DE4418287A1 - Vorrichtung zum Mischen zweier Fluide - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen zweier Fluide, von denen mindestens eines eine Flüssigkeit ist, welche ein rohrförmiges, an beiden axialen Enden offenes Gefäß zur Aufnahme der Fluide, mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Düsen zur Zuführung der Fluide und eine Leitvorrichtung aufweist, in welche die Düsen an ihrem einen Ende hineinragen und welche mit ihrem anderen Ende etwa in dessen mittlerem Bereich in das an dieser Stelle offene Gefäß einmündet und bei welcher das Gefäß in Höhe der Einmündung der Leitvorrichtung eine Prallzone umschließt, in der aus der Leitvorrichtung austretende, von den Düsen injizierte Fluidströme aufeinander prallen (DE-PS 38 18 991).

"Fluide" im Sinne der Erfindung sind Flüssigkeiten und Gase. Die Vorrichtung kann für das Mischen einer Flüssigkeit mit einem Gas oder zum Mischen zweier ineinander nicht löslicher Flüssigkeiten oder zum Mischen bzw. Homogenisieren von zwei ineinander löslichen Flüssigkeiten verwendet werden. Die folgenden Ausführungen gelten, stellvertretend auch für die beiden anderen Möglichkeiten, für das Mischen einer Flüssigkeit mit einem Gas.

Ein solches "Mischen" wird beispielsweise bei der Abwasserreinigung durchgeführt, wenn möglichst viel Sauerstoff in das Wasser eingebracht werden soll, der in Wasser schlecht löslich ist. Hierzu ist es ebenso wie bei chemischen Reaktionen sowie bei Absorptions- und Desorptionsvorgängen zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit erforderlich, eine große Stoffaustauschfläche zwischen den beiden Fluiden bei hoher Turbulenz zu erzeugen. Der Stoffaustausch zwischen dem Gas und der Flüssigkeit wird dadurch intensiviert.

In der DE-Z "Chemie-Ingenieur-Technik" 52 (1980), Nr. 12, Seiten 951 bis 965 sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, mit denen Gase und Flüssigkeiten gemischt werden können. Seit langem bekannte, in den meisten Fällen wenig effektive Vorrichtungen sind beispielweise mechanische Rührwerke oder auch Blasensäulen. Bessere Ergebnisse werden mit Strahldüsen-Schlaufenreaktoren erzielt.

Mit der Vorrichtung nach der eingangs erwähnten DE-PS 38 18 991 wird der Stoffaustausch beim Mischen der Fluide weiter verbessert. Durch das Scherfeld der Flüssigkeit im unmittelbaren Bereich hinter den Öffnungen der Düsen wird das Gas beim Austritt aus den Düsen in sehr kleine Blasen zerteilt. Gleichzeitig saugt jeder aus den Düsen austretende Flüssigkeitsstrahl vom Inneren des Gefäßes Flüssigkeit oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch an. Es bilden sich dadurch hinter den Düsen homogene Zweiphasenströmungen aus. Die beiden Zweiphasenströmungen werden so gelenkt, daß sie in der Prallzone innerhalb des Gefäßes zusammenprallen. Dort werden die Gasblasen weiter zerteilt und die kinetische Energie des strömenden Gas-Flüssigkeitsgemisches dissipiert. Dadurch werden eine hohe Turbulenz und eine große Stoffaustauschfläche in der Prallzone sowie in den übrigen Teilen des Gefäßes oberhalb und unterhalb der Prallzone erzeugt. Diese Vorrichtung hat sich in der Praxis bewährt. Über ihren genaueren Aufbau sind in der Patentschrift keine Angaben gemacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die eingangs geschilderte Vorrichtung einen konstruktiv einfachen Aufbau anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

• - daß die fest mit dem Gefäß verbundene Leitvorrichtung mindestens zwei einen Hohlraum zwischen sich einschließende, geschlossene Wände aufweist und im Bereich beider stirnseitiger Enden offen ist und
• - daß eine der Wände der Leitvorrichtung die Wandung des Gefäßes ist.

