DE4206715A1 - Verfahren und einrichtung zum belueften oder impraegnieren einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich­ tung zum Belüften oder Imprägnieren einer in einem ge­ schlossenen Strömungskanal strömenden Flüssigkeit mit einem von außen zugeführten Gas, wobei beide Phasen miteinander vermischt und/oder das Gas in der Flüssigkeit gelöst wird.

Es gibt eine große Anzahl von Verfahren, bei deren Durchführung Flüssigkeiten einer Behandlung in Form eines Belüftens oder Imprägnierens mit einem Gas unterzogen wer­ den, beispielsweise in der Getränkeindustrie, in der Brauereitechnik, bei der Aufbereitung von Frischwasser, bei der Abwasserbehandlung, in der Petrotechnik etc. Durch das Belüften oder Imprägnieren soll erreicht werden, daß Gas in Form von sehr feinen Bläschen in der Flüssigkeit verteilt wird, um es beispielsweise ganz oder teilweise in der Flüs­ sigkeit zu lösen, um ein bereits in der Flüssigkeit gelö­ stes Gas auszutreiben, oder um Flotations- oder Sedimenta­ tionsvorgänge an in der Flüssigkeit befindlichen Schwebe­ teilchen auszulösen.

In der Deutschen Patentanmeldung P 40 29 982.1 ist be­ reits eine Zweiphasenmischdüse zum Belüften oder Imprägnie­ ren einer in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Flüssigkeit mittels eines von außen zugeführten Gases vor­ geschlagen worden, bei der die Flüssigkeit durch eine Mischkammeranordnung geführt wird, die einen zylindrischen Zumischbereich mit einem gegebenen Strömungsquerschnitt und eine diesem in Strömungsrichtung nachgeordnete zylindrische Mischstrecke mit kleinerem Strömungsquerschnitt umfaßt, welche untereinander durch eine konische, sich vom Quer­ schnitt des Zumischbereichs auf den Querschnitt der Misch­ strecke verjüngende Beschleunigungstrecke verbunden sind. Am Ende der Mischstrecke erweitert sich der Strömungsquer­ schnitt sprungartig in eine nachfolgende Beruhigungs­ strecke. Bei dieser bekannten Einrichtung wird das Gas von einem den zylindrischen Zumischbereich umgebenden Ringkanal durch eine Anzahl von in der Wandung des zylindrischen Zu­ mischbereichs vorgesehenen, in radialer Richtung verlaufen­ den Gaszuführungsbohrungen unter Bildung von noch verhält­ nismäßig großen Blasen in die durch den Zumischbereich fließende Flüssigkeitsströmung gepreßt. Das in dieser Weise geschaffene Gasblasen-Flüssigkeits-Gemisch wird in der nachfolgenden Beschleunigungsstrecke stark beschleunigt, mit hoher Geschwindigkeit durch die Mischstrecke gepreßt und anschließend beim Eintritt in den Beruhigungsbereich stark verzögert, wobei die Gasphase nun in Form von wesent­ lich kleineren Bläschen vorzufinden ist als vor dem Ein­ tritt in die Beschleunigungsstrecke. Die Wirkungsweise der bekannten Düse läßt sich damit erklären, daß das Gasblasen- Flüssigkeits-Gemisch in der Beschleunigungsstrecke, beim Durchgang durch die Mischstrecke und beim Austritt in den nachfolgenden Beruhigungsbereich sehr starken Scherspannun­ gen ausgesetzt ist, wodurch die Gasblasen zerrissen und in wesentlich kleinere Gasbläschen zerteilt werden. Bei der hier beschriebenen Düse hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, daß die erzeugten Gasbläschen über einen verhältnismäßig weiten Bereich variierende Durchmesser ha­ ben, im Gegensatz zum Idealfall, bei dem alle Gasbläschen gleich groß sind, und daß die Größe der Gasbläschen ver­ hältnismäßig stark vom Strömungsdurchsatz sowohl der Gas­ phase als auch der Flüssigkeitsphase abhängig ist. Weiter­ hin hat sich gezeigt, daß zum Einpressen des Gases in die Flüssigkeit ein verhältnismäßig starker Überdruck notwendig ist.

