DE60317241T2 - Vorrichtung zum rühren einer flüssigkeit und zum einspritzen eines gases in diese flüssigkeit mit einer beschränkten sperrung - Google Patents

Vorrichtung zum rühren einer flüssigkeit und zum einspritzen eines gases in diese flüssigkeit mit einer beschränkten sperrung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rühren einer Flüssigkeit in einem Reaktor und zum Einspritzen eines Gases in diese Flüssigkeit, die eine selbst ansaugende Turbine umsetzt.
  • Das Dokument EP-A1-0 995 485 beschreibt eine Vorrichtung zum Rühren einer Flüssigkeit in einem Reaktor und zum Einspritzen eines Gases in die Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung weist einen Antriebsmotor und eine senkrechte Welle auf, die über dem Reaktor angeordnet ist. Die Welle des Motors trägt an ihrem unteren Ende eine Schraube, die in die Flüssigkeit eingetaucht ist, und treibt diese an; sie trägt ferner eine selbst ansaugende Turbine, die zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit und der Schraube angeordnet ist, und treibt diese an. Die selbst ansaugende Turbine ist mit einer Gasquelle verbunden, im Allgemeinen einem mit Sauerstoff angereicherten Gas, so dass, wenn sie von der Welle des Motors angetrieben wird, die Turbine gleichzeitig Gas und Flüssigkeit, in welche sie eingetaucht ist, ansaugt und daher eine Gas-Flüssigkeit-Dispersion bildet. Die Gas-Flüssigkeit-Dispersion, die von der selbst ansaugenden Turbine erzeugt wird, wird mit Hilfe eines ringförmigen Kastens, der einen Ablenker bildet, der die selbst ansaugende Turbine einschließt, zu der Schraube gelenkt.
  • Man konnte feststellen, dass bei bestimmten Einsatzbedingungen dieses Typs von Vorrichtung des früheren Stands der Technik die Ansaugleistung des Gases in die Turbine aufgrund der Verstopfung mit Gas des Volumens, das von der Turbine und dem ringförmigen Kasten definiert wird, eingeschränkt war. Das Ableiten des Gas-Flüssigkeitsgemischs aus dem ringförmigen Kasten heraus erfolgt daher mit Schwierigkeiten: einerseits fehlt die Dispersion des Gases in dem Reaktor und andererseits versucht das unter dem ringförmigen Kasten gegenwärtige Gas, über die Einlassmittel der Flüssigkeit in die Turbine auszutreten, was zu einem Fehlen von Gastransfer in die Flüssigkeit und zu einem Verschwenden des Gases führt, das an die Oberfläche zurückkehrt, ohne verwendet zu werden.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung dieses Typs gemäß Anspruch 1 vorzuschlagen, bei der die Ansaugkapazität des Gases in die Turbine gesteigert ist.
  • Mit diesem Ziel betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Rühren einer Flüssigkeit und zum Einspritzen eines Gases in diese Flüssigkeit wie oben definiert, bei der die Oberfläche der unteren Scheibe der selbst ansaugenden Turbine kleiner ist als die Oberfläche der oberen Scheibe der Turbine.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden Beschreibung. Ausbildungen und Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft und nicht einschränkend gegeben und von den anliegenden Zeichnungen veranschaulicht, auf welchen:
  • die 1A und 1B schematische Ansichten einer Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik sind,
  • die 2 und 3 schematische Ansichten selbst ansaugender Turbinen sind, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden können,
  • 4 die Verstopfungsgrenzkurven verschiedener erfindungsgemäßer Vorrichtungen und gemäß dem früheren Stand der Technik darstellt.
  • Unten bedeutet der Begriff „Reaktor" natürliches „Becken" sowie „Behälter" mit mehr oder minder nahe liegenden Wänden und mit mehr oder minder geschlossener Oberdecke.
