DE4228172C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.

Es ist bekannt, ein Gas im Bereich einer Dispergiereinrichtung in ein zweites Medium einzubringen, bei dem aus dem Gasstrom austretende Gasblasen durch die Dispergiereinrichtung in feinste Gasbläschen umgesetzt werden. Bei dem zweiten Medium kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, das durch Sauerstoff angereichert werden soll, weshalb es vorteilhaft ist, den Sauerstoff in feinsten Gasbläschen einzubringen.

Aus der US-PS 49 55 586 geht ein Verfahren zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hervor. Dort ist die Schleppvorrichtung ein relativ breiter rotierbarer Balken, an dem zumindest im oberen Bereich ein flacher Steg angebracht ist, wobei sich hinter dem Balken und unterhalb des Steges ein Luftreservoir bildet, das in einer Schleppfahne ausläuft. Ferner geht aus der genannten US-PS 49 55 586 auch eine Dispergiervorrichtung zur Erzeugung einer solchen Schleppfahne hervor. Diese Vorrichtung weist wegen ihrer breiten Stirnfläche eine relativ hohe Leistungsaufnahme auf.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit anzugeben, das bzw. die eine relativ geringe Leistungsaufnahme erfordert.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 bzw. 4 gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwischen der zu begasenden Flüssigkeit und der Schleppvorrichtung eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit aufgebaut. Hierbei ist erfindungswesentlich, daß die Schleppvorrichtung nicht als Rührwerk arbeitet und möglichst mit einem geringen Strömungswiderstand durch die Flüssigkeit bewegt wird. Erfindungsgemäß tritt bei der bestimmten Geschwindigkeit, die von verschiedenen Parametern wie der zugeführten Gasmenge, der Größe und Länge der Schleppvorrichtung und dessen Form bestimmt wird, an der Schleppvorrichtung der Effekt auf, daß die in diesem Bereich eingebrachten großen Gasblasen eine Schleppfahne bilden, die als Gasreservoir an der Schleppvorrichtung anhaftet und mitbewegt wird.

Bei dieser Mitbewegung tritt die vorteilhafte Wirkung ein, daß das im Schlepptau befindliche Gasreservoir feinste Gasbläschen an die Flüssigkeit abgibt.

Wird beispielsweise zur Erzeugung der bestimmten Strömungsgeschwindigkeit die Schleppvorrichtung in der Flüssigkeit bewegt, bleibt das Gasreservoir an der Schleppvorrichtung anhaften, weil diese nicht als Rührwerk wirkt und keine Wirbel erzeugt, die das als Schleppfahne ausgebildete Gasreservoir abtrennen.

Dieser Mitzieheffekt des Gasreservoirs kann in allen Richtungen innerhalb der Flüssigkeit ausgeführt werden. Hierbei tritt der Vorteil ein, daß die zugeführten großen Gasblasen von der bewegten Schleppfahne aufgenommen und dort zwischengespeichert werden.

Im wesentlichen lassen sich 3 verschiedene Phasen unterscheiden. In der ersten Phase bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit der Schleppvorrichtung perlt das zugeführte Gas im wesentlichen durch den Bewegungsbereich der Schleppvorrichtung ungehindert hindurch. In der zweiten Phase mit größerer Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Flüssigkeit und der Schleppvorrichtung tritt der erfindungsgemäße Effekt ein, daß die großen aufsteigenden Gasblasen als Gasreservoir in Form einer Schleppfahne an der Schleppvorrichtung haften bleiben und fortwährend ohne nennenswerte Abgabe von Mikrobläschen mitgezogen werden. In der dritten Phase bei noch größerer Strömungsgeschwindigkeit geben die an der Schleppvorrichtung anhaftenden Schleppfahnen in Form der Gasreservoire die Mikrobläschen ab.

Die Phase 2 tritt in Wasser ungefähr mit einer Mindestdrehzahl von 10 Umdrehungen pro Sekunde ein, wenn eine Schleppvorrichtung in Form eines Schleppdrahtes mit einer Länge von 60 mm verwendet wird. Die Schleppfahnen haften dann bevorzugt im Außenbereich und an der Spitze des Schleppdrahtes. Bei einer Drehzahl von 15 Umdrehungen pro Sekunde tritt bereits eine deutliche Abgabe von Mikrogasbläschen ein. Bei 50 Umdrehungen pro Sekunde wird mit der soweit beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen die dritte Phase erreicht, in der eine Vielzahl von Mikrobläschen abgegeben werden.