Weiterhin ist aus der DE-PS 26 27 880 ein Verfahren für die Zerteilung von Gasen in kleine Blasen mit Hilfe ei­ ner Flüssigkeit, wobei beide Phasen miteinander vermischt werden, bekannt, bei dem das Gas und die Flüssigkeit mit solchen Zuströmgeschwindigkeiten und Volumenströmen in ei­ ner Mischkammer zu einem Zweiphasengemisch zusammengeführt werden, daß die Ausströmgeschwindigkeit des Zweiphasenge­ mischs aus der Mischkammer gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemischs ist, wobei das Zweiphasengemisch die Mischkammer mit einer sprunghaften Druckerniedrigung verläßt. Bei diesem bekannten Verfahren wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die Schallge­ schwindigkeit eines Zweiphasen-Gemischs nur ein Bruchteil der Schallgeschwindigkeit der beiden reinen Phasen ist und bei einem Gasvolumenanteil von zwischen 30 und 80% nur etwa 20 bis 30 m/s beträgt gegenüber etwa 1500 m/s bei reinem Wasser bzw. 330 m/s bei reiner Luft, wodurch von dem Effekt Gebrauch gemacht werden kann, daß beim Abströmen des Ge­ mischs aus der Mischkammer mit seiner charakteristischen Schallgeschwindigkeit durch die sprunghafte Druckerniedri­ gung beim Austritt aus der Mischkammer eine intensive Zer­ teilung der Phasen bewirkt wird. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch bei Zweiphasengemischen, bei denen der Gasvolu­ menanteil wesentlich weniger als 30% beträgt wegen der mit Verringerung des Gasvolumenanteils naturgemäß rapide an­ steigenden Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemischs nicht mehr praktikabel und damit zu einem Belüften oder Im­ prägnieren von Flüssigkeiten, bei dem der Gasvolumenanteil nur einige Prozent des Mischvolumens beträgt nicht anzuwen­ den. Außerdem ist bei dem bekannten Verfahren eine sprung­ hafte Druckerniedrigung des Zweiphasengemischs beim Verlas­ sen der Mischkammer zwingende Voraussetzung, was bei einer freibetriebenen Düse einfach zu erreichen ist, nicht jedoch beim Betrieb in einem geschlossenen Strömungskanal, wie er verwendet wird, wenn eine Flüssigkeit belüftet oder mit ei­ nem Gas imprägniert werden soll.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Belüften oder Imprägnie­ ren einer in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Flüssigkeit mit einem von außen zugeführten Gas anzugeben, bei denen eine hohe Gleichmäßigkeit der Größe der erzeugten Gasbläschen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Belüften oder Imprägnieren einer in einem ge­ schlossenen Strömungskanal strömenden Flüssigkeit mit einem von außen zugeführten Gas, wobei beide Phasen miteinander vermischt und/oder das Gas in der Flüssigkeit gelöst wird, bei dem

• - die Gasphase in einem Zumischbereich zu der Flüssig­ keitsphase zugeführt wird,
• - die Flüssigkeitsphase und die zugeführte Gasphase zusammen in einer sich in Strömungsrichtung an den Zumisch­ bereich anschließenden Beschleunigungsstrecke durch Vermin­ derung des Strömungsquerschnitts beschleunigt und durch eine sich an die Beschleunigungsstrecke anschließende oder als Teil derselben vorgesehene Mischstrecke geführt werden, und
• - die durch die beiden Phasen gebildete Mischphase über eine sprungartige Erweiterung des Strömungsquer­ schnitts am Ende der Mischstrecke in einen sich an die Mischstrecke anschließenden Beruhigungsbereich geführt wird,
• - wobei die Gasphase dem Zumischbereich so zugeführt wird, daß sie im wesentlichen an der äußeren Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase gebildeten Strömungssäule konzentriert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß diese Gasbläschen mit hoher Gleichmäßigkeit der Bläschen­ durchmesser gebildet werden und daß die Gleichmäßigkeit über einen weiten Bereich von Strömungsdurchsätzen erhalten bleibt. Dies läßt sich dadurch erklären, daß die Gasphase eine Art Schicht bildet, die die äußere Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase gebildeten Strömungssäule um­ gibt und die im wesentlichen nur auf dieser Mantelfläche in die Beschleunigungsstrecke und die Mischstrecke gezogen wird, so daß für alle Gasteilchen im wesentlichen gleiche und über einen weiten Bereich von Strömungsdurchsätzen er­ halten bleibende Verhältnisse bestehen.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Gasphase an einer eine Erweiterung des Strömungsquerschnitts im Zumischbereich bildenden Diskontinuität zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, daß ein geringer Überdruck zum Zuführen der Gasphase ausreicht.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß die beiden Phasen in der Beschleunigungsstrecke auf 20 bis 32 m/sec beschleunigt werden, insbesondere, daß die beiden Phasen auf 24 bis 28 m/sec beschleunigt werden. Strömungsgeschwindigkeiten in diesen Bereichen haben den Vorteil, daß bei einem Gasvolu­ menanteil von einigen wenigen Prozent ausreichende Scher­ kräfte erzeugt werden, ohne daß ein hoher Energieaufwand notwendig wäre.

Weiterhin wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zum Belüften oder Imprägnie­ ren einer in einem Strömungskanal strömenden Flüssigkeits­ phase mittels einer von außen zugeführten Gasphase, bei der eine in den Strömungskanal geschaltete Mischkammeranordnung vorgesehen ist, enthaltend