Diese Vorrichtung ist mit Gefäß und Leitvorrichtung einteilig ausgeführt. Sie kann in kompakter Bauweise hergestellt werden und ist daher einfach zu handhaben. Dadurch kann die Vorrichtung neben ihrer direkten Verwendung als Mischvorrichtung beispielsweise auch als Tauchaggregat für großvolumige Flüssigkeitsbehälter eingesetzt werden.

Die Leitvorrichtung ist einfach gestaltet, da für ihren Aufbau die ohnehin vorhandene Wandung des Gefäßes ausgenutzt wird. Es brauchen daher nur die jeweils zweiten Wände der Leitvorrichtung außerhalb oder innerhalb des Gefäßes positioniert und fest mit dem Gefäß verbunden zu werden.

Dabei kann für jede in der Vorrichtung eingesetzte Düse eine Art eigenes Leitrohr angebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, eine ringförmige Leitvorrichtung mit entsprechend hoher Anzahl von Düsen vorzusehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung.

Fig. 3 und 4 Querschnitte durch eine Vorrichtung nach Fig. 2 in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen.

Fig. 5 eine gegenüber den Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Ausführungsform der Vorrichtung.

Fig. 6 eine in der Vorrichtung verwendbare Düse in vergrößerter Darstellung.

Fig. 7 einen Anwendungsfall für die Vorrichtung.

In der folgenden Beschreibung wird die Vorrichtung nach der Erfindung weiter für das Mischen einer Flüssigkeit mit einem Gas beschrieben. In gleicher Weise kann die Vorrichtung aber auch für das Mischen zweier ineinander nicht löslicher Flüssigkeiten oder für das Homogenisieren zweier ineinander löslicher Flüssigkeiten verwendet werden.

In einem Gefäß 1, das vorzugsweise als langgestreckter Zylinder ausgebildet ist, sollen ein Gas GS und eine Flüssigkeit FL miteinander gemischt werden. Dabei soll beispielweise eine möglichst große Menge von Sauerstoffin die Flüssigkeit FL eingebracht werden. Das Gefäß 1 mündet mit einem axialen Ende in einer Erweiterung 2, in der zwei Düsen 3 und 4 angeordnet sind, denen einerseits die Flüssigkeit FL und andererseits das Gas GS zugeführt werden. Die Düsen 3 und 4 sind dabei so angeordnet, daß die aus ihnen austretenden Strahlen aus Flüssigkeit und Gas in Leitrohre 5 und 6 gelangen, die ihrerseits an zwei einander diametral gegenüber liegenden Stellen in das Gefäß 1 einmünden. Das Gefäß 1 ist einschließlich der Leitrohre 5 und 6 sowie der Düsen 3 und 4 in einen großvolumigen Behälter 7 eingesetzt, in dem sich als Flüssigkeit beispielsweise Abwasser befindet.

Die Leitrohre 5 und 6 können - wie aus Fig. 1 ersichtlich - im wesentlichen parallel zum Gefäß 1 verlaufen und nach Durchlaufen einer Krümmung von 90° an das Gefäß 1 angeschlossen sein. Die beiden in den Leitrohren 5 und 6 getrennt geführten Strahlen aus Flüssigkeit und Gas treffen im Gefäß 1 in einer gestrichelt umrandeten Prallzone PZ aufeinander. Die Düsen 3 und 4 saugen Flüssigkeit oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch aus dem Bereich der Erweiterung 2 an und sorgen dadurch für einen durch die in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile angedeuteten internen Kreislauf. Die Flüssigkeit FL wird dem Gefäß 1 von oben oder im externen Umlauf, beispielsweise mittels einer Pumpe 8 zugeführt. Nach Entmischung kann die Flüssigkeit aus einem Überlauf 9 aus dem Behälter 7 ablaufen. Das überschüssige Gas kann aus der Vorrichtung teilweise durch das Gefäß 1 und teilweise durch den Behälter 7 austreten.

