DE3224961A1

DE3224961A1 - Hybride fluessigkeitsbegasungsduese

Info

Publication number: DE3224961A1
Application number: DE19823224961
Authority: DE
Inventors: Bernhard Prof. Dipl.-Ing. 5064 Rösrath Kunst; Wilfried Dipl.-Ing. 5000 Köln Thamm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-03
Filing date: 1982-07-03
Publication date: 1984-01-05

Description

Bezeichnung: Hybride Flüssigkeitsbegasungsdüse Hybride Flüssigkeitsbegasungsdüse Für das Einbringen eines Gases in eine stehende oder nur mäßig bewegte Flüssigkeit werden in genügendem Abstand unterhalb des Spiegels Schwärme von möglichst kleinen Gasblasen erzeugt. Auf seinem Weg zur Oberfläche extrahiert das Gas im Wasser gelöste Substanzen oder es geht selbst in Lösung. So wird z.B. das Ausschäumen von Netzmittelresten aus Abwässern oder die Belüftung von Belebtschlammbecken durchgeführt. Die Intensität des dabei stattfindenen Stoffaustausches ist proportional zu der in einem gegebenen Flüssigkeitsvolumen zur gleichen Zeit vorhandenen aufsummierten Blasenoberfläche und umgekehrt proportional zu dem zu überwindenden Diffusionsweg, also dem mittleren Blasenabstand.
Die aufsummierte Blasenoberfläche, auch Phasengrenzfläche genannt, entsteht im Beharrungszustand in gleichem Maße durch neu am Boden des Reaktionsvolumens hinzukommende Blasen wie auf dem Weg zur Flüssigkeitsoberfläche Blasen aufgezehrt werden oder an der Oberfläche zerfallen bzw.
in Schaum übergehen. Somit ist die in einem gegebenen Flüssigkeitsvolumen befindliche Blasenoberfläche abhängig von der Zahl der je Zeiteinheit erzeugten Blasen, von der Aufenthaltszeit, d.h. also von der Steiggeschwindigkeit einer Blase im Reaktionsvolumen und von der Blasengröße.
Der mittlere Abstand benachbarter Blasen hängt ebenfalls von Anzahl, Steiggeschwindigkeit und Größe der Blasen ab.
Nun ist andererseits das in die Flüssigkeit einzubringende Gasvolumen entweder vorgegeben, wie z.B. bei der Belüftung von Klärbecken, oder soll aus Gründen der Energieersparnis möglichst klein gehalten werden, wie z.B. bei der Ausschäumung von Netzmitteln. Damit ist die Blasenzahl je Zeiteinheit durch die Blasengröße vorgegeben. Aber auch die Steiggeschwindigkeit ist im wesentlichen eine Funktion der Blasengröße.
Die Intensität des Stoffaustausches ist somit letztlich vom Blasendurchmesser abhängig. Je kleiner die Gasblase, umso geringer ist also das erforderliche Reaktionsvolumen und somit die dafür erforderlichen Investitionen.
Eine bekannte Methode, um Gase in ruhende Flüssigkeiten einzubringen, besteht darin, das Gas durch eine feinporige oder feingelochte Wandung zu leiten. Nach Durchtritt durch die Wandung dringt das Gas in die Flüssigkeit ein in Form kleiner Blasen. Die Wandung verteilt somit das Gas auf eine grundsätzlich beliebig große Berührungsfläche mit der zu begasenden Flüssigkeit. Die Zerteilung des aus den Einzelporen oder -löchern austretenden Gasstromes in Einzelblasen geschieht im wesentlichen nach den Gesetzen der Blasenbildung in ruhender Flüssigkeit, bei denen die Auftriebskraft die bestimmende Rolle spielt. Diese Anordnung, als Flächenbegaser bekannt, wird sowohl mit ebenen Filterplatten als auch mit Filterkerzen zylindrischer oder konischer Gestalt bzw. mit Feinlochblechen realisiert, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angebracht sind.
Die Nachteile dieser Anordnung sind jedoch: 1. Der Durchmesser der gebildeten Blasen wird im wesentlichen nur durch die Auftriebskraft bestimmt. Die damit erzielten Blasendurchmesser sind groß und der Stoffaustausch je Reaktionsvolumen gering.
2. Die Investitionskosten für derartige Begasungsanordnungen sind, besonders bei größeren Reaktionsbehältern, nicht unerheblich.
Eine weitere bekannte Methode, um Gase feindispers in Flüssigkeiten einzubringen, besteht darin, das Gas mit einem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Teil der zu behandelnden Flüssigkeit, dem Treibstrom, unmittelbar in Berührung zu bringen.
