DE4307924A1 - Einrichtung zur Förderung gesteuerter Trombenbildung bei einer Gas/Flüssigkeitsmischvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Mischens von Gasen und Flüssigkeiten, wobei der die Formation, Verteilung und Rezirkulation von Gasblasen innerhalb eines Flüssigkeitsgemischs eine große Rolle spielt.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Mischen von Ga­ sen und Flüssigkeiten mit einer ein in die Flüssigkeit eintauchendes Rohr axial durchsetzenden Antriebswelle für ein in einem festgelegtem Abstand unterhalb des Rohrs angeordnetes Rührorgan, das eine Mehrzahl von ver­ tikal von oben nach unten fördernden Axialblättern aufweist.

Es sind eine Reihe von Möglichkeiten und Techniken bekannt, um die Ver­ mischung von Gasen mit Flüssigkeiten zu erreichen. Weit verbreitet sind beispielsweise Spargesysteme, um ein Gas unter einem Rührorgan, etwa einer Rushton-Turbine oder einem Axial-Rührorgan einzubringen. Dabei muß das Gas unter Druck zugegeben werden, wofür entweder ein Kom­ pressor oder ein Drucklagertank benötigt werden. Spargesysteme sind in der Regel kreisförmig und weisen mehrere Öffnungen für den Gasaustritt auf oder es sind einfache Rohre mit einem offenen Ende. Das Rührwerk soll das Gas in so kleine und so viele Gasblasen wie möglich zerteilen und im gesamten Mischgefäß, beispielsweise einem Tank, dispergieren. Bei einem bekannten Spargesystem wird der Vorteil einer von einem bekannten Rührorgan erzeugten Axialströmung benutzt, um den Gaseintrag durch vier einfache Rohre in der Nähe des Behälterbodens zu ermöglichen. Eine Axialströmung ist erwünscht, um kleine Mischzelten, gute Feststoffsu­ spensionseigenschaften und eine Bewegung der Gasblasen vom Behälter­ boden nach oben zu erreichen. Bei Verwendung eines geeigneten Axial­ strömers wird außerdem eine lokale Rückströmung unter die Mischflügel und damit der Aufbau eines Gaspolsters unter den einzelnen Mischflügeln verhindert, was eine Überflutung des Rührers zur Folge hätte.

Ein anderer Grundtyp der Spargesysteme weist ein oder mehrere selbstan­ saugende Rührorgane mit einer Hohlwelle auf. Der Unterdruck hinter den Blättern des Rührorgans erzeugt ein Vakuum in der Hohlwelle. Durch eine Öffnung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels wird das Gas eingesogen und in der Umgebung der Mischflügel oder Mischblätter der Flüssigkeit zuge­ führt. Die Menge an Gas, die dispergiert werden kann, hängt von der Rüh­ rerdrehzahl und dem durch die Blätter erzeugten Unterdruck ab, der wie­ derum abhängig ist von der Form der Blätter.

Ein dritte bekannte Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeit ist der sogenannte Turbo-Belüfter, der in der schematischen Zeichnung der Fig. 6 in einer Ausführung mit nur einem Rührorgan dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Motor 1 an ein Lagergehäuse 2 ange­ flanscht. Das Lagergehäuse 2 ist erst ab bestimmten Leistungen und Nenndrehzahlen erforderlich und kann außerdem zur Aufnahme von wei­ teren Ringdichtungen dienen. Ein Leitrohr 3 des Belüfters weist eine erste Öffnung oberhalb eines durch eine Pfeilmarkierung angegebenen Flüssig­ keitsspiegels auf. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu allen anderen bekannten Leitrohrsystemen. Das Leitrohr 3 mündet innerhalb der Flüs­ sigkeit offen kurz über einem als Axialströmer ausgeführten Rührorgan 5. Der Zwischenraum zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührorgan 5 legt zu­ sammen mit dem Durchmesserverhältnis der beiden die Gasmenge fest, die eingezogen werden kann. Eine Antriebswelle 4 für das Rührorgan 5 ver­ läuft zentrisch innerhalb des Leitrohrs 3; sie kann innerhalb des Leitrohrs 3 zusätzlich durch ein Lager abgestützt sein, um bei längeren Wellen grö­ ßere Stabilität zu gewährleisten.