In Fig. 1 sind zwei Düsen 3 und 4 dargestellt. Es können aber auch mehr als zwei jeweils voneinander getrennte Düsen eingesetzt werden. Die Düsen 3 und 4 sind vorzugsweise als Zweistoffdüsen aus zwei konzentrischen Rohren ausgeführt. Sie sind bezüglich Geometrie und Abmessungen vorzugsweise identisch ausgeführt, so daß dem Gefäß 1 zwei oder mehr gleichmäßige Ströme aus Flüssigkeit und Gas zugeführt werden. Wenn mehr als zwei Düsen verwendet werden, dann werden die Einmündungsstellen der entsprechenden Leitrohre zweckmäßig gleichmäßig am Umfang des Gefäßes 1 versetzt angeordnet. Bei drei Düsen liegt zwischen den Einmündungsstellen also beispielsweise jeweils ein Winkel von 120°.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 arbeitet grundsätzlich wie folgt:
Über die Düsen 3 und 4 werden Flüssigkeit FL und Gas GS getrennt zugeführt. Infolge des Scherfeldes der Flüssigkeit FL an den Austrittsöffnungen der Düsen 3 und 4 wird das Gas GS dispergiert. Die Gasblasen werden von der Flüssigkeit mitgenommen und das so entstandene Zweistoffgemisch prallt in zwei Strömen in der Prallzone PZ aufeinander. Die Gasblasen werden dadurch weiter dispergiert, so daß ein erhöhter Stoffaustausch stattfindet. Ein großer Teil der Gasblasen bleibt in der Prallzone PZ in der Schwebe und wird dadurch ständig weiter dispergiert. Das führt zu einer weiteren Erhöhung des Stoffaustausches. Die Prallzone PZ befindet sich aus diesem Grunde möglichst zentral im Gefäß 1, also etwa in dessen Mitte.

Die Vorrichtung kann beispielweise entsprechend den Fig. 2 bis 4 aufgebaut sein. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung sind an dem Gefäß 1 außen zwei gebogene, geschlossene Wände 10 und 11 angebracht, die jeweils unter Bildung eines axial verlaufenden Hohlraums an beiden axialen Kanten fest mit dem Gefäß 1 verbunden sind. Die Wände 10 und 11 sind an den Stirnseiten ihrer Enden 12 und 13 verschlossen. An ihren anderen, offenen Enden ragen die Düsen 3 und 4 in die umschlossenen Hohlräume hinein. Die Wände 10 und 11 bilden zusammen mit der Wandung des Gefäßes 1 die anhand von Fig. 1 erläuterten Leitrohre. Im Bereich der Enden 12 und 13 der Wände 10 und 11 ist die Wandung des Gefäßes 1 jeweils durchbrochen. Gefäß 1 und Wände 10 und 11 bestehen beispielweise aus Kunststoff oder Metall.

Die Wände 10 und 11 können gemäß Fig. 3 halbkreisförmig gebogen sein. Sie bestehen dann zweckmäßig aus Halbrohren 14 und 15. Für die Wände 10 und 11 können gemäß Fig. 4 aber auch U-förmig gebogene Hohlprofile 16 und 17 eingesetzt werden.

Eine gegenüber den Ausführungsformen nach den Fig. 2 bis 4 andere Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Das Gefäß 1 dieser Vorrichtung ist in Höhe der Prallzone PZ umlaufend und mit rechtwinkligem Übergang erweitert. In den erweiterten Teil des Gefäßes 1 ist unter Freilassung eines ringförmigen Durchlasses ein zu demselben konzentrisches Rohrstück 18 angebracht, das beispielweise durch schematisch angedeutete Stege 19 fest mit dem Gefäß 1 verbunden ist. Die Leitvorrichtung ist in diesem Fall ringförmig ausgebildet. Sie wird durch das Gefäß 1 einerseits und das Rohrstück 18 begrenzt, welche die Wände der Leitvorrichtung darstellen. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung werden zweckmäßig mehr als zwei Düsen eingesetzt. Vorzugsweise werden vier um jeweils 90° in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Düsen verwendet. Die Anzahl der Düsen ist aber auch hier beliebig.

