DE3733583A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung feinster luftblasen zur flotation von schlaemmen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzeugung feinster luftblasen zur flotation von schlaemmenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur
Herstellung feinster Gas- und Luftblasen in vorrangig
wäßrigen Flüssigkeiten, die sich durch ihre
Oberflächenspannungen an feinste Feststoffe ablagern und so
zur Flotation von Schlämmen, insbesondere von Biomassen aus
mikrobiologischen Prozessen, benötigt werden.
Die Flotation von Schlämmen verschiedener Art wird in zuneh
mendem Maße zur großtechnischen Fest-Flüssig-Trennung
eingesetzt.
Von den verschiedenen Methoden zur Blasenbildung hat sich in
den vergangenen Jahren die Methode der Entspannungsflotation
durchgesetzt.
Prof. Dr. Ing. H. Roediger beschreibt im Sonderdruck der
Zeitschrift Kommunalwirtschaft 9/81 die Grundlagen der
Entspannungsflotation wie folgt:
"Das von Henry und Dalton gefundene Absorptionsgesetz
besagt, daß die im Wasser lösbare Luftmenge nicht nur
temperaturabhängig ist, sondern auch proportional mit
dem Druck steigt oder fällt. Beim Absenken des Drucks
muß also die überschüssige Luftmenge frei werden, die
zwar beim höheren Druck in Lösung war, die aber beim
neuen niedrigeren Druck nicht mehr in Lösung bleiben
kann. Diese nicht mehr lösbare Luft wird in feinsten,
gut verteilten Blasen frei, deren Flotationswirkung
unübertrefflich ist.
Hanisch hat dieses Verfahren in seiner Dissertation
1960 an der Universität Stuttgart wissenschaftlich
behandelt und damals "Überdruckflotation" genannt.
Bei einer richtig dimensionierten, konstruierten und
betriebenen Entspannungs-Flotationsanlage entstehen
Luftblasen mit etwa 0,05 mm Durchmesser. Die Steigge
schwindigkeit solch kleiner Luftblasen beträgt etwa
0,15 cm/Sekunde, also 9 cm/Minute.
Die bei plötzlichen Entspannung aus dem gelösten in den
gasförmigen Zustand übergehende, also "frei werdende"
Luft bildet einen ganzen Schwarm oder Schleier von
außerordentlich feinen und gleichmäßig verteilten
Bläschen. Bei solch kleinen Luftblasen bewirkt die
Oberflächenspannung eine völlige Stabilität, d. h. diese
sehr kleinen Blasen sind praktisch unzerstörbar. Sie
vereinigen sich nicht zu größeren Blasen und sie treten
auch nicht ohne weiteres an der Wasseroberfläche aus.
Sie steigen nach ihrem Entstehen langsam auf und kommen
hierbei mit den absinkenden, mit den schwebenden und
mit den zu langsam aufsteigenden Schmutzteilchen und
Schlammflocken in Berührung. Durch Adhäsion bleiben sie
an diesen Stoffen hängen und tragen sie als winzig
kleine Luftballons nach oben an die Wasseroberfläche.
Dort bilden sie eine ganze Schicht aus unzählig vielen,
kleinen, stabilen Blasen, welche die flotierten Stoffe
beliebig lange an der Wasseroberfläche halten. Zugleich
bewirkt der summierte, äußerst starke Auftrieb dieser
unendlich vielen Bläschen, daß die Schwimmschlammdecke,
also die Summe der flotierten Schmutzteilchen, ganz
außergewöhnlich stark eingedickt wird."
Auf der Grundlage dieses theoretischen Wissens werden Über
druckflotationsanlagen gebaut und betrieben.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, den bisher bekannten
Vorgang der Mikroblasenbildung genauer zu beschreiben, um
unter Zugrundelegung dieser neuen Erkenntnisse die für die
Flotation notwenige Gerätetechnik zur Verringerung
erforderlicher Energien und zur besseren Steuerung der
Verfahrenstechnik zu verändern.
Das Wesen der Erfindung ist es, den bei der Charakterisierung
der bekannen technischen Lösungen dargestellte Wissensstand
zur Mikroblasenbildung zu erweitern und darauf aufbauende
Vorrichtungen zur Senkung des Energieaufwandes und zur
Verfahrensführung darzustellen.
Die erfindungsgemäße Lösung der technischen Aufgabe besteht
darin, daß die Einrichtungen zur Druckreduzierung der
begasten Flüssigkeiten und die Einrichtungen der
Mikroblasenbildung gesondert gestaltet werden.