Auf diese Weise lassen sich Gasbläschen von einigen µm bis zu hundert µm herstellen. Auch wesentlich höhere Drehzahlen als 50 Umdrehungen pro Sekunde sind möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen die Figuren:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6 bis 22 verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schleppvorrichtungen.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung zum Durchführen des Verfahrens. Eine Schleppvorrichtung 1 in Form eines Schleppdrahtes ist radial an einer Achse 3 verbunden, die von einem Motor 2 angetrieben wird. Die Schleppvorrichtung 1 ist in der zu begasenden Flüssigkeit 4 eingetaucht und wird dort rotiert. Darüber hinaus ist die Schleppvorrichtung 1 in Form des Schleppdrahtes zackenförmig abgeknickt, um bei verkürzter Länge eine größere Angriffsfläche zu bieten. Über Rohre 5 mit Austrittsöffnungen 6 wird ein Gas oberhalb oder unterhalb der Schleppvorrichtung 1 zugeführt. Wichtig ist, daß die Austrittsöffnungen 6 im Arbeitsbereich der Schleppvorrichtung 1 liegen.

Bei dem zugeführten Gas kann es sich beispielsweise um Sauerstoff, Kohlensäure, Luft, Helium, Stickstoff, Chlorgas usw. handeln. Bei dem viskosen Medium kann es sich um Wasser, Öl, Abwässer, Wein, Alkohol, flüssige Kunststoffe, flüssiges Kerzenwachs, Ätzbäder, Galvanobäder, Blut und sonstige Flüssigkeiten handeln, die für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.

Damit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung allgemein zum Sauerstoffeintrag in Wasser, Gaseintrag in insbesondere dünnflüssige Medien und Stoffe, Sauerstoffeintrag in Abwässer, Gaswäsche, Rauchgasreinigung, Flotation, Abkühlen und Aufheizen von Flüssigkeiten mit Kalt- und Heißgaseintrag, Anreicherung von Dieselkraftstoff/Benzin mit Gasen, die die Verbrennung unterstützen, Beschleunigung der Gärung bei der Weinherstellung, Anreicherung von Öl mit Luft, Austreiben von Sauerstoff aus Wasserproben mittels Einleitung von Helium oder Stickstoff, Austreiben von Alkohol aus Flüssigkeiten, Eintrag von Chlorgas in Wasser, Aufschäumen von Kunststoffen, Einbringen von Luftbläschen als Anzeigemittel in Strömungskanälen, zur Gebrauchseis- und Softeisherstellung, Einbringen von Luftbläschen in Kerzenwachs, Zerstäuben von Gasblasen in Rohren, Siedepunkterniedrigung von Flüssigkeiten durch Luftbläscheneintrag, Beschleunigung der Verdunstung von Flüssigkeiten, Gasbläscheneintrag in Ätzbäder und Galvanobäder, zur Blutwäsche u. a.

Wird wie in Fig. 1 angedeutet vorgegangen und verfahren, indem Gas über die Rohre 5 zugeführt wird, tritt das Gas an den Austrittsöffnungen 6 in Form von relativ großen Gasblasen aus.

Bei niedrigen Drehzahlen der Schleppvorrichtung 1 steigen die abgegebenen Gasbläschen ungehindert auf. Wird jedoch beispielsweise bei einer Schleppvorrichtung 1 mit einer Länge von 60 mm und einem Durchmesser von 0,3 mm über den Motor 2 eine Mindestdrehzahl von 10 Umdrehungen pro Sekunde eingestellt, tritt die erfindungsgemäße Wirkung ein, daß die von der Austrittsöffnung 6 abgegebenen Gasblasen als Luftreservoir und Schleppfahne 7 an der Schleppvorrichtung 1 anhaften und dort mitbewegt werden. Hierbei zieht die Schleppvorrichtung 1 wie in Fig. 1 angedeutet die Schleppfahne 7 wie ein Schweif mit, der im wesentlichen im äußeren radialen Randbereich der Schleppvorrichtung 1 anhaftet. Bei dieser Mindestdrehzahl von 10 Umdrehungen pro Sekunde werden im wesentlichen noch keine Gasbläschen abgegeben.

