WO2001087473A1 - Verfahren und vorrichtung zur physikalisch-chemischen behandlung fluider medien - Google Patents

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Jörg Lehmann
Hans-Peter Stäcker
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Lehmann Joerg
Staecker Hans Peter
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the physico-chemical treatment of fluid media.
  • Fluid media or fluids in the sense of this teaching are gaseous and liquid substances and mixtures of gaseous and / or liquid substances.
  • the process according to the invention leads in the treated fluid to a change in the surface tension and the viscosity of the fluid, to mechanical comminution and destruction of organic or / and inorganic substances contained in a fluid, microorganisms such as, for example, germs, bacteria, fungi or algae and to chemical oxidation or Reduction of carried substances and substance combinations.
  • the device according to the invention carries out the method according to the invention quickly, inexpensively, space-saving and environmentally friendly.
  • Fluids treated with the method according to the invention or with the device according to the invention can be used in all areas of daily life.
  • the most important areas of application are industry, trade, private households, food production, agriculture and forestry, waste and disposal management, cleaning technology, disinfection, preservation, mechanical engineering, electronics, medicine and therapy, construction industry, energy technology.
  • treated water can only be stored to a limited extent, since it returns to its original state after a relatively short time.
  • Devices for mechanical cleaning of liquids or gases are e.g. known from AT 272 278 and DE 195 25 920.
  • the basis of these devices is the use of a reaction chamber, in which water or exhaust gases are injected tangentially, rotating to the lower end of the chamber, with reaction components being added via openings in the lower apex of the device and the reaction components being countered by an outlet pipe at the lower end of the reaction chamber leave the chamber again in the previous direction of flow.
  • water is supplied to the chamber, for example.
  • a wandering vortex is formed along the chamber wall with the tip pointing downwards.
  • this vortex is mixed with a reactant via one or more coaxially arranged nozzles and subsequently moves as a spiral on the inside in the opposite direction in an elongated outlet pipe and in this in cycloidal movements upwards.
  • water in cycloidal movements can have the ability under certain circumstances to enable syntheses of various types.
  • the reactions according to AT 272 278 begin at the lower apex and continue in the discharge tube under cycloidal movements.
  • AT 272 278 it is advantageous for the reaction that secondary air is sucked in for the reaction through an “inner central suction vortex”.
  • Such vortex formation includes also known for cyclones or centrifuges and to a small extent promote chemical reactions in the medium.
  • DE 195 25 920 describes a supplement to the device from AT 272 278, in which the medium to be cleaned flows alternately up and down through interconnected inlet pipes and then after the outlet from the chamber into a pipe labyrinth for sedimentation or for trapping the condensed waste products is passed.
  • Disadvantages of these devices are the complicated design, the unwieldiness for a targeted technical use, the poor adjustability and, consequently, the poor reproducibility of the results.
  • the object of the invention is to provide an environmentally friendly method for the physico-chemical treatment of fluid media for the degradation of organic and inorganic constituents of fluid media, the killing of microorganisms such as bacteria, fungi, germs, algae etc., comminution of long-chain molecular compounds and degradation by chemical reactions , Changing the viscosity and / or the surface tension of fluids and a device for performing the method.
  • the object is achieved in that energy is supplied to the fluid to be treated in that at least two volume flows of the fluid at high speed with the same direction of the flows in the form of a translational and / or rotational movement at different speeds or with opposite flow directions Freely selectable or, if necessary, the same speed are touching one another or one another in such a way that there is high friction between the two layers and high centrifugal forces in the individual volume flows.
  • Further refinements of the method according to the invention include the features of subordinate claims 2 to 10.
  • the volume flows are preferably guided as a positive guide in a pipe or container system in such a way that the volume flows can be rotated and translated at the same time.
  • the volume flows can come from different sources or can be created by dividing a volume flow into two partial volume flows.
  • the partial volume flows can alternatively also be generated by deflecting a volume flow, so that the physico-chemical processes take place between two sections of the same volume flow.
  • the speed of the volume flows is to be selected such that a turbulent boundary layer can form in terms of flow technology and the volume flows have a high speed difference from one another.
  • the volume flows are to be generated in such a way that, owing to the flow velocity, swirling and mixing between the two boundary layers can only build up in the turbulent boundary layer.
  • the individual volume flows themselves can exist as a laminar or a turbulent flow from the boundary layer.
  • a combination of translational movement and simultaneous rotational movement is preferably selected such that the volume flows touch in the opposite direction or a volume flow is deflected such that the part moving in the direction of the outlet has a direction of movement opposite to the direction of the inlet.
  • the choice of the speed of the volume flow depends on the medium being treated and, depending on the primary purpose of the treatment, can be determined from the strength of the secondary valence bond or the strength of the molecules.
  • the centrifugal force and / or the translational force must be selected so that at least some of the secondary valence bonds are broken, the substance compounds and molecular chains of the foreign substances are broken and these are mechanically destroyed or comminuted or / and the existing foreign substances or the atoms, Molecules or molecular compounds of the fluid medium are at least partially ionized or radicalized.
  • material separation can be achieved in each individual volume flow due to the different specific weights of the substances in the fluid medium, which separation is intensified during the translational and rotational movement.
  • the fluid or fluid mixture treated according to the invention maintains its surface relaxed state or the changed viscosity over a long period of time. Carried substances are released from the lattice structure of the fluid medium and / or separated from the medium by centrifugal force due to the different specific substance weights and can then be sedimented
  • organic substances, substances or combinations of substances, plant or other organic organisms are characterized by their own inertia due to the different specific weights and the high translational and / or centrifugal force destroyed.
  • the quantity and quality of this mechanical destruction and comminution can be adjusted by changing the speeds depending on the fluid and foreign substances present. It depends on the resistance to mechanical loads of the foreign substances.
  • the foreign substances destroyed in this way can then be filtered out, sedimented or otherwise bound.
  • radicals can be formed by splitting molecules or / and adding atoms or molecules.
  • ions or radicals are chemically high affinity products and react immediately to achieve a stable atomic energy state with other atoms, molecules or molecular compounds of the fluid, the foreign substances carried or added or with one another with the formation of corresponding oxidation or reduction products.
  • a device is selected according to the invention which has at least one inlet and one outlet and the possibility of targeted metering of addition substances, which can be in gaseous form or as a liquid or as solids, and the length of the contact zone between the two volume flows is completely mixed from the resulting frictional resistance of the volume flows and the associated loss of energy.
  • the device is designed so that the flow resistance can be adjusted by adjusting the inlet, the addition medium and the device itself.
  • a fluid reactor system with the features according to claim 10 is solved as a device for the physical-chemical treatment of fluid media.
  • Advantageous embodiments of the invention include the features according to claims 11 to 27.
  • the fluid reactor system consists of a housing with a rotationally symmetrical, in the longitudinal section heart-shaped cavity (the reaction chamber), one or more inflows connected to the reaction chamber and an outflow for the medium to be treated, an inflow for an addition medium and peripheral components such as hoses or pipes for media transport , Valves, flow dividers, pretreatment unit.
  • the housing there is a rotationally symmetrical cavity with at least one media inflow and at least one media outflow pipe.
  • the cavity and the inflow and outflow openings are designed and arranged with respect to one another such that, when flowing through the cavity from the inlet to the outlet opening, the fluid to be treated has the greatest possible size, generated by friction between the individual flow layers and with the wall of the cavity Shear stresses are generated.
  • the housing has at least one media inflow with an inflow opening opening into the cavity.
  • the media inflow (s) are expediently arranged such that the fluid to be treated is tangential to the lateral surface of the cavity in the cross section of the inflow opening and with falling inflow. direction enters the cavity.
  • the housing has a centrally arranged drainage duct, which is preferably guided in the direction of the longitudinal axis of the cavity and thereby coincident with it through the wall of the housing.
  • a drain pipe is inserted into the cavity almost to the lower end thereof, the drain pipe being slidably mounted in the drain passage, so that the distance between the mouth of the drain pipe and the lower end of the cavity is adjustable.
  • the drain pipe is designed as a Laval nozzle in the area near the mouth.
  • the contour of the cavity resembles that of a heart.
  • an inflow with one or more openings opening into the cavity for a second medium is arranged centrally, the outlet of which expediently projects into the interior of the cavity in the form of a tubular extension of the housing material.
  • the tubular extension results constructively from the peg which arises from the contour reversal of the cavity and protrudes from the bottom of the cavity.
  • this is provided with one or more bores which are made parallel to the imaginary longitudinal axis of the cavity.
  • the inflow for the addition medium can be designed analogously to the drain pipe as a separate component that is displaceable relative to the reactor housing in the direction of the imaginary longitudinal axis of the cavity.
  • the function of the device according to the invention is essentially based on the initial ization of chemical reactions by creating suitable pressure conditions in front of the drain pipe, on the centrifugal and centripetal forces acting on components of different weights in the flowing medium, and on the frictional forces caused by shear stresses between flow layers of different speeds.
  • the constructive design of the invention is chosen so that the medium is given a speed with the highest possible maximum value and the largest possible gradient in the radial direction when flowing through the reaction chamber under a defined dynamic pressure.
  • a cyclone is generated in the medium to be treated, during which the volume flow experiences a speed which is dependent on the radius and increases overall in the longitudinal direction.
  • the flow conditions required to produce the strongest possible centrifuge effect and the greatest possible shear stresses in the fluid to be treated are achieved by the structural design of the reactor.
  • the volume flow of the medium to be treated is directed through the contour of the cavity of the reactor in such a way that a cyclone forms in the descending branch of the flow (that is, between the media inflow and the outlet of the media outflow).
  • the flow velocity in the cyclone has a strong gradient across its cross section in the radial direction.
  • a grinding effect is also achieved.
  • the high speed difference between the volume flow and the wall of the reaction chamber leads to Separation of solid components such as bacteria, algae and other microorganisms.
  • the resulting debris is then broken down chemically.
  • the cross section of the reaction chamber tapers on the way from the media inflow to the media outflow so that the cyclone flow is greatly accelerated.
  • the thereby increasing kinetic energy of the elementary particles of the medium leads to an increase in the reactivity.
  • the current flowing in a falling helix is diverted to the center of the flow and there in an ascending direction.
  • this area there is a strong centrifuge effect because the inorganic or / and organic contaminants carried as suspended particles are driven from the center of the cyclone to its edge due to their higher weights, while dissolved gaseous components due to their lower weights from the edge of the cyclone to its center to be driven.
  • the strength of the effects described and thus the effectiveness of the device according to the invention are dependent on pressure, speed and temperature.
  • the heart-shaped inner contour of the reaction chamber causes the volume flow in the cyclone to be accelerated to such an extent that the biological, physical and chemical processes taking place in the medium are also accelerated.
  • Extensive tests with different inner contours and settings of the process parameters showed that when using a heart-shaped inner contour in connection with the setting of media-specific variable parameters such as volume flow, flow pressure and dynamic pressure of the medium to be treated, type and quantity of the addition medium, contour of the Laval nozzle and position of the addition medium inflow and the outflow of media to one another and media temperature, optimal results can be achieved.
  • the medium in the drain pipe is greatly accelerated and relaxed, as a result of which the vapor pressure in the core area can be reached or undercut in the case of liquids, and a flow with in the core and edge area very different speeds arise.
  • a hollow vortex is created, in the center of which a core of lighter fluid is formed than in the rest of the flow field.
  • vortex flows with vortex filament or vortex tube or, depending on the type of medium a rotation-free vortex with vortex core, also known as potential vortex, are generated. Shear stresses in the flowing medium are again achieved, which further promote the physical and chemical processes.
  • the required high and strongly gradient velocities are generated in the medium. These are used to achieve the physical effects, i.e. needed for breaking solid components and rearranging molecular bonds, and for triggering and accelerating chemical processes by supplying energy.
  • reaction rate is significantly increased. This can be increased again by catalytically acting coating of the media-carrying parts of the device, and / or by changing the temperature.
  • Fig. 2 shows the fluid reactor system
  • Fig. 4 shows the fluid reactor system with an integrated control
  • Fig. 1 shows the basic structure of the reaction chamber of the device according to the invention in cross section (view B-B) and in longitudinal section (view A-A).
  • a housing (1) there is a rotationally symmetrical, in the longitudinal section heart-shaped cavity (2) which serves as a reaction chamber.
  • a media drain pipe (4) for the medium to be treated
  • an addition media inflow (5) and peripheral components such as hoses or pipes (6) for the media transport.
  • the reaction chamber, the media inflows (3) and the media drain pipe (4) are designed and arranged in such a way that in the fluid to be treated when flowing through the cavity (2) from the inlet to the outlet opening as large as possible, by friction of the individual flow layers with one another and generated shear stresses with the wall of the cavity (2).
  • the reaction chamber is a cavity (2) of the housing (1) which is rotationally symmetrical in the installed position with respect to the imaginary longitudinal axis and which has in its upper part laterally at least one media inflow (3) with an inflow opening opening into the cavity (2).
  • the media inflow (s) (3) are expediently arranged such that the fluid to be treated in the cross section of the inflow opening enters the cavity (2) tangentially to the lateral surface of the cavity (2) and with a falling inflow direction.
  • the housing (1) has a centrally arranged bore, which preferably extends in the direction of the longitudinal axis of the cavity (2). and is thus coincident with it through the wall of the housing (1).
  • a media drain pipe (4) is inserted into the cavity (2) almost to the lower end thereof, the media drain pipe (4) being slidably mounted in the bore, so that the distance between the mouth of the media drain pipe (4) and the lower end of the cavity (2) is adjustable.
  • the media drain pipe (4) is designed as a Laval nozzle (7) in the area near the mouth.
  • the contour of the cavity (2) is similar in longitudinal section to that of a heart.