• - einen von einer Wandung begrenzten, einen gegebenen Strömungsquerschnitt aufweisenden Zumischbereich zur Zufüh­ rung der Gasphase durch in der Wandung vorgesehene Gaszuführungskanäle zu der Flüssigkeitsphase,
• - eine dem Zumischbereich in Strömungsrichtung nachge­ ordnete Mischstrecke gegebener Länge mit kleinerem Strö­ mungsquerschnitt als der Zumischbereich,
• - eine zwischem dem Zumischbereich und der Misch­ strecke angeordnete, sich im wesentlichen kontinuierlich vom Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs auf den Strö­ mungsquerschnitt der Mischstrecke verjüngende Beschleuni­ gungsstrecke , und
• - einen sich der Mischstrecke in Strömungsrichtung an­ schließenden Beruhigungsbereich mit größerem Strömungquer­ schnitt als die Mischstrecke, wobei der Strömungsquer­ schnitt der Mischstrecke an deren Ende sprungartig in den Strömungsquerschnitt des Beruhigungsbereichs übergeht,
• - wobei der Zumischbereich und die Gaszuführungskanäle so ausgebildet sind, daß die Gasphase im wesentlichen an der äußeren Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase gebildeten Strömungssäule konzentriert wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es, daß die Gasbläschen mit sehr gleichmäßiger Größe erzeugt werden, und daß die Gleichmäßigkeit der Bläschengröße über einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten erhal­ ten bleibt.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß die Wandung des Zumischbereichs eine zumindest teilweise in Umfangsrichtung desselben verlaufen­ de Diskontinuität aufweist, an der sich der Strömungsquer­ schnitt des Zumischbereichs erweitert, und daß die Gaszu­ führungskanäle so an der Diskontinuität angeordnet und/oder so ausgebildet sind, daß die über dieselben zugeführte Gasphase der Flüssigkeitsphase an der stromabwärtigen Seite der Diskontinuität beigemischt wird. Dies hat den Vorteil, daß ein verhältnismäßig geringer Überdruck zum Zuführen der Gasphase ausreicht.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ein­ richtung besteht darin, daß die Diskontinuität durch eine Stufe gebildet ist, an der sich der Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs mit der Strömungsrichtung sprungartig erweitert, und daß die Gaszuführungskanäle an der stromab­ wärtigen Seite der Stufe münden. Diese Ausbildung bringt den Vorteil, daß die zugeführte Gasphase besonders gleich­ mäßig über den äußeren Umfang der durch die Flüssigkeits­ phase gebildeten Strömungssäule verteilt wird.

Der zuletzt genannte Vorteil kommt besonders zum Tra­ gen bei Ausführungsformen, bei denen die Gaszufüh­ rungskanäle parallel zur Richtung der Flüssigkeitsströmung in der die stromabwärts gewandte Begrenzung bildenden Flä­ che der Stufe münden, wobei dieser Effekt noch weiter er­ höht werden kann, wenn die stromabwärts gewandte Fläche der Stufe eine sich in Strömungsrichtung öffnende, in Umfangs­ richtung parallel mit der Stufe verlaufende Nut aufweist, in der die Gaszuführungskanäle münden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Diskontinuität durch eine in der Wandung des Zumischbereichs vorgesehene, zumindest teil­ weise in Umfangsrichtung verlaufende Nut gebildet ist, und daß die Gaszuführungskanäle in der Nut münden. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist es, daß der gewünschte Ef­ fekt mit einem sehr geringen Aufwand erreichbar ist.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es vorge­ sehen, daß die Gaszuführungskanäle in einem spitzen Winkel schräg zur Richtung der Flüssigkeitsströmung in den Zu­ mischbereich münden. Dies hat den Vorteil, daß die Gasphase unter Beibehaltung eines gleichmäßigen Strömungsquer­ schnitts des Zumischbereichs auf der Außenseite der Flüs­ sigkeitsphase konzentriert werden kann. Vorteilhafterweise sind die Gaszuführungskanäle in mehreren parallelen, in Um­ fangsrichtung um den Zumischbereich verlaufenden Reihen an­ geordnet. Die Einrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel ist besonders einfach herzustellen.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Einrichtung bestehen darin, daß stromaufwärts der Gaszuführungskanäle zusätzliche Gaszuführungsöffnungen an­ geordnet sind, oder daß stromabwärts der Gaszufüh­ rungskanäle zusätzliche Gaszuführungsöffnungen angeordnet sind. Denn hierdurch ist es möglich, die erwünschte Gleich­ mäßigkeit der Größe der Gasbläschen über einen noch weite­ ren Bereich von Strömungsdurchsätzen zu erhalten, indem nämlich bei niedrigem Strömungsdurchsatz, bei dem ein ge­ ringer Überdruck zum Zuführen der notwendigen Gasmenge aus­ reicht, das Gas im wesentlichen nur an der Diskontinuität zugeführt wird, während bei steigendem Strömungsdurchsatz, bei dem ein zunehmender Druck zum Zuführen der notwendigen Gasmenge erforderlich ist, das Gas immer mehr auch durch die zusätzlich vorgesehenen Gaszuführungskanäle zugeführt wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen etwas schematisierten Längsschnitt einer Mischdüse nach dem Stand der Technik;

Fig. 2a) bis 2e) Längsschnitte durch die den Zu­ mischbereich der Mischdüse umgebende Wandung, wobei gemäß einem ersten bis einem fünften Ausführungsbeispiel der Er­ findung eine Diskontinuität im Zumischbereich vorgesehen ist, die durch eine den Strömungsquerschnitt in Strömungs­ richtung sprungartig erweiternde Stufe gebildet ist und wo­ bei die Gaszuführungskanäle stromabwärts der Stufe münden;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die den Zumischbe­ reich der Mischdüse umgebende Wandung, wobei gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Diskonti­ nuität im Zumischbereich vorgesehen ist, die durch eine den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung sprungartig er­ weiternde Stufe gebildet ist und wobei die Gaszufüh­ rungskanäle stromaufwärts der Stufe münden;

Fig. 4a) Längsschnitte durch die den Zumischbereich der Mischdüse umgebende Wandung, wobei gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel eine Diskontinuität in Form einer in der Wandung des Zumischbereichs in Umfangsrichtung verlau­ fenden Nut gebildet ist und wobei die Gaszuführungsöffnun­ gen in der Nut münden;

