DE4218027A1 - Hyperboloid-ruehr- und begasungssystem zum ruehren, mischen und begasen in ein- oder mehrphasigen fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rühren, Umwälzen, Mischen, Dispergieren, Suspendieren von ein- oder mehrphasigen Fluiden nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2, welche auch für weitere Rühraufgaben eingesetzt werden kann.

Ähnliche Vorrichtungen sind bekannt, sie bestehen meist aus an rotierenden Wellen befestigten Propellern, Ankern, Schau­ felblättern, Turbinenläufern oder Wendeln. Diese Rührerformen können in Rundbecken, Tanks oder Rechteckbecken mit und ohne Strömungsstörer eingesetzt werden. Hierbei werden Rührertyp und Drehzahl in Abhängigkeit der Viskosität und der speziellen An­ wendung ausgelegt. Eine Übersicht über herkömmliche Rührertypen findet man zum Beispiel in Zlokarnik/Judat; Rührtechnik; Bayer AG, Leverkusen 1983. Nachteilig an derartigen Systemen ist, daß sie meist nur für spezielle Anwendungen tauglich sind. Sie benötigen hohe Energiemengen und erzeugen teilweise unerwünscht hohe Scherkräfte und Turbulenz, was zur Zerstörung von Reaktionsmedien und zu den hohen Energieverbräuchen führt. Neben den erwähnten herkömmlichen Systemen sind auch Vor­ richtungen bekannt, die Hohlkörper verwenden, um die Wellen­ kräfte zu verringern wie z. Bsp. in der Schweizer Patentschrift 4 62 113 beschrieben oder um Flüssigkeiten zu Begasen, wie in der deutschen Patentschrift 8 79 081 beschrieben. Derartige Vorrich­ tungen können jedoch nicht zwischen den Betriebszuständen Rühren, Mischen und Begasen trennen, da diese unnötig viel Turbulenz einbringen und so z. B. im Rührbetrieb auch zu einem großen Teil mischen und durch eine hohe Oberflächenturbu­ lenz immer Sauerstoff mit in das Medium eingebracht wird. Aus diesem Grunde sind diese Vorrichtungen weiterhin schlecht regelbar und haben einen zu hohen Energieverbrauch. Durch die hohen Oberflächengeschwindigkeiten bewirkt man zusätzlich zum ungewollten Sauerstoffeintrag einen Aerosolaustrag der zu Geruchsbelästigungen führen kann. Aus bereits angeführten Grün­ den treten meist hohe Scherkräfte auf, was für bestimmte Pro­ zesse sehr schädlich sein kann (Zerstörung von Biologien oder empfindlichen Teilchen, induzieren ungewollter Reaktionen, etc.). Allgemein entsprechen die bekannten Rührerformen nicht den Strömungsverhältnissen in den eingesetzten Reaktoren und sind daher für praktische Anwendungen ungünstig. Kombinierte Systeme herkömmlicher Bauart bestehen meist aus einem getrennten Rühr- und Begasungsaggregat, bei denen das Be­ gasungsaggregat meist aus einem Membranbegaser besteht. Diese Systeme erfordern immer einen hohen Investitionsaufwand, da herkömmliche Begasungssysteme, wie zum Beispiel Membranbegaser getrennt installieren werden müssen und sehr teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, daß eine strömungsgünstige Form für die Rühraufgaben verwendet wird, die es auch erlaubt zwischen den einzelnen Betriebszuständen, wie z. B. Rühren, Mischen und Begasen klar zu trennen und den Energieverbrauch zu minimieren. Diese sehr flexibel einsetzbare Vorrichtung eignet sich insbesondere für kombinierte Verfahren der Abwasserreinigung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäß angewendeten Verfahren gemäß Anspruch 1 läßt sich insbesondere häusliches Abwasser von kleinen Kommunen, Hotels oder Feriendörfern auf eine preiswerte und ökonomische Weise reinigen. Eine aus Einzelmodulen aufgebaute Kläranlage kann jeweils maßgeschneidert auf die jeweiligen Be­ dürfnisse ausgeliefert werden. Teure und lange Kanalisationsleitungen können durch die Möglichkeit der dezentralen Abwasserreinigung gespart werden. Durch die Anwendung der erfindungsgemäß nach Anspruch 2 ausgeführten Vorrichtung kann man eine Zerkleinerung der Grobstoffe, eine Nitrifikation und eine Denitrifikation sowie ein Stabilisierung des Schlammes in einem Behälter erreichen. Weitere teure Bauleistung zur Erstellung einer Kläranlage entfallen.