Es wurde gefunden, daß unter Druck begaste Flüssigkeiten
nicht wie bisher beschrieben bei einer plötzlichen
Entspannung aus der freiwerdenden Luft in der Flüssigkeit
feinste Blasen bilden, sondern, daß das Entstehen großer
Mengen von Mikroblasen auf Kavitationszustände in den
Entspannungsorganen zurückzuführen ist. Das bedeutet, daß
beispielsweise durch die Strömung an den Ventilkanten ein
solcher Unterdruck entsteht, daß die Grenze des Dampfdruckes
der Flüssigkeit unterschritten wird und sich dadurch für
einen kurzen Moment kleinste Dampfblasen bilden. Erst an der
Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf und unter dem
hohen Vakuum besteht für das Gas die Möglichkeit, aus der
Flüssigkeit zu entweichen. Außerhalb der Ventilkanten bricht
der Unterdruck sofort zusammen und der Flüssigkeitsdampf
kondensiert sofort. Zurück bleiben winzige Gasblasen in die
nur die Luftmenge noch nachträglich eindringt, die unter dem
niedrigeren Druckniveau hinter dem Entspannungsventil nicht
in gelöster Form in der Flüssigkeit verbleiben kann.
Der Druckausgleich und der Stoffaustausch in den Mikroblasen
erfolgt in kurzer Zeit. Danach verbleiben kleine stabile
Mikroblasen als Blasenschleier in der Flüssigkeit.
Erfindungsgemäß läßt sich die gefundene Erkenntnis auf zwei
Wegen nutzen:
- 1. Gestaltung der Entspannungsorgane für Überdruckflota tion mit dem Ziel der Erzeugung des Kavitationsfeldes mit geringstem Flüssigkeitsdruck, dargestellt im Beispiel 1,
- 2. Trennung der Einrichtungen zur Druckreduzierung von
den Einrichtungen zur Mikroblasenerzeugung mit dem Ziel
der Energieeinspannung bei der Druckwassererzeugung duch
die Nutzung der Entspannungsenergie zum Befüllen des
Begasungsbehälters.
Dazu wird über ein Austauschersystem mit geringstem Energieaufwand die zu begasende Flüssigkeitsmenge in den Begasungsdruckbehälter und die gleiche begaste Menge aus dem Behälter gebracht. Die für die Lösung der Luft erforderliche Druckerhöhung erfolgt ausschließlich durch die einzubringende Druckluft.
Das Ein- und Ausbringen der Flüssigkeit erfolgt:- - diskontinuierlich über Ventile unter Verwendung von drei Druckbehältern, von denen jeweils einer zum drucklosen Befüllen, einer zum Begasen und einer zum drucklosen Entleeren genutzt wird, oder
- - quasikontinuierlich über ventil- oder schiebergesteu erte Flüssigkeitsaustauscher mit einem Begasungsbehäl ter mit Transport- und Umwälzpumpe oder
- - mit zwei gekoppelten Zahnradpumpen, wobei eine Pumpe zum Beschicken und die zweite Pumpe zur Entnahme aus dem Begasungsbehälter verwendet wird, dargestellt im Beispiel 2.
Bei der Verwendung von Flüssigkeitsaustauschern sind die
Leckverluste mit einer kleinen Druckpumpe zu ersetzen. Die so
erzeugte entspannte gasübersättigte Flüssigkeit wird zur
Mikroblasenbildung durch ein Kavitationsfeld geleitet. Die
Erzeugung eines solchen Feldes erfolgt durch eine
Ultraschallsonde.
Wie in der Zeichnung zum Beispiel 1 dargestellt, wird aus
einem Begasungsdruckbehälter einer Überdruckflotationsanlage
das unter Druck stehende gasgesättigte Wasser (1) einer
Hohlkegeldüse zugeleitet und in dieser entspannt. In
Abhängigkeit vom Durchmesser der Düse in der Düsenplatte (2)
befindet sich hinter derselben eine Abdeckplatte (3), die den
sich bildenden Hohlkegel (4) voll abdeckt. Dieser Hohlkegel
wird durch die, über einen vor der Düse angeordneten
Drallkörper (5) geleitete, rotierende Flüssigkeit gebildet.