Fig. 4b) Längsschnitte durch die den Zumischbereich der Mischdüse umgebende Wandung, wobei gemäß einem achten Ausführungsbeispiel eine Diskontinuität in Form einer in der Wandung des Zumischbereichs in Umfangsrichtung verlau­ fenden Nut gebildet ist und wobei die Gaszuführungsöffnun­ gen in der Nut münden;

Fig. 5a) einen etwas schematisierten Längsschnitt durch eine Mischdüse gemäß einem neunten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 5b) eine Ansicht der den Zumischbereich der in Fig. 5a gezeigten Mischdüse umgebenden Wandung in Richtung A-A;

Fig. 6 eine etwas schematisierte Schnittansicht einer Mischdüse gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Fig. 1 zeigt den etwas schematisierten Längsschnitt durch eine insgesamt mit 10 bezeichnete Mischdüse zum Be­ lüften oder Imprägnieren einer in einem geschlossenen Strö­ mungskanal 11 fließenden Flüssigkeit F mit einem von außen durch einen Anschlußstutzen 21 zugeführten Gas G, wie sie in der bereits eingangs genannten Deutschen Patentanmeldung P 40 29 982.1 vorgeschlagen wird. Die Düse enthält einen Zumischbereich 13 in Form eines zylindrischen Abschnitts, der von einem den durch den Anschlußstutzen 21 eintretenden Gasstrom aufnehmenden Ringkanal 18 umgeben ist. Die den Ringkanal 18 von dem Zumischbereich 13 trennende Wandung 20 ist mit in radialer Richtung verlaufenden Gaszuführungsboh­ rungen 17 versehen, durch die das Gas von dem Ringkanal 18 in die von dem Strömungskanal 11 über einen Konus 19 in den Zumischbereich 13 strömende Flüssigkeit gedrückt wird. Da­ bei wird das Gas in Form von verhältnismäßig großen Blasen in der Flüssigkeit verteilt. Stromabwärts des Zumischbe­ reichs 13 ist eine Mischstrecke 15 angeordnet, die einen wesentlich kleineren Strömungsquerschnitt als der Mischbe­ reich 13 aufweist und mit letzterem über eine konische Be­ schleunigungsstrecke 14 verbunden ist, die sich vom Quer­ schnitt des Zumischbereichs 13 auf den Querschnitt der Mischstrecke 15 verjüngt. Die Mischstrecke 15 endet mit ei­ ner sprungartigen Erweiterung des Querschnitts am Übergang zu einem Beruhigungsbereich 16, in dem sich der Strömungs­ kanal stromabwärts der Mischdüse fortsetzt.

Das durch das Einpressen des Gases G in die Flüssig­ keit F im Zumischbereich 13 gebildete Gasblasen-Flüssig­ keits-Gemisch wird in der Beschleunigungsstrecke 14 be­ schleunigt und mit großer Geschwindigkeit durch die sich anschließende Mischstrecke 15 gepreßt, wonach es mit einer jähen Verzögerung in den Beruhigungsbereich 16 eintritt. Beim Durchströmen der Beschleunigungsstrecke 14, der Misch­ strecke 15 und beim anschließenden Eintritt in den Beruhi­ gungsbereich 16 wird das Gemisch beträchtlichen Scherspan­ nungen ausgesetzt, wodurch die Gasblasen zerteilt und sehr viel kleinere Gasbläschen gebildet werden.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Mischdüse nach dem Stand der Technik, bei der das Gas durch die ra­ dialen Gaszuführungsbohrungen 17 in das Innere der durch die strömende Flüssigkeit gebildeten Strömungssäule gepreßt wird, sind gemäß der vorliegenden Erfindung die den Zu­ mischbereich 13 umgebende Wandung 20 in Verbindung mit der Zuführung des Gases G dienenden Gaszuführungskanälen so ausgebildet, daß die Gasphase im wesentlichen an der äuße­ ren Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase F gebilde­ ten Strömungssäule konzentriert wird.

Gemäß den in den Fig. 2a bis 2e gezeigten Ausfüh­ rungsbeispielen wird dies dadurch bewerkstelligt, daß in der den Zumischbereich 13 begrenzenden Wandung 20 eine den Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs 13 in Richtung der Flüssigkeitströmung sprungartig erweiternde Stufe 210; 310; 610; 710; 510 ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung um den Zumischbereich 13 herum verläuft. Auf der stromabwärtigen Seite der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 sind in radialer Rich­ tung durch die Wandung 20 verlaufende Gaszuführungskanäle 240; 340; 640; 740; 540′ vorgesehen, die unmittelbar stromab­ wärts der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 münden. Die Gaszufüh­ rungskanäle 240; 340; 640; 740; 540 sind mit regelmäßigen Ab­ ständen um den Umfang des zylindrischen Zumischbereichs 13 angeordnet, mit einer Anzahl, die zwischen beispielsweise 8 und 36 variieren kann. Je höher die Anzahl der Gaszufüh­ rungskanäle ist, um so gleichmäßiger wird das Gas zugeführt, wobei entsprechend der größeren Anzahl der Kanäle deren Querschnitt zu vermindern ist.

Bei dem in Fig. 2a gezeigten ersten Ausführungsbei­ spiel verlaufen die stromaufwärts der Stufe 210 befindliche Innenfläche 220 der Wandung 20 und die stromabwärts der Stufe 210 befindliche Innenfläche 230 der Wandung 20 je­ weils unmittelbar bis an die Stufe 20, an der sich der Strömungsquerschnitt sprungartig ändert.

