DE2826259A1

DE2826259A1 - Vorrichtung zum einbringen von gasen in fluessigkeiten, insbesondere zum belueften von abwaessern

Info

Publication number: DE2826259A1
Application number: DE19782826259
Authority: DE
Inventors: Reinhart Dipl Ing Hanke; Kornel Dipl Ing Jahn
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1977-06-28
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1979-01-04
Also published as: HU177018B; GB2000687A; YU151678A; AT352033B; CH634758A5; FR2395773A1; JPS5418148A; FI782042A; CS208105B2; GB2000687B; IT1105349B; FR2395773B1; SE431084B; ATA457777A; DD136131A5; SE7807251L; DK289078A; IT7850056A0; DE2826259C2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wsicxmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. EA-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Li ska

8000 MÜNCHEN 86, DEN ' *· «Ufll ^978

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22.

Vereinigte Österreichische Eisen- und Stahlwerke Alpine Montan Aktiengesellschaft
Friedrichstraße 4
1011 Wien / Österreich

Vorrichtung zum Einbringen von Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von Abwässern

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Vereinigte Österreichische Eisen- und Stahlwerke ^-^ ^ ^-^ Alpine Montan Aktiengesellschaft

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von Abwässern in einem Behälter mit einer an eine Umwälzpumpe angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, einer oxidierende Gase, insbesondere Luft führenden Leitung, einer Mischkammer zum Vermischen der Flüssigkeit mit dem Gas und Austrittsdüsen zum Einstoßen des Flüssigkeitsluftgemisches in den Behälter. Bei der Wasser- und Abwasserbehandlung stellt sich immer wieder die Aufgabe, Luft, Sauerstoffhältige Gasgemische oder gasförmigen Sauerstoff in Wasser zu lösen, um damit chemische oder biochemische Oxydationsvorgänge an den Inhaltsstoffen der v/ässerigen Phase zu ermöglichen. Bei der Aufarbeitung von Abwässern hat das sogenannte Belebtschlammverfahren besondere Bedeutung erlangt. Die für den biologischen Abbau des Wassers eingesetzten Bakterien entwickeln ihre reinigende Wirkung dann am günstigsten, wenn ihnen der lebensnotwendige Sauerstoff in möglichst hohem Maße angeboten wird.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zum Einbringen von Gasen in Wasser diese durch einen porösen Körper in das Wasser einzuleiten. Beim Austritt unter dem Wasserspiegel löst sich der Luftstrom in kleine Bläschen auf und es bildet sich eine sehr große Grenzfläche zwischen Gasphase und flüssiger Gasphase aus. Der Strömungswiderstand dieser porösen Körper bringt aber einen hohen Energieverbrauch für das Einbringen von Gasen in VJasser mit sich.

Zur Verbesserung der Durchmischung der Gasphase mit der flüssigen Phase wurde auch bereits vorgeschlagen, rotierende Belüfterwalzen oder Belüfterkreisel zu verwenden, jedoch ist auch bei diesen Verfahren der Energieverbrauch relativ hoch. Darüberhinaus bringen unter Wasser rotierende Maschinenteile Verschleißprobleme mit sich.