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Rühren einer Flüssigkeit und zum Einspritzen eines Gases in die Flüssigkeit, die Folgendes aufweist:
    • – eine Antriebsvorrichtung, die über der Flüssigkeit angeordnet ist, die mit einer senkrechten Ausgangswelle versehen ist, die mit Folgendem ausgestattet ist:
    • • an ihrem unteren Ende mit mindestens einem mobilen Element mit axialem Fluss, das in die Flüssigkeit eingetaucht ist, und
    • • mit einer Turbine, die in den Reaktor eingetaucht ist und von der Ausgangswelle angetrieben wird, wobei die Ausgangswelle koaxial von einem Zylinder eingeschlossen wird, dessen unteres Ende in die selbst ansaugende Turbine mündet und dessen oberes Ende dicht mit der Antriebsvorrichtung verbunden und mit einer Öffnung zum Einspritzen eines Gases in einen ringförmigen Raum, der von der Welle und dem Zylinder abgegrenzt wird, durchbohrt ist, wobei die Turbine aus zwei übereinander liegenden Scheiben und aus einer Einheit radialer Schaufeln, die zwischen den Scheiben angeordnet und an diesen befestigt sind, besteht, wobei die obere Scheibe mit einer zentralen Öffnung durchbohrt ist, in die das untere Ende des Zylinders eindringt, der mit dem Rand der Öffnung einen Raum abgrenzt, der mindestens teilweise ringförmig ist, durch den die Flüssigkeit in die Turbine gesaugt wird,
    • – Mittel, um die Gas-Flüssigkeit-Dispersion, die radial von der Turbine ausgetrieben wird, zu dem beweglichen Element mit axialem Fluss zu lenken, und bei der die Oberfläche der unteren Scheibe der selbst ansaugenden Turbine kleiner ist als die Oberfläche der oberen Scheibe der Turbine.
  • Die 1A und 1B erlauben es, die Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik zu charakterisieren, die von der vorliegenden Erfindung verbessert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Antriebsvorrichtung 1 auf, zum Beispiel einen Motor, der über der Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet ist, der mit einer drehenden Ausgangswelle 2 versehen ist, die sich senkrecht erstreckt und teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Welle 2 trägt an ihrem unteren Ende 3 ein mobiles Element mit axialem Fluss, vorzugsweise eine Schraube 4, die in die Flüssigkeit eintaucht. Die Welle 2 trägt ferner zwischen der Schraube 4 und der Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet eine selbst ansaugende Turbine 5, die daher in den Reaktor eintaucht und von der Ausgangswelle 2 mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Schraube 4 angetrieben wird. Die Ausgangswelle 2 ist koaxial von einem Zylinder 6 eingeschlossen, der an seinem oberen Ende mit der Antriebsvorrichtung 1 verbunden ist, wobei eine Abdichtvorrichtung 7 eingeschoben ist, und dessen unteres Ende 6a in die Turbine 5 koaxial zu der Welle 2 mündet. In dem oberen Ende des Zylinders 6 ist eine Öffnung 14 zum Einspritzen eines Gases in den Ringraum 15, der von der Welle 2 und von dem Zylinder 6 abgegrenzt wird, durchbohrt. Das System zum Einspritzen von Gas in die Öffnung 14 ist nicht dargestellt.
  • Die selbst ansaugende Turbine 5 besteht aus zwei Scheiben 8, 9, die horizontal angeordnet sind, und aus einer Einheit radialer Schaufeln 11, die zwischen den Scheiben 8, 9 angeordnet und an diesen befestigt sind. Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt in der Beschaffenheit der selbst ansaugenden Turbine, die umgesetzt wird. Erfindungsgemäß muss die Oberfläche der oberen Scheibe 9 der selbst ansaugenden Turbine 5 kleiner sein als die Oberfläche der oberen Scheibe 9 der Turbine. Dieses Merkmal kann durch Umsetzen unterschiedlicher Turbinentypen erzielt werden.
  • Gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die untere Scheibe 9 der selbst an saugenden Turbine 5 einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als der Durchmesser der oberen Scheibe 8. Vorzugsweise ist der Durchmesser der unteren Scheibe 9 mindestens größer oder gleich dem Durchmesser des Raums 13, der zumindest teilweise ringförmig ist, durch welchen die Flüssigkeit in die Turbine gesaugt wird. Dieser Turbinentyp ist in 2 veranschaulicht.
  • Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die untere Scheibe 8 mindestens teilweise ausgehöhlt. Unter „ausgehöhlt" versteht man, dass ein Teil der Scheibe entfernt wird. Die untere Scheibe 8 kann zum Beispiel mindestens teilweise in Form eines Rings ausgehöhlt sein, das heißt, dass eine Ringform von der unteren Scheibe entfernt wird. Dieser Turbinentyp ist in 3 veranschaulicht. Man kann auch eine Turbine verwenden, bei der man die ganze Mitte der unteren Scheibe mit Ausnahme eines äußeren Kranzes entfernt hat. In diesem letzteren Fall besteht die untere Scheibe nur noch aus einem Metallkranz. Man kann auch eine Turbine verwenden, bei der man mindestens einen winkelförmigen Sektor entfernt hat, vorzugsweise mehrere Winkelsektoren symmetrisch verteilt.
  • Schließlich ist es möglich, diese verschiedenen Varianten zu kombinieren und Turbinen zu verwenden, deren untere Scheibe teilweise ausgehöhlt ist, indem man mehrere Aushöhlformen kombiniert, wie zum Beispiel eine ringförmige Aushöhlung und eine sektorförmige Aushöhlung. Man kann daher eine Turbine verwenden, deren Ringwinkelsektoren ausgehöhlt sind.
  • Die Ausgangswelle 2 durchquert die Scheiben 8, 9 der Turbine 5 axial, wobei sie an der unteren Scheibe 9 derart befestigt ist, dass die Welle 2, wenn die Antriebsvorrichtung 1 betätigt wird, die Turbine 5 und das bewegliche Element mit axialem Fluss 4 in Drehung mit der gleichen Geschwindigkeit antreibt. Die Drehung der Turbine 5 schafft die Ansaugung des Gases, das durch die Öffnung 14 über den Zylinder 6 zugeführt wird, sowie das Ansaugen eines Teils der Flüssigkeit, die über den ringförmigen Abstand 13 eindringt, der zwischen der Turbine 5 und dem Zylinder 6 freigelassen ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Mittel auf, um die Gas-Flüssigkeit-Dispersion, die radial von der Turbine 5 zwischen ihren Schaufeln 11 ausgeworfen wird, zu der Schraube 4 zu lenken. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können diese Mittel einen ringförmigen Kasten 16 aufweisen, der einen Ablenker bildet, der die Turbine 5 einschließt und profiliert ist, um einen Strom, der radial aus der Turbine austritt, zu dem beweglichen Element mit axialem Strom 4 zu lenken, durchbohrt mit zwei zentralen übereinander liegenden Öffnungen 17, 18, die mit der Welle 2 koaxial sind. Vorzugsweise ist der Durchmesser der unteren Öffnung 18 größer als der Durchmesser der oberen Öffnung 17 und im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der oberen Scheibe der selbst ansaugenden Turbine 5. Die Mittel zum Lenken der Gas-Flüssigkeit-Dispersion zu der Schraube 4 können auch eine Einheit Platten 19, die im Wesentlichen senkrecht sind, die Gegenschaufeln bilden, die radial um den Ablenkkasten 16 angeordnet und an diesem befestigt sind, aufweisen. Dazu dringt jede Gegenschaufel 19 radial in das Innere des Ablenkkastens 16, an dem sie durch geeignete Mittel, zum Beispiel durch Schweißen oder Nieten, befestigt ist, ein. Die Gegenschaufeln 19 können um die selbst ansaugende Turbine 5 und die Schraube 4 in einer Anzahl angeordnet sein, die den bestimmten Winkelabständen entspricht. In dem Innenrand jeder Gegenschaufel 19 ist auf der Ebene der Schraube 4 eine Kerbe 21 eingerichtet, in die die Enden der Schaufeln der Schraube 4 eindringen können.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, das Verstopfungslimit eines Geräts des gleichen Typs gemäß dem früheren Stand der Technik hinauszuzögern. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert daher normal und erlaubt es, das Gas in die Flüssigkeit einzuspritzen und die Flüssigkeit unter Bedingungen zu rühren, unter welchen sich die Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik verstopfte.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass es die erfindungsgemäße Vorrichtung bei identischen Leistungen erlaubt, den Durchsatz an in die Flüssigkeit eingespritztem Gas im Vergleich zur Vorrichtung des früheren Stands der Technik zu erhöhen. Diese Steigerung beträgt mindestens 30%.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ein vereinfachtes Funktionieren im Vergleich zur Vorrichtung des früheren Stands der Technik aufweist. Anders als bei der optimierten Version der Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik wird daher kein zusätzliches bewegliches Rührelement auf der Ausgangswelle unterhalb der selbst ansaugenden Turbine hinzugefügt.
