DE4307925A1 - Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zum Mischen von Gasen und FlüssigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Gasen und
Flüssigkeiten; sie bezieht sich damit insbesondere auf die Formation und
Rezirkulation von Gasblasen/ Flüssigkeit-Gemischen.
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 wird. 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 Mischzeiten, 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 überflu
teter Mischflügel ist nicht mehr in der Lage, die Flüssigkeit so zu pumpen,
daß eine adäquate Strömung in dem Mischbehälter herrscht. Für ein gege
benes System in einem Gas/Flüssigkeits-Reaktor gibt es zwei Freiheits
grade, nämlich die Drehzahl des Rührorgans und die Gasrate.
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. Für ein gegebenes System
gibt es nur einen Freiheitsgrad, nämlich die Rührerdrehzahl.
Ein dritte bekannte Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeit
ist der sogenannte Turbo-Belüfter, der in der schematischen Zeichnung
der Fig. 11 in einer Ausführung mit nur einem Rührorgan dargestellt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Motor 1 an ein Lagergehäuse 2 an
geflanscht. 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.
Ein typisches Rührorgan 5, für den in Fig. 11 dargestellten Turbo-Belüfter
zeigt die Fig. 13, nämlich einen drei- oder mehrblättrigen Schrägblattrüh
rer mit einem die Rührerblätterumfassenden, mitrotierenden Ring 10. Der
Bezugshinweis 6 bezeichnet eine Flanschplatte zur Befestigung des Tur
bo-Belüfters an einem nicht dargestellten Behälter.
Der bekannte Turbo-Belüfter gemäß Fig. 11 arbeitet wie folgt:
Mit zunehmender Drehzahl steigt die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührer 5 durchgepumpte Flüssigkeitsmenge 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. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch daraus, daß das System leicht zum Überfluten neigt. Da sich die Gasblasen außerdem nur um eine etwa dem halben Flügeldurchmesser entsprechende Distanz nach unten pumpen lassen, ist diese Art eines Be lüfters nicht für eine gleichzeitige Feststoffsuspension geeignet.
Mit zunehmender Drehzahl steigt die zwischen dem Leitrohr 3 und dem Rührer 5 durchgepumpte Flüssigkeitsmenge 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. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch daraus, daß das System leicht zum Überfluten neigt. Da sich die Gasblasen außerdem nur um eine etwa dem halben Flügeldurchmesser entsprechende Distanz nach unten pumpen lassen, ist diese Art eines Be lüfters nicht für eine gleichzeitige Feststoffsuspension geeignet.
Um außer der Belüftung auch die Aufgabe einer Feststoffsuspension zu er
füllen, ist es, wie die Fig. 12 zeigt, bekannt, den Turbo-Belüfter gemäß Fig.
11 mit einem weiteren axialen Rührorgan 7 auszustatten. Dieses zusätzli
che Rührorgan 7 entspricht im Prinzip bis auf einen konischen Ring 12,
statt des zylindrischen Rings 10, dem Rührorgan 5. Das zusätzliche Rühr
organ 7 hat die Aufgabe, die vom Rührorgan 5 gebildeten Gasblasen einzu
saugen und durch den Mischbehälter zu verteilen. Wie alle bekannten Axi
alrührorgane hat jedoch auch diese Ausführungsvariante des bekannten
Turbo-Belüfters die Neigung zu überfluten, wenn die vom Rührorgan 5 ein
getragene Gasmenge zu groß wird. Ein weiterer Nachteil ist auch der, daß
durch das zusätzliche axiale Rührorgan 7 und die wesentlich längere An
triebswelle 4 das Gewicht des Gesamtsystems größer wird. Die kritische
Drehzahl wird niedriger und das System neigt zu Vibrationen, was wiede
rum zu anderen mechanischen Schwierigkeiten führt.
Es gibt also einen Bedarf für bessere Gas/Flüssigkeits-Mischsysteme.
Damit liegt der Erfindung - insbesondere ausgehend von den bekannten
oben beschriebenen Turbo-Belüftersystemen - die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten zu schaffen, die
bei vergleichsweise kleinerer Antriebsleistung und geringerem Gesamtge
wicht eine sehr gute Vermischung der Gas- und Flüssigkeitsphase in ei
nem vorgegebenen Mischbehälter ermöglicht.