Weitere bekannte Vorschläge, vor allem für die Begasung

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von Abwässern, betreffen die Injektorbegasung. Es sind dies Verfahren, welche sowohl Flüssigkeit als auch Gas über Mischräume bzw. Düsen nach dem Injektorprinzip zusammenführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung geht von einem solchen Injektorbegaser der eingangs genannten Art aus und hat sich die Aufgabe gestellt, eine konstruktiv besonders einfache und den jeweiligen Erfordernissen in besonders einfacher Weise an-paßbare Vorrichtung zu schaffen. Zur Losung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß an radiale Durchbrechungen der Flüssigkeitsleitung Rohre angeschlossen sind, welche die Gasleitung durchsetzen, daß diese Rohre in■ihrem innerhalb der Gasleitung angeordneten Bereich düsenartige Verengungen und über ihren Mantel verteilte Ansaugöffnungen für das Gas aufweisen, und daß diese Rohre an ihrem freien Ende Austrittsdüsen zum Ausstoßen des innerhalb der Gasleitung erzeugten Gasluftgemisches aufweisen. Dadurch, daß Rohre an radialen Durchbrechungen der Flüssigkeitsleitung angeschlossen sind, läßt sich ein einfacher Zusammenbau, beispielsweise durch einfaches Zusammenstecken, erreichen. Dadurch, daß diese Rohre die Gasleitung durchsetzen und in ihrem innerhalb der Gasleitung angeordneten Bereich düsenartigen Verengungen und über ihrem Mantel verteilte Ansaugöffnungen für das Gas aufweisen, kann eine gesonderte Mischkammer entfallen und es wird auch hiebei wieder der Vorteil erreicht, daß die Rohre einfach durch die entsprechenden Durchbrechungen der Gasleitung nindurchgesteckt v/erden. Durch die düsenartigen Verengungen in den Rohren wird Gas durch Injektorwirkung angesaugt und das so gebildete Gas-Wasser-Gemisch kann in das zu reinigende Abwasser ausgestoßen werden. Auf diese Weise wird eine rasche und gute Durchmischung der flüssigen und der Gasphase erzielt. Die Gas führende Leitung kann unter atmosphärischem oder unter erhöhtem Druck stehen Über die an den freien Enden dieser Rohre vorgesehenen Austrittsdüsen kann das im Inneren der Gasleitung erzeugte Gas-Luft-Gemisch in den Behälter ausgestoßen werden. Durch die Kombination dieser Merkmale wird eine einfache Vorrichtung geschaffen, welche eine optimale Anpassung an die jeweiligen Formen und Abmessungen des Abwasserbehalters erlaubt und nur mit einer geringen Anzahl von verschiedenen Bauteilen auskommt.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich im besonderen dadurch aus, daß sie es ermöglicht, eine große Anzahl von Mündungen innerhalb des Behälters anzuordnen, durch welche das Gas-Wasser-Gernisch in die wässerige Phase ausgestoßen wird. Es wird so mit einfachen Mitteln möglich, eine sehr gleichmäßige und vollständige Durchmischung des gesamten Behälterinhaltes zu erzielen. Die Flüssigkcits- und die Gasleitung können beispielsweise von Kunststoff oder Metallrohren gebildet sein. In jedem Fall können die radialen Durchbrechungen in einfacher Weise, beispielsweise durch Bohren ι hergestellt werden.

Der Umriß der lichten Öffnung der düsenartigen Verengungen ist vorzugsweise im Verhältnis zum Querschnitt derselben grosser gewählt als das Verhältnis, welches bei einem kreisförmigen Querschnitt gleicher Querschnittsfläche besteht. Dadurch wird die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls erhöht und da die Lösung von Gasen in Flüssigkeiten proportional dem vorhandenen Gasdruck und der Oberfläche der Flüssigkeit ist, wird ein sehr hohes Ausmaß der Durchirischung der Gasphase mit der flüssigen Phase gewährleistet. Der Querschnitt der düsenartigen Verengung soll hiebei vom Kreisquerschnitt abweichen und die düsenartige Verengung kann entweder einen langgestrecken Querschnitt aufweisen, als Ringdüse ausgebildet sein oder aber eine Mehrlochdüse sein, wobe'i allen diesen Ausführungsformen der düsenartigen Verengung gemeinsam ist, daß sie eine möglichst große Oberfläche des Wasserstrahles zur Folge haben.