Durch die Abdeckung kann keine Flüssigkeit in den Hohlkegel
zurückströmen. Es entsteht ein Unterdruck, der größer ist als
der Dampfdruck der Flüssigkeit. Der Hohlkegel ist damit
ständig mit Wasserdampf gefüllt, so daß bereits hier erste
Luftanteile in den Dampfraum diffundieren können. Der
intensive Flüssigkeitsstrom reißt ständig kleinste Teile
dieses Dampf-Luft-Gemisches mit. Aus den Gaspartikeln bildet
sich in der entspannten Flüssigkeit (6) der Mikroblasen
schleier.
Wie in der Zeichnung zum Beispiel 2 dargestellt, wird die zu
flotierende Flüssigkeit (1) kontinuierlich in den Flota
tionsbehälter (2) eingeleitet, aus dem der aufkonzentrierte
Schlamm (3) mit einer Fördereinrichtung (4) ausgetragen wird.
Über ein einstellbares Wehr (5) wird das gereinigte Wasser
(6) aus der Anlage abgeleitet. Ein Teilstrom des Wassers wird
von der ersten Zahnradpumpe (7) der mit einem Motor (8)
angetriebenen Austauschereinheit in den Begasungsbehälter
(9) gedrückt. Das Druckniveau wird durch die, die
Flüssigkeit begasende, Druckluft (10) erzeugt. Das
gasgesättigte Wasser wird von der zweiten Zahnradpumpe (11),
die als Generator arbeitet aus dem unter Druck stehenden
System entnommen und nun unter dem niedrigeren Druckniveau
gasübersättigt dem Ultraschallgerät (12) zugeleitet. Hier
bilden sich innerhalb des Kavitationsfeldes die Mikroblasen
aus. Sie werden mit dem Wasser als Mikroblasenschleier in den
Flotationsbehälter gebracht, lagern sich dort an die
Feststoff- und Suspensionspartikel an, so daß diese aufstei
gen und als Schlamm ausgetragen werden können.
Die in der Austauschereinheit entstehenden Leckverluste
können entweder durch eine entsprechend größere Auslegung der
Zahnradpumpe (7) oder durch eine kleine Druckpumpe (13)
ausgeglichen werden.
Zur besseren Lösung der Luft kann außerdem ein interner
Kreislauf mit einer Pumpe (14) zur Vermischung von Luft und
Wasser installiert werden.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus druckbe
gasten Flüssigkeiten in Überdruckflotationsanlagen, dadurch
gekennzeichnet, daß die begaste Flüssigkeit duch eine
Hohlkegeldüse gedrückt wird, über der sich im kurzen,
einstellbaren Abstand eine Abdeckplatte befindet.
2. Verfahren zur Herstellung von feinsten Gasblasen in Flüs
sigkeiten zur Flotation von Schlämmen unter Nutzung der
Lösung des Gases unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtungen zur Druckbegasung der Flüssigkeit und
die Einrichtungen der Mikroblasenbildung getrennt vonein
ander gestaltet werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die zu begasende Flüssigkeit in einen Behälter eingelei
tet, dort eingeschlossen, von unten mit Druckluft begast,
auf das entsprechende Druckniveau gebracht und danach
entspannt wird und somit in einem niedrigeren Druckniveau
gasübersättigt zur Verfügung steht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß unter dem eingestellten Druckniveau zur schnelleren
Sättigung mit Hilfe der Oberflächenvergrößerung eine
interne Durchmischung der Luft und der Flüssigkeit im
Behältersystem zur Anwendung kommt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Begasung in einen Druckbehälter erfolgt und die
Zuführung von unbegaster Flüssigkeit und die Entnahme von
begaster Flüssigkeit über zwei ventil- oder schieberge
steuerte Austauscher erfolgt, wobei die Schaltzeiten so
mit den Flüssigkeitsgeschwindigkeiten abgestimmt sind, daß
die Menge der begasten Flüssigkeit, die in das drucklose
System, und die Menge der unbegasten Flüssigkeit, die in
das unter Druck stehende System gefördert wird, gleich
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei gleich große Zahnradpumpen miteinander gekoppelt
werden, so daß der Druck, der aus dem Begasungsdruck
behälter kommenden Flüssigkeit an die unbegaste, in die
sen Behälter zu fördernde Flüssigkeit abgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
gasübersättigte drucklose Flüssigkeit durch Einrichtungen
zur Erzeugung von Unterdrücken im Bereich der dampfbla
senbildenden Kavitation geleitet wird, dadurch kurzzeitig
übersättigte Luft in die Dampfblasen entweicht und im
Strömungsfeld beständige Mikrogasblasen gebildet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die gasübersättigte drucklose Flüssigkeit durch ein System
geleitet wird, in welchem Ultraschallschwingungen die
Kavitation erzeugen.
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