Wird die Umdrehungszahl bei den beschriebenen Parametern auf 15 Umdrehungen pro Sekunde erhöht, ist ein erstes Abstrahlen von Mikrogasbläschen 8 erkennbar. Bei weiterer Steigerung der Drehzahl auf 50 Umdrehungen pro Sekunde werden in optimaler Weise und in einer Vielzahl Mikrogasbläschen 8 abgegeben und in das Medium 4 eingebracht.

Hierbei ist wichtig zu beachten, daß die über die Austrittsöffnungen 6 zugeführten Luftblasen auch bei hohen Drehzahlen von dem Luftreservoir aufgenommen werden, das die Schleppfahne 7 bildet. Die so abgegebenen und erzeugten Mikrobläschen 8 beruhen in der Erzeugung nicht auf einem Kavitationseffekt, sondern resultieren aus dem Luftreservoir, das sich im Schlepptau der Schleppvorrichtung 1 befindet. Auch werden die aus der Austrittsöffnung 6 aufsteigenden oder zugeführten Gasblasen durch die Schleppvorrichtung 1 nicht zerschlagen und die Schleppvorrichtung 1 ist nicht als Rührwerk einzustufen. Vielmehr ist anzustreben, daß die Schleppvorrichtung 1 im Gegensatz zu einem Rührwerk einen niedrigen Strömungswiderstand aufweist, damit das Medium 4 nicht durch die Schleppvorrichtung 1 mitgedreht und verwirbelt wird.

Wichtig ist, daß zwischen Schleppvorrichtung 1 und dem Medium 4 eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit aufgebaut wird, wie die zuvor beschriebenen 3 Phasen und Abstufungen von Drehzahlen zeigen. Wo diese bestimmte Strömungsgeschwindigkeit liegt, hängt von der Form der Schleppvorrichtung, der Viskosität des Mediums 4, der eingebrachten Luftmenge über die Austrittsöffnung 6 und anderen Parametern ab. Besonders zu beachten ist, daß das von der Schleppvorrichtung 1 im Schlepptau befindliche Luftreservoir als Schleppfahne 7 auch bei hohen Drehzahlen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten zwischen Vorrichtung 1 und dem Medium 4 nicht abreißt. Dies deutet darauf hin, daß die im Medium 4 vorauseilende Schleppvorrichtung 1 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Gestaltung wenig Wirbel erzeugt, die ein Abreißen begünstigen würden. Darüber hinaus wirkt die vorauseilende Schleppvorrichtung 1 in dem Medium 4 verdrängend und raumschaffend für das Luftreservoir, wobei hinter der Schleppvorrichtung 1 ein wirbelfreier Unterdruck entsteht, der bei dem höheren Druck des Mediums 4 den Anhafteffekt der Schleppfahne 7 an der Vorrichtung 1 hervorruft.

Die wenige Wirbel erzeugende Schleppvorrichtung 1 wirkt so als vorauseilender Kopf, der laminar von dem umgebenden Medium 4 umströmt wird, wobei sich die laminare Strömung über die Schleppfahne 7 hinaus erstreckt.

An der Grenzschicht zwischen dem Luftreservoir, das die Schleppfahne 7 bildet, werden die Mikrobläschen 8 an das umgebende Medium 4 abgegeben. Vermutlich dürfte die Abgabe von Mikrobläschen 8 am Ende des Schweifes der Schleppfahne 7 am stärksten sein.

Mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung können bei 50 Umdrehungen pro Sekunde Mikrogasbläschen 8 mit einem Volumen von 15 Litern pro Stunde beispielsweise eingebracht werden. Im Durchmesser können Mikrobläschen 8 von 1 µm bis 100 µm hergestellt werden. Bevorzugt besteht die Schleppvorrichtung 1, die als Zerstäubungseinrichtung wirkt, aus elastischen Eigenschaften, um beispielsweise Erschütterungen vom Motor her abzudämpfen. Die Oberfläche der Schleppvorrichtung 1 kann glatt, porös oder rauh sein.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Motor in einem Behälter 9 in dem Medium 4 steht und Bohrungen 10 aufweist, aus denen größere Gasblasen in den Arbeitsbereich der Schleppvorrichtung 1 aufsteigen. Dem Behälter 9 wird wiederum über ein Rohr 5 das Gas zugeführt. Ansonsten arbeitet die Vorrichtung entsprechend der in Fig. 1.

Nach Fig. 3 sind Stäbe 11 vorgesehen, die radial mit Schleppvorrichtungen 1 bestückt sind, die teilweise in das Medium 4 und teilweise in die Luft ragen.

Bei der Rotation der Stäbe 11 über den Motor 2 ziehen die radialen Schleppvorrichtungen 1 Luft mit in das Medium, das in der zuvor beschriebenen Weise mit den Mikrobläschen 8 angereichert wird.

Fig. 4 soll verdeutlichen, daß es auf das Ausbilden einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit zwischen Medium 4 und der Schleppvorrichtung 1 ankommt. Hierbei ist es unerheblich, ob die Schleppvorrichtung 1 oder das Medium 4 selbst bewegt wird. In Fig. 4 steht die Schleppvorrichtung 1 still und das Medium 4 strömt in Richtung des gezeigten Pfeiles. Ansonsten arbeitet die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung wie die in Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen.

Fig. 5 lehnt sich an die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform an, bei der ein Motor zusammen mit der Schleppvorrichtung 1 in einem Rohr angeordnet ist, dem Luftblasen vor dem Motor 2 zugegeben werden, die anschließend von der Schleppvorrichtung 1 in die Mikrobläschen 8 zerstäubt werden. Dementsprechend bewegen sich in Fig. 5 das Medium 4 selbst und zusätzlich die Schleppvorrichtung 1.

Die Fig. 6 bis 22 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Schleppvorrichtung 1.

Fig. 6 zeigt ein sternförmiges Blättchen mit radialen Stegen, die über die Achse 3 als Schleppvorrichtung 1 rotiert werden. In Fig. 7 sind mehrere Drähte zu einem Zylinder oder einer Walze zusammengefaßt, die die Schleppvorrichtung 1 bildet. In Fig. 8 ist ähnlich wie in Fig. 7 eine käfigförmige Schleppvorrichtung 1 vorgesehen, wobei in Fig. 8 eine Glocke gezeigt ist, die unten offen ist und bei der die Gaszufuhr von unten erfolgen kann. Fig. 9 soll verdeutlichen, daß als Schleppvorrichtung 1 auch ein sägezahnförmiges Stäbchen, wie beispielsweise ein Laubsägeblatt, Anwendung finden kann.

Nach Fig. 10 ist um die Achse 3 ein wendelförmiges Gebilde vorgesehen, das schraubenartig Luft von der Oberseite in das Medium 4 zieht und zu der Schleppvorrichtung 1 führt. Fig. 11 zeigt einen gezackten Blechstreifen, der die Funktion der Schleppvorrichtung 1 übernimmt. In Fig. 12 ist die Schleppvorrichtung 1 hohl ausgebildet und die Gaszufuhr erfolgt durch das Innere hindurch. Das Gas tritt an Bohrungen 10 aus. Nach Fig. 12 wird die Achse 3 gleichfalls als Gaszufuhrrohr verwendet. Nach Fig. 13 ist eine L-förmige Schleppvorrichtung 1 vorgesehen, die radial verstärkt ist und wobei im Außenbereich ein gewellter Schleppdraht befestigt ist. In Fig. 14 sind Schleppdrähte an einem Tragarm befestigt und in Umlaufbahn gebogen. Fig. 15 zeigt ein Gitter, bei dem Schleppdrähte eingespannt sind. Nach Fig. 16 besteht die Schleppvorrichtung 1 aus einem glatten Schleppstäbchen. Fig. 17 zeigt einen Tragbalken oder einen Teller, in dessen Randbereich zwei oder mehrere Schleppdrähte glockenförmig angeordnet sind oder aufgrund ihrer Umlaufbahn eine Glocke bilden. Fig. 18 zeigt einen Blechstreifen, der mit seiner Schmalseite in Strömungsrichtung bewegt wird. Nach Fig. 19 sind eine Vielzahl von Schleppdrähten längs der Achse 3 angeordnet. In Fig. 20 ist an dem Ende der Achse 3 ein Büschel von Schleppdrähten vorgesehen. In Fig. 21 ist ein Teller 11 oder eine Kugel mit radialen Schleppdrähten besetzt. Fig. 22 zeigt ein Stäbchen, um das ein Draht, z. B. stacheldrahtähnlich als Schleppvorrichtung 1, herumgewunden ist.

