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Vorrichtung zum Einführen von Gasen oder Flüssigkeiten in Flüssigkeiten
Bei chemischen und biologischen Prozessen, bei denen Gase, z. B. Luft, in Flüssigkeiten
eingeleitet werden, hat es sich für den Nutzeffekt als vorteilhaft herausgestellt,
wenn as Gas in möglichst feiner Verteilung in din Flüssigkeit eintritt. In der Annahme,
daß dieses Ziel allein durch Verkleinerung der Querschnitte der Gasdurchtrittsporen
zu erreichen slei, brachte man Vorrichtungen mit immer kleineren Porenquerschnitten,
z. B. Diaphragmen aus keramischem Material, zur Einführung des Gases zur Anwendung.
Dem durch die Feinporigkeit solcher Diaphragmen erzielten besseren Mischeffekt,
wie dieser gegenüber bekannten anderen Gebilden, wie Häuten, Geweben, gelochten
Blechen oder Rohren erzielt wird, steht aber ein bedeutend crhöhter Kraftaufwand
zum Hindurchdrücken des Gases gegenüber. Außerdem verstopfen sicll solche Diaphragmen
leicht und lassen sich schwer reinigen.
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In der Absicht, dem Gas möglichst feine Austrittsöffnungen darzubieten,
hat man auch Verteilungsvorrichtungen anderer An vorgeschlagen. So sind z. B. Znordnungen
bekannt, bei denen glatte oder mit Riefen versehene Ringe in der Weise zusammengesetzt,
z. B. auf einem geeigneten Träger aufgereiht sind, daß zwischen den Berührungsflächen
der Ringe feine Poren oder Schlitze für den Austritt des Gases verbleiben. An Stelle
von Ringen werden für den in Frage stehenden Zweck auch Spiralen bzw. Drahtspulen
verwendet, zwischen deren Windungen das Gas in Form feinster Bläschen nach außen
gelangen soll. Allen diesen Anordnurgen liegt der Gedanke zugrunde, daß es nur auf
möglichst kleine Austrittsöffnungen ankommt, die im übrigen aber beliebige Gestalt
haben können.
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Abweichend von dieser Vorstellung geht die vorliegende Erfindung
von der Erkenntnis
aus daß man eine extrem feine Verteilung des
Gases auch mit Vorrichtungen von verbältnismäßig großer Porenweite erreichen kann,
sofern man dem Querschnitt und dem Austritt der Poren eine bestimmte Gestalt gibt,
die dem Mechanismus der Bläschen bildung Rechnung trägt.
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Die besondere Wirkung der neuen Vorrichtungen beruht darauf, daß
die Durchtrittskanäle einen Querschnitt erhalten, dessen Begrenzungswände in spitzen
Winkeln zusammenstoßen, derart, daß sich die Flüssigkeit beim Gasdurchtritt-in den
Ecken des Kanals zu halten vermag. Ferner müssen Länge und Querschnitt des Kanals
zueinander in einem bestimmten Verhältnis stdien, das abhängig ist von der Zähigkeit
der Flüssigkeit sowie der Art und der Oberflächenbeschaffenheit des die Kanäle bildenden
Materials. Auch die Ausbildung des Randes der Kanalaustrittsöffnung ist der Oberflächenspannung
der Flüssigkeit anzupassen, und insbesondere muß dafür gesorgt sein, daß an den
Austrittsstellen der Kanäle Führungen für die Gasbläschen vorgesehen sind.
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Durch die angegebenen Maßnahmen wird ein weit höherer Nutzeffekt
erzielt als bei Verwendung der mit den feinsten. Poren arbeitenden Vorrichtungen,
nämlich der Diaphragmen aus keramischem Material; denn es versteht sich von selbst,
daß großporige Gebilde dem Gasdurchtritt einen geringeren Widerstand entgegensetzen
als feinporige und daß Gebilde von größerer Porenweite sich weniger leicht verstopfen
sowie bequemer und besser zu reinigen sind, insbesondere dann, wenn, wie beim Gegenstand
der Erfindung, die Kanäle geradlinig verlaufen und glatte Wandungen besitzen. Die
Folge des geringeren Widerstandes ist Energieersparnis. Die leichtere Reinigung
ermöglicht Arbeits- und Kostenersparnisse und - verringert bei Verarbettung organischer
oder zersetzungsfähiger Stoffe die Infektionsgefahr, z. B. bei der Backhefeherstellung.