Der bekannte Turbo-Belüfter gemäß Fig. 6 arbeitet wie folgt:
Mit zunehmender Drehzahl steigt die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührer 5 durchgepumpte Flüssigkeltsmenge an. Dies führt zu einem Ab­ sinken des statischen Drucks oberhalb der Flügel. Ab einer bestimmten Drehzahl ist der Druck auf das Niveau des statischen Wasserdrucks ge­ sunken und das System beginnt von der Oberfläche durch das Leitrohr 3 Gas einzuziehen. Da das Gas/Flüssigkeits-Gemisch durch die Flügel des Rührorgans 5 hindurchgeht, werden die Gasblasen, bedingt durch die me­ chanische Scherung, extrem klein. Mit Flüssigkeitsscherung allein lassen sich derart kleine Gasblasen niemals erreichen. Innerhalb des Mischbe­ hälters herrscht eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen. Sofern die einzige Aufgabe darin besteht, Gas in die Flüssigkeit einzubringen, haben sich Turbobelüfter dieser Bauart bewährt.

Um den Turbo-Belüfter gemäß Fig. 6 auch für eine gleichzeitige Feststoff­ suspension geeignet zu machen, kann vorgesehen sein, unterhalb des Rührers 5 ein weiteres Rührorgan anzuordnen, das ebenfalls über die An­ triebswelle 4 angetrieben wird. Eine wesentliche Verbesserung sowohl des Gaseintrags als auch der Feststoffsuspension wird jedoch erreicht, wenn gemäß einem unveröffentlichten Vorschlag das Rührorgan 5 mit einem die Axialblätter umgebenden Außenring, mit einem Satz weiterer äußerer Axi­ alblätter 9 ausgestattet wird. Dadurch wird es möglich, Gasblasen bis zum Boden auch tiefer Mischbehälter zu bringen und genügend Strömung zu entwickeln, so daß lange Leitrohrsysteme entbehrlich werden. Dadurch entsteht jedoch dann ein bestimmtes neues Problem, nämlich die unkon­ trollierte Trombenbildung.

Solche Tromben entstehen vor allem also bei Turbo-Rührorganen, die auch ohne lange Leitrohrsysteme genügend Strömung entwickeln. Eine unkontrollierte Trombenbildung kann zu mechanischen Problemen füh­ ren.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die aus Gründen eines erhöhten Gaseintrags unter Umständen an sich erwünschte Trombenbil­ dung kontrolliert werden kann.

Die Erfindung ist bei einer Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüs­ sigkeiten mit einer ein in die Flüssigkeit eintauchendes Rohr axial durch­ setzenden Antriebswelle für ein in einem festgelegten Abstand unterhalb des Rohrs angeordnetes Rührorgan mit einer Mehrzahl von Axialblättern, die von oben nach unten fördern, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Au­ ßenseite des Rohrs eine Mehrzahl von mit gleichem gegenseitigem Winkel­ ab stand sternförmig verteilt angeordnete in Axialrichtung des Rohrs sich erstreckende Bleche gleicher radialer Länge zur Stromstörung und ge­ steuerten Trombenbildung angebracht sind.

Sofern das Rohr als Leitrohr für den Gaseintrag durch einen unterhalb des Leitrohrs angeordneten Axialströmer ausgebildet ist, wird der Innen­ durchmesser wesentlich größer sein als der Durchmesser der durchge­ henden Antriebswelle und kann vorzugsweise etwa dem Durchmesser ei­ nes die Axialblätter des Rührorgans umschließenden Ring entsprechen.

Durch die am Rohr oder Leitrohr sternförmig angesetzten Bleche entsteht zwischen diesen Blechen eine Mehrzahl von kleineren Tromben, die sich gleichmäßig verteilen, im Prinzip wirken diese Bleche also als Stromstö­ rer; ihre radiale Erstreckung ist in Abstimmung auf die Eintragleistung des Rührorgans sowie in Abhängigkeit der Flüssigkeit, des Feststoffein­ trags usw. variabel. Die ideale Länge und radiale Erstreckung ist der jewei­ ligen Einbausituation anzupassen. Bei einem erprobten Ausführungsbei­ spiel, das zu guten Ergebnissen bei einem wesentlich erhöhten Gaseintrag führte, entsprach der Durchmesser des Leitrohrs einschließlich angesetz­ ter Stromstörerbleche dem Durchmesser des Axialströmers einschließlich seiner äußeren Axialblätter.