  • the radius of the cross section of the cavity (2) initially increases degressively along the longitudinal axis, the origin of which is intended at the upper boundary of the cavity (2), until the tangent to the contour of the longitudinal section of the cavity (2) runs parallel to this longitudinal axis. This point is reached at about 1/4 to 1/3 of the total length of the imaginary longitudinal axis of the cavity (2).
  • the radius of the cross section of the cavity (2) reaches its maximum value here.
  • the radius of the cross section initially progressively decreases with increasing longitudinal coordinate to a longitudinal coordinate that corresponds to approximately 2/3 to 3/4 of the total length of the longitudinal axis.
  • the radius of the cross section of the cavity (2) then decreases degressively, that is to say the contour of the longitudinal section of the cavity (2) approaches asymptotically to a line parallel to the imaginary longitudinal axis.
  • the end of the heart-shaped cavity (2) forms an arcuate contour that reverses the contour, that is, the contour of the cavity (2) now runs parallel to the imaginary longitudinal axis vertically upwards in the direction of the bore.
  • the cross section of the cavity (2) has an inner and an outer radius.
  • the inner radius forms the outer surface of a pin (8) protruding from the bottom of the cavity.
  • an addition medium inflow (5) with one or more openings at the end of the tubular pin (8) opening into the cavity (2) is arranged centrally.
  • the addition media inflow (5) is designed analogously to the media outflow pipe (4) as a separate component which is displaceable with respect to the housing (1) in the direction of the imaginary longitudinal axis of the cavity (2).
  • FIG 2 shows the basic structure of the fluid reactor system according to the invention.
  • the medium to be treated is fed to the reaction chamber via a main connection line (9).
  • a control valve (10) is arranged in the main connecting line (9) to control the volume flow.
  • the main connecting line (9) is then followed by measured value recorders (11) for recording process-relevant measurement data such as pressure, temperature, volume flow, composition of the medium or chemical and / or biological loads.
  • These measuring devices can be designed such that, in addition to the visual measurement value output on suitable output units (12), the measurement values are also made available continuously or discontinuously for subsequent control or regulating processes.
  • an addition device (13) for metering addition media such as air, oxygen, ozone, H 2 O, which are to be provided as reaction components.
  • the introduction of the addition medium into the addition device (13) can advantageously take place through an injection nozzle in such a way that due to technical vacuum conditions in the main connection line (9) the additional medium is sucked in.
  • a blocking device such as e.g. a check valve (14) is used.
  • a fine control valve (15b) is also located in the feed line of the addition medium for manual or automatic metering of the addition medium.
  • the addition medium is gaseous and an oxidizing agent, such as oxygen or air, this can be ionized by an upstream pretreatment device (16b) or to form radicals such as e.g. Ozone to be converted.
  • an oxidizing agent such as oxygen or air
  • a compressor device (17) can be integrated in the feed line of the addition medium or upstream of the pre-treatment device (16b).
  • the volume flow of the medium to be treated is divided into two or more partial volume flows, which are led to the reaction chamber (2) in separate feed pipes (6). It is advantageous to use flow dividers (18) which have an expansion angle of less than 120 ° in order to optimize the flow conditions and to reduce pressure losses.
  • the inlet pipes (6) lead the medium to be treated to the housing (1), where it enters the media inflows (3). These flow into the cavity (2) tangentially to the cross section of the cavity (2) with the flow direction inclined to the lower vertex of the reaction chamber. As a result, the medium to be treated is guided in a downward helical line from the media inflows (3) to the mouth of the media discharge pipe (4). Since the chemical reactions take place due to the high pressure in the cavity (2) itself and the media drain pipe (4) with the typical cycloid suction vortex formation thereby only functions as an after-reaction and a continuous process outlet, the formation of a high dynamic pressure in the cavity (2) itself necessary.
  • the media drain pipe (4) itself is designed in its lower part as a Laval nozzle (7) and projects axially adjustable into the cavity (2).
  • the media drain pipe (4) consists of two or more parts connected to one another, the upper visible part protruding from the housing (1) being designed as a viewing pipe (19) made of transparent material and the lower part being a Laval nozzle (7).
  • the media drain pipe (4) is adjusted axially by a mechanical adjustment unit.
  • the media drain pipe (4) is accommodated in an axial bearing (21a) which is fixedly connected to the housing (1) or is fixed relative thereto so that axial adjustment is possible during operation without the position of the interface between the housing (1) imd the pipeline of the main connecting line (9) changes. This makes it possible to adapt the operating parameters at any time and without great effort;
  • the media for the chemical after-reaction in the media drain pipe (4) can also be done by pressure or advantageously by using the negative pressure in the Laval nozzle (7).
  • the addition media feed (5) is adjustable so that the position of the interface between the housing (1) and the pipe of the drain pipe remains unchanged during adjustment work remains.
  • the adjustment mechanism of the lower addition media inflow (5) is designed in such a way that an adjustment or regulation to the optimum negative pressure point into the media drain pipe (4) is made possible.
  • the addition medium inflow (5) is displaceably mounted in an axial bearing (21b) which is fixed to the housing (1) or is fixed relative thereto. The setting can be done manually or via a control algorithm using the adjustment unit.
  • a check valve (14) and a fine control valve (15a) for manual or automatic metering of the addition medium are used in the feed line of the addition medium to prevent the medium to be treated from escaping unintentionally.
  • the addition medium is gaseous and an oxidizing agent such as oxygen or air, it can be ionized by an upstream pretreatment device (16a) or to form radicals such as e.g. Ozone to be converted.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the invention.
  • the use of a fluid reactor system according to the invention in a media circuit with a separate storage tank (23) is shown.
  • the area enclosed by the chain line corresponds to the illustration in FIG. 2.
  • reference numerals in this area in FIG. 3 reference is therefore made to the corresponding information in FIG. 2.
  • the nominal size of the main connection line (9) is 25 mm.
  • a control valve (10) is used for volume flow control. After the control valve (10) there is a manometer as a measured value receiver (11) with an integrated output unit (12) and subsequently an addition device (13) in the form of an injector nozzle.
  • the feed device (13) automatically sucks in an oxidizing agent, in this case ambient air, due to the negative pressure in the main connecting line (9).
  • an oxidizing agent in this case ambient air
  • To prevent setbacks of the medium to be treated in the suction line provide them with a check valve (14).
  • the volume flow of the oxidizing agent is adjusted via a fine control valve (15b).
  • Ambient air is expediently used as the oxidizing agent, which is conditioned by a controllable ionization unit which serves as a pretreatment device (16b).
  • a controllable ionization unit which serves as a pretreatment device (16b).
  • the volume flow is led through a Y-piece as a flow divider (18) with a leg angle of the outgoing legs of 45 ° into two partial streams of the same size.
  • the feed into the reaction chamber takes place via two media inflows (3) opening tangentially into the cavity (2), offset by 180 ° and at an axial angle of 15 ° to the longitudinal axis of the cavity (2).
  • the largest diameter of the cavity (2) is 136 mm.
  • the smallest diameter of the cavity (2) is 64 mm.
  • the outside diameter of the media drain pipe (4) is 36 mm. - These dimensions result in a cross-sectional ratio of 4300 mm 2 : 700 mm 2 , ie the largest cross-section of the reaction chamber is more than six times as large as the smallest chamber cross-section. This achieves the acceleration of the volume flow in the cyclone which is required for an effective reaction process.
  • the media drain pipe (4) is divided into three parts; formed in the lower area as a replaceable Laval nozzle with the smallest diameter of 15 mm.
  • the upper part consists of a transparent, changeable plastic tube with a nominal width of 25 mm.
  • the middle section has the same nominal size.
  • the entire media drain pipe (4) is adjustable in the housing (1) on the one hand and on the other hand in a sealing axial bearing (21a) firmly connected to the housing (1).
  • the axial bearing (21a) is provided with an auxiliary device, in this case a hexagon with a standard wrench size.
  • ne screw connection (24) via which the device is connected to the user's piping system.
  • This addition media inflow (5) is designed as an axially adjustable tube and projects through the wall of the housing (1) into the cavity (2) and into the Laval nozzle (7).
  • the feed line to the addition medium inflow (5) is provided with a check valve (14). The volume flow of the oxidizing agent is adjusted via a fine control valve (15a).
  • ambient air is also used here as the oxidizing agent, which is processed via a controllable ionization unit which serves as a pretreatment device (16b).
  • a volume flow pump (25) with a nominal pressure of 4 bar is used to achieve the necessary pressure.
  • the entire device is in a separate circuit on a storage container (23) with a free outlet (26), i.e. installed in the system without back pressure on the discharge side.
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment of the invention.
  • the device according to the invention is supplemented by a control device (27) for the entire reaction process.
  • the area enclosed by the chain line corresponds to the illustration in FIG. 2.
  • FIG. 2 For reasons of clarity, not all components of the device are provided with reference numerals in this area in FIG. 4, reference is therefore made to the corresponding information in FIG. 2.
  • the recorded measurement data are processed in a computing algorithm on the basis of basic chemical laws and corresponding manipulated variables to the external volume flow pump (25), the control valve (10), the fine control valve (15a) of the media addition into the housing (1), the fine control valve (15b) of the media addition into the main connection line (9), the adjustment unit (20a) of the media drain pipe (4), the adjustment unit (20b) of the addition media inflow (5), the pretreatment device (16a) of the addition media feed line to the housing (1) and the pretreatment device (16b) of the addition media feed line to the main connection line (9).
  • the dynamic pressure can be regulated freely in accordance with the desired chemical reactions and reaction products according to a predetermined algorithm.
  • the corresponding input variables for a control are determined via measured value recorders (28) in the drain line (22) of the device or on the media drain pipe (4) or on a subsequent storage tank (23) or via feedback.
  • the desired result of the reaction is used as a reference variable using a specific algorithm based on known basic chemical laws and device parameters or a comparison value, which can also be detected at the input of the controlled system.
  • Embodiment 1 Preparation of lubricating oil emulsions So-called cooling or lubricating oil emulsions and suspensions are often used in open circuits in mechanical and plant engineering and metal production. These are water-oil mixtures with an oil content of 2-3%. These lubricating oil emulsions are used on the one hand to cool open bearings or, for example, to cool and lubricate during machining tasks such as drilling or turning.
  • Such emulsions or suspensions form an excellent nutrient-based basis for germs, bacteria and fungi, so that they are attacked by putrefactive processes after a short time and represent an extremely high odor pollution in the production facilities.
  • small amounts of highly toxic biocides have also been added to the emulsions to date.
  • a short-term reduction usually only 3-5 days
  • the burden can be recorded with low satisfaction.
  • the microorganisms thus fought are only killed and their remnants collect in the circulation, which in turn represents the nutrient basis for other germs and bacteria, and additional chemical loads in the emulsion arise through decomposition processes.
  • Another disadvantage is that the necessary frequent renewal and disposal of the emulsions results in a high operating cost burden.
  • the bacterial counts in the emulsions were reduced from 6,500,000 CFU (nucleating units) to 500,000 CFU in just two hours and the odor load due to existing organic compounds from putrefaction processes was reduced below the odor threshold.
  • the killed germs are no longer detectable as dead residual products in the emulsion.
  • the lubrication performance has been improved by 30%.
  • the addition of biocides or other chemicals was no longer necessary.
  • the service life of the emulsion could be increased 14 times.
  • the device was operated in an open circuit. From the storage tank of the lubricating oil emulsion, this was pumped with a delivery rate of 10 mVh and a pressure of 3.5 bar over a main inlet diameter of 34 mm pumped continuously. Due to the geometric conditions in the cavity and the media drain pipe with its smallest diameter in the Laval nozzle area of 16 mm and in connection with the delivery rates of the pump, a corresponding back pressure or reaction pressure is built up in the device. The high flow speed and speed of the volume flow in the device of over 60 revolutions / s causes mechanical destruction of existing organisms, so that the reaction surface of the organic compounds increases. In conjunction with the atmospheric oxygen dissolved in the water and additionally supplied, the chemical oxidation process is initiated and accelerated in the cavity under pressure. In addition, organic compounds located in the existing vortex thread are oxidized in the media drain pipe by adding atmospheric oxygen. After the media drain pipe, the treated water is returned to the storage tank.
  • Embodiment 2 drinking water disinfection
  • the change in viscosity and surface tension means that the entire pipe network is cleaned so that other oxidizable foreign substances are broken down and mineral deposits are rinsed out due to the improved capillary properties of the water , A sustainable renovation of the pipe and drinking water network takes place.
  • the device was pressurized with the existing network pressure of 4 bar via a bypass.
  • the flow rate was 12 m 3 / h
  • the main inlet diameter was 34 mm
  • the smallest diameter in the media drain pipe was 16.8 mm.
  • This gave the necessary high flow speed and speed in the cavity of 70 revolutions / s for the mechanical comminution of the organic components and a sufficiently high reaction pressure for the accelerated degradation of hydrocarbon compounds, in particular protein compounds and amines by chemical cold oxidation with the oxygen in the water dissolved in the water ,
  • the last remaining germ residues were oxidized by adding ionized atmospheric oxygen to the vortex filament via self-suction.
  • the water was fed back into the drinking water circuit by means of a pump downstream of the device in order to overcome the existing network pressure. After completion of a basic cleaning, an intermittent operation of the device was sufficient to maintain a stable, aseptic state of the drinking water network.
  • Embodiment 3 water treatment in industrial washing plants
  • washing systems are used extensively in industry and commerce. These range from vehicle washing systems such as truck or rail washing systems to machine or parts cleaning systems. In order to achieve the desired cleaning effect on the product in all these systems, large amounts of cleaning agents are required, which, among other things, reduce the surface tension or viscosity and use them for the cleaning process. In addition to the necessary after-treatment of the products by rinsing with clear water, these processes are very cost-intensive in terms of maintaining and operating the systems and disposing of the waste products. The consumption of fresh water is very high due to the limited cleaning effect of these processes.
  • the washing performance was improved in such a way that, in connection with the use of demineralized water, cleaning additives in a parts washing system could be dispensed with entirely.