Speziell für den Bereich der Hochdruckreaktoren, wo ein unter dem Flüs
sigkeitsniveau angeordnetes Spargesystem nicht wünschenswert ist, aber
andererseits die Rezirkulation des Gases aus dem oberen Raumbereich
des Behälters sehr wichtig ist, um insbesondere Feststoffe im ganzen Be
hälter suspendieren zu können, sind Verbesserungen, wie sie mit der Er
findung angestrebt werden, von besonderer Bedeutung. Dies gilt insbe
sondere auch für den Bereich der katalytischen Reaktionen.
Ein ebensolcher Bedarf, um nur ein weiteres Beispiel zu nennen, besteht
beim Belüften von Seen oder Abwasseraufbereitungsanlagen. Aufgrund
des großen Bedarfs sind hier insbesondere Anforderungen an kostengün
stige Lösungen zu erfüllen, die gleichwohl in der Lage sind, Feststoffe, zum
Beispiel Faulschlamm, suspendieren zu können. Zur Zeit sind keine mit
Rührer ausgestatteten Mischsysteme bekannt, die alle genannten Anfor
derungen gleichzeitig erfüllen können.
Die Erfindung ist bei einer Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüs
sigkeiten mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden und unterhalb sowie
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels offenen Leitrohr sowie mit einer das
Leitrohr axial durchsetzenden Antriebswelle für einen in einem festgeleg
ten Abstand unterhalb der unteren Leitrohröffnung angeordneten Axial
strömer als Förder- und Rührorgan mit einer Mehrzahl von durch einen
mitrotierenden Ring umfaßten, vertikal von oben nach unten fördernden
inneren Axialblättern, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine
Mehrzahl von auf der Außenseite des Rings mit gleichem gegenseitigem
Winkelabstand angebrachten, ebenfalls vertikal von oben nach unten för
dernden äußeren Axialblättern.
Die äußeren Axialblätter können bei gleicher oder zur Anzahl der inneren
Axialblätter unterschiedlicher Anzahl mit Bezug auf die Antriebswelle so
wohl in gleichen Winkelpositionen wie die inneren Axialblätter oder auch
in zwischen den inneren Axialblättern stehenden Winkelpositionen ange
bracht sein. Im letzteren Fall ist es zweckmäßig, den die inneren Axialblät
ter umfassenden Ring stärker auszubilden. Vorzugsweise wird die Anzahl
der inneren bzw. äußeren Axialblätter zwischen drei bis sechs gewählt.
Der Ring ist erforderlich, um die Strömung zwischen dem Leitrohr und den
inneren Axialblättern sicherzustellen.
Die geometrische Gestaltung der äußeren Axialblätter ist nicht an eine
feste Flügelform gebunden. Eine wesentliche Verbesserung der Durchmi
schung wird bei fast allen sinnvollerweise in Frage kommenden Flügelfor
men erzielt. Allerdings hat sich gezeigt, daß der sogenannte Tip-Chord-
Winkel oder Spitzenanstellwinkel der Flügelblätter in der Regel kleiner
sein sollte als der der inneren Axialblätter. Bereits mit einem Tip-Chord-
Winkel von nur 5° ergab sich eine ganz wesentliche Verbesserung der Strö
mung innerhalb des Mischbehälters. Eine Erhöhung des Tip-Chord-Win
kels auf 16° bringt bei gleicher Drehzahl einen höheren Leistungseintrag.
Sechs äußere Axialblätter erhöhen ebenfalls den Leistungseintrag im Ver
gleich zu nur drei Blättern.
Einen gewissen Einfluß auf den Gaseintrag hat auch das Durchmesserver
hältnis von gesamter Flügelanordnung zum Ringdurchmesser.
Aufgrund der Erfindung werden die Freiheitsgrade der konstruktiven Ge
staltung durch Erhöhung der veränderbaren Konstruktionsparameter
größer, so daß das Verhältnis von Flüssigkeitsscherung, mechanischer
Scherung und Pumpkapazität individuell und viel besser für jeden Prozeß
spezifisch angepaßt werden kann. Größere innere Axialblätter beispiels
weise, sorgen für einen größeren Gasmengeneintrag, höhere Scherung
und einen größeren Leistungseintrag. Kleinere äußere Axialblätter erhö
hen den Leistungsbedarf nur geringfügig, verbessern aber die Strömungs
verhältnisse bereits erheblich. Mit größeren Außenblättern dagegen wird
der Akzent auf das Mischen und die Feststoffsuspension gesetzt bei ver
kürzten Mischzeiten.