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Wie zum Einführen von Gasen in Flüssigkeiten, so eignen sich die
Vorrichtungen gemäß der Erfindung auch dazu, miteinander nicht oder beschränkt mischbare
Flüssigkeiten ineinander zu verteilen und in innige Wechselwirkung zu bringen.
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Die Trennwand, durch die die eine Komponente in die andere eingeführt
wird, weist mehrseitige oder runde Prismen, z. B. Drähte beliebigen Querschnitts,
auf, die parallel zueinander so in Bündel gefaßt oder aneinandergereiht sind, daß
zwischen ihren sich berührenden Oberflächen Kanäle von spitzwinkligem Querschnitt
gebildet werden. Dabei ist wesentlich. daß an den Austrittsstellen der Kanäle über
diese Jiinausragende Fiihrungen für die einzuführenden Komponenten vorgesehen sind.
Durch diese Anordnung wird vermieden, daß sich die zu verteilenden Stoffe, z. B.
die Gasbläschen, vorzeitig wieder vereinigen.
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Solche Führungen können durch mannigfaltige Mittel gebildet werden,
vorzugsweise werden sie gemäß der Erfindung dadurch geschaffen, daß die Enden der
einzelnen prismatischen Körper, z. B. der Drähte, in verschiedenen Ebenen liegen,
so daß die höher ragenden Körper gegenüber den benachbarten vorstehenden Führungen
für die aus den Kanälen austretenden Stoffe bilden. Die parallel zueinander verlaufenden
prismatischen Körper, vorzugsweise in Form von Drähten, können reihenweise angeordnet
sein, und zwischen den einzelnen Reihen können über die Enden der prismatischen
Körper hinausragenden Führungskörper für die austretenden Stoffe vorgesehen sein.
Beispielsweise ist es möglich, die Trennwand mit Kanälen und Führungen dadurch herzustellen,
daß der massive Führungskörper mit in den einzelne Windungen sich. berührenden Drähten
um -wickelt und das so gebildete Element in einem Träger. einem Rahmen oder einer
Platte angeordnet wird. Die aus Prismen, z.B. Drähte ten, zusammengesetzten Elemente
können auch aus einem massiven Führungskörper und einer Anzahl klammerartig geformter
und sich gegenseitig berührender Drähte bestehen. Die sich gegenseitig berührenden
Prismen können auch als federnde, gebogene Streifen ausgebildet sein, deren einander
gegenüberstehende freie Enden an dem zwischen ihnen befindlichen Führungskörper
anliegen.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung können in den Trägern
konische Ausnehmungen beliebiger Form gebildet werden, die Einsätze aufnehmen, so
daß zwischen den Wandungen der Einsätze und den Ausnehmungen Kanäle gemäß der Erfindung
entstehen.
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Die auf die geschilderte Weise hergestellten Kanäle haben einen solchen
Querschnitt. daß beim Einführen von Gasen in Flüssigkeiten die zu behandelnde Flüssigkeit
in den Kanal einzudringen und sich bei Gasdurchtritt in ihm zu halten vermag. Dadurch,
dali> seine Wandung ganz oder zum Teil von Flüssigkeit bedeckt ist, erhält der
an sich starre Kanal den Charakter einer elastischen Kapillare, was dazu führt,
daß das Gas nicht in From eines Strahles aus dem Kanal berausschießt, um sich erst
dann in der Flüssigkeit in mehr oder weniger feine Bläschen aufzuteilen, sondern
daß Bläschen für Bläschen sich nacheinander vom Kanalausgang abliest.
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Diese erwünschte Wirkung wird wesentlich durch die Führungen unterstützt.
die an den
Austiittsstellen vorgesehen sind und die es wirksam verhindern,
daß sich die aus benachharten Kanälen austretenden Bläschen innerhalb der Flüssigkeit
zu einer größeren Gasblase vereinigen. Die Einhaltung einer be stimmten Gasgeschwindigkeit
in den Durchtrittslçanälen fördert ebenfalls die Bildung feiner Bläschen.