  • reaction products are CO 2 and HO.
  • the high centrifugal and shear forces in the system cause a change in the structure of the secondary valence bonds of the water in such a way that the water molecules rearrange themselves with changes in viscosity and surface tension.
  • the surface tension was reduced by more than 15% from 0.073 N / m to 0.062 N / m.
  • Embodiment 4 pretreatment of industrial waste water
  • the use of the device according to the invention led to a reduction in the COD values from 2,400 to less than 330 within 3 hours, so that this industrial wastewater could be fed to a further treatment by biological processes.
  • the delivery pressure applied on the pump side was 8 bar and the speed of the fluid in the cavity was over 110 revolutions / s. This was a sufficiently high reaction pressure for oxidations of aromas and esters.
  • air was added to the fluid, the oxygen content of which had previously been radicalized to ozone.
  • the temperature of the fluid in front of and in the cavity was increased. The temperature increase by 10 K each doubled the reaction rate.
  • Municipal wastewater is treated in wastewater treatment plants in such a way that, in addition to the treated wastewater, a large amount of sewage sludge is no longer usable.
  • This sewage sludge must be thickened for disposal and then sent to landfill sites, for incineration in appropriate plants or in individual cases for fertilization on agricultural land.
  • Such processes are expensive due to the high amount of sewage sludge and their sometimes extremely harmful composition.
  • such sludges which consist of individual flakes, were treated in such a way that up to 98% of these organic constituents were no longer optically comminuted.
  • the degree of sludge digestion is determined from the oxygen consumption rate and resulted in a digestion of the sludge flakes of over 70% to 98% after two hours of treatment.
  • the BOD and COD value which was subsequently reduced by more than 50% after several treatments, reached the values which are compatible with the environment and approved so that the water treated in this way can be discharged directly into nature.
  • the device used was operated in an open circuit, ie from a storage tank was a powerful pump with an output of over 4 bar and a delivery volume of max. 80 m 3 / h the still pumpable sludge water fed to the device. Before reaching the cavity, outside air, the oxygen content of which had been radicalized and ionized by appropriate pretreatment, was added to the volume flow.
  • the reaction took place under ambient temperature and high pressure, which results from the geometric conditions in the cavity and the inlet widths.
  • the media drain pipe which has a diameter of 24 mm in the narrowest cross section and widened to 41 mm, additionally treated atmospheric oxygen was also added to the vortex core, which resulted in a post-reaction in the form of oxidation processes and thus an improved efficiency of the device.
  • the water treated in this way was returned to the storage tank without pressure.
  • Embodiment 6 pretreatment of fuels based on vegetable oils
  • Liquid fuels especially vegetable oils such as rapeseed or sunflower oil, are unsuitable for use in modern internal combustion engines in their original form.
  • the reason for this are chemical compounds that tend to resinify, and in particular the high viscosity and viscosity, which make conveyance to the combustion chamber almost impossible.
  • Conventional petroleum-based fuels must also be processed sensibly.
  • oils obtained from plants are processed for use as fuel, they are admixed with them in order to dilute and bind undesirable chemical compounds “thinners” or liquefiers, such as methyl compounds, for combustion.
  • these oils can be used as fuel for diesel engines
  • Another form of liquefaction consists in lowering the viscosity of these fuels by heating them in front of the combustion chamber, ie making them more flowable.
  • the treatment of these vegetable oils with the device according to the invention resulted in a permanent change in viscosity and thus liquefaction, which persisted even at temperatures below 0 ° C.
  • the flow behavior has been improved by approx. 50 - 70% compared to the original product.
  • the treatment output of the device is defined as 20 m 3 / h as the starting measure for the treatment.
  • the oil was fed into the cavity of the device with a powerful pump of more than 6 bar via the main inlet with the addition of ionized or radicalized atmospheric oxygen.
  • An additional temperature increase of at least 10 K improved subsequent oxidation processes of unwanted chemical substances and increased the reaction rate by over 100%.
  • the inlet with 40 mm and the media drain pipe with its diameter tapered to 12 mm in the Laval nozzle, which extends to 28 mm on the outlet side speeds of the fluid in the cavity of over 180 revolutions / s as well as a high reaction pressure for the oxidation processes taking place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien mit dem Ziel der Änderung der Oberflächenspannung und der Viskosität des Fluids, zur mechanischen Zerkleinerung und Zerstörung von in einem Fluid enthaltenen organischen oder/und anorganischen Stoffen, Mikroorganismen wie biespielsweise Keimen, Bakterien, Pilzen oder Algen und zur chemischen Oxidation oder Reduktion von mitgeführten Stoffen und Stoffverbindungen. In dem erfindungsgemässen Verfahren wird dem zu behandelnden Fluid Energie dadurch zugeführt, dass mindestens zwei Volumenströme des Fluids mit hoher Geschwindigkeit bei Richtungsgleichheit der Strömungen in Form einer Translations- oder/und Rotationsbewegung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder bei jeweils gegenläufiger Strömungsrichtung mit frei wählbarer oder gegebenenfalls gleicher Geschwindigkeit sich flächig berührend ineinander oder aneinander so geführt werden, dass eine hohe Reibung zwischen beiden Schichten sowie hohe Zentrifugalkräfte in den einzelnen Volumenströmen entstehen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung führt das erfindungsgemässe Verfahren schnell, kostengünstig, platzsparend und umweltfreundlich durch.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien. Als fluide Medien bzw. Fluide im Sinne dieser Lehre sind gasförmige und flüssige Stoffe und Gemische aus gasförmigen oder/und flüssigen Stoffen zu verstehen.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren führt in dem behandelten Fluid zur Änderung der Oberflächenspannung und der Viskosität des Fluids, zur mechanischen Zerkleinerung und Zerstörung von in einem Fluid enthaltenen organischen oder/und anorganischen Stoffen, Mikroorganismen wie beispielsweise Keimen, Bakterien, Pilzen oder Algen und zur chemischen Oxidation oder Reduktion von mitgeführten Stoffen und Stoffverbindungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt das erfindungsgemäße Verfahren schnell, kostengünstig, platzsparend und umweltfreundlich durch.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelte Fluide, wie beispielsweise Wasser oder Brennstoffe, sind in allen Bereichen des täglichen Lebens einsetzbar. Wichtigste Einsatzgebiete sind Industrie, Gewerbe, privater Haushalt, Lebensmittelherstellung, Land- und Forstwirtschaft, Abfall- und Entsorgungswirtschaft, Reinigungstechnik, Entkeimung, Konservierung, Maschinenbau, Elektronik, Medizin und Therapie, Bauindustrie, Energietechnik.
Bislang wurden Änderungen von Oberflächenspannungen oder Viskositäten in Fluiden dadurch erreicht, daß beispielsweise bei Wasser entweder entsprechende chemische Substanzen zugegeben wurden oder über physikalische Methoden, wie Behandlung durch Permanentmagneten oder Elektromagneten, durch welche sich das Fluid bewegt, eine Reduzierung eintrat. Der Einsatz beispielsweise oberflächenentspannten Wassers reicht von Waschlaugen zur Reinigung über Bauindustrie zur Betonherstellung, der Montanindustrie oder Ölför- derung zur Verpressung in porösen Gesteinsschichten bis hin zu Wärmeübertragern oder Kühlsystemen. Die Verwendung von ausschließlich chemischen Substanzen bedingt bei vielen Prozessen in der Industrie eine Nachbehandlung der mit diesem Wasser bzw. Lauge in Berührung gekommenen Teilen, d.h. eine ausgiebige Spülung, wobei wiederum große Wasserressourcen verbraucht werden. Zudem ist die Beseitigung des anfallenden Abwassers aufwendig und zeitintensiv.
Physikalische Systeme haben demgegenüber eine natürliche Grenze der Oberflächenentspannung beispielsweise bei Wasser von 8-12 %. Zudem ist dadurch behandeltes Wasser nur begrenzt speicherfähig, da es nach verhältnismäßig kurzer Zeit seinen ursprünglichen Zustand wieder einnimmt.
Bislang wurden Fremdstoffe anorganischer oder organischer Form in Fluiden durch Filtration bis zu einer bestimmten Größe aus dem Fluid getrennt. Andere Verfahren sehen durch Zugabe von chemischen oder biologischen Reaktionskomponenten eine chemische Reaktion vor, so daß die daraus entstehenden Abprodukte ausgefällt und auf mechanische Weise aus dem Fluid entfernt werden können. Weitere Verfahren zerstören mit hohem energetischen Aufwand, wie z.B. durch Ultraschall, vorhandene Strukturen und zerkleinern diese bis zu einem bestimmten Wirkungsgrad. Allen diesen Verfahren ist anhängig, daß neben dem Energieverbrauch ein verhältnismäßig hoher geräte- technischer Aufwand nötig und in den meisten Fällen mehrere Prozeßstufen zum Erreichen des gewünschten Ergebnisses notwendig sind. Die Unterhaltung, Steuerung und der Betrieb derartiger Anlagen ist zeit- und kostenintensiv.
Bislang wurde die Reinigung chemisch oder biologisch belasteter Wässer durch aufwendige, meist mehrstufige Prozesse durchgeführt. Zum Einsatz kommen chemischbiologische Verfahren der Abwasserbehandlung, aber auch reine chemische Verfahren wie beispielsweise die Zugabe von Bakterioziden zu biologisch belasteten Brauch- und Nutzwässern. Andere Verfahren nutzen den Energieeintrag durch UV-Strahlen oder die Zugabe von Fällungsmitteln zur Beseitigung vorrangig chemischer oder biologischer Belastungen. Allen Verfahren ist anhängig, daß sie kostenintensiv sind und einen hohen technischen Aufwand erfordern sowie zu entsorgende Abprodukte erzeugen.
Vorrichtungen zum mechanischen Reinigen von Flüssigkeiten oder Gasen sind z.B. aus AT 272 278 und DE 195 25 920 bekannt. Grundlage dieser Vorrichtungen ist die Nutzung einer Reaktionskammer, bei welcher Wasser oder Abgase tangential eingeblasen werden, sich rotierend zum unteren Ende der Kammer bewegen, wobei über Öffnungen im unteren Scheitel des Gerätes Reaktionskomponenten zugegeben werden und die Reaktionskomponenten durch ein Auslaßrohr am unteren Ende der Reaktionskammer entgegen der bisherigen Strömungsrichtung die Kammer wieder verlassen.
Nach der Beschreibimg in diesen Patentschriften wird beispielsweise Wasser der Kammer zugeführt. Entlang der Kammerwandung entsteht ein mit der Spitze nach unten gerichteter, wandernder Wirbel. Am unteren Scheitelpunkt wird dieser Wirbel mit einem Reaktionsmittel über eine oder mehrere koaxial angeordnete Düsen gemischt und wandert in Folge als Spirale auf der Innenseite in entgegengesetzte Richtung in ein verlängertes Auslaufrohr und in diesem in zykloiden Bewegungen nach oben. Nach AT 272 278 und DE 195 25 920 kann Wasser in zykloiden Bewegungen unter bestimmten Umständen die Fähigkeit haben, Synthesen verschiedener Art zu ermöglichen. Dabei beginnen die Reaktionen nach AT 272 278 im unteren Scheitelpunkt und setzen sich im Ausstoßrohr unter zykloiden Bewegungen fort. Für die Reaktion vorteilhaft ist dabei laut AT 272 278, daß durch einen „...inneren zentralen Sogwirbel Sekundärluft für die Reaktion angesaugt wird".
Derartige Wirbelbildungen sind u.a. auch bei Zyklonen oder Zentrifugen bekannt und fördern in geringem Maße chemische Reaktionen im Medium.
In DE 195 25 920 ist eine Ergänzung der Vorrichtung aus AT 272 278 beschrieben, bei welcher das zu reinigende Medium im Wechsel steigend und fallend durch miteinander verbundene Zulaufrohre strömt und im Anschluß nach dem Auslaß aus der Kammer in ein Rohrlabyrinth zur Sedimentation oder zum Abfangen der verdichteten Abprodukte geleitet wird. Nachteile dieser Vorrichtungen bestehen in der komplizierten Ausführung, der Unhand- lichkeit für einen gezielten technischen Einsatz, der mangelhaften Verstellbarkeit und daraus folgend schlechten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien zum Abbau organischer und anorganischer Inhaltsstoffe fluider Medien, Abtötung von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Keime, Algen usw., Zerkleinerung langkettiger molekularer Verbindungen und Abbau durch chemische Reaktionen, Änderung der Viskosität oder/und der Oberflächenspannung von Fluiden und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem zu behandelnden Fluid Energie dadurch zugeführt wird, daß mindestens zwei Volumenströme des Fluids mit hoher Geschwindigkeit bei Richtungsgleichheit der Strömungen in Form einer Transla- tions- oder/und Rotationsbewegung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder bei jeweils gegenläufiger Strömungsrichtimg mit frei wählbarer oder gegebenenfalls gleicher Geschwindigkeit sich flächig berührend ineinander oder aneinander so geführt werden, daß eine hohe Reibung zwischen beiden Schichten sowie hohe Zentrifugalkräfte in den einzelnen Volumenströmen entstehen. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten die Merkmale der untergeordneten Ansprüche 2 bis 10.
Die Führung der Volumenströme erfolgt vorzugsweise als Zwangsführung in einem Rohr- oder Behältersystem dergestalt, daß gleichzeitig Rotations- und Translationsbewegung der Volumenströme möglich ist. Die Volumenströme können aus verschiedenen Quellen stammen oder durch Teilung eines Volumenstromes in zwei Teilvolumenströme entstehen. Die Teilvolumenströme können alternativ auch durch Umlenkung eines Volumenstroms erzeugt werden, so daß die physikalisch-chemischen Prozesse zwischen zwei Abschnitten des gleichen Volumenstroms ablaufen. Die Geschwindigkeit der Volumenströme ist so zu wählen, daß sich strömungstechnisch eine turbulente Grenzschicht ausbilden kann und die Volumenströme zueinander eine hohe Geschwindigkeitsdifferenz aufweisen.
