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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine
Vorrichtung zum Begasen einer Flüssigkeit,
z.B. zum Belüften
ruhender Gewässer
in einem Dock oder dergleichen.
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Zum
Vereinen einer Flüssigkeit
und eines Gases gibt es bekannte Vorrichtungen. Beispielsweise beschreibt
die GB-P-1484657 eine Vorrichtung mit einer Umlaufpumpe zum Abziehen
von Flüssigkeit aus
einem Behälter
und eine Einspritzpumpe mit einer Düse, durch die hindurch die
Flüssigkeit
geleitet wird, und einen Gaseintritt. Das über den Eintritt eingeführte Gas
wird auf dem Strömungsweg
der Flüssigkeit
geführt,
wenn es die Düse
der Einspritzpumpe verlässt.
Die Flüssigkeit,
die das mitgeführte
Gas aufweist, wird sodann erneut in den Behälter unmittelbar an seinem
Boden eingeführt,
wobei die Gasblasen in dem Behälter
nach oben strömen.
Allerdings hat das in den Boden eines die Flüssigkeit enthaltenden Behälters eingeführte Gas
nur eine kurze Kontaktdauer, da die Blasen aufgrund des Auftriebs
rasch zur Oberfläche
aufsteigen.
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Fallstrom-Extraktionskolonnen
im Gleichstrom, die so ausgelegt sind, dass die Kontaktdauer verlängert wird,
verwenden in der Regel Vorrichtungen vom Sprenkler-Typ oder Venturi-Kontraktionen
in der Nähe
der freien Oberfläche.
Die GB-P-2079167 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Begasen
einer Flüssigkeit,
worin die Gasblasen auf natürlichem
Wege erzeugt werden und die resultierende zweiphasige Mischung in
einer geeignet proportionierten Säule nach unten geht. In Gegenwart des
Gases wird ein Flüssigkeitsstrahl
an einer Oberfläche
nach unten mit ausreichender Länge
in Strömungsrichtung
geleitet, um zu bewirken, dass die strömende Flüssigkeit einen Gleichgewichtszustand erreicht,
in dem es keine weitere Änderung
ihrer Geschwindigkeit oder in ihrer Dicke, gemessen senkrecht zu
der Oberfläche,
gibt; wobei die feste Grenzfläche
so beschaffen ist, dass Turbulenz in der strömenden Flüssigkeit mindestens dann eingeleitet wird,
wenn diese den Gleichgewichtszustand erreicht. Die in einem Durchgang
an der Oberfläche nach
unten begaste Flüssigkeit
kann mit einem zweiten oder nachfolgenden Durchlauf weiter begast
werden, wobei die Häufigkeit
der Rückführung von
dem Umfang der zu bewirkenden Begasung abhängt; wobei die maximale Zeitdauer
diejenige ist, nach der die Flüssigkeit
nicht mehr zur Aufnahme von weiterem Gas in der Lage ist. Das vorgenannte
Verfahren und die Vorrichtung dazu eignen sich besonders zur Belüftung von
Klärschlamm.
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Ein
Wasserstrahl, der sich frei durch ein Gas, wie beispielsweise Luft,
bewegt, wird eine Störungszone
erzeugen, wenn er in ein Volumen stehenden Wassers eingeführt wird.
Einige Strahlen führen
erhebliche Volumina an Luft in diese Region ein, während dieses
bei anderen unterbleibt. Es ist festgestellt worden, dass lediglich
ein Strahl, dessen Oberfläche rauh
ist, eine Luftmenge nach unten in das Wasser mitnehmen kann. Die
Strömungsbedingung
eines solchen Strahls wird technisch beschrieben als "turbulent".
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Turbulenz
läßt sich
mit regellosen Querschwingungen definieren, die einer allgemeinen
Bewegung eines Fluids aufgeprägt
sind, die in der Regel dort ausgelöst werden, wo das Fluid sich
auf eine feste Oberfläche
zubewegt. Die Entwicklung ist progressiv. Das beeinflusste Flüssigkeitsvolumen
nimmt in der Dicke senkrecht zu der festen Grenzfläche oder
Oberfläche
und mit dem Abstand zu und erreicht schließlich eine freie Oberfläche der
Flüssigkeit.
Die freie Oberfläche
jenseits dieser Stelle ist rauh und Gas, das sich im Kontakt damit
befindet, wird mit der Flüssigkeit
mitbewegt, wobei die Menge mit der Länge der rauhen Oberfläche zunimmt.