Größere Tip-Chord-Winkel erhöhen die Flüssigkeitsscherung. Durch den
Flügeltyp für die Axialblätter wird der Austrittswinkel beeinflußt. Seine
Form kann von der Behältergeometrie oder von den Flüssigkeitseigen
schaften abhängen. Wird ein erhöhter Gasmengeneintrag gewünscht, so
wird die Überdeckung des Rührorgans immer wichtiger, so daß beispiels
weise sechs innere und äußere Axialblätter bei einer hohen Gasrate ein
Optimum hinsichtlich Gaseintrag, Vermischung und Feststoffsuspension
darstellen können.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Be
zug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Gas/Flüssigkeits
mischvorrichtung mit erfindungsgemäßen Merkmalen;
Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Rühror
gans mit die Erfindung kennzeichnenden Merkmalen;
Fig, 4 die schematische Perspektivdarstellung in Drauf- und
Längsansicht eines Flügels äußerer Axialblätter;
Fig. 5 ein Laserscandiagramm von Strömungsgeschwindigkeits
vektoren innerhalb eines (mit einem Sichtfensterversehe
nen) Mischbehälters zur Verdeutlichung der vorteilhaften
Wirkung der äußeren Axialblätter;
Fig. 6 ein ähnliches Laserscandiagramm der Strömungsge
schwindigkeitsvektoren innerhalb des Mischbehälters
zum Verdeutlichen der Wirkung der inneren Axialblätter;
Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsge
mäßen Mischvorrichtung, bei der zusätzliche konstrukti
ve Maßnahmen zur gezielten Förderung einer verteilten
Trombenbildung vorgesehen sind;
Fig. 8 bis 10 unterschiedliche Ausführungsformen von an der Außen
seite eines Leitrohrs einer erfindungsgemäßen Mischvor
richtung sternförmig angebrachten Vertikalblechen als
Stromstörer zur Erzeugung von gezielt gesteuerten Trom
ben;
Fig. 11 bis 13 bereits erläuterte bekannte Ausführungsformen von
Turbo-Mischsystemen und
Fig. 14 ein Laserscan-Strömungsgeschwindigkeitsprofil für eine
herkömmliche Mischvorrichtung bei Verwendung des im
wesentlichen gleichen Mischbehälters zur Verdeutli
chung der vorteilhaften Wirkung der Erfindung bei Ver
gleich mit den Laserscan-Diagrammen der Fig. 5 und 6.
Bei einem Vergleich der Fig. 11 und 1 ist sofort ersichtlich, daß auch bei
dem erfindungsgemaßen ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Mo
tor 1, das Lagergehäuse 2, die Flanschplatte 6 und das Leitrohr 3 sowie die
Antriebswelle 4 in gleicher oder ähnlicher Ausführungsform vorhanden
sind.
Wie in der obigen Erfindungsdefinition angegeben, wurde die zugrunde lie
gende Aufgabe, Gasblasen in größere Tiefen zu bringen und eine praktisch
vollständige Suspension von Feststoffpartikeln zu erreichen durch einfa
ches Addieren einer Mehrzahl von auf der Außenseite des Rings 10 (vgl.
Fig. 2 und 3) mit gleichem gegenseitigen Winkelabstand angebrachten wei
teren Mischflügeln oder Axialblättern auf der Welle 4 erreicht.
Wie man aus dem Laserscan des Strömungsgeschwindigkeitsprofils für ei
nen bekannten, nach unten fördernden Axialströmer erkennen kann, sind
die Geschwindigkeitsvektoren oberhalb des nach unten fördernden Axial
rührorgans immer kleiner als die auf der Unterseite. Daraus läßt sich aber
folgern, daß das weitere Rührorgan 7 gemäß Stand der Technik (vgl. Fig.
12) nur eine geringfügige Verbesserung bringen kann. Das Einbringen von
Gasblasen auf der Druckseite (Unterseite) wäre viel sinnvoller, ist jedoch
dadurch, daß das Rührorgan 5 das Gas durch das Leitrohr 3 einzieht nicht
möglich.