Vorzugsweise ist die Ausbildung so getroffen, daß die Innenwand der düsenartigen Verengung Strömungsleitflächen, insbesondere Rillen, aufweist, welche vorzugsweise schraubenlinienförmig verlaufen. Durch diese Strömungsleitflächen wird dein Wasser zusätzliche Turbulenz gegeben, wodurch eine noch bessere Durchmischung erzielt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Vorteil so ausgebildet sein, daß an die Austrittsdüsen der Rohre ein Diffusor angeschlossen ist und an der Anschlußstelle des Diffusors an die Austrittsdüsen Durchbrechungen vorgesehen sind. Dadurch kann in einfacher Weise weiteres Gas bzw. Chemikalien dem Mischstrahl zugesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an- Hand von in

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der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig.1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht, Fig.2 die Ausführungsform nach Fig.1 im Schnitt nach der Linie II-II der Fig.1 und Fig.3 eine Ansicht der Ausbildungsform nach Fig.1 in Richtung der Pfeile III-III der Fig.2, Fig.4 eine Draufsicht auf eine v/eitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig.5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig.4 und Fig.6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile VI-VI der Fig.5, Fig.7 einen Querschnitt analog zu Fig.2 und 5 durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, Fig.8 eine der Fig.2 analoge Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei v/elcher zusätzlich ein Diffusor angeordnet ist, Fig.9 eine schematische Wiedergabe der Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse innerhalb der Vorrichtung gemäß Fig.8, Fig.10 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gekrümmten Luft- und Wasserrohren, Fig.11 einen Längsschnitt durch eine Wasserdüse, Fig.12 bis 16 verschiedene Düsenquerschnitte für die Wasserdüse und Fig.17 bis 20 eine schematische Darstellung der Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Behältern.

Bei der Darstellung nach Fig.1 bis 3 ist die Druckwasserleitung von einem Rohr 1 und die Gasleitung von einem Rohr 2 gebildet. In radialer Richtung an das Wasserrohr 1 sind Rohre 3 angeschlossen, welche, wie in Fig.2 dargestellt ist, eine die düsenartige Verengung bildende Wasserdüse 4 aufweisen. Das Rohr 3 weist im Inneren der gasführenden Rohre 2 Durchbrechungen 6 auf, welche über den Umfang der Rohre 3 verteilt sind. Der aus der Wasserdüse 4 in der Mischkammer 5 austretende Strahl saugt Gas aus der gasführenden Leitung 2 an und das angesaugte Gas vermischt sich in der innerhalb der Rohre ausgebildeten Mischkammer 5 mit der flüssigen Phase. Das gebildete Gas-Wasser-Gemisch wird durch eine Austrittsdüse 7 in das Innere des Behälters ausgestoßen, wobei das Wasser von einer nicht dargestellten Pumpe in die Wasserrohre 1 gepreßt wird. Bei der Ausführungsform nach Fig.4 bis 6 weist das Rohr nur über einen Teilbereich seiner Oberfläche in Strömungsrichtung nach der Wasserdüse 4 Durchbrechungen für das Ansaugen von Luft aus der Rohrleitung 2 auf. Das Rohr 3 durch-

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setzt hiebei im wesentlichen tangential die Gasrohre 2 und das gebildete Gas-Wasser-Gemisch wird wiederum durch die Austritts-düse 7 in den Behälter ausgestoßen. Bei der Ausführungsform nach Fig.7 sind zwei Rohre 3 an ein Wasserrohr 1 angeschlossen. Jedes dieser Rohre 3 durchsetzt ein Luftrohr 2 und weist im Inneren dieses Luftrohres 2 Ansaugöffnungen 6 für die Luft auf. Die Anordnuncj ist bei dieser Ausbildung so getroffen, daß die Rohre 3 miteinander einen Winkel von 180 einschließen. Es ist jedoch durchaus denkbar, beliebige Winkel zwischen den beiden Mischrohren zu wählen und auf diese Weise den geometrischen Verhältnissen im Abwasserbehälter Rechnung zu tragen. Da die Rohre 1 und 2 von herkömmlichem Metall oder Kunststoff gebildet werden können, können diese Rohre beliebig zusammengesetzt werden und sich über weite Bereiche des Abwasserbehälters erstrecken.