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In
der GB-P-2079167 befindet sich der eingeführte Flüssigkeitsstrahl im Kontakt
mit einer insgesamt vertikalen Wand. Für den größten Teil dieser vertikalen
Distanz entwickeln sich daher turbulente Bedingungen und es kommt
keine Gasbewegung zustande, da der Strahl glatt ist. Die für diese
Operation erforderliche Energie wird als der Verlust an potentieller
Energie der Flüssigkeit
angegeben, dargestellt durch die Höhendifferenz von dem Zuführbehälter bis zur
Oberfläche
der Flüssigkeit
in der Leitung. Damit wird ein wesentlicher Teil der potentiellen
Energie verbraucht, ohne dass eine Gasmitführung beeinflusst wird, und
ist für
das System verloren.
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Angestrebt
wird ein hoher Anteil der Gasmitführung durch die Flüssigkeit,
indem so viel potentielle Energie des Flüssigkeitsstrahls wie möglich verwendet
wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines verbesserten Verfahrens zum Begasen einer Flüssigkeit,
das energiesparender als bisher beschriebene Verfahren ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer verbesserten Vorrichtung zum Begasen einer Flüssigkeit,
die einen höheren
Wirkungsgrad als bisher beschriebene Vorrichtungen hat.
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Dementsprechend
gewährt
ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Begasen
einer Flüssigkeit,
wobei das Verfahren das Abwärtsführen eines
zu begasenden flüssigen
Einsatzmaterials an eine Oberfläche
in Gegenwart eines Gases und in eine stehende Flüssigkeit hinein umfasst, wobei
die eine Seite der strömenden
Flüssigkeit
begrenzt wird von einer festen Oberfläche, die durch eine Seite einer
Säule gebildet
wird, die in die stehende Flüssigkeit
hineinragt, und wobei die andere Seite der Flüssigkeit begrenzt ist durch
eine Grenzfläche mit
einem Gas, das den Rest der Säule
einnimmt, so dass das Gas in die stehende Flüssigkeit gesaugt wird, und
wobei die Bewegung des Einsatzmaterials auf der Oberfläche so beschaffen
ist, dass in dem flüssigen
Einsatzmaterial Turbulenz erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet,
dass man das flüssige
Einsatzmaterial entlang einer Oberfläche führt, die mindestens für einen
Teil des Abwärtsflusses
in die stehende Flüssigkeit
mindestens eine Gefälleänderung aufweist.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung gewährt eine Vorrichtung zum Begasen
eines flüssigen
Einsatzmaterials, wobei die Vorrichtung einen Behälter zur
Aufnahme einer stehenden Flüssigkeit
aufweist, eine in diesen Behälter
hineinragende Säule,
die so angeordnet ist, dass darauf das flüssige Einsatzmaterial aufgebracht
werden kann, um zu bewirken, dass das Einsatzmaterial an der Säule entlang
in die stehende Flüssigkeit
strömt,
wobei das strömende
flüssige
Einsatzmaterial auf der einen Seite von einer festen Oberfläche begrenzt
ist, die von dieser Säule
gebildet wird, und an der anderen Seite von einer Grenzfläche mit
einem Gas begrenzt ist, mit dem das Einsatzmaterial begast werden
soll und das den Rest der Säule
einnimmt; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine feste
Oberfläche
hat, die über
mindestens einen Gefällegradienten
verfügt, über den
das flüssige
Einsatzmaterial strömt.
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Bevorzugt
wird die Gefälleänderung
von einer Oberfläche
vermittelt, deren Profil gewölbt
ist. Die Profiländerung
vermittelt eine rauhe Oberfläche
für die
Entwicklung von Turbulenz, die das Mitziehen von Gas in die Flüssigkeit
hinein unterstützt.
Alternativ kann die Oberfläche über eine
einzige Gefälleänderung
verfügen,
wie beispielsweise einen Winkel von 90°. Vorzugsweise befindet sich
die Oberfläche im
Wesentlichen horizontal nahe dem oder am Eintrittspunkt des flüssigen Einsatzmaterials
zu der Oberfläche
und vertikal nahe dem oder am Eintrittspunkt in den Behälter.
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Die
Oberfläche
verfügt über mindestens
eine Gefälleänderung
die durch die Innenseite der Säule vermittelt
werden kann oder beispielsweise die Form eines Überbrückungselementes hat über die
das flüssige
Einsatzmaterial in die in dem Behälter stehende Säule strömt. Das
flüssige
Einsatzmaterial kann von einem Sammelbehälter zugeführt werden, der sich im Bezug
auf den Hauptbehälter
auf einem höheren
Niveau befindet.