Durch innere Turbulenz-en sowie durch Scherkräfte zwischen dem durch eine Düse erzeugten Freistrahl des Treibstromes einerseits und dem stehenden Gas andererseits zerfallen die Randzonen des Strahles in Tropfen. Dadurch werden größere Mengen Gas mitgerissen. Dieser Vorgang findet in der sogenannten Mitreißzone statt und entspricht der Gasverteilung bei einem Flächenbegaser. In einer nachfolgenden Mischstrecke koagulieren die Tropfen zu homogener Flüssigkeit. Gleichzeitig wird das Gas unter weiterer Wirbelbildung der Flüssigkeit zerteilt. Von dort aus gelangt das nunmehr aufbereitete Flüssigkeits-Blasen-Gemisch in den Reaktionsbehälter.
Diese Anordnung, als Injektor, Treibstrahler oder Begasungsdüse bekannt (siehe DPS 21 16 241, DAS 21 66 595, DOS 26 34 494, DOS 30 02 604), gehört zu den Volumenbegasern.
Die Nachteile dieser Anordnung sind: 1. Der Mechanismus der Gasverteilung in der Mitreißzone verzehrt erhebliche Energie, da darin die Flüssigkeit zertropft werden muß.
2. Das Zerteilen des Gases zu Blasen in der Mischstrecke geschieht durch Turbulenz, also durch einen statistisch regellosen Mechanismus. Die Folge ist ein breites Spektrum von Blasendurchmessern. Die Wahl einer längeren Mischstrecke ist keine Abhilfe, da dadurch vermehrte Koaleszenz auftritt. Der wirtschaftliche Nachteil eines breiten Blasenspektrums wird erkennbar im Reaktionsbehälter. Dort holen größere, schneller aufsteigende Blasen die kleineren ein, so daß vermehrte Blasenkoaleszenz im Behälter auftritt. Auch darf die hohe Turbulenz in der Mischstrecke als in hohem Maße energieverzehrend angesehen werden.
3. Des weiteren ist die Gasaufnahme der Flüssigkeit von Geschwindigkeit und Berührungsfläche zwischen Strahl und Gas abhängig. Die Geschwindigkeit ist aus energiewirtschaftlichen Gründen nicht beliebig zu steigern. Die Berührungsfläche kann im wesentlichen nur durch den Strahldurchmesser beeinflußt werden, für welchen wegen des Zerteilvorganges in der nachfolgenden Mischstrecke eine obere Grenze besteht. Die Länge der Berührungsstrecke ist begrenzt, da der ungeführte Strahl sich fortlaufend erweitert. Injektoren sind somit nicht für größere Leistungen zu verwenden.
Größere Begasungsleistungen müssen somit durch Bündelung mehrerer kleiner Injektoren realisiert werden, womit der Investitionsaufwand steigt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht deshalb darin, die vorgenannten Nachteile zu beheben und somit Kleinstblasen zu erzeugen mit einem Minimum an Energie und Investitionsaufwand.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe erfolgt derart, daß die Vorteile des Flächenbegasers mit denen des Volumenbegasers in einer sog. hybriden Anordnung sinnvoll zusammengeführt werden. Zur Gasverteilung wird als Berührungsfläche die feinporige Wandung oder auch das Feinlochblech des Flächenbegasers verwendet. Zur Gaszerteilung werden Scherkräfte, ähnlich wie beim Volumenbegaser, zu Hilfe genommen. Dies wird dadurch wirkungsvoll bewerkstelligt, daß ein Treibwasserstrom der zu behandelnden Flüssigkeit mit erhöhter Geschwindigkeit an der porösen oder feingelochten Berührungsfläche vorbeigeleitet wird.
Ein erfindungsgemäßes Beispiel für hohe Begasungsleistungen ist in Bild 1 wiedergegeben. Die Berührungsfläche besteht hier aus zwei konzentrischen zylindrischen Filterkörpern 1 und 2.
Der innere Filterzylinder 1 wird mit Gas über das Rohr 3 versorgt. Im Bereich des Filterzylinders ist es gelocht, damit das Gas hindurchotreten kann. Der äußere Filterzylinder 2 wird versorgt über den Gasanschluß 4. Im Ringspalt der Weite S zwischen den Zylindern 1 und 2 strömt die über den Anschluß 5 zugeführte Treibflüssigkeit mit erhöhter Geschwindigkeit.
Um Strömungsverluste der Treibflüssigkeit zu vermeiden, wird zweckmäßigerweise der innere Zylinder 1 durch zwei stromlinienförmige Drehkörper 6 und 7 eingef#aßt.