Die Erfindung löst das Problem auf sehr einfache Weise, nämlich durch die
Anbringung von Axialblättern 9 auf der Außenseite des Rings 10. Durch
diese sehr einfache Lösung werden die Rührorgane 5 und 7 gemäß Fig. 12
durch das einzige Rührorgan 8 (Fig. 1) mit äußeren Axialblättern 9 ersetzt.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei mögliche Konfigurationen. Fig. 2 veranschau
licht die mechanisch stabilere Ausführung, bei der die äußeren Axialblät
ter 9 an gleichen Winkelpositionen mit Bezug auf die Antriebswelle 4 ange
bracht sind wie die inneren Axialblätter. Bei der Ausführungsform nach
Fig. 3 stehen die äußeren Axialblätter in der Mitte zwischen den inneren
Blättern. Diese Konfiguration benötigt einen stabileren Ring 10 und hat
ein geringfügig höheres Gewicht der gesamten Flügelanordnung zur Folge.
Es sind aber auch Konfigurationen mit beispielsweise sechs äußeren Axi
alblättern 9 und bis zu neun inneren Blättern möglich. Experimentell
wurde festgestellt, daß die Saugwirkung mit der Anzahl der Blätter zu
nimmt.
Die äußeren Axialblätter 9 sind in ihrer Neigung, also hinsichtlich des Tip-
Chord-Winkels frei einstellbar, um die für den jeweiligen Mischprozeß not
wendige Leistungsaufnahme einstellen zu können. Wenn für ein bestimm
tes Anwendungsgebiet das Optimum festgelegt ist, kann vorgesehen wer
den die Axialblätter 9 fest zu verschweißen.
Die Fig. 6 läßt deutlich erkennen, daß die äußeren Flügelblätter oder Axi
alblätter 9 über den Durchmesser des Leitrohrs 3 hinausgehen. Dadurch
rotieren sie mehr in Flüssigkeit als in der Gasphase. Sie haben damit die
Tendenz, die Flüssigkeit zu pumpen, ohne überflutet zu werden, selbst
dann, wenn die inneren Axialblätter überflutet werden. Wie das Geschwin
digkeitsvektordiagramm der Fig. 5 erkennen läßt erzeugen die äußeren
Axialblätter 9 einen Ring von hoher Axialströmung um das Leitrohr 3, der
bis zu drei Flügeldurchmessern unter das gesamte Rührsystem reicht.
Dies verhindert jegliche Rückströmung direkt unter dem Flügel, die zu ei
nem vorzeitigen Strömungsabriß und dann zum Überfluten führen würde.
Die Fig. 4 zeigt in schematischer Perspektivdarstellung ein Ausführungs
beispiel für die äußeren Axialblätter, wobei in dem dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel der Tip-Chord-Winkel ca. 13,7° beträgt.
Das Laserscandiagramm der Strömungsgeschwindigkeitsvektoren gemäß
Fig. 6 zeigt für das Rührorgan der inneren Axialblätter ein Ausführungs
beispiel mit an den Spitzenenden belasteten Flügeln. Die Erfindung ist je
doch nicht auf diese Gestaltung der inneren Axialblätter beschränkt. Um
eine radiale Strömung an der Grenzfläche der Gas-Flüssigkeitsphase zu
verhindern, sollte jedoch der Ring 10 in jedem Fall vorhanden sein, der au
ßerdem für eine Trennung der Gasdispersionszone und der Zone der Axial
strömung im äußeren Bereich der inneren Axialblätter sorgt.
Es wurde folgender Vergleichstest durchgeführt:
Die Ausführungsform nach Fig. 1 wurde im Vergleich zu einem herkömmli chen Turbo-Mischsystem gemäß Fig. 12 geprüft. Als Testtank wurde ein Behälter mit den Abmessungen 4 m × 4 m × 4 m benutzt, d. h. das Flüssig keitsvolumen betrug 64 m3; die Flüssigkeit war Wasser und als Gas wurde Luft benutzt. Beim herkömmlichen System nach Fig. 12 hatte das untere Rührorgan 7 einen Bodenabstand von ca. 1 m. Der Abstand zwischen den beiden Rührorganen 5 und 7 betrug etwa die Hälfte des Rührorgandurch messers. Der Durchmesser des Leitrohrs 3 war in beiden Fällen 180 mm mit einer Eintauchtiefe von ca. 2,7 m.