Die Volumenströme sind so zu erzeugen daß sich aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit lediglich in der turbulenten Grenzschicht eine Verwirbelung und Durchmischung zwischen beiden Grenzschichten aufbauen kann. Die einzelnen Volumenströme selbst können dabei ab der Grenzschicht als laminare oder als turbulente Strömung vorliegen.
Vorzugsweise wird eine Kombination aus Translationsbewegung und gleichzeitiger Rotationsbewegung so gewählt, daß sich die Volumenströme in gegenläufiger Richtung berühren oder ein Volumenstrom so umgelenkt wird, daß der in Richtung Ablauf bewegende Teil eine Bewegungsrichtung entgegen der Richtung des Zulaufes hat.
Die Wahl der Geschwindigkeit des Volumenstromes hängt vom behandelten Medium ab und kann je nach dem vorrangigen Zweck der Behandlung aus der Stärke der Neben- valenzbindung bzw. der Festigkeit der Moleküle ermittelt werden. Dabei ist die Zentrifugalkraft oder/und die Translationskraft so zu wählen, daß ein Aufbrechen mindestens eines Teiles der Nebenvalenzbindungen stattfindet, ein Aufbrechen der Stoffverbindungen und Molekülketten der Fremdstoffe stattfindet und diese mechanisch zerstört bzw. zerkleinert werden oder/und die vorhandenen Fremdstoffe oder die Atome, Moleküle oder Molekülverbindungen des fluiden Mediums mindestens teilweise ionisiert bzw. radikalisiert werden.
Die hohe Bewegungsenergie, der Energieeintrag durch Reibung beider Volumenströme an- oder ineinander, die damit verbundene hohe Zentrifugalkraft oder/und Translationskraft, sowie die Reibungskraft bewirken durch Aufbrechen und Neuformierung der vorhandenen Nebenvalenzbindungen aufgrund deren unterschiedlicher Atommassen und damit unterschiedlicher Masseträgheit sowie durch Kollision der einzelnen Teilchen, Atome und Atomgruppen sowie Moleküle untereinander eine Neuordnung der Molekül- bzw. Gitterstruktur zu einem energetisch stabilen und ausgeglichenen, optima- len Zustand und Verbund und somit eine Änderung der im Normalfall vorliegenden Oberflächenspannung oder/und Viskosität.
Diese Änderungen können durch Änderung der Geschwindigkeiten je nach vorhandenem Medium eingestellt werden. Durch die damit erreichte Neuordnung der Molekül- straktur werden in dem Fluid gelöste Gase oder flüchtige Fremdstoffe freigesetzt, so daß zusätzlich eine Entgasung stattfindet. Durch diese Entgasung werden zusätzlich unerwünschte Reaktionen dieser mitgeführten Stoffe im zu behandelnden Medium selbst, zu anderen mitgeführten Stoffen oder zu Stoffen, welche mit dem Fluid in Berührung kommen, wie Meßfühler oder Rohrwandungen, verringert oder verhindert.
Bei Wahl der Strömungsgeschwindigkeit kann eine Stofftrennung aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte der im fluiden Medium befindlichen Stoffe in jedem einzelnen Volumenstrom erreicht werden, welche bei Translations- und Rotationsbewegung verstärkt wird.
Das erfindungsgemäß behandelte Fluid oder Fluidgemisch behält seinen Oberflächenentspannten Zustand oder die geänderte Viskosität über längere Zeit bei. Mitgeführte Stoffe werden aus der Gitterstruktur des fluiden Mediums gelöst oder/und über die Zentrifugalkraft aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Stoffgewichte vom Medium getrennt und können im Anschluß sedimentiert werden
Die hohe Bewegungsenergie, der Energieeintrag durch Reibung beider Volumenströme an- oder ineinander , die damit verbundene hohe Zentrifugalkraft oder/und Translationskraft , sowie die Reibungskraft bewirkt im Fremdstoff durch Kollision der organischen oder/und anorganischen Stoffe, Stoffverbindungen, pflanzlichen oder/und organischen Lebewesen, wie beispielsweise Keime, Bakterien, Pilze oder Algen untereinander und zu den einzelnen Teilchen, Atomen und Atomgruppen sowie Molekülen des fluiden Mediums eine mechanische Zerstörung und Zerkleinerung dieser Fremdstoffe. Zudem werden organische Substanzen, Stoffe oder Stoffverbindungen, pflanzliche oder andere organische Lebewesen durch ihre eigene Masseträgheit aufgrund der unter- schiedlichen spezifischen Gewichte und die hohe Translations- oder/und Zentrifugalkraft zerstört.
Die Quantität und die Qualität dieser mechanischen Zerstörung und Zerkleinerung kann durch Änderung der Geschwindigkeiten je nach vorhandenem Fluid und Fremdstoffen eingestellt werden. Sie ist abhängig von der Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen der Fremdstoffe.
Die so zerstörten Fremdstoffe können im Anschluß herausgefiltert, sedimentiert oder anderweitig gebunden werden.
Die hohe Bewegungsenergie, der Energieeintrag durch Reibung beider Volumenströme an- oder ineinander, die damit verbundene hohe Zentrifugalkraft oder/und Translationskraft , sowie die Reibungskraft bewirkt durch Kollision von kleinsten Teilchen wie -Teilchen oder Elektronen mit den Atomen, Molekülen oder/und Molekülverbindungen des Fluids oder/und des Fremdmediums bei diesen eine Anlagerung oder Verlust von Elektronen und damit eine negative (Anionen) oder positive (Kationen) Ladung dieser Stoffe. Darüber hinaus kann durch Aufspaltung von Molekülen oder/und Anlagerung von Atomen oder Molekülen eine Bildung von Radikalen vorgenommen werden.
Diese vorliegenden Ionen oder Radikale sind chemisch hochaffme Produkte und reagieren sofort zum Erreichen eines stabilen atomaren Energiezustandes mit anderen vorliegenden Atomen, Molekülen oder Molekülverbindungen des Fluids, der mitgeführten oder zugegebenen Fremdstoffe oder untereinander unter Bildung entsprechender Oxida- tions- oder Reduktionsprodukte.
Durch mitgeführte oder/und zugegebene Oxidationsmittel wie beispielsweise Ozon oder Sauerstoff können Kohlenwasserstoffverbindungen oder/und andere organische Verbindungen wie Keime, Bakterien und Kleinstlebewesen oxidiert werden. Dabei entsteht u.a. H2O und CO2, d.h. es findet bei organischen Substanzen eine Denaturierung statt. Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung gewählt, die mindestens einen Zulauf und einen Ablauf sowie die Möglichkeit der gezielten Dosierung von Zugabestoffen, welche gasförmig oder als Flüssigkeit oder als Feststoffe vorliegen können, besitzt, und die Länge der Berührungsstrecke der beiden Volumenströme eine vollständige Durchmischung aus dem sich ergebenden Reibungswiderstand der Volumenströme und damit verbundenem Energieverlust, verhindert. Die Vorrichtung ist so gestaltet, daß sich der Strömungswiderstand durch Stellmöglichkeiten am Zulauf, dem Zugabemedium und am Gerät selbst einstellen läßt.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Vorrichtung zur physikalischchemischen Behandlung fluider Medien eine Fluidreaktoranlage mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beinhalten die Merkmale nach den Ansprüchen 11 bis 27.
Die Fluidreaktoranlage besteht aus einem Gehäuse mit einem rotationssymmetrischen,, im Längsschnitt herzförmigen Hohlraum (der Reaktionskammer), einem oder mehreren mit der Reaktionskammer verbundenen Zuflüssen und einem Abfluß für das zu behandelnde Medium, einem Zufluß für ein Zugabemedium und Peripheriebauteilen wie Schläuchen oder Rohren zum Medientransport, Ventilen, Strömungsteilern, Vorbehandlungseinheit.
In dem Gehäuse befindet sich ein rotationssymmetrischer Hohlraum mit mindestens einem Medienzufluß und mindestens einem Medienabflußrohr. Der Hohlraum und die Zu- bzw. Abflußöffnungen sind derart gestaltet und zueinander angeordnet, daß in dem zu behandelnden Fluid beim Durchströmen des Hohlraums von der Einlaß- zur Auslaß- öffhung möglichst große, durch Reibung der einzelnen Strömungsschichten untereinander und mit der Wandung des Hohlraums erzeugte Schubspannungen erzeugt werden.
Das Gehäuse verfügt im oberen Teil seitlich über mindestens einen Medienzufluß mit einer in den Hohlraum mündenden Zuflußöffnung. Zweckmäßigerweise sind der oder die Medienzuflüsse so angeordnet, daß das zu behandelnde Fluid im Querschnitt der Zuflußöffnung tangential zur Mantelfläche des Hohlraums und mit fallender Einström- richtung in den Hohlraum tritt.
Ebenfalls im oberen Teil des Hohlraums verfügt das Gehäuse über eine zentral angeordnete Abflußdurchführung, die vorzugsweise in Richtung der Längsachse des Hohlraums und dadurch mit ihr zusammenfallend durch die Wandung des Gehäuses geführt ist.
Durch diese Abflußdurchfuhrung ist ein Abflußrohr in den Hohlraum bis fast an das untere Ende desselben eingeführt, wobei das Abflußrohr in der Abflußdurchführung verschieblich gelagert ist, so daß der Abstand zwischen der Mündung des Abflußrohres und dem unteren Ende des Hohlraums verstellbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Abflußrohr im mündungsnahen Bereich als Lavaldüse ausgeführt.
Die Kontur des Hohlraums ähnelt im Längsschnitt der eines Herzens.
In dem in Einbaulage unteren Teil des Gehäuses ist ein Zufluß mit einer oder mehreren in den Hohlraum mündenden Öffnungen für ein zweites Medium zentral angeordnet, dessen Auslauf zweckmäßigerweise in Form eines rohrförmigen Fortsatzes des Gehäusematerials in das Innere des Hohlraums ragt. Der rohrförmige Fortsatz ergibt sich konstruktiv aus dem durch die Konturumkehr des Hohlraums entstehenden, aus dem Boden des Hohlraums ragenden Zapfens. Dieser ist zum Zwecke der Zuführung eines zweiten Mediums mit einer oder mehreren, parallel zur gedachten Längsachse des Hohlraums angebrachten, Bohrungen versehen.
Zur Optimierung der Druck- und Strömungsverhältnisse in der Reaktionskammer kann der Zufluß für das Zugabemedium analog zum Ablaufrohr als separates, relativ zum Reaktorgehäuse in Richtung der gedachten Längsachse des Hohlraums verschieblich mit diesem verbundenes Bauteil ausgeführt sein.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht im wesentlichen auf der Initi- ierung chemischer Reaktionen durch Schaffung geeigneter Druckverhältnisse vor dem Abflußrohr, auf den in dem fließenden Medium auf unterschiedlich schwere Bestandteile unterschiedlich stark wirkenden Zentrifugal- und Zentripetalkräften und den durch Schubspannungen zwischen Strömungsschichten unterschiedlicher Geschwindigkeit hervorgerufenen Reibungskräften. Die konstruktive Gestaltung der Erfindung ist so gewählt, daß dem Medium beim Durchfließen der Reaktionskammer unter definiertem Staudruck eine Geschwindigkeit mit einem möglichst hohen Maximalwert und einem möglichst großen Gradienten in radialer Richtung verliehen wird.
Diese Bedingungen werden von der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erfüllt, daß in dem zu behandelnden Medium ein Zyklon erzeugt wird, bei dessen Durchlaufen der Volumenstrom eine vom Radius abhängige, insgesamt in Längsrichtung zunehmende Geschwindigkeit erfährt.
Die zur Erzeugung einer möglichst starken Zentrifugenwirkung und möglichst großer Schubspannungen in dem zu behandelnden Fluid benötigten Strömungsverhältnisse werden durch die konstruktive Gestaltung des Reaktors erzielt. Durch die Kontur des Hohlraums des Reaktors wird der Volumenstrom des zu behandelnden Mediums so gelenkt, daß sich im absteigenden Ast des Strömungsverlaufs (das heißt zwischen Medienzufluß und Mündung des Medienabflusses) ein Zyklon ausbildet. Die Strömungsgeschwindigkeit im Zyklon weist über dessen Querschnitt in radialer Richtung einen starken Gradienten auf. Dadurch werden zum einen Schubspannungen zwischen den einzelnen Strömungsschichten untereinander, aber auch zwischen der Wandung der Reaktionskammer und dem zu behandelnden Medium, erzeugt.
Die durch die Schubspannungen erzeugten und diesen entgegengesetzten Reibungskräfte innerhalb des Volumenstroms führen aufgrund einer Neuordnung der Bindungen zwischen den Molekülen des zu behandelnden Mediums zu einer Absenkung der Oberflächenspannung und einer Veränderung der Viskosität des Fluids.
Außerdem wird eine Mahlwirkung erzielt. Die hohe Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Volumenstrom und der Wand der Reaktionskammer führt zu einer Zertrüm- merung fester Bestandteile, wie zum Beispiel Bakterien, Algen und anderer Mikroorganismen. Die entstehenden Trümmer werden in der Folge auf chemischem Wege abgebaut.
Darüberhinaus verjüngt sich der Querschnitt der Reaktionskammer auf dem Weg vom Medienzufluß zum Medienabfluß so, daß die Zyklonströmung stark beschleunigt wird. Die dadurch ansteigende kinetische Energie der Elementarteilchens des Mediums führt zum Anstieg der Reaktionsfähigkeit.