Demgegenüber ist bei dem in Fig. 2b gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel stromabwärts der Stufe 310 eine in Um­ fangsrichtung der Wandung 20 verlaufende Nut 380 ausgebil­ det, in die die Gaszuführungskanäle 340 münden. Diese Nut 380 bewirkt, daß das durch die einzelnen Gaszufüh­ rungskanäle 340 eintretende Gas gleichmäßiger über den Um­ fang des Zumischbereichs 13 verteilt wird.

Bei den in Fig. 2c und Fig. 2d gezeigten dritten bzw. vierten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind in der stromabwärts der Stufe 610; 710 befindlichen Innenfläche 630; 730 in axialer Richtung des Zumischbereichs 13 verlau­ fende Kanäle 690; 790 ausgebildet, in denen jeweils einer der Gaszuführungskanäle 640; 740 mündet. Die Kanäle 690; 790 können die gleiche Breite haben wie die Gaszuführungskanäle 640; 740, vorzugsweise sind sie jedoch schmaler, so daß das Gas durch sie in Längsrichtung verteilt wird. Die Kanäle können entweder entsprechend Fig. 2c von der Stufe 610 kontinuierlich in die Innenfläche 630 der Wandung 20 über­ gehen oder entsprechend Fig. 2d zunächst parallel zur In­ nenfläche 730 der Wandung 20 verlaufen und dann erst in diese übergehen.

Gemäß dem in Fig. 2e gezeigten fünften Ausführungs­ beispiel ist in der durch die Stufe 510 gebildeten stromab­ wärts gewandten Fläche 515 eine parallel zum Umfang der stromaufwärts der Stufe befindlichen Innenfläche 520 der Wandung 20 verlaufende Nut 516 vorgesehen, die sich somit in Strömungsrichtung öffnet und in die die Gaszufüh­ rungskanäle münden. Dabei können die Gaszuführungskanäle zunächst in radialer Richtung verlaufen und dann mit einem in axialer Richtung verlaufenden Teil in die Nut 516 über­ gehen, vgl. Bezugszeichen 540, oder sie können in radialer Richtung direkt in die Nut verlaufen, vgl. Bezugszeichen 540′.

Gemäß der in Fig. 2a gestrichelt dargestellten Vari­ ante können die Gaszuführungskanäle 240′ in einem Winkel schräg zur Richtung der Flüssigkeitsströmung zu der stromabwärtigen Seite der Stufe 210 geführt werden.

Durch die Strömungsverhältnisse an der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 wird das durch die Gaszuführungskanäle 240; 340; 640; 740; 540′ in die durch den Zumischbereich 13 strömende Flüssigkeit eingepreßte Gas in einer Art Schicht zwischen der Oberfläche der Flüssigkeitsphase und der stromabwärts der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 befindlichen In­ nenfläche 230; 330; 630; 730; 530; der Wandung 20 konzentriert, wodurch eine hohe Gleichmäßigkeit der Größe der Gasbläschen erreicht wird.

Zusätzlich zu den Gaszuführungskanälen 240; 340; 640; 740; 540′ können oberhalb der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 zu­ sätzliche Gaszuführungsöffnungen 60, 70 und/oder stromab­ wärts der Stufe 210; 310; 610; 710; 510; 910 zusätzliche Gaszu­ führungsöffnungen 50 vorgesehen sein. Diese sind bei nied­ rigen Gaszuführungsdrücken verhältnismäßig wirkungslos, da aufgrund der Strömungsverhältnisse an der Stufe 210; 310; 610; 710; 510 zum Zuführen des Gases über die Gaszu­ führungskanäle 240; 340; 640; 740; 540′ ein kleinerer Druck ausreichend ist als zur Zuführung des Gases über die von der durch die Stufe 210 gebildeten Diskontinuität entfernt liegenden zusätzlichen Gaszuführungsöffnungen 50, 60 oder 70. Bei höheren Gaszuführungsdrücken werden die zusätzli­ chen Gaszuführungsöffnungen 50, 60 oder 70 jedoch wirksam, so daß dann eine insgesamt vergrößerte Querschnittsfläche für die Zuführung des Gases zur Verfügung steht, so daß es möglich ist, Düsen zu schaffen, die bei variablen Bedingun­ gen einsetzbar sind.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten sechsten Ausführungsbei­ spiel sind die Gaszuführungskanäle 840 stromaufwärts der Stufe 810 angeordnet und münden in Kanäle 890, die in Form von in axialer Richtung ausgebildeten Nuten bis zum Ende der Stufe 810 verlaufen. Das durch die Gaszuführungskanäle 840 zugeführte Gas wird in den Kanälen 890 bis zum Ende der Stufe 810 geführt und dort an die Außenseite der Flüssig­ keitsströmung abgegeben, so daß die Gasphase eine Schicht zwischen der flüssigen Phase und der Oberfläche des Zu­ mischbereichs bildet, wie dies durch die Pfeile dargestellt ist. Die Kanäle 890 können die gleiche Breite wie die Gas­ zuführungsöffnungen 840 haben, vorzugsweise sind sie jedoch breiter, um zu verhindern, daß das Gas vor dem Erreichen der Stufe 810 in die Flüssigkeitsphase gedrückt wird.

