DE69914049T2

DE69914049T2 - Gasauflösung

Info

Publication number: DE69914049T2
Application number: DE69914049T
Authority: DE
Inventors: Cedric Hanson; Michael Jack Rotherham Race
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: AU5710199A; US6241897B1; CA2288496A1; CA2288496C; JP4175753B2; JP2000153140A; DE69914049D1; NZ500986A; AU775215B2; EP1002567B1; ATE257405T1; EP1002567A1; GB9825380D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Auflösen eines Gases, insbesondere von Sauerstoff enthaltendem Gas, in einer Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder in einem wässrigen Medium wie beispielsweise Abwasser. Die Erfindung ist weder auf das Beispiel von Sauerstoff als Gas noch auf das Beispiel eines wässrigen Mediums beschränkt, sondern kann auch zum Auflösen anderer Gase mit größerer oder kleinlicher Löslichkeit als Sauerstoff in wässrigen oder nichtwässrigen Medien benutzt werden.
Unsere GB-Patentbeschreibung Nr. 1 455 567 beschreibt einen Prozeß zur Behandlung von Flüssigkeit mit den Schritten des Entnehmens eines Stroms der Flüssigkeit, der Druckbeaufschlagung des Stroms, des Einleitens eines Behandlungsgases in den druckbeaufschlagten Strom, um darin einen Teil des Gases aufzulösen, und des Einleitens des aufgelöstes und nicht gelöstes Gas enthaltenden Stroms in ein Volumen der Flüssigkeit unter turbulenten Bedingungen, so daß das nicht gelöste Gas in Form feiner Blasen in das Flüssigkeitsvolumen eintritt, die sich entweder auflösen oder in dem Flüssigkeitsvolumen verbraucht werden. Das Verfahren wird typischerweise zum Auflösen von Sauerstoff in einem wässrigen Medium eingesetzt. Der mit Sauerstoff versetzte Strom wird typischerweise durch eine oder mehrere Düsen oder Strahlen in das Hauptflüssigkeitsvolumen zurückgeleitet. Nicht aufgelöste Gasblasen werden in dem Strom zu den Düsen oder Strahlen transportiert. Die Leitungslänge, durch welche der Strom von der Stelle des Versetzens mit Sauerstoff bis zum Strahl oder den Strahlen strömt, ist so gewählt, daß die Auflösung eines Teils des Gases in der Flüssigkeit erleichtert wird, ohne aber so lang zu sein, daß die Gasblasen sich zu separaten Gastaschen oder großen Gasblasen zu vereinigen tendieren, oder daß der Druckabfall nicht mehr im Verhältnis zur Gasmenge steht, die sich in der Leitung auflöst.
Der in der Patentschrift GB-A-1 455 567 beschriebene Prozeß ist insbesondere zur Versetzung von Wasser mit Sauerstoff zur Verbesserung der Abwasserbehandlung erfolgreich kommerziell eingesetzt worden. Dieser Erfolg ist mindestens teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Prozeß vielmehr Gas in dem Flüssigkeitsvolumen zurückhält als mit gleichem Leistungsverbrauch arbeitende herkömmliche Verfahren. Durch Benutzen des Stroms als Träger von Gasblasen kann eine viel höhere Gasmenge erfolgreich aufgelöst werden, als wenn die in dem Strom mitgeführte Gasmenge lediglich auf das begrenzt ist, was darin aufgelöst werden kann.
Ein weiterer Vorteil des Prozesses nach der genannten Patentschrift ist der, daß der in das Hauptvolumen der Flüssigkeit zurückgeleitete Strom die Flüssigkeit bewegt und dadurch hilft, Feststoffe in Suspension zu halten, und die Verteilung von Sauerstoff durch das gesamte Volumen unterstützt. Jedoch tritt eine Schwierigkeit auf, wenn ein großes Flüssigkeitsvolumen, beispielsweise ein zur Abwasserbehandlung eingesetzter Tank für aktivierten Schlamm mit einem Volumen von mehr als 1000 Kubikmeter, ein Abwasserbecken, oder ein langer Flußabschnitt ein Versetzen mit Sauerstoff benötigt. Die Schwierigkeit liegt darin, daß mehr als eine Oxigenierungseinrichtung mit ihrer eigenen separaten Pumpe erforderlich ist. Dieses Erfordernis ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn mehrere Sauerstoffversetzte Teilströme in das Hauptvolumen der Flüssigkeit an weit beabstandeten Stellen zurückgeleitet werden, es einen großen Reibungsverlust in den zugeordneten Leitungen mit dem Ergebnis gibt, dass die Teilströme nicht genügend Energie in das Hauptflüssigkeitsvolumen einbringen, um das gewünschte Maß an Agitation zu erzeugen.
Eine Lösung dieser Probleme ist in unserem europäischen Patent EP-B-389 230 dargestellt, welches ein Verfahren und eine Einrichtung zum Auflösen von Gas in einem Flüssigkeitsvolumen beschreibt, wobei Flüssigkeit druckbeaufschlagt und zu einem Hauptstrom gebildet wird, der in eine Mehrzahl von Teilströmen unterteilt wird, die jeweils eine größere Geschwindigkeit als der Hauptstrom haben. Jeder Teilstrom wird durch eine Venturidüse geleitet, so daß darin Turbulenz erzeugt wird, und Gas wird in die Turbulenz eingeleitet. Die Gas enthaltenden Teilströme werden mit einer ausreichender Geschwindigkeit in das Flüssigkeitsvolumen eingeleitet, um dort weitere Turbulenz zu erzeugen, die ein Abscheren der Gasblasen in kleinere Blasen bewirkt.