Mit der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß im Rühr- und im Mischbetrieb erheblich weniger Energie verbraucht wird, als mit herkömmlichen Sy­ stemen. Dies insbesondere, weil das Hyperboloid-Rühr- und Be­ gasungssystem strömungsmechanisch optimiert wurde und die Form dem Verlauf der Stromlinien in Rührbehältern entspricht. Daher kommt es zu keinen Ablösungen auf der Rührkörperoberfläche. Ein hoher Wirkungsgrad ist die Folge. Die Umwälzung der Medien geschieht scherkraftarm. Dies ist insbesondere in empfindlichen oder in mehrphasigen Medien, bei denen eine Phase nicht zerstört werden darf, von Vorteil. Die Energie wird in Sohlnähe eingebracht, was für das Erzielen einer hohen Sohlgeschwindigkeit zum Aufwirbeln von Partikeln oder sonstigen Inhaltsstoffen sehr wichtig ist. Die Oberflä­ chengeschwindigkeiten und die Oberflächenturbulenz sind sehr gering. Dadurch entsteht kein ungewollter Sauerstoffeintrag und ebenfalls kein ungewollter Aerosolaustrag, der eventuell zu Ge­ ruchsbelästigungen führen könnte. Das Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem ist gut regelbar. Über die Drehzahl des Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystems lassen sich kontinu­ ierliche Rühr- und Mischzustände einstellen. Das Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem ist auch mit hoher Effizienz für Begasungszwecke und zur Intensivierung von Wärmeübertragungsprozessen einsetzbar. Dadurch ergeben sich eine Reihe weiterer Anwendungsgebiete insbesondere in der che­ mischen Industrie, der Biotechnologie, der Lackindustrie oder der Lebensmittelindustrie, wie auch der biologischen Abwasserreinigung für das Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem. Die Formgebung und die jeweilige Auslegung der Hyperboloid-Rührsysteme beruht auf strömungsmechanischen Untersuchungen. Durch das besondere Design wird eine Strömung erzielt, die weitestgehend an der Rührwerksoberfläche anliegt. Ablösungen und damit verbundene Energieverluste werden dadurch minimiert. Die auf der Rührwerksoberfläche angebrachten Transportrippen bewirken einen Transport des jeweiligen Mediums in radialer Richtung und unterstützen somit die vollständige Umwälzung des Beckeninhaltes. Wegen des Energieeintrages in Sohlnähe und den damit verbundenen hohen Sohlgeschwindigkeiten weist das Hyperboloid-Rührwerk exzellente Suspendiereigenschaften bei extrem niedrigem Leistungsbedarf auf. Eine stärkere Bewegung der Wasseroberfläche unterbleibt dabei, um einen zusätzlichen Lufteintrag während Denitrifikationsvorgängen oder der biologischen Phosphat­ elimination zu vermeiden. Unerwünschter Aerosolaustrag kann ebenfalls vollständig vermieden werden. Im Begasungsbetrieb wird die Drehzahl gegenüber der Drehzahl im Rührbetrieb erhöht. Dies wird durch die Verwendung von polumschaltbaren Motoren oder durch eine Frequenzumrichter-Steuerung ermöglicht. Die Drehzahl ist von der, über eine zusätzliche Luftleitung zugeführten, Luftmenge und damit vom verlangten Sauerstoffeintrag abhängig. Die Zugabe erfolgt dabei unter dem Rührwerk, wobei die am Umfang angebrachten Scherrippen die dort entweichende Luft in kleine Blasen von 1,5 bis 3 mm Größe zerteilen. Diese werden von der Hauptströmung mitgerissen und im ganzen Becken verteilt. Die günstige Blasengrößenverteilung und die hohen Verweilzeiten führen dabei zu guten Sauerstoff­ ausnutzungsgraden und Sauerstoffertragswerten, die je nach Beckengeometrie und eingesetztem Rührsystem variieren können. Der Luftauslaß kann dabei je nach Anforderung an das System als offener Rohrstutzen oder als Ringbegasung ausgeführt sein. Letzteres führt vor allem bei hohen Luftmengen zu einer nochmals verbesserten Sauerstoffausnutzung. Eine sauerstoffabhängige Regelung des Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystems kann durch Regelung der zugeführten Luftmenge oder im Optimalfall über gleichzeitige Regelung von Drehzahl und Luftmenge erfolgen. Ebenso kann eine zweite flüssige Phase anstelle von Gas eingebracht werden, die dann bei erhöhter Drehzahl intensiv mit dem Reaktorinhalt vermischt wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, in denen nachfolgend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Hyperboloid-Rühr- und Begasungs­ system eingebaut in einem Rechteckbecken. Man erkennt die ty­ pische Form, die Transportrippen, die Scherrippen, die Zuluftleitung.