Am unteren Ende der Reaktionskammer wird die bis hierher in fallender Schraubenlinie fließende Strömung zum Zentrum der Strömung und dort in eine aufsteigende Richtung umgelenkt. In diesem Bereich kommt es zu einer starken Zentrifugenwirkung, weil die als Schwebeteilchen mitgeführten anorganischen oder/und organischen Verunreinigungen aufgrund ihrer höheren Wichte vom Zentrum des Zyklons zu seinem Rand getrieben werden, während gelöste gasförmige Bestandteile aufgrund ihrer geringeren Wichte vom Rand des Zyklons zu seinem Zentrum getrieben werden.
Bei der stattfindenden Richtungsänderung des Volumenstromes im unteren Teil der Reaktionskammer bewegen sich die schon getrennten Verunreinigungen und Medien unterschiedlicher Wichte erneut über den über den Querschnitt des Volumenstromes in die entgegengesetzte Richtung.
Treffen diese hochreaktiven Bestandteile des zu behandelnden Mediums aufeinander, so kommt es zu chemischen Reaktionen wie beispielsweise einer Kaltoxidation, in deren Ergebnis Schadstoffe abgebaut werden.
Die Stärke der beschriebenen Effekte und damit die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind druck-, geschwindigkeits- und temperaturabhängig. Die herzförmige Innenkontur der Reaktionskammer bewirkt in dem sich bildenden Zyklon eine so starke Beschleunigung des Volumenstroms, daß die in dem Medium ablaufenden biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse ebenfalls beschleunigt werden. Extensive Versuche mit verschiedenen Innenkonturen und Einstellungen der Prozeßparameter ergaben, daß bei Verwendung einer herzförmigen Innenkontur in Verbindung mit der Einstellung medienspezifisch veränderlicher Parameter wie Volumenstrom, Fließdruck und Staudruck des zu behandelnden Mediums, Art und Menge des Zugabemediums, Kontur der Lavaldüse und Stellung des Zugabemedienzuflusses und des Medienabflusses zueinander und Medientemperatur, optimale Erfolge erzielt werden.
Durch die Gestaltung des Abflußrohres im mündungsnahen Bereich als Lavaldüse in Verbindung mit dem der Reaktionskammer zugeführten Volumenstrom wird das Medium im Abflußrohr stark beschleunigt und entspannt, wodurch bei Flüssigkeiten der Dampfdruck im Kernbereicht erreicht oder unterschritten werden kann, und eine Strömung mit im Kern- und Randbereich stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten entsteht. Bei. geringen Strömungsgeschwindigkeiten entsteht ein Hohlwirbel, in dessen Zentrum sich ein Kern aus leichterem Fluid als im übrigen Strömungsfeld bildet. Bei wachsender Geschwindigkeiten werden Wirbelströmungen mit Wirbelfaden oder Wirbelröhre oder, je nach Art des Mediums, ein drehungsfreier Wirbel mit Wirbelkern, auch als Potentialwirbel bekannt, erzeugt. Dabei werden nochmals Schubspannungen im fließenden Medium erreicht, die die physikalischen und chemischen Prozesse weiter befördern.
Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß damit bei geringem Platz- und Kostenaufwand ohne Zugabe umweltschädlicher Chemikalien und ohne Bestrahlung des Mediums oder sonstige potentiell gefährliche Maßnahmen ein effektiver, kostengünstiger Prozeß durchgeführt werden kann, in dessen Ergebnis je nach Anwendungszweck Abwässer entgiftet und entkeimt wieder der Nutzung zugeführt werden können, Wasserreservoirs keimfrei gehalten werden können, in Gebieten mit Wasserknappheit eine Versorgung mit Frischwasser sichergestellt werden kann, die Benetzungsfähigkeit verschiedener Flüssigkeiten erhöht werden kann, die Verwendung waschaktiver Chemikalien zu verschiedensten Reinigungszwecken in Haushalt und Industrie signifikant vermindert und so die Umweltbelastung reduziert werden kann oder dickflüssige Medien ohne chemische Veränderung auf rein mechanischem Wege verdünnt werden können.
Die genannten Anwendungsmöglichkeiten sind nur einige Beispiele für die Vielseitig- keit und Umweltfreundlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zur Erzielung optimaler Ergebnisse ist die Einhaltung einiger Prozeßparameter, wie Fließdruck des zu behandelnden Mediums, Geschwindigkeitsprofil des Zyklons und Staudruck in der Reaktionskammer, Zugabe affiner Reaktionspartner in der jeweils benötigten Konzentration je nach Anwendungszweck unbedingt notwendig. Hierfür werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstmals die notwendigen Voraussetzungen geschaffen.
Durch die geometrische Gestaltung der Reaktionskammer werden die benötigten hohen und stark gradientenbehafteten Geschwindigkeiten im Medium erzeugt. Diese werden zur Erzielung der physikalischen Effekte, d.h. zur Zertrümmerung fester Bestandteile und zur Neuordnung molekularer Bindungen, und zur Auslösung und Beschleunigung der chemischen Prozesse durch Zufuhr von Energie benötigt.
Die Verwendung von Pumpen oder/und Kompressoren erzeugt in Verbindung mit der Verstellbarkeit des Medienabflussrohrs sowie dem Verhältnis der Zulaufdurchmesser und des Durchmessers des Medienabflussrohres den benötigten Staudruck.
Die dosierte Einspeisung von Oxidationsmitteln oder anderen als Reaktionspartnern dienenden Zugabemedien nicht nur in das Medienabflußrohr, sondern auch in den Hauptzufluß, d.h. bevor das zu behandelnde Medium in die Reaktionskammer tritt, sorgt für eine signifikante Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit. Diese kann durch katalytisch wirkende Beschichtung der medienführenden Teile der Vorrichtung, oder/und Änderung der Temperatur nochmals gesteigert werden.
Besonders effektiv lassen sich die beschriebenen Prozesse durchführen, wenn eine Prozeßsteuer- und Regeleinrichtung verwendet wird, die aufgrund gemessener prozeßrelevanter Kenngrößen die obengenannten Parameter ständig an die augenblicklichen Erfordernisse anpaßt.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 die Reaktionskammer
Fig. 2 die Fluidreaktoranlage
Fig. 3 die in einen Kreislauf eingebundene Fluidreaktoranlage
Fig. 4 die Fluidreaktoranlage mit einer integrierten Regelung
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Reaktionskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt (Ansicht B-B) und im Längsschnitt (Ansicht A-A).
In einem Gehäuse (1) befindet sich ein rotationssymmetrischer, im Längsschnitt herzförmiger Hohlraum (2), der als Reaktionskammer dient. An das Gehäuse (1) angeschlossen sind zwei Medienzuflüsse (3), ein Medienabflußrohr (4) für das zu behandelnde Medium, ein Zugabemedienzufluß (5) und Peripheriebauteile wie Schläuche oder Rohre (6) zum Medientransport.
Die Reaktionskammer, die Medienzuflüsse (3) und das Medienabflußrohr (4) sind derart gestaltet und zueinander angeordnet, daß in dem zu behandelnden Fluid beim Durchströmen des Hohlraums (2) von der Einlaß- zur Auslaßöff ung möglichst große, durch Reibung der einzelnen Strömungsschichten untereinander und mit der Wandung des Hohlraums (2) hervorgerufene Schubspannungen erzeugt werden.
Die Reaktionskammer ist ein in Einbaulage bezüglich der gedachten Längsachse rotationssymmetrischer Hohlraum (2) des Gehäuses (1), der in seinem oberen Teil seitlich über mindestens einen Medienzufluß (3) mit einer in den Hohlraum (2) mündenden Zu- flußöffnung verfügt. Zweckmäßigerweise sind der oder die Medienzuflüsse (3) so angeordnet, daß das zu behandelnde Fluid im Querschnitt der Zuflußöffnung tangential zur Mantelfläche des Hohlraums (2) und mit fallender Einströmrichtung in den Hohlraum (2) tritt.
Ebenfalls im oberen Teil des Hohlraums (2) verfügt das Gehäuse (1) über eine zentral angeordnete Bohrung, die vorzugsweise in Richtung der Längsachse des Hohlraums (2) und dadurch mit dieser zusammenfallend durch die Wandung des Gehäuses (1) geführt ist.
Durch diese Bohrung ist ein Medienabflußrohr (4) in den Hohlraum (2) bis fast an das untere Ende desselben eingeführt, wobei das Medienabflußrohr (4) in der Bohrung verschieblich gelagert ist, so daß der Abstand zwischen der Mündung des Medienabflußrohres (4) und dem unteren Ende des Hohlraums (2) verstellbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Medienabflußrohr (4) im mündungsnahen Bereich als Lavaldüse (7) ausgeführt.
Die Kontur des Hohlraums (2) ähnelt im Längsschnitt der eines Herzens.
Der Radius des Querschnitts des Hohlraums (2) vergrößert sich zunächst degressiv entlang der Längsachse, deren Ursprung an der oberen Begrenzung des Hohlraums (2) gedacht ist, bis die Tangente an den Konturverlauf des Längsschnitts des Hohlraums (2) parallel zu dieser Längsachse verläuft. Dieser Punkt wird etwa bei 1/4 bis 1/3 der Gesamtlänge der gedachten Längsachse des Hohlraums (2) erreicht. Der Radius des Querschnitts des Hohlraums (2) erreicht hier seinen Maximalwert.
Von hier aus verringert sich der Radius des Querschnitts mit zunehmender Längskoordinate zunächst progressiv bis zu einer Längskoordinate, die ca. 2/3 bis 3/4 der Gesamtlänge der Längsachse entspricht.
Danach verringert sich der Radius des Querschnitts des Hohlraums (2) degressiv, das heißt der Konturverlauf des Längsschnitts des Hohlraums (2) nähert sich asymptotisch an eine zur gedachten Längsachse parallele Linie an.
Den Abschluß des herzförmigen Hohlraums (2) bildet eine bogenförmige Kontur, die den Konturverlauf umkehrt, das heißt die Kontur des Hohlraums (2) verläuft nun parallel zur gedachten Längsachse senkrecht aufwärts in Richtung Bohrung. Im Bereich dieser Kontururnkehr hat der Querschnitt des Hohlraums (2) einen inneren und einen äuße- ren Radius. Dabei bildet der innere Radius die Mantelfläche eines aus dem Boden des Hohlraums in diesen hineinragenden Zapfens (8).
In dem in Einbaulage unteren Teil des Gehäuses (1) ist ein Zugabemedienzufluß (5) mit einer oder mehreren, am Ende des rohrförmigen Zapfens (8) in den Hohlraum (2) mündenden Öffnungen zentral angeordnet. Zur Optimierung der Druck- und Strömungsverhältnisse in der Reaktionskammer ist der Zugabemedienzufluß (5) analog zum Medienabflußrohr (4) als separates, relativ zum Gehäuse (1) in Richtung der gedachten Längsachse des Hohlraums (2) verschieblich mit diesem verbundenes Bauteil ausgeführt.
Besonders vorteilhaft für optimale Ergebnisse ist die Verwendung von katalytischen Beschichtungen in der Reaktionskammer und der Lavaldüse (7) sowie allen sonstigen medienführenden Teilen der Vorrichtung, da hierdurch ein beschleunigter Ablauf der gewünschten chemischen Reaktionen erreicht werden kann.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Fluidreaktoranlage.
Das zu behandelnde Medium wird der Reaktionskammer über eine Hauptanschlußleitung (9) zugeführt. Zur Steuerung des Volumenstromes ist in der Hauptanschlußleitung (9) ein Regelventil (10) angeordnet. Im Anschluß daran befinden sich in der Hauptanschlußleitung (9) Meßwertaufhehmer (11) für die Aufnahme prozeßrelevanter Meßdaten wie Druck, Temperatur, Volumenstrom, Zusammensetzung des Mediums oder chemische oder/und biologische Belastungen. Diese Meßeinrichtungen können so ausgeführt sein, daß neben der visuellen Meßwertausgabe auf geeigneten Ausgabeeinheiten (12) die Meßwerte auch kontinuierlich oder diskontinuierlich für nachfolgende Steuer- oder Regelprozesse bereitgestellt werden.
Daran anschließend ist eine Zugabeeinrichtung (13) zur Dosierung von Zugabemedien wie z.B. Luft, Sauerstoff, Ozon, H2O , die als Reaktionskomponenten bereitgestellt werden sollen, angeordnet. Die Einleitung des Zugabemediums in die Zugabeeinrichtung (13) kann vorteilhaft durch eine Injektionsdüse so erfolgen, daß durch strömungs- technisch bedingte Unterdruckverhältnisse in der Hauptanschlußleitung (9) das Zusatzmedium selbst angesaugt wird.
Gegen ungewollten Eintritt des zu behandelnden Mediums in die Zuleitung des Zugabemediums ist in dieser eine Sperreinrichtung wie z.B. ein Rückschlagventil (14) eingesetzt. Zur manuellen oder automatischen Dosierung des Zugabemediums befindet sich in der Zuleitung des Zugabemediums außerdem ein Feinregelventil (15b).
Ist das Zugabemedium gasförmig und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, so kann dieses zur Verbesserung der Oxidationseigenschaften durch eine vorgeschaltete Vorbehandlungseinrichtung (16b) ionisiert bzw. zu Radikalen wie z.B. Ozon umgewandelt werden.
Zur Erhöhung des Volumenstromes des Zugabemediums über das durch die Selbstan- saugung bedingte Maß hinaus kann eine Kompressoreinrichtung (17) in die Zuleitung des Zugabemediums integriert oder der Vorbehandlungseinrichtung (16b) vorgeschaltet sein.
Im Anschluß an die Zugabeeinrichtung (13) wird der Volumenstrom des zu behandelnden Mediums in zwei oder mehrere Teilvolumenströme aufgeteilt, die in separaten Zulaufrohren (6) zur Reaktionskammer (2) geführt, werden. Dabei ist die Verwendung von Strömungsteilern (18) von Vorteil, welche zur Optimierung der Strömungsverhältnisse und zur Verringerung von Druckverlusten über einen Spreizwinkel von weniger als 120° verfügen.