Eine solche Anordnung ist besonders zum Versetzen von Abwasser mit Sauerstoff geeignet und ist in der Lage, den häufig stark schwankenden Sauerstoffbedarf zu entsprechen, den man oftmals in industriellen Abwasseraufbereitungsanlagen findet, allerdings nur unter unnötigem Kostenaufwand. Wo das Oxigenierungsgas Sauerstoff ist, muß der Sauerstoffzufuhrstrom in der Lage sein, auch einen Sauerstoffspitzenbedarf zu befriedigen; dies resultiert in einer Überkapazität der Sauerstoffzufuhrkapazität, da die Sauerstoffbedarfsspitzen als solche Übergangsvorgänge sind, und die Sauerstoffquelle unterbelastet ist. Darüber hinaus ist die Verwendung von Sauerstoff zur Befriedigung des Sauerstoffbedarfs notwen digerweise teuerer als der Einsatz von Luft. Jedoch ist der Einsatz von Luft ebenfalls ökonomisch nachteilig, da im Vergleich zu Sauerstoff mehr Luft für einen gegebenen Sauerstoffanreicherungspegel erforderlich ist und wegen der schwankenden Sauerstoffbedarfspegel muß wiederum das Luftzufuhrsystem in der Lage sein, Spitzenbedarfswerte zu befriedigen, die nur selten auftreten, was bedeutet, daß während eines großen Teils der Zeit das Luftzufuhrsystem nicht mit seiner vollen Kapazität ausgenutzt werden kann. Bei der Behandlung von Abwässern mit hohem Sauerstoffbedarf oder mit schwankendem Bedarf ist es möglicherweise nicht praktikabel oder kosteneffizient, nur Luft allein zur Oxigenierung einzusetzen, da die Kosten des Bereitstellens von ausreichend Luft zum Erreichen des notwendigen Oxigenierungspegel dem entgegenstehen können.
Dementsprechend beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auflösen von Sauerstoff enthaltenden Gas in einem Flüssigkeitsvolumen mit variablem Sauerstoffbedarf, das umaßt: Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit, Bilden eines Hauptstroms der Flüssigkeit, Verteilen des Hauptstroms in eine Mehrzahl von Teilströmen, die jeweils eine größere Geschwindigkeit als der Hauptstrom haben, Hindurchleiten jedes der Teilströme durch Mittel, die zur Erzeugung von Turbulenz darin konfiguriert sind, Einleiten von Gas in die Turbulenz und Einleiten der Gas enthaltenden Teilströme in das Flüssigkeitsvolumen mit einer ausreichender Geschwindigkeit, um weitere Turbulenzen zu erzeugen, welche die Scherung von Blasen dieses Gases in kleinere Blasen bewirkt, wobei Sauerstoff als das genannte Gas in eine erste Gruppe der Teilströme eingeleitet wird, gekennzeichnet durch Einleiten von Luft als das genannte Gas in eine zweite Gruppe der Teilströme durch Erfassen des momentanen Sauerstoffbedarfs in dem Flüssigkeitsvolumen und durch Steuern der relativen Anteile von Sauerstoff und Luft, die eingeleitet werden, um so den erfassten momentanen Sauerstoffbedarf zu entsprechen.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Einrichtung zum Auflösen von Sauerstoff enthaltendem Gas in einem Flüssigkeitsvolumen mit einem Sauerstoffbedarf, wobei die Einrichtung eine Pumpe, eine Hauptleitung, eine Mehrzahl erster und zweiter Teileitungen in Verbindung mit der Hauptleitung, wobei jede der Teilleitungen eine Konfiguration zur Erzeugung von Turbulenz in der strömenden Flüssigkeit aufweist, Mittel zum Einleiten von Gas in die Turbulenz, und eine Düse, die in dem Flüssigkeitsvolumen endigt und einen so konfigurierten Auslaß hat, daß die das eingeleitete Gas enthaltende strömende Flüssigkeit in das Flüssigkeitsvolumen mit einer zur Erzeugung weiterer Turbulenz ausreichender Geschwindigkeit eingeleitet wird und Mittel zum Erfassen des Sauerstoffbedarfs in dem Flüssigkeitsvolumen aufweist, wobei die Gaseinleitungsmittel in den ersten Teilleitungen mit einer Sauerstoffzufuhr verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinleitungsmittel in den zweiten Teilleitungen mit einer Luftzufuhr verbunden sind, und daß Steuermittel vorgesehen sind, die auf den erfassten Sauerstoffbedarf ansprechen, um die relativen Anteile von eingeleitetem Sauerstoff und eingeleiteter Luft zu verändern.
Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung sind besonders zur Verwendung bei der Oxigenierung von Abwasser mit beträchtlich größerer Effizienz und weniger Kosten als beim Stand der Technik geeignet. Das Befriedigen eines Teils des Sauerstoffbedarfs durch Verwendung von Luft als Oxigenierungsgas verringert die Kapazität der benötigten Sauerstoffzufuhr, während die Oxigenierung des verbleibenden Teils unter Verwendung von Sauerstoff in hohem Maße effizient zum genauen Folgen von Schwankungen des Sauerstoffbedarfs ist. Darüber hinaus führt der Ersatz mindestens eines Teils des früher für die Oxigenierung verwendeten Sauerstoffs durch Luft zu einer beträchtlichen Kostenreduzierung, da das Vorsehen einer Luftzufuhr im allgemeinen weniger teuer als das Bereitstellen einer äquivalenten Sauerstoffzufuhr ist. Diese Einrichtung ist auch besonders geeignet zum Einleiten von Luft zum Ermöglichen eines Abstreifens von Kohlendioxid, das bekanntermaßen Probleme durch sein pH-Absenkung und/oder Toxizität in rein auf Sauerstoff basierenden Systemen verursacht. Eine weitere Verwendung der Einrichtung ist das Einleiten anderer Flüssigkeiten oder Gase wie beispielsweise Natriumhypochlorit, Magnesiumhydroxid, Chlor, Kohlendioxid und Ozon (beispielsweise zum Unterdrücken fadenförmiger Bakterien). Außerdem haben praktische Ausführungsformen der Erfindung den eleganten Vorteil, dass sie in der Lage sind, mit einer einzigen Luftpumpe oder einem einzigen Verdichter zur Zufuhr der Luft sowohl für die Oxigenierung als auch zu den Sauerstoffzufuhrmitteln (bei großen Oxigenierungsanwendungen wird eine Sauerstoffzufuhr oftmals neben einem so oxigenierenden Flüssigkeitstank bereitgestellt, wobei diese Sauerstoffzufuhr normalerweise eine Zufuhr verdichteter Luft benötigt, aus welcher der Sauerstoff für die Oxigenierung abgetrennt wird); dies ist besonders vorteilhaft, da sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten zum Bereitstellen eines einzigen Luftverdichters ausreichend großer Kapazität zum Befriedigen auch von Sauerstoffspitzenbedarfpegeln in der zu behandelnden Flüssigkeit beträchtlich kleiner als diejenigen des Bereitstellens gesonderter Sauerstoff- oder Luftversorgungen mit Überschusskapazität sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine einzige Wasserpumpe zum Fördern von Flüssigkeit in sämtliche Teilleitungen eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise wird die Lufteinleitungsrate auf einem konstanten Wert gehalten und die Sauerstoffeinleitungsrate in Abhängigkeit von Veränderungen des Sauerstoffbedarfs variiert, da die höhere Löslichkeit von Sauerstoff im Vergleich zu derjenigen von Luft so das engere Folgen an schnelle Änderungen des Sauerstoffbedarfs ermöglicht. Alternativ jedoch kann die Sauerstoffeinleitungsrate konstant gehalten und die Lufteinleitungsrate nach Bedarf variiert werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit im Hauptstrom liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 Fuß pro Sekunde (0,65 bis 1,3 ms^–1), die gerade oberhalb der benötigten Geschwindigkeit zum Verhindern des Absetzens von Feststoffen im Hauptstrom und so zum Minimieren der Reibungsverluste und der Flüssigkeitspumpenergie liegt. Dies ermöglicht das Ausnutzen eines maximalen Anteils der Pumpenergie, damit die Sauerstoff enthaltenden Teilströme das Hauptflüssigkeitsvolumen durchdringen und agitieren können, wobei die Geschwindigkeit, mit welcher jeder Teilstrom in Form von einem oder mehreren Strahlen in das Flüssigkeitsvolumen eingeleitet wird, vorteilhafterweise im Bereich von 30 bis 65 Fuß pro Sekunde (10 bis 20 ms^–1) liegt.
Vorzugsweise sind Mittel zum unabhängigen Steuern der Teilströme und/oder der Mittel zum Einleiten von Gas in diese vorgesehen. Eine solche Anordnung optimiert die Auflösung von Gas im gesamten Flüssigkeitsvolumen. Darüber hinaus ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Teilströme eine Steuerung der mechanischen Agitation des Flüssigkeitsvolumens so, daß die Zirkulation der Gas enthaltenden Flüssigkeit optimiert und/oder eine Konsolidierung von in der Flüssigkeit mitgeführtem Feststoff verhindert wird.
Zweckmäßigerweise sind die Teilleitungen so dimensioniert, daß die Flüssigkeit sich beim Strömen aus der Hauptleitung in jede der Teilleitungen beschleunigt. Jede Leitung hat vorzugsweise einen Abschnitt mit allmählicher Drosselung des Querschnitts in Strömungsrichtung, und es ist eine die Leitung unmittelbar stromab dieses Abschnitts umschließende Kammer vorgesehen, in welche das Gas eingeleitet wird, und eine Vielzahl von Öffnungen in dieser dienen dem Durchtritt von Gas aus der Kammer in die Flüssigkeit in der Leitung.
Wo die Leitung zum Einleiten von Sauerstoff in die Flüssigkeit dient, weist die Turbulenz erzeugende Konfiguration geeigneter Weise eine Venturidüse mit einer Drosselkonfiguration auf, welche die Kammer umgibt, wobei der Düsenauslaß auch so konfiguriert ist, daß die Strömung der Sauerstoff enthaltenen Flüssigkeit beschleunigt wird und weitere Turbulenz erzeugt.
Wo die Leitung zum Einleiten von Luft in die Flüssigkeit dient, kann die Turbulenz erzeugende Konfiguration einen Teil der Düse stromauf des Düsenauslasses umfassen, wobei dieser Teil sich in Richtung der Flüssigkeitsströmung verjüngt. Bei einer solchen Anordnung ist keine Venturidüse vorhanden, da dies eine Steigerung des notwendigen Drucks zum Zuführen der Luft erfordern würde, damit diese in die Leitung eintritt; die Überwindung eines solchen "Rückdrucks" würde eine Steigerung der Leistung der Luftpumpe bzw. des Verdichters erfordern, was natürlich nachteilig wäre.
Die Position jeder Düse ist Idealerweise unabhängig von den anderen Düsen einstellbar, sowohl nach oben als auch unten und nach der Seite, so daß die Strahlen aus jeder Teilleitung genau und unabhängig gerichtet werden kann (und diese Bewegung kann auch automatisiert werden, so daß ein rollender Zyklus der Agitation im Flüssigkeitsvolumen bewirkt werden kann). Jede Venturidüse kann mit einer zugeordneten Düse integriert sein, und das stromaufwärtige Ende einer solchen Venturidüse (oder der Düse, im Falle einer Teilleitung zum Einleiten von Luft) kann sich an die Hauptleitung anschließen.
Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber und mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
1 eine schematische, teilweise perspektivische Zeichnung einer ersten Oxigenierungseinrichtung nach der Erfindung,
2 eine schematische, teilweise perspektivische Zeichnung einer zweiten Oxigenierungseinrichtung nach der Erfindung,
3 eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Oxigenierungseinrichtung nach der Erfindung,
4 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten Oxigenierungseinrichtung nach der Erfindung,
5 eine Draufsicht eines Teils einer fünften Oxigenierungseinrichtung nach der Erfindung,
Die 6A und 6B Schnittdarstellungen von Düseneinrichtungen zur Verwendung in den Oxigenierungseinrichtungen nach 4 und 5, wobei die Düseneinrichtung nach 6A zum Einleiten von Sauerstoff und diejenige nach 6B zum Einleiten von Luft ausgelegt ist, und
7 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Düse zur Verwendung in Ausführungsformen der Erfindung.
Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich.
Zur Vermeidung von Zweifeln sind gleiche Teile in verschiedenen Zeichnungen nachstehend mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet. Die Verwendung des Zusatzes A bezeichnet ein Element, das besonders für die Einleitung von Sauerstoff ausgelegt ist, und der Zusatz B bezeichnet ein Element, daß besonders für die Einleitung von Luft ausgelegt ist.
Gemäß 1 der Zeichnungen kann die dargestellte Einrichtung vollständig innerhalb eines großen Flüssigkeitsvolumens angeordnet sein, beispielsweise in einem Abwasserbehandlungstank zur Verwendung im Aktivschlammprozeß enthalten sein. Eine Abwasserpumpe 2 mit einem Saugeinlaß 3 bildet einen Abwasserstrom mit einem Druck von typischerweise 2 × 10⁶ bis 4 × 10⁶ Pa (2 bis 4 Atmosphären absolut). Der Strom tritt in eine Ringhauptleitung 4 ein. Die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms in der Ringhauptleitung 4 reicht aus, um den Aufbau von Feststoffen in der Ringhauptleitung 4 zu verhindern. Die Ringhauptleitung 4 ist dafür ausgelegt, die Flüssigkeit in eine Mehrzahl oder Vielzahl beabstandeter Teilleitungen 6A, 6B zuzuführen, die etwa vertikal davon nach unten verlaufen, wobei jede solche Leitung mit einem stromaufwärtigen Knie 7 im Anschluß an die Hauptleitung 4 ausgebildet ist. Jede Leitung 6 hat typischerweise weniger als 5 Meter Länge (kann aber länger oder kürzer sein, je nach der Tiefe des Abwasserbehandlungstanks), und jede Sauerstoff einleitende Teilleitung 6A hat in ihrem oberen Bereich eine Venturidüse 8A. Jede Venturidüse 8A weist einen Einlaß 10A für gasförmigen Sauerstoff auf. Die Sauerstoffeinlässe 10A sind mit einer gemeinsamen Sauerstoffhauptleitung (nicht dargestellt) verbunden, die typischerweise aus einer Anlage zur Lufttrennung durch Druckwechseladsorption (oder durch Verwendung von Membranen) gespeist wird oder einen flüssigen Sauerstoff enthaltenden Speicherbehälter darstellt, der mit einem Verdampfer ausgestattet ist, wodurch der Sauerstoff im gasförmigen Zustand in die Leitung 6A zugeführt werden kann. Jede Venturidüse 8A erzeugt eine Drosselung in der zugehörigen Leitung 6A, wobei der hindurchströmenden Flüssigkeit eine Turbulenz mitgeteilt wird. Es versteht sich auch, daß jede Leitung 6 vorzugsweise einen wesentlich kleineren Durchmesser hat als die Ringhauptleitung 4, wodurch die Flüssigkeit beschleunigt wird, während sie aus der Ringhauptleitung 4 in die Leitung 6 strömt. Die Sauerstoffströmung in den turbulenten Bereich aus dem Einlaß 10A bricht den Sauerstoff in kleine Blasen auf, und das gleiche gilt für die Luftströmung in den turbulenten Bereich aus dem Einlaß 10B. Der durch die Venturidüse in der Flüssigkeitsströmung erzeugte Sog kann zum Erzeugen oder Unterstützen der Sauerstoffströmungen ausgenutzt werden.
Jede Luft einleitende Teilleitung 6B weist einen Einlaß 10B zum Einleiten von Luft in die Flüssigkeit unmittelbar neben dem Auslaß der Düse 12B aus, aus welcher der turbulente Flüssigkeitsstrom in die umgebende Flüssigkeit austritt. Ansonsten ist in den Teilluftleitungen 6B keine Venturidüse vorgesehen, um die Probleme der Überwindung eines hohen Rückdrucks im Luftzufuhrsystem zu vermeiden, aber die Turbulenz erzeugende Konfiguration kann einen in Strömungsrichtung sich verjüngenden Teil stromauf des Düsenauslasses umfassen. Eine solche Konfiguration ist in 6B gezeigt, die nachstehend beschrieben wird. Die Lufteinlässe 10B sind mit einer gemeinsamen Luftleitung (nicht dargestellt) verbunden, die typischerweise aus einer Luftpumpe bzw. einem Verdichter (nicht dargestellt) gespeist wird. Vorteilhaflerweise erzeugt dieser Luftverdichter auch die Hochdruckluftzufuhr zur Luftrennanlage.
Jede Leitung 6 weist ein stromabwärtiges T-Stück 13 an ihrem unteren Ende auf, in welchem eine oder mehrere Auslassdüsen zum Einleiten von Flüssigkeits-Gas-Gemisch in das Hauptflüssigkeitsvolumen eingesetzt sind, in welche die Hauptringleitung eingetaucht ist. Jede Düse 12A, 12B weist einen Außendurchmesser auf, der viel kleiner als der Durchmesser der zugeordneten Leitung 6 ist, wodurch das Flüssigkeits-Gas-Gemisch die Düse 12 mit relativ hoher Geschwindigkeit verlässt, wodurch Turbulenz erzeugt wird, die das weitere Aufbrechen oder Scheren von Blasen in dem Gemisch in noch kleinere Blasen unterstützt, die schnell in dem Hauptflüssigkeitsvolumen verbraucht oder aufgelöst werden, und wodurch eine innige Vermischung und Agitation des Hauptflüssigkeitsvolumens bewirkt wird.