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Die gemäß der Erfindung hergestellten Elemente werden in den Boden
oder die Wandungen eines Brehandlungsblehälters/eingesetzt und können zur Erzielung
einer Ströinung zur Steigerung der Wirkung in dem Behandlungsbehälter entsprechend
der Stärke und der Richtung der gewünschten Strömung verteilt werden. Vorzugsweise
wird die Strömung derart sein, daß ein möglichst großer Teil der Bläschen wiederum
nach dem Behälterboden gerissen wird oder durch Wirbel am Aufsteigen verhindert
wird. Die Körper können auch in beweglichen Einsätzen irn Behandlungsbehälter angeordnet
und diese Einsätze so bewegt werden, daß eine gewünschte Strömung, Wirbelbewegung
oder eine sonstige Flüssigkeitsb:ewegung her vorgerufen oder vergrößert wird. Die
bleschriebienen Vorrichtungen, die sich vorzugsweise zum Einführen von Gasen in
Flüssigkeiten eignen, können auch bei Verfahren benutzt werden, die die innige Vermischung
von Flüssigkeiten zum Ziel haben oder, wenn es sich darum handelt, eine Flüssigkeit
in feinem Strahl in eine andere einzuführen, wile z.B. bei der Kunstscidenfabrikation.
Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung lassen sich ferner bei der Glasfadenherstellung,
beim Filtrieren, bei Abnutschvorgängen, zum Separieren, Zentrifugieren usw. verwenden.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
beispielsweise und schematisch erläutert.
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Fig. 1, 3, 4, 5 und 7 zeigen einige Ausführungsformen im Schnitt,
während Fig. 2 und 6 Teilaufsichten darstellen.
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Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines Einsatzes.
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In Fig. 1 und 2 ist eine Reihe von Drähten a3 - beliebigen Querschnittes
in einem Träger b3 aneinandergereiht. Bei dem dargestellten Ausfiihrungsbeispiel
ist zwischen einlagigen Drahtreihen a3 ein Führungskörper 0 in Form eines Prismas
o. dgl. vorgesehen. Dieser Führungskörper 0 ragt mit seinem oberen Teil über die
oberen Enden der einzelnen Drähte a3 hinaus, so daß für die austretenden Stoffe
längs oberhalb der Austrittsstellen Führungen gebildet werden. Die Drähte n3 liegen
dicht nebeneinander; durch Druck oder durch Anschleifen kann gegebenenfalls eine
Abplattung der Drähte in den Berührungslinien herbeigeführt werden. Die Drähte haben
zweckmäßig einen runden Querschnitt, können jedoch auch einen beliebigen anderen
Querschnitt besitzen und gerade oder gebogene Längsachsen haben. Der Führungskörper
o läßt sich bandförmig gerade oder gebogen, ringförmig oder als Vollzylinder ausführen,
wobei der Träger b3 eine der Form des Führungskörpers o entsprechende Ausnehmung
oder mehrere besitzt. Bedingung ist dabei, daß der Träger b3 den Drähten und dem
Führungskörper 0 den für die Betriebsbedingungenerforderlichen Zusammenhalt gibt.
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Die Anordnung einer besonderen, über die oberen Drahtenden sich erstreckenden
Führung ist dann nicht unbedingt notwendig, wenn man den Drähten a3 eine gegen die
Vertikale geneigte Lage gibt, da durch die Schräganordnung der Drähte das vorstehende
Ende des jeweils benachbarten Drahtes dem austretenden Stoff schon eine hinreichende
Führung geben kann.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Elementes dargestellt,
bei der in einen Träger bA ein Führungskörper ol beliebiger Form eingesetzt ist,
der auf seinem Umfang mit einer Bewicklung von Drähten a4 versehen ist.
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Das Oberende des Körpers ol mit der Drahtwicklung a4 ragt etwas über
die Oberwandung des Trägers b4 hinaus, so daß auch bei dieser Ausführungsform den
austretenden Bläschen zwischen den einzelnen Drahtwindungen eine Führng erteilt
wird.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist der Führungskörper
o2 in einem Träger b5 nicht vollständig mit Draht umwickelt, sondern auf den Führungskörper
sind eine Anzahl von Drahtklammern a5 aufgesetzt, deren Umrißform der Form des Führungskörpers
o2 angepaßt ist.