In Fig. 5 sind nur zwei Düsen 3 und 4 eingezeichnet. Sie können in radialer Richtung in das Gefäß 1 eingesetzt sein. Der Aufbau einer derartigen Düse geht in vergrößerter Darstellung beispielweise aus Fig. 6 hervor. Sie besteht aus einem Rohr 20, das in seiner Umfangsfläche eine Düsenöffnung 21 aufweist. Die durch das Rohr 20 zugeführte Flüssigkeit FL wird auf diese Weise um etwa 90° umgelenkt, so daß sie in die Leitvorrichtung des Gefäßes 1 eintreten kann, die durch die in Fig. 6 angedeuteten Wände 1 und 18 begrenzt wird. Für die Zuführung des Gases GS ist in dem Rohr 20 der Düse ein dünneres Rohr 22 integriert, dessen Austrittsöffnung 23 an der Düsenöffnung 21 liegt.

Die im Vorangehenden beschriebene Vorrichtung kann als solche direkt beispielweise zur Abwasserbehandlung eingesetzt werden. Sie kann aber auch, wie schon für Fig. 1 beschrieben, in einem großvolumigen Behälter 7 als Tauchaggregat verwendet werden. Dabei bietet sich die Möglichkeit, mehrere solcher Vorrichtungen gleichzeitig einzusetzen, so wie es für drei Vorrichtungen A, B und C aus Fig. 7 hervorgeht. Das hat den Vorteil, daß die Vorrichtung mit optimalen kompakten Abmessungen hergestellt werden kann, ohne Rücksicht auf den Anwendungsfall. Es wird lediglich die jeweils benötigte Anzahl von Vorrichtungen als Tauchaggregate eingesetzt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Mischen zweier Fluide, von denen mindestens eines eine Flüssigkeit ist, welche ein rohrförmiges, an beiden axialen Enden offenes Gefäß zur Aufnahme der Fluide, mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Düsen zur Zuführung der Fluide und eine Leitvorrichtung aufweist, in welche die Düsen an ihrem einen Ende hineinragen und welche mit ihrem anderen Ende etwa in dessen mittlerem Bereich in das an dieser Stelle offene Gefäß einmündet und bei welcher das Gefäß in Höhe der Einmündung der Leitvorrichtung eine Prallzone umschließt, in der aus der Leitvorrichtung austretende, von den Düsen injizierte Fluidströme aufeinander prallen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die fest mit dem Gefäß (1) verbundene Leitvorrichtung mindestens zwei einen Hohlraum zwischen sich einschließende, geschlossene Wände aufweist und im Bereich beider stirnseitiger Enden offen ist und
• - daß eine der Wände der Leitvorrichtung die Wandung des Gefäßes (1) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung mindestens zwei Hohlräume aufweist, die jeweils durch außerhalb des Gefäßes (1) angeordnete und mit dessen Wandung verbundene Halbrohre (14, 15) begrenzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung mindestens zwei Hohlräume aufweist, die jeweils durch außerhalb des Gefäßes (1) angeordnete und mit dessen Wandung verbundene U-förmige Hohlprofile (16, 17) begrenzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitvorrichtung ein zu dem Gefäß (1) konzentrisches, in eine Erweiterung desselben eingesetztes und an demselben abgestütztes Rohrstück (18) aufweist.

5. Vorrichtung nach dem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (3, 4) in radialer Richtung in die Leitvorrichtung einmünden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Düsen (3, 4) ein Rohr (22) zur Zuführung eines Gases als eines der Fluide integriert ist.

7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Tauchaggregat für einen großvolumigen Flüssigkeitsbehälter (7).