Typischerweise sind die Düsen 12 in einer solchen Weise angeordnet, daß ein ausreichendes Maß an Agitation im Hauptbehälter aufrecht erhalten werden kann ohne Notwendigkeit des Einsatzes zusätzlicher mechanischer Agitatoren. Wie in 1 gezeigt ist, sind gleiche Anzahlen von Teileitungen 6A, 6B vorgesehen, in welche Sauerstoff oder Luft eingeleitet wird; in der Praxis kann das Verhältnis von Sauerstoffteilleitungen 6A zu Luftteilleitungen 6B nach Bedarf für eine bestimmte Anwendung variieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung ist ein Tank mit einem Durchmesser von 30 Meter mit einer Ringhauptleitung ausgestattet, die einen Umfang von etwa 88 Metern hat. Es sind 16 mit gleichen Abständen von der Hauptringleitung 4 herabhängende Teilleitungen 6 vorgesehen, von denen die Hälfte zum Einleiten von Sauerstoff und die andere Hälfte zum Einleiten von Luft dienen. Die Hauptringleitung hat einen Innendurchmesser von 200 Millimeter (8 Zoll) und ist typischerweise aus PVC- oder HDPE-Rohr hergestellt. Jede Sauerstoffleitung 6A weist oberhalb der Drosselstelle ihrer Venturidüse 8A einen Durchmesser von 75 Millimeter (3 Zoll) und unterhalb der Drosselstelle der Venturidüse 8A einen Durchmesser von 50 Millimeter (2 Zoll) auf. Der Auslaß jeder Düse 12A hat typischerweise einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 45 Millimeter, und in diesem Beispiel 25 Millimeter. Jede Luftleitung 6B hat einen Durchmesser von 75 Millimeter und der Durchmesser der zugehörigen Düse 12B liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 45 Millimeter. Die Pumpe 2 wird so betrieben, daß eine Flüssigkeitsgeschwindigkeit von 0,6 m/s (2 Fuß pro Sekunde) innerhalb der Ringhauptleitung 4 aufrechterhalten wird. Eine solche Geschwindigkeit ist gewöhnlich ausreichend, um irgendwelche abgela gerten Feststoffe aus der Ringhauptleitung wegzuspülen, obwohl gewünschtenfalls größere Geschwindigkeiten, zum Beispiel bis zu 1,2 m/s (4 Fuß pro Sekunde) benutzt werden können. Die in 1 gezeigte Einrichtung kann beispielsweise zum Auflösen von 5 Tonnen Sauerstoff pro Tag in einem Volumen von 3000 m³ Abwasser und zum Vermischen des Abwassers unter Einsatz einer Pumpe 2 benutzt werden, die 2500 m³ pro Stunde Wasser in die Hauptringleitung 4 unter einem Druck von etwa 1,9 × 10⁶ bis 2,4 × 10⁶ Pa (1,9 bis 2,4 bara) fördern kann.
Eine Mehrzahl von Sauerstoffbedarfssensoren 14 (von denen der Klarheit halber nur einer gezeigt ist) sind innerhalb des Flüssigkeitsvolumens dargestellt und an Steuermittel 15 angeschlossen, welche die Rate verändern, mit welcher Sauerstoff und/oder Luft in das Flüssigkeitsvolumen durch die Düsen 12A, 12B eingeleitet wird, die am nächsten zu und/oder in Richtung des Sensors 14 angeordnet sind, um so den dortigen Sauerstoffbedarf zu befriedigen (und nicht überzubefriedigen). Die Steuermittel 15 sind ein geeignet programmierter Mikroprozessor, der in Abhängigkeit vom augenblicklichen Sauerstoffbedarf, der vom Sensor 14 erfaßt wird, Gasströmungsventile (nicht dargestellt) in den jeweiligen Sauerstoff-/Lufteinlässen 10A, 10B und/oder Flüssigkeitsströmungsventile (nicht dargestellt) der zugeordneten Teilleitungen 6A, 6B betätigt. Der Klarheit halber sind funktionelle Verbindungen zwischen den Steuermitteln 15 und nur einer Sauerstoffteilleitung und einer Luftteilleitung 6B dargestellt.
Gemäß 2 der Zeichnungen ist eine Einrichtung gezeigt, die im wesentlichen ähnlich derjenigen nach 1 ist mit der Ausnahme, daß eine längliche Hauptleitung 20 anstatt der Ringhauptleitung 4 benutzt wird.
Um die Strömungen zu den Teilleitungen 6A, 6B auszugleichen, die zu größerer Variabilität neigen als bei Verwendung einer Ringhauptleitung, ist jede Leitung 6A, 6B mit einem Strömungssteuerventil 22 ausgestattet. Die Ventile 22 können so eingestellt werden, daß die Wirkung des Druckabfalls kompensiert wird, wenn die gepumpte Flüssigkeit noch weiter von der Pumpe 2 wegströmt. Gewünschtenfalls kann das T-Stück 13 mit einem Drehgelenk oder einer anderen Verbindung ausgeführt sein, wodurch die Richtung, in welcher die Düsen 12A, 12B zeigen, unabhängig von den anderen eingestellt werden kann. In anderer Hinsicht sind Betrieb und Aufbau der Einrichtung nach 2 analog derjenigen nach
1. Die in 2 gezeigte Einrichtung kann beispielsweise zum Oxigenieren von Flüssen, Seen, Häfen, Mehrfachfischweihern, großen Aktivschlammtanks und Gezeiten unterworfene Flussmündungen eingesetzt werden.