Versuche haben ergeben, daß die beste Wirkung der Trombenaufteilung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stromstörerbleche dann erzielt wird, wenn die Mischvorrichtung zentrisch in einen zylindrischen Tank als Mischbehälter eingebaut wird. Bei exzentrischem Einbau ist es wün­ schenswert, die Stromstörerbleche etwas zu modifizieren, d. h. wiederum sternförmig angesetzte Bleche zu verwenden, die in Axialrichtung parallel verlaufen, die jedoch in Anpassung an die exzentrische Einbausituation gekrümmt sind, wobei die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn die Krümmungsrichtung in Richtung des Drehsinns des Rührorgans gewählt wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten und Ergänzungen werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Turbobelüfters mit sehr hohem Gaseintrag und großer Durchmischungswir­ kung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur kon­ trollierten Trombenbildung;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung;

Fig. 3 und 4 schematische Schnittdarstellungen in abgewandelter Aus­ führungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung zur kontrollierten Trombenbildung;

Fig. 5 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform und

Fig. 6 eine dem Stand der Technik entsprechende, bereits erläu­ terte Gas/Flüssigkeits-Mischvorrichtung mit einem Tur­ bo-Belüfter.

Fig. 1 zeigt einen Turbo-Belüfter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Beispiel ist ein Motor 1 an ein Lagergehäuse 2 ange­ flanscht. Diese zusätzliche Lagerung ist insbesondere bei Antrieben klei­ nerer Leistung nicht erforderlich, speziell dann nicht, wenn mit Nenndreh­ zahlen von 1500 Upm oder weniger gearbeitet wird. Das Lagergehäuse 2 kann auch zur Aufnahme von Gleitringdichtungen dienen. An das Lager­ gehäuse 2 schließt sich eine Flanschplatte 6 zur Befestigung an einem nicht dargestellten Mischbehälter an. An der Flanschplatte 6 ist über nicht näher bezeichnete Stege ein oberhalb eines durch ein Dreieck ange­ gebenen Flüssigkeitsspiegels offenes Leitrohr 3 angesetzt, das relativ kurz oberhalb eines Rührorgans 8 innerhalb der Flüssigkeit ebenfalls offen en­ det. Das Rührorgan 8 wird vom Motor 1 über eine das Leitrohr 3 axial durchsetzende Antriebswelle 4 angetrieben. Das Rührorgan 8 könnte dem Axialströmer 5 gemäß Fig. 6 (Stand der Technik) entsprechen oder auch im Prinzip jedes andere Rührorgan sein. In dem in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel jedoch besteht das Rührorgan 8 aus einer Anordnung von drei bis neun inneren Axialblättern, beispielsweise entsprechend dem Rührorgan der Fig. 6, die durch einen Ring 10 umgeben sind. Auf der Au­ ßenseite des Rings 10 sind weitere, in winkelsymmetrischer Verteilung an­ geordnete, zusätzliche Axialblätter 9 gemäß einem anderen Erfindungs­ vorschlag angebracht. Durch die zusätzlichen Axialblätter 9 wird der Wir­ kungsgrad wesentlich gesteigert, insbesondere der Gasblaseneintrag, und die gleichmäßige Gasverteilung sowie eine eventuelle gleichmäßige Fest­ stoffsuspension erreicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Ring 10 breiter als bei der dem Stand der Technik entsprechenden Mischvorrichtung nach Fig. 6. Diese Verbreiterung des Rings 10 dient dazu, der Flüssigkeit, die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Ring 10 eintritt, eine größere Axialkomponente zu geben. Über dem Spalt zwischen dem Ring 10 und dem Leitrohr 3 läßt sich die Gasrate in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmen.