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Die feste Einspannung der die Kanäle bildenden Teile kann, wie aus
den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, durch eine federnde ersetzt werden, wobei sich
die freien Enden der federnden, mit dem Träger b6 verbundenen Streifen a6 an den
Führungskörper o3 anlegen.
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Diese Ausführung ergibt ein leichtes Gewicht und die Möglichkeit,
die Kanäle durch Abheben der Führungskörper o3 zur Reinigung freizulegen.
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Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist ein Träger b7
mit einer Reihe konischer Ausnehmungen b8 versehen, in denen entsprechende Einsätze
o4 Aufnahme finden, so daß zwischen den Wandungen beider Teile Kanäle o5 gebildet
werden und durch Übrerstehen des einen Teiles Führungen entstehen.
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Als Material für die einzelnen Elemente kann jedweder geeignete Stoff
Verwendung finden; vorzugsweise werden die die Kanäle
formenden
Teile aus einem nichtrostenden Stahl; nichtoxydierbarem Metall oder auch aus Kunstharz
bestehen.
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Zwischen den 13 erührungslinien der einzelnen Drahtiagen aneinander
und mit ihren Trägern bzw. den Führungskörpern werden die etwa dreieckförmigen Kanäle
gebildet, die zum Durchleiten der Gase dienen. Insbesondere in den Winkeln dieser
dreieckförmigen Kanäle kann sich beim Belüften vom Flüssigkeiten die eindringende
Flüssigkeit festhalten und bewirkt trotz des verh ältnismäßig großen Kanalquerschnittes
die erstrebte feine und feinste Bläschenbildung. Beispielsweise erzeugt ein Kanal
mit einem Querschnitt, der eine Kreisfläche von etwa 0,12 mm = 120 µ Durchmesser
flächengleich ist, in Wasser mit mur 0,07 % Alkoholzusatz Bläschen von einer Größenordnung,
wie solche in der gleichen Flüssigkeit nur mit Hilfe von keramischen Diaphragmen
einer Porenweite von 1 bis 25 µ erzeugt werden können.
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Die beschriebenen Körper bzw. deren Einzelelemente zum Einleiten
des Gases werden zweckmäßig in Hohlkörper eingebaut. die mit Gaszuführungen verbunden
sind und ans denen die unter Umständen aus dem Behandlungsbebälter eindringende
Flüssigkeit leicht entfernt werden kann. Ein solcher Hohlkörper in Form eines Belüftungskörpers
mit einer Mehrzahl der beschriebenen Einzelelemente kann fest oder beweglich innerhalb
eines Behälters angeordnet sein oder sich auf seiner Außenseite befinden, derart,
daß diese Körper in den Behälierboden selbst oder auch in Teile der Behälterwandungen
eingesetzt sind. Die Hohlkörper können auf zweckentsprechende Weise bewegt werden.
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Eine Umkehr- bzw. Strömungsbewegung läßt sich auch dadurch erreichen,
daß man die einzelnen Elemente derart innerhalb ein es Behandlungsbehälters verteilt,
daß infolge der Differenz der spezifischen Gewichte der mit Gasbläschen versehenen
und der bläschenarmen Flüssigkeitssäulen die gewünschte Belegung erzeugt wird.
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Eine Mehrzahl von Elementen kann auch zu einem Einsatz vereinigt
werden, von dem eine Ausführungsform in Fig. 8 dargestellt ist. Bei Einsätzen muß
dafür Sorge getragen werden, daß das Gas stets ungehindert an die Durchtrittskanäle
herankommen kann und daß die aus dem Behandlungsbehälter durch die Kanäle hindurchtretende
Flüssigkeit auf schnellstem Wege aus dem Einsatz herausgebracht bzw. abgeführt wird.
Dies wird dadurch erreicht, daß man die Gaszuführung und die Flüssigkeitsabführung
voneinander trennt. In der Fig. 8 bezeichnet 1; die Gaszu führung, q die Flüssigkeitsabführung,
r die trichterförmig gestaltete Wandung des Einsatzes und s die Oherwandung des
Einsatzes mit den Körpern t gemäß der Erfindung zum Durchtritt eines Gases.