In 3 ist eine weitere alternative Einrichtung zur derjenigen nach 1 gezeigt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Einrichtungen liegt darin, daß die Leitungen 6 bei der in 3 gezeigten Einrichtung eine kürzere Länge als bei derjenigen nach 1 haben. Die Leitungen 6 sind grundsätzlich J-förmig und endigen in einer einzigen Düse 12 und werden von einem einwärts weisenden Teil der Oberfläche der Ringhauptleitung 4 aufgenommen. Die Düsen 12 weisen jeweils auswärts mit Bezug auf die Ringhauptleitung. Obwohl in 3 nicht gezeigt, ist jede Leitung 6 entweder an eine Sauerstoffhauptleitung oder an eine Lufthauptleitung angeschlossen. Die Leitungen 6 können mit einem Gelenk oder einem Lager ausgebildet sein, wodurch die Richtung, in welche jede Düse 12 zeigt, unabhängig eingestellt werden kann, entweder nach oben oder nach links oder rechts. Eine solche Anordnung erleichtert die Oxigenierung und Vermischung des gesamten Flüssigkeitsvolumen, in welches die in 3 gezeigte Einrichtung eingetaucht ist. Bei einem typischen Betriebsbeispiel der Einrichtung nach 3 fördert die Pumpe 2 500 m³ pro Stunde Wasser in die Hauptringleitung bei einem Druck von etwa 1,4 × 10⁶ pa (1,4 bara) und löst eine Tonne pro Tag Gesamtsauerstoff (aus Sauerstoff und Luft) in einem Volumen von 500 m³ Wasser auf. Typischerweise verlässt im Betrieb ein Flüssigkeitsstrom, in welchem feine Gasblasen dispergiert sind, jede Düse 12 mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 ms^–1. In sehr großen Flüssigkeitsvolumen kann eine Einrichtung (oder mehrere) wie beispielsweise diejenige nach 3 in der Mitte einer Einrichtung der in 1 gezeigten Art angeordnet sein.
In 4 der Zeichnungen ist eine Einrichtung dargestellt, die grundsätzlich ähnlich derjenigen nach den 1 und 3 ist. Bei der in 4 gezeigten Einrichtung ist die Hauptleitung 4 endlos und bildet eine Rechteckform. Die Hauptleitung 4 ist etwa vertikal angeordnet. Jede Leitung 6A, 6B ist etwa horizontal angeordnet und als einstöckige Konstruktion ausgebildet, nämlich jede Sauerstoffleitung 6A mit ihrer zugehörigen Venturidüse 8A und Düse 12A, wobei alle diese drei Teile miteinander koaxial angeordnet sind. Sauerstoff wird zu den Einlässen 10A aus einer Hauptleitung 21 zugeführt, und Luft wird zu den Einlässen 10B aus einer Hauptleitung 23 zugeführt. Wie in 5 gezeigt ist, kön nen die Düsen 12A in einer fächerartigen Anordnung mit Bezug zueinander angeordnet sein, und dies gilt auch für die Luftdüsen 12B (nicht dargestellt).
Die in den 4 und 5 dargestellten Düseneinrichtungen sind in den 6A und 6B der Zeichnungen in näheren Einzelheiten dargestellt. Die rohrförmige Einrichtung 30 zum Einleiten von Sauerstoff, die in 6A dargestellt ist, hat eine stromaufwärtige Venturidüse 32, deren Einlaß mit der Hauptleitung 4 verbunden ist. Die Drossel 34 der Venturidüse 32 ist mit Öffnungen 35 ausgebildet, die mit einer ringförmigen Gasverteilungskammer 36 in Verbindung stehen, die die Drossel 34 umgibt. Die Kammer 36 hat einen Einlaß 38, der mit einem Gasverteilungsrohr 40 in Verbindung steht. Das stromabwärtige Ende der Venturidüse 32 geht in einen geradzylindrischen Teil 42 der rohrförmigen Einrichtung 30 über, deren Teil 42 in eine Düse 44 übergeht, die sich in stromabwärtiger Richtung verjüngt. Im Betrieb strömt ein Strom aus Wasser oder Flüssigkeit unter Druck aus der Hauptleitung 4 in das stromaufwärtige Ende der Venturidüse 32. Die Drossel 34 erzeugt eine Turbulenz in dem Strom. Sauerstoff oder anderes aufzulösendes Gas wird durch Hindurchtreten aus der Kammer 36 durch die Öffnungen 35 in den Strom eingeleitet. Der von der Flüssigkeitsströmung durch die Venturidüse 32 erzeugte Sog kann ausreichend groß sein, um eine Strömung aus gasförmigen Sauerstoff oder Luft in den Strom zu induzieren, oder das Gas kann unter ausreichendem Druck zugeführt werden, um seinen Eintritt in den Strom sicher zu stellen. Die Verengung 34 der Venturidüse 32 dient als Drossel, die eine Turbulenz in dem Strom erzeugt, was das Ausbrechen des Gases in Blasen unterstützt. In dem Teil 42 der Einrichtung 30 wird die Strömung weniger turbulent. Dieser Teil 42 kann eine Länge im Bereich von 0,3 bis 1 Meter haben und so relativ kurz sein, was den Druckabfall minimal hält. Der Flüssigkeitsstrom tritt dann in das Flüssigkeitsvolumen ein, in welches die Einrichtung nach der Erfindung eingetaucht ist, und zwar durch die Düse 44 als Strahl mit einer Geschwindigkeit typischerweise im Bereich von 10 bis 20 ms^–1. Eine solche Geschwindigkeit unterstützt die Erzeugung von Turbulenz am Auslaß der Düse 44, was zum Scheren der Gasblasen in Blasen kleinerer Größe begünstigt, so daß die Sauerstoffblasen in Bereiche des zu behandelnden Flüssigkeitsvolumens eindringen können, die von der Düse entfernt liegen. Die Energie in dem Strahl wird folglich in einem relativ großen Volumen der Flüssigkeit abgebaut, was dazu beiträgt, die Flüssigkeit gut vermischt zu halten.