Bei dem in Fig. 4a gezeigten siebten Ausführungsbei­ spiel ist die Diskontinuität durch eine in der Wandung 20 des Zumischbereichs 13 in Umfangsrichtung verlaufende Nut 480 gebildet, in deren Sohle in radialer Richtung verlau­ fende Gaszuführungskanäle 440 münden. Der Gaszuführungsbe­ reich 13 hat stromaufwärts und stromabwärts der Nut 480 den gleichen Durchmesser, so daß sich die Innenfläche 420 ober­ halb der Nut 480 nach dieser ohne Erweiterung in der Innen­ fläche 430 unterhalb der Nut 480 fortsetzt. Da jedoch durch die Nut 480 an der Außenseite der durch den Zumischbereich 13 fließenden Flüssigkeitsphase aufgrund von Wirbelbildung ein lokaler Unterdruck erzeugt wird, und das durch die Gas­ zuführungskanäle 440 zugeführte Gas über den gesamten Quer­ schnitt der Nut 480 verteilt und damit nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit an die Oberfläche der Flüssig­ keitsphase zugeführt wird, bildet sich wiederum die ge­ wünschte Gasschicht zwischen der Oberfläche der Flüssig­ keitsphase und der Innenfläche 430 des Zumischbereichs.

Gemäß dem in Fig. 4b gezeigten achten Ausführungsbei­ spiel ist es vorgesehen, daß die Gaszuführungskanäle 940 in einem spitzen Winkel schräg zur Richtung der Flüssigkeits­ strömung in den Zumischbereich 13 führen, der ohne Quer­ schnittsänderung in Form eines einheitlichen Zylinders aus­ gebildet ist. Wie gestrichelt bei 940′ dargestellt ist, können die Gaszuführungskanäle 940, 940′ auch in mehreren parallelen in Umfangsrichtung um den Zumischbereich verlau­ fenden Reihen angeordnet sein.

Auch bei diesen Ausführungsbeispielen können stromauf­ wärts und/oder stromabwärts der Gaszuführungsöffnungen 440; 940 zusätzliche Gaszuführungskanäle 50, 60, 70 vorgesehen sein, durch die bei steigendem Gasdruck zusätzlich Gas zu­ geführt werden kann. Vorzugsweise wird die Gesamtquer­ schnittsfläche der zusätzlichen Gaszuführungsöffnungen 50, 60, 70 jedoch wesentlich geringer sein als die Gesamt­ querschnittsfläche der Gaszuführungskanäle 440; 940 da an­ dernfalls die Ausbildung der Gasschicht an der Oberfläche der Flüssigkeitsphase nicht gewährleistet ist.

Fig. 5a zeigt einen etwas schematisierten Längs­ schnitt durch die gesamte Düse nach einem achten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung. In Übereinstimmung mit der in Fig. 1 dargestellten Düse nach dem Stand der Technik ist am Ende eines rohrförmigen Strömungskanals 11 in Richtung der Flüssigkeitsströmung aufeinanderfolgend ein konischer Teil 19, ein Zumischbereich 13, eine Beschleunigungsstrecke 14, eine Mischstrecke 15 und ein sich anschließender Beru­ higungsbereich 16 vorgesehen, wobei sich letzterer im wei­ teren Verlauf des Strömungskanals fortsetzt. Diese Teile stimmen insoweit mit den entsprechenden Teilen der in Fig. 1 dargestellten Düse überein und werden daher nicht noch­ mals eigens erläutert. Am Ende des Zumischbereichs 13 ist eine Diskontinuität in Form einer Stufe 1010 ausgebildet, durch die eine nach stromabwärts gewandte Kreisringfläche 1015 gebildet wird, deren Ansicht in Fig. 5b gezeigt ist. In dieser Kreisringfläche münden mit dem Ringkanal 18 ver­ bundene Gaszuführungskanäle 1040, über die das durch den Anschlußstutzen 21 in den Ringkanal 18 gedrückte Gas zuge­ führt wird. Es können beispielsweise acht Gaszufüh­ rungskanäle 1040 vorgesehen sein, wie in Fig. 5b gezeigt ist, je größer die Anzahl der Gaszuführungskanäle 1040, um so gleichmäßiger wird die Gasschicht an der Oberfläche der durch den Zumischbereich 13 strömenden Flüssigkeits­ phase ausgebildet.

Bei dem in Fig. 5a gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zumischbereich 13 ähnlich wie bei der Düse in Fig. 1 zylindrisch ausgebildet und über den Konus 19 mit dem Strö­ mungskanal 11 verbunden. Alternativ kann der Konus 19 je­ doch auch bis an die Stufe 1010 geführt werden, so daß sich der Zumischbereich auf den unmittelbar stromabwärts der Stufe 1010 befindlichen Bereich 13′ beschränkt, oder aber kann es vorgesehen sein, daß der Strömungskanal 11 den gleichen Querschnitt wie der stromaufwärts der Stufe 1010 befindliche Teil des Zumischbereichs hat, so daß der Strö­ mungskanal 11 mit gleichbleibendem Querschnitt bis an die Stufe 1010 führt.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten neunten Ausführungsbei­ spiel schließlich verlaufen die Gaszuführungskanäle 1140 in radialer Richtung von dem Ringkanal 18 an die stromabwär­ tige Seite der Stufe 1110, ähnlich wie es in Fig. 2a vgl. Bezugszeichen 240 gezeigt ist. Auch hier kann der Zumisch­ bereich 13 entweder zylindrisch ausgebildet und über einen Konus 19 mit dem Strömungskanal 11 verbunden sein, wie im oberen Teil von Fig. 6 gezeigt, oder aber der Konus 19 kann bis unmittelbar an die Stufe 1110 führen, wie es im unteren Teil der Fig. 6 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Alternativ kann der Strömungskanal 11 auch den gleichen Querschnitt wie der zylindrische Zumischbe­ reich 13 stromaufwärts der Stufe 1110 haben und unmittelbar bis an die Stufe heranführen, wie es im unteren Teil von Fig. 6 durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Die Düse nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß sie einfach konstruiert und damit ohne großen Aufwand herstellbar ist.