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Vorzugsweise
hat die Säule
einen rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise wird das flüssige Einsatzmaterial
lediglich einer Seite der Säule
zugeführt. Alternativ
können
kreisrunde Säulen
und andere Typen von Zuführkanälen verwendet
werden.
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Vorzugsweise
wird das flüssige
Einsatzmaterial an der Oberseite der Säule eingeführt, wobei ein weiterer Einlass
vorgesehen ist, um Gas in die Säule
einzulassen. Ein bevorzugtes Gas ist Luft oder Sauerstoff, um für die Belüftung der
stehenden Flüssigkeit
in dem Behälter
zu sorgen.
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Es
gilt als selbstverständlich,
dass der Behälter
jeder beliebige geeignete Behälter
zum Aufnehmen von Flüssigkeit
unabhängig
davon sein kann, wie groß oder
wie klein er ist. Beispielsweise kann der Behälter in Form eines Docks oder
eines Abwasserbehälters
bestehen.
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Die
Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit
und der Querschnitt der Säule
sind vorzugsweise so proportioniert, dass die in der Flüssigkeit
eingeschlossenen Gasblasen, die von der Flüssigkeit nach unten mitgeführt werden,
sich darin auflösen
können. Die
Menge des aufgelösten
Gases hängt
von diesen Faktoren ab und nimmt mit der Länge des turbulenten Strahls
und mit der Höhe
der Oberfläche und/oder
Säule zu, über die
das flüssige
Einsatzmaterial geführt
wird.
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Während sich
das Gas an der Säule
abwärts bewegt,
wird es in der Flüssigkeit
gelöst,
und andere darin bereits gelöste
Gase können
möglicherweise
in die Blasen abgegeben werden. Diese Gase können direkt in den Behälter abgegeben
werden oder können
durch eine in einem Separator vorgesehene Öffnung ausgetragen werden.
An dem Separator kann zum Austragen der Flüssigkeit aus dem Separator
an einer bestimmten anderen Stelle ein durchgehendes Rohr angebracht
sein.
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Das
Einsatzmaterial kann aus dem Behälter abgezogen
werden, worin die besagte Oberfläche
so angeordnet ist, dass das begaste Einsatzmaterial zu der Oberfläche zurück befördert wird.
Die Zirkulation des Einsatzmaterials kann so lange fortgesetzt werden,
bis das gesamte Einsatzmaterial in dem Behälter bis zu dem erforderlichen
Umfang begast worden ist. Für
die Zirkulation des flüssigen
Einsatzmaterials können
Fördereinrichtungen
vorgesehen werden, wie beispielsweise eine Pumpe.
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Die
Breite der Säule
wird von der speziellen Anwendung der Methode und der Vorrichtung
abhängen.
Beispielsweise sind Säulen
mit Breiten zwischen 30 mm und 1.000 mm verwendet worden. Es kann
jede beliebige Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit angewendet werden,
wie beispielsweise 6 Liter pro Minute oder mehr als 20 Liter pro
Sekunde.
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Es
gilt als selbstverständlich,
dass die Säule oder
das Element, die für
eine Gefälleänderung
sorgen, wie beispielsweise mit Hilfe einer bogenförmigen Oberfläche, durch
geeignete Maßnahmen
unterstützt
werden kann, um dieses Profil beizubehalten, oder aus einem starren
Material gefertigt sein kann, welches seine Form bewahrt.
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Die
Oberfläche
und/oder Säule
können
in einen Behälter
herabhängen,
wie beispielsweise einem Tank oder einem Fermentor, oder können auf
einer schwimmenden Plattform auf einer großen Wassermasse befestigt sein.
Vorzugsweise wird zum Anheben der stehenden Flüssigkeit bis zum Kopf der Säule/Oberfläche oder
Sammelbehälter
mit einem entsprechenden Durchsatz eine Pumpe vorgesehen. Vorzugsweise
ist die Vorrichtung mit Windkraft getrieben.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um deutlicher darzustellen, wie sie umgesetzt
werden kann, wird nun anhand lediglich eines Beispiels auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, worin sind:
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1 eine
schematische Zeichnung einer Vorrichtung nach einer der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und
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2 eine
schematische Zeichnung einer Vorrichtung nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bezug
nehmend auf 1 der beigefügten Zeichnung wird eine Vorrichtung
zum Begasen einer Flüssigkeit
nach einer der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Vorrichtung umfasst
einen Sammelbehälter 2 zur
vorübergehenden
Aufnahme von Flüssigkeit,
eine Kontaktsäule 4,
die in einen Behälter 6 hineinragt.