  • Umsetzungsbeispiele der Vorrichtung
  • Vorrichtungen wie die, die in 1 beschrieben ist, wurden mit unterschiedlichen Typen selbst ansaugender Turbinen ausgestattet.
  • Eine erste getestete Turbinenreihe entspricht dem Umsetzten der ersten Variante der Erfindung (Oberfläche der unteren Scheibe der Turbine kleiner als die Oberfläche der oberen Scheibe der Turbine). Die Merkmale dieser verschiedenen Turbinen gemäß der ersten Variante sind in der folgenden Tabelle 1 definiert. Tabelle 1
    Turbine Durchmesser der oberen Scheibe Durchmesser der unteren Scheibe
    Turbine 0 (früherer Stand der Technik) 80 mm 80 mm
    Turbine 1 80 mm 0 mm
    Turbine 2 80 mm 50 mm
    Turbine 3 80 mm 60 mm
  • Weitere Tests wurden mit einer Turbine ausgeführt, die der Umsetzung der zweiten Variante der Erfindung entspricht (Durchmesser der zwei Scheiben identisch und untere Scheibe der Turbine teilweise ausgehöhlt). Die getestete Turbine, Turbine 4 genannt, weist Scheiben mit Durchmesser 80 mm auf, und in ihrer unteren Scheibe wurde ein 5 mm breiter Ring ab einer Entfernung von 25 mm von der Mitte der Scheibe entfernt.
  • Das Verstopfen mit Gas der Rührvorrichtungen gemäß 1, die mit unterschiedlichen Turbinen 1 bis 4 ausgestattet sind, wurde mit dem Verstopfen der Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik, ausgestattet mit der Turbine 0 und einem zusätzlichen Rührelement, das auf der Ausgangswelle unter der Turbine 0 platziert ist, verglichen. Um das Verstopfen zu erfassen, wurde der Gasdurchsatz in der Vorrichtung angehoben, während gleichzeitig die Drehzahl der Antriebsvorrichtung konstant gehalten wurde. Das verwendete Gas ist Luft mit einem Druck von 2 bar absolut. Das Erfassen des Verstopfens erfolgt visuell durch Beobachten einerseits des Stoppens der Dispersion des Gases in dem Reaktor und andererseits des Ableitens des Gases von den Einlassmitteln der Flüssigkeit in die Turbine (Ringraum 13).
  • Die Kurve der 4 stellt für jede Vorrichtung der 1, die mit Turbine 0, 1, 2, 3 und 4 ausgestattet ist, die Gasdurchsätze (Q in l/h) dar, die beim Verstopfen für verschiedene Drehzahlwerte (N in min–1) beobachtet wurden. Man stellt fest, dass das Verstopfen der Vorrichtungen, die die Turbinen 1 bis 4 umsetzen, bei identischer Drehzahl für Gasdurchsätze erzielt wird, die viel höher sind als für die Vorrichtung, die die Turbine 0 umsetzt.