Die Zulaufrohre (6) führen das zu behandelnde Medium zum Gehäuse (1), wo es in die Medienzuflüsse (3) eintritt. Diese münden tangential zum Querschnitt des Hohlraums (2) mit zum unteren Scheitelpunkt der Reaktionskammer geneigter Fließrichtung in den Hohlraum (2). Hierdurch wird das zu behandelnde Medium in einer abwärts gerichteten Schraubenlinie von den Medienzuflüssen (3) zur Mündung des Medienabflußrohrs (4) geleitet. Da die chemischen Reaktionen durch den hohen Druck im Hohlraum (2) selbst ablaufen und das Medienabflußrohr (4) mit der typischen zykloiden Sogwirbelbildung dadurch lediglich die Funktion einer Nachreaktion und eines kontinuierlichen Prozeßausganges erhält, ist die Ausbildung eines hohen Staudruckes im Hohlraum (2) selbst notwendig.
Dieser wird erreicht durch entsprechende Wahl des anstehenden Vordruckes des zu behandelnden Mediums in Verbindung mit der Dimensionierung der Medienzuflüsse (3) und des Medienabflußrohrs (4) selbst. Dabei hat sich gezeigt, daß ein Staudruck von mindestens 2,5 bar zur Durchführung einer Reaktion mit hohem Wirkungsgrad benötigt wird. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß die Summe der Querschnitte aller Medienzuflüsse (3) doppelt so groß gewählt wird wie der kleinste Querschnitt des Medienabflusses (4).
Das Medienabflußrohr (4) selbst ist in seinem unteren Teil als Lavaldüse (7) ausgebildet und ragt axial einstellbar in den Hohlraum (2) hinein. Dabei besteht das Medienabflußrohr (4) aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Teilen, wobei der obere, aus dem Gehäuse (1) herausragende sichtbare Teil als Schaurohr (19) aus durchsichtigem Material und der untere Teil als Lavaldüse (7) ausgeführt ist.
Die axiale Verstellung des Medienabflußrohrs (4) erfolgt über eine mechanische Verstelleinheit. Das Medienabflußrohr (4) ist in einem fest mit dem Gehäuse (1) verbundenen oder relativ dazu fixierten Axiallager (21a) so aufgenommen, daß eine axiale Verstellung während des Betriebes möglich ist, ohne daß sich die Position der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse (1) imd der Rohrleitung der Hauptanschlußleitung (9) ändert. Dadurch ist eine Anpassung der Betriebsparameter jederzeit bedarfsgerecht und ohne großen Aufwand möglich;
Die Medienzugabe für die chemische Nachreaktion im Medienabflußrohr (4) kann ebenfalls durch Druck oder vorteilhaft durch Nutzung des Unterdruckes in der Lavaldüse (7) erfolgen. In gleicher Weise wie das Medienabflußrohr (4) ist der Zugabemedienzufluß (5) verstellbar so ausgeführt, daß die Position der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse (1) und der Rohrleitung der Abflußleitung bei Einstellarbeiten unverändert bleibt.
Dazu ist der Verstellmechanismus des unteren Zugabemedienzuflusses (5) so gestaltet, daß eine Nachstellung oder -regelung zum optimalen Unterdruckpunkt in das Medienabflußrohr (4) hinein ermöglicht wird. Dazu ist der Zugabemedienzufluß (5) in einem fest mit dem Gehäuse (1) verbundenen oder relativ dazu fixierten Axiallager (21b) verschieblich gelagert. Die Einstellung kann manuell oder über einen Regelalgorithmus mittels Verstelleinheit erfolgen.
In die Zuleitung des Zugabemediums ist gegen ungewollten Austritt des zu behandelnden Mediums ein Rückschlagventil (14) sowie zur manuellen oder automatischen Dosierung des Zugabemediums ein Feinregelventil (15a) eingesetzt. Ist das Zugabemedium gasförmig und ein Oxidationsmittel wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, so kann dieses durch eine vorgeschaltete Vorbehandlungseinrichtung (16a) ionisiert bzw. zu Radikalen wie z.B. Ozon umgewandelt werden.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Fluidreaktoranlage in einem Medienkreislauf mit einem separaten Speicherbehälter (23) dargestellt. Der von der Strichpunktlinie umschlossene Bereich entspricht der Darstellung in Fig. 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 3 in diesem Bereich nicht alle Bestandteile der Vorrichtung mit Bezugszeichen versehen, es wird daher auf die entsprechenden Angaben in Fig. 2 verwiesen.
Die Nennweite der Hauptanschlußleitung (9) beträgt dabei 25 mm. Zur Volumenstromregelung ist ein Regelventil (10) eingesetzt. Nach dem Regelventil (10) ist ein Manometer als Meßwertaufhehmer (11) mit integrierter Ausgabeeinheit (12) sowie nachfolgend eine Zugabeeinrichtung (13) in Form einer Injektordüse angebracht.
Die Zugabeeinrichtung (13) saugt aufgrund des Unterdrucks in der Hauptanschlußleitung (9) selbsttätig ein Oxidationsmittel, in diesem Fall Umgebungsluft, an. Zur Verhinderung von Rückschlägen des zu behandelnden Mediums in die Ansaugleitung ist diese mit einem Rückschlagventil (14) versehen. Die Einstellung des Volumenstromes des Oxidationsmittels erfolgt über ein Feinregelventil (15b).
Zweckmäßigerweise wird als Oxidationsmittel Umgebungsluft verwendet, welche durch eine regelbare Ionisationseinheit, die als Vorbehandlungseinrichtung (16b) dient, aufbereitet wird. Nach der Zugabeeinrichtung (13) wird der Volumenstrom durch ein Y- Stück als Strömungsteiler (18) mit einem Schenkelwinkel der abgehenden Schenkel von 45° in zwei gleichgroße Teilströme geführt. Die Zuführung in die Reaktionskammer erfolgt über zwei tangential in den Hohlraum (2) mündende, um 180° versetzte und in einem axialen Anstellwinkel von 15° zur Längsachse des Hohlraums (2) rechtsdrehend angeordnete Medienzuflüsse (3).
Der größte Durchmesser des Hohlraums (2) beträgt 136 mm. Der kleinste Durchmesser des Hohlraums (2) beträgt 64 mm. Der Außendurchmesser des Medienabflußrohrs (4) beträgt 36 mm. - Aus diesen Maßen ergibt sich ein Querschnittsverhältnis von 4300 mm2 : 700 mm2, d. h. der größte Querschnitt der Reaktionskammer ist mehr als sechsmal so groß wie der kleinste Kammerquerschnitt. Hierdurch wird die für einen effektiven Reaktionsprozeß benötigte Beschleunigung des Volumenstroms in dem sich ausbildenden Zyklon erreicht.
Das Medienabflußrohr (4) ist dreigeteilt; im unteren Bereich als auswechselbare Lavaldüse mit dem kleinsten Durchmesser von 15 mm, ausgebildet. Der obere Teil besteht aus einem durchsichtigen, wechselbaren Kunststoffrohr der Nennweite 25 mm. Die gleiche Nennweite weist das Mittelteil auf.
Das gesamte Medienabflußrohr (4) wird einerseits im Gehäuse (1) und zum anderen in einem mit dem Gehäuse (1) fest verbundenen, dichtenden Axiallager (21a) verstellbar geführt. Zur Einstellung des Medienabflußrohrs (4) ist das Axiallager (21a) mit einer Hilfseinrichtung, in diesem Fall einem Sechskant mit einer Standard-Schlüsselweite, versehen.
Am oberen Ende des Axiallagers (21a) befindet sich eine ortsfest mit diesem verbünde- ne Verschraubung (24), über welche die Vorrichtung mit dem Rohrleitungssystem des Nutzers verbunden ist.
Am unteren Ende des Gehäuses (1) befindet sich eine Zugabemedienzufluß (5). Dieser Zugabemedienzufluß (5) ist als axial verstellbares Röhrchen ausgebildet und ragt durch die Wand des Gehäuses (1) in den Hohlraum (2) und dort in die Lavaldüse (7) hinein. Zur Verhinderung von Rückschlägen ist die Zuleitung zum Zugabemedienzufluß (5) mit einem Rückschlagventil (14) versehen. Die Einstellung des Volumenstromes des Oxida- tionsmittels erfolgt über ein Feinregelventil (15a).
Zweckmäßigerweise wird auch hier als Oxidationsmittel Umgebungsluft verwendet, welche über eine regelbare Ionisationseinheit, die als Vorbehandlungseinrichtung (16b) dient, aufbereitet wird.
Zum Erreichen des notwendigen Druckes wird eine Volumenstrompumpe (25) mit einem Nenndruck von 4 bar verwendet.
Die gesamte Vorrichtung ist in einem eigenständigen Kreislauf an einem Speicherbehälter (23) mit freiem Auslauf (26), d.h. ohne Gegendruck auf der Ablaufseite, in das System installiert.
Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die er- findungsgmäße Vorrichtung um eine Regeleinrichtung (27) für den gesamten Reaktionsprozeß ergänzt. Der von der Strichpunktlinie umschlossene Bereich entspricht der Darstellung in Fig. 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 4 in diesem Bereich nicht alle Bestandteile der Vorrichtung mit Bezugszeichen versehen, es wird daher auf die entsprechenden Angaben in Fig. 2 verwiesen.
Dabei werden in der Hauptanschlußleitung (9) signifikante Meßdaten wie Volumenstrom, Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, pH- Wert, Redox-Wert, Keimzahl, Trübung und Druck des zu behandelnden Mediums, sowie Ionisationsgrad und Volumenstrom des Zugabemediums kontinuierlich aufgenommen. In der Abflußleitung (22) der Vorrichtung werden Daten zur Trübung, Medienzusammensetzung, Redox-Wert und Keimzahl aufgenommen und an die Regeleinrichtung (27) kontinuierlich weitergeleitet.
Innerhalb der Regeleinrichtung (27), die als Kaskadenregler ausgeführt ist, werden die aufgenommenen Meßdaten in einem Rechenalgorithmus auf der Grundlage chemischer Grundgesetze verarbeitet und entsprechende Stellgrößen an die externe Volumenstrompumpe (25), das Regelventil (10), das Feinregelventil (15a) der Medienzugabe in das Gehäuse (1), das Feimegelventil (15b) der Medienzugabe in die Hauptanschlußleitung (9), die Verstelleinheit (20a) des Medienabflußrohres (4), die Verstelleinheit (20b) des Zugabemedienzuflusses (5), die Vorbehandlungseinrichtung (16a) der Zugabemedienzuleitung zum Gehäuse (1) und die Vorbehandlungseinrichtung (16b) der Zugabemedienzuleitung zur Hauptanschlußleitung (9) ausgegeben.
Durch die Verwendung der Regeleinrichtung (27) kann der Staudruck entsprechend den gewünschten chemischen Reaktionen und Reaktionsprodukten frei nach einem vorgegebenen Algorithmus geregelt werden.
Über Meßwertaufhehmer (28) in der Abflußleitung (22) der Vorrichtung oder am Medienabflußrohr (4) oder an einem nachfolgenden Speicherbehälter (23) oder über Rückkopplung werden die entsprechenden Eingangsgrößen für eine Regelung ermittelt. Bei Regelprozessen dient als Führungsgröße das gewünschte Ergebnis der Reaktion über einen bestimmten Algorithmus aus bekannten chemischer Grundgesetzen und Vorrichtungskenngrößen oder ein Vergleichs wert, welcher auch am Eingang der Regelstrecke erfaßt werden kann.
Anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1 Aufbereitung von Schmierölemulsionen Im Maschinen- und Anlagenbau sowie der Metallfertigung werden oft in offenen Kreisläufen sogenannte Kühl- oder Schmierölemulsionen und -Suspensionen verwendet. Dabei handelt es sich um Wasser-Öl-Gemische mit einem Öl-Anteil von 2-3%. Diese Schmierölemulsionen dienen einerseits zum Kühlen von offenen Lagern oder beispielsweise zum Kühlen und gleichzeitigen Schmieren bei zerspanenden Tätigkeiten wie Bohren oder Drehen.
Derartige Emulsionen oder Suspensionen bilden eine ausgezeichnete nährstoffhaltige Grundlage für Keime, Bakterien und Pilze, so daß sie nach kurzer Zeit durch Fäulnisprozesse angegriffen werden und eine extrem hohe Geruchsbelastung in den Fertigungsstätten darstellen. Um die Belastung so gering wie möglich zu halten, werden deshalb bisher den Emulsionen auch für den Menschen hochgiftige Biozide in geringen Mengen zudosiert. Im Ergebnis kann mit geringer Zufriedenstellung eine kurzzeitige Reduzierung (i.d.R. nur 3-5 Tage) der Belastung verzeichnet werden. Nachteilig ist, daß die so bekämpften Mikroorganismen lediglich abgetötet werden und ihre Überreste sich im Kreislauf sammeln, was wiederum die Nährstoffgrundlage für andere Keime und Bakterien darstellt, und sich durch Verwesungsprozesse zusätzliche chemische Belastungen in der Emulsion einstellen. Nachteilig ist ebenfalls, daß durch die notwendige häufige Erneuerung und Entsorgung der Emulsionen eine hohe Betriebskostenbelastung entsteht.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem offenen Kreislauf wurden die Keimzahlen in den Emulsionen von 6.500.000 KBE (Keimbildende Einheiten) in nur zwei Stunden auf 500.000 KBE und die Geruchsbelastung durch vorhandene organische Verbindungen aus Fäulnisprozessen unter die Geruchsschwelle gesenkt. Die abgetöteten Keime sind auch als abgestorbene Restprodukte in der Emulsion nicht mehr nachweisbar. Zusätzlich wurde die Schmierleistung um 30 % verbessert. Eine Zugabe von Bioziden oder anderen Chemikalien war nicht mehr notwendig. Die Standzeit der Emulsion konnte um das 14-fache erhöht werden.