Sie werden in der dargestellten Ausführung durch den Zylinderstift 8 gegen die Dichtungen 9 gedrückt. Zur Fixierung des inneren Zylinders 1 lagert der Drehkörper 7 in einem Führungskreuz 10. Der äußere Filterzylinder wird von den Flanschen 11 und 12 über (nicht eingezeichnete) Spannschrauben gehalten. Zur Abdichtung nach außen dienen die Dichtungen 13. über den Anschluß 14 kann die Luftkammer des äußeren Filterzylinders bei Bedarf entwässert werden. Zur Montage und Demontage des Innenteils ist die Anordnung mit der Flanschverbindung 15 und 16 versehen. Der Rundschnurring 17 im Blindflansch 16 dichtet die Durchführung des Rohres 3 gegen außen ab.
Die Vorteile eines derartigen hybriden Begasers sind: 1. Die regelmäßigen aber nochverhaitnismäßig#großennBlasen des Flächenbegasers können durch Einstellen entsprechender Geschwindigkeit im Spalt s beliebig verkleinert werden. Der Mechanismus der Gasverteilung bewirkt zwangsläufig, daß das Spektrum der erzeugten Blasendurchmesser eng ist.
2. Die erforderliche Energie des Treibflüssigkeitsstromes ist im Vergleich zu den Injektoren erheblich geringer. Auch hierfür ist der Zerteilmechanismus verantwortlich, da der Umweg über ein Zertropfen des Treibstromes vermieden wird.
3. Die Begasungsleistung ist nicht wie beim Zylinder durch den Frei strahldurchmesser begrenzt. Wohl wird man bei der hybriden Begasungsdüse die Spaltweite s ähnlich wählen wie beim Injektor den Freistrahldurchmesser, also etwa s L 20 mm. Allerdings ist man nicht auf die Kreisgeometrie angewiesen, sondern kann auf die in Umfangsrichtung grundsätzlich beliebig zu vergrößernde Spaltgeometrie ausweichen, wie das erfindungsgemäße Beispiel zeigt. Auch in Strömungsrichtung kann die Länge der Berührungsfläche in weiten Grenzen variiert werden. Um Koaleszenz und auch um eine zu hohe Beschleunigung des Gemisches im Spalt zu vermeiden, empfiehlt es sich, bei längeren Kontaktflächen den Spaltquerschnitt in Strömungsrichtung zu erweitern. Das kann bereits dadurch bewirkt werden, daß anstelle des porösen Zylinders 1 ein in Strömungsrichtung sich verjüngender konischer Filterkörper verwendet wird.
4. Die Investitionskosten einer hybriden Begasungsdüse sind wegen der sehr viel geringeren erforderlichen Berührungsfläche geringer als die einer statischen Begasungsanordnung. Sie sind auch erfahrungsgemäß geringer im Vergleich zu gebündelten Injektoren.
Hinzu kommt, daß durch die feinere und gleichmäßigere Blase der Stoffaustausch intensiver ist und somit die erforderlichen Abmessungen und der Investitionsaufwand des Reaktionsbehälters abnehmen.

Claims

Patentansprüche Begasungsdüse zum kontinuierlichen Einbringen von Gas in einen Flüssigkeitsstrom, bestehend aus einem Gehäuse mit Anschlüssen für die unbegaste Flüssigkeit, für das zu dispergierende Gas sowie für das aufbereitete Flüssigkeits-Blasen-Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch eine poröse oder auch feingelochte Wandung geleitet wird, hinter der ein Strom der zu begasenden Flüssigkeit mit erhöhter Geschwindigkeit geleitet wird.
2. Begasungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse oder feingelochte Wandung 1 als Zylinder ausgeführt ist, welcher von der Innenseite mit dem zu dispergierenden Gas beschickt und auf der Außenseite von einem in Ringspaltströmung fließenden Flüssigkeitsstrom umgeben ist.
3. Begasungsdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspaltströmung der zu begasenden Flüssigkeit von einem äußeren Zylinder 2 aus porösem oder feingelochtem Material umgeben ist und von seiner Außenseite mit Gas beschickt wird.
4. Begasungsdüse nach Anspruch 1 und 2 oder 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse oder feingelochte innere Zylinder 1 in konischer, in Strömungsrichtung sich stetig verjüngender Form ausgeführt ist.