden Schaufeln oder an den Zwischenräumen zwischen den Schaufeln. Die Wirksamkeit des kontaktierenden Gases mit der Flüssigkeit wird durch die Anbringung dieser Ausschnitte erhöht.

Die radiale Länge der Schaufeln ist nicht beschränkt: man erhält eine befriedigende Leistung, selbst wenn das Verhältnis dieser Schaufelabmessiing zum Durchmesser des Gas-Flüssigkeitskoniaktgefäßes sehr klein ist. etwa ■·. in der Größenordnung von 1 : 100. jo

Damit man eine hohe Effizienz des Kontaktes zwischen Gas und Flüssigkeit erzielt, kann die Schaufel eine Stange mit einer speziellen Querschnittsform an ihrem Umfangsende haben, beipielsweise mit Kreisprofil. K Halbkreisprofil. Dreiecksprofil, quadratischem Profil oder halbqiiadratischem Profil.

■'. In dem dargestellten Ausführiingsbeispiel sind sechs Schaufeln am Rotor vorgesehen. LIm eine große Menge

: feiner Gasblasen zu erzeugen, können jedoch auch mehr als sechs Schaufeln verwendet werden, wenn die y>

!■;. Gesamtgröße der Vorrichtung erhöht wird und der Druchmesser des Rotors größer gemacht wird.

ι Das Gasaustrittsrohr (5) ist in der Mitte seines oberen Teils mit dem Gaszuleitungsrohr (8) verbunden und

\'_;. dieses Rohr (8) erstreckt sich durch die Wand des Gefäßes (1) zu dessen Außenseite. Das Gasiiustriitsrohr(5) ist

nahe an und parallel zu den rotierenden Schaufeln angeordnet. In gleichmäßigen Abständen sind mehrere Gasauslaßölfmingen (6) durch Perforation der Wand des Rohres (5) ausgebildet, und zwar an Stellen, wo eine durch die Achse des Rohres (5) und die Achse des Rotors (2) gelegte hypothetische Ebene in die Wand schneidet. In einem einzigen Gas-Flüssigkeilskontakt-Reaktionsgefäß können mehr als ein Gasausirittsrohr und mehr als ein Rotor mit den erfindungsgeniäßen Schaufeln angeordnet sein. Außerdem können die oben beschriebenen Gasausirittsrohre vertikal oder schräg in dem Gefäß angebracht sein.

In dem in F i g. 1 und 2 gezeigten Gerät wird Gas aus dem Gaszuleitungsrohr (8) durch >',is Gasausirittsrohr(5) -r> geleitet und durch die Öffnungen (6) in das Gas-Flüssigkeitsgefäß (1) geblasen. Das cingoblasene Gas wird unmittelbar durch die Rotationskraft der rotierenden .Schaufeln (Rotationsgeschw indigkeii des Roiors zwischen 1000 und 4000 U/min) abgeschert und mit der Flüssigkeit gemischt, um feine Gasblasen zu erzeugen. Die Flüssigkeit in dem Gefäß wird auf diese Weise wirksam durchgerührt und es weiden gleichmäßige leine Gasblasen erzeugt, ähnlich solchen, die entstehen, wenn die Kappe einer Sprudelflasche geöffnet wird. Auf diese Weise erhält man einen wirksamen Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit, und dies auch bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des eingeleiteten Gases, z. B. bei annähernd 0.7 VVM (Verhältnis pro Minute zugeführten Gasmenge zur Flüssigkeitsmenge in dem Gefäß). Außerdem haben die erzeugten Gasblasen einen gleichmäßigen kleinen Durchmesser und demzufolge bleibt die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels, der durch die Blasenbildung angehoben wird, glatt. .-,-,

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsforni der erfindungsgeniäßen Vorrichtung.

Die Vorrichtung der F i g. b weist ein Gefäß (II) auf. das mehrere Kammern (14, 15 und 16) hat. die durch Trennwände (13A) und (13B) abgeteilt sind und in denen jeweils eine Gasdispersionseinrichtung (17) bzw. (18) bzw. (19) jeweils umfassend ein Gasaustrittsrohr sowie einen Schaufelrotor, angeordnet ist. jede Kammer steht mit der benachbarten Kammer am Oberende der Trennwand und an einer Verbindungsöffnung {24.Λ ) b/w .(24B) m> in Verbindung. Durch die Verbindungsöffnung (24.·^ oder (24ß/kann Flüssigkeit in die benachbarte Kammer übertreten. Auf der Austrittseite der Flüssigkeil isl an der Trennwand eine flexible Klappe (I2-\J b/w. (I2ß/ beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff, angebracht, so daß die Klappe (12-^ oder (12/?Jdie \ eibin dungsollniing (24 -\) bzw . (24/tysehließt, w enn der Flüssigkeitsspiegel unter dieser Öffnung lieg t. und olfncl. w enu der I I ii ss ig keil ss ρ leg el über dieser CII lining heg I Die llevihle Is Lippe (12 \) b/w . (12/) j ist mit ihrem Oberende au »ί dor 1 rennw and an einer Stelle über der \ eibiudungsoHnung lesigemaehi und lies;! mit ihrem I ^!merende ,in der I rennw and auf der Ausumscitc der Flüssigkeil unter der \ eibindungsoHnung (24 ijoder (24/tyan. w ic in Ii ü. t> !■'czeiüi. lede derGasdisnersinnseinrichluiiüen (17. IX. 14) gleicht der in Γ ι g. I gezeigten.