  • Durch digitale Simulation wurden auch die Unterdrücke berechnet, die von jeder dieser Turbinen in dem Zylinder 6, der die Welle 2 einschließt und in dem das Gas zirkuliert, erzeugt werden. Die Unterdrücke wurden durch Messen der Eulerschen Zahl charakterisiert und sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Eulersche Zahl gibt die Kapazität der Vorrichtung an, Gas in die Turbine einzuführen: je höher sie ist, desto größer ist der Unterdruck, den die Turbine in dem Zylinder 6 schafft. Die Eulersche Zahl wird wie folgt berechnet: Eu = ΔP/(ρL(ND)2), wobei: ΔP der Unterdruck ist, der von der Turbine in dem Zylinder 6 erzeugt wird, ausgedrückt in Pa, D der Durchmesser ist, der von den Schaufeln der Turbine definiert wird, ausgedrückt in m, N die Drehzahl der Turbine ausgedrückt in s–1 ist und ρL die volumenbezogene Masse der Flüssigkeit ausgedrückt in kg/m3 ist. D hat einen Wert von 80 mm für alle getesteten Turbinen. Tabelle 2
    Turbine Eulersche Zahl Eu
    Turbine 0 (früherer Stand der Technik) 4,71
    Turbine 1 1,30
    Turbine 2 3,14
    Turbine 3 3,97
    Turbine 4 4,09
  • Man sieht, dass, obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestattet mit der Turbine 1 es erlaubt, das Verstopfungslimit beträchtlich hinauszuzögern, sie eine niedrige Eulersche Zahl aufweist und daher eine schwache Gaseinführkapazität. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die mit den Turbinen 2 bis 4 ausgestattet sind, weisen eine zufrieden stellende Eulersche Zahl auf und zögern die Verstopfungslimits der Vorrichtung gemäß dem früheren Stand der Technik (Turbine 0) hinaus.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Rühren einer Flüssigkeit in einem Reaktor und zum Einspritzen eines Gases in eine Flüssigkeit, die Folgendes aufweist: – eine Antriebsvorrichtung (1), die über dem Behälter angeordnet ist, versehen mit – einer senkrechten Ausgangswelle (2), die an ihrem unteren Ende mit mindestens einem mobilen Element mit axialem Fluss (4), das in die Flüssigkeit eingetaucht ist, ausgestattet ist, und – einer selbst ansaugenden Turbine (5), die in den Reaktor eingetaucht ist und von der Ausgangswelle (2) angetrieben werden kann, wobei die Ausgangswelle koaxial von einem Zylinder (6) umgeben ist, dessen unteres Ende (6a) in die Turbine mündet, und dessen oberes Ende dicht mit der Antriebsvorrichtung (1) verbunden und mit einer Öffnung (14) zum Einspritzen eines Gases in einen Ringraum (15), der von der Welle und dem Zylinder abgegrenzt wird, durchbohrt ist, wobei die Turbine aus zwei übereinander liegenden Scheiben (8, 9) und aus einer Einheit radialer Schaufeln (11), die zwischen den Scheiben angeordnet und an diesen befestigt sind, besteht, wobei die obere Scheibe (8) mit einer zentralen Öffnung (12) durchbohrt ist, die in das untere Ende (6a) des Zylinders (6) eindringt, der mit dem Rand der Öffnung einen Raum abgrenzt, der mindestens teilweise ringförmig ist (13), durch den die Flüssigkeit in die Turbine gesaugt wird, – Mittel, um die Gas-Flüssigkeit-Dispersion, die radial von der Turbine (5) ausgetrieben wird, zu dem beweglichen Element mit axialem Fluss (4) zu lenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der unteren Scheibe (9) der selbst ansaugenden Turbine (5) kleiner ist als die Fläche der oberen Scheibe (8) der Turbine.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Scheibe (9) der selbst ansaugenden Turbine (5) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der oberen Scheibe (8).
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der unteren Scheibe (9) mindestens größer oder gleich dem Durchmesser des Raums ist, der zumindest teilweise ringförmig ist (13).
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Scheibe (8) mindestens teilweise ausgehöhlt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Scheibe (8) mindestens teilweise in Form eines Rings ausgehöhlt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile Element mit axialem Fluss (4) eine Schraube ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Lenken der Gas-Flüssigkeit-Dispersion, die radial von der Turbine (5) ausgeworfen wird, zu dem beweglichen Element mit axialem Fluss (4) einen ringförmigen Kasten (16) aufweisen, der einen Ablenker bildet, der die Turbine (5) umschließt und profiliert ist, um zu dem beweglichen Element mit axialem Fluss (4) einen Fluss, der radial aus der Turbine austritt, zu lenken, durchbohrt mit zwei übereinander liegenden zentralen Öffnungen (17, 18), die zu der Welle (2) koaxial sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kein zusätzliches Rührelement auf der Ausgangswelle unterhalb des beweglichen Elements mit axialem Fluss (4) angeordnet ist.
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