Dabei wurde die Vorrichtung in einem offenen Kreislauf betrieben. Aus dem Speicherbehälter der Schmierölemulsion wurde diese über eine Pumpe mit einer Förderleistung von 10 mVh und einem Druck von 3,5 bar über einen Hauptzulaufdurchmesser von 34 mm kontinuierlich gepumpt. Aufgrund der geometrischen Verhältnisse im Hohlraum und dem Medienabflußrohr mit seinem geringsten Durchmesser im Bereich der Lavaldüse von 16 mm und in Verbindung mit den Förderleistungen der Pumpe wird ein entsprechender Stau- oder Reaktionsdruck im Gerät aufgebaut. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit und Drehzahl des Volumenstromes im Gerät von über 60 Umdrehungen/s bewirkt eine mechanische Zerstörung vorhandener Organismen, so daß sich die Reaktionsoberfläche der organischen Verbindungen vergrößert. In Verbindung mit dem im Wasser gelösten und zusätzlich zugeführtem Luftsauerstoff wird im Hohlraum unter Druck der chemische Oxidationsprozeß initiiert und beschleunigt. Zusätzlich werden im Medienabflußrohr durch Zugabe von Luftsauerstoff in dem vorhandenen Wirbelfaden befindliche organische Verbindungen oxidiert. Nach dem Medienabflußrohr wird das behandelte Wasser wieder dem Speicherbehälter zugeführt.
Ausführungsbeispiel 2 Trinkwasserentkeimung
Trotz Behandlung von Trinkwasser bei Erzeugern bilden sich in den medienführenden Teilen beim Abnehmer Keim- und Bakteriennester, was zu einer Belastung des Trinkwassers u.a. mit gefährlichen Krankheitserregern führen kann. Eine sehr gefährliche Art von Keimen und Krankheitserregern in Trinkwassernetzen ist die Legionella Pneu- mophyla, gemeinhin die Legioneile. Um diese in Trinkwassemetzen abzutöten sind technisch außerordentlich aufwendige Maßnahmen notwendig. So wird das Wasser in den Netzen längere Zeit auf über 44 °C erhitzt und gehalten, mitunter sogar bis 80 °C. Eine andere Form der Keimreduzierung nutzt technisch aufwendige Anlagen mit UV- Entkeimung. Allen bisherigen Anlagen eigen ist der technisch hohe Aufwand, die z. T. geringe Behandlungsleistung bezogen auf den Wasserdurchsatz, ein hohes Rückverkei- mungsrisiko und hohe Betriebs- und Unterhaltungskosten.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem geschlossenen Kreislauf führte zu einem Abbau der Legionellen von über 110 KBE (Keimbildende Einheiten) auf zunächst 7 KBE, dauerhaft 0 KBE. Eine Rückverkeimung in den Wassernetzen kann durch den ständigen oder intermittierenden Betrieb der Vorrichtung dauerhaft vermieden werden. Neben der Reduzierung der Keimzahlen, wobei diese auch nicht als abgestorbene Reste nachweisbar sind, findet durch die Änderung der Viskosität und der Oberflächenspannung eine Reinigung des gesamten Rohrnetzes dahingehend statt, daß auch andere oxidable Fremdstoffe abgebaut und mineralische Anlagerungen aufgrund der verbesserten Kapillareigenschaften des Wassers ausgespült werden. Es findet somit eine nachhaltige Sanierung des Rohr- und Trinkwassernetzes statt.
Im oben beschriebenen Fall wurde die Vorrichtung über einen Bypass druckseitig mit dem anstehenden Netzdruck von 4 bar beaufschlagt. Die Durchflußmenge lag bei 12 m3/h, der Hauptzulaufdurchmesser bei 34 mm und der geringste Durchmesser im Medienabflußrohr bei 16,8 mm. Damit war die notwendige hohe Strömungsgeschwindigkeit und Drehzahl im Hohlraum von 70 Umdrehungen/s für die mechanische Zerkleinerung der organischen Bestandteile und ein genügend großer Reaktionsdruck zum beschleunigten Abbau von Kohlenwasserstoffverbindungen,, insbesondere Eiweißverbindungen und Aminen durch eine chemische Kaltoxidation mit dem im Wasser gelösten Luftsauerstoff, gegeben. Durch Zugabe von ionisiertem Luftsauerstoff über Selbstansaugung in den Wirbelfaden wurden letzte verbleibende Keimreste oxidiert.
Ausgangsseitig wurde das Wasser mittels einer der Vorrichtung nachgeschalteten Pumpe zur Überwindung des anstehenden Netzdrucks wieder dem Trinkwasserkreislauf zugeführt. Nach Abschluß einer Grundreinigung genügte ein zeitlich intermittierender Betrieb der Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines stabilen keimfreien Zustandes des Trinkwassernetzes .
Ausführungsbeispiel 3 Wasseraufbereitung in Industriewaschanlagen
In der Industrie und dem Gewerbe werden sehr umfangreich verschiedenste Waschanlagen eingesetzt. Dabei handelt es sich von Fahrzeugwaschanlagen wie LKW- oder Bahnwaschanlagen bis hin zu Maschinen- oder Teilereinigungsanlagen. Um bei allen diesen Anlagen den gewünschten Reinigungseffekt am Produkt zu erreichen, sind große Mengen an Reinigungsmitteln, welche u.a. die Verringerung der Oberflächenspannung oder Viskosität bewirken und für den Reinigungsprozeß nutzen, notwendig. Neben der erforderlichen Nachbehandlung der Produkte durch Spülung mit Klarwasser sind diese Verfahren sehr kostenintensiv hinsichtlich Unterhaltung und Betrieb der Anlagen sowie der Entsorgung der Abprodukte. Der Verbrauch an Frischwasser ist aufgrund der begrenzten Reinigungswirkung dieser Verfahren sehr hoch. Zudem entstehen bei Mehrfachnutzung der Abwässer als Kreislaufwasser außerordentlich hohe Keimbelastungen durch Bakterien und Pilze von teilweise über 600.000 KBE (Keimbildende Einheiten), die zu Fäulnisprozessen im Wasser und damit verbunden zu Geruchsbelastungen von über 2.500 GE (Geruchseinheiten) führen.
Bislang wurde diese Keimbelastung durch Zugabe verschiedener chemisch oder chemisch-biologischer, meist hochgiftiger Produkte in geringer Dosierung geringfügig begrenzt. Eine deutliche Reduzierung der Reinigungsmittel war aufgrund der damit verbundenen Verringerung der Waschleistung nicht möglich.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem offenen Kreislauf führte zu einer Reduzierung der Oberflächenspannung um mehr als 15%. Auch eine Verringerung der Viskosität um mehr als 15% und damit deutlich verbesserte Fließ- und Benetzungs- eigenschaften konnten nachgewiesen werden. Die Keimbelastung wurde nach zweistündigem Betrieb auf unter 50.000 KBE und die Geruchsbelastung auf unter 700 GE reduziert.
Eine Verbesserung der Waschleistung erfolgte dahingehend, daß in Verbindung mit der Verwendung von vollentsalztem Wasser auf Reinigungszusätze bei einer Teilewaschanlage vollständig verzichtet werden konnte.
Aufgrund der geringen Wasserumlaufmenge wird hier eine Anlage mit einem Maximaldurchsatz von 5 m3/h in einem offenen Kreislauf betrieben. Dabei wurde das Schmutzwasser über eine Pumpe aus dem Speicherbehälter angesaugt und über den Hauptzulauf von 25 mm Durchmesser der Vorrichtung zugeführt. Über einen Injektor wird der Reaktionskammer im Zulauf Luft, bei welcher der Sauerstoffanteil vorher durch eine entsprechende Anlage radikalisiert wurde, zugeführt. Durch den anstehenden Förderpumpendruck mit 3 bar, den geometrischen Verhältnissen im Hohlraum, dem Zulauf mit 25 mm sowie dem Medienabflußrohr, welches im verjüngten Bereich einen Durchmesser von 9,8 mm aufweist und auf 25 mm erweitert wird, werden die notwendigen Reaktionsparameter erreicht. Das Wasser erreicht im Hohlraum eine Drehzahl von über 80 Umdrehungen/s, der Reaktionsdruck liegt bei über 2 bar.
Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit, die damit verbundenen Zentrifugalkräfte und durch Reibung wurden organische Bestandteile zerstört und unmittelbar unter den vorbezeichneten Reaktionsbedingen durch die vorhandenen Sauerstoffradikale oxidiert. Als Reaktionsprodukte liegen bei Kohlenwasserstoffverbindungen CO2 und H O vor.
Die hohen Zentrifugal- sowie Scherkräfte im System bewirken eine Änderung der Struktur der Nebenvalenzbindungen des Wassers dahingehend, daß sich die Wassermoleküle unter Änderung der Viskosität und Oberflächenspannung neu ordnen. Die Oberflächenspannung wurde um mehr als 15% von 0,073 N/m auf 0,062 N/m herabgesetzt.
Im Anschluß an die Hauptreaktion wird dem Wirbelkem im Medienabflußrohr zur Förderung der Nachreaktion Luft zugegeben. Durch Unterschreiten des Dampfdruckes hinter der Lavaldüse im Medienabflußrohr geht ein Teil des Wassers in die Dampfphase über und mischt sich mit dem zugegebenen Luftsauerstoff, was zu einer Verbesserung der Nachreaktion durch Oxidation im gasförmigen Wirbelfaden um mehr als 100%) führt.
Ausführungsbeispiel 4 Vorbehandlung industrieller Abwässer
Industrielle Abwässer sind mit kommunalen Abwässern nicht zu vergleichen. Insbesondere die prozeßbedingten chemischen Abprodukte, die den CSB-Wert (chemischer Sau- erstoffbedarf) stark anheben, machen technisch aufwendige und teure Anlagen zur Senkung dieser Werte notwendig. Die im Abwasser enthaltenen Abprodukte umfassen u.a. den gesamten Bereich der organischen chemischen Substanzen von Kettenverbindungen bis zu Ringverbindungen. Die Belastungen der Abwässer erreichen nicht selten CSB- Werte von 500 bis über 100.000 und können konzentriert in dieser Größenordnung herkömmlichen biologischen Kläranlagen nicht zugeführt werden.
Die Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führte innerhalb von 3 Stunden zu einer Senkung der CSB-Werte von 2.400 auf unter 330, so daß dieses Industrieabwasser einer weiteren Behandlung durch biologische Prozesse zugeführt werden konnte.
Verwendet wurde hierfür eine Anlage mit einer Behandlungsleistung von 40 m3/h, einem Hauptzulauf von 40 mm und einem Medienabflußrohr, dessen geringster Durchmesser im Bereich der Lavaldüse bei 23 mm lag. Der pumpenseitig aufgebrachte Förderdruck lag bei 8 bar und die Drehzahl des Fluids im Hohlraum bei über 110 Umdrehungen/s. Damit lag ein genügend großer Reaktionsdruck für Oxidationen von Aroma- ten und Estern vor. Zur Beschleunigung und Verbesserung sowie Initiierung des Oxida- tionsprozesses wurden dem Fluid im Zulauf Luft, deren Sauerstoffanteil vorher zu Ozon radikalisiert wurde, zugegeben. Zusätzlich erfolgte eine Temperaturerhöhung des Fluids vor und im Hohlraum. Die Temperaturerhöhung um jeweils 10 K verdoppelte die Reaktionsgeschwindigkeit.
Auf Grundlage dieser Reaktionsbedingungen erfolgten im Hohlraum chemische Oxida- tionsprozesse der Kohlenwasserstoffverbindungen mit dem vorhandenen Ozon und atomaren Sauerstoff. Eine Nachbehandlung des Fluids in Form einer Fortführung des Prozesses der Oxidation erfolgte innerhalb des Medienabflußrohrs im Wirbelfaden durch die erneute Zugabe von Ozon. Diesem Prozeß förderlich war das Unterschreiten des Dampfdruckes des Fluids im Wirbelkern und damit sein teilweise gasförmiger Zustand. Im Ergebnis dieser Reaktionen entstanden aus den Kohlenwasserstoffverbindungen vorrangig CO , welches nach dem freien Auslauf ausgaste, H2O sowie in kleinen Mengen nicht mehr oxidierbare Salze und schwer oxidierbare Reste an Kohlenwasserstoffverbindungen. Ausführungsbeispiel 5 Vorbehandlung kommunaler Abwässer
Kommunale Abwässer werden in Kläranlagen so aufbereitet, daß neben dem geklärten Abwasser als Abprodukt eine hohe Menge an nicht mehr verwertbarem Klärschlamm anfällt. Dieser Klärschlamm muß zur Entsorgung aufwendig eingedickt werden und anschließend auf Deponien, zur Verbrennung in entsprechende Anlagen oder in Einzelfällen zur Düngung auf landwirtschaftliche Nutzflächen verbracht werden. Aufwendig sind derartige Verfahren durch den hohen Anfall an Klärschlämmen und deren teilweise gesundheitlich stark belastende Zusammensetzung.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurden derartige Schlämme, welche aus Einzelflocken bestehen, so behandelt, daß diese organischen Bestandteile bis zu 98% optisch nicht mehr sichtbar zerkleinert wurden. Der Schlammaufschlußgrad ermittelt sich dabei aus der Sauerstoffverbrauchsrate und ergab einen Aufschluß der Schlammflocken von über 70 % bis 98 % nach zweistündiger Behandlung. Der in Folge nach mehreren Behandlungen um über 50 % gesenkte BSB- und CSB-Wert erreichte die für die Umwelt verträglichen und zugelassenen Werte, um dieses so behandelte Wasser direkt wieder in die Natur einleiten zu können.