Die Ausführungsform nach Fig. 1 wurde im Vergleich zu einem herkömmli chen Turbo-Mischsystem gemäß Fig. 12 geprüft. Als Testtank wurde ein Behälter mit den Abmessungen 4 m × 4 m × 4 m benutzt, d. h. das Flüssig keitsvolumen betrug 64 m3; die Flüssigkeit war Wasser und als Gas wurde Luft benutzt. Beim herkömmlichen System nach Fig. 12 hatte das untere Rührorgan 7 einen Bodenabstand von ca. 1 m. Der Abstand zwischen den beiden Rührorganen 5 und 7 betrug etwa die Hälfte des Rührorgandurch messers. Der Durchmesser des Leitrohrs 3 war in beiden Fällen 180 mm mit einer Eintauchtiefe von ca. 2,7 m.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung nach Fig. 12 war das System bei 800
Upm bei einer geschätzten Leistungsaufnahme von 3 kW nicht in der Lage,
die Luftblasen bis auf den Boden zu bringen, da dort effektiv keine von den
Rührern verursachte Strömung mehr vorhanden war. Die aufsteigenden
Luftblasen verursachten eine schwache Bewegung im Behälter. Feststoffe
konnten Zonen geringer Geschwindigkeit finden und sich dort ablagern.
Die zum Vergleich benutzte erfindungsgemäße Mischvorrichtung zeigt die
Fig. 7. Das Leitrohr 3 hatte einen Durchmesser von 115 mm. Das Rühror
gan 8 hatte, ähnlich wie in Fig. 3 dargestellt, drei äußere Axialblätter mit
einem Tip-Chord-Winkel von 5°. Der Gesamtdurchmesser des Rührorgans
8 betrug 340 mm und war ca. 0,5 m unterhalb der Wasserfläche angeord
net.
Bei einer Drehzahl von ebenfalls ca. 800 Upm und einem gemessenen Lei
stungsbedarf von nur 1,5 kW saugte das erfindungsgemäße Rührorgan
nicht nur visuell gesehen mehr Luft ein, es ergab sich vielmehr im gesam
ten Behälter eine Axialströmung; die Oberfläche war bewegt und es ließ
sich durch das Beobachtungsfenster am Behälter erkennen, daß die Gas
blasen regelrecht gegen den Behälterboden geschossen wurden. Feststoff
partikel konnten sich an keiner Stelle des Behälters absetzen. Die Luftbla
sen wurden über 3,5 m oder mehr als zehn Rührorgandurchmesser weit
nach unten gedrückt. Die Gasblasen wurden zunächst in einer strahlarti
gen Wolke, die etwa dem Durchmesser des Leitrohrs entsprach, nach un
ten gestoßen, die sich danach kegelförmig öffnete.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der, daß
die Verweildauer der Gasblasen im Mischbehälter wesentlich erhöht wird,
da die Gasblasen annähernd von der Oberfläche bis auf den Boden des
Mischbehälters gedrückt werden und anschließend den ganzen Weg bis
zur Oberfläche noch einmal zurücklegen. Nach dem Abschalten der Misch
vorrichtung dauerte es ca. 40 Sek., bis die letzten Gasblasen aus dem
Mischbehälter entwichen waren. Das ist sehr viel länger als bei einer der
herkömmlichen Mischvorrichtungen. Der Grund ist darin zu sehen, daß
die Gasblasen bei dem herkömmlichen Turborührer erst sehr dicht am Be
hälterboden entstehen und dann nur noch den Aufwärtsweg zurücklegen.
Mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird die Verweilzeit annä
hernd verdoppelt.
Es wurde auch beobachtet, daß die Gasblasen sich weitgehend gleichmä
ßig im gesamten Mischbehälter verteilen. In anderen Worten: Der effektive
Verteilungsdurchmesser ist wesentlich größer als der Durchmesser des
für die Versuche verwendeten Mischbehälters. Dieser Effekt wurde bei ei
nem Leistungseintrag von nur 1,5 kW/64 m3 erreicht - ein Ergebnis, für
das mit einer vergleichbaren herkömmlichen Mischvorrichtung minde
stens der doppelte Leistungseintrag erforderlich wäre.
Ein ähnlich günstiges Ergebnis wurde auch erreicht, wenn das einzumi
schende Gas unter Druck zugeführt wurde. Auch in diesem Fall wurden
die Gasblasen noch immer bis zum Boden des Mischgefäßes geschossen
und anschließend gleichmäßig im gesamten Behälter verteilt.