An Hand der Fig.8 und 9 soll die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert werden. Das in das Rohr 1 von einer Pumpe geförderte Abwasser weist an der Anschlußstelle in das Mischrohr 3 einen bestimmten Druck und eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit auf. Beim Durchtritt, des Wassers durch die Wasserdüse 4 fällt, wie in rig.9 dargestellt, der Druck ab, wobei die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Der Wasserstrahl gelangt mit hoher Geschwindigkeit und geringem Druck in den Bereich der Lufteintrittsöffnungen 6 des Rohres und vermischt sich mit der angesaugten Luft innerhalb der Mischkammer 5. In dieser Mischkammer 5 kann ein Druckanstieg und damit gleichzeitig ein Absinken der Strömungsgeschwindigkeit beobachtet v/erden. Dieser Druckanstieg führt zu einer besseren Löslichkeit der Luft im Wasser, da die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit in erster Linie vom Druck und der Grenzflächenoberfläche der beiden Phasen abhängt. Die Mischkammer 5 wird an der einen Seite von der Stirnfläche 8 der Wasserdüse und an der anderen Seite von der Mündung der Austrittsdüse 7 begrenzt. Das Luft-Wasser-Gemisch tritt nun bei der in Fig.8 dargestellten Ausführungsform über die Austrittsdüse 7 in einen Diffusor 9 aus. Bedingt durch den sich verjüngenden Querschnitt der Austrittsdüse wird wiederum ein Druckabfall und eine Steigung der Austrittsgeschwindigkeit beobachtet, wie

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dies in Fig.9 dargestellt ist. Innerhalb des Diffusors 9 fällt nun die Geschwindigkeit erneut ab und der Druck nimmt zu. In dieser Zone wird daher ein großer Teil des Sauerstoffes, welcher noch nicht gelöst ist. entsprechend seinem steigenden Partialdruck in der Gasphase im Wasser gelöst und es kann daher durch die Anordnung eines solchen Diffusors die Wirkung der Mischkammer 5 noch weiter verbessert werden. In unmittelbarer Nähe der Anschlußstelle des Diffusors 9 an die Austrittsdüse 7 können weitere Durchbrechungen 10 angeordnet sein, über welche weiteres Gas oder aber Chemikalien dem Mischstrahl zugesetzt werden können. Diese Durchbrechungen 10 können in analoger Weise wie die Durchbrechungen 6 innerhalb einer weiteren Luftleitung angeordnet sein.

Die Luft im Rohr 2 kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter atmosphärischem Druck oder aber unter erhöhtem Druck stehen. Es ist selbstverständlich, daß die Löslichkeit der Gasphase in der Flüssigkeit bei zunehmendem Druck in der Luftleitung zunimmt.

In Fig.io sind zwei konzentrisch verlaufende Rohrleitungen 1 und 2 dargestellt. Von der wasserführenden Rohrleitung 1 erstrecken sich die Rohre 3 in radialer Richtung zum Zentrum des Krümmungskreises der Rohre und durchsetzen die luftführenden Rohre 2. Die Austrittsdüsen 7 sind gleichfalls radial gerichtet und die Ausbildung kann hiebei entweder entsprechend den Fig.1 bis 3 oder 4 bis 6 getroffen sein.

Fig.11 zeigt einen Längsschnitt durch eine Wasserdüse 4, in welcher die Strömungsrichtung mit dem Pfeil 11 angedeutet ist. Die Fig.12 bis 16 zeigen nun Ansichten einer solchen Wasserdüse 4 in Richtung ihrer Stirnfläche 8, wobei in Fig.12 ein kreisförmiger Querschnitt dargestellt ist. Fig.13 zeigt eine Mehrlochdüse, welche gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt eine wesentlich verbesserte Durchmischung der Gasphase mit der flüssigen Phase gewährleistet, da die mit der Gasphase in Berührung stehende Oberfläche des Strahles im Verhältnis zum Querschnitt vergrößert ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Querschnittes der Wasserdüse 4 führen zu einer weiteren Vergrößerung der Oberfläche des Strahles im Verhältnis zum Querschnitt der Düsenöffnung. So ist in Fig.14 ein Schlitz,

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in Fig.15 ein im wesentlichen 3-zackiger Düsenmündungsquerschnitt und in Fig.16 der Querschnitt einer Ringdüse dargestellt.