Erfindungsgemäß ist die in Fig. 1 dargestellte Gas/Flüssigkeitsmischvor­ richtung auf der Außenseite des Leitrohrs 3 mit einer Mehrzahl von mit gleichen Winkelabständen um den Umfang des Leitrohrs verteilt angeord­ nete Stromstörungsblechen 11 versehen, die achsparallel angeordnet sind und praktisch über die gesamte Länge des Leitrohrs 3 reichen. Durch diese im folgenden auch nur als Bleche 11 bezeichneten Stromstörer wird beim Gaseintrag eine kontrollierte Trombenbildung erreicht. Die Breite der Ble­ che 11 wurde im dargestellten Beispiel so gewählt, daß der Gesamtdurch­ messer von Leitrohr 3 einschließlich der außen angesetzten Bleche 11 et­ wa dem des Rührorgans 8 einschließlich dessen außen angesetzter frei en­ dender zusätzlicher Axialblätter 9 entspricht. Die radiale Erstreckung der Bleche 11 kann in Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall und Ein­ satzort unterschiedlich gewählt werden, wobei zweckmäßigerweise eine optimale Dimensionierung durch einfache Vorversuche zu ermitteln ist.

Die Stromstörerbleche 11 wirken wie folgt:
Anstatt eine einzelne, schwer kontrollierbare Trombe zu verhindern, ent­ wickeln sich - wie beispielsweise die Fig. 2 bis 4 erkennen lassen - zwi­ schen den Blechen 11 gleichmäßig verteilte Tromben. Das jeweilige Zen­ trum einer dieser Tromben liegt auf der geometrischen Mitte des Rohrs 3 und in der Mitte zwischen den Blechen 11. Sofern wie anhand der Fig. 1 dargestellt, die radialen Abmessungen der Bleche 11 so bemessen sind, daß sie mit den äußeren Spitzen der Axialblätter 9 abschließen, treffen die einzelnen Tromben genau auf die Mitte dieser äußeren Axialblätter 9.

Durch diese gleichmäßige Verteilung der Tromben wird das Gesamtsystem der Mischvorrichtung wesentlich stabiler.

Wesentlich jedoch ist, daß auch der Gaseintrag durch die kontrollierte Er­ zeugung der einzelnen Tromben deutlich erhöht wird und den Gaseintrag über das Leitrohr 3 bei weitem übersteigt, und zwar bis etwa zum Faktor 10. Bei einem Versuch wurde über das Leitrohr eine Gasmenge von 200 l/m eingedrückt. Der Gaseintrag über die Tromben zwischen den Blechen 11 jedoch lag tatsächlich etwa bei der zehnfachen Menge, ohne daß das Ge­ samtsystem überflutete.

Ein weiterer Versuch zeigte, daß sich auch bei einem einfachen Rührorgan ohne den umgebenden Ring 10 zwischen den Blechen 11 stabile Tromben bildeten und eine bemerkenswert höhere Gasmenge eingezogen und di­ spergiert wurde. Erst bei höheren Drehzahlen neigte ein solches Rühror­ gan erwartungsgemäß zum Überfluten.

Anstelle des Leitrohrs 3 kann auch ein einfaches Rohr verwendet werden, das die Antriebswelle 4 als Schutz umgibt. Auch in diesem Fall wird eine kontrollierte Trombenbildung zwischen den Blechen 11 erreicht.

Wird als Rührorgan ein herkömmlicher sog. Oberflächenbelüfter verwen­ det, so läßt sich beobachten, daß die Strömung aufgrund der Stromstö­ rungsbleche 11 immer noch axial nach unten verläuft, während das Rühr­ organ diese Belüfterart nach oben fördert. Dies zeigt besonders deutlich, daß durch die Bleche 11 der Gaseintrag aufgrund der kontrollierten Aus­ bildung einzelner Tromben erheblich erhöht wird. Als weiterer Vorteil zeigt sich aufgrund der sternförmig angeordneten Bleche 11, daß bei Verwen­ dung eines üblichen Oberflächenbelüfters an der Flüssigkeitsoberfläche praktisch kein Spritzen auftritt. Bei der Verwendung in Abwasseranlagen bedeutet dies, daß auf den sog. unteren "Kicker" verzichtet werden kann. Dies bringt nicht nur wesentliche Prozeßvorteile sondern verringert zu­ sätzlich den mechanischen Aufwand. Die erfindungsgemäßen Stromstö­ rungsbleche 11 verteilen also das Gas mit weitaus weniger Vibrationen als ein herkömmliches System vergleichbarer Gaseintragleistung.