Da die erfindungsgemäße Mischvorrichtung die Gasblasen bis zum Behäl
terboden bringt und genügend Strömung entwickelt, sind jetzt lange Leit
rohrsysteme nicht mehr notwendig. Dies beeinflußt die gesamte mechani
sche Stabilität des Gesamtsystems äußerst positiv. Allerdings ergibt sich
bei einer Verkürzung des Leitrohrs ein neues Problem, nämlich die un
gleichmäßige Trombenbildung. Eine unkontrollierte Trombenbildung
kann zu mechanischen Problemen führen.
Dieses Problem der ungleichmäßigen Trombenbildung ließ sich jedoch mit
einer weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
dadurch beseitigen, daß auf der Außenseite des Leitrohrs 3 eine Mehrzahl
von mit gleichem gegenseitigen Winkelabstand sternförmig verteilt ange
ordneten und in Axialrichtung des Leitrohrs sich erstreckende Bleche 11
angebracht wurden.
Diese sternförmig angeordneten Bleche 11 (vgl. Fig. 7) reichen etwa von der
Oberfläche der Flüssigkeit bis kurz über den Ring 10. Die Breite dieser Ble
che 11 wurde so gewählt, daß der Durchmesser des gesamten Leitrohrs
einschließlich der Bleche 11 etwa dem des erfindungsgemäßen Axialströ
mers, also einschließlich der äußeren Axialblätter 9 entspricht. Es ließ
sich jetzt beobachten, daß eine Trombenbildung auch dann gezielt gesteu
ert werden konnte bzw. gefördert wurde, wenn die radiale Erstreckung der
Bleche 11 kleiner oder größer gewählt wurde.
Die Wirkung dieser Stromstörer, d. h. der Bleche 11 ist folgende:
Anstatt eine unkontrollierbare Trombe zu verhindern, entwickelt sich eine der Anzahl der Zwischenräume zwischen den Blechen 11 entsprechende Mehrzahl von Tromben, beispielsweise sechs gleichmäßig verteilte Trom ben wie die Fig. 8 zeigt. Das Zentrum einer dieser Tromben liegt auf der geometrischen Mitte des Leitrohrs 3 und in der Mitte zwischen zwei solcher Stromstörer, also zwischen zwei Blechen 11. Da in dem oben erwähnten Beispiel die radialen Abmessungen der Bleche 11 so bemessen sind, daß sie mit den äußeren Spitzen der äußeren Axialblätter 9 abschließen, tref fen die Tromben genau auf die Mitte dieser äußeren Axialblätter 9. Durch diese gleichmäßige Verteilung der Tromben wird das gesamte System we sentlich stabiler.
Anstatt eine unkontrollierbare Trombe zu verhindern, entwickelt sich eine der Anzahl der Zwischenräume zwischen den Blechen 11 entsprechende Mehrzahl von Tromben, beispielsweise sechs gleichmäßig verteilte Trom ben wie die Fig. 8 zeigt. Das Zentrum einer dieser Tromben liegt auf der geometrischen Mitte des Leitrohrs 3 und in der Mitte zwischen zwei solcher Stromstörer, also zwischen zwei Blechen 11. Da in dem oben erwähnten Beispiel die radialen Abmessungen der Bleche 11 so bemessen sind, daß sie mit den äußeren Spitzen der äußeren Axialblätter 9 abschließen, tref fen die Tromben genau auf die Mitte dieser äußeren Axialblätter 9. Durch diese gleichmäßige Verteilung der Tromben wird das gesamte System we sentlich stabiler.
Die jetzt kontrolliert entstehenden Tromben haben andererseits aber ei
nen großen Vorteil, nämlich den, daß der Gaseintrag wesentlich höher
wird, d. h. bis um den Faktor 10 höher als der Gaseintrag durch das Leit
rohr 3. Bei einem Versuch war es möglich, beispielsweise 200 l/min. über
das Leitrohr 3 zu drücken. Die ca. 10fache Menge wurde jedoch über die
Tromben eingebracht, ohne daß das System überflutete.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung läßt sich insbesondere auch we
gen des vergleichsweise günstigen Herstellungspreises für eine Vielzahl
von Mischprozessen einsetzen. Eine Kategorie wird die sein, bei der der
Preis eine große Rolle spielt, so daß Kompressoren und Spargesysteme, die
unter dem Flüssigkeitsniveau anzubringen sind, nicht eingesetzt werden.