Die in 6B gezeigte Einrichtung 50 dient zur Einleitung von Luft in hindurchtretende Flüssigkeit und hat einen stromaufwärtigen, sich verjüngenden Abschnitt 52 und einen stromabwärtigen Abschnitt 54 mit im wesentlichem konstantem Querschnitt. Der Abschnitt 54 ist mit Öffnungen 55 ausgebildet, die mit einer ringförmigen Luftverteilungskammer 56 in Verbindung stehen, die den Abschnitt 54 umgibt. (In der Figur ist die Kammer 56 an den Abschnitt 52 angrenzend dargestellt, jedoch kann sie in der Praxis um bis zu 1 Meter undurchlässiger Leitungslänge mit konstantem Durchmesser getrennt sein). Die Kammer 56 steht mit einem Lufteinlassrohr 60 in Verbindung. Im Betrieb fließt ein Strom aus Wasser oder Flüssigkeit unter Druck aus der Hauptleitung 4 in den sich verjüngenden Abschnitt 52. Der sich verjüngende Abschnitt 52 und der Abschnitt 54 erzeugen Turbulenz in dem Strom. Aufzulösende Luft wird durch Durchtritt aus der Kammer 56 durch die Öffnungen 55 in den turbulenten Strom eingeleitet. Wiederum ist die Anordnung so getroffen, daß der Luft enthaltende Flüssigkeitsstrom in das Flüssigkeitsvolumen eintritt, in welches die Einrichtung nach der Erfindung eingetaucht ist, und zwar mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um eine Turbulenz am Auslaß 64 der Einrichtung 50 zum Scheren der Gasblasen zu erzeugen. Es ist keine Venturidüse vorgesehen, um den Druck zu reduzieren, mit welcher die Luft in die Kammer 56 zugeführt werden muß, da ein hoher Rückdruck in der Luftzufuhrleitung einen höheren Pumpenzufuhrdruck erfordert, und ein Zweck dieser Erfindung liegt darin, die Luftpumpenkapazität zu reduzieren.
Um nun wieder auf die 3 und 4 Bezug zu nehmen, die darin gezeigten Pumpen 2 sind von einer Bauart, die am Boden eines Tanks oder auf einer speziell vorgesehenen Plattform (nicht dargestellt) stehen können, so dass die gesamte Einrichtung in einen Tank mit zu oxigenierendem Wasser abgesenkt werden kann, so daß nur Anschlüsse zu Versorgungen außerhalb des Tanks hergestellt werden müssen, nämlich zu der Sauerstoff- und/oder Luftquelle und für das Netzkabel für die Pumpe 4. Daher ist die Installation einer Einrichtung der in 3 oder 4 gezeigten Art besonders einfach auszuführen.
Es hat sich gezeigt, dass eine Düseneinrichtung der in unserem europäischen Patent Nr. 673 885 B1 besonders zur Verwendung mit einer Einrichtung nach der Erfindung geeignet ist. Eine solche Düseneinrichtung 100 ist in 7 gezeigt und weist einen Kanal 120 auf, der durch einen ersten, im wesentlichen konvergenten Abschnitt, wie beispielsweise einen Kegelstumpf 122, und einen zweiten, im wesentlichen divergenten Abschnitt 124 gebildet ist (die Strömung der Flüssigkeit durch die Düse nach 7 erfolgt von rechts nach links, wie durch den Pfeil angedeutet ist). Der erste Abschnitt ist mit einem engeren Auslassende 126 als das Einlassende 128 des zweiten Abschnitts 128 ausgebildet, und die beiden überlappen sich so, daß dazwischen ein Ringspalt 130 gebildet ist. Eine Sammelkammer 131 ist durch einen Wandteil gebildet (beispielsweise in Form eines gerade zylindrischen Rohrs 132, das zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 122, 124 verläuft), und die Abschnitte 122, 124 sind zur Aufnahme von Gas und zum Einleiten dieses in und durch den Ringspalt zur Auflösung in der durch den Kanal 120 strömenden Flüssigkeit ausgebildet. Die ersten und zweiten Abschnitte 122, 124 sind mit Bezug auf das Rohr 132 axial beweglich, nämlich mittels Schraubgewinden 134, 136, um so die Größe des Ringspalts 130 und damit die Querschnittsfläche zu verändern, durch welche das Gas strömen kann. Der Betrieb der Düse 100 ist in der EP 673 885 B1 beschrieben.
Die Düse 100 ist zum Auflösen sowohl von Luft als auch Sauerstoff geeignet und daher bei jeder der Ausführungsformen nach den 1 bis 5 anwendbar. Insbesondere hat sich die Düse 100 als in der Praxis den Düsenanordnungen 30, 50 nach den 6A und 6B in mehrfacher Hinsicht überragend erwiesen. Erstens ergeben die Düseneinrichtungen 30, 50, wenn sie in einer Tiefe von 3 Meter angeordnet und mit einer Flüssigkeitsströmung von 10 m/s (an der Drosseleinschnürung gemessen) betrieben werden, einen Entfernungsbereich von etwa 7 Meter, bevor die Gasblasen die Oberfläche erreichen, aber bei äquivalenten Bedingungen ergibt die Düse 100 einen Bereich von 9 Metern oder mehr. Wenn der Ringspalt 130 der Düse 100 so eingestellt wird, daß er den gleichen Querschnitt wie der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 35, 50 in den Düseneinrichtungen 30, 50 hat, ist die Düse 100 um 50% effizienter. Die Einstellbarkeit der Größe des Ringspalts 130 in der Düse 100 ist wichtig, weil sie auch eine Veränderung des Rückdrucks auf den Gasverdichter ermöglicht, was notwendig ist, damit das Gas in den Kanal 120 mit einer vorgegebenen Rate eintreten kann. Des weiteren gilt, daß, je kleiner der Ringspalt ist, desto feiner sind die resultierenden Blasen in der Flüssigkeit. Schließlich ist gefunden worden, daß die Flüssigkeitsströmung durch die Düse 100 allein ausreicht, eine Gasströmung durch den Ring 100 zu induzieren, was vorteilhaft ist, wenn Gas nur bei niedrigen oder nahezu Umgebungsdrücken verfügbar ist, wie beispielsweise am Auslaß einer Druckwechseladsorptionseinrichtung oder dergleichen.