Flüssigkeit
wird mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen (nicht gezeigt), wie beispielsweise
einer Pumpe, dem Sammelbehälter
zugeführt
und auf eine ebene Oberfläche
ausgebracht, die von einem Überbrückungselement 8 bereitgestellt
wird, die anfangs nahezu horizontal 8a ist, die im Bezug
auf das Gefälle
jedoch bis zur vertikalen Stellung 8b ansteigt, um in den
Kopf der Kontaktsäule
aufgenommen zu werden.
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Die
Flüssigkeit,
die die vertikale Wand der Kontaktsäule herabströmt, tritt
in diejenige Flüssigkeit
ein, die sich in der Säule
bereits befindet, wobei Gas mitgezogen wird und sich Blasen bilden.
Die Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit und der Querschnitt
der Kontaktsäule
sind so proportioniert, dass Gasblasen von der Flüssigkeit
nach unten gezogen werden und das Gas sich in der Flüssigkeit auflösen kann.
Die Gasmenge, die aufgelöst
wird, hängt
von diesen Faktoren ab und nimmt mit der Höhe der Kontaktsäule zu.
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In
der vorliegenden Erfindung ist die strömende Flüssigkeit an der einen Seite
von einer massiven Oberfläche
begrenzt und an der anderen Seite von einer Grenzfläche mit
einem Gas. Obgleich die feste Grenzfläche keine rauhe Oberfläche sein
muss, sieht die vorliegende Erfindung eine rauhe Oberfläche vor,
da ohne sie kein oder ein nur minimales Mitreißen erfolgt. Die rauhe Oberfläche reißt angrenzende
Luft mit und bringt schließlich
die anhaftende Luft (oder Gas) unterhalb der Oberfläche des
stehenden Wassers.
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Die
angereicherte Flüssigkeit
kann zusammen mit den abgereicherten Gasblasen in eine große Flüssigkeitsmasse
ausgetragen werden. Beispielsweise kann die Kontaktsäule 4 in
einen Tank oder Fermentor hineinragen oder kann auf einer schwimmenden
Plattform auf einer großen
Wassermasse befestigt sein, wobei eine Pumpe die Flüssigkeit
mit einem entsprechenden Durchsatz anhebt.
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Alternativ
können
die Gasblasen nach Erfordernis durch eine Öffnung 20 in einen
Separator 22 ausgetragen werden, wobei die Flüssigkeit
entsprechend der Darstellung in 2 der beigefügten Zeichnungen
lediglich durch Rohr 24 zum Austrag an einer bestimmten
anderen Stelle geführt
wird. Die Blasen setzen sich voraussichtlich aus einer Mischung
von Gas zusammen, das am Kopf eingeführt wird, jedoch nicht gelöst ist,
und aus Gasen, die durch chemische/physikalische Aktivitäten in der Kontaktsäule erzeugt
werden.
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Die
gewölbte
Form der vertikalen Seite der Säule
bewirkt die turbulenten Bedingungen, die sich weitgehend entlang
des horizontalen Teils mit einem Minimum an Verlust potentieller
Energie entwickeln, so dass die Erfindung energiesparender ist.
Vorzugsweise hat die Kontaktsäule
einen rechteckigen Querschnitt mit einer lediglich auf der einen
Seite herabströmenden
Flüssigkeit,
obgleich auch ein Herabströmen
an anderen Flächen
möglich
ist. Es gilt als selbstverständlich,
dass eine kreisrunde oder ringförmige
Säule verwendet
werden könnte,
dieses jedoch auf Kosten eines gewissen Verlustes an Wirkungsgrad.
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In
einem der Beispiele wurden unter Verwendung von Leitungswasser und
Luft Belüftersäulen mit Hohlraumanteilen
zwischen 25 und 35% und Durchsätzen
an Luft und Wasser zwischen Null und 33% bei Atmosphärendruck
betrieben. Es wurden Durchsatzraten zwischen 30 und 90% des Sauerstoffgehaltes
der Luft, die eingedüst
wurde, mit Wirkungsgraden bis zu 5 kg pro 1 kWh Flüssigkeitseinsatzmenge in
Abhängigkeit
des Sauerstoffdefizites des umgebenden Wassers gemessen. Es wurden
Säulenbreiten
von 30 mm bis 1.000 mm mit Durchflussraten im Bereich von 6 Liter
pro Minute bis zu mehr als 20 Liter pro Sekunde gemessen.