Die verwendete Vorrichtung wurde dabei in einem offenen Kreislauf betrieben, d.h. aus einem Speicherbecken wurde über eine starke Pumpe mit einer Leistung von über 4 bar und einem Fördervolumen von max. 80 m3/h das noch pumpfähige Schlammwasser der Vorrichtung zugeführt. Dem Volumenstrom wurde vor Erreichen des Hohlraumes Außenluft, deren Sauerstoffanteil durch eine entsprechende Vorbehandlung zu Ozon radikalisiert und ionisiert war, zugegeben.
Mit einer Hauptzulaufhennweite und der gewählten geometrischen Form des Hohlraumes der Vorrichtung wurde im Maximum eine Drehzahl von über 150 Umdrehungen/s erreicht, wodurch das Schlammgemisch einer sehr hohen mechanischen Belastung, Rei- bung und Zentrifugalkraft ausgesetzt war. Diese Belastung zerstörte mechanisch die Schlammflocken, Bakterien und Keime und erhöhte deren Reaktionsoberfläche, so daß eine beschleunigte Oxidation mit dem beigegebenen Luftsauerstoff und Ozon vorrangig zu CO2 und H2O stattfand.
Die Reaktion fand unter Umgebungstemperatur und hohem Druck, welcher sich aus den geometrischen Verhältnissen im Hohlraum und den Zulaufiiennweiten ergibt, statt. Im Medienabflußrohr, welches im engsten Querschnitt einen Durchmesser von 24 mm aufweist und sich auf 41 mm erweitert, wurde zusätzlich gleichfalls behandelter Luftsauerstoff dem Wirbelkern beigemischt, wodurch eine Nachreaktion in Form von Oxi- dationsprozessen stattfand und damit ein verbesserter Wirkungsgrad der Vorrichtung erreicht wurde. Nach dem Medienabflußrohr wurde das so behandelte Wasser druckfrei wieder dem Speicherbehälter zugeführt.
Ausführungsbeispiel 6 Vorbehandlung von Kraft- und Brennstoffen auf Basis pflanzlicher Öle
Flüssige Kraft- und Brennstoffe, insbesondere pflanzliche Öle wie Raps- oder Sonnenblumenöl, sind für die Verwendung in modernen Verbrennungsmotoren in ihrer ursprünglichen Form nicht geeignet. Grund hierfür sind chemische Verbindungen, welche zur Verharzung neigen sowie insbesondere die hohe Zähigkeit und Viskosität, die eine Förderung zum Verbrennungsraum nahezu unmöglich machen. Auch herkömmliche Kraftstoffe auf Erdölbasis müssen sinnvoll aufbereitet werden.
Bei der Aufbereitung der aus Pflanzen gewonnenen Öle, insbesondere Rapsöl, für die Verwendung als Brennstoff, werden diesen zur Verdünnung und Bindung von für die Verbrennung unerwünschten chemischen Verbindungen „Verdünner" oder Verflüssiger wie beispielsweise Methylverbindungen beigemischt. So aufbereitet können diese Öle als Kraftstoff für Dieselmotoren bedingt verwendet werden. Eine andere Form der Verflüssigung besteht darin, diese Kraftstoffe vor dem Brennraum durch Erwärmung in ihrer Viskosität zu senken, d.h. fließfähiger zu gestalten. Durch die Behandlung dieser Pflanzenöle mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergab sich im Gegensatz zu bisherigen Verfahren eine dauerhafte Viskositätsänderung und damit Verflüssigung, die auch bei Temperaturen unter 0°C Bestand hatte. Im Vergleich zum Ausgangsprodukt wurde das Fließverhalten um ca. 50 - 70 % verbessert. Organische chemische Verbindungen, welche ursprünglich in Kanälen und Zuleitungen zu Eindickungen und Verharzungen führten, waren nicht mehr nachzuweisen, d.h. die Zuleitungen waren auch nach längerem Betrieb inkrustationsfrei. Der Brennwert des so behandelten Pflanzenöles verringerte sich gegenüber dem Ausgangszustand dabei nicht. Es fand durch die bessere Viskosität eine deutlich bessere Luft-Brennstoffmischung statt.
Erreicht wurde dies durch Zuschalten der Vorrichtung als offener Kreislauf zu einem Speicherbehälter für Pflanzenöle. Dabei wurde das Ölvolumen zum Erreichen der gewünschten Viskosität mindestens 20 mal mit der Vorrichtung behandelt. Als Ausgangsmaß für die Behandlung ist die Behandlungsleistung der Vorrichtung mit 20 m3/h definiert.
Das Öl wurde mit einer leistungsstarken Pumpe von über 6 bar über den Hauptzulauf unter Beimengung ionisierten oder radikahsierten Luftsauerstoffs dem Hohlraum der Vorrichtung zugeführt. Eine zusätzliche Temperaturerhöhung um mindestens 10 K verbesserte nachfolgende Oxidationsprozesse von unerwünschten chemischen Begleitstoffen und erhöhte die Reaktionsgeschwindigkeit um über 100 %. Durch die geometrischen Verhältnisse im Hohlraum, dem Zulauf mit 40 mm und dem Medienabflußrohr mit seinem in der Lavaldüse auf 12 mm verjüngten Durchmesser, der sich ausgangssei- tig auf 28 mm erweitert, werden Drehzahlen des Fluids im Hohlraum von über 180 Umdrehungen/s sowie ein hoher Reaktionsdruck für die ablaufenden Oxidationsprozesse erreicht. Die damit verbundenen hohen Reibungs-, Scher- und Zentrifugalkräfte bewirken eine Neuordnung der Molekülstruktur des Öles dahingehend, daß sich die Viskosität und damit das Fließverhalten dauerhaft um mindestens 50% verbessert. Chemische organische Fremdstoffe, die durch Einlagerung in die Molekülstruktur diese ungünstig in Richtung höherer Zähigkeit beeinflussen könnten, werden gleichzeitig durch die vorhandenen Reaktionsbedingungen vorrangig zu CO2 und H2O oxidiert. Dieser Oxidationsprozeß wird im Medienabflußrohr im Wirbelfaden unter Beimengung von ebenfalls behandelter Luft fortgesetzt und ergänzt. Ausgangsseitig wird das behandelte Öl druckfrei dem Speicherbehälter wieder zugeführt.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Hohlraum
3 Medienzufluß
4 Medienabflußrohr
5 Zugabemedienzufluß
6 Zulaufrohr
7 Lavaldüse
8 Rohrförmiger Zapfen
9 Hauptanschlußleitung
10 Regelventil
11 Meßwertaufhehmer
12 . Ausgabeeinheit
13 Zugabeeinrichtung
14 Rückschlagventil
15 a Feinregelventil der Zugabemedienzuleitung zum Gehäuse
15 b Feimegelventil der Zugabemedienzuleitung zur Hauptanschlußleitung
16 a Vorbehandlungseinrichtung der Zugabemedienzuleitung zum Gehäuse
16b Vorbehandlungseinrichtung zur Hauptanschlußleitung
17 Kompressoreinrichtung
18 Strömungsteiler
19 Schaurohr
20 a Verstelleinheit des Medienabflußrohres
20 b Verstelleinheit des Zugabemedienzuflusses
21 a Axiallager des Medienabflußrohres
21 b Axiallager des Zugabemedienzuflusses
22 Abflußleitung
23 Speicherbehälter
24 Verschraubung
25 Volumenstrompumpe Freier Auslauf Regeleinrichtung Meßwertaufnehmer

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Volumenströme oder zwei durch Umlenkung eines Volumenstroms erzeugte Teilvolumenströme mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Form von Translations- oder/und Rotationsbewegung ineinander oder aneinander sich flächig berührend oder umschließend in gleiche Richtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder gegeneinander als Translations- oder/und Rotationsbewegung, wobei hier gleiche Geschwindigkeiten der einzelnen Volumenströme zulässig sind, zur Erzeugung einer Reibung aus der Geschwindigkeitsdifferenz bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenströme durch Trennung aus einem Zulauf erzeugt werden oder als getrennte Volumenströme aus unterschiedlichen Medien zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenströme in einem die Volumenströme umschließenden Rohr- oder Behältersystems zwangsgeführt werden und die Zwangsführung so gestaltet ist, daß gleichzeitig Rotations- und Translationsbewegung des Volumenstroms möglich ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt ist, daß sich je nach zu behandelndem Medium strömungstechnisch eine turbulente Grenzschicht an jedem Volumenstrom ausbildet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt ist, daß die Grenzschichten zwischen den Volumenströmen durch Translations- oder/und Rotationsbewegung aneinander und ineinander reiben und die Volumenströme sich lediglich in der Grenzschicht mischen und verwirbeln.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt ist, daß bei Rotationsbewegung die auftretende Zentrifugalkraft so groß ist, daß die Nebenvalenzbindungen der Moleküle des fluiden Mediums mindestens kurzfristig aufgebrochen werden oder/und langkertige Moleküle organischer oder/und anorganischer Stoffe oder/und Mikroorganismen mechanisch zerstört werden oder/und Moleküle des Mediums oder/und mitgeführter Stoffe ionisiert oder radikalisiert werden.
7. Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt ist, daß bei Translationsoder/und Rotationsbewegung die auftretende Zentrifugalkraft oder/und Translationskraft eine geometrische Neuausrichtung der einzelnen Moleküle aufgrund deren unterschiedlicher Atommassen und somit deren Masseträgheit bewirkt.
8. Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Volumenstrom- oder/und Rotationsgeschwindigkeit so gewählt werden, daß eine Stofftrennung der mitgeführten Stoffe oder Stoffverbindungen und des fluiden Mediums in jedem einzelnen Volumenstrom erreicht wird.
9. Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Neuordnung der Molekülgitterstruktur flüchtige Fremdstoffe oder Gase aus dieser Gitterstruktur gelöst und freigesetzt werden, so daß im fluiden Medium eine Entgasung stattfindet.
10. Vorrichtung zur physikalisch-chemischen Behandlung fluider Medien, bestehend aus einem Gehäuse mit einer rotationssymmetrischen Reaktionskammer, einem oder mehreren mit der Reaktionskammer verbundenen Zuflüssen und einem in die Reaktionskammer ragenden, axial verstellbaren Abflußrohr für das zu behandelnde Medium, einem axial verstellbaren Zufluß für ein Zugabemedium und Peripheriebauteilen wie Schläuchen oder/und Rohren zum Medientransport, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer im Längsschnitt herz- förmig mit sich vom Medienzufluß zum Medienabfluß verkleinerndem Querschnitt ausgeführt ist, wobei der am unteren Ende der Reaktionskammer befindliche kleinste Kammerwandradius höchstens halb so groß ist wie der größte Kammerwandradius und wobei die kleinste Querschnittsfläche des Medienabflußrohrs kleiner ist als die Gesamtquerschnittsfläche aller Medienzuflüsse.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Reaktionskammer ragende Abflußrohr in seinem unteren Bereich als Lavaldüse ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Querschnittsfläche des Medienabflußrohrs bzw. der darin integrierten Lavaldüse höchstens 0,7mal so groß ist wie die Summe der Querschnittsflächen aller Medienzuflüsse.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Reaktionskammer ragende Abflußrohr aus mehreren Teilen besteht, wovon der obere, aus dem Gehäuse ragende Teil als Schaurohr ausgeführt ist, das aus durchsichtigem Material besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Medium vor oder in der Kammer auf eine definierte Reaktionstemperatur gebracht werden kann.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß medienführende Bestandteile der Vorrichtung mit katalytisch wirkenden Stoffen beschichtet oder aus katalytisch wirkenden Stoffen hergestellt sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Medienzuflüsse im oberen Bereich der Reaktionskammer tangential zur Kammerwand münden, wobei ihre Längsachsen mit der Symmetrieachse der Reaktionskammer einen Winkel von weniger als 90° und mehr als 45° ein- schließen, so daß das Medium mit fallender Eintrittsrichtung in die Reaktionskammer tritt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hauptanschlußleitung eine Zugabeeinrichtung integriert ist, mittels derer das zu behandelnde Medium vor dem Eintritt in die Reaktionskammer mit einem Zugabemedium angereichert wird.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Vorbehandlungseinrichtungen peripher so angeordnet sind, daß das Zugabemedium vor der Einspeisung ionisiert oder/und zu einem Radikal umgewandelt wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Medienabflußrohr und der Zugabemedienzufluß durch entsprechende Ausbildung von Hilfseinrichtungen wie Sackbohrungen, Rändelring oder Schlüsselweiten einfach per Hand gestellt werden können.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Medienabflußrohr und der Zugabemedienzufluß mittels Versteileinrichtungen bei laufendem Betrieb in axialer Richtung verstellbar und in ihrer Lage fixierbar sind, wobei die Schnittstellen zwischen dem Gehäuse und dem periphe- ren Leitungssystem ortsunveränderlich bleiben.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaufrohr durch eine mechanische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Stelleinheit verstellt werden kann.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Medienzuflüsse diese aus einer Hauptanschlußleitung gespeist werden, wobei zur Teilung des Volumenstroms ein oder mehrere Strö- mungsteiler in Y-Form verwendet werden deren ablaufseitige Schenkel einen Winkel von weniger als 180° einschließen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabeleitungen für Zugabemedien gegen ungewollten Eintritt des zu behandelnden Mediums durch Rückschlagventile gesichert sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile über einen Öffhungsdruck von weniger als 0,55 bar verfügen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabeleitungen für Zugabemedien zur Dosierung des Zugabemediums mit Regelventilen ausgestattet sind.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zu- oder/und ablaufseitig Meßeinrichtungen installiert sind, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich prozeßrelevante Meßwerte aufnehmen und als analoges oder digitales Signal für nachgeschaltete Auswerteeinheiten zur Verfügung stellen oder/und anzeigen.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die den Prozeß bestimmenden Parameter aufgrund prozeßrelevanter Meßwerte mittels einer Meß- Steuer- und Regelungseinrichtung über entsprechende Stellglieder beeinflußt werden.
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