Claims (38)

1. Verfahren zum Belüften oder Imprägnieren einer in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Flüssigkeit mit einem von außen zugeführten Gas, wobei beide Phasen miteinander vermischt und/oder das Gas in der Flüssigkeit gelöst wird, bei dem

• - die Gasphase in einem Zumischbereich zu der Flüssig­ keitsphase zugeführt wird,
• - die Flüssigkeitsphase und die zugeführte Gasphase zusammen in einer sich in Strömungsrichtung an den Zumisch­ bereich anschließenden Beschleunigungsstrecke durch Vermin­ derung des Strömungsquerschnitts beschleunigt und durch eine sich an die Beschleunigungsstrecke anschließende oder als Teil derselben vorgesehene Mischstrecke geführt werden, und
• - die durch die beiden Phasen gebildete Mischphase über eine sprungartige Erweiterung des Strömungsquer­ schnitts am Ende der Mischstrecke in einen sich an die Mischstrecke anschließenden Beruhigungsbereich geführt wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Gasphase dem Zumischbereich so zugeführt wird, daß sie im wesentlichen an der äußeren Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase gebildeten Strömungssäule konzentriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase an einer eine Erweiterung des Strömungs­ querschnitts im Zumischbereich bildenden Diskontinuität zu­ geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase an der Diskontinuität derart zugeführt wird, daß die Konzentrierung der Gasphase an der äußeren Mantelfläche der Strömungssäule im wesentlichen stromab­ wärts der Diskontinuität erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strömungsdurchsatz der Flüssigkeits­ phase zwischen 0,5 und 150 m³/h beträgt, und daß der Strö­ mungsdurchsatz der Gasphase zwischen 2 und 600 l/min be­ trägt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdurchsatz der Gasphase zwischen 0,5 und 10 % des gesamten Strömungsdurchsatzes bei­ der Phasen beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsdurchsatz der Gasphase zwischen 0,5 und 3,5 % des gesamten Strömungsdurchsatzes beider Phasen beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck, mit dem die Gasphase zuge­ führt wird, zwischen 2 und 7 bar beträgt, und daß der Druck, mit dem die Flüssigkeitsphase zugeführt wird, zwi­ schen 1,5 und 5 bar liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck, mit dem die Gasphase zuge­ führt wird, zwischen 3,5 und 8 bar beträgt, und daß der Druck, mit dem die Flüssigkeitsphase zugeführt wird, zwi­ schen 3 und 5 bar beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasen in der Beschleuni­ gungsstrecke auf 20 bis 32 m/sec beschleunigt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasen auf 24 bis 28 m/sec beschleunigt wer­ den.

11. Einrichtung zum Belüften oder Imprägnieren einer in einem Strömungskanal (11) strömenden Flüssigkeitsphase (F) mittels einer von außen zugeführten Gasphase (G), bei der eine in den Strömungskanal (11) geschaltete Mischkammeran­ ordnung (12) vorgesehen ist, enthaltend

• - einen von einer Wandung (20) begrenzten, einen gege­ benen Strömungsquerschnitt aufweisenden Zumischbereich (13) zur Zuführung der Gasphase (G) durch in der Wandung (20) vorgesehene Gaszuführungskanäle (17) zu der Flüssigkeits­ phase (F),
• - eine dem Zumischbereich (13) in Strömungsrichtung nachgeordnete Mischstrecke (15) gegebener Länge mit kleine­ rem Strömungsquerschnitt als der Zumischbereich (13),
• - eine zwischem dem Zumischbereich (13) und der Misch­ strecke (15) angeordnete, sich im wesentlichen kontinuier­ lich vom Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs (13) auf den Strömungsquerschnitt der Mischstrecke (15) verjüngende Beschleunigungsstrecke (14), und
• - einen sich der Mischstrecke (15) in Strömungsrich­ tung anschließenden Beruhigungsbereich (16) mit größerem Strömungsquerschnitt als die Mischstrecke (15), wobei der Strömungsquerschnitt der Mischstrecke (15) an deren Ende sprungartig in den Strömungsquerschnitt des Beruhigungsbe­ reichs (16) übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Zumischbereich (13) und die Gaszuführungs­ kanäle (240; 340 . . . 1140) so ausgebildet sind, daß die Gas­ phase im wesentlichen an der äußeren Mantelfläche der durch die Flüssigkeitsphase gebildeten Strömungssäule konzen­ triert wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wandung (20) des Zumischbereichs (13) eine zumindest teilweise in Umfangsrichtung desselben verlaufen­ de Diskontinuität (210; 310 . . . 1110) aufweist, an der sich der Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs (13) erwei­ tert, und daß die Gaszuführungskanäle (240; 340 . . . 1140) so an der Diskontinuität (210; 310 . . . 1110) angeordnet und/oder so ausgebildet sind, daß die über dieselben zugeführte Gasphase (G) der Flüssigkeitsphase (F) an der stromabwärti­ gen Seite der Diskontinuität (210; 310 . . . 1110) beigemischt wird.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diskontinuität durch eine Stufe (210; 310; 510; 510′; 610; 710; 1010; 1110) gebildet ist, an der sich der Strömungsquerschnitt des Zumischbereichs (13) mit der Strömungsrichtung sprungartig erweitert, und daß die Gaszuführungskanäle (240; 340; 540; 540′; 640; 740; 1040; 1140) an der stromabwärtigen Seite der Stufe münden.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gaszuführungsöffnungen (240; 340; 440; 540; 640; 740; 1140) in Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung stromabwärts der Stufe (210; 310; 410; 510; 610; 710; 1110) mün­ den.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß stromabwärts der Stufe (310; 410) eine in der Wan­ dung (20) des Zumischbereichs (13) in Umfangsrichtung ver­ laufende Nut (380; 480) ausgebildet ist, in der die Gaszu­ führungskanäle (340; 440) münden.

16. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gaszuführungskanäle (540; 1040) parallele zur Richtung der Flüssigkeitsströmung in der die stromabwärts gewandte Begrenzung bildenden Fläche (515; 1015) der Stufe (510; 1010) münden.

17. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die stromabwärts gewandte Fläche (515) der Stufe eine sich in Strömungsrichtung öffnende, in Um­ fangsrichtung parallel mit der Stufe verlaufende Nut (516) aufweist, in der die Gaszuführungskanäle (540; 540′) münden.

18. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gaszuführungskanäle (240′) in einem Winkel schräg zur Richtung der Flüssigkeitsströmung an der strom­ abwärtigen Seite der Stufe (210) münden.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Stufe (610; 710) in der Wandung (20) des Zumischbereichs (13) zumindest teilweise in Strömungsrichtung verlaufende Kanäle (690; 790) ausgebildet sind, in die die Gaszuführungsöffnungen (640; 740) münden.

20. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diskontinuität durch eine Stufe (810) gebildet ist, daß die Gaszuführungskanäle (840) stromauf­ wärts der Stufe münden, und daß in der Wandung (20) des Zu­ mischbereichs (13) zumindest teilweise in Strömungsrichtung verlaufende Kanäle (890) ausgebildet sind, in die die Gas­ zuführungskanäle (840) münden und die das zugeführte Gas zu der stromabwärtigen Seite der Stufe (810) führen.

21. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diskontinuität durch eine in der Wan­ dung (20) des Zumischbereichs (13) vorgesehene, zumindest teilweise in Umfangsrichtung verlaufende Nut (480) gebil­ det ist, und daß die Gaszuführungskanäle (440) in der Nut (480) münden.

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die Nut (480) schräg oder spiralförmig zur Rich­ tung der Flüssigkeitsströmung verläuft.

23. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diskontinuität durch einen an der Wandung (20) des Zumischbereichs (13) vorgesehenen, zumin­ dest teilweise in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung gebildet ist, und daß die Gaszuführungskanäle stromabwärts des Vorsprungs münden.

24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorsprung schräg oder spiralförmig zur Rich­ tung der Flüssigkeitsströmung verläuft.

25. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gaszuführungskanäle (940) in einem spitzen Winkel schräg zur Richtung der Flüssigkeitsströmung in den Zumischbereich (13) führen.

26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gaszuführungskanäle (940) in mehreren paral­ lelen, in Umfangsrichtung um den Zumischbereich (13) ver­ laufenden Reihen angeordnet sind.

27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 26, da­ durch gekennzeichnet, daß stromaufwärts der Gaszufüh­ rungskanäle (240; 340 . . . 1140) zusätzliche Gaszuführungs­ öffnungen (60; 70) angeordnet sind.

28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 27, da­ durch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Gaszufüh­ rungskanäle (240; 340 . . . 1140) zusätzliche Gaszuführungs­ öffnungen (50) angeordnet sind.

29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 28, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zumischbereich (13) und die Mischstrecke (15) einen kreisförmigen Querschnitt haben, und daß die Beschleunigungsstrecke (14) in Form eines Ke­ gels vom Querschnitt des Zumischbereichs (13) auf den Quer­ schnitt der Mischstrecke (15) übergeht.

30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zumischbereich (13) in Form eines Zylinders ausgebildet ist.

31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 30, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (15) in Form ei­ nes Zylinders ausgebildet ist.

32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, da­ durch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Zumischbereichs (13) eine weitere Beschleunigungsstrecke (19) in Form eines Kegels angeordnet ist, die sich von einem größeren Quer­ schnitt des Strömungskanals (11) stromaufwärts der Misch­ düse auf den Querschnitt des Zumischbereichs (13) verjüngt.

33. Einrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Zumischbe­ reichs (13) zwischen 10 und 200 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 80 mm beträgt.

34. Einrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mischstrecke (15) zwischen 3 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 20 mm beträgt.

35. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (15) zy­ lindrisch ausgebildet ist und ihre Länge mindestens das 1,5-fache ihres Durchmessers beträgt.

36. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, unter dem sich die Beschleunigungsstrecke verjüngt, höchstens 22° gegen­ über deren Längsachse beträgt.

37. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Gaszu­ führungskanäle weniger als 1 mm beträgt.