Erfindungswesentlich ist das Ausbilden der Schleppfahne 7 an allen Formen von Schleppvorrichtungen 1, die in den Fig. 6 bis 22 beispielhaft angegeben sind.

Bei niedriger Drehzahl kann das Luftreservoir, das sich im Schlepptau der Schleppvorrichtung 1 befindet, an das umgebende Medium 4 auch durch Oberflächenkontakt Gas abgeben, ohne daß Mikrobläschen 8 entstehen. Daher ist es auch sinnvoll, die Schleppfahnen 7 in bestimmten Anwendungsformen mit niedrigen Drehzahlen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten zu bewegen.

Bestandteil der Erfindung kann ein Schutzgitter sein, das insbesondere bei rotierenden Schleppvorrichtungen 1 ausgebildet ist, wobei die Mikrobläschen 8 leicht durch die größere Maschenweite des Schutzgitters abströmen können.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit, bei dem eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Flüssigkeit und einer quer zu der Flüssigkeit angestellten Schleppvorrichtung eingestellt wird, bei dem das Gas im Bereich der Schleppvorrichtung in die Flüssigkeit eingebracht wird, bei dem das eingebrachte Gas mittels der Schleppvorrichtung in feine Gasbläschen überführt wird und bei dem das Gas an der Schleppvorrichtung zumindest teilweise als Schleppfahne anhaftet, die ein Gasreservoir bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppfahne von einem schmalen, langgestreckten Gebilde als Schleppvorrichtung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Relativgeschwindigkeit zwischen der Flüssigkeit und der Schleppvorrichtung entweder die Flüssigkeit bewegt wird und die Schleppvorrichtung ortsfest ist oder die Schleppvorrichtung in der Flüssigkeit bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung rotiert wird.

4. Dispergiervorrichtung zum Verteilen eines Gases in einer Flüssigkeit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens einer Schleppvorrichtung und mit einer Halterung für die Schleppvorrichtung, wobei im Betrieb eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Dispergiervorrichtung und der Flüssigkeit einzustellen ist und die Schleppvorrichtung im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist, wobei im Betrieb das Gas in den Wirkungsbereich der Dispergiervorrichtung eingebracht wird und an der Schleppvorrichtung zumindest teilweise als Schleppfahne anhaftet, die ein Gasreservoir bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung die Form eines schmalen, langgestreckten Gebildes aufweist.

5. Dispergiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schmale, langgestreckte Gebilde ein Draht, ein Blatt oder ein Stab ist.

6. Dispergiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung (1) gewellt oder gezackt ist.

7. Dispergiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung federelastisch ist.

8. Dispergiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung in Schlaufen oder Schlingen gebogen ist.

9. Dispergiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung ein Draht mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1 mm, insbesondere 0,3 mm ist.

10. Dispergiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schleppvorrichtungen zu einem Büschel, einer Glocke, einem Käfig oder einem Gitter zusammengefaßt sind.

11. Dispergiervorrichtung nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung als hohle Welle ausgebildet ist,
daß die Schleppvorrichtung hohl ist und Austrittsöffnungen (10) aufweist und
daß die Gaszufuhr über die Welle und die hohle Schleppvorrichtung erfolgt.

12. Dispergiervorrichtung nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung an einem Tragelement, z. B. einem Teller (11) ausgebildet ist (Fig. 17, 21).

13. Dispergiervorrichtung nach Anspruch 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung aus rostfreiem Material besteht.