Claims

Verfahren zum Auflösen von Sauerstoff enthaltendem Gas in einem Flüssigkeitsvolumen mit einem variablen Sauerstoffbedarf, das umfaßt: Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit, Bilden eines Hauptstroms der Flüssigkeit, Verteilen des Hauptstroms in eine Mehrzahl von Teilströmen, die jeweils eine größere Geschwindigkeit als der Hauptstrom haben, Hindurchleiten jedes der Teilströme durch Mittel, die zur Erzeugung von Turbulenz darin konfiguriert sind, Einleiten von Gas in die Turbulenz und Einleiten der Gas enthaltenden Teilströme in das Flüssigkeitsvolumen mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um weitere Turbulenz zu erzeugen, welche die Scherung von Blasen dieses Gases in kleinere Blasen bewirkt, wobei Sauerstoff als das genannte Gas in eine erste Gruppe der Teilströme eingeleitet wird, gekennzeichnet durch Einleiten von Luft als das genannte Gas in eine zweite Gruppe der Teilströme durch Erfassen des momentanen Sauerstoffbedarfs in dem Flüssigkeitsvolumen und durch Steuern der relativen Anteile von Sauerstoff und Luft, die eingeleitet werden, um so dem erfassten momentanen Sauerstoffbedarf zu entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Konstanthalten der Einleitungsrate der Luft und Veränderung der Einleitungsrate des Sauerstoffs in Abhängigkeit von erfassten Änderungen des momentanen Sauerstoffbedarfs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Hauptstroms im Bereich von 0,65 bis 1,3 ms^–1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrom in das genannte Flüssigkeitsvolumen in Form eines oder mehrerer Strahlen eingeleitet wird, die jeweils eine Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 20 ms^–1 haben.
Einrichtung zum Auflösen von Sauerstoff enthaltendem Gas in einem Flüssigkeitsvolumen, das einen Sauerstoffbedarf aufweist, wobei die Einrichtung eine Pumpe (2), eine Hauptleitung (4), eine Mehrzahl erster und zweiter Teilleitungen (6A, 6B, 30, 50, 100) in Verbindung mit der Hauptleitung (4), wobei jede der Teilleitungen eine Konfiguration zur Erzeugung von Turbulenz in der strömenden Flüssigkeit aufweist, Mittel zum Einleiten von Gas in die Turbulenz, und eine Düse (12A, 12B, 44, 64), die in dem Flüssigkeitsvolumen endigt und einen so konfigurierten Auslaß hat, dass die das eingeleitete Gas enthaltende strömende Flüssigkeit in das Flüssigkeitsvolumen mit einer zur Erzeugung weiterer Turbulenz ausreichender Geschwindigkeit eingeleitet wird und Mittel zum Erfassen des Sauerstoffbedarfs in dem Flüssigkeitsvolumen aufweist, wobei die Gaseinleitungsmittel in den ersten Teilleitungen (6A, 30, 100) mit einer Sauerstoffzufuhr verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinleitungsmittel in den zweiten Teilleitungen (6B, 50, 100) mit einer Luftzufuhr verbunden sind, und dass Steuermittel (15) vorgesehen sind, die auf den erfassten Sauerstoffbedarf ansprechen, um die relativen Anteile von eingeleitetem Sauerstoff und eingeleiteter Luft zu verändern.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Teilleitungen (30, 50) so dimensioniert sind, dass die Flüssigkeit beim Strömen aus der Hauptleitung (4) in jede der Teilleitungen (30, 50) sich beschleunigt, dass jede Leitung (30, 50) einen Abschnitt mit allmählicher Querschnittsdrosselung in Richtung der Flüssigkeitsströmung aufweist, und dass eine Kammer (36, 56) vorhanden ist, welche die Leitung unmittelbar stromab des genannten Abschnitts umschließt, in welche Kammer (36, 56) das Gas eingeleitet wird und eine Mehrzahl von Öffnungen (35, 55) daran zum Durchtritt von Gas aus der Kammer (36, 56) in die Flüssigkeit in der Leitung (30, 50) vorhanden ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die oder jede erste Teilleitung (30) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Turbulenz erzeugende Konfiguration eine Venturidüse mit einer Einschnürungskonfiguration (34) aufweist, welche die Kammer (36) umgibt.
Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die Teilleitungen (100) jeweils einen Venturikanal (120) für den Flüssigkeitsdurchtritt aufweisen, der durch einen ersten Abschnitt (122) gebildet und im allgemeinen konvergent mit Bezug auf die Richtung der Flüssigkeitsströmung im Betrieb ist, und einen zweiten Abschnitt (124) gebildet ist, der im allgemeinen divergent mit Bezug auf die Richtung der Flüssigkeitsströmung im Betrieb ist, wobei der erste Abschnitt (122) ein enges Auslassende (126) mit kleinerem Durchmesser als das Einlassende (128) des zweiten Abschnitts (124) aufweist und in dieses hineinragt, um einen Ringspalt (130) dazwischen zu bilden, wobei Mittel zur Zufuhr von Gas in den Ringspalt (130) vorgesehen sind.