Die Fig.17 bis 20 veranschaulichen schematisch verschiedene beispielhafte Anordnungen der erfindungsgemäßen Einrichtung innerhalb von Behältern verschiedener Form. Mit 1 sind wiederum die wasserführenden Leitungen und mit 2 die luftführenden Leitungen bezeichnet, wobei der Behälter in Fig.17 mit 12 bezeichnet ist. Mit 7 sind die Austrittsdüsen des Mischstrahles angedeutet. In Fig.18 isb ein Behälter 13 mit im wesentlichen quadratischem Grundriß ersichtlich, wobei das Viasserrohr 1, ebenso wie das Luftrohr 2, dem Umfang dieses Behälters folgt. In Fig.19 ist ein Behälter dargestellt, dessen Querschnitt einem ovalen Ring entspricht. Die Anordnung der Wasser- und der Luftrohre ist hiebei so getroffen, daß durch die aus den Austrittsdüsen 7 austretenden Mischstrahlen eine Strömungsrichtung längs des ringförmigen Querschnittes erzielt wird. In Fig.2o ist ein im wesentlichen zylindrischer Behälter in der Draufsicht dargestellt. Die Wasserrohre 1 sind innerhalb dieses Behälters 15 innen und außen konzentrisch von Luftrohren 2 umgeben und die Strömungsrichtung der Mischstrahlen, welche die Austrittsdüsen verlassen, ist abwechselnd radial nach innen und radial nach außen gewählt.

Die Anordnung der Rohre relativ zueinander kann auch so erfolgen, daß jeweils Wasserrohre und Luftrohre in Achsrichtung des Behälters übereinander angeordnet sind, wobei die von den Wasserrohren abzweigenden und die Luftrohre durchsetzenden Rohre im wesentlichen parallel zur Behälterachse verlaufen. Wenn bei einer solchen Anordnung die Wasser- und Luftrohre aus Kunststoff bestehen, kann die Ausbildung flexibel sein und ein derartiges vorgefertigtes Rohrsystem kann entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen gebogen und beispielsweise entlang der Behälterwandung verlegt werden.

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Leerseite

Claims

-Vereinigte Österreichische Eisen- und Stahlwerke -2826259 Alpine Montan Aktiengesellschaft

Patentansprüche :

u) Vorrichtung zum Einbringen von Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von Abwässern in einem Behälter mit einer an eine Umwälzpumpe angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, einer oxidierende Gase, insbesondere Luft führendei Leitung, einer Mischkammer zum Vermischen der Flüssigkeit mit dem Gas und Austrittsdüsen zum Einstoßen des Flüssigkeitsluftgemisches in den Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß an radiale Durchbrechungen der Flüssigkeitsleitung Rohre angeschlossen sind, welche die
Gasleitung durchsetzen, daß diese Rohre in ihrem innerhalb der Gasleitung angeordneten Bereich düsenartige Verengungen und
über ihren Mantel verteilte Ansaugöffnungen für das Gas aufweisen, und daß diese Rohre an ihrem freien Ende Austrittsdüsen zum Ausstoßen des innerhalb der Gasleitung erzeugten Gasluftgemisches aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Umriß der lichten öffnung der düsenartigen Verengungen im Verhältnis zum Querschnitt derselben größer gewählt ist als das Verhältnis, welches bei einem kreisförmigen Querschnitt
gleicher Querschnittsfläche besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der düsenartigen Verengung vom Kreisquerschnitt abweicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartige Verengung einen langgestreckten Querschnitt aufweiset.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartige Verengung eine Ringdüse ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartige Verengung als Mehrlochdüse ausgebildi ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der düsenartigen Verengung
Strömungsleitflächen, insbesondere Rillen, aufweist, welche

vorzugsweise schraubenlinienförmig verlaufen.

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ORIGINAL INSPECTED
8. Vorrichtung nach eiiir-m der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die AustrittsdU-sen der Rohre ein Diffusor angeschxcssen ist.
9. Verrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dor Anschlußstelle des Dift*_ii?ors an die Austrittsdüsen Durchbrechungen für die Zufuhr vor. ^oiteren Gas bzw. von Chemikalien in den Mischstrahl angeordnet sind.

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