20

45 50 55 60 65

In clem obigen Gerät wird Rohflüssigkeii aus einem Ziileitungsrohr (20) in die erste Kammer (14) eingeleitet und hebt dort den Flüssigkeitsspiegel. Wenn der Flüssigkeitsspiegel über das untere Ende der Verbindungsöffniing (24/4Jansteigt, biegt sich die Klappe (12A)derart, daß Flüssigkeit in die /weite Kammer (15) strömt. Die in die zweite Kammer (15) überführte Flüssigkeit fliel.it nicht in die erste Kammer (14) /tu ück. wenn der Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer (15) über das untere Ende der Verbindungsüffnung (24/A^ ansteigt, weil die Klappe seitlich neben der Öffnung an der Trennwand (13-1) anliegt, und durch den Flüssigkeiisdi-iek eng an diese Wand gepreßt wird. Danach wird die Flüssigkeit von der zweiten Kammer (15) in die dritte Kammer (16) in gleicher Weise überführt, wie vorstehend beschrieben, und wird dann durch ein Auslaßrohr (21) abgeleitet.

Aus einem Rohr (23) wird in jede der Gasdispcrsionscinrichuingcn (17, 18, 19) die am Unterende der Kammern angeordnet sind. Gas eingeleitet und mit der Flüssigkeit gemischt. Das verbrauchte Gas wird durch die Verbindungsoffnungen über den oberen Enden der Trennwände (13.4Jund (13S^ über ein Rohr (22) abgeleitet.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung eignet sich bevorzugt für eine mehrstufige kontinuierliche Züchtung von Mikroben.

B e i s ρ i e I 1

Das in F i g. I gezeigte Gas-Flüssigkeitskontaktgerat wurde verwendet zu einer Oxydierung einer Na.'SO)-Lösung mit einer Alisgangskonzentration von 0,12 Mol/l. Das Gerät hatte die folgende Daten:

Gas-Flüssigkeitskontaktgefäß: Gasauslaßöffnungen:

Rotierende Schaufeln:

Rotierende Welle (Rotor):

Abstand zwischen der Gasauslaßöffnung

und dem Umfangsende jeder Schaufel:

500 nun χ 500 mm
Höhe 1200 mm

15 Löcher, parallel zur Achse des Rohres gefluchtet, mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einem Lochmittenabstand von 30 mm.

6 ebene Schaufeln gemäß F i g. 4, im Winkelabstand von jeweils 60° radial an einer rotierenden Welle angefügt, mit ein?r radialen Länge von jeweils 5 mm und mit einem rechteckigen Ausschnitt in jeder Schaufel von 3 mm radialer Länge.
25 mm Durchmesser.

Die Ergebnisse der Versuche sind in der nachfolgenden Tabelle 1 niedergelegt.
Tabelle 1

Versuch	Das in	Rot.	Gasmenge	Flüss,-	Flüss.-	Temp. d. Fl.	-28	Reaktions-	Übergangs-	Nutzungs
Nr.	Gcschw.	Nl/niin	mcnge	höhe	⁰C	-27	geschw.	gcschw.	grad
	U/min		I	cm		-27	g mol/l h	von O:	von O)
								g (Vl h	o/o
1	3400	40	210	85	23-	wurde zur C	0,149	2,38	75.7
2	3440	70	210	85	23-	0,231	3,70	67,3
3	3440	140	210	85	23-	0,320	5,12	46.6
				Beispiel	I 2
Fig. 1 dargestellte Gas-	Flüssigkei	tskontaktgerät		Ixvdierung einer NajSOj	Lösung mit

g y

einer Ausgangskonzentration von 0,12 mol/l benutzt. Das Gerät hatte die folgenden Daten:

G as-Flüssigkeitskontaktgefäß: Gasauslaßöffnungen:

Rotierende Schaufeln:

Rotierende Welle (Rotor): Abstand zwischen dem Loch und dem Ende der Schaufel:

500 mm χ 500 mm, Höhe 1500 mm

15 Löcher, parallel zur Achse des Rohres gefluchtet mit einem Lochdurchmesser von 3,0 mm und einem Lochmittenabstand von 30 mm

16 ebene Schaufeln mit einem Winkelabstand von jeweils 22,5° radial an einer rotierenden Welle angefügt, mit einer radialen Länge von jeweils 6 mm und mit einem rechteckigen Ausschnitt in jeder Schaufel von 4 mm radialer Länge.