Beispielsweise Abwasseranlagen fallen unter diese Kategorie ebenso wie
Anlagen zum Belüften von Seen, beispielsweise für die Fisch- und Krebs
zucht. Das neue Mischsystem läßt sich genauso gut dort einsetzen, wo
durch einen Druckanstieg eine Gefahrensituation entsteht, zum Beispiel
bei der Handhabung von Ozon. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Hoch
druckreaktoren sowie Fermentationsbehälter aufgrund der Tatsache, daß
der Gaseintrag auch bei relativ geringer Eintauchtiefe über eine Höhendif
ferenz von 4 m und mehr erfolgen kann.
Der bisher für manche Anwendungsfälle bestehende Nachteil von selbst
ansaugenden Rührsystemen, nämlich die vergleichsweise sehr niedrige
Gasrate, wird mit der Erfindung überwunden, da das System selbst dann
nicht überflutet, wenn Gas über ein geschlossenes Leitrohr unter Druck
eingebracht wird. In diesem Fall ergibt sich als weiterer Vorteil, daß keine
separate Verrohrung erforderlich ist und verstopfte Auslaßlöcher dement
sprechend gar nicht auftreten können.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten mit
- - einem in die Flüssigkeit eintauchenden und unterhalb sowie ober halb des Flüssigkeitsspiegels offenen Leitrohr (3) und
- - einer das Leitrohr (3) axial durchsetzenden Antriebswelle (4) für ei nen in einem festgelegten Abstand unterhalb der unteren Leitrohröff nung angeordneten Axialströmer (5) als Förder- und Rührorgan mit einer Mehrzahl von durch einen mitrotierenden Ring (10) umfaßten vertikal von oben nach unten fördernden inneren Axialblättern,
gekennzeichnet durch
- - eine Mehrzahl von auf der Außenseite des Rings (10) mit gleichem ge genseitigem Winkelabstand angeordneten, ebenfalls vertikal von oben nach unten fördernden äußeren Axialblättern (9).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
äußeren Axialblätter (9) mit Bezug auf die Antriebswelle (4) in etwa glei
chen Winkelpositionen wie die inneren Axialblätter angebracht sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
äußeren Axialblätter (9) mit Bezug auf die Antriebswelle (4) in zwischen
den inneren Axialblättern stehenden Winkelpositionen angebracht sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl von inneren und äußeren Axialblättern gleich gewählt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl von inneren und äußeren Axialblättern unterschiedlich ge
wählt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl von inneren Axialblättern größer, insbesondere im Bereich von
6 bis 9 und die Anzahl der äußeren Blätter kleiner, insbesondere im Be
reich von 3 bis 6 gewählt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anzahl der jeweiligen Axialblätter zwischen 3 bis 9
liegt.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Durchmesser des Rings (10) etwa dem des Leit
rohrs (3) entspricht.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß auf der Außenseite des Leitrohrs (3) eine Mehrzahl von
mit gleichem gegenseitigem Winkelabstand sternförmig verteilt angeord
nete, in Axialrichtung des Leitrohrs (3) sich erstreckende Bleche (11) zur
Stromstörung und gesteuerten Bildung von Tromben angebracht sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bleche (11) im wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Leitrohrs
innerhalb der Flüssigkeit erstreckt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser des Leitrohrs einschließlich der sternförmig ange
setzten Stromstörungsbleche (11) etwa dem Durchmesser des Rührorgans
einschließlich der äußeren Axialblätter (9) entspricht.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11,da
durch gekennzeichnet, daß die Bleche (11) gekrümmt sind.
Priority Applications (2)
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---|---|---|---|
DE4307925A DE4307925A1 (de) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten |
PCT/EP1994/000751 WO1994021365A2 (de) | 1993-03-12 | 1994-03-10 | Vorrichtung zum mischen von gasen und flüssigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4307925A DE4307925A1 (de) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten |
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Publication Number | Publication Date |
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DE4307925A1 true DE4307925A1 (de) | 1994-09-22 |
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ID=6482657
Family Applications (1)
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DE4307925A Withdrawn DE4307925A1 (de) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Vorrichtung zum Mischen von Gasen und Flüssigkeiten |
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WO (1) | WO1994021365A2 (de) |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1994021365A2 (de) | 1994-09-29 |
WO1994021365A3 (de) | 1994-11-24 |
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