Die beste Einbausituation für die erfindungsgemäße Stromstörervorrich­ tung ist zentrisch in einem zylindrischen Tank. Diese Einbausituation ist in der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 2 veranschaulicht.

Sofern ein exzentrischer Einbau erforderlich wird, sollten die Stromstör­ erbleche 11 etwas modifiziert werden, um die beispielsweise sechs Trom­ ben zu erzeugen, wie die dargestellten Ausführungsbeispiele veranschau­ lichen. In dieser exzentrischen Einbausituation ist es vorteilhaft, die Stromstörerbleche zu krümmen, wie die schematischen Schnittdarstel­ lungen der Fig. 3 und 4 zeigen. Bei einer Erprobung wurden die besten Ergebnisse mit der Anordnung nach Fig. 4 erzielt.

Die Fig. 5 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform, bei der die Stromstörerbleche 11 unterhalb des durch einen Pfeil veranschaulichten Flüssigkeitsspiegels abgeschrägt sind.

Der in beiden Ausführungsbeispielen (Fig. 1 und 5) dargestellte, ver­ gleichsweise breite Ring 10 dient dazu, der Flüssigkeit, die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Ring 10 eintritt, eine größere Axialkomponente zu ge­ ben. Der entstehende Spalt ist von Bedeutung für die Einstellung der Gas­ raten in Abhängigkeit von der Drehzahl.

Obwohl aufgrund der sternförmig angeordneten Stromstörerbleche 11 gleichmäßige Tromben erzeugt werden, wird ein unerwünschter Wirbel um das Leitrohr 3 verhindert. Eine tangentiale Strömung würde die Leistung des Rührorgans stark vermindern. Die Stromstörerbleche 11 unterstützen die axiale Förderrichtung und somit den Mischprozeß in positiver Weise. Der erhebliche zusätzliche Gaseintrag über die kontrolliert entstehenden Tromben ist von besonderem Vorteil, weil die Effektivität des Mischprozes­ ses durch Rezirkulation des Gases im Raum oberhalb der Flüssigkeit we­ sentlich gesteigert wird. Die Ausführungsform nach Fig. 5 ist für Hoch­ druckreaktionen zwischen Gas- und Flüssigphasen von besonderem Vor­ teil, wenn die über eine Druckleitung 13 eingebrachte, definierte Gasmen­ ge den Bedarf der Reaktion bestimmt. Über die kontrollierte Trombenbil­ dung aufgrund der Stromstörerbleche wird dann das Gas, das zunächst nicht reagiert hat, rezirkuliert und aus dem Raum oberhalb der Flüssig­ keit mehrfach in die Flüssigphase eingetragen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten mit einer ein in die Flüssigkeit eintauchendes Rohr (3) axial durchsetzenden Antriebs­ welle (4) für ein in einem festgelegten Abstand unterhalb des Rohrs (3) an­ geordnetes Rührorgan (8) mit einer Mehrzahl von Axialblättern, die in Axi­ alrichtung von oben nach unten fördern, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Rohrs (3) eine Mehrzahl von mit gleichem gegensei­ tigem Winkelabstand sternförmig verteilt angeordnete, in Axialrichtung des Rohrs sich erstreckende Bleche (11) gleicher radialer Länge zur Strom­ störung angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) als Leitrohr für den Eintrag von Gas in die Flüssigkeit aufgrund der Saugwirkung des Rührorgans ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (11) im wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Leitrohrs (3) innerhalb der Flüssigkeit erstreckt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Leitrohrs (3) einschließlich der sternförmig angesetzten Bleche (11) zur Stromstörung etwa dem Durchmesser des Rührorgans (8) einschließlich außen angesetzter Axialblätter (9) entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bleche (11) gekrümmt sind.