Durchmesser 110 mm

Die Ergebnisse der Versuche sindln der folgenden Tabelle 2 niedergelegt.

V ersuch	Roi.	Giismenyc	I'liiss.	[-"Uiss.-	Tlmm \|i.	il. II.	Reaklions-	UlXM-PiHIiIS	,- Nui/ungs-
Ni-.	Ciesehw.	Nl/niin	Ill LMIg L'	h rille	f		geschw.	ycschu.	griKl
	I l/min		1	cm			y iMol/l h	VDiiO.	von O'
								g (Viii	"/(I
4	1110	135	270	105	13 —	19	0.316	5.05	65,5
5	1110	260	2b0	102	13 —	19	0.507	8,1 I	48.3
6	11 10	360	240	96	13 —	19	0.579	9.26	36.7

Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeitskonlaktgerätes mit dem Gas-Ilüssigkeitskonkiklgerät früherer Art (beschrieben in der oben erwähnten japanischen PaieniveroUcntliehung 43-1312 (1968) zeigt folgendes: Das ältere Gerät fängt das Gas in der Form eines Filmes rund um den Rotor ein und erzeugt durch die Rotationskraft des Rotors feine Gasblasen, wogegen das crfindungsgemäße Gerät das aus den Gasdispcrsions- r, öffnungen ausgestoßene Gas sofort durch die Rolationskraft des Rotors und der Schaufeln abschert und vermischt, wodurch die folgenden Effekte er/.iell werden: Ils werden feine Gasbiasen durch üiniangeii des Gases rund um den Rotor so lange wie möglich erzeugt und gleichzeitig werden die feinen Gasblasen zerstreut. Das erfindungsgemäße Gerat kann folglich eine viel größere Menge feiner Gasblasen erzeugen als das Gerät bisheriger Art. Außerdem reduziert das dtcre Gerät die Effizienz des mit der Flüssigkeit kontaktierenden Gases, wenn in das Gefäß eine große Gasmenge eingeleitet wird, wogegen das erfindungsgemäße Gerät unter den gleichen Umständen eine hervorragende Leistung bietet.

Wie oben beschrieben, werden mit dem erfindungsgemäßen Gas-Flüssigkeiiskontaktgerät gleichzeitig eine wirksame Durchniischung und eine Miniaturisierung der Gasblasen erreicht und es wird eine große Menge kleiner Gasblasen erzeugt und gleichmäßig in dem ganzen Gefäß verteilt. Folglich wird ein hoher Wirkungsgrad des Kontaktes von Gas mit Flüssigkeit erzielt, auch wenn die Flüssigkeitstiefe nur klein ist.

Ferner erhält man auch einen hohen Wirkungsgrad des Gas-Flüssigkeits-Kontaktes, selbst wenn der Durchmesser der rotierenden Welle und die radiale Länge der rotierenden Schaufel im Verhältnis zum Durchmesser des Kontaktgefäßes sehr klein sind. Daher ist der Energieverbrauch viel geringer als in dem älteren Gerät.

jo

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Eintragen eines Gases in eine Hiissigkeit mil einem Behälter, mit einem im Behälter horizontal angeordneten Gasauslrittsrohr. das über seine Länge mehrere Öffnungen für den Diirchiriii des

"> Gases aufweist, mit einem parallel zum Gasaustrillsrohr angeordneten Rotor, der sich über die Länge des

Gasaustriltsrohres erstreckt, wobei die Achse des Gasaustrittsrohres, dessen Öffnungen und die Achse dos Rotors in einer Ebene liegen und der Rotor die aus dem Gasausiriitsrohr austretenden Gasblasen /erteilt und in der Flüssigkeit dispergiert. d a d u rc h g e k e η η ζ e i c h net. daß der Rotor (2) radial verlaufende Schaufeln (3) aufweist, die sich im wesentlichen parallel zur Achse des Rotors und über seine gesamte Länge κι erstrecken, und die im Beirieb bis dicht an die Öffnungen (6) heranreichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnungen (6) im Bereich von 1.0 mm bis 5.0 mm liegt.

J. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnungen (6) /wischen 2.0 mm und 3.0 mm beträgt,
ι -,

4. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) Schlitze sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaufel (3) plattenförmig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5.dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel (3) plattenförmig und mit einem Ausschnitt (7,9) versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwiselK-n dem llmfangsende der rotierende den Schaufel (3) und den Öffnungen (6) ein Absland in der Größenordnung von 1 mm bis 10 mm vorhanden isi.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand /wischen 1 mm und 5 mm betrügt.