Fig. 2 zeigt einen als selbstansaugendes Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem ausgeführtes Beispiel. Man erkennt die Hohl­ welle und die Abdeckscheibe an der unteren Seite.

Fig. 3 zeigt beispielhaft den Luftauslaß über Schlitze im Rührkörper, die vor den Transportrippen angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Stoffaustausch durch die hohe Verwirbelung im Nachlaufgebiet der Rippe.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine mehrstufige Ausführung der Hyperboloid-Rühr- und Begasungssysteme. Die Anzahl und Größe kann variieren. Ebenso können einzelne Stufen fremdbegast oder selbstansaugend ausgeführt sein. Dies ist vor allem in schlanken Reaktoren und in der Biotechnologie vorteilhaft.

Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Hyperboloid-Rühr- und Begasungs­ system mit einem zusätzlichen Messer hier auf der Antriebswelle befestigt. Dieses dient zum Zerkleinern von Grobstoffen und kann beliebig auf der Welle angeordnet sein.

Fig. 6 zeigt beispielhaft ein Hyperboloid-Rühr- und Begasungs­ system, welches mit einer luftdurchlässigen Schicht versehen ist, durch die Gase zugeführt werden könne. Hier können insbesondere Kunststoffmembranen, Gewebe oder Sintermetalle oder -keramiken verwendet werden.

Fig. 7 zeigt beispielhaft eine Ausführung mit Antrieb unterhalb des Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystems hier ausgeführt über einen Tauchmotor. Mit dieser Ausführung spart man eine Brücke und die lange Welle. Das gesamte Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem kann somit in den Reaktoren abgestellt und z. Bsp. über Seile verankert werden.

Die Ausführung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4, 5 und 20 sichert die Möglichkeit der zusätzlichen Begasung. Diese Aus­ führung kann auch zum Zumischen einer 2. flüssigen Phase zum Reaktorinhalt verwendet werden. Damit erhält man ein universell einsetzbares System.

Die Ausführung der Vorrichtung nach Anspruch 6 bietet die Mög­ lichkeit ohne zusätzliche Gebläse Luft in die Medien einzusau­ gen. Diese selbstansaugende Version erweitert den technischen Anwendungsbereich des Systems erheblich. Insbesondere in Verbindung mit Anspruch 7 und 11 ergeben sich hier hervorragende Begasungsleistungen bei niedrigem Energieeintrag. Dies wurde in langjährigen Versuchen ermittelt und stellt den letzten Stand der Entwicklungen dar.

Die Ausführung der Vorrichtung nach Anspruch 8 gewährt eine hohe Flexibilität gegenüber speziellen Anwendungsfällen, bei denen kein Bodenlager verwendet werden kann.

Die Ausführung der Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder den Ansprüchen 17, 18 und 19 ermöglicht den Aus- und Einbau der Systeme bei geflutetem Behälter. Dies ist für regelmäßige War­ tungsarbeiten von großer Bedeutung.

Anspruch 10 sichert neben dem allgemeinen Anspruch auf eine hyperboloidähnliche Form, die aus Berechnungen der Stromlinien in Behältern üblicher Ausführung entsteht, den Anspruch, die hyperboloidähnliche Form in speziellen Fällen exakt nach der sich bei einzelnen Aufgabenstellungen einstellenden Strömung zu gestalten. Dies kann in besonderen Fällen notwendig sein, um den Energieverbrauch noch weiter zu reduzieren.

Die Ausführung der Vorrichtung gemäß Anspruch 12 und/oder Anspruch 13 und/oder Anspruch 14 ermöglicht es auch in schlanken Reaktoren eine optimale Strömung zu erzielen. Hier kann es notwendig sein, Hyperboloid-Rühr- und Begasungssysteme verschiedener Größe übereinander anzuordne und diese getrennt zu begasen oder selbstansaugend auszuführen. Damit hat man die Möglichkeit z. Bsp. Fermentatoren optimal auszustatten und hohe Begasungsleistungen zu erzielen.

Die Ausführung der Vorrichtung gemäß Anspruch 15 ermöglicht es, mit dem Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem auch Grobstoffe zu zerkleinern, wie dies insbesondere bei einem Verfahren nach Anspruch 1 zunächst erwünscht ist, um auf eine mechanische Vorbehandlung des in diesem Fall Abwassers verzichten zu kön­ nen.

Die Ausführung der Vorrichtung gemäß Anspruch 16 ermöglicht es, noch weitaus höhere Begasungsleistungen zu erzielen, da hier eine extrem günstige Blasengröße und -verteilung erzielt werden kann. Es können hier verschiedene luftdurchlässige Materialien zum Einsatz kommen wie z. Bsp. Kunststoffmembrane, Folien, Gewebe oder Sintermetalle oder- keramiken.

Claims (20)

1. Verfahren zum Betreiben von Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystemen dadurch gekennzeichnet, daß in einem er­ sten Schritt ein, mit einem Hyperboloid-Rühr- und Be­ gasungssystem ausgerüsteter, Behälter mit Abwasser gefüllt wird, in einem zweiten Schritt das Abwasser mit dem Hyper­ boloid-Rühr- und Begasungssystem eine Zeit lang belüftet wird, in einem dritten Schritt das Abwasser nur umgewälzt wird und im vierten Schritt das Hyperboloid-Rühr- und Be­ gasungssystem abgeschaltet wird damit sich der Schlamm absetzen und Klarwasser abgezogen werden kann.

2. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem zum Rühren, Mischen und Begasen von ein- und mehrphasigen Fluiden, da­ durch gekennzeichnet, daß ein hyperboloidförmiger Rührkörper an einer rotierenden Welle befestigt ist, dieser hyperboloidförmige Körper ist an der Oberseite mit sogenannten Transportrippen versehen, die in Anzahl, Form und Ausrichtung, sowie dem Anbringungsort auf der Rühreroberfläche variieren können.

3. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich an der Unterseite des Hyperbolid-Körpers Scherrippen zum Dispergieren von Luft angebracht sind, diese Scherrippen können nach Anzahl, Form und Ausrichtung, sowie Anbringungsort variieren.

4. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich eine Zuluftleitung unter den Hyperboloid-Körper geführt ist, die in einer sich unter dem Hyperboloid-Körper ausbildenden Luftblase endet. Das Ende der Zuluftleitung kann als offener Rohrstutzen ausgebildet sein.

5. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem der mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zuluftleitung als Mehrfach-System offener Rohrstutzen oder als gebohrte Ringleitungen ausgeführt sind.

6. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Welle, an dem der Hyperboloid-Körper befestigt ist, als Hohlwelle ausgeführt ist, die sowohl über der Oberfläche des Mediums als auch unter dem Hyperboloid-Körper Löcher oder Schlitze aufweist, so daß durch die Drehung und die induzierte Strömung und dem dadurch entstehenden Unterdruck unter dem Rührwerk eine Selbstansaugung von Luft ermöglicht wird.

7. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Hyperboloidkörper an der Unterseite durch eine Scheibe abgedeckt ist.

8. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Rührwelle, in einem Bodenlager gelagert sein kann oder ohne Bodenlager fliegend betrieben werden kann.

9. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein existierendes Bodenlager so ausgeführt ist, daß sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufgenommen werden können und das Rührwerk komplett mit der Radial/Axiallagerung jederzeit bei gefülltem Becken nach oben hin aus- und eingebaut werden kann.

10. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Hyperboloidform exakt der theoretischen Berechnung der Stromlinien in den Strömungsbehältern entspricht.

11. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder hinter den Transportrippen Schlitze und/oder Löcher angeordnet sind.

12. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Antriebswelle wenigstens 2 Hyperboloid-Rühr- und/oder Begasungssysteme angeordnet sind.

13. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen niedrigen hydrostatischen Druckes, insbesondere in Bereichen kleiner als 1 bar wenigstens ein Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem selbstansaugend ausgeführt ist.

14. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Rührwerke bei der mehrstufigen Ausführung vari­ ieren kann.

15. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Welle wenigstens eine Messerschar angeordnet ist.

16. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche und/oder der Gesamtkörper des Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystems luftdurchlässig ist.

17. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb unterhalb des Hyperboloid-Rühr- und Begasungs­ systems angeordnet ist.

18. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb auf einem Gestell verankert ist, das gleichzeitig der Begasung dient.

19. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach Anspruch 17 und /oder 18 dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit mit einer Aushebevorrichtung versehen ist.

20. Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß auch andere Gase oder Flüssigkeiten dispergiert werden können.